JP5155198B2 - 燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、入口ポートが可変燃料圧力源に接続された単一ノズルを通る第１段および第２段からなる噴射イベントを行う内燃機関エンジン用の燃料噴射装置に関するものであり、前記ノズルは前記第１段の噴射を実行するニードル弁と、前記第２段の噴射を実行するポペット弁とからなる。

本発明は内燃機関エンジンの燃料噴射装置、とりわけ圧縮点火エンジンの燃焼シリンダに直接燃料を噴射する装置に関する。

大抵の予測によれば、圧縮点火すなわちディーゼルエンジンは、予測し得る将来も、輸送、建設およびその他の機械の主要な機械電源のままであり続けるであろう。しかしながら、現在のところ実質的にディーゼルエンジンの唯一の燃料源である原油貯蔵量の減少および原油価格の高騰により、ディーゼルエンジンに適した代替燃料を見出すための取り組みが開始されている。環境特性および効率的なディーゼル運転に対する適合性の両面からとりわけ見込みのある燃料の１つに、ジメチルエーテルすなわちＤＭＥがある。ＤＭＥの化学的および熱力学的特性は従来のディーゼル燃料とは大きく異なっているものの、燃料噴射装置を最適化して、該装置ひいてはエンジン全体の効率的な運転を確実にすることが要求される。

中でもＤＭＥと従来のディーゼル燃料油の間の最も重要な違いは、ＤＭＥの発熱量と密度が著しく低く、従来の燃料油の煤傾向が非常に大きいことである。ＤＭＥの低い発熱量と密度が相まって、同じエンジン出力を得るためにディーゼル油と比べて約２倍の容積量を噴射する必要がある。その非常に乏しい潤滑性や低い粘性と大きな圧縮性に起因する、高いＤＭＥ噴射圧力を生成することの難しさにより、流量範囲が非常に大きいノズルを利用して、大きな流量および噴射量を実現する必要がある。これにより、多数のオリフィスと大きな直径が必要となることから、噴射オリフィスへの流れを制御するニードル弁を特徴とする従来のディーゼルノズル設計ではある種の困難が生じる。他方では、ＤＭＥの非常に低い煤傾向によって、大きな流量は容易に得られるが、使用した場合に煤排出が容認し難いほど高くなるため、現代のディーゼル油燃料エンジンでは使用することができない他の種類のノズルを利用することができるという利点がもたらされる。

そのようなノズル種の１つは、リターンスプリングの力とエンジンの燃焼室内の背圧とに抗して外方に開口するポペットを有するポペットノズルである。この種のノズルの使用はディーゼルエンジン業界ではずっと以前に廃止されており、その後比較的簡単な設計または２段運転への適合性によって後押しされる概念を復活させようとする試みがあったが、これまでのところ商業的応用には至っていない。最近の開発の一例は、特許文献１に開示されている。その設計では、中空円錐状に大流量の燃料が噴射される急速な開放を行うディーゼル燃焼特性にはそれほど好都合ではないポペットノズルは、ノズル本体のガイド面の底縁がポペット弁座の付近のポペットガイドに形成された噴射オリフィスに対するスプール状領域の制御を行うように、ポペットの主テーパ弁座まで延在する円筒状ポペットガイドを用いることで廃止が試みられている。この解決策により、前述の公報に開示のように、軸方向に細長形状の噴射孔および／またはさまざまな寸法／方向の孔の複数列を使用して、初期の燃焼率等の制御が可能になる。ＤＭＥによる運転は、燃料の低い煤特性のおかげで、この設計の外部ノズル表面の燃料しぶきや燃料膜形成傾向は帳消しになる可能性があるが、効果的なオリフィスエッジ制御に比較的厳密に整合すべきガイドのエンジン燃焼ガスの高温かつ汚染環境への暴露によって機能信頼性を大幅に損なう可能性がある。したがって、ポペット弁座に隣接するくびれたステム部分を有するポペット弁の従来設計が、信頼性の点でより見込みがある。

研究や経験からわかるように、ＤＭＥディーゼル燃焼過程は、ＮＯｘ（窒素酸化物）・煤・ＢＳＦＣ（正味燃料消費率）のトレードオフの点で、燃料噴射初期の噴射量の綿密な管理によって利益を享受し得る。特定の状況では、パイロット噴射も有益である。しかしながらその実現は、前述の理由のためにノズルの最大流量範囲が大きくなければならないという事実によって複雑化しており、通常は噴射初期に急速に広い面積を開放する傾向があるポペットノズルの場合は特に困難である。本発明は、ポペット形のノズルにおけるパイロット噴射と噴射の初速度を正確に制御する簡単かつ効果的な手段を提供することによって、この問題に対処する。

