JPH03175147A - 内燃機関の燃焼室に燃料を間欠的に噴射する方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、内燃機関の燃焼室内に燃料を間欠的に噴射す
る方法と、この方法を実施する装置に関するものである
。

［公知の技術］ 噴射過程を、ニードル弁に作用する力だけによって制御
することは、ドイツ連邦共和国特許出願公開第２２４２
３４４号明細書により公知である。この場合、一方では
、ニードル弁が圧が圧縮ばねにより閉位置に保持され、
他方では、噴射ボンダから来る燃料の圧力が、圧縮ばね
の力に抗してニードル弁を上昇させるようにされている
。容認できる程度以上に圧縮ばねの力を増強することな
く、より高い噴射圧を実現するため、圧縮ばねは、閉じ
方向に作用する補助ピストンにより支えられている。燃
料の圧力が圧縮ばねの力を克服すれば、噴射孔が開通さ
れるため、燃料は、内燃機関の燃焼室内へ噴射される。

この噴射は、減圧により圧縮ばねと補助ピストンがニー
ドル弁を閉鎖するまで続く。この公知の噴射方法の場合
は、もちろん、単一の作業サイクルの間に、噴射ノズル
が、複数回にわたり開閉制御されることはない。

排ガス値改善に対する強い要求は、従来の噴射ノズルの
作業法では満足させることはできない。ディーゼル機関
の排ガスからは、ｃＨ戊分の含有量及び、黒煙の原因と
なる発ガン性煤煙粒子の含有量を低減させねばならない
。同時にＮＯｘの割合も低減させ、燃焼ノイズを抑制せ
ねばならない。この要求は、部分的に対立する要求であ
り、従来の噴射方法では解決不可能である。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の根底をなす課題は、特許請求の範囲第１項の上
位概念記載の公知の燃料噴射法を前提として、この噴射
法を次のように改良することにある。すなわち、混合気
調製過程と、この過程に依存する、燃焼過程の品質を制
御して、ＮＯｘ含量を高めることなしにＣＨ及び煤煙の
含量を低減させ、同時に燃焼ノイズを最低限に抑えるよ
うにするのである。

［課題を解決するための手段］ この課題は、特許請求の範囲第１項記載の特徴を有する
方法により解決された。

ニードル弁自体に、時間的な周期をもって開閉する制御
部材の機能を与えることによって、比較的僅かな構成面
の出費で混合気調製の改良が可能になる。噴射される燃
料をこのように調整することにより、発火遅れが短いこ
とを特徴とする燃焼過程が得られる。視覚にとって歓迎
すべき、骨導の低減や空気振動の低減は、燃焼室内に定
常液域が励起されることのないところまで、燃焼圧上昇
速度を低減することで達せられる。このことは、また、
高い温度ピークが生じない点で、付加的に排ガスのＮＯ
ｘ含量に好影響を与える。ＮＯｘを生じさせるこの温度
ピークの発生は、他の場合には、局所的、時間的な、固
有の形態の圧力最大値が生じるさいには避けられないも
のである。

特許請求の範囲第１項記載の方法を実施する装置は、第
２項記載の特徴により知ることができる。

ニードル弁軸部の半円形切欠きを介した圧力室への燃料
供給は、ニードル弁自体により制御できる。ニードル弁
と圧縮ばねとで振動システムが形成され、この振動シス
テムでは、圧力室への燃料供給通路の開閉により、ニー
ドル弁が、高振動数の振動を励起される。他の場合には
一気に休みなく行なわれるか、先立ち噴射と主噴射とに
分割されるかする燃料噴射過程が、多数の小ステップに
分割される。これには既述の利点がある。

制御部材として構成されたニードル弁軸部の半円形切欠
きを介し、第１と第２のみぞによって圧力室への燃料供
給を制御することにより、構造面での高額の出費なくし
て、燃料噴射を小サイクルに分割できる。

特に有利な改良点は、特許請求の範囲第３項によれば、
動力源をピストンとして構成し、このピストンが、特性
領域に基いて制御される圧力源により負荷されるように
した点である。こうすることにより、開弁圧を、その時
々に要求に適応させることができる。

本発明による装置の別の有利な構成は、特許請求の範囲
＃！４項から知ることができる。

燃料供給の制御は、この場合も、半円形切欠きとみぞと
により行なわれる。半円形切欠きから圧力室への連通は
、ニードル弁軸部内の少なくとも１つの孔を介して行な
われる。この解決策は、特に廉価な解決策である。

