JP3686452B2 - 電磁調整可能バルブを備えた燃料噴射器 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般に燃料噴射システムに関し、特に燃料噴射器用電磁調整可能制御バルブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料噴射システムにおいて、燃料噴射器は、機械的に、油圧で、または電気的に作動される。油圧作動型システムにおいて、燃料を周期的にエンジンシリンダに噴射するポンプ組立体は、電子制御バルブによりポンプ組立体に選択的に連通される加圧作動流体により油圧で駆動される。油圧作動型電子制御燃料噴射システムの一つの例は、アウスマン(Ausman)等による米国特許第 5,121,730号に開示されている。
機械作動型システムにおいて、ポンプ組立体は、エンジンにより駆動されるカムに機械的に結合され、ポンプ組立体はカムの回転と同期して作動される。噴射の正確なタイミング及び時間は、ポンプ組立体に関連する電子制御バルブにより決定される。代表的には、電子制御バルブはソレノイドバルブである。
そのような燃料噴射システムを備える多気筒エンジンにおいて、エンジン性能およびエミッションを最適化するにあたり、各々のエンジンシリンダに対する燃料噴射特性が同一であることが重要である。燃料噴射特性は、燃料噴射が開始した時の噴射時間および燃料噴射量を含む。
【０００３】
従来において、シリンダ間の燃料噴射特性の均一性が、エンジン製造時の各々の燃料噴射器に関連するソレノイドバルブの応答を調整することによって達成されてきた。そのようなソレノイドバルブは、アーマチャ、磁極部材およびアーマチャを磁極部材から離れる方向にバイアスするスプリングを備える。そのようなバルブが励磁される時、アーマチャが磁極部材に向かって動かされる前に、スプリングのプレロード力が打ち消されなければならない。スプリングのプレロードは一つもしくはそれ以上の比較的薄いインサート即ちシムを有するスプリングの初期圧縮を変化することにより達成されるが、バルブの応答は、そのスプリングのプレロードを変化することにより調整されてきた。
例えば、スプリングの初期圧縮を増加するために比較的厚いシムを使用する時には、打ち消すべきスプリング力が大きくなるために、ソレノイドバルブの動作時間が長くなる。スプリングの初期圧縮を減少するために比較的薄いシムを使用する時には、打ち消されるべきスプリング力が小さいために、ソレノイドバルブの動作時間は短くなる。
シムを加えたり、除去したり、変えたりすることによってソレノイドバルブを調整することは、退屈で、時間の浪費である。エンジンの各々の燃料噴射器に対して、そのような手続は、噴射器の組立て、噴射器のテスト、シムを加えもしくは除去するための噴射器の分解、噴射器の再組立て、噴射器のテスト等を必要とする。燃料噴射器を分解し且つ再組立てしてシムを変えるのに必要とされる時間および労力のために、燃料噴射器の調整は、最適ではなく、最低限の性能閾値を得る程度にしかならない。
【０００４】
【発明の概要】
本発明は、電気的に励磁可能な巻線のような電磁装置、電気的に励磁可能な巻線に関連する第一磁極部材および第一磁極部材に対して直線方向に移動可能なアーマチャを備える燃料噴射器用電子制御バルブに使用されるソレノイドアクチュエータを提供することを目的とする。アーマチャは、巻線が電気的に励磁されない時は第一磁極部材に関する第一位置を占め、巻線が電気的に励磁される時は第一磁極部材に関する第二位置を占める。
アクチュエータは第一磁極部材に関して直線方向に移動可能な第二磁極部材を有し、第一および第二磁極部材との間で幅が変化するエアギャップを形成し、ソレノイドアクチュエータの磁気特性を変化して、アクチュエータの応答を変化する。
