JP4102667B2 - 内燃機関のための燃料噴射ポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、直接噴射機関のための液体燃料噴射システムに関する。
【０００２】
（背景技術）
ディーゼル・サイクルで作動する内燃機関のための燃料吐出システムは、プランジャ・シリンダ内で往復動して、機関の各作動シリンダに燃料吐出をもたらすプランジャを備える機関駆動式燃料噴射ポンプを含む。ポンプのストローク周波数は、機関速度に正比例する。ソレノイド・アクチュエータ（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｏｌｅｎｏｉｄ ａｃｔｕａｔｏｒ）の制御下にある燃料制御弁は、ポンプから燃料噴射ノズルへの制御された燃料吐出を確立する。直接噴射圧縮点火機関の場合は、燃料噴射ノズルは、各機関のシリンダの燃焼室内に配置される。弁用ソレノイド・アクチュエータは、デジタル式電子機関制御装置の駆動回路内の制御電流パルスに呼応し、それによって、ポンプがパルスに必要な圧力を生み出すときに、噴出ポンプからノズルへの燃料が調量される。
【０００３】
通常プランジャは、機関のカムシャフトによって駆動され、そのカムシャフトは機関の弁の吸入および排出を操作する。カムシャフトは機関用シリンダ・ヘッドに配置され、そこで機関の潤滑油に曝される。プランジャとプランジャ・シリンダの隙間から漏れる燃料は、この機関の潤滑油と混合される傾向があるため、長期間の運転後に希釈の問題が起こる。
【０００４】
プランジャとプランジャ・シリンダの隙間の寸法を縮小することによって、プランジャからの漏れを減少させることは可能である。しかし、寸法公差を縮小するとポンプ抑えに対する危険性が増す。特に燃料温度が比較的広い温度範囲にわたって変化するこうした適用例では、機械的摩擦損失の増大および摩耗の激化も、隙間の縮小から引き起こされることがある。さらに、プランジャとシリンダの間の近接した公差の嵌合に必要な機械加工は、製造コストが上がり、大量製造の運転のためのポンプおよび燃料供給システムが非実用的になるであろう。
【０００５】
プランジャの長さを長くし、それによって高圧ポンプ室から機関のシャフト・キャビティへの漏れの流路の長さを長くすることによって、プランジャからの燃料の漏れによる油希釈を低減することもできる。しかしこの結果、漏れはわずかしか減少せず、ポンプおよび制御弁アセンブリ全体の寸法を大幅に増大することが必要になる。したがって、包装の制約のために幾つかの商用機関の適用が非実用的になるであろう。
【０００６】
市販されているこの種のディーゼル機関用の従来技術によるポンプおよび制御弁アセンブリの例を、米国特許第６，０１９，０９１号を参照して見ることができる。さらに、１９９９年３月１８日出願の同時継続出願第０９／２７２，０２１号は、本発明に含まれる要素に対応する要素を備えた燃料ポンプおよび制御弁アセンブリを開示している。前記特許第‘０９１号および同時継続特許出願は、本発明の譲受人に譲渡される。
【０００７】
（発明の開示）
本発明の目的は、噴射ポンプ・プランジャから機関の潤滑油回路への燃料の漏れを減少させることによって、機関用燃料による機関油の希釈を低減することである。この目的を実行するため、本発明のポンプおよび制御弁アセンブリは、往復移動するポンプ・プランジャを受けるためのポンプ・シリンダを有する燃料ポンプ本体を備える。ポンプ・プランジャばねは、通常プランジャを後退位置に移動させる。プランジャは、ストローク動作中、機関のカムシャフトによって駆動され、機関のクランクシャフトの半速度で駆動される。
【０００８】
