JP5044611B2 - 高圧可変吐出量ポンプを備える燃料噴射システム - Google Patents

Description

本発明は、高圧可変吐出量ポンプを備える内燃エンジン燃料噴射システムに関する。

現代の内燃エンジンでは、知られているように、噴射システムの高圧ポンプが、所定の加圧燃料貯蔵空間を持つコモンレール(common rail)へ燃料を供給して、多数のエンジンシリンダー噴射器に供給している。適切に霧状にするには、燃料は、最大エンジンパワー条件で１６００バール(bar)の領域という極めて高い圧力にしなければならない。この種のシステムの貯蔵空間に必要となる燃料圧力は、通常、エンジンの動作条件の関数として、電子制御ユニットによって規定される。

公知の噴射システムは、ポンプの配給管路に沿って配置されたバイパスソレノイド弁が、制御ユニットによって制御され、噴射器によって吸引された分を超えた過剰な加圧燃料は、コモンレールに到達する前に、燃料タンクに直接排出される。

高圧ポンプの吐出量は、通常、駆動軸の回転速度に依存しているため、エンジンの様々な動作条件で必要になる最大吐出量および最大圧力値を提供するようにしなければならない。ある動作条件、例えば、エンジンが最大速度で低パワー出力の場合、ポンプ吐出量は過剰になり、過剰燃料はタンクへ単に排出される。それ故、この種の公知の調整装置は、高圧ポンプの圧縮行程での熱消失という短所を有する。

低パワーのエンジン動作条件において、加圧燃料の量を低減するために、可変吐出量高圧ポンプを特徴とする噴射システムが提案されている。こうしたシステムでは、ポンプの吸入管路は、必要なコモンレール圧力及び／又はエンジン動作条件の関数として、電子制御ユニットによって制御される連続可変断面の絞り(constriction)を備える吐出量調整装置が装着されている。

より詳細には、吸入管路での絞りには、補助ポンプによって付与される５バール程度の一定した圧力差ΔＰが供給され、実際の流量エリアの連続した変動は、流体的に連結したポンプエレメントの吸入量を調整する。調整ソレノイド弁から下流での燃料量、即ち、許容吸入量は、極めて低い圧力で、低い吐出量条件であり、吸入弁を開く方にほとんど寄与しない。

この種のシステムでは、通常の吸入弁の戻りスプリングは、弁が、絞りから下流側でほぼゼロの最小圧力となるように開くことを確保しなければならない。一方、スプリングは、極めて精度良く校正しなければならず、このことはポンプが比較的に高価になることを意味する。他方、吸入弁は、比較的圧縮された空間にあるポンプエレメントによって生成される低い圧力によって、開かないかもしれないというリスクが絶えず存在しており、これらはポンプの異常動作および重大な劣化をもたらす。最低限でも、ポンプが多数のポンプエレメントを有する場合には、絶えず不均衡な吐出量を生じさせる。

公知の他の噴射システムは、吸入管路に沿って配置された比較的高流量のオンオフソレノイド弁によって規定されるポンプ用の装置を特徴としており、吸入ストロークの可変部分についてポンプ部材に供給して、供給遮断時が調整される。

この調整装置は、吸入ストロークの際に、ソレノイド弁をポンプエレメントのピストン位置と同期させる必要があり、オンオフソレノイド弁を高い周波数で制御しなければならないという短所を有する。例えば、２つの１８０°ポンプエレメントを持つポンプの速度が３６００ｒｐｍの吸入周波数である場合、オンオフソレノイド弁の制御周波数は、１２０Ｈｚとなる。

本発明の目的は、限定したコストで、公知の先行技術によって提起された短所の無い信頼性の高いシステムを達成するように設計された、高圧ポンプおよびポンプ吐出量調整装置を備える燃料噴射システムを提供することである。

本発明によれば、請求項１に記載したように、可変吐出量高圧ポンプを備える内燃エンジン燃料噴射システムが提供される。

より詳細には、オンオフソレノイド弁は、低い流量レートを有し、加圧燃料の計量を制御して、吸入ストロークの可変部分についてポンプエレメントに供給するように、吸入燃料貯蔵空間を介してポンプエレメントの吸入弁と連通している。制御ユニットは、周波数変調及び／又はデューティサイクル変調の制御信号によって、オンオフソレノイド弁を制御する。制御を簡素化するため、圧力調整器によって、圧力はオンオフ弁の上流側で一定に維持されるとともに、圧力調整器は過剰な燃料をポンプケースに送給して、これによりケース内部のクランク機構全体を冷却し潤滑させて、タンクに戻している。

本発明に係る内燃エンジン燃料噴射システムの図を示す。 図１のシステム調整装置についての２つの動作図を示す。 図１のシステムの変形例についての部分図を示す。 図１のシステムの変形例についての部分図を示す。