第二磁極部材は、第一磁極部材に対して第一磁極部材から離れた位置に移動可能であり、バイアス手段が、第一および第二磁極部材の相対位置を維持するために提供される。バイアス手段は、第二磁極部材を第一磁極部材の方向に動かすスプリングおよび第二磁極部材に接触して配置されるねじのような調整可能な停止手段として形成することができる。
【０００５】
ソレノイドアクチュエータは、燃料噴射器本体、該燃料噴射器本体に形成される燃料入口、該燃料噴射器本体内に配置され燃料入口から燃料を供給されるポンプ手段および該燃料噴射器本体内に配置されポンプ手段から燃料を提供されるノズルバルブを有する燃料噴射器における電子制御バルブの一部として提供されてもよい。ノズルバルブは、ポンプ手段により提供された燃料が閾値燃料圧以上である時は開位置を占め、ポンプ手段により提供された燃料が閾値燃料圧以下である時は閉位置を占めることができる。
電子制御バルブは、ポンプ手段と流体連結され、ポンプ手段における燃料が閾値燃料圧まで加圧されることができる第一位置と、ポンプ手段における燃料が閾値圧まで加圧されることを妨げることができる第二位置とを有する。
本発明によるソレノイドアクチュエータの調整は、アクチュエータの組立ておよび分解を繰り返す必要がなく、アクチュエータが組み立てられた後はアクチュエータを分解せずに作動できる。
【０００６】
【実施例】
図１において、機械作動型電子制御方式のユニット噴射器型燃料噴射システム(“MEUI")１０の一つの例が示される。燃料噴射システム１０は、多数のエンジンピストン１２を有するディーゼルサイクル直接噴射内燃機関に使用され、ピストンの一つが、エンジンクランク１４に取り付けられ、エンジンシリンダ１６内において往復運動可能に配置された状態で示される。
点線２２で概略的に示される燃料噴射器本体、ポンプ組立体２４、制御バルブ２６、ノズルバルブ２８およびノズルチップ３０を備える燃料噴射器２０によって、燃料はシリンダ１６に噴射される。加圧流体は、燃料通路即ちライン３４に流体連結された燃料入口３２を通じて、ポンプ組立体２４に供給され、ライン３４は燃料タンク即ちリザーバ３６に流体連結されている。一対の燃料フィルター４０および４２が、燃料ライン３４中に設けられ、燃料は移送ポンプ４４によって、410kPa(60psi) ほどの比較的低圧に加圧される。
燃料通路３４を介してポンプ組立体２４に供給される比較的低圧な燃料は、ロッカーアーム５２を介してエンジンカム５０に機械的に連結されるプランジャ４８によって、210,000kPa(30,000psi) ほどの比較的高い噴射圧に周期的に加圧される。ノズルバルブ２８は、燃料通路５６を介してポンプ組立体２４に流体連結され、燃料通路５８を介してノズルチップ３０に流体連結される。ノズルバルブ２８は、ポンプ組立体２４により提供される燃料が34,200kPa(5,000psi) ほどの比較的高い閾値圧に達する時に開き、燃料圧が閾値圧より低い時に閉じるチェックバルブのように動作する。
【０００７】
ポンプ組立体２４により与えられる燃料圧は、制御バルブ２６により制御され、制御バルブ２６は、燃料通路６０を介してポンプ組立体２４に流体連結される。制御バルブ２６が図１に示す開位置にある時は、燃料は、通路６０を介して、ポンプ組立体を出て、燃料噴射器本体２２内に形成される燃料排出口６２を通り、燃料通路すなわちライン６４を通って燃料リザーバ３６に流出して、ポンプ組立体２４内の燃料がプランジャ４８により噴射圧に加圧されるのを妨げる。制御バルブ２６が閉じられている時、燃料は燃料通路６０を介してポンプ組立体２４を出ることができず、燃料はプランジャ４８により加圧されることができる。