本発明と部分的に類似する従来技術の噴射器システムが、特許文献２に開示されている。そのシステムは、同時に２つの燃料で動作するように設計されており、燃料の１つは他方の天然ガス等の主燃料を点火するためのパイロット燃料である。このため、噴射器は複数の入口／出口ポートを有する複雑な装置となり、ノズル等の開放に使用される流体を作動させる圧力を軽減する別個の弁によってさらに複雑化する。

米国特許第６，５１３，４８７号明細書（ＵＳ６，５１３，４８７Ｂ１） 欧州特許第０９８０４７５号明細書（ＥＰ０９８０４７５Ｂ１） 米国特許第６，１８９，５１７号明細書（ＵＳ６，１８９，５１７Ｂ１）

本発明の目的の１つは、比較的低粘度かつ低比熱の燃料、例えばＤＭＥを噴射するのに必要な程度の比較的大きな最大ノズル流量範囲を有する燃料噴射装置を提供することであり、パイロット噴射の生成と良好な精度かつ燃料噴射特性での噴射初期のレートシェーピングの実現が可能になる。本発明のより明確な目的は、第１段の燃料噴射で比較的小さな流量範囲を有する噴射オリフィスを開放することが可能な、ゆっくりかつ正確に制御された速度で燃料を供給するように設計されたニードル弁と、第２段の燃料噴射でエンジン燃焼室に向かって外方に移動する際に、比較的大きな流量範囲で開放し、比較的高い噴射率を実現することが可能なポペット弁とを備えた２段ノズルを提供することである。

これらの目的は、請求項１の特徴部分にしたがった燃料噴射装置によって達成される。

本発明のさらなる目的は燃料圧力制御２段ノズルを提供することであり、第１および第２段の噴射の作動がノズルの入口の圧力を制御することによって選択することができ、良好な噴射特性を得るためにニードル弁の作動もポペット弁の移動によって制御することができる。

本発明に係る燃料噴射装置は、ノズルの入口ポートが接続される可変燃料圧力源を含む。ノズルは、ポペットを有し、ポペットがノズル上に形成されたポペット弁座で終端し、それらの間の流量範囲を閉鎖する閉鎖位置に向かってポペットリターンスプリングによって付勢されるポペット弁を組み込んでおり、それを介して加圧下の燃料を別の方法でノズルからエンジンの燃焼室へ噴射することができる。ポペット弁座の直径に取り囲まれるポペット弁の領域は入口ポート内の圧力に曝され、この入口ポートは、弁座直径、ポペットリターンスプリングプレロードおよびノズル外部の背圧によって規定される所定レベルまで圧力が上昇すると、ポペットリターンスプリングの力および燃焼室内の圧力に抗してポペット弁をエンジンの燃焼室に向かって移動させることによってノズルを開放する。

弁の頂部から軸方向に延在し、ポペット弁の底部の少なくとも１つの噴射オリフィスで終端する孔がポペット弁内にあり、噴射オリフィスはエンジンの燃焼室に開口している。ニードル弁はこの孔の中に組み込まれており、孔への正確整合滑りばめを形成する円筒ガイドをその上部に有する。ニードル弁はその底部に形成された弁座も有しており、孔の底と係合して孔と噴射オリフィスの間の流体連通を閉鎖することができる。ニードル弁座とニードルガイドの間に限定される孔の体積は、常にノズルの入口ポートに接続されている。ポペット弁の頂部にはめ込まれるスプリングキャップ、ニードル弁のガイドおよび孔は、ニードルを付勢して噴射オリフィスを閉鎖するニードルリターンスプリングが組み込まれるニードルスプリング室を形成する。使用時、スプリングキャップによって、ニードルスプリング室とポペットスプリング室の間の流体連通が不可能になる。

ポペット弁とノズル本体は、ポペット弁が上下に摺動してノズルを開閉することができる正確整合ポペットガイドを形成する。ノズル本体に、直接または環状戻り溝を介してポペットガイド上に開口する戻り流路が設けられる。ニードルスプリング室を戻り流路に接続する出口制御オリフィスがポペット弁に設けられて、ニードル弁とポペット弁の位置がこの出口制御オリフィスの流量範囲を制御することができるようになっている。同様に、ノズル本体には入口ポートに接続される一方、直接または環状供給溝を介してポペットガイド上に開口する供給流路がある。ニードルスプリング室を供給流路に接続する入口制御オリフィスがポペット弁に設けられて、ポペット弁の位置がこの入口制御オリフィスの流量範囲を制御することができるようになっている。ポペットガイドの隙間は、ノズル本体の流路または環状溝のエッジと重なり合うことによって、ガイドに沿った加圧燃料の漏れを最小限にし、制御オリフィス内で必要な流量減少を保証するのに十分なほど小さくなっている。

