JP3707841B2 - バネ付勢された制御バルブを伴う燃料噴射器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般に、燃料噴射装置に関する。より詳細には、燃料噴射器に適応されるバネ付勢された制御バルブに関する。
【０００２】
【従来技術】
従来の燃料噴射システムでは、燃料噴射器は機械的、油圧的、又は電気的に作動させることができる。油圧式作動システムでは、エンジンシリンダに燃料を周期的に噴射させるポンプ組み立て体が、電子制御バルブによってポンプ組み立て体に選択的に通される加圧作動流体によって油圧的に駆動される。油圧式作動電子制御燃料噴射システムの一例が、米国特許第5,121,730 号で開示される。
機械作動システムでは、ポンプ組み立て体はエンジンによって駆動するカムと機械的に結合され、該ポンプ組み立て体がカムの回転と同時に作動する。噴射の正確な時期と持続時間が、ポンプ組み立て体に使用される電子制御バルブにより決定される。一般に、電子制御バルブはソレノイドバルブである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そのような燃料噴射システムに使用されるエンジンでは、エンジンによって生じる微粒子排出物と酸化窒素（ＮＯX ）排出物のような有害排出物は、エンジン経年として一年又は二年以上のような比較的に長い期間にわたって変化する。エンジンの許容有害排出物量を制限する比較的厳格な政府規格があるので、有害排出物が長い期間にわたって変化するという事実は不利になる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エンジン内で燃料噴射の時期を変化することによってエンジンで発生される有害排出物の変化を自動的に補償する燃料噴射器組み立て体とそのような組み立て体に対する制御バルブとに向けられる。結果として、長い期間にわたって、エンジンで発生される有害排出物は全体として変化しない、或いは僅かな度合いで変化する。
本発明に従って、開始時期と停止時期を有する燃料噴射サイクルの間に燃料を噴射させる燃料噴射器組み立て体が、燃料噴射器ノズルと、燃料ポンプと、燃料ポンプに使用される燃料入口とを備える。燃料ポンプは燃料を周期的に燃料入口から燃料噴射器ノズルを通して送る。
燃料噴射器組み立て体が、燃料噴射サイクルの開始時期と停止時期を制御するために燃料ポンプに使用される制御バルブを備える。制御バルブは、バルブボディとバルブボディ内の凹部に配置された電機子とを備える。電機子は、第一側部と、これに対向する第二側部とを有し、第一位置と第二位置との間を凹部内で往復運動する。第一バネは電機子の第一側部に配置され、第一長期バネ特性に応じて電機子に第一スプリング力を加え、第二バネは電機子の第二側部に配置され、燃料噴射サイクルの開始時期が時間とともに変化するように第一長期バネ特性と異なる第二長期バネ特性に応じて電機子に第二スプリング力を加える。
【０００５】
制御バルブは又、電機子の一方に隣接して配置され、電磁装置が電圧をかけられる時に第一位置と第二位置のうちの一つを電機子にとらせる電磁装置と、電機子に固定して結合され、バルブボディ内で往復運動をするように配置されたバルブ部材とを備える。電機子が第一位置にある時、バルブ部材は流体が制御バルブを通して流れ得るようにし、電機子が第二位置にある時、流体が制御バルブを通して流れることを阻止する。
【０００６】
【実施例】
機械作動電子制御ユニット噴射器（”ＭＥＵＩ“）燃料システム１０の一実施例を図１に示す。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内燃エンジンに適応されるものであり、該ピストン１２の一つをエンジンシリンダ１６内で往復運動をするようにエンジンクランクシャフト１４に取り付けた状態で図に示す。
点線２２とポンプ組み立て体２４と制御バルブ２６とノズルバルブ２８とノズル３０とによって概略的に示された燃料噴射器ボディを有する燃料噴射器２０によって、燃料がシリンダ１６に噴射される。加圧された燃料が、燃料通路すなわち燃料ライン３４と流体連通する燃料入口３２を通してポンプ組み立て体２４に供給され、燃料ライン３４は燃料タンクすなわちリザーバ３６に流体連通する。一組の燃料フィルタ４０、４２が燃料ライン３４に備えられ、燃料は補給ポンプ４４によって410 kPa(60psi)のような比較的低い圧力まで加圧される。
燃料通路３４を通してポンプ組み立て体２４に供給される燃料は、ポンプ組み立て体２４内で、ロッカーアーム５２を通してエンジンカム５０に機械的に接続されるプランジャ４８によって比較的低い圧力から210,000kPa(30,000psi) のような比較的高い噴射圧力まで周期的に加圧される。ノズルバルブ２８は、燃料導管５６を通してポンプ組み立て体２４に流体連通し、燃料通路５８を通してノズル３０に流体連通する。ノズルバルブ２８は、ポンプ組み立て体２４によって供給される燃料が34,200kPa(5,000psi) のような比較的高い限界噴射圧力に到達する時に開き、燃料圧力が限界圧力以下に下がる時に閉じるようなチェックバルブとして作動する。
【０００７】
ポンプ組み立て体２４によって与えられる燃料の加圧は制御バルブ２６によって制御され、この制御バルブ２６は燃料ライン６０を通してポンプ組み立て体２４に流体連通する。制御バルブ２６が図１に示す開位置にある時、ポンプ組み立て体２４を出た燃料は、燃料ライン６０から燃料噴射器ボディ２２内に形成された燃料出口６２を通り、燃料通路すなわち燃料ライン６４を経て、燃料リザーバ３６に流れ、ポンプ組み立て体２４内の燃料がプランジャ４８によって噴射圧力まで加圧されないようにする。制御バルブ２６が閉位置にある時、燃料は燃料ライン６０を通してポンプ組み立て体２４を出ることはできず、燃料はプランジャ４８によって加圧される。