制御バルブ２６の開閉は、電気的ライン７２により連結されるエンジン制御モジュール（ＥＣＭ）７０によって制御される。エンジン制御モジュール７０は、カム５０の位置を検知し且つエンジン制御モジュール７０に連結されたライン７６上にカム位置信号を生成するカム位置センサー７４に連結される。カム位置信号に応答して、エンジン制御モジュール７０は、ライン７２上に電力を生成し、周期的にソレノイド作動型である制御バルブ２６を開閉して、燃料を周期的にシリンダ１６に噴射させる。
【０００８】
燃料噴射システム１０の動作は、以下に示すように一つの噴射サイクルと関連する。燃料噴射を開始するために、図１に示されるように、制御バルブ２６は、その開位置からその閉位置に動かされ、燃料通路６０を介して燃料がポンプ組立体２４から出るのを妨げる。制御バルブ２６が閉じられた後、ロッカーアーム５２はプランジャ４８を下方に移動させ、ポンプ組立体２４内の燃料圧およびノズルバルブ２８に与えられる燃料圧を上げる。ノズルバルブ２８内の燃料圧が比較的高い閾値圧に到達すると、ノズルバルブ２８が開き、燃料がノズル３０からシリンダ１６に噴射される。
燃料噴射が終了される時、制御バルブ２６がその閉位置からその開位置に移動される。結果として、加圧流体が燃料通路６０、６２を通ってポンプ組立体２４を出て、ポンプ組立体２４内およびノズルバルブ２８内の燃料圧を減少させる。ノズルバルブ２８内の燃料圧が閾値圧以下になる時、ノズルバルブ２８は閉じ、シリンダ１６内部への燃料噴射を終了させる。
図２において、制御バルブ２６を作動するソレノイドアクチュエータ１００の断面図が示される。アクチュエータ１００は、環状の凹み１０４が形成されたほぼ円柱状の磁極部材１０２を備える。励磁巻線すなわちワイヤーコイル１０６のような電磁装置は、凹み１０４内に配置される。ほぼ平らで円柱状のアーマチャ１０８は、磁極部材１０２の底面１２０から離れた位置に示される。アーマチャ１０８は、ボルトのような（図示せず）通常の手段によって連結することが可能なロッド即ちバルブステム１２２により支持される。バルブステム１２２には、環状の拡張部すなわちディスク１２４が複合して形成される。ほぼ円柱状のハウジング部材１２６は、バルブステム１２２が通るボア１２８を有する。ハウジング部材１２６は、バルブステム１２２、ディスク１２４、及びハウジング部材１２６の低面１３２とディスク１２４の上面１３４の間に配置され、且つアーマチャ１０８を磁極部材１０２の低面１２０からバイアスをかけるスプリング１３０を取り囲む。
【０００９】
ハウジング１４０は磁極部材１０２上に配置され、第二磁極部材１４２はハウジング内に配置される。第二磁極部材１４２は、第二磁極部材１４２の上部に形成された円柱状のボア１４６に設けられたスプリング１４４を介して下向きにバイアスされる。ワイヤーコイル１０６の上の磁極部材１０２の垂直方向の寸法は、電流がワイヤーコイル１０６に与えられる時、コイル１０６の上の磁極部材１０２の中央水平領域が磁気的に飽和されるように選定することが好ましい。
第二磁極部材１４２は、傾斜面１４８が形成されたＶ形状スロットを有する。調整ねじ１５０がハウジング１４０の円柱状ボア１５２内に設けられる。調整ねじ１５０は、非磁性材料で構成される内側ハウジング部材にねじ込まれる。調整ねじ１５０の端は、第二磁極部材１４２の傾斜面１４８と接触し、スプリング１４４と調整ねじ１５０の組合せが、第一磁極部材１０２に関する固定位置において第二磁極部材を固定し保持する。図２に示されるように、第二磁極部材１４２は第一磁極部材１０２から離され、二つの装置の間にエアギャップ１５８を形成する。エアギャップ１５８の中央部は平らな形状であり、エアギャップ１５８の周囲部は截頭円錐形状である。
【００１０】
