JP4418594B2

JP4418594B2 - 着座ピンアクチュエータを備える油圧作動燃料噴射器

Info

Publication number: JP4418594B2
Application number: JP2000587071A
Authority: JP
Inventors: トーマスジー．オースマン; スティーブンワイ．チアン
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1998-12-04
Filing date: 1999-11-19
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2019-11-19
Also published as: DE69918058T2; EP1053397A1; EP1053397B1; DE69918058D1; WO2000034647A1; JP2002531769A; US6364282B1

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は一般に燃料噴射器、より詳しくは、直接制御のチェック弁部材を備える油圧作動の燃料噴射器および燃料噴射システムおよびそれを用いる方法に関する。
【０００２】
（背景）
既知の油圧作動燃料噴射システムおよび/または構成部品は、例えば、１９９２年６月６日にＡｕｓｍａｎ他へ発行された米国特許第５，１２１、７３０号、１９９３年１２月２１日にＭｅｉｎｔｓ他へ発行された米国特許第５，２７１、３７１号，および１９９４年３月２９日にＨａｆｎｅｒ他へ発行された米国特許第５，２９７、５２３号に示されている。これらの油圧作動の燃料噴射器においては、スプリングで偏倚されたチェック弁部材が、増圧ピストン／プランジャアセンブリにより圧力が弁開口圧にまで上昇されたときに、燃料噴射を開始すべく開く。増圧ピストンは、ソレノイド駆動の作動流体制御弁が噴射器の高圧入口を開いたとき、エンジン潤滑油のような比較的高圧の作動流体により作動される。噴射は、増圧ピストンの圧力を解放すべくソレノイドを消磁することで終了される。これは、順に、燃料圧力の低下を生じさせ、チェック弁がそのリターンスプリングの作動の下で閉じ、噴射の終了を生じさせる。
【０００３】
直接制御のチェック弁を備える油圧作動の燃料噴射器は、１９９８年４月１４日にＣｈｅｎ他へ発行された米国特許第５，７３８、０７５号に教示されている。直接制御のチェック弁を備える燃料噴射器においては、高圧の作動流体がまた、チェック弁部材の閉鎖油圧面に圧力を加えるチェック制御チャンバに流用される。直接制御のチェック弁は、一般に、作動流体制御弁よりも速く応答するので、直接制御のチェック弁は、燃料圧力の低下が生ずる前に、チェック弁部材をより迅速に閉じるか、または代わる代わりに極めて迅速に開および閉するために用いられ得る。
【０００４】
この形式の油圧作動燃料噴射器の作動が図２−に示されており、ここでは、単一の二方向アクチュエータが、チェック制御弁のチェック弁部材の迅速な応答に対する作動流体制御弁のヒステリシス（遅れ）作用を利用して、作動流体制御および直接のチェック制御の両者を制御している。この燃料噴射器１０１は、増圧制御通路１０９を作動流体入口１０６または低圧の作動流体ドレン１０４に交互に開くのに単一の二方向ソレノイド１３０を利用し、そして、チェック制御チャンバ１１８の作動流体入口１０６または作動流体ドレン１０４への露出を制御するのにも、同じソレノイド１３０を用いている。
【０００５】
噴射器１０１は、分岐レール通路（３８）に接続されている作動流体入口１０６、作動流体還流ラインに接続されている作動流体ドレン１０４、および燃料供給通路に接続されている燃料入口１２０を有する噴射器本体１０５を含んでいる。噴射器１０１は、各噴射の際、噴射器内で燃料を加圧する油圧手段、および、ノズル出口１１７の開および閉を制御するチェック制御弁（１６０）を含んでいる。
【０００６】
燃料を加圧する油圧手段は、ピン１３５に取付けられた二方向ソレノイド１３０を含む作動流体制御弁（２０３）を含んでいる。増圧スプール弁部材１４０は、ピン１３５およびボール弁部材１３６の動きに応答し、増圧制御通路１０９を作動流体入口１０６または低圧ドレン１０４に交互に開く。増圧制御通路１０９は段付きピストンボア１１０，１１５に開いており、段付きピストンボア内で増圧ピストン１５０は、戻り位置(図２および３に示される）と前方位置（不図示）との間を往復する。
【０００７】
噴射器本体１０５はまた、プランジャボア１１１を含み、この中を、プランジャ１５３が引込み位置（図２および４に示される）と前進位置（不図示）との間で往復する。プランジャボア１１１とプランジャ１５３との一部は燃料加圧チャンバ１１２を画成し、この中で、燃料が各噴射の際に加圧される。プランジャ１５３および増圧ピストン１５０は、圧縮スプリング１５４の作用の下に、噴射の間にそれらの引込み位置に戻される。
【０００８】
このように、燃料を加圧する油圧手段は、燃料加圧チャンバ１１２、プランジャ１５３、増圧ピストン１５０、作動流体入口１０６、増圧制御通路１０９および作動流体制御弁の種々の構成部品を含み、その構成部品はソレノイド１３０、ボール弁部材１３６、ピン１３５、および増圧スプール弁部材１４０、その他を含む。
【０００９】
燃料は燃料入口１２０において噴射器１０１に入り、プランジャ１５３が引込むとき、ボールチェック１２１を過ぎ、隠れた燃料供給通路１２４に沿って燃料加圧チャンバ１１２に移動する。ボールチェック１２１は、プランジャの下方へのストロークの際、燃料加圧チャンバ１１２から燃料供給通路１２４への燃料の逆流を防止する。加圧された燃料は、燃料加圧チャンバ１１２から接続通路１１３を経てノズルチャンバ１１４に移動する。チェック弁部材１６０は、ノズルチャンバ１１４内で、ノズル出口１１７が開かれる開位置とノズル出口１１７が閉じられる閉位置との間を動く。
【００１０】
チェック弁部材１６０は、下側チェック部分１６１とスペーサ１６４および１６６で分離された増圧部分１６２とを含み、スペーサ１６４と増圧部分１６２との間に縮設された圧縮スプリング１６５によってその閉位置に機械的に偏倚されている。かくて、チェック弁部材１６０が閉じられ且つチェック制御チャンバ１１８が低圧側に開いているとき、増圧部分１６２はその上側ストッパに対し押されている。
【００１１】