制御バルブ２６の開閉が、電気ライン７２を介して接続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はカム位置センサ７４に接続されており、このカム位置センサ７４は、カム５０の位置を感知して、エンジン制御モジュール７０に接続したライン７６を介してカム位置信号を発生する。カム位置信号に応じて、周期的に制御バルブ２６を開閉するようにエンジン制御モジュール７０がライン７２に電力を発生する。制御バルブ２６はソレノイド作動され、燃料を周期的にシリンダ１６に噴射する。
【０００８】
燃料噴射システム１０の作動が１噴射サイクルと関連して以下に述べられる。燃料噴射が始まると、図１に示すように、制御バルブ２６が開位置から閉位置に移動され、燃料が燃料ライン６０を通してポンプ組み立て体２４を出ないようにする。制御バルブ２６が閉鎖された後、ロッカーアーム５２はプランジャ４８を下方に駆動し、ポンプ組み立て体２４内の燃料の圧力とノズルバルブ２８に供給される燃料の圧力とを増加する。ノズルバルブ２８内の燃料圧力が比較的高い限界噴射圧力に到達する時、ノズルバルブ２８が開き、燃料がノズル３０を通してシリンダ１６に噴射される。
燃料噴射が終わる時、制御バルブ２６は閉位置から開位置に移動する。結果として、加圧された燃料が燃料通路６０と出口６２を通ってポンプ組み立て体２４を出て、ポンプ組み立て体２４内の燃料圧力とノズルバルブ２８内の燃料圧力が減少する。ノズルバルブ２８内の燃料圧力が限界噴射圧力以下に下がり、ノズルバルブ２８が閉じる時、シリンダ１６への燃料噴射が停止する。
図１に概略的に示した制御バルブ２６の実施例の断面を図２に示す。制御バルブ２６は、ほぼ円筒形のバルブボディ上端部分１０２とバルブボディ内側部分１０４とバルブボディ中間部分１０６とを含む多数のバルブボディ部分からなるバルブボディを有する。スペーサ部材１０８がバルブボディ内側部分１０４とバルブボディ中間部分１０６との間に配置される。バルブボディ部分１０２、１０４、１０６とスペーサ部材１０８は、１つ又は２つ以上のボルト１１０のようなどんな従来手段によって固定されてもよい。ワイヤコイル１１２の形の電圧をかけることができる電磁装置が、バルブボディ中間部分１０６内に形成される環状凹部内に配置される。１つ又は２つ以上の部材１１６を通してワイヤコイルに接続される一組の電気コネクタ１１４を通して、ワイヤコイル１１２が選択的に電圧をかけられてもよい。
【０００９】
全体的に平坦な、円筒形電機子１１８がバルブボディの内部に形成されるスペースに配置される。電機子１１８は、ほぼ円筒形のバルブ部材１２０の上部端とバネ座下方部材１２２との間に固定される。バネ１２４の底部端がバネ座下方部材１２２の上部表面に形成される環状溝内に配置され、バネ１２４の上端がバネ座上方部材１２６の内部円筒形キャビティに配置される。
下端がバネ座上方部材１２６の上部表面に接触できるように、トリムねじ１２８がバルブボディ部分１０２、１０４に通される。バルブボディ部分１０４内のバネ座上方部材１２６の垂直位置と、電機子１１８に加えるバネ１２４の力の量とは、トリムねじ１２８の回転によって調節できる。第二バネ１３０が、電機子１１８の下側に固定されるワッシャー１３１とバルブボディ部分１０６に形成される環状端との間に配置される。
電機子１１８に固定されたバルブ部材１２０が案内バレル１３２に形成された中央ボア内で垂直往復運動するように配置される。案内バレル１３２は底部に形成された平坦な円形凹部１３４を有する。流量案内部材１４０は直接的に案内バレル１３２の下に配置され、案内バレル１３２内に形成される中央ボアと共軸で配置される。流量案内部材１４０は、案内バレル１３２内に形成される平坦な円筒形凹部１３４に流体連通する第二斜めのボア１４４を有する。
【００１０】
ハウジング部材１５０は、案内バレル１３２と流量案内部材１４０とを囲む。ハウジング部材１５０、流量案内部材１４０、案内バレル１３２、バルブボディ部分１０２、１０６がともにバルブボディの残部を構成する。Ｏ型リング１５２はバルブボディ中間部分１０６とハウジング部材１５０との間に配置され、ハウジング部材１５０がスレッド１５４でバルブボディ中間部分１０６と一貫して接続される。心合わせピンすなわち心合わせねじ１５５が、ハウジング部分１５０に関する流量案内１４０の心のずれを阻止するために備えられてよい。
流量通路として作用する環状スペース１５６はハウジング部材１５０の内壁と案内バレル１３２と流量案内１４０の外壁との間に配置される。流量案内部材１４０は、垂直ボア１４２を環状流量通路１５６に流体連通する水平ボア１６０を有する。流体密封鋼リング１５８が流量案内部材１４０とハウジング部材１５０との間に配置される。
ハウジング部材１５０は、斜めのボア１４４と流体連通する燃料入口ラインすなわち燃料入口ボア６０を有し（図１に、概略的に示す）、燃料出口通路すなわち燃料出口ボア６４（図１に、概略的に示す）は環状流量通路１５６に流体連通する。
【００１１】
バルブ部材１２０の底部端が少し窪んだ凹部１６１を中央部分に有し、バルブ部材１２０の底部端の周囲に比較的鋭い環状突部すなわち「ナイフエッジ」の形状を生じる。環状突部は、垂直ボア１４２の周のまわりで、流量案内部材１４０の上部平坦面からなる平坦なバルブシートに、選択的に接触する。
