JP2019518163A - 単発ピストン燃料ポンプの部分チャージ - Google Patents

Abstract

バルブアセンブリ及び関連するポンプは、磁束を誘導し、コイルが励起されると、タイミングが慎重に図られた磁力が吸気弁体に直接与えられる。その結果、吸気バルブを直接的に作動することができる。これは吸気による圧の脈動のためになる、新たな部分チャージ作動手順を可能とする。この部分チャージ作動手順の利点は、圧の脈動及びノイズの減少であり、特に車両がアイドル状態で顕著である。【選択図】図１

Description

本願発明は高圧燃料ポンプに関し、特に、高圧ポンプ室に低圧燃料を供給するための吸気バルブに関する。

現在の直接噴射ガソリンエンジン及びディーゼルエンジンで必要とされている圧縮燃料を供給するために、単発ピストン及び複数ピストン型の燃料ポンプが使用されている。このようなエンジンに取り付けられたポンプは容量制御されているため、寄生損失を最小限にしつつ、レール圧力を維持できる。容量制御は、比例電磁式制御バルブを使用したインレットスロットル、又は磁気アクチュエータによる吸気バルブのデジタル制御によって達成し得る。いずれの方法においても、エンジンのＥＣＵから電気信号を発することによって、ポンプが制御される必要がある。

デジタル制御による吸気バルブ制御を行う場合には、各ピストンに個別のアクチュエータを設ける必要があることから、複数ピストン型のポンプについては、サイクル数及びコストの増加を回避するために、単体の吸気弁体スロットルを使用することが一般的となっている。現代の単発ピストンポンプの多くは、個別の電磁アーマチュアセンブリを別個設けた、非直接的な吸気バルブアクチュエータを使用している。これらの装置は、一般的には吸気バルブ、電磁アーマチュア及び接続部という、３つの異なる構造を備える。このようなコンセプトのバリエーションは、米国特許第6,526,947号（特開２００１−１８２５９７号公報）、米国特許第7,513,240号（特開２００３−２５４１９１号公報）、米国特許第6,116,870号（特開平１０−１４１１７７号公報）及び米国特許第7,819,637号（特開平１０−１４１１７７号公報）に記載されている。これらの装置の複雑性及び精密性により、これらの機能は、単発ピストンのポンプのうち1/3のコストを占める。これらのデジタルタイプの装置は、通電時及び悲通電時におけるアーマチュア及びバルブアセンブリへのインパクトによる、高い往復質量及びノイズの影響も受ける。

特開２００１−１８２５９７号公報 特開２００３−２５４１９１号公報 特開平１０−１４１１７７号公報 特開２００６−１７０１１５号公報

本願発明の目的は、燃料ポンプにおける吸気バルブアクチュエータの制御を改善し、コスト及びノイズを低減することである。

一実施例では、吸気バルブは磁気的に直接制御されている。バルブアセンブリ及び関連するポンプは、磁束を誘導し、コイルが励起されると、タイミングが慎重に図られた磁力が吸気弁体に直接与えられる。その結果、吸気バルブを直接的に作動することができる。これは吸気による圧の脈動のためになる、新たな部分チャージ作動手順を可能とする。この部分チャージ作動手順の利点は、圧の脈動及びノイズの減少であり、特に車両がアイドル状態で顕著である。

通常のデジタル制御バルブ（アーマチュア及びバルブが別個であるもの）では、アーマチュアと分離していることから、バルブはカムのチャージ傾斜部で自動的に開く。この結果、ポンプ室に燃料が満タンになるまで充電される。タイミングが磁気的に直接制御された吸気バルブでは、吸気弁体が磁場に結合していることから、カムがどの位置にあっても吸気バルブは閉じることができる。

本開示によると、望ましい直接磁気的吸気バルブシステムは、2016年3月7日に米国特許出願第15/062,774号として出願された、「磁気的に直接制御された燃料ポンプ用吸気バルブ」に記述されており、その全体を本明細書において参照する。しかし、本発明の利点は、バルブがアーマチュアに直接結合されている場合における、他のアクチュエータを用いた実施例によっても実現できる。