チェック弁部材１６０は、ノズルチャンバ１１４の流体圧力に曝された開油圧表面１６３、および、チェック制御チャンバ１１８の流体圧力に曝された閉油圧表面１６７を含んでいる。閉油圧表面１６７および開油圧表面１６３は、チェック制御チャンバ１１８が高圧の流体源に開口されたとき、チェック弁部材１６０がその閉位置に向けて油圧的に偏倚されるように寸法付けられ且つ配列されている。かくて、ノズルチャンバ１１４内に弁開圧よりも高い圧力の燃料が存在するにもかかわらずノズル出口１１７を閉状態に保つべく、閉油圧表面１６７に適切な圧力が存すべきである。開油圧表面１６３および閉油圧表面１６７はまた、好ましくは、チェック制御チャンバ１１８が低圧通路に接続され、ノズルチャンバ１１４内の燃料圧力が弁開圧よりも高いとき、チェック弁部材１６０がその開位置に向けて油圧的に偏倚されるように寸法付けられ且つ配列されている。
【００１２】
噴射器１０１への燃料の作動流体制御弁領域において、二方向ソレノイド１３０がピン１３５に取付けられている。反発的ソレノイド１３０が消磁されると、高圧の油圧流体の油圧力がボール弁部材１３６を上側シート１７２に対して押すので、ピン１３５は引込み位置に押される。この位置では、高圧作動流体が下側シート１７３を過ぎて流れ、増圧スプール弁部材１４０の端部油圧表面１４１に接触する。高圧作動流体の端部油圧表面１４１に対する力は、スプール弁部材１４０の底端部に対する高圧作動流体の力と釣合い、結果として、圧縮スプリング１４５がスプール弁部材１４０をその下側位置に押すことができる。
【００１３】
スプール弁部材１４０がその下側位置にあるときは、増圧制御通路１０９は、スプール弁内部１４７から高圧アクセスシート１７１を過ぎる高圧作動流体を受けることから遮断されるが、代わりに、ドレンアクセスシート１７０を過ぎて作動流体ドレン１０４に開口する。
【００１４】
ソレノイド１３０が励磁されると、ピン１３５が下方に動き、ボール弁部材１３６に上側シート１７２を開かせ、下側シート１７３を閉じさせる。これは、端部油圧表面１４１を、第二のドレン１０８に接続されているドレン通路１２９内の低圧へ露出させる。これは、増圧スプール弁部材１４０における油圧的不釣合を創成し、ドレンアクセスシート１７０を閉じ且つ高圧アクセスシート１７１を開くべく、圧縮スプリング１４５の作用に対抗してスプール弁部材１４０を上方に動かすことになる。
【００１５】
これは、作動流体が、入口１０６から増圧スプール弁部材１４０の中空内部１４７へ高圧アクセスシート１７１を過ぎて半径方向開口１４６を通って流れること、および、増圧制御通路１０９へ流れることを許容し、増圧ピストン１５０の段付き頂部１５５，１５６に作用する。
【００１６】
このように、ソレノイド１３０が励磁された状態では、チェック弁部材１６０の閉油圧表面１６７が低圧通路に曝され、チェック弁部材が単純なチェック弁と同じように挙動し始める。単純なチェック弁では、もしもノズルチャンバ１１４内の燃料圧力が戻りスプリング１６５に打勝つに十分な弁開圧より高ければ、開くであろう。
【００１７】
ＣａｔｅｒｐｉｌｌａｒＩｎｃ．により製造された第一世代のＨＥＵＩ−Ｂ(商標）のような直接制御のチェック弁を備えた油圧作動燃料噴射器は非常に良く作動する。しかしながら、作動流体制御弁、高圧の作動流体を噴射器に導入する重要な構成部品に対する改良が望まれている。
【００１８】
これは、上述のようなボールおよびピン配列を利用したソレノイド駆動の作動流体制御弁は、非常に高い圧力の作動流体を使用するとき、圧力耐性の問題を受けるからである。ある場合には、ソレノイドの力は、非常に高い作動流体圧に打ち勝つには不充分である。他の時には、ソレノイドの力を十分強くすることもできるが、ソレノイドを作動させるに必要な電気エネルギが高くなる。
【００１９】
このボールおよびピンデザインでは、ソレノイドがオンされ、接極子に取付けられたピンが、ボールを下側シートに押すべく下方に動くとき、ソレノイドの力はボールの底表面を押しているレール圧力に打勝つ必要がある。噴射中には、ソレノイドの力が、ボールをレール圧に対抗して保持しなければならない。
【００２０】
ソレノイドがオフされた後、レール圧がボールを上側シートに押し付け、そこに保持する。ボールの動きは、ソレノイド力のみならず、作動状態により変化し、また噴射毎に変わるレール圧にも依存するので、ボールの動きは噴射毎に安定せず、上側シートおよび下側シートの間を動くのに要する時間がレール圧と共に変わる。レール圧に依存することは、安定性の欠如、圧力耐性の欠如および高いソレノイド電流の直接的な原因である。
【００２１】
さらに、このボールおよびピンデザインにおける取付不良は、構造的欠陥へ導き、重大な寿命および空隙の変化に帰する。これは次いで、噴射器性能上の重大な変化に導くことになる。加えて、変動する作動流体圧に起因する安定性の問題が存し得、これは燃料の分配およびタイミングにおける望ましくない噴射毎の変動へと導く。
【００２２】
これらおよび他の領域において、チェック弁の制御応答速度、チェック弁の制御応答タイミング、ノイズの低減およびアイドル状態における安定性を含む改良は有利であろう。
【００２３】
出願人の発明は、これらの考察の一つ以上に対応することに向けられている。
【００２４】
(発明の開示）
本発明による油圧作動燃料噴射器用の作動流体制御弁は、入口シート、ボア軸およびボア壁を有するボア、作動制御キャビティ、低圧作動流体ドレン、燃料噴射器の外部からボアへ高圧の作動流体を入れる作動流体入口、作動制御キャビティとボアとの間の境界における入口シート、および、作動制御キャビティと作動流体ドレンとの間の境界におけるドレンシートを有する弁本体を備えている。アクチュエータが弁本体に取付られている。作動弁部材がボア内に摺動可能に配置され、ボア内に流体進入チャンバを部分的に画成する入口ピン表面を有している。作動弁部材はアクチュエータに応答して第一の位置および第二の位置間を摺動可能である。第一の位置では、作動制御キャビティが流体進入チャンバを経て作動流体入口に開口し、作動弁部材は作動制御キャビティが作動流体ドレンから流体的に隔離されるようにドレンシートに対して保持されている。第二の位置では、作動制御キャビティが作動流体ドレンに開口し、作動弁部材は作動制御キャビティが作動流体入口から流体的に隔離されるように入口シートに対して保持されている。
【００２５】
（詳細な説明）
