JP4358445B2 - 内燃機関のための燃料噴射系 - Google Patents

Description

【０００１】
背景技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載の形式の、内燃機関のための燃料噴射系に関する。
【０００２】
このような分野での一般的な先行技術では、例えばヨーロッパ特許出願公開第０２９９３３７号明細書およびドイツ連邦共和国ＤＥ１９５４９１０８．４が公知である。
【０００３】
特に、本発明はいわゆるコモンレールシステム（ＣＲシステム）から出発する。このようなＣＲシステムにおける特質は、必要とされる燃料量が高圧ポンプによって、内燃機関のその都度の運転状態に応じた可変の圧力にもたらされなければならないことにある。この場合高圧ポンプは機関回転数に応じて駆動される。このことは例えばカムシャフト駆動装置によって行うことができる。高圧ポンプの可能なフィード量はそれぞれの運転状態において、燃料の過剰量、すなわちレールが所望の圧力発生のために必要とするよりも多くの量を吐出することができるように設定されている。高圧ポンプの後ろの高圧領域内に配置された圧力調整弁によって、燃料をレールのために調量することが公知である。このような圧力調整弁によって高圧の燃料流が分けられ、一方ではレールの方向に圧力上昇・維持のために、他方では燃料タンクの方向に向かって分配される。燃料タンクの方向に向かって分配された部分流は、同時に相応の効率損失をも意味する過剰流量である。
【０００４】
すなわちＣＲシステムにおける目下の先行技術の場合、圧力調整弁によって高圧にされた燃料が閉制御される。このことは燃料温度を高くし、効率を悪化させる。さらに、圧力制御弁による運転中の大きな燃料温度差は、温度に左右される濃度に起因して噴射量が変動する。この噴射量は、部分的にのみ、温度センサによって温度補償することしかできない。
【０００５】
発明の利点
請求項１の特徴から明らかな本発明による解決手段により、請求項１の上位概念に記載された形式のＣＲシステムのために燃料調量ユニットが提供される。この燃料調量ユニットは、ＣＲシステムの高圧ポンプのために、内燃機関のその都度の運転状態において所望の燃料量を正確に調量することができる。高圧ポンプへの必要とされる燃料量をこのように低圧側で正確に調量することによって、従来技術の場合に生じる、不必要に圧縮された過剰流量が初めから回避される。これにより、効率が改善され、ひいては燃料が節約される。
【０００６】
本発明の別の構成および利点は請求項２〜１６から明らかである。
【０００７】
実施例の説明
図１に示す燃料調量ユニットは、調整弁１１が組み込まれた電磁石１０に基づいている。詳細には、電磁石１０は主として、マグネットコイル１２と、可動子ピン１４を備えた可動子１３と、ポット状磁石１５とを備えている。このポット状磁石はマグネットコイル１２と可動子１３とを部分的に取り囲んでいる。
【０００８】
調整弁１１が組み込まれた電磁石１０の構成ユニット全体は、燃料高圧ポンプ（図示せず）内に配置されている。ポット状磁石１５はシールエレメントとして、磁気帰路として、かつ高圧ポンプにおける電磁石１０の固定エレメント１６として、同時に役立つ。
【０００９】
マグネットコイル１２はポット状磁石つまりマグネットケーシング１５内に挿入されたあと、射出成形によって取り囲まれることにより完全に固定される、つまり射出被覆される。符号１７で示した射出被覆体により、マグネットコイル１２からマグネットケーシング１５への最適な熱移行が保証される。臨界的な運転状態における過熱は、これにより阻止することができる。さらに、射出被覆体１７は良好な耐振動性および耐震動性を生ぜしめる。これにより、高い負荷を受ける個所、例えば燃料高圧ポンプへの燃料調量ユニット（１０，１１）の取り付けが震動、温度負荷および環境負荷に関連して可能になる。
【００１０】
さらに、マグネットコイル１２の射出被覆体１７が２つのシール個所１８，１９と協働することにより、コネクタラグ（図示せず）へのマグネットコイル１２のコンタクト個所が「乾いている(trocken)」ことが保証される。これにより、マグネットコイル巻線とコンタクト個所とが腐食性媒体の攻撃から最適に保護される。
【００１１】