【実施例］ 次に本発明の装置を図面につき説明する：第１図には、
燃料噴射弁の縦断面図が示しである。この弁は、通例は
、ノズルホルダ１１ノズル本一体２、ノズルナツト３の
主要構成要素から戊っている。ノズルナツト３により、
ノズル本体２とノズルホルダｌが連結されている。ノズ
ル本体２内には、ニードル弁４が案内され、ニードル弁
は圧縮ばね５により閉位置に押付けられている。燃料供
給は、耐圧性のねじ継手６と流入孔７とを介して行なわ
れる。配属されたシール弁座を含めたニードル弁４を損
なうことなしに高い燃料圧を得るために、圧縮ばね５は
、燃料圧を負荷される補助ピストン８により荷重を軽減
される。直径ｄ３を有する補助ピストン８は、主として
閉弁力を得るのに役立つ。この閉弁力は、ニードル弁軸
部１０の加圧屑９に作用する力に抗して作用する。有効
加圧面積はそのさい、ニードル弁軸部１０の直径ｄ２’
と、ニードル弁の弁座直径ｄｉとの差の値である本発明
により、圧力室１１は、常時、流入孔７を介して圧力負
荷されている。“圧力室１１への燃料供給通路は、ニー
ドル弁軸部１０により遮断されたり、半円形切欠き１２
を介して開放されたりする。ニードル弁４の図示の位置
、すなわち閉位置では、燃料は、流入孔７と連結通路１
３を介してみぞ１４に達する。図示の位置では、圧力室
１１は、半円形切欠き１２、第２のみぞ１５、通路１６
を介して圧力を負荷される。この圧力はニードル弁４に
カを及ぼすが、この力は、液圧と有効ピストン面積−直
径ｄｌとｄ２との差−との積で表わされる。この力は、
ばね力と補助ピストン８のカとの合方に抗して作用し、
開弁作用を有する。ニードル弁４の開運動により、半円
形切欠き１２は上方へ移動し、ニードル弁軸部が燃料の
補給・を遮断する。この間に、圧力室１１内の圧力は、
噴口１６を介して部分量が噴射されることにより、降下
し、ニードル弁は再び閉位置へ降下し、新たなサイクル
が開始され、噴射ポンプのポンプ部材（図示せず）によ
る燃料供給が終るまで続くその時々の、支配的な極めて
高い、ｋＨｚ域のニードル弁“行程振動数″は、次の諸
パラメータに依存する。すなわち、噴射ポンプのポンプ
部材の瞬間燃料供給速度、ニードル弁の質量、押圧ばね
の静的、動的特性、スライド弁の上流と下流での液圧経
路の波動力学的特性に依存する。

ニードル弁４の振動運動を制限するため、ストツバエ８
が備えられている。このストッパ１８は、ノズル本体２
とノズルホルダＩとの間に間そうされ、ノズルナツト３
を介して固定されている。

圧力調整器を有する圧力発生器、たとえば歯車ポンプを
用いれば、圧縮ばね５のばね皿５ａを直接にピストンと
して構成し、圧縮ばね５を全く用いずに済ませることが
できる。燃料圧力が負荷される補助ピストン８は、その
場合、案内ロッドとして機能し、他方、不用となった圧
縮ばね５のスペースは、破線で示した制御通路５ｂを介
して、調整可能の圧力発生器と接続される。圧縮ばね５
を用いないこの変化形は、開弁圧を変化させることが可
能である。すなわちピストンとして構成されたばね皿５
ａの制御通路５ｂを介して、調整可能の液圧を負荷する
のである。開弁圧は、自体公知の形式で特性領域による
制御を介して、エンジン回転数やエンジン負荷等のエン
ジン状態パラメータに依存して影響を与えることができ
る。

第２ｒ！！Ｊには、第１図の■−Ｈ線に沿った半円形切
欠き１２の横断面図である。双方のみぞＩ４１１５が、
周の一部にわたってのみ延びているので、みぞ１４から
第２のみぞ１５への通路は、ニードル弁軸部１０により
遮断できる。みぞ１４から第２のみぞ１５を介して圧力
室１１（第１図）への連通は、半円形切欠き１２のみに
より造り出される（第１図）。

環状切欠き１２の細部は、第３図に示しである。供給燃
料は、ＩＪｌの制御縁１９が通過すると、みぞ１４．１
５を通り圧力室１１（第１図）へ達する。ニードル弁軸
部ｌｏが、更に矢印方向に進むと、供給燃料は、第２の
制御縁２゜によって再び遮断される。

