JP4536710B2 - 内燃機関エンジンのための燃料噴射システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関エンジンのための燃料噴射システムに関する。

知られているように、例えばディーゼルエンジンのような現在の内燃機関エンジンにおいて、噴射システムの高圧ポンプは、圧力下で、エンジンのシリンダに関連した複数の噴射を供給するよう、燃料に対するコモンレールに燃料を送るよう設計されている。このタイプのシステムに対する集積容量部内で必要とされる燃料の圧力は、エンジンの状態を操作する機能としての電気コントロールユニットによって、一般的に画定されている。

ポンプの搬送パイプに設けられたバイパス（by-pass）ソレノイドバルブは、燃料がコモンレールに入る前に、過度にくみ出された燃料を一般的な燃料タンクに直接放出するようコントロールユニットによってコントロールされ、高圧ポンプの圧縮エネルギーの一部を、熱を形成して消滅させる噴射システムが知られている。

エンジンが減少したパワーで駆動するとき、くみ出される燃料の量を減らすために、高圧ポンプが変化する流速を示す噴射システムも提案されている。

これらのシステムの一つにおいて、ポンプの吸引管は、流速を調整するための装置を有しており、横断面を小さく変化させる工程による制限を含み、コモンレール内で要求される圧力および／またはエンジンの状態を操作する機能としての電気コントロールユニットによってコントロールされる。当該システムにおいて、流速を調整するための装置は、補助ポンプによって供給される約５バールの一定圧力によって供給される。通路の有効面積をより少なく変化させたり、圧力低下を導入したりする工程によって、そこに水力学的に連結されたポンプ部材は調整される。

不利なことに、遅い流速において、調整するソレノイドバルブの下流であり吸引バルブの上流である、容量部内の燃料の圧力が比較的低いため、当該圧力は、吸引バルブそれ自身を開けるための力に対して、少ない量だけしか寄与しない。システムのこのタイプにおいて、吸引バルブの通常の伸縮バネは、前記容量部内でゼロに近い最小圧力であっても、それ自身を開けることを保証するようになっていなければならない。一方で、前記バネはとても正確に調整されなければならず、このため、ポンプはかなり高額になってしまう。他方で、圧縮チャンバ内のポンプ部材による負圧が吸引バルブを開けるために十分でなく、このため、ポンプが適切に作動せず、容易に悪化しやすくなる危険が常にある。いずれの場合も、ポンプが複数のポンプ部材を有している場合には、非対称な搬送が起こり、“クロックトーク”として知られる共通の混乱を引き起こす危険が常にある。

他の既知の噴射システムにおいて、高圧ポンプの吸引管上に、遮断ソレノイドバルブを提供することが提案されている。この遮断ソレノイドバルブは、小さな圧力降下を誘発することによって、供給の最後の瞬間が調整される吸引ストロークの可変な部分の間に、可能な最大の圧力をポンプ部材に供給するようにして、かなり早い流速を可能とする。この既知の噴射システムは、吸引ストロークの間、ポンプ部材のピストン位置に、ソレノイドバルブの駆動を同調させる必要がある。噴射部による燃料の吸引が、エンジンの状態を操作する機能として変化する段階とともに起こることもあって、駆動シャフトとポンプを駆動するシャフトとの間の動きを機械的に伝送する場合であっても、前記同調は難しい。

本発明の目的は、高い信頼性を示し、限られたコストからなる、従来技術の燃料噴射システムの欠点を解決するよう、可変な流速を有する高圧ポンプを備えた燃料噴射システムを提供することにある。

本発明によると、上述した目的は、請求項１に示すように、可変な流速を有する高圧ポンプを備えた内燃機関エンジンのための燃料噴射システムによって達成される。

特に、低圧における燃料のための集積容量部は、ポンプ部材の吸引バルブと連通する排出穴を有し、この集積容量部は、少なくとも一つの対応する排出穴に向かって燃料を噴射するように設計されたソレノイドバルブを通過して供給され、ソレノイドバルブは、エンジンの状態を操作する機能として、ポンプ部材の吸引ストロークに対して非同期でコントロールされる。