ノズルの閉鎖位置では、ニードルスプリング室は出口制御オリフィスによって戻り流路に接続され、入口制御オリフィスと供給流路の間のずれのために入口制御オリフィスから切り離されて、ニードルスプリング室内の圧力が戻りポート圧力と等しくなるようになっている。ニードル弁の開口圧力は、ニードルリターンスプリングプレロードとニードル差分面積の寸法（ニードルガイド直径とニードル弁座直径によって画定される）の適切な組み合わせによって、ポペット弁の開口圧力よりも低くなるように設定される。第１段の噴射開始時に、入口ポート内の圧力が上昇すると、ニードル弁が開口して、ポペットの比較的小さな噴射オリフィスを介して燃料を噴射することができる。

高速での噴射が要求される場合、入口ポートの圧力がさらに増加してポペット弁の開口圧力を超えると、ポペット弁が下方に移動してポペットとその弁座の間の大きな流量範囲を開放して、燃料をポペット圧力室から燃焼室へ抜け出させることによって、第２段の噴射が開始される。このポペット弁の下方移動中、出口制御オリフィスに戻り流路または溝のエッジが重なり合って、ニードルスプリング室から戻りポートへの流路を閉鎖する。さらに、ポペット弁の開口が供給流路を備えた入口制御オリフィスと合わさって、加圧下の燃料がニードルスプリング室に流れ込むようになり、ニードルリターンスプリングを補助してニードル弁を閉鎖する。このため、ニードル弁はポペット弁の開放時に素早く閉鎖することができる。

噴射の終了時には、ポペット弁がポペットリターンスプリングの力と燃焼室内の背圧とに抗して開放し続けられるレベルまで、入口ポートの圧力が減少する。その後、ポペット弁は上方に移動して、ニードル弁がニードルリターンスプリングの力によって閉鎖し続けている間、閉鎖する。

これらの方法により、エンジンのアイドルおよび低負荷運転に必要な少量の燃料供給の正確な制御、噴射の効果的なレートシェーピングおよび多量の燃料の高流速噴射の実現を可能にすると同時に、低漏れ制御と比較的簡単な設計を確実にする、２段ノズルを備えた燃料噴射装置が提供される。さらに、該装置は噴射の早期終了を実現する。

一方では噴射オリフィスの数、方向および全流量範囲、他方ではポペットノズル設定を別々に最適化して、さまざまなエンジン運転条件、主として高負荷運転と対照的な低負荷および低速運転に要求される噴射の最適な燃料分布と燃料比を保証することができる。ニードル弁またはポペット弁のどちらを開放するかとその開放の継続時間の選択は、当該技術で既知の多くの方法によって実行可能な、ノズルの入口ポートの燃料圧力を制御することによって行われる。本明細書の以下の項で、それらをより詳細に説明する。

添付の図面を参照して、本発明を非限定的な方法で以下にさらに説明する。

好適な実施形態では、本発明に係る燃料噴射装置は、燃料タンク１、供給ポンプ２と関連部品（図示せず）、従来の遮断弁３、および高圧ポンプ５と、複数の噴射器が接続されるコモンレール６と、エンジン管理システム（ＥＭＳ）７とからなる可変圧力源４を含む。油圧作動弁８がコモンレール６とノズル１０の入口９の間に接続されており、油圧作動弁８の入口はコモンレール６に接続されている。油圧作動弁は好ましくは正確整合ステムを有して出口室１１と制御室１２を形成し、好ましくは弾性手段１３によって閉鎖位置に向かって付勢される。弁８の制御室１２は、ＥＭＳ７からのコマンドに応じて、三方パイロット弁１４によってコモンレール６または戻り導管１５のどちらかに接続することができる。油圧作動弁８の出口は、差動油圧弁１６を介してノズル１０の入口９に接続される。ノズル１０の戻り流路１７は、別の差動油圧弁１８を介して戻り導管１５に接続される。好ましくは、エンジンの他の噴射器のノズル戻り流路は、図示のように同じ弁１８を介して戻り導管に接続される。ＥＭＳ７によって制御される逃し弁１９は、油圧作動弁８の出口と戻り導管１５の間に接続される。

差動油圧弁１６、１８は、一度開放すると、燃料の圧力に曝される弁の領域が十分大きくなって、弁内の圧力が装置の供給圧力をやや下回るかまたはそのレベルを上回っている場合はいつでも、弁のリターンスプリングの力に抗して弁を開放し続けるように設計される。エンジンが停止して供給圧力が所定レベルを下回った場合、差動油圧弁が閉鎖し、弁の上流の圧力に曝される弁の領域は、供給圧力レベルを上回る圧力が弁１６の再開放が要求されるように比較的小さくなる。そのような弁の設計は当該技術では既知であり、例えば特許文献３に開示されている。