発明の詳細な説明

本発明の基本的な構造は、図１及び図２によって明らかにされる。
ポンプのチャージフェーズ（pump charge phase）中に、ピストン１０がポンプ室７から相反する方向に移動すると、吸入フィッティング１を通して低圧燃料がポンプに入り込み、圧ダンパー２の周囲を通過し、ポンプハウジング３に流入し、低圧燃料が通過する。その後、直接磁気制御された吸気バルブアセンブリ５の入口環アセンブリ４に移動し、直接的に磁気制御を行う吸気バルブ２２を経由して通路６を通過し、ポンプ室７に移動する。チャージフェーズの完了後、カムシャフトはタペット１２に作用し、ピストン１０をピストンスリーブ１１の内部にスライドさせる。直接磁気制御された吸気バルブアセンブリ５が励起され、電磁コイルアセンブリ１５に電流が流れると、磁力が発生して吸気バルブ２２を閉じさせ、密封面２０で密封することにより、ポンプ室７に閉じ込められた燃料が加圧され、圧を形成する。十分な圧が蓄積されると、排出バルブ９が解放され、圧縮された空気の流れがポンプ室７を通過して高圧通路８、排出バルブ９を通り、高圧ライン、レールに流れ込み、最終的には燃料噴射器に流れる。システムの誤作動に備え、ポンプには解放弁１３が取り付けられている。

本願発明に適した一般的な単体ピストン型燃料ポンプの断面図である。 図１に係るポンプを異なる断面から見た断面図であり、本発明の吸気バルブアセンブリの実施例を示す。 吸気バルブアセンブリの拡大断面図である。 図３に係る吸気バルブアセンブリを直交する位置から見たポンプの部分拡大図であり、インレットフィッティングから吸気バルブアセンブリへの流路を示す。 弁体の斜視図であり、リム部を有し、弁体及び切欠部に横断する磁束を与え、弁体が開いているときに弁アセンブリの流出を構成する。 従来のベースライン「フルチャージ」手順及び特許性がある部分チャージ手順の２つの方法を図示している。 従来のベースライン「フルチャージ」手順及び特許性がある部分チャージ手順の２つの方法を図示している。 従来のベースライン「フルチャージ」手順及び特許性がある部分チャージ手順の２つの方法を図示している。 図６〜８の結果を示す。 図６〜８の結果を示す。

図３及び図４において、適した実施形態の機能的側面をさらに詳しく説明する。ポンプのチャージフェーズ中において、直接的磁気制御弁アセンブリ５のエネルギーが低下すると、吸気バルブ２２が開き、燃料は液体の流入路１９を通過することができる。チャージフェーズ中において、燃料は流路１９ａに沿って、吸入フィッティング１から入口環アセンブリ４に移動し、磁気制御弁アセンブリ５を通過して、流路１９ｂに沿って、通路６を通過してポンプ室７に移動する。開示された実施例においては、磁気制御弁アセンブリ５はチェック弁及び絞り弁としての役割を果たす。チャージフェーズ中において、ピストンの下降移動によって、ポンプ室は流路１９から流れた低圧液で満たされる。ピストンの高圧ポンプフェーズにおいて、加圧された燃料は、流路１９’を通過して吸入フィッティング１に逆流するバックフローを起こさない。高圧ポンプフェーズ中、吸気バルブ２２は、コイルの励起及び吸気バルブ２２の表面に対する高圧燃料の両方によって、密封表面２０に対して閉じられている。高圧でポンピングされる量（全体量）を制御するにあたり、コイルの励起は、カム／ピストンの上方向ストロークの特定位置に対応して吸気バルブ２２が閉じるようにタイミングを合わせている。バルブを閉じる前に、ピストンが上方向に移動する際、低圧燃料がポンプ室から後ろ方向に押され、吸気バルブ２２を通過して、圧ダンパー２及び吸入フィッティング１に押し出される。ダンパーは逆流に関連する圧スパイクを吸収する。これは、ピストンの全体サイクルのうちの「ポンプバイパス」フェーズと呼ばれる。よって、全体のサイクルは、チャージフェーズと、ポンプバイパスフェーズと、高圧燃料ポンプフェーズと、を備える。

既知の方法により、電磁コイルアセンブリ１５は電磁石に類似し、複数の巻き取りコイルが軸方向に伸びる強磁性シリンダ又は棒２１（以下、「磁極」という）の周囲に巻き付けられる。磁極の一端はコイルから延伸する。電磁コイルアセンブリ１５から電流が流れると磁場が発生し、磁場は磁気回路の周辺でラジアル状空隙２３を横断して磁束線に沿って横断し、電磁的空隙１６を変動することにより吸気バルブ２２の表面に軸力を生成する。吸気バルブ２２を戻すばね２４の戻し力よりも磁力が大きくなると、吸気バルブ２２は密封表面２０を閉じる。磁極２１は密封表面２０を一体的に形成し、また磁束３２の一部を形成する。好ましくは、停止弁１４は吸気バルブ２２の位置決めを補助し、正確なストローク制御を実現する。