本発明をより良く理解するために、好ましい実施の形態が、純粋な例として、添付図面を参照として、ここに記載される。

発明を実施するための形態

図１に示すように、参照番号１は、全体として、例えば４ストロークのディーゼルエンジンのような内燃機関エンジン２のための燃料噴射システムを示している。エンジン２は、対応するピストン（図示せず）が駆動シャフト４を回転させるようスライドする、例えば四つのシリンダのような複数のシリンダ３を有している。噴射システム１は、高圧燃料を対応するシリンダ３内に噴射するよう設計された、電気的にコントロールされる複数の噴射部５を有している。噴射部５は、圧力をかけられた燃料に対する集積容量部から供給され、当該集積容量部は、図示された実施の形態では、通常のコモンレール６によって形成されている。

コモンレール６には、全体として参照番号７で示された高圧ポンプによって、搬送パイプ８を介して、高圧燃料が供給される。次に、高圧ポンプ７には、例えば電気ポンプ９のような低圧ポンプによって、ポンプ７の吸引管１０を介して、供給される。電気ポンプ９は、一般的に、通常の燃料タンク１１内に設けられ、当該燃料タンク１１内には、噴射システム１の過度の燃料を放出するためのパイプ１２が流入されている。パイプ１０の燃料の一部は、既知の方法で機構そのものを冷却したり、注油したりするために、圧力調整装置１５を介して、ポンプ７のクランクケース１７に送られる。

コモンレール６は、さらに、放出パイプ１２と連通する放出ソレノイドバルブ１３を有している。各噴射部５は、電気コントロールユニット１４のコントロールのもと、最小値から最大値の間で変化する燃料の量を、対応するシリンダ３内に噴射するよう設計されている。この電気コントロールユニットは、エンジン２をコントロールするための通常のマイクロプロセッサ電気コントロールユニット（ＥＣＵ）によって形成されることができる。コントロールユニット１４は、加速ペダルの位置や駆動シャフト４のr.p.m.のような、エンジン２の作動条件を示す信号を受けるよう設計されている。このような信号は、圧力センサー１６によって検知されるコモンレール６内の燃料の圧力だけでなく、対応するセンサー（図示せず）によっても生成される。

コントロールユニット１４は、意図的に提供されたプログラムによって、受ける信号を処理することにより、放出ソレノイドバルブ１３を開けたり閉めたりするだけでなく、噴射部５を駆動し始めたり、駆動し続けたりすることをコントロールする。結果的に、放出パイプ１２は、ポンプ７のクランクケース１７からくる冷却および注油のための燃料だけでなく、噴射部５の放出燃料と、コモンレール６内の過度の予定燃料の両方をタンク１１内に搬送する。

図１の高圧ポンプ７は、一対のポンプ部材１８，１８ａを有し、一対のポンプ部材１８，１８ａの各々は、圧縮チャンバ２０を有するシリンダ１９によって形成され、当該圧縮チャンバ２０内において、ピストン２１が吸引ストロークと搬送ストロークとを有する往復運動でスライドする。各ポンプ部材１８，１８ａは、対応する吸引バルブ２２，２２ａと、対応する搬送バルブ２３，２３ａとを有している。バルブ２２，２２ａ，２３，２３ａはボールタイプからなってもよく、各伸縮バネ２４を有してもよい。二つの吸引バルブ２２，２２ａは、両者が共有している吸引管１０と連通し、以降にさらに明白に示されるように、この間、二つの搬送バルブ２３，２３ａは、当該搬送バルブ２３，２３ａが共有している搬送パイプ８と連通している。二つのピストン２１は、ポンプ７の作動シャフト２７によって支持される対応する偏心カム２６によって駆動される。図１の実施の形態において、ポンプ部材１８，１８ａは直線状、すなわち互いに平行に配置され、１８０°の位相差によって、シャフト２７に密着した二つの偏心カム２６によって駆動される。

本発明によると、吸引管１０と二つの吸引バルブ２２，２２ａとの間のセットは、吸引される燃料に対する集積容量部であり、二つの排出孔２９，２９ａを有し（図３および図４参照）、各々対応する吸引バルブ２２，２２ａと連通している。集積容量部２８は、ソレノイドバルブ３１を介して、吸引管１０が低圧な状態で燃料が供給される。ソレノイドバルブ３１は、燃料の一連の噴射を生成するように設計され、各々は集積容量部２８の排出孔２９，２９ａの少なくとも一つに向かっている。図示された実施の形態において、ソレノイドバルブ３１は、二つの噴射を生成し、各噴射は集積容量部２８の対応する排出孔２９，２９ａに向かっている。