射出被覆体１７がマグネットコイル１２を完全に取り囲んでいることをチェックするために、マグネットケーシング１５の周面に、「オーバフロー孔(Ueberlaufbohrungen)２０，２１」が設けられている。
【００１２】
調整弁１１は弁ケーシング２２を有している。弁ケーシングはフランジ状の拡張部２３に移行している。この拡張部は同時にマグネットケーシング１５の閉鎖部を形成している。弁ケーシング２２には、軸方向孔２４が形成されている。この軸方向孔は、電磁石１０の可動子ピン１４に対して同軸的に配置されている。この軸方向孔２４は摺動可能なスリーブ状の弁ピストン２５を収容している。この弁ピストン２５の内室２６には、圧縮ばね２７が配置されている。この圧縮ばね２７は正面側では弁ピストン２５の底部２８に、背面側では弁ケーシング２２の軸方向孔２４内に位置するばね受け２９に支持されている。弁ピストン２５の内壁に設けられた段部３０の働きにより、圧縮ばね２７がほとんど内壁に接触することなく、弁ピストン２５内に設けられる。ピストン底部２８ひいては弁ピストン２５は、外側で可動子ピン１４の前端部に当て付けられている。
【００１３】
開口３１は弁ピストン２５の内室２６と燃料噴射システムの前フィードポンプ（図示せず）とを連通させている。さらに弁ケーシング２２内では、半径方向に向けられた複数の制御開口が配置されている（これに関しては図２〜図４も参照）。これらの制御開口のうちの１つは図１から明らかであり、符号３２を付せられている。この制御開口３２は、高圧ポンプ（図示せず）の低圧領域にハイドロリック的に作用結合されている。
【００１４】
この貫流原理を逆にすることもできる。この場合開口３１が高圧ポンプの低圧領域にハイドロリック的に結合されるのに対し、制御開口３２は前フィードポンプの吐出側に結合され、ひいては調量ユニットへの供給部を形成することになる。
【００１５】
図１の上半部（つまり軸方向孔として形成された弁孔２４、弁ピストン２５および可動子ピン１４の共通の中心軸線３３の上側）は、開放位置にある調整弁１１を示している。この開放位置においては、制御開口３２は弁ピストン２５によって完全に解放されている。これに対して図１の下半部には、完全に閉鎖状態にある調整弁１１が示されている。この場合、通電された電磁石１０の磁力が、可動子ピン１４を介して弁ピストン２５に作用し、この弁ピストンを、圧縮ばね２７の抵抗に抗して、調整弁１１の前記閉鎖位置に動かす。反対に、電磁石１０の通電が相応に減じられ、ひいてはこの電磁石の、可動子１３および可動子ピン１４に作用する磁力が相応に減じられると、圧縮ばね２７は弁ピストン２５を開放位置（図１の上半部）に摺動させることができる。調整弁１０の開放位置においては、調整弁１１に制御開口３１で供給された燃料が制御開口３２を通って高圧ポンプのエレメントに向かう方向に流れる。
【００１６】
既に上で示唆したように、実際には、弁ケーシング２２の周面に分配される半径方向の制御開口は１つだけではなく、複数の制御開口が設けられていると有利であることが判っている。図２に示した変化実施例においては、合計３つの制御開口３２，３４，３５が設けられている。図３から判るように、真ん中の制御開口３２の特別な形状によって、調整弁１１の２つの制御領域が生ぜしめられる。この場合、一方では、相応に僅かな燃料供給を伴う領域１と、他方では、弁ピストン行程（磁石行程）に関連して直線的に著しく上昇する燃料供給を伴う領域２とが設けられている（図４参照）。領域１（僅かな燃料供給量）はエンジンアイドリングから下側部分負荷にまで対応する。これに対して領域２（著しく上昇する燃料供給量）は内燃機関の中間部分負荷から全負荷にまで対応する。つまり領域１の特徴は、先ず制御開口３２のスリット状の部分３６の開放面積だけが、弁ピストン２５（もしくは可動子ピン１４）の行程に関連して、フラットな特性線を有することである。この特性線は図４において符号３７を付されている。これにより内燃機関のアイドリングと下側部分負荷との良好な調整が可能である。このことは、制御開口３２のスリット状の部分３６の狭幅な、丸みをつけられた形状によって達成される。このような狭幅のスリット３６は腐食処理、打ち抜き加工またはレーザ切断加工によって形成することができる。
【００１７】