プランジャおよびシリンダは、高圧作動室を画定し、高圧作動室は高圧燃料吐出通路を介して噴射ノズルに連通し、ポンプ流量制御弁がその通路を横切っている。燃料は、燃料供給ポンプからポンプの制御弁および作動室に供給される。制御弁は、機関制御モジュールによってソレノイド・アクチュエータに送信される命令に応じて、高圧燃料吐出通路を介して燃料の流れの開放および閉塞を行う。弁は、プランジャのストロークと時限式に関係して開閉されて、最初のパイロット・パルス（ｐｉｌｏｔ ｐｕｌｓｅ）が、ノズルによって機関燃焼室へ吐出される。次に、機関のシリンダの圧縮ストロークの開始時に、主なる燃料吐出圧パルスが続く。
【０００９】
本発明のポンプおよび制御弁アセンブリは、シリンダ本体内のシリンダによって画定されるポンプ室を有するポンプ本体を備える。プランジャは、シリンダ内に配置されて、燃料噴射ノズルに連通する高圧燃料ポンプ・キャビティを画定する。本発明の一実施形態では、プランジャおよびシリンダは、通常の弁体またはハウジング内に配置される。本発明の他の実施形態では、シリンダは、第１のポンプ・ハウジング内に位置し、制御弁アセンブリは、別の弁ハウジング内に位置し、この２つのハウジングは、ハウジング部によって結合され、ハウジング部内には交差する燃料の流通路が位置する。各例では、単一の供給および戻りの燃料通路が、燃料ポンプからポンプおよび制御弁へ延びている。このため、この設計は通常、モノレール設計と呼ばれる。燃料が燃料供給ポンプへ往復するための流通路は、二重レール構成のように、別々の供給および戻り通路によって画定されてはいない。
【００１０】
ポンプ・プランジャは、燃料が高圧燃料吐出通路を通って噴射ノズルへ吐出されるとき、ポンプ・キャビティ内の燃料を押しのける。
【００１１】
少なくとも１つの低圧逃がし通路が、ポンプ・ハウジング内に形成された１つまたは複数の燃料漏れ口に連通する。プランジャとプランジャ・シリンダの所定の隙間によって画定される通路内の漏れの流路は、低圧逃がし通路に連通し、プランジャから漏れる燃料の流れは、機関のハウジング内のカムシャフトの領域へ流れずに、燃料供給ポンプ用の燃料溜めへ戻される。ポンプ・プランジャは、後退位置に移動した場合、漏れ口を覆う。したがって、燃料回路が、機関用潤滑油から独立しているため、油希釈が回避され、または大幅に低減される。この特性により、燃料噴射ポンプおよび制御弁アセンブリの耐久性が向上し、機関の整備コストが低減される。
【００１２】
機関の通常の作動環境では、燃料の供給および戻り通路を、約５バールで押圧することができるが、燃料供給ポンプ用の燃料溜めに連通する低圧逃がし通路は、１バールなど、かなり低い値でもよい。この圧力差により、プランジャとピストンの隙間を通る漏れ流路を、機関のカムシャフト領域ではなく、低圧逃がし通路にそらすことができるようになる。
【００１３】
（発明を実施するための最良の形態）
番号１０は、燃料インジェクタおよび制御弁アセンブリ用のポンプ・ハウジングを示す。このハウジングは、シリンダ１２を備え、シリンダ１２内にプランジャ１４が配置されている。シリンダ１２およびプランジャ１４は、圧力キャビティ（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃａｖｉｔｙ）１６を画定し、キャビティ１６は高圧通路１８を介して制御弁室２０に連通する。室２０は、通路１８を横切る。ハウジング１０の上端に配置されたネジ嵌合要素２３は、機関用燃焼室内に配置された燃料噴射ノズル（図示せず）との間の流体連結に適応する。中空の弁要素２２は、弁室２０内に取り付けられる。弁要素２２の左端部は、止め具２４と係合可能であり、止め具２４は、止め具開口２６内でハウジング１０内に固定される。この止め具は、リテーナ・プレート２８によって定位置に固定される。
【００１４】
開口２６と止め具２４の間の環状空間を３０で示す。環状空間は、ハウジング１０内の内部通路３２に連通する。通路３２は、概略的に３４で示した供給および戻り通路に連通する。
【００１５】