さて図１を参照するに、直噴ディーゼルサイクル内燃機関１２用に適合された油圧作動電子制御燃料噴射システム１０の実施例が例示として示されている。燃料システム１０は一つ以上の油圧作動電子制御燃料噴射器１５を含み、これらは、エンジン１２のそれぞれのシリンダヘッドボア内に位置されるべく適合されている。燃料システム１０は、各々の燃料噴射器１５に作動流体を供給する装置ないしは手段１６、各々の燃料噴射器に燃料を供給する装置ないしは手段１８、燃料噴射システムを電子的に制御する電子制御モジュール２１を含むコンピュータ２０、および、作動流体を還流し各々の噴射器を去る作動流体から油圧エネルギを回収する装置ないしは手段２２を含んでいる。
【００２６】
作動流体供給手段１６は、好ましくは、作動流体還流手段２２、作動流体貯め２４、比較的低圧の作動流体転送ポンプ２６、燃料噴射器１５の作動流体ドレンと還流手段２２とを接続する還流ライン２７、作動流体冷却器２８、一つ以上の作動流体フィルタ３０、作動流体に比較的高圧を発生する高圧ポンプ３２、還流手段２２と作動流体供給手段１６とを接続する還流ライン３３、および、少なくとも一つの比較的高圧な作動流体マニフォルド３６を含んでいる。共通レール通路３８が比較的高圧な作動流体ポンプ３２からの出口と連通して配列されている。レール分岐通路４０が各燃料噴射器１５の作動流体入口を高圧の共通レール通路３８に接続している。
【００２７】
燃料供給手段１８は、好ましくは、燃料タンク４２、燃料タンク４２と各燃料噴射器１５の燃料入口６０（図２）とに連通して配列された燃料供給通路４４、比較的低圧の燃料転送ポンプ４６、一つ以上の燃料フィルタ４８、燃料供給調整弁４９、および、燃料噴射器１５と燃料タンク４２とに連通して配列された燃料循環戻り通路４７を含んでいる。
【００２８】
図５−７は、本発明による作動流体制御弁２０３を有する燃料噴射器１５の一実施例を示している。この個別な実施例は直噴ディーゼルサイクル内燃機関用に適合されているが、本発明は他の形式のエンジンにおける燃料噴射器１５にも用いられ得る。本発明による作動流体制御弁２０３を有する燃料噴射器１５は、図１に示され且つ上述の燃料噴射システム１０に用いられ得る。この実施例の構成部品および部分が図５−７を参照して以下に説明される。
【００２９】
この実施例の燃料噴射器１５は、本発明を利用する他の実施例がピエゾスタックまたは他のアクチュエータ２０５を用いることもできるが、単一吸引の二方向電磁アクチュエータ２０５を利用している。アクチュエータ２０５は、アクチュエータボア壁２１３を有するアクチュエータボア２１１内に摺動自在に配置された作動弁部材２０９が取付けられている、接極子２０７を含んでいる。作動弁部材２０９は二つの位置の間を摺動可能である。第一の位置においては、作動弁部材２０９はドレンシート２１５に係合し、第二の位置においては、作動弁部材２０９は入口シート２１７に係合する。アクチュエータスプリング２２０が接極子２０７、ひいては取付けられた作動弁部材２０９を第一の位置に向けて偏倚させている。
【００３０】
作動弁部材２０９は、アクチュエータボア２１１内に流体進入チャンバ２２１を部分的に画成するほぼメニスカス形状の入口ピン表面２１９を有している。流体進入チャンバ２２１は、作動流体入口２２３を通って燃料噴射器１５に入る高圧作動流体源に連通されている。作動弁部材２０９はまた、低圧の作動流体ドレン２２７に露出されている円錐形状のドレンピン表面２２５を有している。
【００３１】
作動弁部材２０９はまた、チェック弁部材２３７の閉じ油圧表面２３５によって部分的に画成されているチェック制御チャンバ２３３と連通されているチェック制御キャビティ２３１に露出された中央ピン表面２２９を有している。このチェック制御キャビティ２３１はまた、スプール弁ボア２４３内に摺動可能に配置されたスプール弁部材２４１の下端油圧表面２３９に連通されている。スプール弁部材２４１は、スプール弁スプリング２４５によって（図５−７に対して）上方向に偏倚され、そして、下端油圧表面２３９からスプール弁部材２４１の端部に上端油圧表面２４７を有している。
【００３２】
スプール弁部材２４１は、段付きピストンボア２５５内に摺動可能に配置された増圧ピストン２５３の段付き頂部２５１と連通された増圧制御通路２４９を部分的に画成している。増圧ピストン２５３は、プランジャ２５９を囲むプランジャスプリング２５７によって上方に偏倚されている。プランジャ２５９の一部は段付きピストンボア２５５内に上方に延出している。
【００３３】
プランジャボア２６１内のプランジャ２５９の下方には、燃料入口２６５を通って燃料噴射器１５に入る燃料の供給により給餌される燃料加圧チャンバ２６３がある。燃料加圧チャンバ２６３は、チェック弁部材２３７の下側チェック部２７１を囲むノズルチャンバ２６９と接続通路２６７を介して連通されている。ノズルチャンバ２６９は、加圧された燃料が燃料噴射器１５を去るのを許容する複数のノズル出口２７３を備えている。
【００３４】
この個別の実施例のチェック弁部材２３７は、概ね、下側チェック部２７１および上側チェック部２７５を備えると考えることができる。下側チェック部２７１は、ノズルスリーブ２７７のノズルスリーブボア２７９内に摺動可能に配置され、ノズルチャンバ２６９内に延出している。ノズルチャンバ２６９内では、下側チェック部２７１の下側チェック案内部２８１がノズルボア２８３内に摺動可能に配置されている。本発明を利用する燃料噴射器１５の他の実施例では、下側チェック案内部を欠いてもよい。
【００３５】
チェック弁部材２３７の上側チェック部２７５は、閉じ油圧表面２３５を備え、チェック制御チャンバ２３３内に摺動可能に配置されている。チェック弁部材２３７は、この実施例ではチェック制御チャンバ２３３にあるチェックスプリング２８５により下方に偏倚されている。
【００３６】
図８Ａおよび図８Ｂは、シート形態の二つの異なる形式を示している。図８Ａにおいては、作動弁部材３０９がドレンシート３１５に外径（ＯＤ）着座形態で着座しており、ここでは、接触点が作動弁部材３０９の外径と一致する。図８Ｂにおいては、作動弁部材３０９がドレンシート３１６に内径（ＩＤ）着座形態で着座しており、ここでは、接触点が作動弁部材３０９の内側の径と一致する。
【００３７】
図８Ｃは、円錐形状のドレンピン表面３２５を有する作動弁部材３０９を過ぎる油圧流体流れを示している。
【００３８】
図８Ｄは、切頭形状のドレンピン表面３２６を有する作動弁部材３１０を過ぎる油圧流体流れを示している。
【００３９】
