JP4275646B2 - 流量の調整装置を備えた、燃料噴射システムのための高圧ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、流量の調整装置を備えた、内燃機関の燃料噴射システムための高圧ポンプに関するものである。

既知のように、最近の内燃機関用燃料噴射システムにおいて、高圧ポンプは、内燃機関のシリンダに関連付けられた複数の燃料噴射器に供給するため、加圧燃料の予め設定した蓄積体積を有するコモンレールに燃料を送るように設計されている。燃料の良好な霧化を行うには、この燃料を、内燃機関の最大出力の条件下で約１６００バールの範囲内で非常に高圧にしなければならない。コモンレールにおいて必要とされる燃料の圧力は、内燃機関の運転条件、即ち、走行条件の関数として電子制御ユニットにより一般的に規定されている。

ポンプの吐出管に設けられたバイパス電磁弁を制御ユニットにより制御して、ポンピングされたばかりの過剰の燃料がコモンレールに入る前に、該過剰の燃料を通常の燃料タンクに排出する噴射システムは既知である。

高圧ポンプの流量は、一般にエンジンクランクシャフトの回転速度に左右されるので、高圧ポンプは、内燃機関の種々の運転条件により必要とされる最大流量及び圧力値を得るような大きさにされなければならない。ある運転条件において、例えば、エンジンシャフトの低出力ではあるが最大速度である場合、ポンプの流量が多すぎることが分かっており、過剰の燃料は単にタンク内に排出されている。その結果として、これら既知の調整装置は、高圧ポンプの圧縮仕事の一部を熱の形で消散させる欠点を提示することになる。

内燃機関が低出力で機能するときに、ポンピングされる燃料の量を減少させるために可変流量の高圧ポンプが提案されていた。これら高圧ポンプの１つでは、吸込管は連続的に変わる断面積をもつ絞りから構成される流量調整装置を備えており、該流量調整装置がコモンレールにおいて必要な圧力の関数として及び／又は内燃機関の諸運転条件の関数として電子制御ユニットにより制御されている。

特に、吸込管にある絞りには、補助ポンプにより供給される、約５バールの一定圧力差ΔＰが与えられている。調整用電磁弁を使用して燃料の通路の有効面積を連続的に変えることにより、液圧的に接続されたポンプエレメントにより取り込まれる量の調整が得られる。調整用電磁弁の下流にある燃料の量、即ち、吸い込みを許される量は、非常に低圧になっており、低流量では、ポンプエレメントの吸込弁を開くために僅かな寄与の力を発生するに過ぎない。その結果として、吸込弁の通常の戻しばねは、絞りの下流で最小圧力であってもその開弁を保証するようなものでなければならない。一方では、前述した戻しばねは、非常に正確な方法で較正しなければならないので、ポンプは比較的に高コストであることが分かっている。他方では、吸込弁は対応の圧縮室においてポンプエレメントにより発生される負圧のために開弁できないであろうというリスクが常にあるので、ポンプは、正しく機能せず、非常に質の低下になりやすい。

本発明の目的は、非常に信頼性があり、低コストであり、且つ既知技術の燃料ポンプの種々の欠点を超克し得る流量調整装置を備えた高圧燃料ポンプを提供することにある。

本発明によると、上述した目的は、内燃機関の燃料噴射システムのための流量の調整装置を有する高圧ポンプであって、複数のポンプエレメントを備えており、該ポンプエレメントは、対応の吸込行程及び吐出行程のために往復運動をして作動されると共に、それぞれ、吸込管に連絡する対応の吸込弁と、加圧された燃料の蓄圧室に連絡する対応の吐出弁とを備えている高圧ポンプにおいて、前記調整装置は、前記ポンプエレメントに供給される燃料を遮断するための少なくとも１つのオン・オフ式電磁弁から構成されており、該オン・オフ式電磁弁は、前記吸込管に設置されていると共に、前記ポンプエレメント自体の前記吸込行程の開始に関して特定の遅延を伴って前記オン・オフ式電磁弁の開弁が行われるように、前記ポンプエレメントの前記吸込行程中に作動されるようになっている高圧ポンプにより達成されることになる。

