JP4898842B2 - 燃料計量注入装置を備えた噴射システム及びこのための方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段に記載の、内燃機関の排気系内への燃料計量注入装置を備えた噴射システムと、請求項８の前段に記載の、内燃機関の排気系内への燃料計量注入方法とに関する。

ディーゼル内燃機関の排気ガスに含まれるすす粒子を微粒子フィルタに捕集することが知られている。微粒子フィルタを再生するには、微粒子フィルタに捕捉されるすすを酸素によって酸化する。酸化に必要な微粒子フィルタの温度は、上流側に配置される酸化触媒コンバータによって得ることができる。このため、計量された量の燃料を、酸化触媒コンバータの上流側で内燃機関の排気ガスの中に付加的に噴霧し、それによって、酸化触媒コンバータにおける燃料の化学反応により、必要な温度上昇を生成するものである。

特許文献１は、内燃機関の排気系内への燃料計量注入装置を備えた噴射システムを示している。

この噴射システムは、アキュムレータ噴射システム（コモンレール）の形式に構成される。アキュムレータ噴射システムは、燃料を燃料タンクからアキュムレータに供給する燃料ポンプを備えており、前記燃料を高圧で貯留する。アキュムレータには、燃料をアキュムレータから内燃機関の各燃焼室の中に噴射する複数のインジェクタが接続される。この噴射システムは、内燃機関の排気系に属し、かつ、排気系内に燃料を噴霧できる注入弁を有する。注入弁には、注入ノズルと、その注入ノズルを制御するアクチュエータとが組み込まれ、制御ユニットがアクチュエータを作動させる。燃料ポンプは、燃料を燃料タンクから注入弁に導く。燃料ポンプと注入弁との間には、遮断弁が配置され、緊急時には、その遮断弁が注入ノズルへの燃料の流れを遮断できる。さらに、注入弁の上流側の燃料の圧力を測定できる燃料圧力センサが設けられる。

微粒子フィルタの再生は、排気ガス、酸化触媒コンバータ及び微粒子フィルタの温度が低い場合は、付加的な燃料を内燃機関の燃焼室の中に噴射するインジェクタを用いて行われる。排気ガス、酸化触媒コンバータ及び微粒子フィルタの温度が高い場合は、燃料は、注入弁によって内燃機関の排気系の中に噴霧される。これは、内燃機関の全負荷及び全速度範囲において、微粒子フィルタの再生用に注入された燃料が、酸化触媒コンバータ上に打ち当てられる前に、あるいは、燃料が酸化触媒コンバータ上に打ち当たるときに、確実に揮発状態に変化し得ることを意図したものである。この場合の欠点は、インジェクタによる燃料の噴射は内燃機関の熱力学的効率に負の影響を及ぼすという点、及び、内燃機関の排気系内への燃料の計量注入装置が、排気ガス、酸化触媒コンバータ及び微粒子フィルタの温度が低い場合には、微粒子フィルタの効果的な再生を確実に行うには適していないという点である。

独国特許出願公開第１０２５１６８６Ａ１号明細書

本発明の目的は、冒頭に記載のタイプの燃料計量注入装置を備えた噴射システムであって、内燃機関の全負荷及び全速度範囲において、微粒子フィルタを高効率で再生し得るように排気ガス内への燃料の噴霧を実施できる噴射システムを提供することにある。これにより、燃焼室内への燃料の付加的な噴射を省略することが可能になる。

前記目的は、請求項１の特徴を有する燃料計量注入装置を備えた噴射システムと、請求項８の特徴を有する燃料計量注入方法とにより達成される。

本発明による装置は、遮断弁と計量注入弁との間に配置される圧力調整弁であって、流出ラインを介して噴射システムに接続される圧力調整弁を備えるという特徴を有する。噴射システムは、燃料をアキュムレータに供給してその燃料を高圧で貯留する高圧ポンプを有する。アキュムレータには、燃料をアキュムレータから内燃機関の各燃焼室の中に噴射する複数のインジェクタが接続される。

