JP4603354B2 - レールのための音波減衰器 - Google Patents

Description

本発明は、内燃エンジンの高圧流体レールに関し、これに限定されるものではないが、このようなレールに対する音波の減衰器を含む高圧流体レールに関する。

電子制御式油圧駆動（ＨＥＵＩ）燃料噴射システムは、作動流体（作動流体は、エンジン潤滑油であることが好ましいが、他の流体も許容できる）レールを用いて、作動流体を各々のインジェクタに与え、噴射工程のための高圧燃料を生成する。作動流体レールは、典型的には、エンジン駆動軸により駆動される高圧作動流体ポンプによって供給される、それ自体の作動流体供給源を有する。作動流体レールの圧力は、典型的には、エンジンの作動条件に応じて該レールにおける作動流体圧力を定めるレール圧力制御弁（ＲＰＣＶ）により制御される。

（関連出願に対する相互参照）
本出願は、本出願と同じ発明者に代わって２００２年６月２１日に出願され、本出願の譲受人に譲渡された米国特許出願番号第１０／１７７，１９５号、及び本出願と同じ発明者に代わって２００２年６月２１日に出願され、本出願の譲受人に譲渡された米国特許出願番号第１０／１７７，２０２号に関連する。

各々のインジェクタは、作動流体が該インジェクタの中に流れる時間及び量を制御するように電子制御される作動流体制御弁を有する。作動流体制御弁が、噴射工程を開始し、終了する。

Ｖ型のエンジンは、典型的には、２つのシリンダバンクの各々に供給する別々のレールを有する。各々のレールの作動流体流入口においては、適当な位置にチェック弁があり、２つのバンクに供給している別々のレールの間の流体連通を隔離することができる。Ｖ８構成においては、２つのレールがあり、各レールに４つのインジェクタが取り付けられる。Ｖ６構成においてもまた２つのレールがあるが、各レールには３つのインジェクタが取り付けられる。直列（典型的には直６）構成においては、６つのインジェクタが取り付けられた１つのレールだけがあり、単一のレール構成にはレールの隔離が必要ないため、作動流体流入口にチェック弁は設けられていない。

作動流体レールは、円筒形状を有し、この中に、ほぼ円筒形の流体通路が形成されていることが好ましい。作動流体は、流体通路内を自由に流れることができ、インジェクタがレールに連結される位置の間における流量制限が最小となる。Ｖ８及びＶ６構成においては、２つの作動流体レールの両方は、作動流体流路を通り、高圧作動流体ポンプに連結されるが、それぞれのレールの入口における前述のチェック弁により分離される。これらのチェック弁は、２つの作動流体レールの間を隔離させて、一方の作動流体レールにおける圧力動力学的作用により、他方の作動流体レール内に圧力動力学的作用が誘起されるのを制限する。

通常のエンジン作動条件においては、インジェクタは、等しい時間間隔で作動される。インジェクタが、噴射のために作動されると、該インジェクタの制御弁が或る期間だけ開き、次いで閉じて、この期間における噴射事象に必要な量の作動流体を与える。単一ショット作動を含む噴射事象においては、噴射制御弁は、一度だけ開閉する。パイロット作動（小さなパイロット作動の後にはるかに大きな主噴射が行なわれる）を含む噴射事象においては、弁は、２又は３回以上開閉する。制御弁が、単一ショット噴射事象であるか、又は多数ショット噴射事象のために開閉する場合、該制御弁は、作動流体レール内の作動流体に、相当な量の動的障害を発生させる。

第１に、制御弁が開いている期間中には、噴射作動のために、相対的に大きな量の作動流体が作動流体レールからインジェクタの中に流れる。このことは、作動流体レールにおける圧力降下をもたらす。この圧力降下は、次いで、高圧ポンプからの供給作動流体流により回復する。第２に、インジェクタ制御弁の開閉は、作動流体レールに沿って流体圧力波を生成する。この圧力波は、主として、作動流体レールの長さ及び作動流体の体積弾性率によって定まる周波数をもって、作動流体レールの軸方向に沿って伝播する。