特に、遮断のためのオン・オフ式電磁弁は、各ポンプエレメントに対応の吸込行程において必要な燃料のみを供給することを可能にするような断面積を有していると共に、前記ポンプエレメントの各吸込行程の中間部分の間にオン・オフ式電磁弁の開弁を制御する制御ユニットにより断続式に制御されるように設計されている。

本発明をより良く理解するために、ここには好適な実施形態が記載されているが、同実施形態は、添付図面と協力して例としてのみのため提供されている。

図１を参照すると、符号１は、例えば４サイクルディーゼルエンジンである内燃機関２のための燃料噴射システムを全体として示されている。この内燃機関２は、例えば４つのシリンダである複数のシリンダ３を備えており、該シリンダは、エンジンシャフト４を回転させるために作動可能な対応するピストン（図示せず）と協働している。

噴射システム１は、シリンダ３に関連付けられると共に、高圧でその中に燃料を噴射するように設計された複数の電磁制御式燃料噴射器５を備えている。これら燃料噴射器５は、１つ以上の燃料噴射器５について所定の体積を有する蓄圧室に接続されている。例示した実施形態において、この蓄圧室は、通常のコモンレール６により形成されており、該コモンレールに燃料噴射器５の全てが接続されている。

コモンレール６には、全体的に符号７により表わされた高圧ポンプにより高圧吐出管８を介して高圧で燃料が供給されるようになっている。更には、この高圧ポンプ７には、例えば電動ポンプ９である低圧ポンプにより、ポンプ７の吸込管１０を介して燃料が供給されるようになっている。電動ポンプ９は、通常の燃料タンク１１内に設置されるのが一般的であり、その中に、噴射システム１の過剰の燃料を放出するための放出管１２が配されている。

コモンレール６は、放出管１２と連通する電磁ドレン弁１５を更に備えている。各燃料噴射器５は、内燃機関２の通常のマイクロプロセッサ制御ユニットで構成される電子制御ユニット１６の制御を受けて最小値及び最大値間で量が変化する燃料を対応するシリンダ３内に噴射するように設計されている。

制御ユニット１６は、圧力センサ１７により検出されるコモンレール６における燃料の圧力ばかりでなく、図示しない対応するセンサにより発生されるアクセルペダルの位置及びエンジンシャフト４の回転数（ｒｐｍ）のような内燃機関２の諸運転条件を指示する信号を受信するように設計されている。適切なソフトウエアにより前述の受信信号を処理することによって、制御ユニット１６は、個々の燃料噴射器５の作動の時点及び継続時間を制御している。更に、制御ユニット１６は、電磁ドレン弁１５の開閉を制御している。その結果、放出管１２は、燃料噴射器５のドレン燃料と、電磁ドレン弁１５により放出されるコモンレール６における過剰の予想燃料の双方をタンク１１に向けて搬送することになる。

高圧ポンプ７は、１対のポンプエレメント１８を備えていて、その各々が圧縮室２０を有するシリンダ１９により形成されており、その中で、吸込行程及び吐出行程からなる往復運動を有するピストン２１が滑動するようになっている。各圧縮室２０は、対応の吸込弁２５と対応の吐出弁３０とを備えている。該吸込弁２５及び吐出弁３０は、ボール弁とすることが可能であると共に、それぞれ戻しばねを備えることが可能である。２つの吸込弁２５は、それらに共通の吸込管１０と連通しているのに対して、２つの吐出弁３０は、それらに共通の吐出管８と連通している。

特に、このピストン２１は、ポンプ７の作動のためにシャフト２３で支持されたカム２２によって作動されるようになっている。ここに記載された実施形態において、２つのポンプエレメント１８は、同軸状に互いに対向していると共に、単一のカム２２により作動されるようになっている。

シャフト２３は、カム２２が内燃機関２の各シリンダ３内への燃料噴射器５による各噴射ごとにピストン２１の圧縮行程を制御するように、運動伝達装置２６を介してエンジンシャフト４に接続されている。

タンク１１において、燃料は大気圧下にある。使用中、電動ポンプ９は、例えば、ほんの２〜３バール程度の低圧に燃料を圧縮している。そして、高圧ポンプ７は、吸込管１０から受け取った燃料を圧縮して、この燃料を例えば約１６００バールの高圧で吐出管８を介してコモンレール６に送るようにしている。