第４図には、圧力室１１への燃料供給を遮断する別の変
化形が示されている。燃料供給は、通常の形式で流入孔
７（第１図も参照）を介して行なわれる。みぞは、周方
向の環状みぞ１４として構成されている。環状みぞ１４
から半円形切欠き１２を経て圧力室１１へ至る連通は、
ニードル弁軸部１０を対角方向に貫通する少なくとも１
つの孔２１により生ぜしめられる。図示の例では、この
孔が３つ設けられている。加えて、−ニードル弁の加圧
肩９の例の一部２制御縁２０の付加傾斜部２０ａを介し
て、圧力室１１内での増圧を時間的に前へ強制的にずら
すことができる。この傾斜部２０ａの傾斜を相応に構成
することにより、ニードル弁の閉じ運動を制動して、ニ
ードル弁の前回の運動の戻り運動による着座現象を完全
に排除できる。噴口を通過する燃料流は、その場合、周
期的に中断されることなく、周期的に絞られるだけとな
る。それぞれの噴口を出てゆく噴射燃料の噴出速度が、
等しい頻度で変化する結果、霧化過程の諸特徴、すなわ
ち油滴サイズのスペクトル、円錐形噴射角、平均侵入深
さ等が、等しい周期で強制的に制御される。これにより
、最終的に、所望の混合気均質化が達成される。噴射を
中断することなしに燃料流を変化させることの利点は、
油滴の直径範囲のなかで不当に大きい直径の発生を低減
し、長い間にはニードル弁先端やシール弁座の変形を生
じさせる衝突現象の頻度を低減することにある。

第５図には、ニードル弁４（第１図）に作用する力が、
燃料圧力Ｐの関数として記載されている。直線Ａ−Ｂｌ
は、閉位置にあるニードル弁４に加わる力の推移を示す
。この推移は、ニードル弁４の直線ｄｉとｄ２との差か
ら生じる面に作用する燃料圧力（第１図）からだけ生じ
るものである。この圧力により、ニードル弁は開方向に
移動する。

直線Ｆｌ−Ｂｌは、予荷重を与えられた圧縮ばね５（第
１図）と補助ピストン８の力Ｆ１から得られたものであ
る。この力は閉じ方向に作用する。燃料圧力がゼロであ
れば、圧力ばね５の力Ｆｌのみが作用する。圧力Ｐが増
すにつれて、補助ピストン８に加わる力により閉じ力が
強まる。点Ｂｌで、直線Ａ−Ｂｌの開方向に作用する力
は、直線Ｆｌ−Ｂｌの閉じ力の値に達する。弁は、圧力
Ｐｏ１の点で開く。開過程に関与する値の間の関係は、
次式の通りである：この式において、 Ｆｌ　　−予荷重を与えられた圧縮ばねの力ｄ２−ニー
ドル弁軸部の直径 ｄｉ　　−シール弁座の直径 ｄ３−補助ピストンの直径 Ｐｏ１−開弁圧 ニードル弁１１の開弁後、直径差ｄ　２−ｄにより決定
され開方向に作用する加圧面は、２により予め与えられ
ている値に増大せしめられる。ニードル弁への力は、急
激にＤｌ＝Ｐｏ１・Ａの値に増加する。この式において
、燃焼室内への噴射により、点Ｐｏｌの圧力は、部分直
線ＤＩ−Ｄｉ’で示されているように、再び降下する。

半円形切欠き１２（第１図）が連通ずると、新たなニー
ドル弁のサイクルが始まる。そのさい、ニードル弁の反
復振動数は数ｋＨｚの範囲内で変動する。

ニードル弁のところでの経過は、第６図から第９図に定
性的に示しである。

第６図は、ニードル弁行程の関数を時間ｔとの関係で示
したものである。時点ＴＩで、ニードル弁が上昇し始め
、その最大行程に達する。

この行程は、ニードル弁軸部ｌＯのストッパによりスト
ッパ１８により制限される（第１図）。燃焼室内への燃
料噴射により、圧力は再び降下する。これは、それ以上
の燃料供給が、第１図のところで説明したように、ニー
ドル弁自体により中断されるためである。点Ｔ２では、
ニードル弁は、弁座に軟着しているか、ないしは、軟着
直前に逆方向に運動するかし、これによって、新たなサ
イクルが開始される。

第７図には、圧力推移と時間ｔとの関係が示されている
。まず、圧力は、はぼ直線形に開弁圧Ｐｏ（第５図参照
）まで増加する。時点ＴＩではニードル弁が開く。通路
の圧力は、燃焼室への燃料噴射により降下する。Ｔ２で
ニードル弁が弁座に着く前に、半円形切欠き１２（第１
図）を介して、圧力室１１への燃料供給が再び開始され
るので、新たに増圧が生じ、Ｔ２において再び開弁圧に
到達する。

第６図のニードル弁行程からは、開放横断面Ａが得られ
、この横断面Ａの推移と時間ｔとの関係が第８図に示さ
れている。

第９図は、ニードル弁に作用する力Ｆの推移を示したも
のである。時点Ｔｏには、同じ方向に働く圧縮ばね５（
第１図）の力のみが作用する。燃料圧力の上昇とともに
、このばね力にはｄｉからｄ３までの直径により生じる
差圧の力（第５図）が重ねられ、この重複は、Ｔｌにお
いて、開方向の力が閉方向の力を上回るようになるまで
続く。開方向の力は、直径ｄｉが開放され、完全な直径
ｄ２が生じると、突然に増大する（第５図のＢｌかもＤ
Ｉへの飛躍）。この力は、燃焼室への噴射により再び降
下する。