バネ１２４、１３０のそれぞれが電機子１１８にスプリング力を加える。その２つの正味のスプリング力の総計が上向きのスプリング力であり、ワイヤコイル１１２の加圧がない場合には、制御バルブ２６が開口するように電機子１１８を上方位置に位置させる。
端部がバルブシートと密封接触するようにバルブ部材１２０が位置させられると（図２に示すように）、燃料ライン６０から燃料ライン６４への流れが塞がれ、燃料噴射が起こる。バルブ部材１２０がこの下方位置にある時、電機子１１８の下方表面はスペーサ部材１０８の上部表面から僅かに間隔をあけた位置にある（１インチの数千分の一のような）。コイル１１２が励磁され、バネ１２４、１３０によって生じる電機子１１８上の正味の上向きの力を越える時、バルブ部材１２０がこの下方位置をとる。
【００１２】
端部がバルブシートから離れるようにバルブ部材１２０が図２に示す下方の位置から上向きに動かされる時、傾めのボア１４４、円形凹部１３４、垂直ボア１４２、水平ボア１６０、環状凹部１５６を備える流量導管に沿って、燃料が燃料ライン６０から燃料通路６４に流れる。コイル１１２が消磁された時、バルブ部材１２０はこの上部位置をとる。
バネ１２４、１３０のそれぞれが異なる長期バネ特性を示すように、バネ１２４、１３０のそれぞれの材料が特別に選択される。ここで「長期バネ特性」は、作動耐用期間にわたってバネによって加えられるスプリング力を意味し、それは少なくとも１か月と定義された比較的長い期間である。
バネ特性の一例を図３に示す。図３に示すように、バネ特性の点Ｐ１で（バネが新しい時）、バネは初期スプリング力を生じる。バネによって生じるスプリング力は比較的に早急（バネの作動耐用期間の最初の数時間内で）に時間とともにスプリング力が低いＰ２まで減少し、次いで作動耐用期間の終わり（年単位で測定された）に近い点でのバネによって生じる力がさらに低い点Ｐ３まで、非常に緩やかに減少する。図３に示すバネ特性は例示的なものであるが、他のバネ特性もある。例えば、減少するどころか時間とともに増加するようなスプリング力を有するバネを製造することは可能である。
【００１３】
図４を参照すると、一つの型のエンジンを考える時、そのエンジンは有害排出物特質曲線を有し、２つの有害排気物、微粒子（ＰＰ）排出物と酸化窒素排出物（例えば、ＮＯ2 、ＮＯ3 など）は互いに反比例する。エンジンによって生じるＰＰ排出物の量が増加する時、酸化窒素（ＮＯX ）排出物の量は減少する。エンジンは、型式や設計によって、図４に示す型のそれ自身の独特な有害排出物特性を有し、その型のエンジンの耐用期間にわたってエンジンが生じる有害排出物は曲線上の一つの点で示されることになる。ある特定の型のエンジンについて言えば、その型のエンジンについての有害排出物特質曲線が、作動耐用期間にわたってエンジンを作動させ、有害排出物の量をその作動耐用期間の間の種々の点で周期的に測定することにより、経験的に求められる。
例えば、エンジンが新しい時、エンジンは有害排出物曲線上に作動点Ｐ４を有し、その場合に、その点によって示される微粒子排出物と酸化窒素（ＮＯX ）排出物の量がエンジンに生じる。エンジンの経年に伴い、有害排出物作動点が、新しい点Ｐ５（この説明の範囲を越えるために）まで緩やかに変化する。
環境規制がもっと厳しくなると、有害排出物に対する規則上の制限が満足されるように、特定の有害排出物作動点又は、有害排出物動作点の範囲内で作動するエンジンを有することが好ましく（又は必要である）なる。例えば、図４に示す曲線上の点Ｐ４で又は、その近傍で作動することが望ましい。点Ｐ４が最適有害排出物作動点であると、作動点での点Ｐ５への変化又は、ドリフトは好ましくない。
【００１４】
本発明者らは、有害排出物作動点がエンジン内の燃料噴射の時期を変えることによって変わることに気づいた。すなわち、例えば、エンジンの有害排出物作動点が燃料噴射が始まる時期を変化させることによって点Ｐ５から点Ｐ４に変化させること、特に、燃料噴射開始時期を通常より遅らせることによって変化させることが望ましい場合がある。
本発明者らは、燃料噴射が始まる時期が電機子１１８上の上向きの正味の力を変化させることによって変化できることにも気づいた。電機子１１８上の上向きの正味のバネ力が増加すると、燃料噴射を始めるためには、この大きな正味のバネ力に打ち勝って電機子１１８を下方に移動させ、バルブ２６を閉じなければならないので、燃料噴射の始まる時期が遅くなる。
有害排出物作動点内の好ましくないドリフトを補償するために、バネ１２４、１３０の各々は、電機子１１８上の上向きの正味の力がエンジンの作動耐用期間にわたって次第に変化し、有害排出物作動点のどんなドリフトも補償するように、異なる長期バネ特性を有するものを選択する。結果として、有害排出物作動点が全体として変化しないように、或いは有害排出物作動点が所定の作動範囲内にあるように、エンジンを設計することができる。
【００１５】
本発明によるバネ１２４、１３０の長期バネ特性の例示的な一組を図５に示す（バネ１２４、１３０の作動耐用期間での初期のバネ特性におけるどんな初期の比較的急速な変化も示さない。）。図５を参照すると、時間とともに僅かに上昇する第一長期バネ特性が線１７０によって示され、時間とともに次第に減少する第二長期バネ特性が点線１７２によって示される。
上方バネ１２４がバネ特性１７２を有し、下方バネ１３０がバネ特性１７０を有すると、電機子１１８上の上向きの正味の力は時間とともに次第に増加し、従って、燃料噴射が始まる開始時期が他の場合より次第に遅くなる。結果として、エンジンの有害排出物作動点（そうでなければ、図４の曲線上の点Ｐ４から点Ｐ５の方向に長い期間にわたって緩やかに移動する）は全体として変化しないか、或いは所定の作動点の範囲内にとどまる。