とりわけ、ソレノイドバルブ３１は、ＯＮ−ＯＦＦタイプからなり、例えば、オットサイクルエンジンに対するガソリン噴射部のように、電磁石的にコントロールされる低圧燃料噴射部（図４参照）によって形成されることができる。噴射部３１は、円錐部３４が端部となっているノズル３３を有し、当該ノズル３３内において、二つの直径方向に対向する噴霧穴３６，３６ａが設けられている。穴３６，３６ａは、普通の開口／閉鎖部材によって通常閉じており、ノズル３３の円錐部の内面と係合するよう設計された円錐端３８を有するニードル３７を形成している。ニードル３７は、ノズル３３の部分３９によって軸方向に案内され、噴射チャンバ４３から燃料を通過可能とするノズル３３の壁４２との間に所定の遊びを有する部分４１を有している。ニードル３７は、図示されていない電磁石によって、既知の方法で、穴３６を開けるようにコントロールされる。図３において、低圧燃料のための集積容量部２８は、噴射部３１の下流に設けられた短い吸引管によって構成されている。

タンク１１（図１）において、燃料は大気圧下にある。使用中、電気ポンプ９は、例えば、ちょうど２−３バールの範囲で、燃料を低圧に圧縮する。次に、噴射部３１は、燃料を集積容量部２８に燃料を送り、当該集積容量部２８から、高圧ポンプ７の吸引バルブ２２，２２ａによって、燃料は吸引される。これは受け取った燃料を圧縮し、搬送パイプ８を介して、例えば１６００バールの範囲にある高圧燃料を、圧力下の燃料のためのコモンレール６に向かって送る。

本発明によれば、ポンプ７の流速は噴射部３１によって排他的にコントロールされ、この噴射部３１は、ポンプ部材１８，１８ａのピストン２１の吸引ストロークに対して、非同期の方法で駆動されるよう設計されている。特に、噴射部３１は、二つの噴霧穴３６，３６ａ（図３および図４）により、燃料を二箇所から噴射し、この噴射は集積容量部２８の排出穴２９，２９ａに向かい、吸引バルブ２２，２２ａに向かっている。このようにして、噴射部３１によって噴射される燃料の量がとても少なくても、対応するピストン２１の吸引ストロークが開始した最初から、あらゆる場合に、吸引ストローク内のポンプ部材１８，１８ａの吸引バルブ２２，２２ａが即座に開口するよう、燃料は所定の運動エネルギーでバルブ２２，２２ａに作用する。

特に、図３および図４において、ポンプ７は、平行なポンプ部材１８，１８ａを有しており、集積容量部２８はポンプ部材１８，１８ａの間に配置されている。噴射部３１の穴３６，３６ａ、集積容量部２８の排出穴２９，２９ａ、およびポンプ部材１８，１８ａの吸引バルブ２２，２２ａの各々は、互いに対称な位置に設けられている。ソレノイドバルブ３１の噴霧穴３６，３６ａおよび集積容量部２８の排出穴２９，２９ａは、（穴２９，２９ａおよび穴３６，３６ａ自身の軸を含む面内で）互いに燃料の二つの噴射が１８０°以下の角度を形成するように、配置されている。図３の場合、吸引バルブ２２，２２ａおよび排出穴２９，２９ａは、略同軸になっている。

噴射部３１（図１）は、各ポンプ部材１８，１８ａのピストン２１の吸引ストロークおよび圧縮ストロークの間の両方で、エンジン２の状態を操作する機能としての電気コントロールユニット１４によってコントロールされる。噴射部３１は、周波数および／または負荷サイクル内で調整されたコントロール信号により、コントロールユニット１４によってコントロールされる。図２において、二つのタイプのコントロール信号を示した二つの線図が示されている。当該信号は、負荷サイクルが２％と９５％との間で広く変化することができる間、千分の一秒のオーダーの継続期間を有することができる。