領域２の特徴は、開放面積（この場合３つに分けられた制御開口３２，３４，３５（図２）の全ての開放面積）が、弁ピン２５もしくは可動子ピン１４の行程に関連して、急勾配の特性線を有していることである（図４の線区分３８，３９，４０参照）。これにより、規定された行程のあとに相応に大きな開放面積が存在することが保証される。従って、電磁石１０の短い構造長さと、僅かなエネルギ消費とが可能になる。
【００１８】
図２に示した３つの円形の制御開口３２，３４，３５を備えた変化実施例に対して選択的に、大きな制御開放面積を相応に広幅のスリットまたは相応に大きな直径を有する１つの制御開口によって、または、弁ケーシング２２の周面に分配された、複数のスリットまたは適宜の幾何学的形状つまりジオメトリ（例えば三角形）を備えた複数の孔によって実現することもできる。
【００１９】
ここで述べる燃料調量ユニットは、それが内燃機関で運転される限りは、種々様々なタイプの乗り物（乗用車、実用車、特殊車両、船等）のために同様に使用可能である。必要とされる適合は、弁の制御開口（例えば図２において符号３２，３４，３５で示す）の開口面積の設定によって実施することができる。
【００２０】
既に述べたように、かつ図１から明らかなように、調整弁１１は電磁石１０のケーシング１５，３３内に組み込まれており、完成された燃料調量装置（１０，１１）は、高圧ポンプ内に直接的にねじ締結されている。これにより、最適に小さな構造スペースと低廉な製造とが保証される。これにより達成することができる最小のデッド容積(Totvolumen)は、その都度必要とされる燃料量の正確な調量と、高圧ポンプもしくは内燃機関の変化する所要燃料量に対する迅速な反応時間のために役立つ。
【００２１】
上述の実施例から既に明らかなように、燃料調量装置の弁のためには正確な調整可能性が重要である。このような要求は、次に述べる手段により達成される。先ず、このことのために極めて有利と判っているのは、電磁石１０の特性線を、圧縮ばね２７の特性線に対して対向するように構成することである。図５は、種々異なる磁気流を備えた４つの平行な磁石特性線４１〜４４をパラメータとして示している。（破線で示された）ばね特性線は符号４５を付されている。調整点は磁気特性線４１〜４４とのばね特性線の交差個所にそれぞれ生ぜしめられる。このような特性線対応関係はマグネットコアの特別なジオメトリならびにマグネット可動子１３およびマグネットケーシング１５の最適化された材料厚さによって達成される。大きなばね剛性（圧縮ばね２７の高い固有値(ｃ値)）が有利である。これにより、磁石特性線（４１；４２；４３；４４）とばね特性線４５との間の相応に急勾配の移行部が達成される。このことは安定的な調整点をもたらす。
【００２２】
電気的な特性値（マグネットコイル１２のインダクタンス、線材太さ、巻数）の設定ならびに磁気回路の最適化された構成は、最低限のバッテリ電圧でも、燃料調量ユニットの申し分のない機能を可能にする。
【００２３】
電磁石１０はパルス幅変調されて制御される。最適化された制御周波数はマグネット可動子１３、ひいては弁ピストン２５の運動リップル(Bewegungsrippel)を生ぜしめる。このような手段は、摩擦ヒステリシスを減じ、燃料調量ユニットの良好な動力学的特性を生ぜしめる。
【００２４】
燃料調量ユニット（１０，１１）の運転開始前には、調整弁１１の調整を行うことができる。このことはばね受け２９を弁孔２４内で適宜に軸方向に摺動させ、次いでこのばね受け２９を位置固定することにより行われる。詳細に述べるならば、この調整過程は次のように行われる。先ず、電磁石１０が規定された電流で負荷される。次いで、ばね受け２９が弁孔２４内に、制御孔（例えば図１の符号３２）から規定された容積流が生ぜしめられるまで押し込まれる。このような位置においてばね受け２９が、例えばばね受け２９が圧入部分として形成されることによって、または、弁ケーシング２２が外方から塑性変形されることによって位置固定される。このような弁調整点が最小燃料貫流量の領域内に設定されると有意義である。それというのは、これによりトレランスに対して敏感なアイドリング範囲が正確に実現可能となるからである。
【００２５】
磁力を最適化するためには、マグネットコイル１２は段部４６を有するように構成されている。これにより、電磁石１０の内側の構造スペースを最適に活用することができる。電磁石１０の作業空隙は、磁力の最適化という目的でマグネットコイル１２の真ん中に配置されている。弁ピストン２５の内部において圧縮ばね２７を無接触に案内することによって、ばね・磁石ヒステリシスを最小レベルに維持することができるので、正確な燃料調量が保証される。
