ユニットインジェクター

初期のルーカス電子ディーゼルユニットインジェクター

ユニットインジェクター（UI ）は、ディーゼルエンジン用の高圧一体型直噴システムであり、インジェクターノズルとインジェクションポンプを一体化した構造となっています。プランジャーポンプは通常、共通のカムシャフトによって駆動されます。ユニットインジェクターでは、装置は通常、燃料自体によって潤滑および冷却されます。

高圧噴射は、燃料を多数の小さな液滴として噴射することで表面積と体積の比率を大幅に高め、従来の低圧燃料噴射に比べて出力と燃費の向上を実現します。これにより、燃料液滴表面からの気化が促進され、大気中の酸素と気化燃料の混合効率が向上し、より完全でクリーンな燃焼を実現します。

歴史

1911年、イギリスでフレデリック・ランプローが、現在使用されているものと類似したユニットインジェクターの特許を取得しました。[ 1 ]

ネイピア デルティック対向ピストン2ストロークエンジンの断面図。ユニットインジェクターは黄色の燃料通路の下、低い位置に配置され、左側のカムシャフトによって駆動され、シリンダーライナー（淡い青色）の中央に燃料を噴射します。

米国におけるユニットインジェクタの商用利用は、1930年代初頭に機関車、船舶、さらには米海軍の潜水艦に動力を供給するウィントン社のエンジンに始まり[ 2 ] 、1934年にはアーサー・フィールデンがユニットインジェクタの設計に関する米国特許番号1,981,913 [ 3 ]を取得した[ 4 ] 。この設計は後にゼネラルモーターズの2ストロークディーゼルエンジンに使用された。ほとんどの中型ディーゼルエンジンは単一のポンプと個別のインジェクタを使用していたが、デトロイトディーゼル[ 5 ]やエレクトロモーティブディーゼルなどのメーカーは、高圧ポンプがインジェクタ自体に含まれているユニットインジェクタを好むことで有名になった。EWケタリングによる1951年のASMEプレゼンテーションでは、現代のユニットインジェクタの開発について詳細に説明されている。[ 6 ] また、カミンズPT（圧力時間式）はユニットインジェクションの一種で、燃料インジェクターは低圧ポンプによって供給されるコモンレール上に設置され、カムシャフトの第3ローブによって駆動されます。圧力によってインジェクターへの燃料噴射量が決まり、タイミングはカムによって決まります。

1994年、ロバート・ボッシュGmbHは商用車向け初の電子ユニットインジェクターを供給し、その後すぐに他のメーカーも追随しました。1995年には、エレクトロモーティブ・ディーゼル社が710ディーゼルエンジンを電子燃料噴射方式に切り替え、UIに代わる EUIを採用しました。

現在、主要メーカーとしては、ロバート・ボッシュGmbH、CAT、[ 7 ]カミンズ、[ 8 ]デルファイ、[ 9 ] [ 10 ]デトロイト・ディーゼル、エレクトロ・モーティブ・ディーゼル[ 11 ]などが挙げられます。

デザインとテクノロジー

ユニットインジェクターの設計により、高圧燃料パイプが不要になり、それに伴う故障も回避できるだけでなく、より高い噴射圧力を実現できます。ユニットインジェクターシステムは、コモンレールシステムと同様に、正確な噴射タイミングと噴射量の制御を可能にします。[ 12 ]

ユニットインジェクターはエンジンのシリンダーヘッドに取り付けられており、燃料はシリンダーヘッドに直接機械加工された一体型ダクトを介して供給されます。各インジェクターには専用のポンプ要素があり、電子制御の場合は燃料ソレノイドバルブも備えています。燃料システムは、低圧（<500  kPa）燃料供給システムと高圧噴射システム（<2000  bar）に分かれています。[ 13 ]

技術的特徴:

  • ユニットインジェクターシステムの特徴は、各シリンダーに個別のポンプが割り当てられていることである。
  • ポンプとノズルはコンパクトなアセンブリに統合され、シリンダーヘッドに直接取り付けられます。
  • ユニットインジェクターシステムにより、最大 2,200 bar の高噴射圧力が可能になります。

利点:

  • クリーンでパワフルなエンジンを実現する高性能
  • 高いエンジン出力と低い燃費、そして低いエンジン排出量を両立
  • コンパクトな設計による高い効率
  • エンジンブロックに直接組み込むことで低騒音を実現
  • 空気と燃料の混合比を理想的にするために、最大 2,200 バールの噴射圧力を実現します。