注入ノズルは、流入ラインを介して噴射システムに接続される。遮断弁及び計量注入弁は流入ラインに設けられる。噴射システムは内燃機関の排気系に付属する。遮断弁は、注入ノズルによる噴霧用として燃料を噴射システムから排出し、計量注入弁は、排出された燃料を注入ノズルに計量送入する。注入ノズルは、計量された燃料を排気系内に噴霧し、それによって、注入ノズルの下流側で排気系における微粒子フィルタを再生する。遮断弁と計量注入弁との間には圧力調整弁が配置される。圧力調整弁は、遮断弁と計量注入弁との間の燃料の一部を流出ライン経由で放出することにより、遮断弁と計量注入弁との間の燃料の圧力を特定の値に一様に平均化する。放出された燃料は噴射システムに戻される。計量注入弁の上流側の燃料圧力は、最小の燃料量でもきわめて正確に注入ノズルから放出できるように、厳格な制限範囲内に有利に制御することができる。この燃料量は、低排気ガス温度の場合でも、酸化触媒コンバータに打ち当てられる前に揮発可能である。

本発明による装置の１つの改良形態においては、遮断弁の上流側にスロットルが配置される。噴射システムからの燃料はスロットルを経由して遮断弁に流れ、遮断弁が開いていると、さらに、計量注入弁及び圧力調整弁に流れる。噴射システムからの燃料の圧力変動は、スロットルによって有利に平準化される。その結果、計量注入弁の上流側における燃料圧力制御の精度をより一層改善できる。

本発明による装置の別の改良形態においては、スロットルと遮断弁と計量注入弁と圧力調整弁とが、１つの注入ユニットに組み合わされる。この注入ユニットは、流入ライン及び流出ラインを介して噴射システムに接続される。燃料は、流入ラインを経由して計量注入ユニットに流入する。計量注入ユニットにおいては、燃料は、スロットルを通って遮断弁に流入し、遮断弁の下流側で計量注入弁及び圧力調整弁に、計量注入弁の下流側で注入ノズルに流れ、圧力調整弁の下流側で流出ラインに流入する。スロットルと遮断弁と計量注入弁と圧力調整弁とは、省スペースの形で単一の構成要素に組み立てられる。

本発明による装置のさらに別の改良形態においては、遮断弁と計量注入弁と圧力調整弁とが、減衰容量体を介して相互に連結される。この減衰容量体によって、燃料における圧力波を噴射システムから有利に除去することができる。その結果、計量注入弁の上流側における燃料圧力制御の精度をより一層改善できる。

本発明による装置のさらに別の改良形態においては、注入ノズルが注入ラインを介して計量注入ユニットに接続される。計量注入ユニットは流入ラインを介して噴射システムに接続され、注入ノズルは注入ラインを介して計量注入ユニットに接続される。計量注入ユニット及び注入ノズルを、空間的に相互に分離して内燃機関もしくは排気系に設けることが有利に可能である。それによって、注入ノズル及び一部の注入ラインのみを排気系の高温領域に取り付けることが可能になる。

本発明による装置のさらに別の改良形態においては、注入ノズルが、注入ライン内の燃料圧力によって自動的に開いて燃料を排気系の中に噴霧する。計量注入ユニットによって設定される燃料圧力が、好ましくはスプリング付勢される注入ノズルの開放圧力を超過し、それによって注入ノズルが自動的に開き、排出された燃料が内燃機関の排気系の中に噴霧される。燃料圧力は、圧力調整弁によって厳格な制限範囲内に有利に制御されるので、噴霧される燃料量は、実質的に計量注入弁が開いている時間によって定まることになり、噴霧される燃料量を正確に制御できる。

本発明による装置のさらに別の改良形態においては、計量注入ユニットが流入ラインを介して噴射システムの低圧回路に接続される。噴射システムは、低圧回路と、その低圧回路から燃料供給される高圧回路とを有する。高圧回路は、内燃機関の燃焼室内に噴射するための高圧燃料をインジェクタに供給する。排気系内に燃料を計量注入する本発明の装置によって噴霧燃料を混合しかつ揮発させるには、低圧ポンプの供給燃料圧力で十分である。微粒子フィルタの再生に高圧回路からの燃料を必要としない点が有利である。