第１電磁ブレーキ１７及び第２電磁ブレーキ１８は、密封表面２０を囲い、正しい方向への磁力の流れを促し、ショート回路を防止する。第１電磁ブレーキ１７及び第２電磁ブレーキ１８は、いずれも非磁気素材から形成されるべきであり、停止弁１４も同様に、最適な性能を得るためには、非磁気素材から形成されるべきである。第１電磁ブレーキ１７及び第２電磁ブレーキ１８は、磁極２１の突出した部分を囲い、磁束が磁極２１からハウジングに向けて放射状に移動し、吸気バルブ２２のショート回路が発生することを防止する。すなわち、ブレーキは、磁束回路がコイル及び磁極２１を通過し、密封表面２０、電磁的空隙１６、吸気バルブ２２、放射状の空隙２３、導電環３１、及びポンプハウジング３を通過し、電磁コイルアセンブリ１５に戻ることを保証する。異なる実施形態では、密封表面２０’は軸棒２１と一体ではなく、第２電磁ブレーキ１８と一体に形成されている。

図５は、開示された吸気バルブアセンブリ５の性能の向上に貢献する追加機能を示す。吸気バルブ２２の周辺には、ラジアル状空隙２３を制御する複数の磁気制御縁部またはローブ２６と、弁が開いた際に液体が流入路１９に沿って適切に流れるように促す複数の切欠部２５と、を含む。ローブ２６は縁部直径（最大径）を形成し、切欠部２５は基礎直径（最小径）を形成する。基礎直径は弁の密封表面２０の内径よりも大きいため、ポンプ中に吸気バルブ２２が閉じていても、ポンプ室７から液体が吸気バルブ２２を通過し、入口環アセンブリ４’に戻ることは無い。電磁的空隙１６に十分な磁力を与えるには、基礎直径が密封表面２０の直径と概ね同じであることを要する。チャージストローク時に吸気バルブ２２が開くと、燃料が入口環アセンブリ４’から切欠部２５を通過し、ラジアル状空隙２３に向かって移動する。ラジアル状空隙２３の空間は最小限にし、十分な磁力を与えるために切欠部２５が設けられている。その結果、環状の通路部はポンプ室に必要な燃料を流入させるには狭くなる。

図３及び図４に示された、スタンドアロン型としての吸気バルブアセンブリ５は、入口流路１９の全体に、制御した状態での中程度の流路を与える。磁気を放出する吸気バルブ２２は、中間流路に配置されている。中間流路は、入口環アセンブリ４から流入してインレット流路１９ａに流体連結する弁アセンブリ流入路１９’と、吸気バルブ２２の下流から流入して通路６の流路１９ｂに向かう弁アセンブリ流出路１９”と、を有する。磁極２１は電磁コイルアセンブリ１５の内部で軸状に配置された棒又は円筒等であり、一方の端部２７が電磁コイルアセンブリ１５から突出するように形成されている。弁アセンブリ流入路１９’の一部は横断孔２８を通過して、突出部の一端が密封面２０と一体的に形成された中心ボア２９に移動する。吸気バルブ２２は、電磁コイルアセンブリ１５に対するアーマチュアを構成する平板であり、電磁的空隙１６を通じて密封面２０に対向する密封表面３０を有する。密封表面２０を持ち上げると、吸気バルブ２２が開通し、弁アセンブリ流入路１９’（密封面２０の上流）から流出路１９’’（密封面２０の下流）への流体連結を構成する。吸気弁体２２の周辺部は、吸気弁体を横断する磁束を与える縁部２６と、吸気弁体が開いているときに弁アセンブリの流れの一部を構成する切欠部２５と、を有する。

本願発明に係る改善は、前述したハードウエアにおいて、バルブの磁場のタイミングをデジタル的に制御することによって全て適用できることが好ましい。吸気弁体は、磁場に直接結合されているか、磁場に直接結合されているアーマチュアに物理的に付着している。図２によると、エンジンコントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という）は、カム角位置のセンサから入力信号を受信し、ＥＣＵは吸気バルブアクチュエータにアクチュエーション信号を発信し、部分チャージ作動手順を実施する。ＥＣＵは更に、エンジンのＲＰＭ及びレール圧を監視する。