上方バネ１２４がバネ特性１７０を有し、下方バネ１３０がバネ特性１７２を有すると、電機子１１８上の上向きの正味の力が時間とともに次第に増加し、従って、燃料噴射が始まる開始時期が他の場合より次第に遅くなる。結果として、エンジンの有害排出物作動点（そうでなければ、図４の曲線上の点Ｐ５から点Ｐ４の方向に長い期間にわたって次第に移動する）は全体として変化しないか、或いは所定の作動点の範囲内にとどまる。バネ１２４、１３０に対する長期特性の他の種々の組み合わせを、所望の結果に到達するために使用することができる。ただ一つ必要なのは、２つのバネ１２４、１３０に対する長期バネ特性が互いに異なることである。
【００１６】
全体として不変の長期バネ特性を伴うバネを形成するために使用されるバネ材料の一例はクロムシリコンであり、それはバネを十分に圧縮してバネが十分に圧縮される１時間の間 204°C( 400°F)の温度に曝すことによってヒートセットされ、210,000kPa(30,000psi) の作動応力で使用される。
図５の点線１７２によって表されるような減少する長期バネ特性を伴うバネを形成するために使用することができるバネ材料は、ヒートセットされない軟鋼であり、535,000kPa(75,000psi) の作用応力で使用される。
僅かに増加する長期バネ特性を有するバネを形成するために使用することができるバネ材料は、ヒートセットされたクロムバナジウムであり、210,000kPa(30,000psi) の作用応力で使用される。
前述のクロムバナジウム材料が、バネ１２４、１３０のうちの１つとして使用され、前述の軟鋼材料が、バネ１２４、１３０のうちの他の１つとして使用される場合には、軟鋼バネのバネ常数（例えば、N/cm）が、クロムバナジウムバネのバネ比率の３倍でなければならない。
例えば、電子制御噴射器燃料システムすなわち機械作動電子制御噴射器燃料システムを含む燃料噴射システムに、前述の制御バルブは多数の用途を有する。
【００１７】
チェックバルブ、例えば、米国特許第5,121,730 号に開示される型の噴射器と組み合わされた燃料噴射器を含む種々の型の燃料噴射器を制御するために制御バルブを使用することができる。
本発明の多数の変形と他の実施例が前述の説明の態様において当業者には明らかになるであろう。この説明は例示的なものに過ぎず、当業者に本発明を遂行する最良の様式を教える目的のものである。本発明の精神から逸脱することなしに構成と方法の詳細部は変えてもよく、添付の特許請求の範囲内でのすべての変形を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】電子制御バルブを伴う燃料噴射器を有する機械作動電子制御ユニット噴射器燃料システムの回路図を示す。
【図２】図１に概略的に示された電子制御バルブに対するソレノイドアクチュエータの部分断面図である。
【図３】バネ特性の一例を示す。
【図４】エンジンによって発生される微粒子排出物と酸化窒素（ＮＯX ）排出物との間の関係を示す有害排出物特性曲線である。
【図５】本発明と一致する一組の長期バネ特性を示す。
【符号の説明】
１０ 燃料噴射システム
１２ エンジンピストン
１４ エンジンクランクシャフト
１６ シリンダ
２０ 燃料噴射器
２２ 燃料噴射器ボディ
２４ ポンプ組み立て体
２６ 制御バルブ
２８ ノズルバルブ
３０ ノズル
３２ 入口
３４、５８、６０、６４ 燃料ライン
３６ リザーバ
４０、４２ フィルタ
４４ 補給ポンプ
４８ プランジャ
５０ エンジンカム
５２ ロッカーアーム
５６ 燃料導管
６２ 出口
７０ エンジン制御モジュール
７２、７６ 電気ライン
７４ カム位置センサ
１０２、１０４、１０６ バルブボディ部分
１０８ スペーサ部材
１１０ ボルト
１１２ ワイヤコイル
１１４ 電気コネクタ
１１６ 部材
１１８ 電機子
１２０ バルブ部材
１２２、１２６ バネ座部材
１２４、１３０ バネ
１２８ トリムねじ
１３１ ワッシャー
１３２ 案内バレル
１３４、１６１ 凹部
１４０ 案内部材
１４２、１４４、１６０ ボア
１５０ ハウジング部材
１５２、１５８ リング
１５４ スレッド
１５５ 心合わせねじ
１５６ スペース
【産業上の利用分野】
本発明は、一般に、燃料噴射装置に関する。より詳細には、燃料噴射器に適応されるバネ付勢された制御バルブに関する。
【０００２】
【従来技術】
従来の燃料噴射システムでは、燃料噴射器は機械的、油圧的、又は電気的に作動させることができる。油圧式作動システムでは、エンジンシリンダに燃料を周期的に噴射させるポンプ組み立て体が、電子制御バルブによってポンプ組み立て体に選択的に通される加圧作動流体によって油圧的に駆動される。油圧式作動電子制御燃料噴射システムの一例が、米国特許第5,121,730 号で開示される。
機械作動システムでは、ポンプ組み立て体はエンジンによって駆動するカムと機械的に結合され、該ポンプ組み立て体がカムの回転と同時に作動する。噴射の正確な時期と持続時間が、ポンプ組み立て体に使用される電子制御バルブにより決定される。一般に、電子制御バルブはソレノイドバルブである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そのような燃料噴射システムに使用されるエンジンでは、エンジンによって生じる微粒子排出物と酸化窒素（ＮＯX ）排出物のような有害排出物は、エンジン経年として一年又は二年以上のような比較的に長い期間にわたって変化する。エンジンの許容有害排出物量を制限する比較的厳格な政府規格があるので、有害排出物が長い期間にわたって変化するという事実は不利になる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エンジン内で燃料噴射の時期を変化することによってエンジンで発生される有害排出物の変化を自動的に補償する燃料噴射器組み立て体とそのような組み立て体に対する制御バルブとに向けられる。結果として、長い期間にわたって、エンジンで発生される有害排出物は全体として変化しない、或いは僅かな度合いで変化する。