ノズル１０は、入口ポート９に接続された圧力室２１を有する本体２０を有しており、内部にポペット弁２２が組み込まれる。ポペット弁はポペット２３を有し、ポペットがノズル１０に形成されたポペット弁座２５で終端し、それらの間の流量範囲を閉鎖する閉鎖位置に向かってポペットリターンスプリング２４によって付勢されるものであり、それを介して加圧下の燃料を別の方法で圧力室２１からノズルの外のエンジンの燃焼室（図示せず）へ噴射することができる。ポペットリターンスプリング２４はポペット弁にはめ込まれるスプリングキャップ２６に作用し、開口２７ａを介して入口ポート９に接続されるポペットリターンスプリング室２７に組み込まれる。燃料装置は、ポペット弁座２５の直径に取り囲まれるポペット弁の領域が入口ポート９内の圧力に曝され、この入口ポートが、弁座直径、ポペットリターンスプリングプレロードおよびエンジン燃焼室の背圧によって規定される所定レベルまで圧力が上昇すると、ポペットリターンスプリングの力および燃焼室内の圧力に抗してポペット弁をエンジンの燃焼室に向かって移動させることによってノズルを開放するように設計されている。

通路２８ａを介して圧力室２１と連通する孔２８がポペット弁２２内にあり、この孔２８は弁の頂部から軸方向に延在し、ポペット弁の底部の少なくとも１つの噴射オリフィス２９で終端するものであり、この噴射オリフィスはエンジンの燃焼室に開口している。ニードル弁３０はこの孔の中に組み込まれており、孔２８への正確整合滑りばめを形成する円筒ガイド３１をその上部に有する。ニードル弁３０はその底部に形成された弁座３２も有しており、孔の底と係合して孔２８と噴射オリフィス２９の間の流体連通を閉鎖することができる。ニードル弁座３２とニードルガイド３１の間に限定される孔の体積は、常にノズルの圧力室２１に接続されている。ポペット弁の頂部にはめ込まれるスプリングキャップ２６、ニードル弁のガイド３１および孔２８は、ニードル弁３０を付勢して孔２８と噴射オリフィス２９の間の流体連通を閉鎖するニードルリターンスプリング３４が組み込まれるニードルスプリング室３３を形成する。ニードルリターンスプリング３４とポペットリターンスプリング２４の適当な負荷は、例えばポペットとスプリングキャップ２６の間に組み込まれるそれぞれのワッシャまたはシム（図示せず）の適切な厚さを選択することによって、既知の方法で調節することができる。使用時、スプリングキャップ２６は、ニードルスプリング室３３とポペットスプリング室２７の間の流体連通を不可能にする。

ポペット弁２２とノズル本体２０は、ポペット弁が上下に摺動してノズルを開閉することができる正確整合ポペットガイド３５を形成する。戻り流路１７は、直接または環状戻り溝３６を介してポペットガイド上に開口している。ニードルスプリング室３３を戻り流路１７に接続する出口制御オリフィス３７がポペット弁２２に設けられて、ニードル弁とポペット弁の位置がこの出口制御オリフィスの流量範囲を制御することができるようになっている。同様に、ノズル本体には入口ポート９に接続される一方、直接または環状供給溝３９を介してポペットガイド上に開口する供給流路３８がある。ニードルスプリング室３３を供給流路３８に接続する入口制御オリフィス４０がポペット弁に設けられて、ポペット弁の位置がこの入口制御オリフィスの流量範囲を制御することができるようになっている。ポペットガイド３５の隙間は、ノズル本体の流路１７、３８または環状溝３６、３９のエッジと重なり合うことによって、ガイドに沿った加圧燃料の漏れを最小限にし、制御オリフィス３７、４０内で必要な流量減少を保証するのに十分なほど小さくなっている。

噴射する燃料を入口ポート９および圧力室２１からポペット２３まで輸送するために、当該技術で既知のいくつかの方法を別々にまたは同時に用いることができる。図１に概略的に例示される方法は、ポペット２２の下部のくびれ部を使用する。現実的には、ポペットに近接したガイド部は、例えば燃料の通路として周囲に形成された縦溝を必要とするが、本明細書では縦溝の図示を便宜上省略する。