図９は本発明による作動弁部材２１０の他の実施例を示し、ここでは、対応する同一要素を示すのに図６で用いられたのと同じ要素番号が用いられている。図６に示された円錐形状のドレンピン表面２２５とは対照的に、この実施例の作動弁部材２１０は、平坦化された、すなわち、切頭されたドレンピン表面２２６を有している。
【００４０】
（産業上の利用可能性）
本発明による着座ピンアクチュエータ弁は、ボールおよびピンアクチュエータ弁が有しているのと同じ機能を遂行するが、いくつかの重要な相違がある。一つは、着座ピンアクチュエータ弁は圧力平衡されており、それ故に、レール圧から独立している。この理由により、接極子および作動弁部材（ピン）の動きは、磁力およびスプリング力のみに依存する。接極子の運動の反復は、噴射毎のレール圧力の変動には無関係であり、これは、噴射器の安定性、特にアイドル状態における改良につき重大である。
【００４１】
着座ピンは、ボールおよびピンデザインに比べるとピンリフトが小さい。開および閉位置における有効流れ面積は、ピンリフトにおけるかなり大きな減少を伴って達成される。着座ピンデザインは、前ボール移動（接極子が、ボールに対するレール圧に打勝つために、ボールに当る前に動かなければならない距離）を排除し、ソレノイドと接極子との間の初期空隙が大幅に減少される。
【００４２】
より小さなピンリフトは、上側および下側シート間のピンの移動時間を減じ、アイドルスプリット噴射のための最小ドエル時間を減少させる。より小さな初期空隙は、ソレノイド力を驚くほど改善し、引込み電流および継続時間が驚くほど低減される。
【００４３】
さて、図１に示された油圧作動電子制御燃料噴射システム１０を参照するに、燃料噴射器１５は、作動流体供給手段１６からポンプ３２および共通レール３６を経て高圧の作動流体を受け取る。各燃料噴射器15の作動流体ドレン２６を去る作動流体は、油圧エネルギ還流または回復手段２２にそれを運ぶ還流ライン２７に入る。還流された作動流体の一部は高圧作動流体ポンプ３２に向けられ、他の部分は還流ライン３３を経て作動流体供給手段１６の作動流体貯め２４に戻される。
【００４４】
燃料噴射器１５は、燃料供給手段１８から燃料供給通路４４を経て、燃料が燃料転送ポンプ４６および燃料フィルタ４８を通過した後に燃料を受取る。
【００４５】
本発明においては、作動流体として、全ての利用可能なエンジン流体が好ましく用いられる。しかしながら、好ましい実施例では、作動流体はエンジン潤滑油であり、作動流体貯め２４はエンジン潤滑油貯めである。このことは、燃料噴射システム１０がエンジンの潤滑油循環システムに対する寄生的サブシステムとして接続されることを許容する。代わりに、作動流体は燃料タンク４２によりもたらされる燃料または冷却流体のような他の源であってもよい。
【００４６】
コンピュータ２０は、好ましくは、燃料噴射タイミング、噴射サイクル中の全燃料噴射量、燃料噴射圧、分離噴射の数すなわち各噴射サイクル中の噴射区分、噴射区分間の時間間隔、噴射サイクル中の各噴射区分の燃料量作動流体圧力、上記パラメータの組合せを制御する電子制御モジュール１１を含んでいる。コンピュータ２０は、複数のセンサ入力信号Ｓ₁ − Ｓ₈を受取る。これらは、後続の噴射サイクルのための噴射パラメータの正確な組合せを決定するのに用いられるエンジン作動状態、負荷等の既知のセンサ入力に対応する。この実施例では、コンピュータ２０は、作動流体圧力を制御すべく制御信号Ｓ₉、および各燃料噴射器15内の作動流体制御弁（２０３）を制御すべく制御信号Ｓ₁₀を発する。噴射パラメータの各々は、エンジン速度および負荷とは独立に変更して制御可能である。燃料噴射器１５の場合には、制御信号Ｓ₁₀はコンピュータに命じられるアクチュエータ２０５への電流である。
【００４７】
さて、各燃料噴射器15の作動が図５-７を参照して説明される。作動弁部材２０９がその第一の位置にあるとき、チェック制御キャビティ２３１は作動流体入口２２３からの高圧作動流体と連通しており、高圧作動流体が、スプール弁部材２４１の上端油圧表面２４７を下向きに押している高圧作動流体の力と釣り合わせるべく、スプール弁部材２４１の下端油圧表面２３９を押している。結果として、スプール弁スプリング２４５によりもたらされている偏倚力が、増圧制御通路２４９が作動流体ドレン２２７に開口するような位置に、スプール弁部材２４１を保持している。
【００４８】
ピストンを押し下げているのは低圧のみであるから、プランジャスプリング２５７によりもたらされている偏倚力が、増圧ピストン２５３を燃料加圧チャンバ２６３内の加圧燃料から保っている。従って、ノズルチャンバ２６９内には低圧の燃料のみが存在する。チェック弁部材２３７の閉油圧表面２３５を下向きに押している油圧流体の力がないにしても、チェックスプリング２８５によりもたらされている偏倚力は、チェック弁部材２３７を下向きに押して、燃料がノズル出口２７３に到達するのを遮断するように保持するのに十分である。
【００４９】
燃料噴射を開始するには、アクチュエータ２０５が励磁され、接極子２０７を引付け且つまた作動弁部材２０９を第二の位置まで引付ける。このデザインの一つの望ましい特徴は、作動弁部材２０９のメニスカス形状の入口ピン表面２１９が、作動流体入口２２３における作動弁部材２０９の水平方向表面を大きく排除していることである。流体進入チャンバ２２１内に鋭利な角部がないことが油圧流体のより滑らかな流れとなる。
【００５０】
加えて、このデザインによれば、作動弁部材２０９の軸に沿う、高圧作動流体の圧力により生じさせられる正味の力は無視できる。その理由は二つある。第一に、高圧作動流体は流体進入チャンバ２２１に側方から入るので、入口ピン表面２１９の上向き水平方向表面積成分の合計は、入口ピン表面２１９の下向き水平方向表面積成分の合計と等しい。従って、高圧作動流体は、作動弁部材２０９が第二の位置にあり、流体進入チャンバ２２１を通る流体の流れがないときは、作動弁部材２０９に上向きまたは下向きのいずれの正味の力をも加えず、結果として、流体進入チャンバ２２１内の油圧流体は本質的に静的である。
【００５１】
さらに、入口ピン表面２１９の水平方向成分を最小化し且つ流体進入チャンバ２２１の幅および/または深さを垂直方向に対称となる方法で、例えば、図示の実施例のように調整すべく、入口ピン表面をテーパ付けている。図示の実施例では、流体進入チャンバ２２１はその頂部および底部の両者において極めて小さな深さを有し、作動弁部材２０９が第一の位置にあり、流体が流体進入チャンバ２２１を通り入口シート２１７を過ぎて流れるとき、流体進入チャンバ２２１を通って流れる高圧作動流体の速度の垂直方向対称性を創成している。流体力学の知識で理解されるように、流体速度の垂直方向対称性は、付加的な正味垂直力が、油圧流体の速度により発生される油圧流体の圧力の変動のせいで導入されることから守ることができる。