本発明の一実施形態によると、高圧ポンプ７の流量は、吸込管１０に配設された調整装置によりもっぱら制御されている。この調整装置は、２つのポンプエレメント１８の各吸込行程ごとに作動されるオン・オフ式電磁遮断弁２７により構成されている。有利なのは、この電磁遮断弁がポンプセクションを有していて、例えば、対応の吸込行程の一部のみの間の各ポンプエレメント１８の直接供給を可能とすることである。

特に、各ポンプエレメント１８の押退け量は、燃料噴射器５が対応の噴射段階において内燃機関２のシリンダ３内に噴射できる燃料の最大量と同じオーダーの大きさである。その結果として、燃料噴射器５が最大量よりも少ない量の燃料を噴射するよう制御されていれば、ポンプエレメント１８にとって、ピストン２１の吸込行程の一部のみの間、燃料を取り込むことで十分である。

図２のグラフにおいて、曲線２４は、シャフト２３の回転角度に対応する時間ｔの関数として、下死点ＰＭＩと上死点ＰＭＳとの間の吸込行程２８及び圧縮又は吐出行程２９によるピストン２１の押退け量ｈを表わしている。更に、正弦曲線３１は、シャフト２３の回転角度の関数としてピストン２１自体の速度を表わしている。この正弦曲線３１は、対応するピストン２１の吸込行程の速度に対応する半波３２と、対応するピストン２１の吐出行程の速度に対応する半波３３とを含んでいる。半波３３に囲まれる面積と等積である半波３２に囲まれる面積は、吸込管１０を介して取り込みうる燃料の体積を表わしている、即ち、この面積はポンプエレメントの押退け量に一致しているのに対して、半波３３に囲まれる面積は吐出管８中に送り出されうる燃料の体積を表わしている。

オン・オフ式電磁弁２７（図１）は、コモンレール６における燃料の圧力及び／又は内燃機関２の諸運転条件の関数として、制御ユニット１６により断続式に制御されるように設計されている。特に、制御ユニット１６は、ある時間間隔の間、即ち、２つのポンプエレメント１８の各々のピストン２１の吸込行程の間、パルス幅変調（ＰＷＭ）方式で電磁弁２７の開弁を制御している。

もっと正確に言えば、制御ユニット１６は、ポンプエレメント１８の吸込行程の開始時点Ｔ₀に関して、オン・オフ式電磁弁２７の開弁の開始時点Ｔ_START及び電磁弁２７の開弁の終了時点Ｔ_ENDの双方を変調するように設計されている。特に、オン・オフ式電磁弁２７は、ポンプエレメント１８の吸込行程の開始に関してある遅延をもって開弁され、この遅延の大きさ（Ｔ_START−Ｔ₀）は、オン・オフ式電磁弁２７が開弁される時点において、この時点で圧縮段階にある他のポンプエレメント１８の吸込弁２５が確実に閉弁されるようになっている。このようにして、２つのポンプエレメント１８が逆位相で作動されるので、吸込管１０を介して高圧ポンプ７に送られる燃料は、圧縮段階を開始した他のポンプエレメント１８の吸込弁２５が閉じられている限りにおいて、その時点で吸込行程を遂行するポンプエレメント１８のみによって吸い込まれる。

開始時点Ｔ_START及び終了時点Ｔ_ENDは、ピストン２１の下死点（ＢＤＣ）の時点Ｔ₀及び上死点（ＴＤＣ）の時点Ｔ₁に対して対称であることが有利である。こうして、燃料は、ポンプエレメント１８が高速で動いているときに、即ち、圧縮室内に最大の負圧が存在するときに、当該ポンプエレメント１８に送られるので、吸込管１０における燃料が減少しているときであっても吸込弁２５の開弁が奨励されることになる。更に、このようにして、ポンプエレメント１８による吸込の持続期間、即ち、吸込が実際に行われる吸込行程の一部の調整と、ピストン２１の位置に関する前記吸込の角位相の調整との双方が同時に得られることになる。

反対に、ポンプエレメント１８による燃料の吐出しは、吐出行程中の時点Ｔ_mから始まって該吐出行程の最後まで行われている。図２において、等積である２つの斜線領域Ａ及びＢは、それぞれ、吸い込まれた燃料の体積と、吐き出された圧縮燃料の体積とを示している。このようにして、ポンピングされた燃料の供与(dosage)がもっぱらオン・オフ式電磁弁２７により行われることになる。