動作原理

一般的な燃料インジェクターのアニメーションカットスルー図（クリックしてアニメーションを表示）
Volvo D13Aエンジン上のDelphi E1 UI
Delphi E1ユニットインジェクター部品

基本的な操作は、充填段階、流出段階、注入段階、圧力低下段階という 4 つの個別の段階のシーケンスとして説明できます。

低圧燃料供給ポンプは、濾過されたディーゼル燃料をシリンダーヘッドの燃料ダクトと、オーバーヘッド カムシャフトで作動する定ストローク ポンプ プランジャー インジェクターの各インジェクター燃料ポートに供給します。

充填フェーズ
上昇中の定ストロークポンプ要素は供給ダクトからチャンバーに燃料を引き込み、電気ソレノイドバルブが通電されていない限り燃料ラインは開いたままです。
流出フェーズ
ポンプ要素は下降途中で、ソレノイドバルブが通電されていない限り、燃料ラインは開いており、燃料は戻りダクトに流れ込みます。
注入段階
ポンプエレメントはまだ下降途中であり、ソレノイドに通電すると燃料ラインは即座に閉じられます。燃料はリターンダクトに戻ることができず、プランジャーによって圧縮され、圧力が所定の「開弁」圧力を超えるとインジェクターノズルニードルが上昇し、燃焼室に燃料が噴射されます。
圧力低減段階
プランジャーはまだ下降途中であり、必要な量の燃料が供給されると、エンジンECUはソレノイドへの通電を停止します。燃料バルブが開き、燃料がリターンダクトに逆流して圧力が低下します。その結果、インジェクターのノズルニードルが閉じ、燃料はそれ以上噴射されなくなります。
まとめ
噴射開始はソレノイドの閉位置によって制御され、噴射される燃料量はソレノイドが閉じている時間（閉時間）によって決定されます。ソレノイドの動作はエンジンECUによって完全に制御されます。

追加機能

電子制御の使用により、温度制御による噴射タイミング、シリンダーバランス調整（スムーズアイドリング）、部分負荷時のシリンダー個別のオフによる排出量と燃料消費量のさらなる削減、マルチパルス噴射（1 エンジン サイクル中の複数回の噴射発生）などの特別な機能が可能になります。

使用方法とアプリケーション

ユニットインジェクタ燃料システムは、ボルボ、カミンズ、デトロイトディーゼル、CAT、ナビスターインターナショナルなどの商用車、ランドローバーやフォルクスワーゲングループなどの乗用車、エレクトロモーティブディーゼルの機関車など、さまざまな車両やエンジンに使用されています。

スカニア R164 V8 エンジンのボッシュUI

フォルクスワーゲングループの主力ブランドは、吸入ディーゼル噴射（SDI）とターボチャージ直接噴射（TDI）ディーゼルエンジンにユニットインジェクターシステム（ブランド名は「Pumpe Düse」、[ 14 ]一般に「PD」と略される）を使用していましたが、[ 15 ]この燃料噴射方法は、新しい1.6 TDIなどのコモンレール設計に置き換えられました。

北米では、フォルクスワーゲンジェッタ、ゴルフ、ニュービートルTDI 2004-2006がPumpe Düse [ 16 ]です（MK4とMK5の両方の世代で利用可能で、それぞれBEWとBRMエンジンコードで、古いモデルはタイミングベルト駆動の噴射ポンプを使用しています）。

フォルクスワーゲン グループが製造した PD ユニット インジェクター システムを組み込んだ TDI エンジンは、ディーゼル燃料が手頃な価格であるヨーロッパやその他の市場で販売された一部の車にも搭載されており、その中には、ダッジ キャリバー(MY07 BKD、MY08 BMR)、ダッジ ジャーニー、ジープ コンパス、ジープ パトリオットなど、ダイムラークライスラー時代のクライスラー/ダッジ車も含まれていました。

フォルクスワーゲン グループの主要トラックおよびディーゼル エンジン メーカーであるScania ABも、ユニット インジェクター システムを使用しており、これを「Pumpe-Düse-Einspritzung」または「 PDE 」と呼んでいます。

油圧作動電子（HEUI）の開発と応用

1993年、CATとインターナショナル・トラック・アンド・エンジン・コーポレーション[ 17 ]は、インジェクターがカムシャフトで作動せず、エンジン回転数とは独立して燃料を加圧できる「油圧作動式電子ユニット噴射」（HEUI）を発表しました。これは、ナビスターの7.3L / 444立方インチ、V8ディーゼルエンジンで初めて利用可能になりました。HEUIはエンジンオイルの圧力を使用して高圧燃料噴射を行いますが、通常のユニットインジェクターの作動方法はエンジンのカムシャフトを使用します。