レールの長さは、大体において、エンジン構成により定まるため、周波数は、該エンジン構成によって変動する。Ｖ８及びＶ６構成では、周波数は約１０００ないし２０００ＨＺであり、直６構成では、この周波数は、レールがより長いために、例えば７００ないし１２００ＨＺのように、より低くなる。作動流体レールに沿った圧力は、該作動流体レールに沿った異なる位置における、異なる時間遅延又は移送遅れにより異なるものとなるので、この圧力波のために、該作動流体レール上に不均衡な軸方向力が生じる。この不均衡な力は、レールにおける圧力波と同じ周波数を有する。圧力波は、作動流体レール構造体と相互作用する。圧力変動エネルギの一部は、望ましくない空中浮遊音響エネルギに変換される。さらに、作動流体レールは、上述の周波数による励起を、レールをエンジンの残りの部分と連結しているボルトを通して伝達する。この励起は、次いで、上述の周波数範囲をもつ可聴雑音を発生させる。

圧力波によりもたらされる可聴雑音は、好ましくないものである。圧縮点火エンジンを、典型的な火花点火エンジンより雑音がないようにすることが目標である。このようなレベルの雑音は、一般に、容認できるものと思われる。しかしながら、事実をそうではない。この目標を満たすためには、圧縮点火エンジンからの多くの雑音源に対処しなければならない。上述のように、このような雑音源の１つは、作動流体レールにおいて発生される音波である。

したがって、この業界では、レールにおいて発生された音波を減衰させる必要性がある。

本発明は、レールに形成された細長い流体通路を含む、加圧作動流体を少なくとも１つの燃料インジェクタに移送するためのアクチュエータレール組立体に関する。流体入口ポートは、流体通路と流体連通し、該入口ポートは、加圧作動流体源に流体結合可能である。それぞれの流体出口ポートは、それぞれの燃料インジェクタと関連し、これらに流体結合可能であり、作動流体を該それぞれの燃料インジェクタに移送し、少なくとも１つの流体キャビティは、少なくとも１つの溝付きオリフィスを有し、このオリフィスが、該流体キャビティと流体通路との間を流体連通させる。さらに、レールの音波減衰器及びレールにおける音波の減衰方法が提供される。

本発明は、業界における前述の必要性を実質的に満たすものである。レールの圧力変動により生成される音波を減衰させるために、本発明の音波減衰器（ＡＷＡ）は、音響エネルギ吸収の機能を提供する。音響システムの長さ寸法が、音の波長と比較して小さい場合には、該システムにおける作動流体の運動は、質量、剛性、及びダンピングの収集機械要素を有する機械システムのそれと類似するものとなる。ＡＷＡ１０は、機械的発振器と呼ぶことができる。このような減衰器１０は、剛性のある囲まれた空間で構成されて、小さいオリフィスを通して、レールの作動流体と連通する。圧力波がオリフィスのアパーチャ９３に衝突したときには、オリフィス内の作動流体が振動し始めて、ＡＷＡの囲まれた空間内の作動流体を励起させる。その結果もたらされるオリフィス内の作動流体の運動の増幅は、該オリフィス内の作動流体のプラグと囲まれたキャビティ内の作動流体の体積との間における位相相殺により、該オリフィスの中及び該オリフィスの周りにおける摩擦抵抗のために、エネルギ吸収を生じさせる。この種類の減衰器は、特定の所望の周波数範囲にわたり最大吸収を生成するように調整することができる。

本発明は、ＨＥＵＩ燃料噴射システム、並びに、以下に限定されるものではないが、直接ニードル制御による高圧コモンレール、及び圧力増幅によるコモンレールを含むコモンレール燃料システムに適用可能である。ほとんどのコモンレール燃料システムは、典型的には高圧でレールを通して、直接、個々の燃料インジェクタに燃料を与える。この燃料は、燃料インジェクタのニードルの開閉を制御するのに用いることができる。高圧燃料はまた、ノズルにおける燃圧をさらに増大させるように、圧力増幅器を駆動するのに用いることができる。燃料噴射事象中に、戻りオリフィスが通気され、ニードルの裏面における燃圧を消滅させて、該ニードルを開くようにすることができる。コモンレール燃料システムは、以下に述べられるように、１つ又は２以上のＡＷＡを適用して、例えば、ディーゼル燃料のような燃料の波を減衰することにより利益を得ることができる。或いは、油その他の流体をコモンレールに用いて、燃料インジェクタを駆動することができる。

図１ａ及び図１ｂを参照すると、本発明の音波減衰器（ＡＷＡ）の概念が示されている。ＡＷＡは、概念図において、全体を１０で示されており、高圧作動流体レール１２で一体化されている。図１ａは、中央ＡＷＡ１０を示す。Ｖ８構成のエンジンにおいては、ＡＷＡ１０は、２つの流体出口ポート（図示せず）がＡＷＡの両側にある状態で、中央に配置されることが好ましく、各々のポートは、特定のシリンダバンクにおける燃料インジェクタに供給する。ＡＷＡ１０は、キャビティ１６及び一対のオリフィス１４を有し、１つのオリフィス１４が、キャビティ１６をレール１２の２つの部分１２ａ、１２ｂの各々と流体連結する。