一対の電気接触部材１６０、１６２は、ワイヤーコイル１０６に電気的に接続されており（図示せず）、ハウジング１４０の上部に配置される。電気接触部材１６０、１６２は、図１に示されるライン７２を介してコイル１０６の電気的励磁を容易にする。磁極部材１０２、１４２およびアーマチャ１０８は、好適にはシリコン鉄により形成される。
図２のソレノイドアクチュエータ１００は制御バルブ２６に組み込まれ、磁極部材１０２およびハウジング１２６は、互いに固定されており、アーマチャ１０８およびバルブステム１２２は垂直方向上下に往復運動する。ポペットのようなバルブ素子は、制御バルブ１２６においてバルブステム１２２の端と連結し、ポペットは制御バルブ１２６においてバルブシートに関連して移動可能であり、制御バルブ１２６はステム１２２の往復により開閉される。制御バルブ１２６のバルブ素子およびバルブシートは、本発明には重要なものではないと考えられる。動作中において、ソレノイドアクチュエータ１００は、二つの状態すなわち位置を有しており、第一の作動位置においては、アーマチャ１０８が比較的小さい距離だけ磁極部材１２０の下面から離され、第二の非作動位置においては、アーマチャ１０８が比較的大きい距離だけ磁極部材１２０の下面から離される。
【００１１】
ソレノイド１００を作動するために、ワイヤーコイル１０６は、電流を流すことによって励磁され、磁極部材１０２に向かってアーマチャを引きつける。この引きつけ力がバイアススプリング１３０のプレロード力を打ち消す時、アーマチャ１０８は磁極部材１０２の下面１２０に向かって上方に移動し、制御バルブ２６を例えば開位置から閉位置へ変更する。
ソレノイド１００の作動を停止するよう、ワイヤーコイル１０６で予め生成された電流が消失されると、その結果アーマチャ１０８はバイアススプリング１３０により低面１２０から動かされ、例えば制御バルブ１２６を閉位置から開位置に変更する。
磁極部材１０２の上方に第二磁極部材１４２を設け、調整可能なエアギャップ１５８を生成することにより、ワイヤーコイル１０６が励磁される時、アーマチャ１０８上に生成された引きつけ磁力の大きさを調整できるという利点が得られる。エアギャップ１５８の幅が増加される時、少ない磁束が第二磁極部材１４２で生成され、その結果磁極部材１０２とアーマチャ１０８の間の引きつけ力が減少することになる。同様に、エアギャップ１５８の幅が減少する時、第二磁極部材１４２で生成される磁束が増加し、磁極部材１０２とアーマチャ１０８の間の引きつけ力が増加することとなる。
【００１２】
アクチュエータ１００の作動速度すなわち応答時間、またバルブ２６の閉じ（又は開き）速度は、ソレノイドアクチュエータ１００により生成された力の大きさに依存し、その力の大きさは磁極部材１０２と第二磁極部材１４２の間の相対距離に依存することに気付かれたい。
先ず、燃料噴射器２０がエンジンに取り付けられる前に、燃料噴射器２０の制御バルブの応答が、調整ねじ１５０を動かすことにより調整され、磁極部材１０２、１４２の相対位置を調整して、アクチュエータ１００により生成される磁力を調整する。調整ねじ１５０がいかなる量でも動かすことができるために、磁力が連続して調整可能であると認められる。エンジンに取り付けられるべき各噴射器２０の制御バルブ２６は調整され、その応答が他の燃料噴射器２０の制御バルブ２６と同一であるならば、エンジンの最適な性能を達成する。各噴射器２０が調整された後に、ステーキングのような従来の手段によって調整ねじ１５０は固定され、エンジンが動作している間中、同一の位置に固定されたままである。
【００１３】
【発明の効果】
燃料噴射システム１０は、特にディーゼルサイクル直接噴射内燃機関の使用に適しているが、該燃料噴射システム１０は、どのような形式のディーゼルエンジン、火花点火エンジン、その他いかなるタイプのエンジンでも、燃料を点火チャンバーに噴射することが必要であるかまたは望ましいタイプのものであれば使用することができる。