HEUIの用途には、1993年5月から2007年まで使用されたFord 7.3Lおよび6.0L Power strokeが含まれます。Internationalも、 DT 466E、DT 570、T-444E、DT-466–570、MaxxForce 5、7、9、10、MaxxForce DT、VT365エンジンなど、複数のエンジンにHEUIシステムを使用しました。Caterpillar は、3116、3126、C7、C9などにHEUIシステムを組み込み、Internationalが供給したDaimler-Detroit Diesel Series 40エンジンにもHEUI燃料システムが組み込まれていました。Isuzuは、Trooperとその派生型に搭載された3.0 LTR 4JX1エンジンにHEUIシステムを装備しました。HEUIシステムは、燃費向上と導入されている新しい排出ガス基準を満たすため、多くの製造業者によって、より新しい技術であるコモンレール噴射ソリューションに置き換えられています。

参照

注記

  1. ^ DeLuca, Frank. 「燃料噴射の歴史」（PDF）www.disa.it。2011年5月16日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2009年11月28日閲覧。
  2. ^ 「ウィントン201Aディーゼルエンジン」 。 2009年6月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年11月28日閲覧。
  3. ^ Fielden, Arthur (1934年11月27日). 「米国特許1981913」 . 2009年11月28日閲覧。
  4. ^ 「A. Fielden Fuel Pump」（PDF） . 2009年11月28日閲覧。
  5. ^アスマス、A.;ウェリントン、B. (1994)。ディーゼルエンジンと燃料システム。ロバート・ボッシュGmbH。ISBN 1-56091-542-0。
  6. ^ Kettering, EW (1951年11月29日). 「ゼネラルモーターズ567シリーズ機関車エンジンの歴史と開発」 . ASME 1951 年次会議. アトランティックシティ、ニュージャージー州: ゼネラルモーターズ社 エレクトロモーティブ事業部.
  7. ^ 「HEUI燃料システム」(PDF) . Cat.com . Caterpillar Inc. 1999 . 2009年11月4日閲覧。
  8. ^ 「燃料システム - 高圧噴射（HPI）システム」Cummins.com . Cummins Inc. 2015年4月29日閲覧。
  9. ^ 「インジェクションシステムおよびコンポーネント - Delphi E1ディーゼル電子ユニットインジェクター」。Delphi.com。Delphi Automotive LLP - メーカー製品：商用車業界。2009年12月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年11月4日閲覧。
  10. ^ 「インジェクションシステムおよびコンポーネント - Delphi E3 ディーゼル電子ユニットインジェクター」 Delphi.comデルファイ・オートモーティブ LLP — メーカー製品：商用車業界2009年11月4日閲覧。
  11. ^ 「デンソー、フランスと米国の自動車メーカーをターゲットに」 Europe.autonews.com、2005年10月17日。 2018年7月8日閲覧。
  12. ^ “Pumpe Düse Einspritzung (PDE - UIS)” . kfztech.de (ドイツ語) 。2009 年9 月 15 日に取得。
  13. ^ 「効率的なポンプインジェクターユニット」 BoschAutoParts.co.uk . Robert Bosch GmbH — Automotive. 2009年3月31日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2008年9月30日閲覧。
  14. ^ 「1.9リッターTDIエンジン（ポンプ噴射式）の設計と機能」（PDF）。ミシガン州オーバーンヒルズ：フォルクスワーゲン・オブ・アメリカ社。2003年10月。自習プログラム - コース番号841303。2009年11月4日閲覧。
  15. ^ 「乗用車システム - ユニットインジェクターシステム（UIS）」 .自動車技術 - ディーゼルシステム. Robert Bosch GmbH. 2009年10月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年11月4日閲覧。
  16. ^ 「フォルクスワーゲンMk4ターボディーゼルの「使い方」インデックス（2004～2005年式ジェッタおよび2004～2006年式ニュービートルとゴルフ用）」。2010年1月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2008年2月23日閲覧。
  17. ^ 「HEUIの歴史 - ホットショットの秘密」 。 2017年12月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年4月18日閲覧。

参考文献

  • ディーゼル燃料噴射、ロバート・ボッシュ社発行、1994年ISBN 1-56091-542-0
  • ディーゼルエンジンと燃料システム A. Asmus & B. Wellington著、1988年ISBN 0-7299-0013-4
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