コントロールユニット１４の第一の実施の形態によると、このコントロールユニット１４は、一定継続期間ｔ_１のコントロール信号Ａによって、噴射部３１をコントロールするように設計されており、この周波数は調整される。結果として、くみ出される燃料の量を変えるために、信号Ａの間の休止時間Ｂが変えられる。他の実施の形態によると、コントロールユニット１４は、所定の周波数（従って時間）を有するコントロール信号Ｃによって、噴射部３１をコントロールするように設計され、この負荷サイクルは調整される。周波数の不変性は、図２において、点線Ｇの距離の不変性（すなわち時間の不変性）によって示されている。結果として、流速の調整は、あらゆる二つの期間Ｇ１＝Ｃ１＋Ｄ１とＧ２＝Ｃ２＋Ｄ２に対して、Ｃ１≠Ｃ２およびＤ１≠Ｄ２で、常にＧ１＝Ｇ２となるように、信号の継続期間Ｃおよび対応する休息時間Ｄを変化させることによって得られる。信号の周波数と対応する負荷サイクルの両者を調整することによって、噴射部３１をコントロールすることができることは明白である。噴射部３１を開ける周波数は、ポンプ７の回転速度に関連している。

噴射部３１の噴霧穴３６，３６aは、放出断面、すなわち効果的な通路断面を有しており、当該効果的な通路断面は、ポンプ７によって高圧まで上げられる前に燃料測定ができるようにかなり小さくなっている。前記通路の断面は、コントロール信号の最大周波数または最大負荷サイクルにおけるコントロールで、噴射部３１が各吸引バルブ２２，２２aによってもたらされる最大瞬間流速よりも速い最大瞬間流速を示すようになっていることが好ましく、当該最大流速は、ポンプ部材およびその穴の最大速度の生成によって画定される。噴射部３１の最大瞬間流速は、各吸引バルブ２２，２２aの最大瞬間流速より２０％まで大きくなる範囲で選択される。

噴射部３１の噴霧穴３６，３６aの通路断面は、前もってセットされた時間間隔Ｔの間の平均流速が各吸引バルブ２２，２２aを通過する燃料の平均流速よりも速くなるようになっていることが好ましい。図２において、当該時間間隔は二本の一点破線によって示されており、複数の信号Ａおよび信号Ｃを含んでいる。当該時間間隔は、各ポンプ部材１８，１８aのピストン２１の吸引ストロークの継続期間と同じオーダーの大きさからなることができる。図２で示される時間間隔Ｔ内の信号Ａおよび信号Ｃの数は、明らかに純粋な例示である。

実施されたテストから、ポンプ７の流速を調整することによって、コントロールユニット１４によってコントロールされた噴射部３１の開口の調整を介して、各噴射部５の駆動によってくみ出される燃料を正確に測定することができることが分かった。このように、高圧燃料のコモンレール６の容量を莫大に減らすことができる。さらに、燃料の噴射が噴霧穴３６，３６aを通過して対応する吸引バルブ２２，２２aに直接向かう場合には、燃料の最小必要条件であっても、二つのバルブ２２，２２aの間の圧力のクロストーク（cross talk）現象が現れることが分かった。

他の実施の形態（図示せず）によると、高圧ポンプ７は、星構造に配置され、一般的な偏心カムによって駆動される三つのポンプ部材１８を有することができる。この場合、集積容量部２８（図５）は、プリズム形状、円筒形状を有することができ、または球状キャップのような形状からなることができ、偏心カムの通常の回転軸と略同心に設けられる。集積容量部２８は、互いに１２０°で配置され、対応するパイプ４３，４３ａ，４３ｂを通過して、ポンプ７の通常のクランクケースで作られた三つのポンプ部材１８の吸引バルブ２２と連通する、三つの排出穴２９，２９ａ，２９ｂを有している。噴射部３１は、集積容量部２８内に挿入された円錐部３４によって設けられ、互いに１２０°で配置された三つの噴霧穴３６，３６ａ，３６ｂを有し、噴射部３１は、三つの噴射が互いに１２０°の角度を形成するよう、三つの対応する排出穴２９，２９ａ，２９ｂに、対応する燃料の噴射が低圧で直接向かうように設けられている。