本発明に従って、開始時期と停止時期を有する燃料噴射サイクルの間に燃料を噴射させる燃料噴射器組み立て体が、燃料噴射器ノズルと、燃料ポンプと、燃料ポンプに使用される燃料入口とを備える。燃料ポンプは燃料を周期的に燃料入口から燃料噴射器ノズルを通して送る。
燃料噴射器組み立て体が、燃料噴射サイクルの開始時期と停止時期を制御するために燃料ポンプに使用される制御バルブを備える。制御バルブは、バルブボディとバルブボディ内の凹部に配置された電機子とを備える。電機子は、第一側部と、これに対向する第二側部とを有し、第一位置と第二位置との間を凹部内で往復運動する。第一バネは電機子の第一側部に配置され、第一長期バネ特性に応じて電機子に第一スプリング力を加え、第二バネは電機子の第二側部に配置され、燃料噴射サイクルの開始時期が時間とともに変化するように第一長期バネ特性と異なる第二長期バネ特性に応じて電機子に第二スプリング力を加える。
【０００５】
制御バルブは又、電機子の一方に隣接して配置され、電磁装置が電圧をかけられる時に第一位置と第二位置のうちの一つを電機子にとらせる電磁装置と、電機子に固定して結合され、バルブボディ内で往復運動をするように配置されたバルブ部材とを備える。電機子が第一位置にある時、バルブ部材は流体が制御バルブを通して流れ得るようにし、電機子が第二位置にある時、流体が制御バルブを通して流れることを阻止する。
【０００６】
【実施例】
機械作動電子制御ユニット噴射器（”ＭＥＵＩ“）燃料システム１０の一実施例を図１に示す。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内燃エンジンに適応されるものであり、該ピストン１２の一つをエンジンシリンダ１６内で往復運動をするようにエンジンクランクシャフト１４に取り付けた状態で図に示す。
点線２２とポンプ組み立て体２４と制御バルブ２６とノズルバルブ２８とノズル３０とによって概略的に示された燃料噴射器ボディを有する燃料噴射器２０によって、燃料がシリンダ１６に噴射される。加圧された燃料が、燃料通路すなわち燃料ライン３４と流体連通する燃料入口３２を通してポンプ組み立て体２４に供給され、燃料ライン３４は燃料タンクすなわちリザーバ３６に流体連通する。一組の燃料フィルタ４０、４２が燃料ライン３４に備えられ、燃料は補給ポンプ４４によって410 kPa(60psi)のような比較的低い圧力まで加圧される。
燃料通路３４を通してポンプ組み立て体２４に供給される燃料は、ポンプ組み立て体２４内で、ロッカーアーム５２を通してエンジンカム５０に機械的に接続されるプランジャ４８によって比較的低い圧力から210,000kPa(30,000psi) のような比較的高い噴射圧力まで周期的に加圧される。ノズルバルブ２８は、燃料導管５６を通してポンプ組み立て体２４に流体連通し、燃料通路５８を通してノズル３０に流体連通する。ノズルバルブ２８は、ポンプ組み立て体２４によって供給される燃料が34,200kPa(5,000psi) のような比較的高い限界噴射圧力に到達する時に開き、燃料圧力が限界圧力以下に下がる時に閉じるようなチェックバルブとして作動する。
【０００７】
ポンプ組み立て体２４によって与えられる燃料の加圧は制御バルブ２６によって制御され、この制御バルブ２６は燃料ライン６０を通してポンプ組み立て体２４に流体連通する。制御バルブ２６が図１に示す開位置にある時、ポンプ組み立て体２４を出た燃料は、燃料ライン６０から燃料噴射器ボディ２２内に形成された燃料出口６２を通り、燃料通路すなわち燃料ライン６４を経て、燃料リザーバ３６に流れ、ポンプ組み立て体２４内の燃料がプランジャ４８によって噴射圧力まで加圧されないようにする。制御バルブ２６が閉位置にある時、燃料は燃料ライン６０を通してポンプ組み立て体２４を出ることはできず、燃料はプランジャ４８によって加圧される。
制御バルブ２６の開閉が、電気ライン７２を介して接続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はカム位置センサ７４に接続されており、このカム位置センサ７４は、カム５０の位置を感知して、エンジン制御モジュール７０に接続したライン７６を介してカム位置信号を発生する。カム位置信号に応じて、周期的に制御バルブ２６を開閉するようにエンジン制御モジュール７０がライン７２に電力を発生する。制御バルブ２６はソレノイド作動され、燃料を周期的にシリンダ１６に噴射する。
【０００８】
燃料噴射システム１０の作動が１噴射サイクルと関連して以下に述べられる。燃料噴射が始まると、図１に示すように、制御バルブ２６が開位置から閉位置に移動され、燃料が燃料ライン６０を通してポンプ組み立て体２４を出ないようにする。制御バルブ２６が閉鎖された後、ロッカーアーム５２はプランジャ４８を下方に駆動し、ポンプ組み立て体２４内の燃料の圧力とノズルバルブ２８に供給される燃料の圧力とを増加する。ノズルバルブ２８内の燃料圧力が比較的高い限界噴射圧力に到達する時、ノズルバルブ２８が開き、燃料がノズル３０を通してシリンダ１６に噴射される。