本発明の多くの変更および別の実施例は、上述の記載から当業者にとって明白である。従って、本記載は単に説明のためのものであると解釈されるべきであり、当業者に本発明を実施する最高の形態を教唆することを目的とする。本構成の詳細は、実質的に本発明の精神から逸脱することなく変更することができ、特許請求の範囲内に含まれる全ての変更を排他的に使用することも予定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】電子制御バルブを備える燃料噴射器を有する機械作動型電子制御ユニット燃料噴射システムを示す。
【図２】図１に示される電子制御バルブ用ソレノイドアクチュエータの部分断面図を示す。

Claims (19)

1. 燃料噴射器用電子制御バルブに使用するソレノイドアクチュエータであって、
   電気的励磁可能な電磁装置と、
   前記電気的励磁可能な電磁装置に組み合わされた第一磁極部材と、
   前記電磁装置が電気的に励磁されてない時に第一磁極部材に関する第一位置を占め、前記電磁装置が電気的に励磁されている時に第一磁極部材に関する第二位置を占める、前記第一磁極部材に対して直線方向に移動可能なアーマチャと、
   前記第一磁極部材に組み合わされた第二磁極部材と、
   を備え、
   前記第二磁極部材が前記直線方向に移動可能であって、前記第一および第二磁極部材との間で幅の変化するエアギャップを形成し、前記第二磁極部材が前記第一磁極部材から離れて位置する相対的位置を前記第一および第二磁極部材が占めており、
   前記第一および第二磁極部材の前記相対位置を維持するバイアス手段が設けられたことを特徴とするソレノイドアクチュエータ。
2. 前記バイアス手段が、
   前記第二磁極部材を前記第一磁極部材に向かって動かすスプリングと、
   前記第二磁極部材と接触して配置される調整可能な停止手段とを有することを特徴とする請求項１に記載のソレノイドアクチュエータ。
3. 前記調整可能な停止手段がねじを含むことを特徴とする請求項２に記載のソレノイドアクチュエータ。
4. 前記第二磁極部材が傾斜面を有し、前記スプリングが前記ねじに向かって前記傾斜面を押すことを特徴とする請求項３に記載のソレノイドアクチュエータ。
5. 前記アーマチャを前記第一磁極部材から離れる方向にバイアスするスプリング手段を更に有することを特徴とする請求項１に記載のソレノイドアクチュエータ。
6. 前記バイアス手段が連続して調整可能であることを特徴とする請求項１に記載のソレノイドアクチュエータ。
7. 電子制御燃料噴射器であって、
   燃料噴射器本体と、
   前記燃料噴射器本体に配置されたノズルと、
   前記ノズルにより燃料を周期的に噴射させる噴射手段と、
   燃料を前記ノズルにより噴射させる第一位置と、前記ノズルによる燃料の噴射を妨げる第二位置を有して、前記燃料噴射器本体に配置され、前記噴射手段に作用的に結合される電子制御バルブとを有しており、
   前記制御バルブが、
   電気的励磁可能な電磁装置と、
   前記電気的励磁可能な電磁装置に組み合わされた第一磁極部材と、
   前記電磁装置が電気的に励磁されてない時に第一磁極部材に関する第一位置を占め、前記電磁装置が電気的に励磁されている時に第一磁極部材に関する第二位置を占める、前記第一磁極部材に対して直線方向に移動可能なアーマチャと、
   前記第一磁極部材に組み合わされた第二磁極部材と、
   を備え、
   前記第二磁極部材が前記直線方向に移動可能であって、前記第一および第二磁極部材との間で幅の変化するエアギャップを形成し、前記第二磁極部材が前記第一磁極部材から離れて位置する相対的位置を前記第一および第二磁極部材が占めており、