通路３４は、ハウジング１０の外側表面上に形成された環状の溝３６を介して通路３２に連通する。通路３４は、図で示したＯ字型リング・シールによって封止される。
【００１６】
ハウジング１０は、ハウジング１０を取り囲むスリーブ３７内で受けられる。スリーブ３７は、機関のシリンダを画定する機関のハウジングの一部を形成し、またはそれに連結することができる。
【００１７】
ピストン１４は、図２で見られるように、下方に延び、ばね座４０を支持する。カムシャフト（図２では図示せず）は、ローラ・フォロワ・アーム（図示せず）と係合するカムを支持し、ローラ・フォロワ・アームは、プランジャ１４の下端部と係合し、シリンダ１２内で弁ばね４２の力に対してプランジャ１４を駆動する。弁ばね４２の上端部は、４４で示したように、ハウジング１０上に形成された肩部上に台座している。
【００１８】
中空の弁要素２２の右端部は、アーマチュア４６に固定される。このアーマチュアは、ソレノイド・アクチュエータ４８によって弁要素２２の軸方向に作動する。
【００１９】
図４の拡大詳細図で弁要素２２の左端部を見ることができる。弁要素２２は環状の溝５０を備え、この溝５０は、５２で示した弁要素２２の左端部に延びる。弁端部５２は、弁要素を取り囲む弁座５４と係合する。座５４は弁ハウジング１０によって画定される。
【００２０】
弁端部５２が弁座５４上に台座する場合、弁要素２２の左端部と止め具２６の間に空間が設けられる。この空間を参照番号５６で示す。
【００２１】
図３は、弁要素２２の右端部の拡大詳細図である。この右端部は、ねじ５８など、適当な取付要素によってアーマチュアに固定される。図３の６０で示したばね座は弁ばね６２と係合し、弁ばね６２は図２で示した弁座６４上に台座する。この弁座は、中空の弁要素２２上に形成された環状の肩部上に固定されるため、弁要素２２は通常、止め具２６に対して左方向に移動する。止め具２４が弁要素２２と係合する場合、図４で示したように、環状の空間が、弁端部５２と環状の弁座５４の間に確立される。
【００２２】
座６０は図２および３の６６で示した保持リングによって定位置に固定される。
【００２３】
ソレノイド４８を付勢すると、アーマチュア４６が右方向に移動し、それによって弁要素２２が閉塞位置に移動し、供給通路３４と圧力室１６の間の連通が妨げられる。同時に、溝５０は圧力室１６とインジェクタ・ノズルに通じる高圧通路１８の間の連通を維持する。
【００２４】
第２の燃料供給通路６８は、供給通路３４と弁要素２２内部の間の連通を確立する。これを図３および４の７０で示す。この弁要素内部７０と第２の通路６８の間の連通は、ハウジング１０内に形成された内部ポーティングによって確立される。図７の断面図の７２でこのポーティングを部分的に示す。
【００２５】
図２で見られるように、プランジャを上方向に駆動すると、制御装置がソレノイドを付勢して、弁要素２２が弁座５４に対して台座する。反対方向にプランジャがストロークすると、ソレノイド・アクチュエータ４８が制御装置によって命令されて、弁要素２２を左に移動させ、それによって燃料が、通路３４、通路３２、止め具２４を取り囲む空間３０を介して、また弁端部５２と弁座５４の間の環状空間を介して流れることができるようになる。このため、キャビティ１６を満たすことができる。燃料は同時に、通路６８を介して、また弁要素２２の内部を介して通路１８に、次いでキャビティ１６に供給される。
【００２６】
低圧逃がし通路３８は、図２で示したように、ハウジング１０内の環状の溝７４に連通する。溝７４は、燃料逃がし口７６および７８に連通し、これらはプランジャ１４とシリンダ１２の壁の間の隙間空間に連通する。
【００２７】
