JP2019506559A - 燃料噴射システム - Google Patents

Abstract

本発明は、流入弁（２８）を有する燃料高圧ポンプ（１８）を備えた燃料噴射システム（１０）に関する。この燃料噴射システム（１０）内の燃料（１２）の流れ方向で見て流入弁（２８）の上流側に、逆止弁（４２）が配置されており、逆止弁（４２）は、燃料高圧ポンプ（１８）によって高圧領域（３６）へ圧送されなかった燃料体積の、燃料噴射システム（１０）の低圧システム（３２）への逆流を遮断する。

Description

本発明は、内燃機関の少なくとも１つの燃焼室内に燃料を噴射するための燃料噴射システムであって、燃料噴射システムが燃料高圧ポンプを有しているものに関する。

このような燃料噴射システムに設けられている燃料高圧ポンプは、燃料に高い圧力を付与するために使用される。この場合、圧力は、例えばガソリン内燃機関の場合には１５０バール〜４００バールの範囲、ディーゼル内燃機関の場合には１５００バール〜２５００バールの範囲になり得る。いずれの燃料においても、形成され得る圧力が高くなればなるほど、燃焼室内での燃料の燃焼時に発生するエミッションはますます少なくなる。このことは、特にエミッションの低減がますます強く望まれているという背景に鑑みて、有利である。

それぞれの燃料において高い圧力を達成できるようにするために、燃料高圧ポンプは、典型的にはピストンポンプとして構成されている。この場合、ピストンが、燃料高圧ポンプの圧力室内で並進的な運動を実施し、それによって燃料を周期的に圧縮・膨張させる。

燃料高圧ポンプの圧力室の上流側には、通常、低圧システムが接続されており、この低圧システムは、燃料高圧ポンプに送る燃料を準備する。

ピストンポンプの不均一な圧送により、一般的に、この低圧システムには、体積流量の変動が生じるおそれがあり、体積流量の変動は圧力変動に結びついている。この変動により、燃料高圧ポンプでは充填損失が生じるおそれがあり、これにより、例えば、あらかじめ規定された燃焼室内で必要とされる燃料量の、燃料噴射システムによる適正な調量を保証することができなくなってしまう。圧力脈動とも呼ばれるこの圧力変動は、さらには、燃料高圧ポンプの構成要素および低圧システムの構成要素、例えば供給管路にも振動を引き起こし、この振動は、望ましくない騒音、または最悪の場合には、燃料噴射システムの種々異なる構成部分における損傷をも引き起こす原因となり得る。

したがって、燃料高圧ポンプの低圧領域に、このような圧力脈動を補償する低圧ダンパを設けることが知られている。例えば金属から成るダンパカプセルの使用が知られており、このダンパカプセルは２つの金属ダイヤフラムから成っている。両金属ダイヤフラムは、ガスで充填され、かつ縁部で溶接されている。圧力脈動の減衰に関する要求を満たすために、必要に応じて、ダンパカプセルのサイズ、形状および個数を選択することができる。

しかし、燃料高圧ポンプの低圧領域にこのような低圧ダンパを設けているにもかかわらず、燃料噴射システムの低圧システムに相変わらず戻り脈動が生じるおそれがある。このことは、上で挙げた理由から、十分に回避されることが望ましい。

したがって、本発明の課題は、燃料高圧ポンプの作業サイクルによって低圧システムにおいて発生する戻り脈動を十分に回避できるような燃料噴射システムを提供することである。