図６〜図８は従来のベースライン「フルチャージ」手順及び特許性がある部分チャージ手順の２つの方法を図示している。図９及び図１０は、これらの結果を図示する。通常作動モードでは、プランジャが（アクチュエータバルブが開いている状態で）ポンプ室から燃料を後ろ方向に押し出すが、燃圧を与えていない場合に、ポンプのバイパスサイクルが発生する。蒸気発生サイクル及び蒸気圧縮サイクルは、燃料の部分チャージ中におけるポンプ室の状態を表す用語である。

従来の作動スキームは、「フルチャージ、漏洩、その後カムノーズからのポンプ」と特徴付けることができた。特許性があるスキームは、「部分チャージ、その後カムノーズからのポンプ」と特徴付けることができ、これは「インレットメータ」の形態である。

図７及び図８は、単発ピストン燃料ポンプの一般的なコンセプトを図示しており、単一ピストン燃料ポンプは、回転カムによって相反的に被動し、磁場に直接結合した又はアーマチュアに物理的に付着した吸気バルブによって断続的に燃料が供給されているポンプ室を有するプラジャーポンプと、カム角位置に応答し、カムノーズに沿って駆動中にプランジャが部分チャージされた燃料に燃圧を与える前に、磁場を変更してポンプ室を部分的にチャージし、吸気バルブを制御する制御システムと、を備える。

図７の実施スキームによると、プランジャがノーズのダウンスロープに沿って駆動する際、ポンプ室が部分的にチャージされ、プランジャがノーズのアップスロープに沿って駆動し、部分チャージされた燃料に燃圧を与えるまでは、部分的にチャージされた状態を維持する。図８の実施スキームによると、プランジャがノーズのアップスロープに沿って駆動する際、ポンプ室が部分的にチャージされ、プランジャはノーズのアップスロープにおいて部分的にチャージされた燃料に燃圧を与える。

図示されている３か所のローブが形成されたカムでは、各ローブのサイクルは１２０度である。アイドリング状態では、１５度以下のカム回転でポンプの部分チャージが完了する（例えば、開バルブ状態の場合）。しかし、開バルブにおけるチャージ時間は、必要量に依拠し、または完全チャージも含まれる。同様に、アイドリング状態におけるポンプサイクルは、約１５度の角度スパンに沿って実施される。この角度は、必要量の増加に応じて変動する。アイドリング状態及び必要量が少ない状態では、部分チャージ及び関連するポンピングは、カムノーズの回転角が小さい場合においてのみ発生する。本実施の目的では、ノーズはカムプロファイルの全体の約三分の一と考えられ、上死点で中心化されている。一般的には、ポンピングはノーズの上り方向から、カムの上死点に沿って発生する。

本発明においては、全ての作動条件において部分チャージが必要ではない。むしろ、部分チャージは、少なくとも一部の作動条件、特にアイドル状態で起こる特徴である。

Claims (11)