本発明による装置のさらに別の改良形態においては、計量注入ユニットが流出ラインを介して噴射システムの流れの戻りラインに接続される。噴射システムの低圧回路及び高圧回路から放出された燃料は、流れの戻りラインに流入する。計量注入ユニットから放出された燃料は噴射システムに有利に戻される。

本発明による方法は、遮断弁によって特徴付けられる。その遮断弁によって、注入弁ノズルを通る１回又は複数回の噴霧用の燃料が排出され、計量注入弁によって、排出された燃料が１回又は複数回の噴霧用として注入ノズルに計量送入され、圧力調整弁によって、遮断弁と計量注入弁との間の排出された燃料の圧力が制御される。遮断弁は、注入ノズルを通る１回又は複数回の噴霧用の燃料を噴射システムから排出する。計量注入弁は、自動的に開く注入ノズルが内燃機関の排気系内への１回又は複数回の噴霧を実行するように、遮断弁によって排出された燃料を計量送入する。圧力調整弁は、遮断弁と計量注入弁との間の排出された燃料の圧力を制御して、計量注入弁の上流側の燃料圧力を特定の値に一様に平均化する。燃料は、排気系内への燃料の噴霧の間においてのみ、噴射システムから有利に引き抜かれる。

本発明による方法の１つの改良形態においては、遮断弁と計量注入弁との間の燃料の一部を圧力調整弁によって放出する。この一部の燃料の放出によって、燃料圧力の正確な制御が有利に行われる。

本発明による方法の別の改良形態においては、遮断弁及び計量注入弁間の燃料圧力を、圧力調整弁によって、低圧ポンプの最低供給圧力未満の圧力に一様に平均化する。内燃機関の全負荷及び全速度範囲において、排気系内に燃料を噴霧するための一様に平均化された圧力レベルが有利に確保される。

さらなる特徴及び特徴の組合せを以下の説明及び図面に見ることができる。本発明の例示的実施形態が図面に簡素化されて表現されており、以下の説明においてこれを詳述する。

図１は、内燃機関の排気系３内への燃料の計量注入装置２を有する噴射システム１の、本発明による例示的実施形態の簡素化された概略図である。

噴射システム１は、内燃機関、特にディーゼル内燃機関用のアキュムレータ噴射システム（コモンレール）として具現化されている。噴射システム１は、内燃機関（詳細には図示されていない）の排気系３内への燃料計量注入装置２に燃料を供給する。排気系３には、酸化触媒コンバータ４と、その下流側に配置される微粒子フィルタ５とを有する排気ガス清浄化装置が設けられる。燃料計量注入装置２は、酸化触媒コンバータ４の上流側で排気系３の中に燃料を放出する。燃料は排気ガスと混合し、排気ガスと共に酸化触媒コンバータ４に達する。酸化触媒コンバータ４において、燃料は化学反応によって熱に転換される。微粒子フィルタ５は、微粒子フィルタ５の中に捕捉されたすすが酸素により酸化されることによって再生される。このために必要な排気ガス又は微粒子フィルタの温度を、酸化触媒コンバータ４において発生させる。

噴射システム１は、低圧回路６と、高圧回路７と、流れの戻りライン８とを含む。低圧回路６は高圧回路７に燃料を供給する。空気抜き用と、圧力調節用と、噴射システム１の制御用のために放出される燃料は流れの戻りライン８に流入する。

低圧回路６は、燃料タンク１４から、遮断弁１０と、冷却器１１と、逆止め弁１２と、予備フィルタ１３とを経由して燃料を吸い上げる低圧ポンプ９を有する。燃料タンク１４からの燃料は、最初に冷却器１１を通過するが、この冷却器１１は、内燃機関の制御ユニット（詳細には図示されていない）の冷却用として、前記制御ユニットに付属しているものである。その後、燃料は予備フィルタ１３において粗大な不純物が取り除かれ、続いて、吸い上げられた燃料を低圧ポンプがフィルタユニット１５に送入する。フィルタユニット１５において、燃料は十分に清浄化され、燃料に含まれる水が少なくとも部分的に燃料から分離される。遮断弁１０が、燃料タンク１４に対する低圧回路６の分離点に配置され、燃料タンク１４から分離後の低圧回路６が空になるのを防止する。逆止め弁１２は、噴射システム１の停止後に低圧回路６が空になるのを防止する。