この課題は、請求項１に記載の諸特徴を有する燃料噴射システムによって解決される。

本発明の有利な態様は、従属形式の請求項の対象である。

内燃機関の少なくとも１つの燃焼室内に燃料を噴射するための燃料噴射システムは、燃料を準備するための低圧システムと、燃料に高圧を付与するための燃料高圧ポンプと、低圧システムから燃料高圧ポンプへ燃料を供給するための供給領域と、を備える。燃料高圧ポンプは圧力室を有し、この圧力室内で燃料に高圧が付与され、また燃料高圧ポンプは、圧力室に燃料を供給するために、流体が流通するように供給領域に接続（流体流通接続）されている低圧領域と、高圧領域とを有し、この高圧領域へ、圧力室内で高圧付与された燃料が圧送される。圧力室は、燃料を低圧領域から圧力室内に流入させるための流入弁を有し、燃料噴射システム内の燃料の流れ方向で見て流入弁の上流側に、逆止弁が配置されており、この逆止弁は、高圧領域へ圧送されなかった燃料体積の、圧力室から低圧システムへの逆流を遮断する。

したがって、燃料噴射システムには、汎用的に存在する流入弁の他に逆止弁が設けられ、この逆止弁は、例えば流入弁が開放保持される際に、燃料高圧ポンプの作業サイクル中に圧力脈動が低圧システム内へ導かれることを阻止する。

逆止弁を使用することの特別な技術的な有用性は、燃料高圧ポンプの圧力室からの燃料の押出しによって発生し、かつ燃料噴射システムの低圧システムに伝播するおそれのある圧力脈動を減衰させるか、またはそれどころか完全に遮断することにある。

この圧力脈動の減衰には、２つの重要な利点がある。すなわち、一方では、低圧システムにおける振動によって引き起こされるかまたは直接的に発せられる音響エミッションが、低減されることであり、また他方では、低圧システムの構成要素の耐用年数の低下または破壊を招くおそれのある圧力振動が低減されることである。

有利には、供給領域は供給管路を有し、この供給管路は、燃料を低圧システムから燃料高圧ポンプに供給するために、低圧システムを燃料高圧ポンプのハウジングに接続しており、逆止弁は、この供給管路に配置されている。

好ましくは、供給領域は、燃料高圧ポンプのハウジングに、供給接続部を有し、逆止弁は、代替的に、この供給接続部に配置されていてもよい。

さらに別の代替的な構成では、燃料高圧ポンプが、低圧領域に、圧力脈動を減衰させるための低圧ダンパを有している。燃料高圧ポンプのハウジングには、ダンパ孔が設けられており、このダンパ孔は、低圧ダンパのダンパ容積を供給領域に接続しており、逆止弁は、このダンパ孔に配置されている。

したがって、すべての実施形態において、燃料高圧ポンプのハウジングは、低圧ダンパをも有している。すなわち、供給管路および／または供給接続部は、燃料高圧ポンプの、ポンプピストンを収容しているハウジング領域に配置されてもよいし、燃料高圧ポンプの、ダンパ容積を形成しているハウジング領域に配置されてもよい。

したがって、逆止弁を、供給管路か、供給接続部か、または供給接続部と低圧ダンパのダンパ容積との間かのいずれかに組み付けることが可能である。これらのすべての位置において、逆止弁は、低圧システムへの圧力脈動の伝播を有利に阻止する。これにより、低圧システムに設けられた構成部分は保護され、したがってあまり頑丈に設計されなくても済み、このことは一般的に、コストの節約につながる。

有利な態様では、燃料高圧ポンプが、低圧領域に、圧力脈動を減衰させるための低圧ダンパを有しており、この低圧ダンパのダンパ容積は、少なくとも、圧力室内に形成されている押しのけ容積と同じ大きさである。

したがって、ダンパ容積を設計する際に、ダンパ容積の上流側に配置された逆止弁の使用が考慮される。なぜならば、これによって、燃料高圧ポンプのポンプピストンのピストン横断面積×ピストン行程長さによって規定される、圧力室内における全行程容積または全押しのけ容積が、ダンパ容積によって補償されるので、有利には、燃料高圧ポンプにおける外部漏れまたは他の損傷が阻止され得るからである。このことは、特に有利である。なぜならば、高圧領域へ圧送されなかった燃料体積の、低圧システムへの逆流が、逆止弁によって遮断されるからである。