【００５２】
この圧力平衡デザインは、以前のデザインに対し、燃料分配およびタイミングにおいて噴射毎の変動を減少させる結果となる。何故ならば、作動弁部材２０９を動かす力は作動流体圧力における変動から本質的に独立しているからである。加えて、図２−４に示されたような、アクチュエータ２０５が、高圧作動流体の力に対抗して押さなければならないデザインに比べて、アクチュエータ２０５に要求される電気エネルギはより少ない。着座ピンの作動弁部材２０９が比較的小さな質量であるという少なくとも部分的な理由で、以前のデザインに対し、より速いチェック弁の制御応答性が存し、且つ、ノイズが低減する。
【００５３】
作動弁部材２０９が第二の位置にあるとき、作動流体入口２２３からの高圧作動流体は、チェック制御キャビティ２３１およびスプール弁部材２４１の下端油圧表面２３９に到達することが阻止される。同時に、作動弁部材２０９の第二の位置は、チェック制御キャビティ２３１を低圧の作動流体ドレン２２７に開口させる。
【００５４】
しかしながら、高圧作動流体はスプール弁部材２４１の上端油圧表面２４７を今なお押している。スプール弁部材２４１の下端油圧表面２３９を押しているのは今や低圧のみであるので、上端油圧表面２４７上の油圧流体の力はスプール弁スプリング２４５によりもたらされている偏倚力に打勝つには十分である。結果として、スプール弁部材２４１は下方に動き、増圧制御通路２４９を作動流体ドレン２２７から閉じ、一方、増圧制御通路２４９を作動流体入口２２３から高圧作動流体へ開口させる。このことは、プランジャスプリング２５７によりもたらされている偏倚力に打勝つに十分な大きさの力で増圧ピストン２５３を押し下げることになる。
【００５５】
高圧作動流体の力により押し下げられると、増圧ピストン２５３はプランジャ２５９を押し下げ、燃料加圧チャンバ２６３内の燃料を加圧する。加圧された燃料は接続通路２６７を通ってノズルチャンバ２６９に流れる。チェック弁部材２３７の閉油圧表面２３５に対しては今や低圧のみしか存しないので、ノズルチャンバ２６９内において加圧された燃料によりもたらされる力は、チェックスプリング２８５によりもたらされている偏倚力に打勝つに十分である。結果として、チェック弁部材２３７は上方に動き、高く加圧された燃料が燃料噴射器１５から、例えば、エンジンの燃焼室内に排出するのを許容する。
【００５６】
燃料噴射を終了させるためには、アクチュエータ２０５が消磁され、アクチュエータスプリング２１６が作動弁部材２０９を第一の位置に戻して動かすことを許容する。この位置では、チェック制御キャビティ２３１が作動流体ドレン２２７から閉じられ、作動流体入口２２３からの高圧作動流体に連通される。これは、高圧作動流体がスプール弁部材２４１の下端油圧表面２３９に加えられるのを生じさせ、再度、スプール弁部材２４１の上端油圧表面２４７に対する高圧作動流体の力と釣り合わさせる。
【００５７】
スプール弁スプリング２４５によりもたらされている偏倚力は、今や、スプール弁部材２４１を上方に動かすことができ、増圧制御通路２４９からの高圧作動流体の供給を切り離し、作動流体ドレン２２７に曝すことによって、増圧制御通路２４９内の圧力を解放する。プランジャスプリング２５７によりもたらされている偏倚力は、今や、増圧ピストン２５３を上方に押すことができる。これは、燃料加圧チャンバ２６３内、ひいてはノズルチャンバ２６９内の燃料の圧力を低減させ、チェックスプリング２８５によりもたらされている偏倚力がチェック弁部材２３７をその閉位置に向けて押すことを許容する。
【００５８】
しかしながら、高圧作動流体がスプール弁部材２４１を移動させ、そして増圧ピストン２５３を押し下げるためには、ある時間を要する。チェック制御キャビティ２３１内の高圧作動流体はチェック制御チャンバ２３３に到達し、そして、質量の小さなチェック弁部材２３７により迅速に作用する。ノズルチャンバ２６９が、今なお、高く加圧された燃料を包含しているとしても、チェック制御チャンバ２３３内の増大された圧力とチェックスプリング２８５によりもたらされている偏倚力との組合せが、ノズルチャンバ２６９内の燃料の圧力に打勝つ。このことは、チェック弁部材２３７の瞬時の閉じを生じさせ、そうでないときに得られるよりも、噴射サイクルのより急激な終了をもたらす。
【００５９】
加えて、スプール弁部材２４１の相対的遅れによるヒステリシスの影響のせいで、スプール弁部材２４１が増圧制御通路２４９からの高圧作動流体の供給を遮断すべく上方に移動できる前でさえも、チェック弁部材２３７を、その閉油圧表面２３５に作用させることにより直接に制御すべく、アクチュエータ２０５は急激にオンおよびオフされ得る。このようにすることは、チェック弁部材２３７を噴射サイクル中何時でも望むなら何回も開閉することを可能にする。例えば、この特徴は、エンジンのエミッションを低減するため、あるいは、他の理由のために、噴射サイクルの始めの「パイロット」の後の短い遅れ燃料噴射を生じさせるのに用いられ得る。
【００６０】
着座形態の選択は、燃料噴射器の寿命に亘り燃料の成長を制御する噴射器１０の性能にとって極めて重要である。ポペット弁については、上述したように二つの着座形態：ＯＤ（図８Ａ）およびＩＤ（図８Ｂ）がある。着座形態の選択は、接触領域において磨耗が生ずるにつれて、シール長さ(ピンとシートとの間の実際の接触円環の幅）の成長方向に影響する。ＯＤ着座弁については、シール長さが弁の中心に向かって成長する。ＩＤ着座弁については、シール長さが弁の中心から離れて成長する。
【００６１】
図示の実施例における着座形態の選択は、弁の実際の作動状態と時間に亘るシール長さの成長の制御を考慮することに基づいている。弁構成部品に対するシートにおける圧力（閉じたとき）は、シートが閉じられたときのピンとそれぞれのシートとの間の上流側接触点によって定められる着座直径と共に変わるということが理解されよう。図示の実施例については、図９に最も明瞭に示されているように、入口シート２１７，２１８はＩＤ着座であり、ドレンシート２１５、２１６はＯＤ着座である。
【００６２】