図１を参照すると、本発明に係る燃料噴射装置は以下のように作用する。エンジンは作動中だが非噴射状態のとき、遮断弁３が開放し、供給ポンプ２の下流の戻り導管１５内に供給圧力が存在し、高圧ポンプが燃料を一定レベルまで加圧してコモンレール６内でそのレベルを維持する。弁１４および１９は、ＥＭＳ７では作動されない。三方パイロット弁１４はその非作動位置で、コモンレール６を油圧作動弁８の制御室１２に接続する。コモンレールからの圧力は弾性手段１３の力と相まって、弁８をその閉鎖位置に保持する。逃し弁１９は開放して、油圧作動弁８の出口を戻り導管１５に接続する。差動油圧弁１６、１８は開放して、ノズル１０内の圧力を戻り導管１５内の圧力と等しくする。ノズルは、ニードルリターンスプリング３４と、ポペットリターンスプリング２４とポペット２３に作用する背圧との結合力によって閉鎖される。ニードルスプリング室３３と戻り流路１７の間には、出口制御オリフィス３７を通る流体連通が存在する。図１に示すようなポペット２２の閉鎖位置では、ニードルスプリング室３３とノズルの入口ポート９の間の直接流体連通が存在しないように、入口制御オリフィス４０は供給流路３８から距離「Ｌ」だけずれている。

噴射を開始するために、ＥＭＳは制御電流をパイロット弁１４に流して、油圧作動弁８の制御室１２をコモンレール６から切り離し、戻り導管１５に接続する。制御室１２内の圧力は降下し、コモンレール圧力を出口室１１から弁８に作用させて、弾性手段１３の力に抗して弁８を開放する。ほぼ同時に、ＥＭＳは逃し弁１９を閉鎖するので、油圧作動弁８が開放していても燃料は戻り導管１５に抜けることができない。弁８の出口室１１とノズル入口９を接続する管路内の燃料圧力が上昇し、ニードル弁開口圧力に達すると、ニードル弁３０を上方に移動させて、圧力室２１から噴射オリフィス２９までの流路を開放することによって、噴射が開始される。上方移動の間、ニードル弁３０は、燃料をニードルスプリング室３３から戻り流路１７まで出口オリフィス３７を介して移動させる。ニードルガイド３１のトップエッジ４１と出口制御オリフィス３７の相対位置は、ニードル３０が持ち上がると、エッジ４１がニードルスプリング室３３と出口制御オリフィス３７の間の接続を閉鎖するように配置される。

入口ポート９内の圧力がさらに増加してポペット弁開口圧力を超えると、ポペット弁２２は下方に移動してポペット２３と弁座２５の間の流路を開放し、ポペットとその弁座の間の開放領域が急速に増大するように、比較的高速で燃焼室への燃料の噴射を開始する。下方へ移動すると、ポペット弁２２は出口制御オリフィス３７と戻り流路１７の間の流体連通を閉鎖し、供給流路３８および入口制御オリフィス４０を介して入口ポート９からニードルスプリング室３３への接続を開放する。好ましくは、出口制御オリフィス３７と戻り流路１７の間の流量範囲を完全に閉鎖するのに必要なポペット弁の上昇は、図１に示した供給流路３８とオリフィス４０の間の流量範囲を開放するのに必要な上昇を表す距離「Ｌ」と同じかそれ以下である。このようにして、ポペット弁２２の開放によってニードルスプリング室３３が加圧され、さらにニードルリターンスプリング３４を補助してニードル弁３０が急速に閉鎖される。ニードル弁３０が閉鎖されると、入口ポート９内の圧力がポペット弁を開放し続けるのに十分なほど高ければ、ポペット２３によって開放される領域から主噴射が起こる。燃料噴射装置のこの作動状態は図２に示す。

噴射を終了するには、ＥＭＳがパイロット弁１４の動作を停止させた後、制御室１２を戻り導管１５から切り離して、またコモンレールに接続する。制御室１２内の圧力が上昇し、弾性手段１３とともに、弁８を閉鎖位置に向かって下方に押し下げる。弁８の閉鎖期間でその流量範囲が対応して減少している間、燃料は開放ノズルから噴射され続け、ノズル内の圧力は降下する。ポペット弁が図２に示すような完全開放位置の近辺にずっとある場合、ニードルスプリング室３３内の圧力は圧力室２１内の圧力と実質的に等しくなり、ニードル弁はスプリング３４によって閉鎖され続ける。ノズル圧力のさらなる減少により、ポペット弁が上方に移動してノズルを閉鎖すると同時に、ニードルスプリング室３３を入口ポート９から低圧の戻り流路１７へ切り換える。これにより、ノズル内の圧力減少が遅い場合はニードル弁３０の二度目の開放が起こる。ニードル弁のそのような二度目の開放を防止するために、油圧作動弁８が閉鎖した直後に、ＥＭＳが逃し弁１９の作動を停止して開放することができる。これによりノズル内の圧力を急速に減少させ、装置が図１に示すような初期位置に復帰する。