電動ポンプ９により供給されるヘッドは既知であるから、また、吸込管１０における圧力は事実上一定であるから、オン・オフ式電磁弁２７のオン・オフ動作は、各圧縮室２０の上流にある体積内への予め定めた量の燃料の導入を優れた精度で可能にしている。

図３において実線３１で表わされているのは、例えば下側のポンプエレメント１８である２つのポンプエレメント１８のうちの一方の作動図であるのに対し、鎖線３１’で表わされているのは、他方のポンプエレメント１８、即ち、上側のポンプエレメント１８の作動図である。考察されている両作動図に関し、２つのポンプエレメント１８は共通区間の吸込管１０を有している。その結果、吸込の著しい部分化（marked partialization)の場合、共通の吸込管１０に、小量の液燃料と多量の蒸発気が存在する。ポンプエレメント１８、例えば、下側のポンプエレメント１８の吸込弁２５は、吸込行程の末期に閉弁に成功せず、対応の圧縮行程の区間Ｔ₁−Ｔ_Cについては開いたままである。この区間Ｔ₁−Ｔ_Cは、他のポンプエレメント１８、即ち、上側のポンプエレメントの吸込行程に対して同時に起こり、その間、対応の吸込弁２５もまた開いている。図３において、実線３４が下側のポンプエレメント１８の吸込弁２５の開弁の持続期間を示しているのに対して、鎖線３５は上側のポンプエレメント１８の吸込弁２５の開弁の持続期間を示している。斜線領域は２つの吸込弁２５の同時開弁の区間Ｔ₁−Ｔ_Cを示している。

このようにして、吐出段階にあるポンプエレメント１８は、共通の吸込管の燃料を吸い込み続けて、電磁弁２７が再び開く前に、その吸込管を完全に空にする。区間Ｔ₁−Ｔ_Cは、電磁弁２７が閉弁されている吸込中のポンプエレメント１８の吸込行程の全部分に等しいか、或いは僅かに短いことが好ましい。このようにして、高圧ポンプ７により圧縮された燃料の供与は、少ない流量であっても、非常に正確にオン・オフ式電磁弁２７により完全に行われることになる。

図４に例示された異なる実施形態においては、２つのポンプエレメント１８の各々について１つのオン・オフ式電磁弁２７が設けられている。

この実施形態は、各オン・オフ式電磁弁２７の開始時点Ｔ_START及び終了時点Ｔ_ENDの双方を変えることを可能とし、従って、オン・オフ式電磁弁２７の開弁を、対応のポンプエレメント１８が高速で動く時間間隔、それ故にポンプエレメント１８自体の圧縮室において負圧が最大であるときと同期させることを可能にする。

このようにして、オン・オフ式電磁弁２７により導入された量は対応のポンプエレメント１８により完全に取り込まれる確実性があることが明らかであり、各サイクルにおいて高圧ポンプ７によりコモンレール６の蓄圧室へ送られる量の精度に対して明らかに利点を伴う。更に、この実施形態において、ポンプエレメント１８の吸込弁２５のばねの寸法選びは、ポンプエレメント１８間の想定非対称性がポンプエレメント１８の吸込の対称性に対して全く取るに足らない限り、重要性が低い。

本発明の別の側面によると、オン・オフ式電磁弁２７として、内燃機関において普通に使用されている既知の１つ以上の電気制御式インジェクタを採用し、該インジェクタを電磁弁として制御するのが有利であるかも知れない。特に、オン・オフ式電磁弁として分岐式ガソリン／気体燃料インジェクタの使用は以下の利点をもたらす。
諸構成要素の組立てのために、存在が肯定された既知の技術を使用し得る。
投資コストが少なくてすみ、その結果、噴射システムの単価が低くなる。
多くの供給業者からの迅速な入手可能性。
電気制御式インジェクタとしての作動に必要な制御と実質的に同じ制御でよい。
インジェクタは噴射システムの安全弁としても作動する。