燃料噴射が終わる時、制御バルブ２６は閉位置から開位置に移動する。結果として、加圧された燃料が燃料通路６０と出口６２を通ってポンプ組み立て体２４を出て、ポンプ組み立て体２４内の燃料圧力とノズルバルブ２８内の燃料圧力が減少する。ノズルバルブ２８内の燃料圧力が限界噴射圧力以下に下がり、ノズルバルブ２８が閉じる時、シリンダ１６への燃料噴射が停止する。
図１に概略的に示した制御バルブ２６の実施例の断面を図２に示す。制御バルブ２６は、ほぼ円筒形のバルブボディ上端部分１０２とバルブボディ内側部分１０４とバルブボディ中間部分１０６とを含む多数のバルブボディ部分からなるバルブボディを有する。スペーサ部材１０８がバルブボディ内側部分１０４とバルブボディ中間部分１０６との間に配置される。バルブボディ部分１０２、１０４、１０６とスペーサ部材１０８は、１つ又は２つ以上のボルト１１０のようなどんな従来手段によって固定されてもよい。ワイヤコイル１１２の形の電圧をかけることができる電磁装置が、バルブボディ中間部分１０６内に形成される環状凹部内に配置される。１つ又は２つ以上の部材１１６を通してワイヤコイルに接続される一組の電気コネクタ１１４を通して、ワイヤコイル１１２が選択的に電圧をかけられてもよい。
【０００９】
全体的に平坦な、円筒形電機子１１８がバルブボディの内部に形成されるスペースに配置される。電機子１１８は、ほぼ円筒形のバルブ部材１２０の上部端とバネ座下方部材１２２との間に固定される。バネ１２４の底部端がバネ座下方部材１２２の上部表面に形成される環状溝内に配置され、バネ１２４の上端がバネ座上方部材１２６の内部円筒形キャビティに配置される。
下端がバネ座上方部材１２６の上部表面に接触できるように、トリムねじ１２８がバルブボディ部分１０２、１０４に通される。バルブボディ部分１０４内のバネ座上方部材１２６の垂直位置と、電機子１１８に加えるバネ１２４の力の量とは、トリムねじ１２８の回転によって調節できる。第二バネ１３０が、電機子１１８の下側に固定されるワッシャー１３１とバルブボディ部分１０６に形成される環状端との間に配置される。
電機子１１８に固定されたバルブ部材１２０が案内バレル１３２に形成された中央ボア内で垂直往復運動するように配置される。案内バレル１３２は底部に形成された平坦な円形凹部１３４を有する。流量案内部材１４０は直接的に案内バレル１３２の下に配置され、案内バレル１３２内に形成される中央ボアと共軸で配置される。流量案内部材１４０は、案内バレル１３２内に形成される平坦な円筒形凹部１３４に流体連通する第二斜めのボア１４４を有する。
【００１０】
ハウジング部材１５０は、案内バレル１３２と流量案内部材１４０とを囲む。ハウジング部材１５０、流量案内部材１４０、案内バレル１３２、バルブボディ部分１０２、１０６がともにバルブボディの残部を構成する。Ｏ型リング１５２はバルブボディ中間部分１０６とハウジング部材１５０との間に配置され、ハウジング部材１５０がスレッド１５４でバルブボディ中間部分１０６と一貫して接続される。心合わせピンすなわち心合わせねじ１５５が、ハウジング部分１５０に関する流量案内１４０の心のずれを阻止するために備えられてよい。
流量通路として作用する環状スペース１５６はハウジング部材１５０の内壁と案内バレル１３２と流量案内１４０の外壁との間に配置される。流量案内部材１４０は、垂直ボア１４２を環状流量通路１５６に流体連通する水平ボア１６０を有する。流体密封鋼リング１５８が流量案内部材１４０とハウジング部材１５０との間に配置される。
ハウジング部材１５０は、斜めのボア１４４と流体連通する燃料入口ラインすなわち燃料入口ボア６０を有し（図１に、概略的に示す）、燃料出口通路すなわち燃料出口ボア６４（図１に、概略的に示す）は環状流量通路１５６に流体連通する。
【００１１】
バルブ部材１２０の底部端が少し窪んだ凹部１６１を中央部分に有し、バルブ部材１２０の底部端の周囲に比較的鋭い環状突部すなわち「ナイフエッジ」の形状を生じる。環状突部は、垂直ボア１４２の周のまわりで、流量案内部材１４０の上部平坦面からなる平坦なバルブシートに、選択的に接触する。
バネ１２４、１３０のそれぞれが電機子１１８にスプリング力を加える。その２つの正味のスプリング力の総計が上向きのスプリング力であり、ワイヤコイル１１２の加圧がない場合には、制御バルブ２６が開口するように電機子１１８を上方位置に位置させる。
端部がバルブシートと密封接触するようにバルブ部材１２０が位置させられると（図２に示すように）、燃料ライン６０から燃料ライン６４への流れが塞がれ、燃料噴射が起こる。バルブ部材１２０がこの下方位置にある時、電機子１１８の下方表面はスペーサ部材１０８の上部表面から僅かに間隔をあけた位置にある（１インチの数千分の一のような）。コイル１１２が励磁され、バネ１２４、１３０によって生じる電機子１１８上の正味の上向きの力を越える時、バルブ部材１２０がこの下方位置をとる。
【００１２】
端部がバルブシートから離れるようにバルブ部材１２０が図２に示す下方の位置から上向きに動かされる時、傾めのボア１４４、円形凹部１３４、垂直ボア１４２、水平ボア１６０、環状凹部１５６を備える流量導管に沿って、燃料が燃料ライン６０から燃料通路６４に流れる。コイル１１２が消磁された時、バルブ部材１２０はこの上部位置をとる。
バネ１２４、１３０のそれぞれが異なる長期バネ特性を示すように、バネ１２４、１３０のそれぞれの材料が特別に選択される。ここで「長期バネ特性」は、作動耐用期間にわたってバネによって加えられるスプリング力を意味し、それは少なくとも１か月と定義された比較的長い期間である。