【００２６】
調整弁１１全体ならびに電磁石１０は燃料によって浸されている。これにより調整弁１１はハイドロリック的に補償される。不都合な影響が調量に及ぼされることはない。燃料によって浸された電磁石１０はハイドロリック的なクッションとして作用する。このクッションは不都合な影響と摩擦摩耗とを阻止する。
【００２７】
車両のエンジンブレーキ運転中には、場合によっては生じ得る調整弁１１の漏れが高圧ポンプの噴射、ひいては、燃料噴射システムの分配管（レール）内の圧力上昇を招くことが阻止されなければならない。すなわち、燃料調量ユニット１０，１１は内燃機関のこのようなゼロフィード状態に課せられた高い要件を満たさなければならない。このために講じられた、いわゆるゼロフィード放圧(Nullfoerderungsentlastung)手段が、図６，７，８から明らかである。図面を見やすくするために、図１に示した実施例に構造的かつ機能的に対応する構成部分は、図１と同一の符号を有している。
【００２８】
ゼロフィードが所望される（電磁石１０が通電される）場合、弁ピストン２５を介して、弁ケーシング２２に設けられた別の半径方向孔４７が開放される。弁ピストン２５の開放位置（可動子ピン１４によって圧縮ばね２７の抵抗に抗して生ぜしめられる）は特に図７から明らかである。このような弁ピストン位置においては制御開口３２は、弁ピストン２５の円筒状の外周面に設けられた旋削部４８を介して、半径方向孔４７にハイドロリック的に接続されている。同時に、制御開口３２と前フィードポンプの吐出側（調整弁１１の入口３１）とのハイドロリック的な接続は遮断されている。半径方向孔４７は、通路４９を通って例えば前フィードポンプの吸込側に接続することができる。これにより、図６および図７から明らかな、弁ピストン２５の前記位置によって、制御開口３２と、この制御開口から高圧ポンプに通じる通路５０との間のハイドロリック的な接続が生ぜしめられる。これにより、高圧ポンプのポンプエレメントの手前での（不所望な）圧力発生と、これに伴う、エンジンブレーキ運転中にある内燃機関の燃焼室への（不所望な）燃料噴射とが有利に回避される。
【００２９】
図６および図７から明らかな、前述の構造的な特徴に対して選択的に、または付加的に、ゼロフィードは、図８から明らかな手段によって達成することもできる。このような目的のために、ばね受け２９の弁側の縁部は軸方向のシール座５１として構成されている。このシール座は弁ピストン２５のばね受け側の端面５２とシール作用を有するように協働する。環状のシール座５１は例えばエラストマーフラットシール座または鋼円錐シール座として形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 燃料調量ユニットの１実施例を示す鉛直方向の縦断面図である。
【図２】 図１の燃料調量ユニットの調整弁を、３つの制御開口を有する状態で、周面を展開して示す図である。
【図３】 図２の符号Ａの部分を分離して示す図である。
【図４】 図３の制御開口の開放面積を磁石行程に関連して示す線図である。
【図５】 電磁石の特性線と調整弁を操作する圧縮ばねの特性線とを有する線図である。
【図６】 図１に対して僅かに変更を加えた（縮小して示した）燃料調量ユニットの鉛直方向の縦断面図である。
【図７】 図６の矢印Ｂの部分を図６に対して拡大して示す図である。
【図８】 図７の符号Ｃの部分を示す変化実施例である。

Claims (13)

1. 内燃機関のための燃料噴射系であって、分配管と機関回転数に応じて駆動される高圧ポンプとが設けられており、該高圧ポンプが内燃機関のその都度の運転状態で分配管内に必要とされる燃料圧および燃料装入量を生ぜしめるために使用され、さらに、高圧ポンプに燃料調量ユニットが対応配置されており、燃料調量ユニットが電磁式に操作される調整弁を備えている形式のものにおいて、
   燃料調量ユニット（１０，１１）が高圧ポンプ内に配置されており、調整弁（１１）の出口（３２，３４，３５）が高圧ポンプの低圧領域内に開口しており、
   調整弁（１１）の入口（３１）が前フィードポンプの吐出側に接続されており、