図１ｂは、２つのＡＷＡ１０を有するレール１２を示し、第１のＡＷＡは、該レールの第１端近傍に配置され、第２のＡＷＡ１０は、該レール１２の反対側の第２端近傍に配置される。各々のＡＷＡ１０は、オリフィス１４によって、レール１２に形成された流体通路１８に流体結合されたキャビティ１６を有する。第２に示されるレール１２は、要望通りに、Ｖ６構成のエンジンと併せて用いてもよいし、直６構成のエンジンと併せて用いてもよい。Ｖ６構成においては、３つのポートがレール１２に沿って、ＡＷＡ１０の間に間隔をもって配置され、各ポートは、該Ｖ６エンジンのバンクにおける３つのインジェクタの各々に供給する。直６構成においては、６つのポートがレール１２のスパンに沿って、ＡＷＡ１０の間に間隔をもって配置されて、６つのインジェクタの各々に供給する。

本発明のＡＷＡ１０の第３の構成は、第１の図のＡＷＡ１０を第２の図のＡＷＡ１０と統合して、中央に配置されたＡＷＡ１０及びエンドキャップが配置されたＡＷＡ１０の両方を与えることである。

ＡＷＡ１０により与えられる減衰理論は、以下の方程式により述べられ、

ここで、
ｆは、共振周波数であり、
Ｃは、媒体（作動流体）中の音速であり、
Ａは、オリフィス１４の断面積であり、
Ｖはキャビティ１６の容積であり、
Ｌは流体通路１８とキャビティ１６との間の長さ寸法である。

本発明のＡＷＡ１０をレール１２に導入することにより、圧力波のマグニチュードが大幅に減少される。したがって、作動流体レール１２に対する軸方向力もまた、大幅に減少される。この力振動の減少は、作動流体レール１２における圧力波の周波数をもつ雑音の減少を助ける。流量制限部（オリフィス１４）は、これらが作動流体レール１２における力振動を効率的に減衰させる一方で、インジェクタ性能を維持するように設計することができる。

図１ｂの教示による実施形態において雑音の減少を達成するために、図２及び図３に示されるように、２つのＡＷＡ１０が作動流体レール１２の端部に置かれる。この設計は、レール１２には、ＡＷＡ１０を該レール１２に統合することによりもたらされる如何なる付加的な流量制限部もないため、作動流体レールを通る作動流体流制限に対する懸念（図１ａにおける中央ＡＷＡ１０を参照されたい）をなくす。

図２及び図３を参照すると、レール１２は、ほぼ円筒形の形状である。レール１２は、該レール１２の外部縁部から延びる複数のラグ２０を有する。ラグ２０の各々は、これを通って形成された孔２２を有し、レール１２をエンジンヘッドに固定する。

レール１２の中には、ほぼ円筒形の流体通路１８が形成されている。複数のポート２４が、流体通路１８と交差する。ポート２４の各々は、ほぼ円筒形状であり、ほぼ円筒形の内側縁部２６を有する。フェルール２８が、内側縁部２６の中にねじ込まれて、この中にジャンパ管３０を保持する。ジャンパ管３０は、流体通路１８をそれぞれの燃料インジェクタ（図示せず）に流体連結する。

図２及び図３の実施形態においては、ＡＷＡ１０の各々は、レール１２のエンドキャップ３２を含む。エンドキャップ３２及びこの寸法は、図４に示される。ＡＷＡ１０を含むエンドキャップ３２には、複数のフラット３６が形成された六角形ナット３４が含まれており、レンチが該エンドキャップ３２において、てこ作用をもたらすことを可能にする。

六角形ナット３４は、エンドキャップ３２の本体３８と一体で形成される。本体３８の外部縁部にはねじ４０が形成されている。ねじ４０は、レール１２の内側縁部に形成されたレールねじ４２にねじ係合するように設計される（図３を参照されたい）。

キャビティ４４は、エンドキャップ３２の内部に設計される。キャビティ４４は、ほぼ円筒形の側部縁部４６を有する。側部縁部４６は、１５から２５ミリメートルの直径を有することが好ましく、２０ミリメートルであることが好ましい。円形の端縁部４８が、キャビティ４４の第１端をシールする。アパーチャ５０が、キャビティ４４の反対側の第２端に形成される。