入口シート２１７，２１８は二つの理由でＩＤ着座されている。入口シート２１７，２１８はピンが第二の位置にあるとき圧力平衡されねばならず、且つ、着座直径の成長がピンの運動にそれ程悪影響を与えてはならないのである。入口シート２１７，２１８の着座直径は、アクチュエータボア２１１の直径と同じである。もしも、入口シート２１７，２１８がＯＤ着座されていれば、着座直径はアクチュエータボア２１１の直径よりも大きく、着座直径がシートの磨耗につれて変わるであろう。
【００６３】
着座直径とアクチュエータボア直径との間の差異は、流体進入チャンバ２２１のレール圧力に関しての不釣合いを生じさせる。この不釣合いに起因する力は下向きとなろう。従って、レール圧力が高い場合、ソレノイドの保持電流は、この不釣合いによる力および接極子スプリングの荷重に打勝つに十分な磁力を発生すべく、より高くされねばならないであろう。加えて、これは、上に説明したように、レール圧力の変動の故に、タイミング等に悪影響するであろう。
【００６４】
ドレンシート２１５、２１６はＯＤ着座されており、シール長さは弁の中心に向かって成長する。これは、ドレンシート２１５、２１６において着座直径を変化させない。入口シート２１７，２１８の着座直径およびドレンシート２１５、２１６の着座直径は、弁を圧力平衡させるように選ばれるべきであった。もしも、下側のシートがＩＤ着座であれば、シール長さが中心から離れて成長し且つ着座直径が時間と共に大きく成長するだろうし、上側シートと下側シートとの着座直径間の釣合いを損ね、より高いソレノイド引込み電流を必要とする。
【００６５】
作動弁部材２０９の円錐形状のドレンピン表面２２５は、油圧流体の滑らかな流れに帰している。これは、円錐形状のドレンピン表面３２５を有する代表的な作動弁部材３０９についての図８Ｃに示されている。流れは滑らかで、流線の分離もない。ドレンピン表面２２５、３２５の圧力プロフィールは直線状に減少し、作動弁部材２０９、３０９への結果としての力は流れの力の重要な一部である。
【００６６】
ドレン領域が大きくても、流れの力は減少しない。何故なら、その流れは破線の楕円で表されている淀み域を形成しているからである。この域内の圧力は常に大気圧よりも高く、ドレンピン表面２２５、３２５に作用する重大な流れ力を生じさせる。小さいけれども、この力を可能であれば排除することが、アクチュエータスプリング２２０に要求される偏倚力を低減するために重要である。何故なら、アクチュエータスプリング２２０の偏倚力が大きければ大きい程、アクチュエータに要求される引込み力も大きいからである。
【００６７】
この不釣合いの流れ力を排除するのは、作動弁部材２１０の流れ特性を変える切頭されたドレンピン表面２２６を用いることにより達成される。これは、切頭ドレンピン表面３２６を有する代表的な作動弁部材３１０についての図８Ｄに示されている。この形態では、流れはシートを通過した後分離し、低圧分離流域を形成する。この域内の圧力は大気圧に近く、切頭ドレンピン表面２２６、３２６に作用する重大な流れ力を生じさせない。
【００６８】
ここに説明され且つＣａｔｅｒｐｉｌｌａｒのＨＥＵＩ-Ｂ（商標）燃料噴射器で実施されている着座ピンアクチュエータは、より良好な安定性、燃料噴射率形成能力、低電気エネルギ消費およびより高い圧力耐力を有する油圧作動燃料噴射器をもたらしている。
【００６９】
上記説明は、本発明の概念を説明することのみが意図されており、本発明の潜在的範囲を制限することは全く意図されていないことが理解されるべきである。例えば、本発明の作動流体制御弁２０３は、ＣａｔｅｒｐｉｌｌａｒＩｎｃ．により製造されているＨＥＵＩ-Ｂ（商標）型の燃料噴射器において示されており、他のＨＥＵＩ（商標）モデルにも同様に組込まれ得る。しかしながら、本発明の作動流体制御弁２０３は、全ての油圧作動燃料噴射器または油圧エンジンブレーキアクチュエータのような他の油圧作動装置や他の可動油圧制御装置にも用いられるように適合され得る。
【００７０】
加えて、本発明は、作動流体として潤滑油を利用したエンジンに取付けられた油圧システムを含んで示されたが、これは変形されてもよい。例えば、油圧システムはエンジンから隔離され、作動流体として別の流体を用いるか、油圧システムはエンジンから隔離されるが、作動流体として潤滑油を利用してもよい。このように、種々の変形が、本発明の意図された趣旨および範囲から逸脱することなく特許請求の範囲に定義されるようになされ得る。
【図面の簡単な説明】
本発明のより良い理解のために、必ずしも尺度付けていない添付の図面が参照され得、ここにおいて、ある寸法および構成部品は説明の目的のために誇張されているかもしれない。
【図１】本発明による燃料噴射システムの概略図である。
【図２】直接制御チェック弁を有する燃料噴射器の側断面図である。
【図３】図２に示された燃料噴射器の上部の側断面図である。
【図４】図２に示された燃料噴射器の下部の側断面図である。
【図５】本発明による燃料噴射器の実施例の側断面図である。
【図６】図５に示された燃料噴射器のアクチュエータ部分の側断面図である。
【図７】図５に示された燃料噴射器のスプール弁部分の側断面図である。
【図８Ａ】種々の可能な着座およびピン形態を説明する図である。
【図８Ｂ】種々の可能な着座およびピン形態を説明する図である。
【図８Ｃ】種々の可能な着座およびピン形態を説明する図である。
【図８Ｄ】種々の可能な着座およびピン形態を説明する図である。
【図９】本発明による他の実施例の着座およびピン形態を説明する図である。

Claims

油圧作動燃料噴射器（１５）のための作動流体制御弁（２０３）であって、
ボア軸およびボア壁（２１３）を有するボア（２１１）、作動制御キャビティ、低圧の作動流体ドレン（２２７）、燃料噴射器（１５）の外部からボア（２１１）に高圧の作動流体を入れるための作動流体入口（２２３）、作動制御キャビティ（２３１）とボア（２１１）との間の境界における入口シート（２１７，２１８）、および、作動制御キャビティ（２３１）と作動流体ドレン（２２７）との間の境界におけるドレンシート（２１５，２１６、３１５、３１６）を含む弁本体、
弁本体に取付けられたアクチュエータ（２０５）、および
ボア（２１１）内に摺動可能に配置された作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）であって、ボア（２１１）内に流体進入チャンバ（２２１）を部分的に画成する入口ピン表面（２１９）を有する作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）を備え、