好適には、逆止弁が、弁エレメントに逆止弁の閉鎖方向へのプリロードをかけるためのばねを有している。逆止弁の（ばねのばね力に起因する）静的な開放圧が、特に、０．０３バール〜０．１５バールの範囲にある。このことは、有利には、低い静的な開放圧に相当し、この低い静的な開放圧は、有利には、ばねの適切な寸法設定によって実現することができる。

逆止弁が、逆止弁の通流領域において、０．１リットル／分〜４．５リットル／分の範囲にある通流量特性線を有すると、特に有利である。

この場合、燃料噴射システムに、燃料を供給領域へ圧送するためのプレフィードポンプが設けられていると有利であり、このプレフィードポンプは、供給領域に、逆止弁の静的な開放圧よりも大きな燃料の供給圧を形成するために形成されている。したがって、燃料の供給圧を、逆止弁の開放圧または通流量特性線に関連した値にまで増大することができるので、有利には、蒸気泡形成またはキャビテーションを回避することができ、かつ、所望の燃料圧送量を達成することができる。

特に好適な態様では、逆止弁が、燃料を燃料高圧ポンプの低圧領域から低圧システムへ導出するための、規定された最小漏れを有している。

追加の構成または代替的な別の構成では、燃料を燃料高圧ポンプの低圧領域から低圧システムへ導出するために、逆止弁に対して並列に接続された孔またはノッチが設けられていてもよい。

これにより、燃料高圧ポンプの低圧領域における高い圧力の発生を阻止できるので有利である。このような高い圧力は、状況によっては、内部漏れまたは外部漏れを招くおそれがあるか、または別の形で燃料高圧ポンプを損傷するおそれもある。このような望ましくない高い圧力は、例えば、燃料噴射システムの高圧領域、例えばレールにおける、燃料の熱膨張に基づいて発生し得る。

有利な態様では、圧力制限弁が設けられており、この圧力制限弁は、高圧領域で発生した燃料過圧を、逆止弁の下流側に位置する低圧領域へ逃がすために形成されている。圧力制限弁により、有利には、高圧領域における望ましくないほど高い圧力が、低圧領域へ戻されて、この低圧領域において、圧力脈動として伝播し得る。この場合にも、特別な負荷点においてのみ発生するこの過圧を、最小漏れを介して、または逆止弁に対して並列な相応する孔もしくはノッチを介して、低圧システムへ導出することが有意義である。しかし、全体的には、圧力制限弁の開放時に発生し、かつ低圧領域へ逃がされる圧力脈動を、逆止弁により減衰させることができる。

好適には、流入弁が、制御可能なデジタル式の電磁弁として、特に、無電流状態で開いている電磁弁として形成されている。これにより、燃料高圧ポンプに、意図的に部分圧送モードを実施させることが可能であり、この部分圧送モードでは、燃料高圧ポンプの低圧領域への燃料の還流（Reflux）が行われる。特にこの還流の場合には、逆止弁が設けられていると、還流によって発生する圧力脈動が低圧システムへ伝播されないので、有利である。

以下に、本発明の有利な態様を添付の図面に基づき詳しく説明する。

燃料高圧ポンプと、逆止弁とを備えた燃料噴射システムを示す概略図である。 燃料高圧ポンプ近傍の燃料噴射システムの拡大された領域における断面図であり、逆止弁は、選択的に種々異なる位置に配置されていてよい。 図２に示した逆止弁の、あらかじめ規定された最小漏れを有する構成を示す拡大部分図である。 図２に示した逆止弁の、逆止弁に対して並列に配置された孔またはノッチを有する構成を示す拡大部分図である。

図１は、燃料噴射システム１０の概略図を示す。内燃機関の燃焼室には、この燃料噴射システム１０を用いて、高圧を付与された燃料１２が供給される。このために、燃料噴射システムは、タンク１４と、プレフィードポンプ１６と、燃料高圧ポンプ１８と、「レール」と呼ばれる蓄圧器２０とを有しており、蓄圧器２０には、内燃機関の、燃料供給されるべき燃焼室ごとに、それぞれ１つのインジェクタ２２が配置されている。