   調整弁（１１）が弁ケーシング（２２）を有しており、
   弁ケーシング（２２）の壁に、少なくとも１つの、有利には複数の半径方向の制御開口（３２，３４，３５）が配置されており、該制御開口が、高圧ポンプの吸込側に接続されており、
   弁ピストン行程に応じて少なくとも２つの制御領域が生ぜしめられるように、制御開口（３２，３４，３５）が成形され、かつ／または、配置されていることを特徴とする、内燃機関のための燃料噴射系。
2. 調整弁（１１）が、開放位置へ向けて圧縮ばね（２７）によって負荷される弁ピストン（２５）を有しており、該弁ピストンが、電磁石（１０）の可動子ピン（１４）によってばね力に抗して閉鎖位置へ向けて操作可能である、請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 調整弁（１１）が電磁石（１０）のケーシング（１５）に軸方向に接続されており、弁ケーシングの端面に軸方向の開口（３１）が配置されており、該開口が、前フィードポンプの吐出側に接続されている、請求項１または２記載の燃料噴射系。
4. 弁ピストン行程を開始するために、内燃機関のアイドリングおよび下側部分負荷に対応する、制御開口（３２，３４，３５）の第１の制御領域（領域１）が設けられており、更なる弁ピストン行程において、内燃機関の部分負荷および全負荷に対応する、制御開口（３２，３４，３５）の第２の制御領域（領域２）が設けられている、請求項１記載の燃料噴射系。
5. 制御開口の開口面積が、弁ピストン行程に関連して、第１の制御領域（領域１）では小さな上昇角度を備えたフラットな特性線（３７）を有し、第２の制御領域（領域２）では大きな上昇角度を備えた急勾配の特性線（３８；３９；４０）を有するように、制御開口（３２，３４，３５）が構成されている、請求項１または４記載の燃料噴射系。
6. 電磁石（１０）の特性線（４１〜４４）が、弁ピストン（２５）を負荷する圧縮ばね（２７）の特性線（４５）に対して対向して延びるように設定されている、請求項２から５までのいずれか１項記載の燃料噴射系（図５）。
7. 電磁石（１０）が、分配管（レール）内に配置された燃料・圧力センサによってパルス幅を変調されて制御可能である、請求項２から６までのいずれか１項記載の燃料噴射系。
8. 弁ピストン（２５）がスリーブ状に構成されていて、該弁ピストンの内室（２６）に、弁ピストンを開放位置に負荷する圧縮ばね（２７）を収容しており、該圧縮ばね（２７）が背後で弁ケーシング（２２）の弁孔（２４）内に配置されたばね受け（２９）に支持されている、請求項２から７までのいずれか１項記載の燃料噴射系。
9. 調整弁（１１）が、弁孔（２４）内でばね受け（２９）を相応に軸方向に摺動し次いで位置固定することによって調整可能である、請求項８記載の燃料噴射系。
10. 燃料調量装置（１０，１１）全体が高圧ポンプ内に直接的に組み込まれ、有利にはねじ締結されており、調整弁（１１）も電磁石（１０）も燃料に浸されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の燃料噴射系。
11. ポット状のマグネットケーシング（１５）内に挿入された、電磁石（１０）のコイル（１２）が、プラスチック周壁（１７）で、該プラスチック周壁の射出成形時に完全に取り囲まれて固定されている、請求項１０記載の燃料噴射系。
12. 弁ピストン（２５）が円筒形の周面に旋削部（４８）を有しており、弁ケーシング（２２）内に、前フィードポンプの吸込側に接続された半径方向孔（４７）が配置されていて、弁ピストン（２５）の閉鎖位置では、半径方向の制御開口（３２）が弁ピストンの旋削部（４８）によって、弁ケーシング（２２）の半径方向孔（４７）にハイドロリック的に接続されている、請求項２から１１までのいずれか１項記載の燃料噴射系（図６および図７）。
13. ばね受け（２９）の、弁ピストン（２５）に向いた縁部に、軸方向のシール座（５１）が形成されており、該シール座は弁ピストン（２５）の閉鎖位置で、該弁ピストンの、ばね受け（２９）に向いた縁部（５２）とシール性を有するように協働する、請求項８から１２までのいずれか１項記載の燃料噴射系（図８）。

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