作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）は、アクチュエータ（２０５）に応答して、
作動制御キャビティ（２３１）が流体進入チャンバ（２２１）を経て作動流体入口（２２３）に開口し、且つ、作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）は、作動制御キャビティ（２３１）が作動流体ドレン（２２７）から隔離されるようにドレンシート（２１５，２１６、３１５、３１６）に対して保持されている第一の位置と、
作動制御キャビティ（２３１）が作動流体ドレン（２２７）に開口し、且つ、作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）は、作動制御キャビティ（２３１）が作動流体入口（２２３）から隔離されるように入口シート（２１７，２１８）に対して保持されている第二の位置と、
の間を摺動可能であり、
入口ピン表面（２１９）はメニスカス形状であり、作動弁部材（２０９，２１０，３０９，３１０）が第１の位置にあるときに流体進入チャンバ（２２１）を通じて流れる高圧の作動流体の速度の垂直方向対称性を創成するように、流体進入チャンバ（２２１）がほぼ垂直方向に対称にテーパ付けられていることを特徴とする作動流体制御弁（２０３）。
アクチュエータ（２０５）は、ソレノイドを備えることを特徴とする請求項１の作動流体制御弁（２０３）。
作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）は、接極子（２０７）に取付けられたピン（２０９、２１０，３０９，３１０）を備えることを特徴とする請求項２の作動流体制御弁（２０３）。
アクチュエータ（２０５）は、ピエゾスタックを備えることを特徴とする請求項１の作動流体制御弁（２０３）。
作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）およびドレンシート（２１５，２１６、３１５、３１６）は、作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）が第一の位置で、作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）がドレンシート（２１５，２１６、３１５、３１６）に対してＯＤ着座形態で保持されるように形状付けられ、且つ、
作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）および入口シート（２１７，２１８）は、作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）が第二の位置で、作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）が入口シート（２１７，２１８）に対してＩＤ着座形態で保持されるように形状付けられていることを特徴とする請求項１の作動流体制御弁（２０３）。
作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）はさらに、作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）が第一の位置にあるとき、作動流体ドレン（２２７）を部分的に画成する切頭ドレンピン表面（２２６、３２６）を備えることを特徴とする請求項１の作動流体制御弁（２０３）。
作動流体制御弁（２０３）を有する燃料噴射器（１５）であって、作動流体制御弁（２０３）は、
ボア軸およびボア壁（２１３）を有するボア（２１１）、作動制御キャビティ（２３１）、低圧の作動流体ドレン（２２７）、燃料噴射器（１５）の外部からボア（２１１）に高圧の作動流体を入れるための作動流体入口（２２３）、作動制御キャビティ（２３１）とボア（２１１）との間の境界における入口シート（２１７，２１８）、および、作動制御キャビティ（２３１）と作動流体ドレン（２２７）との間の境界におけるドレンシート（２１５，２１６、３１５、３１６）を含む弁本体、
弁本体に取付けられたアクチュエータ（２０５）、および
ボア（２１１）内に摺動可能に配置された作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）であって、ボア内に流体進入チャンバ（２２１）を部分的に画成する入口ピン（２１９）表面を有する作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）を備え、
作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）は、アクチュエータ（２０５）に応答して、
作動制御キャビティ（２３１）が流体進入チャンバ（２２１）を経て作動流体入口（２２３）に開口し、且つ、作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）は、作動制御キャビティ（２３１）が作動流体ドレン（２２７）から隔離されるようにドレンシート（２１５，２１６、３１５、３１６）に対して保持されている第一の位置と、
作動制御キャビティ（２３１）が作動流体ドレン（２２７）に開口し、且つ、作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）は、作動制御キャビティ（２３１）が作動流体入口（２２３）から隔離されるように入口シート（２１７，２１８）に対して保持されている第二の位置と、
の間を摺動可能であり、
入口ピン表面（２１９）はメニスカス形状であり、作動弁部材（２０９，２１０，３０９，３１０）が第１の位置にあるときに流体進入チャンバ（２２１）を通じて流れる高圧の作動流体の速度の垂直方向対称性を創成するように、流体進入チャンバ（２２１）がほぼ垂直方向に対称にテーパ付けられていることを特徴とする燃料噴射器（１５）。
アクチュエータ（２０５）は、ソレノイドを備えることを特徴とする請求項７の燃料噴射器（１５）。
作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）は、接極子（２０７）に取付けられたピンを備えることを特徴とする請求項８の燃料噴射器（１５）。