フィルタユニット１５から、燃料は、さらに高圧回路７に流入する。高圧回路７においては、高圧ポンプ１６が、燃料を、低圧回路６からアキュムレータ１７に供給し、その燃料をアキュムレータ１７内に高圧で貯留する。高圧ポンプ１６は、制御可能な列型のピストンポンプとして設計するのが望ましい。圧力センサ１８が、アキュムレータ１７における燃料圧力を測定する。圧力センサ１８は制御ユニットに接続される。アキュムレータ１７における燃料の最高到達可能圧力は、圧力弁１９によって定められる。アキュムレータ１７内の燃料圧力が規定圧力を超える場合は、圧力弁１９が開き、過剰の燃料がアキュムレータ１７から流れの戻りライン８に流入する。

アキュムレータ１７は、噴射ライン２０を介して複数のインジェクタ２１に接続される。複数のインジェクタ２１は、それぞれが内燃機関の各燃焼室に付属しており、アキュムレータ１７からの燃料を直接燃焼室内に噴射する。インジェクタ２１は制御ユニットによって制御される。インジェクタ２１には、それぞれ、それ自体公知の油圧式増圧器が装着される。この増圧器によって、インジェクタ２１を通して噴射するときの燃料の圧力を、高圧回路７、特にアキュムレータ１７及び噴射ライン２０の燃料圧力に対してさらに高めることができる。

流れの戻りライン８には、燃料捕集容量体２２が配置され、低圧回路６及び高圧回路７から放出された燃料がその中に一緒に流れ込む。燃料捕集容量体２２には、フィルタユニット１５が接続されており、そのフィルタユニット１５から、低圧ポンプ９がフィルタユニット１５に供給する燃料の少なくとも一部分が、フィルタユニット１５の空気抜き用として流出する。さらに、高圧ポンプ１６は、高圧ポンプ１６に一体化される圧力弁２３を介して燃料捕集容量体２２に連絡される。圧力弁２３は、高圧ポンプ１６における燃料が特定圧力に達すると燃料を放出する。インジェクタ２１は、逆止め弁２４を介して燃料捕集空間２２に接続される。インジェクタ２１を制御するために放出された燃料は、逆止め弁２４を経由して燃料捕集容量体２２に流入する。圧力弁１９から放出される燃料は、アキュムレータ１７からスロットル２５を経由して、最終的に燃料捕集容量体２２に流入する。圧力弁１９が誤動作して開位置に開いた場合は、スロットル２５が動圧を形成する機能を果たし、誤って放出された燃料の少なくとも一部分が、アキュムレータ１７から、スロットル２５の上流側の流れの方向において逆止め弁２６を経由して高圧ポンプ１６に戻るようになり、それによって、高圧ポンプ１６の潤滑を確実に行う。

油圧式増圧器を制御するためにインジェクタ２１から放出される燃料量は、スロットル２７と、燃料冷却器２８と、低圧ポンプ９とフィルタユニット１５との間の逆止め弁２９とを経由して低圧回路６に流入する。燃料冷却器２８においては、インジェクタ２１から放出される燃料が、好ましくは内燃機関の冷却液回路（図示なし）によって冷却される。

燃料捕集容量体２２からの燃料は、遮断弁３０を経由して燃料タンク１４に戻る。遮断弁３０は、燃料タンク１４に対する流れの戻りライン８の分離点に設けられ、流れの戻りライン８が燃料タンク１４から分離する際に低圧回路６が空になるのを防止する。低圧ポンプ９が、逆止め弁３１及びスロットル３２を経由して燃料タンク１４から燃料を吸い上げる。

内燃機関の排気系３内への燃料計量注入装置２には、噴射システム１から燃料を供給する。フィルタユニット１５と高圧ポンプ１６との間において、計量注入ユニット３３が、流入ライン３４を介して低圧回路６に接続される。燃料は、計量注入ユニット３３から、注入ライン３５を経由して注入ノズル３６に流れる。注入ノズル３６は、排気系３に付属しており、燃料を排気系３の中に噴霧する。計量注入ユニット３３から放出される燃料は、高圧ポンプ１６から放出される燃料と共に、流出ライン３７を経由して流れの戻りライン８の燃料捕集空間２２に流入する。