バネ特性の一例を図３に示す。図３に示すように、バネ特性の点Ｐ１で（バネが新しい時）、バネは初期スプリング力を生じる。バネによって生じるスプリング力は比較的に早急（バネの作動耐用期間の最初の数時間内で）に時間とともにスプリング力が低いＰ２まで減少し、次いで作動耐用期間の終わり（年単位で測定された）に近い点でのバネによって生じる力がさらに低い点Ｐ３まで、非常に緩やかに減少する。図３に示すバネ特性は例示的なものであるが、他のバネ特性もある。例えば、減少するどころか時間とともに増加するようなスプリング力を有するバネを製造することは可能である。
【００１３】
図４を参照すると、一つの型のエンジンを考える時、そのエンジンは有害排出物特質曲線を有し、２つの有害排気物、微粒子（ＰＰ）排出物と酸化窒素排出物（例えば、ＮＯ2 、ＮＯ3 など）は互いに反比例する。エンジンによって生じるＰＰ排出物の量が増加する時、酸化窒素（ＮＯX ）排出物の量は減少する。エンジンは、型式や設計によって、図４に示す型のそれ自身の独特な有害排出物特性を有し、その型のエンジンの耐用期間にわたってエンジンが生じる有害排出物は曲線上の一つの点で示されることになる。ある特定の型のエンジンについて言えば、その型のエンジンについての有害排出物特質曲線が、作動耐用期間にわたってエンジンを作動させ、有害排出物の量をその作動耐用期間の間の種々の点で周期的に測定することにより、経験的に求められる。
例えば、エンジンが新しい時、エンジンは有害排出物曲線上に作動点Ｐ４を有し、その場合に、その点によって示される微粒子排出物と酸化窒素（ＮＯX ）排出物の量がエンジンに生じる。エンジンの経年に伴い、有害排出物作動点が、新しい点Ｐ５（この説明の範囲を越えるために）まで緩やかに変化する。
環境規制がもっと厳しくなると、有害排出物に対する規則上の制限が満足されるように、特定の有害排出物作動点又は、有害排出物動作点の範囲内で作動するエンジンを有することが好ましく（又は必要である）なる。例えば、図４に示す曲線上の点Ｐ４で又は、その近傍で作動することが望ましい。点Ｐ４が最適有害排出物作動点であると、作動点での点Ｐ５への変化又は、ドリフトは好ましくない。
【００１４】
本発明者らは、有害排出物作動点がエンジン内の燃料噴射の時期を変えることによって変わることに気づいた。すなわち、例えば、エンジンの有害排出物作動点が燃料噴射が始まる時期を変化させることによって点Ｐ５から点Ｐ４に変化させること、特に、燃料噴射開始時期を通常より遅らせることによって変化させることが望ましい場合がある。
本発明者らは、燃料噴射が始まる時期が電機子１１８上の上向きの正味の力を変化させることによって変化できることにも気づいた。電機子１１８上の上向きの正味のバネ力が増加すると、燃料噴射を始めるためには、この大きな正味のバネ力に打ち勝って電機子１１８を下方に移動させ、バルブ２６を閉じなければならないので、燃料噴射の始まる時期が遅くなる。
有害排出物作動点内の好ましくないドリフトを補償するために、バネ１２４、１３０の各々は、電機子１１８上の上向きの正味の力がエンジンの作動耐用期間にわたって次第に変化し、有害排出物作動点のどんなドリフトも補償するように、異なる長期バネ特性を有するものを選択する。結果として、有害排出物作動点が全体として変化しないように、或いは有害排出物作動点が所定の作動範囲内にあるように、エンジンを設計することができる。
【００１５】
本発明によるバネ１２４、１３０の長期バネ特性の例示的な一組を図５に示す（バネ１２４、１３０の作動耐用期間での初期のバネ特性におけるどんな初期の比較的急速な変化も示さない。）。図５を参照すると、時間とともに僅かに上昇する第一長期バネ特性が線１７０によって示され、時間とともに次第に減少する第二長期バネ特性が点線１７２によって示される。
上方バネ１２４がバネ特性１７２を有し、下方バネ１３０がバネ特性１７０を有すると、電機子１１８上の上向きの正味の力は時間とともに次第に増加し、従って、燃料噴射が始まる開始時期が他の場合より次第に遅くなる。結果として、エンジンの有害排出物作動点（そうでなければ、図４の曲線上の点Ｐ４から点Ｐ５の方向に長い期間にわたって緩やかに移動する）は全体として変化しないか、或いは所定の作動点の範囲内にとどまる。
上方バネ１２４がバネ特性１７０を有し、下方バネ１３０がバネ特性１７２を有すると、電機子１１８上の上向きの正味の力が時間とともに次第に増加し、従って、燃料噴射が始まる開始時期が他の場合より次第に遅くなる。結果として、エンジンの有害排出物作動点（そうでなければ、図４の曲線上の点Ｐ５から点Ｐ４の方向に長い期間にわたって次第に移動する）は全体として変化しないか、或いは所定の作動点の範囲内にとどまる。バネ１２４、１３０に対する長期特性の他の種々の組み合わせを、所望の結果に到達するために使用することができる。ただ一つ必要なのは、２つのバネ１２４、１３０に対する長期バネ特性が互いに異なることである。
【００１６】
全体として不変の長期バネ特性を伴うバネを形成するために使用されるバネ材料の一例はクロムシリコンであり、それはバネを十分に圧縮してバネが十分に圧縮される１時間の間 204°C( 400°F)の温度に曝すことによってヒートセットされ、210,000kPa(30,000psi) の作動応力で使用される。
図５の点線１７２によって表されるような減少する長期バネ特性を伴うバネを形成するために使用することができるバネ材料は、ヒートセットされない軟鋼であり、535,000kPa(75,000psi) の作用応力で使用される。
僅かに増加する長期バネ特性を有するバネを形成するために使用することができるバネ材料は、ヒートセットされたクロムバナジウムであり、210,000kPa(30,000psi) の作用応力で使用される。