カップ形状のプラグ５２がアパーチャ５０内に配置可能である。プラグ５２がアパーチャ５０内に配置されたときには、該プラグ５２は、キャビティ４４の第２端を形成する。

プラグ５２は、先細縁部５４及び直線縁部５６により形成されたほぼ円筒形の外側縁部を有する。先細縁部５４は、プラグ５２をアパーチャ５０の中に挿入するのを可能にするために、２度から５度の間で先細にされることが好ましい。直線縁部５６は、プラグ５２をアパーチャ５０の中に圧入するか又は該アパーチャ５０内にブレイズできるように、キャビティ４４の直径と非常に近い直径を有する。

カップ形状のプラグ５２は、プラグの側壁５８とプラグの端壁６０とで形成される。プラグの側壁５８及びプラグの端壁６０は、内部円筒形キャビティ６２を形成する。円筒形キャビティ６２は、プラグの端壁６０の反対側にプラグ開口部６３を有する。円筒形キャビティ６２は、プラグ開口部６３によって、キャビティ４４と流体流通する。円筒形キャビティ６２は、１６ミリメートルの直径を有することが好ましい。プラグの側壁５８は、プラグの端壁６０の外側縁部からプラグ開口部６３まで延びる、１４ミリメートルの長さを有する。

オリフィス６４が、プラグの端壁６０を通って中央に形成されることが好ましい。傾斜した入口６６が、オリフィス６４の流体通路１８側に形成される。入口６６の傾斜は、プラグの端壁６０の平面に対して４５度の角度であり、オリフィス６４に対して下方に先細になることが好ましい。オリフィス６４は、直径が０．７ミリメートルであることが好ましく、２．５ミリメートルであるプラグの端壁６０の厚さに対応する長さを有することが好ましい。複数のオリフィス６４をこのように形成することができ、各々のオリフィス６４は、特定の周波数に調整されるように選択された異なる断面積を有する。

図５、図６、及び図７は、Ｖ８構成のエンジンと併せて用いるレール１２を示す。レール１２は、該レール１２を高圧作動流体ポンプに流体結合する流体入口ポート３１を含む。実際には、特定のレール１２が供給するシリンダバンクに応じて入口ポート３１の一方又は他方が用いられる。図示されていないが、同様の入口ポート３１が図２及び図３のレール１２に形成されている。

レール１２は、前述のように、ＡＷＡ１０を形成するエンドキャップ３２を含む。さらに、中央ＡＷＡ１０は、流体通路１８内の２つのエンドキャップ３２の間のほぼ中間に配置される。ＡＷＡ１０を受け入れるために、ほぼ円筒形のアパーチャ７０がレール１２の壁に形成される。アパーチャ７０の一部は、雌ねじ７２を含む。アパーチャ７０は、流体通路１８の一部を含む実質的に半球状のドーム７４のほぼ反対側に形成される。

ＡＷＡ１０は、本体７６を含む。本体７６は、該本体７６の外側縁部の一部に形成されたねじ７８を有する。ねじ７８は、ねじ７２にねじ係合するように設計される。周方向溝８０が本体７６に形成される。Ｏリングシール８２が溝８０に配置されて、本体７６と円筒形アパーチャ７０との間の流体密封シールを形成することができる。六角形容器８３が本体７６に形成される。アレン型レンチを本体７６の六角形容器８３に挿入して、該本体７６をアパーチャ７０の中に及び該アパーチャの外に動かすことができる。

キャビティ８４が本体７６に形成される。キャビティ８４は、ほぼ半球形状である。キャビティ８４は、球状部分８６及び円筒形部分８８により形成される。円筒形部分８８は、キャビティ８４の形成を可能にするように、円筒形状に成形される。開口部９０が本体７６の上方縁部に形成される。本体７６が円筒形アパーチャ７０の中にねじ込まれると、該本体７０の上方縁部とシール９１における半球状ドーム７４の周辺部との間に、シール係合が形成される。オリフィス９２ａ、９２ｂの対が、本体７６の壁を通して形成される。オリフィス９２ａ、９２ｂは、壁９４の厚さに等しい長さを有する。オリフィス９２ａ、９２ｂは、流体通路１８の第１部分１８ａを該流体通路１８の第２部分１８ｂと流体結合する。オリフィス９２ａ、９２ｂは、同じ断面積を有することが好ましい。この断面積を定める際の考慮事項は、第１部分１８ａ及び第２部分１８ｂとの間に十分な作動流体流を与えることである。