1. 回転カムによって相反的に被動し、磁場に直接結合した又はアーマチュアに物理的に付着した吸気バルブによって断続的に燃料が供給されているポンプ室を有するプラジャーポンプと、
   カム角位置に応答し、カムノーズに沿って駆動中にプランジャが部分チャージされた燃料に燃圧を与える前に、磁場を変更してポンプ室を部分的にチャージし、吸気バルブを制御する制御システムと、
   を備える、単発ピストン燃料ポンプ。
2. 前記ポンプ室は、前記プランジャがノーズのダウンスロープに沿って駆動する際に部分的にチャージされ、前記プランジャがノーズのアップスロープに沿って駆動し、部分チャージされた燃料に燃圧を与えるまでは、部分的にチャージした状態を維持する、請求項１に記載の単一ピストン燃料ポンプ。
3. 前記ポンプ室は、プランジャがノーズのアップスロープに沿って駆動する際、ポンプ室が部分的にチャージされ、プランジャはノーズのアップスロープにおいて部分的にチャージされた燃料に燃圧を与える、請求項１に記載の単一ピストン燃料ポンプ。
4. 燃料ハウジングと、前記燃料ハウジングに形成され入口流路に燃料を供給する燃料供給部と、
   吸気バルブアセンブリを通じて前記入口流路から燃料を受け取り、燃料を加圧し、加圧された燃料を放出する、ポンプ室及び関連するポンプ機構と、
   排出バルブを通じて放出流路と流体連結した、ハウジング部の外部接続部と、を有し、
   前記吸気バルブアセンブリは、電磁コイルに直接、磁気的に結合した弁体を含み、前記電磁コイルは選択的に励起されて前記吸気弁体に磁束を生成し、前記吸気弁体に磁力を与え前記入口流路の密封面を選択的に開閉する、吸気弁体と、磁場を変更してポンププランジャが部分的にチャージされた燃料に燃圧を加える前に部分的に前記ポンプ室をチャージする制御システムと、を備える、燃料ポンプ。
5. 前記弁体は、前記入口流路の前記密封面に対向する密封表面を有し、前記密封表面に磁場が与えられる、請求項４に記載の燃料ポンプ。
6. 前記吸気バルブアセンブリは前記コイルに対して軸状に配置された磁極を含み、
   前記密封面は前記磁極の一端に配置され、
   前記弁体に対し、前記密封面を通じて前記磁場が与えられる、請求項４に記載の燃料ポンプ。
7. 前記吸気バルブアセンブリは前記コイルに対して軸状に配置され前記コイルから突出した端部を有する磁極を含み、
   前記入口流路の一部は前記磁極の前記突出部を通過し、前記突出部の一端で開口する中心ボアに移動し、
   前記密封表面は前記中心ボアの前記開口の周辺で一体的に形成され、
   前記吸気弁体は、前記密封表面に対向し前記吸気弁体を横断する磁束を与える縁部の周辺に位置する密封面を有する平板であり、前記吸気弁体が開いているときに弁アセンブリの流れの一部を構成する切欠部を有する、請求項４に記載の燃料ポンプ。
8. 高圧燃料供給ポンプのチャージフェーズにおいて、流入バルブアセンブリを通じて燃料供給を制御する方法であって、前記ポンプは、
   ポンプ室で相反的に駆動するカム被動ポンププランジャと、
   バルブアセンブリのインレット流路及びバルブアセンブリのアウトレット流路と、
   前記インレット流路及び前記アウトレット流路の中間に配置されて流体連結する、磁気を放出する吸気弁体と、
   前記吸気弁体に対向する磁極と、
   前記磁極及び前記吸気弁体を電磁結合して磁束を生成する、選択的に励起される電磁コイルと、を備え、
   前記吸気弁体は、電磁コイルの励起に応答し、前記インレット流路及び前記アウトレット流路の流体連結を開閉し、
   前記燃料供給を制御する方法は、ポンププランジャがカムノーズに沿って被動する際、前記ポンププランジャが部分チャージされた燃料に燃圧を与える前に、ポンプ室を部分的にチャージするために磁束を制御する工程を含む、燃料供給を制御する方法。
9. 前記ポンプ室は、前記ポンププランジャがノーズのダウンスロープに沿って駆動する際に部分的にチャージされ、前記ポンププランジャがノーズのアップスロープに沿って駆動し、部分チャージされた燃料に燃圧を与えるまでは、部分的にチャージされた状態を維持する、請求項８に記載の燃料供給を制御する方法。
10. 前記ポンプ室は、前記ポンププランジャがノーズのアップスロープに沿って駆動する際に部分的にチャージされ、前記ポンププランジャはノーズのアップスロープにおいて部分的にチャージされた燃料に燃圧を与える、請求項８に記載の燃料供給を制御する方法。
11. 高圧燃料供給ポンプのチャージフェーズにおいて、流入バルブアセンブリを通じて燃料供給を制御する方法であって、前記ポンプは、
    ポンプ室で相反的に駆動するカム被動ポンププランジャと、
    バルブアセンブリのインレット流路及びバルブアセンブリのアウトレット流路と、
    前記インレット流路及び前記アウトレット流路の中間に配置されて流体連結する吸気弁体と、
    前記吸気弁体に直接的に電磁結合する、アーマチュアを有する選択的に励起される電磁コイルと、を備え、
    前記吸気弁体は、電磁コイルの励起に応答し、前記インレット流路及び前記アウトレット流路の流体連結を開閉し、
    前記燃料供給を制御する方法は、ポンププランジャがカムノーズに沿って被動する際、ポンププランジャが部分チャージされた燃料に燃圧を与える前に、ポンプ室を部分的にチャージするために磁束を制御する工程を含む、燃料供給を制御する方法。