燃料１２は、プレフィードポンプ１６により、あらかじめ規定された供給圧Ｐ_Ｚでタンク１４から燃料高圧ポンプ１８へ圧送され、この燃料高圧ポンプ１８において、燃料１２は、圧力室２６内でのポンプピストン２４の並進的な運動により、あらかじめ規定された高圧に圧縮され、次いで、蓄圧器２０へ圧送される。

燃料１２を燃料高圧ポンプ１８の圧力室２６に流入させるために、流入弁２８が設けられており、流入弁２８は、本実施形態においては、アクティブな電磁弁３０として形成されている。これにより、燃料高圧ポンプ１８を、部分圧送モードでも動作させることが可能であり、この場合、燃料１２は、ポンプピストン２４によって圧縮されて蓄圧器２０へ送られるのではなく、還流（Reflux）を介して戻される。

したがって、燃料噴射システム１０の全体は、燃料１２を準備する低圧システム３２を有する。この場合、燃料高圧ポンプ１８は、圧力室２６の上流側に位置する低圧領域３４と、圧力室２６の下流側に位置する高圧領域３６とを含む。

燃料高圧ポンプ１８には、流出弁３８が配置されており、あらかじめ規定された高圧を付与された燃料１２は、この流出弁３８を介して、圧力室２６から蓄圧器２０へ圧送される。

流出弁３８の下流側の領域、例えば蓄圧器２０における燃料１２の過圧を阻止するために、燃料噴射システム１０は圧力制限弁４０を有している。圧力制限弁４０は、過剰燃料１２を、減圧のために、燃料噴射システム１０の、流出弁３８の下流側の領域から、流出弁３８の上流側に位置する領域へ逃がす。圧力制限弁４０は、図１に破線で示したように、過剰燃料１２を、流入弁２８の上流側の領域（経路ａ）、燃料高圧ポンプ１８の低圧領域３４（経路ｂ）、圧力室２６（経路ｃ）、または直接にタンク１４（経路ｄ）へ逃がす。

燃料高圧ポンプ１８の作業サイクル中には、燃料高圧ポンプ１８の低圧領域３４においても圧力脈動が発生し、この圧力脈動は、特に流入弁２８が燃料高圧ポンプ１８の還流サイクルのためにアクティブに開放保持されるときには、燃料噴射システム１０の低圧システム３２にも伝播するおそれがある。このことを阻止するために、圧力脈動が低圧システム３２に到達することを阻止する逆止弁４２が設けられている。

図２には、燃料高圧ポンプ１８の領域における燃料噴射システム１０の部分領域の断面図が示されている。図２から判るように、燃料高圧ポンプ１８はハウジング４３を有し、圧力室２６は、このハウジング４３内に配置されている。ハウジング４３には、供給接続部４５を介して供給管路４４が接続されており、低圧システム３２に設けられたプレフィードポンプ１６によって圧送された燃料１２は、この供給管路４４を介して、燃料噴射システム１０の供給領域４６から、燃料高圧ポンプ１８に供給される。

燃料高圧ポンプ１８のハウジング４３には、さらに、低圧ダンパ４８が配置されている。低圧ダンパ４８は、ダンパ容積５２を規定するためのダンパカバー５０と、本実施形態においてはダンパカプセル５４とを有している。ダンパカプセル５４は、圧力変動の作用を受けて変形することができ、こうして圧力脈動を吸収することができる。ダンパ容積５２は、ハウジング４３に設けられたダンパ孔５６を介して、供給領域４６に接続されている。ダンパ孔５６と、供給領域４６と、供給管路４４とは、圧力室２６にも流体的に接続されており、流入弁２８は、この流体接続を可能にするかまたは遮断するために設けられている。