本発明の他の変形例によると、ポンプ７は、四つのポンプ部材１８によって形成されることができ、集積容量部２８は四つの対応する排出穴２９を有することができ、このとき、噴射部３１は、前記排出穴に直接向かう四つの燃料の噴射を生成するように設計されている。四つのポンプ部材１８は、二つのセットにグループ化されることができ、ポンプ７のシャフト２７に対して、互いに所定の角度で配置されることができる。この場合、ポンプ部材１８の駆動は、一セットのポンプ部材の吸引ストロークが、他のセットのポンプ部材の吸引ストロークと交互になるよう、位相付けされている。そして、噴射部３１は、各噴射が対応するポンプ部材セットの二つの吸引バルブに向かって直接向かうよう、図４に示すように、ちょうど二つの噴霧穴３６，３６ａだけを有することができる。

上述した内容から、既知の技術に対する本発明による噴射システムの利点は明白に現れている。とりわけ、燃料計測は、ポンプ部材１８の代わりに、低圧で燃料における噴射部３１によって、有益にも行われる。結果として、適切な大きさ、すなわち、必要な燃料の最小容量値と同じ容量値の集積容量部２８を有するため、エンジンによって要求される最小流速の条件であっても、集積容量部２８内で、バルブ２２，２２ａを操作することができるのに十分な圧力が常に得られる。噴射部３１を非同期でコントロールすることによって、計測をコントロールするためにピストン２１の位置に噴射部３１を駆動する必要がなくなる。さらに、噴射部３１は、ポンプ７の吸引ストロークの周波数から独立した周波数でコントロールされる。最後に、噴射部３１がＯＮ−ＯＦＦタイプからなっているので、既知のシステムで用いられている比例ソレノイドバルブを用いるよりも単純になり、本発明によるシステムがとても抑えたコストになる。

請求項の範囲から離れないで、上述された、高圧ポンプと調整装置を有する噴射システムに様々な修正や改良を施すことができることが理解される。例えば、駆動シャフト４と高圧ポンプ７のシャフトとの間に設けられ、高圧ポンプ７のシャフトを駆動シャフト４の速度から独立した速度で回転可能とする通常の駆動伝達装置をなくすことができる。コモンレール６から燃料のソレノイド放出バルブ１３もなくすことができる。

本発明による可変な流速を有する高圧ポンプを備えた、内燃機関エンジンのための燃料噴射システムの線図。 図１のシステムの操作を示した二つの線図。 図１のシステムのためのポンプの一部を示した線図。 ポンプの供給の変形の詳細を示した拡大図。 三つのポンプ部材を有するポンプの供給の詳細を示した線図。

Claims (18)