プランジャの圧縮ストローク中、プランジャ１４から漏れる燃料は、隙間空間を通って低圧口７６および７８へ通過する。その後漏れは、燃料供給溜めに戻る。プランジャ１４は、図２で示したように、環状の空間または環状部８６を備えることができる。プランジャ１４が図２で示した後退位置にある場合、環状部８６は、口７８および７６の下にある。プランジャ１４を燃料吐出中にストロークさせる場合は、環状部８６は口７８および７６と連通し、それによって漏れ流体が、機関のカムシャフト室への漏れ通路を存続させず、低圧逃がし通路３８内へ通過させる。
【００２８】
図８の実施形態は、図２の実施形態と同様に機能する。図８の実施形態は、ポンプ・ハウジング８２で往復動するプランジャ８０を備える。制御弁要素８６は、ハウジング８２内にシリンダ部を有する。このシリンダ部は、プランジャ８０に関してわずかな隙間を有する。制御弁要素８６は、シリンダ・ハウジング８２から離れて位置する弁ハウジング８８内に配置されているが、このハウジングは９０で示したように連結されている。ソレノイド・アクチュエータ９０は、付勢されると、弁要素８６に連結されたアーマチュア９２を移動させる。このアーマチュアの力によって、弁要素を弁ばね９４の力に対して移動させる。
【００２９】
燃料は、供給および戻り燃料通路９６を介して供給され、この通路９６は、内部通路構造９８を介して、止め具１０２を取り囲む環状空間１００に連通する。止め具１０２は、図２の実施形態の止め具の場合と同様に、ソレノイド・アクチュエータ９０を付勢しない場合は、可動弁要素８８と係合する。
【００３０】
燃料は、内部通路構造１０４を介して通路９６から弁要素８６の内部へも供給される。
【００３１】
燃料逃がし口１０６は、プランジャ８８とシリンダ８４の間の隙間空間から低圧逃がし通路１０８へ延びる。同様に、逃がし口は、１１０で示したように、プランジャ８０とシリンダ８４の間の環状空間の間を逃がし通路１０８へ延びる。
【００３２】
図８の実施形態は、図２の実施形態と同様に、単一レールの設計であり、燃料はシリンダ圧力室に供給され、９６で示した単一通路を介して燃料ポンプに戻される。これは、たとえば上記で論じた特許第‘０９１号で述べた二重レールの設計とは異なる。
【００３３】
図２および図８を参照して述べた各実施形態では、燃料の漏れが低減され、それによって、油が希釈される傾向が低減される。
【００３４】
図９は、本発明の作動中の実施形態のためのプランジャの隙間とプランジャの漏れの関係のテスト・プロットを示す。従来の２重レールの設計についての漏れを１１２で示す。従来の２重レールの設計についての図９で示した最大隙間に対する最大の漏れは、１０分間約６５ｍｌと測定されている。これは、図２および８のモノレール燃料通路の設計を用いることによって大幅に低減される。この設計では、押圧されない、または低圧逃がし通路に直接連通する漏れ口によって、漏れの流れが妨げられる。本発明の設計での漏れを１１４で示す。
【００３５】
本発明の実施形態を開示してきたが、当業者には、本発明の範囲から逸脱することなく変更を加えることができることは明らかであろう。本発明のこうした変更および等価のものは、頭記の特許請求の範囲に包含されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のポンプおよび制御弁アセンブリの側面図である。
【図２】 図１の破線２−２の平面に沿って切り取った断面図である。
【図３】 図１のポンプおよび制御弁アセンブリのための制御弁アセンブリの一端部の詳細図である。
【図４】 図３で示した制御弁の反対側の端部の部分詳細図である。
【図５】 図２で示したポンプ・シリンダのためのハウジング部の詳細断面図である。
【図６】 図２で示したシリンダ・ハウジングの拡大側面図である。
【図７】 内部交差通路を示す、図６の破線７−７の平面に沿って切り取った断面図である。
【図８】 本発明の代替実施形態のためのシリンダとプランジャ・アセンブリ、および制御弁アセンブリの断面図である。
【図９】 油希釈の研究におけるプランジャの漏れとプランジャの隙間の関係を示すグラフである。

Claims (7)