   前記第一および第二磁極部材の前記相対位置を維持するバイアス手段が設けられたことを特徴とする電子制御燃料噴射器。
8. 前記バイアス手段が、
   前記第二磁極部材を前記第一磁極部材に向かって動かすスプリングと、
   前記第二磁極部材と接触して配置される調整可能な停止手段とを有することを特徴とする請求項７に記載の燃料噴射器。
9. 前記調整可能な停止手段がねじを含むことを特徴とする請求項８に記載の燃料噴射器。
10. 前記第二磁極部材が傾斜面を有し、前記スプリングが前記ねじに向かって前記傾斜面を押すことを特徴とする請求項９に記載の燃料噴射器。
11. 前記アーマチャを前記第一磁極部材から離れる方向にバイアスするスプリング手段を更に有することを特徴とする請求項７に記載の燃料噴射器。
12. 前記噴射手段が、ノズルバルブと流体連結するポンプ手段を有することを特徴とする請求項７に記載の燃料噴射器。
13. 前記バイアス手段が連続して調整可能であることを特徴とする請求項７に記載の燃料噴射器。
14. 電子制御燃料噴射器が、
    燃料噴射器本体と、
    前記燃料噴射器本体に形成された燃料入口と、
    前記燃料噴射器本体内に配置され、前記燃料入口から燃料を提供するポンプ手段と、
    前記燃料噴射器本体内に配置され、前記ポンプ手段から燃料を提供され、また前記ポンプ手段により提供された前記燃料が閾値燃料圧以上である時は開位置を占め、前記ポンプ手段により提供された前記燃料が閾値燃料圧以下である時は閉位置を占めるノズルバルブと、
    前記燃料噴射器本体に配置され、前記ポンプ手段に流体連結され、また前記ポンプ手段内の燃料が前記閾値燃料圧に加圧される第一位置と前記ポンプ手段内の燃料が前記閾値圧に加圧されるのを妨げる第二位置とを有する電子制御バルブとを有し、
    前記制御バルブが、
    電気的励磁可能な電磁装置と、
    前記電気的励磁可能な電磁装置に組み合わされた第一磁極部材と、
    前記電磁装置が電気的に励磁されてない時に第一磁極部材に関する第一位置を占め、前記電磁装置が電気的に励磁されている時に第一磁極部材に関する第二位置を占める、前記第一磁極部材に対して直線方向に移動可能なアーマチャと、
    前記第一磁極部材に組み合わされた第二磁極部材と、
    を備え、
    前記第二磁極部材が前記直線方向に移動可能であって、前記第一および第二磁極部材との間で幅の変化するエアギャップを形成し、前記第二磁極部材が前記第一磁極部材から離れて位置する相対的位置を前記第一および第二磁極部材が占めており、
    前記第一および第二磁極部材の前記相対位置を維持するバイアス手段が設けられたことを特徴とする電子制御燃料噴射器。
15. 前記バイアス手段が、
    前記第二磁極部材を前記第一磁極部材に向かって動かすスプリングと、
    前記第二磁極部材と接触して配置される調整可能な停止手段とを有することを特徴とする請求項１４に記載の燃料噴射器。
16. 前記調整可能な停止手段がねじを含むことを特徴とする請求項１５に記載の燃料噴射器。
17. 前記第二磁極部材が傾斜面を有し、前記スプリングが前記ねじに向かって前記傾斜面を押すことを特徴とする請求項１６に記載の燃料噴射器。
18. 前記アーマチャを前記第一磁極部材から離れる方向にバイアスするスプリング手段を更に有することを特徴とする請求項１４に記載の燃料噴射器。
19. 前記バイアス手段が連続的に調整可能であることを特徴とする請求項１４に記載の燃料噴射器。

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