1. 内燃機関エンジンのための燃料噴射システムにおいて、
   可変な流速を有する高圧ポンプ（７）であって、吸引および搬送ストロークを介して往復運動で駆動され、各々が対応する吸引バルブ（２２）を含む複数のポンプ部材（１８）を有する高圧ポンプ（７）を備え、
   集積容量部（２８）への燃料は、低圧で、ソレノイドバルブ（３１）を介して、前記ポンプ（７）の吸引管（１０）によって供給され、
   前記集積容量部（２８）は、対応する排出穴（２９）を介して前記吸引バルブ（２２）と連通し、
   前記ソレノイドバルブ（３１）は、各々が前記排出穴（２９）の少なくとも一つに向かう、対応する燃料の噴射を生成するようになっていることを特徴とする燃料噴射システム。
2. 前記燃料は、前記ソレノイドバルブ（３１）の対応する噴霧穴（３６）から噴射されることを特徴とする請求項１に記載の噴射システム。
3. ソレノイドバルブ（３１）は、低圧で燃料を噴射するための電磁コントロール噴射部（３２）によって構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の噴射システム。
4. 前記ポンプ（７）は、平行に設けられた複数のポンプ部材（１８）を有し、
   前記ソレノイドバルブ（３１）は、前記噴射を生成するための同数の噴霧穴（３６）を有し、
   当該噴射の各々は、前記集積容量部（２８）の対応する排出穴（２９）に向かうことを特徴とする請求項２または３に記載の噴射システム。
5. 前記ポンプ（７）は、二つのポンプ部材（１８，１８a）を有し、
   前記ソレノイドバルブ（３１）は二つの噴霧穴（３６）を有し、
   前記集積容量部（２８）は、前記ポンプ部材（１８）の間に設けられるとともに、二つの排出穴（２９）を有し、
   前記吸引バルブ（２２）および排出穴（２９）の各々は互いに対称的な位置に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の噴射システム。
6. 前記ソレノイドバルブ（３１）の噴霧穴（３６）と前記排出穴（２９）は、前記噴射が互いに対して１８０°より小さくなる角度を形成するように配置されていることを特徴とする請求項５に記載の噴射システム。
7. 前記吸引バルブ（２２）と前記排出穴（２９）は略同軸であり、
   前記噴射は、互いに対して１８０°に向かっていることを特徴とする請求項５に記載の噴射システム。
8. 前記ポンプ（７）は、星形構造に配置され、共通の偏心カムによって駆動される三つのポンプ部材（１８）を有し、
   前記集積容量部（２８）は、前記偏心カムの通常の回転軸と略同心になるとともに、対応するパイプを介して、前記ポンプ部材の吸引バルブと連通することを特徴とする請求項４に記載の噴射システム。
9. 前記ソレノイドバルブ（３１）の噴霧穴（３６）および前記排出穴（２９）は、前記噴射が互いに１２０°より小さい角度を形成するように配置されていることを特徴とする請求項８に記載の噴射システム。
10. 前記ポンプ（７）は、四つのポンプ部材（１８）を有し、
    前記ソレノイドバルブ（３１）は、四つの噴霧穴（３６）を有し、
    前記集積容量部（２８）は、四つの対応する排出穴（２９）を有し、
    前記噴霧穴（３６）および前記排出穴（２９）は、前記噴射が互いに対応する排出穴（２９）に向かうように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の噴射システム。
11. 前記ポンプ（７）は、各々が二つのポンプ部材（１８）によって形成された、二つのセットに分割された四つのポンプ部材（１８）を有し、
    各ポンプ部材（１８）に対して、前記集積容量部（２８）は対応する排出穴（２９）を有し、
    前記ソレノイドバルブ（３１）は、ポンプ部材（１８）の前記セットの各々に対して、噴霧穴（３６）を有し、
    前記噴霧穴（３６）は、ポンプ部材（１８）の対応するセットの前記集積容量部（２８）の排出穴（２９）に向かった燃料の対応する噴射の各々を生成するように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の噴射システム。
12. 前記ソレノイドバルブ（３１）は、エンジン（２）の状態を操作する機能として、周波数および／または負荷サイクル内で調整されたコントロール信号（Ａ，Ｃ）によって、コントロールユニット（１４）によるエンジンの状態を操作する機能としての前記吸引ストロークに対して非同期にコントロールされることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の噴射システム。
13. 前記コントロールユニット（１４）は、前記ポンプの回転速度に関連した周波数および／または可変な負荷サイクルを有するコントロール信号によって、前記ソレノイドバルブ（３１）をコントロールするように設計されていることを特徴とする請求項１２記載の噴射システム。
14. 前記コントロールユニット（１４）は、一定継続期間のコントロール信号（Ａ）によってコントロールするように設計され、
    前記コントロール信号（Ａ）は、可変な周波数によって出されることを特徴とする請求項１３記載の噴射システム。
15. 前記周波数は、前記ポンプ（７）の吸引ストロークの最大周波数より小さいことを特徴とする請求項１４記載の噴射システム。
16. 前記ソレノイドバルブ（３１）を通過する燃料の最大瞬間流速は、前記吸引バルブ（２２）の各々を通過して吸引される燃料の最大瞬間流速より２０％まで大きくなれることを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載の噴射システム。
17. 前記ソレノイドバルブ（３１）の排出部は、前記吸引バルブ（２２）を通過して吸引される燃料の平均流速よりも早い流速で流すようになっていることを特徴とする請求項１６記載の噴射システム。
18. 各コントロール信号（Ａ，Ｃ）の継続期間は千分の一秒のオーダーからなり、および／または前記負荷サイクルは２％から９５％まで変化することを特徴とする請求項１２乃至１７のいずれか１項に記載の噴射システム。

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