噴射率の急速な初期立ち上がりと高い平均噴射率を有する噴射が要求される場合、入口ポート９内の圧力は、例えばコモンレール圧力を比較的高レベルに設定し、単一の連続制御パルスで油圧作動弁を作動させることによって、急速に増加するように制御することができる。噴射初期の圧力上昇により早く到達するために、逃し弁１９はパイロット弁１４の作動開始に対して遅らせて閉鎖することができるので、油圧作動弁８が高く上昇した時点で噴射が開始される。

高速噴射が起こる前に比較的長期間の低速での燃料噴射が要求される場合、ＥＭＳは噴射を開始する初期噴射の直後、一時的にパイロット弁１４の動作を停止することができる。その後、油圧作動弁８は一部分だけ最初の開放を行ってから、短期間だけ再び閉鎖して、ニードル弁３０のみが開放し続けて低速の噴射を保証するように、ノズル内の圧力上昇を遅らせる。他の場合、例えばアイドルまたは超低負荷などの高速噴射を全く必要としない場合は、コモンレール６内の圧力をポペット弁２２の開口圧力を超えることがない比較的低レベルに設定することによって、ニードル弁のみの作動を選択することができる。ニードル弁が比較的小さな流量範囲を開放することによって、十分に少ない噴射量で比較的高圧かつ良好な精度の噴射を行うことができる。したがって、本発明は、従来技術の装置に比べて良好なターンダウン比と大幅に向上したレートシェーピング機能を提供する。

エンジンが停止すると、例えば逃し弁１９を開放し続けながらパイロット弁１４を作動させることによって、コモンレール内の圧力をタンク圧力まで減少させることができ、その後遮断弁３を閉鎖することができる。これにより、遮断弁の下流で装置から燃料の漏れがある場合、差動油圧弁１６、１８内の圧力の降下が発生して、これらの弁が自動的に閉鎖することによって、閉鎖ノズルからエンジンに漏れる可能性のある燃料の量を制限する。これは、この場合の弁１６、１８が、残留圧力を含み得るコモンレールと関連部品の比較的大きな体積をノズルから切り離すためである。

図３において、ポペット弁の下部の設計を除いて前述の実施形態と同一の本発明の代替実施形態を示す。この代替実施形態では、燃焼室２１からの燃料が孔２８の内部から噴射オリフィス４２を介してポペット弁座領域に供給される。ポペットは下部に円筒状のボトムガイド部４３を有しており、このガイド部はノズル本体と密接に整合して、わずかな量の燃料だけがポペット弁の開放時にガイドの隙間に沿って流れるようにする。ボトムガイド部のポペットに直接隣接する部分４４はガイド部４３における隙間に比べて大きな隙間を有しており、噴射オリフィス４２は少なくとも部分的にこの隙間部分４４の上に開口している。オリフィス４２は、ポペット弁が少なくとも噴射オリフィスの高さ分、十分に遠くまで下方に移動するように指向されており、そこから出る燃料ジェットはノズル本体やポペットには衝突せずにエンジン燃焼室まで伝播することができる。本発明のこの実施形態では、ポペット弁２２の高い上昇を、ポペットノズルの全流量範囲がオリフィス４２の流量範囲で限られるため過剰に増大せずに設定することができる。ポペットノズルの過剰な流量範囲はノズルの上流の油圧制限における好ましくない高圧力損失を招く可能性があり、その結果噴射燃料の圧力が低くなり過ぎて、エンジンの燃焼室内の燃料分布が乏しくなる。ポペット弁２２の高い上昇は、入口および出口制御オリフィス３７および３８の流量範囲を、それぞれ制御エッジを備えたそれらのオリフィスの相対位置に広い許容範囲を持たせることによって容易に制御することができるので好都合である。また、通常のポペットノズルで特徴的な連続的な円錐流よりも噴射オリフィス４２によって形成される個別ジェットで燃料を噴射することは、特定のタイプの燃焼装置にとって好都合となり得る。隙間部分４４を設けることによって、ポペットガイドで起こり得る汚染問題の軽減に役立つ。

図４は、ノズル１０の戻り流路１７が戻り導管１５に接続される代わりに移動体積４５に接続される本発明の別の代替実施形態を示す。この実施形態にしたがった燃料噴射装置は前述した他の実施形態と同じ方法で作用するが、ニードル弁スプリング室３３からの燃料はニードル弁の開放時にこの移動体積４５に移動させられて、その中で圧力上昇が起こる結果、ポペット弁２２の開放によってポペット弁が再びノズルを閉鎖するまでこの圧力上昇が止められる。ポペット弁の閉鎖の前と最中に、ノズル、したがってニードルスプリング室３３内の圧力は、ニードルスプリング室と供給流路３８の間の接続が閉鎖される場合の位置にポペット弁が到達するまで、前述のように減少する。ポペット弁のその閉鎖位置に向かうさらなる移動によって、戻り流路１７と出口制御オリフィス３７の間の接続が開放されて、ニードルスプリング室と連通する。これにより、移動体積４５に蓄えられた圧力をニードルスプリング室３３に放出させて、最終段のポペット弁閉鎖で閉鎖されたニードル弁の維持を助ける。噴射終了後に移動体積およびニードルスプリング室に残った残留圧力は、連続的な噴射間の比較的長い期間にガイド３１、３５の隙間を介して軽減される。このため、移動体積４５を設けることと、前述の実施形態のように戻り流路１７を戻り導管１５に接続するのではなくこの移動体積４５に接続することによって、ニードル弁３０による好ましくない二度目の噴射を抑制することができ、さらに、戻り導管１５へのノズルの余分な接続と、その場合の差動油圧弁１８の必要性を排除することによって、燃料噴射装置の設計を簡略化することができる。