図２は、燃料計量注入装置２の簡素化された概略図を示す。計量注入ユニット３３において、スロットル３８と、遮断弁３９と、計量注入弁４０と、圧力調整弁４１とが、省スペースの形で１つの構成要素に組み合わされる。遮断弁３９及び計量注入弁４０は、ソレノイド弁として構成するのが望ましく、制御ユニットによって制御される。圧力調整弁４１は、好ましくはフラットな圧力調整特性曲線を有するスプリング付勢スロットル弁として構成される。遮断弁３９と、計量注入弁４０と、圧力調整弁４１とは、減衰容量体４２を介して相互に連結される。

低圧回路６からの燃料は、流入ライン３４を経由し、スロットル３８を通って遮断弁３９に流れる。遮断弁３９が開位置にあるときは、燃料は、さらに、減衰容量体４２を経て、計量注入弁４０及び圧力調整弁４１に流れる。計量注入弁４０が開位置にあるときは、燃料は注入ライン３５を経由して注入ノズル３６に流れる。注入ノズル３６は、排気系３の排気管４４の保持装置４３の中に保持される。好ましくはスプリング付勢される注入ノズル３６は、自動的に開いて燃料を排気系３の中に噴霧する。

圧力調整弁４１は、減衰容量体４２から燃料の一部を放出することによって、計量注入ユニット３３内の燃料の圧力を制御する。放出される燃料は、流出ライン３７を経て流れの戻りライン８に流入する。計量注入ユニット３３内の燃料を放出する結果として、注入ノズル３６からの噴霧用としての燃料の圧力を厳格な制限範囲内に制御することが可能になる。噴霧される燃料量を正確に計量でき、それによって、内燃機関の全負荷範囲及び全速度範囲における微粒子フィルタの効率的な再生が可能になる点が有利である。

スロットル３８及び減衰容量体４２は、微粒子フィルタ５の再生用燃料の計量注入のさらなる精度向上に寄与する。スロットル３８によって、低圧ポンプ９から高圧ポンプ１６への供給の間に低圧回路６に生じる計量注入ユニット３３用燃料の圧力変動を平準化することが可能になる。スロットル３８に適合した減衰容量体４２によって、燃料に残っている圧力変動から生じる計量注入ユニット３３内の圧力波を減衰又は除去できる。

微粒子フィルタ５の再生に必要な燃料の噴霧は、ただ１回の噴霧ないしは複数回の噴霧によって行うことができる。この場合、計量注入弁４０は、開閉により１回だけ又は連続して複数回注入ノズル３６に燃料を計量送入することによって、注入ノズル３６を通る１回又は複数回の噴霧を可能にする。遮断弁３９は、微粒子フィルタ５の再生に必要な１回又は複数回の噴霧用の燃料を排出する。圧力調整弁４１は、遮断弁３９と計量注入弁４０との間の減衰容量体４２内の燃料圧力を制御する。微粒子フィルタ５再生用の燃料を、噴射システム１から、特に低圧回路６から、所要状況においてのみ引き抜くことが有利である。

計量注入ユニット３３内の燃料圧力は、低圧回路６における燃料圧力によって実質的に決定される。この場合、圧力調整弁４１は、減衰容量体４２内の燃料圧力を、低圧ポンプ９の最低供給圧力未満の圧力に一様に平均化する。それにより、内燃機関のあらゆる負荷状態において、十分な燃料量を、微粒子フィルタ５の再生用として確実に利用できるようになる。さらに、計量注入ユニット３３に流入する燃料量はスロットル３８によって制限されるので、圧力調整弁４１によって制御されるべき燃料量は、低圧ポンプ９が供給する最小及び最大燃料量よりも狭い範囲内にあるようになり、その結果、圧力調節の精度をさらに高めることができる。