減衰キャビティ９６は、部分的に、本体７６に形成されたキャビティ８４と対応する半球状ドーム７４により形成される。減衰キャビティ９６は、円筒形部分８８により形成された該減衰キャビティの部分以外は、ほぼ球状の形状である。

当業者であれば、ここに述べられたものに加えて、他の実施形態が、本出願の目的及び範囲内にあると示されることが明らかであろう。本発明は、その精神又は本質的な特性から離れることなく、他の特定の形態で構成することができる。述べられた実施形態は、すべての点において、例示的なものにすぎず、限定するものではないことを考慮されたい。したがって、本発明の目的は、上記の説明ではなく、特許請求の範囲により示される。特許請求の範囲の等価物における意味及び範囲内にあるすべての変更は、この目的に含まれる。

本発明による音波減衰器の第１の概念図である。 本発明による音波減衰器の第２の概念図である。 本発明による音波減衰器のエンドキャップを有するレールの断面斜視図である。 本発明による図２の音波減衰器のエンドキャップの拡大断面斜視図である。 一部を切り欠いた、本発明による音波減衰器のエンドキャップの側面図である。 本発明による音波減衰器のエンドキャップを有するレールと、中央音波減衰器の斜視図である。 図５の線６−６に沿って取った本発明によるレールの断面図である。 本発明による図６の中央音波減衰器の拡大断面図である。

Claims (9)

1. 加圧流体と用いるためのアクチュエータレールであって、
   流体通路と、
   前記流体通路の第１端に配置され、少なくとも１つの円形の端縁部を有する第１キャビティと、
   前記第１キャビティと前記流体通路との間に配置された第１オリフィスと、
   を備え、前記第１キャビティと、前記流体通路と、前記第１オリフィスとが流体連通しており、該第１オリフィスが、該第１オリフィスの容積内の作動流体と前記第１キャビティ内の作動流体容積との間における位相相殺により、該流体通路内の加圧流体における波を減衰でき、
   前記第１オリフィスは、前記第１キャビティに面する第１端と、前記第１端とは反対側に面する第２端と、傾斜面とを有し、前記第１オリフィスの前記第２端が前記第１オリフィスの前記第１端より大きいことを特徴とする、
   アクチュエータレール。
2. 加圧流体を流体通路内に囲むことができるアクチュエータレールと併せて用いることができる音波減衰器であって、
   アクチュエータレールに配置することができるハウジング内の第１端に配置され、少なくとも１つの円形の端縁部を有する第１キャビティと、
   前記第１キャビティの第１端に配置された第１オリフィスと、を備え、
   前記第１オリフィスが、前記第１キャビティと流体連通しており、前記流体通路と流体連通することも可能であり、該第１オリフィスが、該第１オリフィスの容積内の作動流体と前記第１キャビティ内の作動流体容積との間における位相相殺により、該流体通路内の加圧流体における波を減衰でき、
   前記第１オリフィスは、前記第１キャビティに面する第１端と、前記第１端とは反対側に面する第２端と、傾斜面とを有し、前記第１オリフィスの前記第２端が前記第１オリフィスの前記第１端より大きいことを特徴とする、
   音波減衰器。
3. 前記アクチュエータレールが、前記流体通路の前記第１端とは反対側の第２端近傍の第２キャビティと、前記流体通路の該第１端及び該流体通路の該第２端の間に配置された第３のキャビティとを更に備えている、
   請求項１に記載のアクチュエータレール又は請求項２に記載の音波減衰器。
4. 前記第１キャビティが、前記アクチュエータレールと係合されたエンドキャップに配置される、
   請求項１に記載のアクチュエータレール又は請求項２に記載の音波減衰器。
5. 前記第３キャビティが前記流体通路とは別体のハウジングに配置され、前記ハウジングが該流体通路の中に挿入可能である、
   請求項３に記載のアクチュエータレール又は請求項３に記載の音波減衰器。
6. 前記第３キャビティが半球体を含む、
   請求項３に記載のアクチュエータレール又は請求項３に記載の音波減衰器。
7. 前記第３キャビティがほぼ球体である、
   請求項３に記載のアクチュエータレール又は請求項３に記載の音波減衰器。
8. 前記第３キャビティが前記流体通路の半球状部分と対応して形成された、
   請求項３に記載のアクチュエータレール又は請求項３に記載の音波減衰器。
9. 前記流体通路の前記半球状部分の周辺に近接して、該流体通路との実質的な流体密封界面をさらに含む、
   請求項８に記載のアクチュエータレール又は請求項８に記載の音波減衰器。

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