上述の記載から、本発明に基づいて燃料の流量を調整するための装置を備えた高圧ポンプの既知の技術と比較した利点が明らかである。特に、各噴射時に、各ポンプエレメント１８には同時噴射に必要な燃料のみが送られるので、燃料の供与の機能は、実質的にオン・オフ電磁弁２７により行われると共に、オン・オフ式電磁弁２７及びその横断面間の圧力差の関数である。更に、対応のポンプエレメントの吸込行程中に、有効吸込の開始時点及び終了時点の双方を調整することによる、断続式(in a chopped way)のオン・オフ式電磁弁２７の作動により、例えばピストン２１の最大速度の期間中に圧縮室２０への燃料の供給に集中するよう、全吸込行程に対して対称性が得られる。

最後に、吸込の顕著な部分化の場合、ポンプエレメント１８の吸込弁２５の閉弁の遅延により、共通の吸込管１０内に留まっている燃料の一部を吸い込み他のポンプエレメント１８に向かうのを可能とし、従って、各ポンピング行程で送られる燃料の高精度の供与を可能とする。

上述した高圧ポンプ及び対応の調整装置に対する種々の変更及び改善は、特許請求の範囲から逸脱することなく、行えることが分かる。例えば、運動伝達装置２６を排除すること、及び高圧ポンプ７のシャフト２３を異なる仕方で制御された速度で作動することが可能である。また、コモンレール６からの燃料の電磁ドレン弁１５も排除することができる。

更に、２つのポンプエレメント１８は、並行に配置されていると共に、２つの異なるカムにより逆位相で作動することができる。最後に、高圧ポンプ７は、位相を１２０°偏移させて共通のカムにより作動される異なる数のポンプエレメント、例えば、３つのポンプエレメントを有することができる。この場合、各ポンプエレメント１８の１８０°の吸込行程は他のポンプエレメントの吸込行程と部分的にオーバーラップして行うことが可能であるので、オン・オフ式電磁弁は、各ポンプエレメントに共通の管の枝路に設ける代わりに、各ポンプエレメントの吸込ポンプの枝路に設置する必要がある。

本発明の一実施形態による流量調整装置を有する高圧ポンプから構成される内燃機関の燃料噴射システムを示す概念図である。 図１の流量調整装置の作動グラフである。 作動の一形態を例示するグラフである。 本発明の別の実施形態による流量調整装置を有する高圧ポンプから構成される内燃機関の燃料噴射システムを示す概念図である。

符号の説明

１ 燃料噴射システム
２ 内燃機関
６ コモンレール（蓄圧室）
７ 高圧ポンプ
１０ 吸込管
１６ 制御ユニット
１８ ポンピングエレメント
２５ 吸込弁
２７ オン・オフ式電磁弁（流量の調整装置）
３０ 吐出弁
Ｔ_START 開弁の開始時点
Ｔ_END 終了時点

Claims (13)