図２から判るように、逆止弁４２は、代替的にダンパ孔５６内に、供給接続部４５内に、または供給管路４４内に配置されていてよい。いずれの位置においても、逆止弁４２は、燃料噴射システム１０の低圧システム３２に圧力脈動が伝播することを阻止する。

逆止弁４２の、あらかじめ規定された静的な開弁圧Ｐ_ｏｅｆｆを提供することができるようにするために、逆止弁４２はばね５８を有している。ばね５８は、弁エレメント６０に閉鎖方向へのプリロードをかけて、弁エレメント６０を弁座６２に圧着させている。この場合、静的な開弁圧Ｐ_ｏｅｆｆは、ばね５８のプリロードによって、０．０３バール〜０．１５バールの範囲に調節されると有利である。

燃料高圧ポンプ１８の低圧領域３４における圧力脈動が、この低圧領域３４に設けられた構成部分を損傷し得ることを阻止するためには、ダンパ容積５２が、少なくとも圧力室２６内の押しのけ容積６４と同じ大きさであると、有利である。この押しのけ容積６４は、ポンプピストン２４のピストン横断面積と、圧力室２６における最大ピストン行程６６との積に相当する。

ばね５８の抵抗を克服することができるようにするために、プレフィードポンプ１６が、燃料１２に、逆止弁４２の静的な開弁圧Ｐ_ｏｅｆｆよりも大きな供給圧Ｐ_Ｚを形成すると、有利である。

燃料噴射システム１０の少数の動作点では、燃料高圧ポンプ１８の高圧領域３６、または蓄圧器２０において、望ましくない圧力上昇が発生するおそれがあり、その場合、圧力制限弁４０が開かなければならなくなる。圧力制限弁４０のこの開放により、燃料高圧ポンプ１８の低圧領域３４では、さらなる圧力脈動が生じてしまう。燃料高圧ポンプ１８のこの低圧領域３４に設けられた構成部分が損傷を受けることを回避するために、逆止弁４２が、低圧システム３２への燃料１２の逆流を完全には阻止しないようになっていると有利である。このためには、逆止弁４２が、図３に示されているように、あらかじめ規定された最小漏れ６８を有していると有利である。代替的な別の構成または追加の構成では、逆止弁４２に対して並列に、例えば逆止弁４２を内蔵している各通流孔７２を形成している壁７０に、逆止弁４２に対して並列に配置された孔７４またはノッチ７４を設けることも可能である。したがって、燃料高圧ポンプ１８の低圧領域３４を負荷軽減するために、最小漏れ６８または孔／ノッチ７４を介して、過剰燃料１２のうちのわずかな量を、低圧システム３２へ戻すことができる。

Claims (10)