本発明は前述の実施形態に限定されることなく、添付の特許請求の範囲の精神においてさまざまな修正形態が実行可能である。例えば、戻り流路１７の体積は、別個の移動体積４５が必要にならないように移動体積そのものの役目を果たすのに十分な大きさに設計することができる。あるいは、ニードルスプリング室３３は、この室内の圧力上昇がニードル弁３０の開放を妨げず、その場合の出口制御オリフィス３７の必要性を排除するように、開放時にニードル弁３０によって移動させられる燃料の体積を受け入れるのに十分な大きさに単独で形成することができる。リターンスプリング２４、３４は、他の適当な弾性手段に置き換え可能である。弁８、１４、１９、１６、１８は、噴射器に組み込まれても、離れて配置され管で噴射器に接続されてもよい。

本発明に係る燃料噴射装置の好適な実施形態の概略図であり、異なる段の運転を示す。 本発明に係る燃料噴射装置の好適な実施形態の概略図であり、異なる段の運転を示す。 本発明の代替実施形態の概略図である。 本発明の代替実施形態の概略図である。

Claims (16)

1. 入口ポート（９）が可変燃料圧力源（４）に接続された単一ノズル（１０）を通る第１段および第２段からなる噴射イベントを行う内燃機関エンジン用の燃料噴射装置であって、前記ノズルが前記第１段の噴射を実行するニードル弁（３０）と、前記第２段の噴射を実行するポペット弁（２２）とからなる燃料噴射装置において、前記可変燃料圧力源（４）に接続された入口ポート（９）は、前記ニードル弁（３０）及び前記ポペット弁（２２）のいずれの弁にも連通状態であり、該第１段の噴射および該第２段の噴射は、前記可変燃料圧力源（４）から前記いずれの弁にも燃料供給される共通のポートである前記入口ポート（９）内の燃料圧力を制御することによって選択可能であることを特徴とする燃料噴射装置。
2. 前記ポペット弁がポペット（２３）と、該ポペット弁を付勢して該ポペット（２３）が前記ノズル（１０）上に形成されたポペット弁座（２５）で終端することによって該ノズルを閉鎖するポペットリターン弾性手段（２４）とを有しており、前記ポペット弁座（２５）の直径に取り囲まれる前記ポペット弁（２２）の領域は、前記入口ポート（９）内の圧力が高まることによって、該入口ポート内の高い圧力が前記ポペットリターン弾性手段（２４）の力と前記ノズル外部の圧力とに打ち勝ち、前記ポペット弁を開放して前記エンジンへの燃料の噴射を行うことができるように、形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置。
3. 前記ポペット弁（２２）が、前記入口ポート（９）に接続される孔（２８）であって、該孔（２８）を前記エンジン燃焼室に接続する少なくとも１つの噴射オリフィス（２９）によって前記ポペット（２３）に近接した端部で終端する前記孔を有しており、前記ニードル弁（３０）が前記孔（２８）に組み込まれ、正確整合ニードルガイド（３１）によって該孔と摺動可能に係合し、前記ニードル弁（３０）は前記ガイド（３１）の直径よりも小さな直径の弁座（３２）を形成し、この弁座が前記孔（２８）と係合して、該孔と前記噴射オリフィス（２９）の間の流体連通を閉鎖することができ、前記ニードルガイド（３１）はニードルスプリング室（３３）を形成し、その中にニードルリターン弾性手段（３４）が組み込まれて前記ポペット弁（２２）および前記ニードル弁（３０）に作用して、前記孔（２８）と前記噴射オリフィス（２９）の間の流体連通を閉鎖するように前記ニードル弁を付勢しており、前記ニードルリターン弾性手段（３４）の力と、前記ニードルガイド（３１）の直径および前記ニードル弁座（３２）の直径によって取り囲まれる領域とは、前記入口ポート（９）内の高い圧力が前記ニードルリターン弾性手段（３４）の力に打ち勝ち、前記ニードル弁（３０）を開放して前記孔（２８）から前記噴射オリフィス（２９）を介して前記エンジンへの燃料の噴射を行うことができるように、選択されることを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射装置。