アクチュエータ（２０５）は、ピエゾスタックを備えることを特徴とする請求項７の燃料噴射器（１５）。
作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）およびドレンシート（２１５，２１６、３１５、３１６）は、作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）が第一の位置で、作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）がドレンシート（２１５，２１６、３１５、３１６）に対してＯＤ着座形態で保持されるように形状付けられ、且つ、
作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）および入口シート（２１７，２１８）は、作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）が第二の位置で、作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）が入口シートに対してＩＤ着座形態で保持されるように形状付けられていることを特徴とする請求項７の燃料噴射器（１５）。
作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）はさらに、作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）が第一の位置にあるとき、作動流体ドレン（２２７）を部分的に画成する切頭ドレンピン表面（２２６、３２６）を備えることを特徴とする請求項７の燃料噴射器（１５）。
作動流体制御弁（２０３）を有する燃料噴射器（１５）であって、作動流体制御弁（２０３）は、
ボア軸およびボア壁（２１３）を有するボア（２１１）、作動制御キャビティ（２３１）、低圧の作動流体ドレン（２２７）、燃料噴射器（１５）の外部からボア（２１１）に高圧の作動流体を入れるための作動流体入口（２２３）、作動制御キャビティ（２３１）とボア（２１１）との間の境界における入口シート（２１７，２１８）、および、作動制御キャビティ（２３１）と作動流体ドレン（２２７）との間の境界におけるドレンシート（２１５，２１６、３１５、３１６）を含む弁本体、
弁本体に取付けられたアクチュエータ（２０５）、および
ボア（２１１）内に摺動可能に配置された作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）であって、ボア（２１１）内に流体進入チャンバ（２２１）を部分的に画成する入口ピン表面（２１９）であって、作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）の正味垂直方向力を高圧作動流体の圧力とほぼ独立して保つ手段を備える入口ピン表面（２１９）を有する作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）を備え、
作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）は、アクチュエータ（２０５）に応答して、
作動制御キャビティ（２３１）が流体進入チャンバ（２２１）を経て作動流体入口（２２３）に開口し、且つ、作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）は、作動制御キャビティ（２３１）が作動流体ドレン（２２７）から隔離されるようにドレンシート（２１５，２１６、３１５、３１６）に対して保持されている第一の位置と、
作動制御キャビティ（２３１）が作動流体ドレン（２２７）に開口し、且つ、作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）は、作動制御キャビティ（２３１）が作動流体入口（２２３）から隔離されるように入口シート（２１７，２１８）に対して保持されている第二の位置と、
の間を摺動可能であり、
入口ピン表面（２１９）はメニスカス形状であり、作動弁部材（２０９，２１０，３０９，３１０）が第１の位置にあるときに流体進入チャンバ（２２１）を通じて流れる高圧の作動流体の速度の垂直方向対称性を創成するように、流体進入チャンバ（２２１）がほぼ垂直方向に対称にテーパ付けられていることを特徴とする燃料噴射器（１５）。
アクチュエータ（２０５）は、ソレノイドを備えることを特徴とする請求項１３の燃料噴射器（１５）。
作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）は、接極子（２０７）に取付けられたピン（２０９、２１０，３０９，３１０）を備えることを特徴とする請求項１４の燃料噴射器（１５）。
アクチュエータ（２０５）は、ピエゾスタックを備えることを特徴とする請求項１３の燃料噴射器（１５）。
作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）およびドレンシート（２１５，２１６、３１５、３１６）は、作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）が第一の位置で、作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）がドレンシート（２１５，２１６、３１５、３１６）に対してＯＤ着座形態で保持されるように形状付けられ、且つ、
作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）および入口シート（２１７，２１８）は、作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）が第二の位置で、作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）が入口シート（２１７，２１８）に対してＩＤ着座形態で保持されるように形状付けられていることを特徴とする請求項１３の燃料噴射器（１５）。
作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）はさらに、作動弁部材（２０９、２１０，３０９，３１０）が第一の位置にあるとき、作動流体ドレン（２２７）を部分的に画成する切頭ドレンピン表面（２２６、３２６）を備えることを特徴とする請求項１３の燃料噴射器（１５）。