1. 内燃機関の少なくとも１つの燃焼室内に燃料（１２）を噴射するための燃料噴射システム（１０）であって、
   燃料（１２）を準備するための低圧システム（３２）と、
   燃料（１２）に高圧を付与するための燃料高圧ポンプ（１８）と、
   前記低圧システム（３２）から前記燃料高圧ポンプ（１８）へ燃料（１２）を供給するための供給領域（４６）と、
   を備え、
   前記燃料高圧ポンプ（１８）は、圧力室（２６）を有し、該圧力室（２６）内で燃料（１２）に高圧が付与され、さらに、前記燃料高圧ポンプ（１８）は、前記圧力室（２６）に燃料（１２）を供給するための、前記供給領域（４６）に流体流通接続されている低圧領域（３４）と、高圧領域（３６）とを有しており、該高圧領域（３６）内へ、前記圧力室（２６）内で高圧付与された燃料（１２）が圧送されるようになっており、
   前記圧力室（２６）は、燃料（１２）を前記低圧領域（３４）から前記圧力室（２６）内に流入させるための流入弁（２８）を有しており、
   前記燃料噴射システム（１０）内の燃料（１２）の流れ方向で見て前記流入弁（２８）の上流側に、逆止弁（４２）が配置されており、該逆止弁（４２）は、前記高圧領域（３６）へ圧送されなかった燃料体積の、前記圧力室（２６）から前記低圧システム（３２）への逆流を遮断するようになっている、
   燃料噴射システム（１０）。
2. 前記供給領域（４６）は供給管路（４４）を有しており、該供給管路（４４）は、燃料（１２）を前記低圧システム（３２）から前記燃料高圧ポンプ（１８）に供給するために、前記低圧システム（３２）を前記燃料高圧ポンプ（１８）のハウジング（４３）に接続しており、前記逆止弁（４２）は前記供給管路（４４）に配置されていることを特徴とする、請求項１記載の燃料噴射システム（１０）。
3. 前記供給領域（４６）は、前記燃料高圧ポンプ（１８）のハウジング（４３）に供給接続部（４５）を有しており、前記逆止弁（４２）は、前記供給接続部（４５）に配置されていることを特徴とする、請求項１記載の燃料噴射システム（１０）。
4. 前記燃料高圧ポンプ（１８）は、前記低圧領域（３４）に、圧力脈動を減衰させるための低圧ダンパ（４８）を有しており、前記燃料高圧ポンプ（１８）のハウジング（４３）に、ダンパ孔（５６）が設けられており、該ダンパ孔（５６）は、前記低圧ダンパ（４８）のダンパ容積（５２）を前記供給領域（４６）に接続しており、前記逆止弁（４２）は前記ダンパ孔（５６）に配置されていることを特徴とする、請求項１記載の燃料噴射システム（１０）。
5. 前記燃料高圧ポンプ（１８）は、前記低圧領域（３４）に、圧力脈動を減衰させるための低圧ダンパ（４８）を有しており、該低圧ダンパ（４８）のダンパ容積（５２）は、少なくとも、前記圧力室（２６）内に形成されている押しのけ容積（６４）と同じ大きさであることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料噴射システム（１０）。
6. 前記逆止弁（４２）は、弁エレメント（６０）に前記逆止弁（４２）の閉鎖方向へのプリロードをかけるためのばね（５８）を有しており、前記逆止弁（４２）の静的な開放圧（Ｐ_ｏｅｆｆ）が、特に、０．０３バール〜０．１５バールの範囲にあり、前記逆止弁（４２）の通流領域における通流量特性線が、特に、０．１リットル／分〜４．５リットル／分の範囲にあることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃料噴射システム（１０）。
7. 燃料（１２）を前記供給領域（４６）へ圧送するためのプレフィードポンプ（１６）が設けられており、該プレフィードポンプ（１６）は、前記供給領域（４６）に燃料（１２）の供給圧（Ｐ_Ｚ）を形成するために形成されており、該供給圧（Ｐ_Ｚ）は、前記逆止弁（４２）の前記静的な開放圧（Ｐ_ｏｅｆｆ）よりも大きいことを特徴とする、請求項６記載の燃料噴射システム（１０）。
8. 前記逆止弁（４２）は、燃料（１２）を前記燃料高圧ポンプ（１８）の前記低圧領域（３４）から前記低圧システム（３２）へ導出するための、規定された最小漏れ（６８）を有しており、かつ／または、燃料（１２）を前記燃料高圧ポンプ（１８）の前記低圧領域（３４）から前記低圧システム（３２）へ導出するための、前記逆止弁（４２）に対して並列に接続された孔（７４）および／またはノッチ（７４）が設けられていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃料噴射システム（１０）。
9. 圧力制限弁（４０）が設けられており、該圧力制限弁（４０）は 、前記高圧領域（３６）で発生した燃料過圧を、前記逆止弁（４２）の下流側に位置する前記低圧領域（３４）へ逃がすために形成されていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の燃料噴射システム（１０）。
10. 前記流入弁（２８）は、制御可能なデジタル式の電磁弁（３０）として、特に、無電流状態で開いている電磁弁（３０）として形成されていることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の燃料噴射システム（１０）。

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