本発明による装置と、燃料の計量注入方法とによって、最小の燃料量を内燃機関の排気系３内に正確に導入することが可能になる。そのため、内燃機関の全負荷及び全速度範囲において、特にトランジェント運転において、噴霧された燃料が、酸化触媒コンバータ４上に打ち当たる前に確実に揮発することになり、それによって、酸化触媒コンバータ４における燃料の効果的な触媒転換と、微粒子フィルタ５の再生とが可能になる。

さらに、微粒子フィルタ５の再生用の燃料は所要状況においてのみ低圧回路６から引き抜かれるので、低圧回路６に恒久的な負荷が掛からず、高圧回路７からの燃料は必要でない。従って、本発明による燃料計量注入装置２は、噴射システム１、特に低圧回路６の寸法決定に対して２次的な役割を演じ、コスト及び搭載空間の節減を可能にする。

内燃機関の排気系内への燃料の計量注入装置を備えた噴射システムの、本発明による例示的実施形態の簡素化された概略図である。 燃料の計量注入装置の簡素化された概略図である。

Claims (8)

1. 燃料タンクからの燃料を供給する低圧ポンプ（９）を備える低圧回路（６）と、燃料を前記低圧回路（６）からアキュムレータに供給してその燃料を高圧で貯留する高圧ポンプ（１６）を備える高圧回路（７）と、流れの戻りライン（８）と、前記アキュムレータに接続されて前記アキュムレータからの燃料を内燃機関のそれぞれの燃焼室の中に噴射する複数のインジェクタ（２１）と、排気系に付属し前記排気系に燃料を噴射する注入ノズル（３６）と、を有する内燃機関の噴射システムであって、
   注入ユニット（３３）が遮断弁（３９）、計量注入弁（４０）及び前記遮断弁（３９）と前記計量注入弁（４０）との間に配置された圧力調整弁（４１）を有し、前記注入ユニット（３３）が注入ライン（３５）を介して前記注入ノズル（３６）に接続され、前記注入ユニット（３３）が流入ライン（３４）を介して前記低圧回路（６）に接続され、圧力調整弁（４１）が流出ライン（３７）を介して前記流れの戻りライン（８）に接続され、
   前記遮断弁（３９）は１回又は複数回の噴霧用の燃料を排出させるものであり、前記遮断弁（３９）と前記計量注入弁（４０）との間にある前記排出された燃料の圧力が前記圧力調整弁（４１）によって制御されることを特徴とする噴射システム。
2. 前記遮断弁（３９）の上流側にスロットル（３８）が配置されることを特徴とする請求項１に記載の噴射システム。
3. 前記スロットル（３８）と、前記遮断弁（３９）と、前記計量注入弁（４０）と、前記圧力調整弁（４１）とが前記注入ユニット（３３）に組み合わされることを特徴とする請求項２に記載の噴射システム。
4. 前記遮断弁（３９）と、前記計量注入弁（４０）と、前記圧力調整弁（４１）とが、減衰容量体（４２）を介して相互に連結されることを特徴とする請求項３に記載の噴射システム。
5. 前記注入ノズル（３６）が、前記注入ライン（３５）内の燃料圧力によって、自動的に開いて燃料を前記排気系（３）の中に噴霧することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の噴射システム。
6. 噴射システムのために内燃機関の排気系内に燃料を計量注入する方法において、
   前記注入ノズル（３６）を通る１回又は複数回の噴霧用の燃料を前記遮断弁（３９）によって排出し、前記排出された燃料を前記計量注入弁（４０）によって１回又は複数回の噴霧用として前記注入ノズル（３６）に計量送入し、前記遮断弁（３９）と前記計量注入弁（４０）との間の前記排出された燃料の圧力を前記圧力調整弁（４１）によって制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の噴射システムのための燃料の計量注入方法。
7. 前記遮断弁（３９）と前記計量注入弁（４０）との間の前記燃料の一部を前記圧力調整弁（４１）によって放出することを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記遮断弁（３９）と前記計量注入弁（４０）との間の前記燃料の圧力を、前記圧力調整弁（４１）によって、低圧ポンプ（９）の最低供給圧力未満の圧力に一様に平均化することを特徴とする請求項６あるいは７に記載の方法。

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