この降下は、点Ｔａに力の均衡が支配し、引続き、ばね
力と、補助ピストンに加えられる力とから合成される閉
じ方向の力が、圧力室１１から、開方向で直径ｄ２に作
用する力を克服し、ニードル弁が時点Ｔ２で閉じるまで
続く。

【図面の簡単な説明】

第１図は、制御部材として構成されたニードル弁軸部を
有する噴射弁の縦断面図、第２図はニードル弁の半円形
切欠きの高さで噴射弁を断面して示した第１図の山−中
線断面図、第３図は、半円形切欠きを有するニードル弁
軸部の詳細図、第４図は、半円形切欠きと、この切欠き
から圧力室への連絡を生じさせる孔とを有するニードル
弁軸部の詳ｍ図、１１５図は、ニードル弁に働く力の関
数と圧力との関係を示した図、第６図、ｗｉ７図、第８
図、第９図は、ニードル弁の運動パラメータの関数と時
間との関係を示した図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内燃機関の燃焼室に燃料を間欠的に噴射する方法で
   あって、ノズルのニードル弁の開閉が、もっぱら、閉位
   置で作用する動力源と、燃料圧力によりニードル弁に生
   ぜしめられる押圧力との協働により行なわれる形式のも
   のにおいて、ニードル弁（４）に閉位置で作用する燃料
   圧力が、ニードル弁（４）自体の運動によって制御され
   、しかも、この制御は、ニードル弁（４）が閉位置にあ
   る場合に、燃料を流入孔（７）からノズル体（２）の圧
   力室（１１）へ給送する通路が開かれ、ニードル弁（４
   ）が開くと、再びこの通路がニードル弁（４）により遮
   断されるように行なわれることを特徴とする内燃機関の
   燃焼室に燃料を間欠的に噴射する方法。 ２、動力源がニードル弁（４）に閉じ方向に荷重負荷す
   る圧縮ばねにより構成され、この圧縮ばねを支持する補
   助ピストンを有しており、かつまたニードル弁が、圧力
   室内に位置する反対側の端部に加圧肩を有し、この加圧
   肩がニードル弁からニードル弁軸部への移行部を形成し
   ている形式のものにおいて、ニードル弁軸部（１０）が
   、半円形切欠き（１２）を有し、この半円形切欠き（１
   ２）が、連絡通路（１３）を介して流入孔（１７）と連
   通しているみぞ（１４）から、同一平面上に位置する、
   同じく軸平行に設けられている第２のみぞ（１５）への
   燃料通路を開放し、かつニードル弁（４）の昇程時には
   、燃料通路を閉じ、更にまた、第２のみぞ（１５）が、
   通路（１６）を介してノズル体（２）内の圧力室（１１
   ）と連通可能であることを特徴とする、請求項１記載の
   方法を実施する装置。 ３、閉位置で作用する動力源が、同じく閉位置で作用す
   るニードル弁補助ピストンにより支えられ、ニードル弁
   が、圧力室内の、動力源とは反対側の端部に、加圧肩を
   有し、この加圧肩がニードル弁からニードル弁軸部への
   移行部を形成しており、前記動力源が、ピストンとして
   構成されたばね皿（５ａ）から成り、前記ピストンが、
   ノズルホルダー（１）内の制御通路（５ｂ）を介して特
   性領域により制御される圧力発生器からの圧力負荷を受
   けることができ、更に、ニードル弁軸部（１０）が半円
   形切欠き（１２）を有しており、この半円形切欠き（１
   ２）が、連絡通路（１３）を介して流入孔（７）と連通
   しているみぞ（１４）から、同一平面上に位置する、同
   じく軸平行に設けられている第２のみぞ（１５）への燃
   料通路を開放し、ニードル弁（４）が昇程時には、燃料
   通路を閉じ、更にまた、第２のみぞ（１５）が、通路（
   １６）を介してノズル体（２）内の圧力室（１１）と連
   通可能であることを特徴とする、請求項１記載４、半円
   形切欠き（１２）が、ニードル弁（４）の閉位置で等し
   い高さに位置する環状みぞ（１４）により取囲まれてお
   り、この環状みぞ（１４）が流入孔（７）と連通してお
   り、かつまた、ニードル弁軸部（１０）が少なくとも１
   つの対角方向に延びる孔（２１）を有し、この孔（２１
   ）が、一方では半円形切欠き（１２）に、他方では圧力
   肩（９）に、それぞれ開口していることを特徴とする請
   求項２又は３記載の装置。