1. 内燃機関の燃料噴射システムのための流量の調整装置を有する高圧ポンプであって、
   少なくとも１つのポンプエレメントを備えており、該ポンプエレメントは、対応の吸込行程及び吐出行程のために往復運動を通して作動されると共に、吸込管に連絡する対応の吸込弁と、加圧された燃料の蓄圧室に連絡する対応の吐出弁とを備えている高圧ポンプにおいて、
   前記高圧ポンプの前記調整装置は、前記ポンプエレメントに供給される燃料を遮断するための少なくとも１つのオン・オフ式電磁弁から構成されており、該オン・オフ式電磁弁は、前記吸込管に設置されていると共に、前記ポンプエレメント自体の前記吸込行程の開始に関して特定の遅延を伴って前記ポンプエレメントの前記吸込行程中に作動されるようになっており、
   前記オン・オフ式電磁弁の開弁は、前記ポンプエレメントの各吸込行程の中間部分（Ｔ _START −Ｔ _END ）に対応する時点で起こるようになっており、
   前記中間部分（Ｔ _START −Ｔ _END ）は、前記オン・オフ式電磁弁の開弁の開始時点（Ｔ _START ）及び終了時点（Ｔ _END ）の双方を変えることにより得られることを特徴とする、高圧ポンプ。
2. 前記中間部分（Ｔ _START −Ｔ _END ）は、前記吸込行程に対して対称であることを特徴とする、請求項１に記載の高圧ポンプ。
3. 前記オン・オフ式電磁弁は、前記内燃機関の諸運転条件の関数として制御ユニットにより断続式に制御されるように設計されていることを特徴とする、請求項１に記載の高圧ポンプ。
4. 前記オン・オフ式電磁弁は、前記ポンプエレメントに対応の吸込に必要な燃料のみを供給することを可能にするような断面積を有していることを特徴とする、請求項１に記載の高圧ポンプ。
5. 複数のポンプエレメントをさらに有しており、それらの各々が共通の吸込管に連絡する対応の吸込弁を備えている高圧ポンプにおいて、前記オン・オフ式電磁弁は前記共通の吸込管に設置されていることを特徴とする、請求項１に記載の高圧ポンプ。
6. 前記複数のポンプエレメントは逆位相で作動される１対のポンピングエレメントを備えており、前記オン・オフ式電磁弁は、前記内燃機関（２）の諸運転条件の関数として前記ポンプエレメントの各吸込行程に同期して作動されるようになっていることを特徴とする、請求項５に記載の高圧ポンプ。
7. 前記オン・オフ式電磁弁が作動される際の前記ポンプエレメントの一方の吸込行程の開始に関する遅延は、前記ポンプエレメントの他方の前の吸込行程中に該他方のポンプエレメントに供給される燃料の関数であることを特徴とする、請求項５に記載の高圧ポンプ。
8. 複数のポンプエレメントを有しており、それらの各々が対応の吸込ポンプに設置される対応の吸込弁を備えている高圧ポンプにおいて、前記ポンプエレメントと同数の複数の前記オン・オフ式電磁弁を備えており、該オン・オフ式電磁弁の各々は、対応のポンプエレメントの吸込管に設置されていることを特徴とする、請求項１に記載の高圧ポンプ。
9. 逆位相で作動される１対のポンプエレメント（１８）を備えた高圧ポンプにおいて、前記オン・オフ式電磁弁（２７）は、前記内燃機関（２）の諸運転条件の関数として対応のポンプエレメント（１８）の吸込行程に同期して作動されるようになっていることを特徴とする、請求項８に記載の高圧ポンプ。
10. 前記ポンプエレメントの押退け量は、噴射器が前記内燃機関のシリンダ内に噴射できる燃料の最大量と同じオーダーの大きさであることを特徴とする、請求項４に記載の高圧ポンプ。
11. 内燃機関の燃料噴射システムのための流量の調整装置を有する高圧ポンプであって、
    少なくとも２つのポンプエレメントであって、該ポンプエレメントは、対応の吸込行程及び吐出行程のために往復運動を通して作動されると共に、吸込管に連絡する対応の吸込弁と、加圧された燃料の蓄圧室に連絡する対応の吐出弁とを備えている少なくとも２つのポンプエレメントと、
    前記吸込管に設置されており、前記ポンプエレメントに供給される燃料を遮断するためのオン・オフ式電磁弁と
    を備えた高圧ポンプにおいて、
    前記オン・オフ式電磁弁は、前記ポンプエレメントに対応の吸込に実質的に必要な燃料を供給することを可能にするような断面積を有しており、
    前記オン・オフ式電磁弁は、前記ポンプエレメントの各吸込工程の中間部分（Ｔ _START −Ｔ _END ）の間に作動されるようになっており、
    前記中間部分（Ｔ _START −Ｔ _END ）は、前記オン・オフ式電磁弁の開弁の開始時点（Ｔ _START ）及び終了時点（Ｔ _END ）の双方を変えることにより得られることを特徴とする、高圧ポンプ。
12. １対のポンプエレメントが逆位相で作動され、前記中間部分（Ｔ _START −Ｔ _END ）は、前記ポンプエレメントの関連する吸込行程に対して対称であることを特徴とする、請求項１１に記載の高圧ポンプ。
13. 前記中間部分（Ｔ _START −Ｔ _END ）は、関連する吸込行程の開始（T _O ）に関して特定の遅延（T _O −Ｔ _START ）を伴って開始し、それによりその間は関連する吸入弁が開弁したままになっているような１つのポンプエレメントの吸込工程の時間区間（T1−T _C ）が、他のポンプエレメントの吸入弁がその吸入行程の末期に閉弁に成功していない間に起こることを特徴とする、請求項１２に記載の高圧ポンプ。

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