1. 内燃機関のための燃料噴射ポンプ・アセンブリであって、円筒型の燃料ポンプ・キャビティを画定するポンプ本体と、前記ポンプ・キャビティ内での往復動のために取り付けられたポンプ・プランジャと、前記ポンプ・キャビティからインジェクタ・ノズルに延びる高圧燃料吐出通路と、
   前記燃料吐出通路内のポンプ制御弁、前記ポンプ・キャビティから前記インジェクタ・ノズルへの燃料の吐出を確立および防止するためのポンプ制御弁用アクチュエータと、
   前記ポンプ・プランジャに駆動可能に連結されたカムを備える前記機関によって駆動され、前記ポンプ・プランジャをストロークして、前記インジェクタ・ノズルに高圧燃料吐出をもたらし、前記機関の潤滑油に連通するカム機構と、
   前記ポンプ本体内の低圧逃がし通路と、
   前記低圧逃がし通路と前記高圧燃料吐出通路の中間位置にある前記ポンプ本体内の共通の燃料供給および燃料戻り通路と、
   前記ポンプ制御弁に連通し、前記ポンプ制御弁が解放されて前記インジェクタ・ノズルへの燃料吐出が妨げられる場合、前記燃料吐出通路内の燃料が前記共通の通路へ吐出される共通の燃料通路と、
   前記ポンプ・キャビティと連通し、前記低圧逃がし通路へ延びる前記ポンプ本体内の少なくとも１つの燃料逃がし口と、
   後退位置に移動する場合、前記逃がし口を覆う前記ポンプ・プランジャと、
   燃料が前記高圧燃料吐出通路を通って噴射ノズルへ吐出されるときに、前記ポンプ・キャビティ内の燃料を押しのける前記ポンプ・プランジャと、
   ポンプ・ストロークにおいて前記ポンプ・プランジャが前記カム機構によって前進し、それによって燃料と機関の潤滑油の混合が回避されるように、前記逃がし口へ通じる逃がし流路を画定する前記ポンプ・プランジャと前記ポンプ・キャビティの間の所定の寸法の隙間とを備える燃料噴射ポンプ・アセンブリ。
2. 前記制御弁用の前記アクチュエータが、前記弁が前記アクチュエータによって閉塞位置に移動する場合は、前記ポンプ室から前記弁および前記高圧燃料吐出通路を通して燃料を流し、前記弁が開放位置に移動する場合は、前記燃料吐出通路から前記弁を介して前記ポンプ・キャビティへ燃料を吐出するための、電磁弁、および機関の動作変数に呼応する電子制御装置を備える、請求項１に記載の燃料噴射ポンプ・アセンブリ。
3. 前記逃がし流路が、前記ポンプ・プランジャの一端部にある前記寸法の隙間によって作り出される環状の流路によって部分的に画定される、請求項１に記載の燃料噴射ポンプ・アセンブリ。
4. 前記逃がし流路が、前記ポンプ・プランジャの一端部にある前記寸法の隙間によって作り出される環状の流路によって部分的に画定される、請求項２に記載の燃料噴射ポンプ・アセンブリ。
5. 前記逃がし通路が、前記ポンプ・プランジャ内に形成された環状部によって部分的に画定され、前記ポンプ・プランジャが前記カム機構によってストロークするときに前記環状部が前記燃料逃がし口に連通し、前記ポンプ・プランジャの周囲の燃料の漏れが前記逃がし口を介して逃げる、請求項１に記載の燃料噴射ポンプ・アセンブリ。
6. 前記逃がし通路が、前記ポンプ・プランジャ内に形成された環状部によって部分的に画定され、前記ポンプ・プランジャが前記カム機構によってストロークするときに前記環状部が前記燃料逃がし口に連通し、前記ポンプ・プランジャの周囲の燃料の漏れが前記逃がし口を介して逃げる、請求項２に記載の燃料噴射ポンプ・アセンブリ。
7. 前記逃がし流路が、前記ポンプ・プランジャ内に形成された環状部によって部分的に画定され、前記ポンプ・プランジャが前記カム機構によってストロークするときに前記環状部が前記燃料逃がし口に連通し、前記ポンプ・プランジャの周囲の燃料の漏れが前記逃がし口を介して逃げる、請求項３に記載の燃料噴射ポンプ・アセンブリ。

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