4. 前記ノズル外部の媒体の一定圧力で、前記ポペット弁を開放するのに必要な前記入口ポート（９）内の燃料の圧力が、前記ニードル弁を開放するのに必要な前記入口ポート内の圧力よりも高くなるように、前記ポペットリターン弾性手段（２４）および前記ニードルリターン弾性手段（３４）の力と、前記ニードルガイド（３１）、前記ニードル弁座（３２）および前記ポペット弁座（２５）の直径が選択されることを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射装置。
5. 前記ノズル（１０）が戻り流路（１７）を有しており、前記ニードルスプリング室（３３）が出口制御オリフィス（３７）を介して前記戻り流路（１７）に接続されることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料噴射装置。
6. 前記ノズル（１０）および前記ポペット弁（２２）が正確整合ポペットガイド（３５）によって摺動可能に係合するように設計され、前記戻り流路（１７）が前記ポペットガイド（３５）上に開口するように設計されており、前記ポペット弁（２２）の軸方向位置に応じて、該ポペット弁（２２）が前記出口制御オリフィス（３７）と前記戻り流路（１７）の間の流体連通を閉鎖することができることを特徴とする請求項５に記載の燃料噴射装置。
7. 前記ニードル弁（３０）の軸方向位置に応じて、該ニードル弁（３０）のエッジ（４１）が前記ニードルスプリング室（３３）と前記出口制御オリフィス（３７）の間の流体連通を閉鎖することができることを特徴とする請求項５または６に記載の燃料噴射装置。
8. 前記ニードルスプリング室（３３）と前記入口ポート（９）の間の連通が、前記ポペット弁（２２）の軸方向位置に応じて開放または閉鎖されることを特徴とする請求項３ないし７のいずれかに記載の燃料噴射装置。
9. 前記ポペット弁（２２）が、そのポペット（２３）が前記ポペット弁座（２５）で終端する閉鎖位置にある間、前記ニードルスプリング室（３３）が前記出口制御オリフィス（３７）を介して前記戻り流路（１７）に接続され、前記入口ポート（９）から切り離されることを特徴とする請求項８に記載の燃料噴射装置。
10. 前記ニードルスプリング室（３３）を前記入口ポート（９）に油圧的に接続するのに必要な前記ポペット弁（２２）の開放移動は、少なくとも前記出口制御オリフィス（３７）を前記戻り流路（１７）から油圧的に切り離すのに必要な該ポペット弁の開放移動と同じ長さであることを特徴とする請求項９に記載の燃料噴射装置。
11. 自身の全外周に沿って前記ポペット弁（２２）と前記ノズル本体（２０）の間に密接に整合する隙間を備えたボトムガイド部（４３）があり、前記ポペット（２３）と前記ポペット弁座（２５）の間の領域を介して噴射される燃料が前記孔（２８）から少なくとも１つの噴射オリフィス（４２）を介して供給されることを特徴とする請求項３ないし１０のいずれかに記載の燃料噴射装置。
12. 前記ポペット（２３）に隣接し、前記ボトムガイド部（４３）の隙間よりも大きな隙間を前記ノズル本体（２０）に有する隙間部分（４４）があり、前記ポペット（２３）と前記ポペット弁座（２５）の間の領域を介して噴射される燃料が前記孔（２８）から前記隙間部分（４４）上に開口する少なくとも１つの噴射オリフィス（４２）を介して供給されることを特徴とする請求項１１に記載の燃料噴射装置。
13. 前記戻り流路（１７）が移動体積（４５）に接続されており、前記ニードルスプリング室（３３）からの燃料は前記ニードル弁（３０）の開放時に前記移動体積（４５）に移動させられ、該移動体積（４５）の中で圧力上昇が起こることを特徴とする請求項５ないし１２のいずれかに記載の燃料噴射装置。
14. 戻り導管（１５）があり、前記戻り流路（１７）が前記戻り導管（１５）に接続されることを特徴とする請求項５ないし１２のいずれかに記載の燃料噴射装置。
15. 差動油圧弁（１８）が前記戻り流路（１７）と前記戻り導管（１５）の間に組み込まれており、前記弁（１８）内の圧力が所定の供給圧力を下回るときに閉鎖し、該弁（１８）内の圧力が前記所定の供給圧力と同じか上回るときに開放するように該弁（１８）が設計されていることを特徴とする請求項１４に記載の燃料噴射装置。
16. 複数の噴射器がそれぞれの戻り流路（１７）によって単一の差動油圧弁（１８）に接続されることを特徴とする請求項１５に記載の燃料噴射装置。

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