前述のクロムバナジウム材料が、バネ１２４、１３０のうちの１つとして使用され、前述の軟鋼材料が、バネ１２４、１３０のうちの他の１つとして使用される場合には、軟鋼バネのバネ常数（例えば、N/cm）が、クロムバナジウムバネのバネ比率の３倍でなければならない。
例えば、電子制御噴射器燃料システムすなわち機械作動電子制御噴射器燃料システムを含む燃料噴射システムに、前述の制御バルブは多数の用途を有する。
【００１７】
チェックバルブ、例えば、米国特許第5,121,730 号に開示される型の噴射器と組み合わされた燃料噴射器を含む種々の型の燃料噴射器を制御するために制御バルブを使用することができる。
本発明の多数の変形と他の実施例が前述の説明の態様において当業者には明らかになるであろう。この説明は例示的なものに過ぎず、当業者に本発明を遂行する最良の様式を教える目的のものである。本発明の精神から逸脱することなしに構成と方法の詳細部は変えてもよく、添付の特許請求の範囲内でのすべての変形を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】電子制御バルブを伴う燃料噴射器を有する機械作動電子制御ユニット噴射器燃料システムの回路図を示す。
【図２】図１に概略的に示された電子制御バルブに対するソレノイドアクチュエータの部分断面図である。
【図３】バネ特性の一例を示す。
【図４】エンジンによって発生される微粒子排出物と酸化窒素（ＮＯX ）排出物との間の関係を示す有害排出物特性曲線である。
【図５】本発明と一致する一組の長期バネ特性を示す。
【符号の説明】
１０ 燃料噴射システム
１２ エンジンピストン
１４ エンジンクランクシャフト
１６ シリンダ
２０ 燃料噴射器
２２ 燃料噴射器ボディ
２４ ポンプ組み立て体
２６ 制御バルブ
２８ ノズルバルブ
３０ ノズル
３２ 入口
３４、５８、６０、６４ 燃料ライン
３６ リザーバ
４０、４２ フィルタ
４４ 補給ポンプ
４８ プランジャ
５０ エンジンカム
５２ ロッカーアーム
５６ 燃料導管
６２ 出口
７０ エンジン制御モジュール
７２、７６ 電気ライン
７４ カム位置センサ
１０２、１０４、１０６ バルブボディ部分
１０８ スペーサ部材
１１０ ボルト
１１２ ワイヤコイル
１１４ 電気コネクタ
１１６ 部材
１１８ 電機子
１２０ バルブ部材
１２２、１２６ バネ座部材
１２４、１３０ バネ
１２８ トリムねじ
１３１ ワッシャー
１３２ 案内バレル
１３４、１６１ 凹部
１４０ 案内部材
１４２、１４４、１６０ ボア
１５０ ハウジング部材
１５２、１５８ リング
１５４ スレッド
１５５ 心合わせねじ
１５６ スペース
Claims (7)
- 開始時期と停止時期を有する燃料噴射サイクルの間に燃料を噴射させる燃料噴射器組み立て体であって、
燃料噴射器ノズルと、
燃料ポンプと、
前記燃料ポンプに結合し、前記燃料ポンプが前記燃料噴射器ノズルを通して燃料を周期的に送り得るようにする燃料入口と、
前記燃料噴射サイクルの前記開始時期と前記停止時期とを制御するために前記燃料ポンプに組み合わせられた制御バルブと、
からなり、前記制御バルブは、
バルブボディと、
前記バルブボディ内の凹部に配置され、第一側部とこれとは反対側の第二側部とを有し第一位置と第二位置との間を前記凹部内で往復運動する電機子と、
前記電機子に第一スプリング力を加えるために前記電機子の前記第一側部に配置され、第一長期バネ特性を有する第一バネと、
前記電機子に第二スプリング力を加えるために前記電機子の前記第二側部に配置され、前記第一長期バネ特性と異なる第二長期バネ特性を有して、前記燃料噴射サイクルの前記開始時期が時間とともに変化するようにする第二バネと、
前記電機子の前記側部の一つに隣接して配置され、通電される時、前記電機子に前記第一位置と前記第二位置のうちの一つをとらせる電磁装置と、
前記電機子に剛に結合され、前記バルブボディ内で往復運動をするように配置され、前記電機子が前記第一位置にある時、前記制御バルブを通して流体を流し得るようにし、前記電機子が前記第二位置にある時、前記制御バルブを通して流体が流れるのを阻止するバルブ部材と、
を備え、前記制御バルブは、前記第一バネと前記第二バネとによりバルブ開方向に常時付勢されるように構成された、
ことを特徴とする燃料噴射器組み立て体。 - 前記第一バネが第一材料からなり、前記第二バネが前記第一材料と異なる第二材料からなることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射器組み立て体。
- 前記第一長期バネ特性と前記第二長期バネ特性が、前記開始時期を早めるものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射器組み立て体。
- 前記第一長期バネ特性と前記第二長期バネ特性が前記開始時期を遅くするものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射器組み立て体。
- 前記バネのうちの一つのスプリング力を調整する手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射器組み立て体。
- 前記調整手段が前記一つのバネと作動的に結合したトリムねじを備えることを特徴とする請求項５に記載の燃料噴射器組み立て体。
- 前記調整手段が前記一つのバネと前記トリムねじとの間で結合される可動バネ座を備えることを特徴とする請求項６に記載の燃料噴射器組み立て体。
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