本発明の好ましい非限定の実施形態は、添付図面を参照して例として説明する。

図１の符号１は、複数、例えば４つのシリンダー３を備える、例えば４ストロークディーゼルなど内燃エンジン２のための燃料噴射システムを全体として示す。シリンダー３は、駆動軸４を回転させるための対応するピストン（不図示）と協働する。

噴射システム１は、シリンダー３に取り付けられ、高圧燃料をシリンダー３へ噴射するための複数の電気制御噴射器５を備える。噴射器５は、１つまたはそれ以上の噴射器５のための所定の容積を持つ加圧燃料貯蔵空間に連結される。図示した実施形態では、加圧燃料貯蔵空間はコモンレール６によって規定され、ここに全ての噴射器５が連結されている。

コモンレール６には、全体として符号７で示す高圧ポンプにより、高圧燃料が配給管路８に沿って供給され、高圧ポンプ７には、今度は、低圧ポンプ、例えば、モータ駆動のポンプ９によりポンプ７の吸入管路１０に沿って供給される。モータ駆動のポンプ９は、通常、燃料タンク１１中に配置され、これに噴射システム１の過剰燃料ドレイン管路１２が連結されている。

コモンレール６は、ドレイン管路１２と連通するソレノイドドレイン弁１５を有する。最小値と最大値の間で変化する燃料量は、電子制御ユニット１６の制御下で、各噴射器５によって対応のシリンダー３へ噴射される。電子制御ユニット１６は、エンジン２の中央マイクロプロセッサ制御ユニットによって規定しても構わない。

制御ユニット１６は、対応したセンサ（不図示）によって生成された信号を受信する。この信号は、例えば、アクセルペダル位置、駆動軸４の速度、および圧力センサ１７によって検出されるようなコモンレール６中の燃料圧力など、エンジン２の動作条件を示すものである。

制御ユニット１６は、特別なプログラムによって、到来する信号を処理して、個々の噴射器５を何時、どれぐらいの期間で動作させるかを制御する。制御ユニット１６はまた、ソレノイドドレイン弁１５の開放および閉止を制御して、ドレイン管路１２は、噴射器５によって排出された燃料、ソレノイドドレイン弁１５によって排出されたコモンレール６中の過剰な燃料、およびポンプ７のケース３３からの冷却および潤滑用の燃料をタンク１１へ送給する。

高圧ポンプ７は、２つのポンプエレメント１８を備え、これらは圧縮空間２０を持つシリンダー１９によって規定される。そこでは、ピストン２１が前後にスライドして、吸入ストロークおよび吐出ストロークを実行する。各圧縮空間２０は、対応する吸入弁２５と、対応する吐出弁３０とを有し、これらは個別の戻りスプリングを持つボール型であってもよい。両方の吸入弁２５は、共通の吸入管路１０と連通しており、両方の吐出弁３０は、共通の配給管路８と連通している。

より詳細には、ピストン２１は、ポンプ７の駆動軸２３に装着されたカム２２によって動作する。図１の実施形態では、両方のポンプエレメント１８は、同軸で対向しており、ケース３３内に収容された単一のカム２２によって１８０°の位相変位で動作する。軸２３は伝達装置２６によって駆動軸４に連結され、噴射器５によるエンジン２の個別シリンダーへの各噴射のために、カム２２は、１つのピストン２１の圧縮ストロークを指令する。

タンク１１内の燃料は大気圧である。使用時には、モータ駆動のポンプ９は、燃料を低圧、例えば約２〜３バールに圧縮し、高圧ポンプ７は、吸入管路１０から到来する燃料を圧縮して、例えば、約１６００バールの高圧燃料を配給管路８に沿って加圧燃料コモンレール６へ供給する。

本発明によれば、ポンプ７の吐出量は、吸入管路１０に沿った調整装置３１によって専ら制御される。調整装置は、オンオフソレノイド弁２７と、符号３２で概略的に示す、ソレノイド弁２７の制御を簡素化するための圧力調整器とを備える。圧力調整器３２は、ソレノイド弁２７から上流側に配置され、吸入管路１０に沿って一定の圧力を維持するために設けられる。調整器３２は、過剰な燃料をポンプ７のケース３３へ送給して、ケース３３内の動作機構全体を冷却し潤滑させる。ケース３３からは、過剰な燃料が管路１２を沿ってタンク１１へ戻される。

調整装置は、ポンプエレメント１８の吸入ストロークに対して非同期で動作する。オンオフソレノイド弁２７は、２つのポンプエレメント１８の吸入燃料を貯蔵するための、符号２８で概略的に示す貯蔵空間を介して吸入弁２５と連通している。吸入燃料貯蔵空間２８は、エンジン２の動作条件に応じて、相対的な吸入ストロークの可変部分について各ポンプエレメント１８に供給するように設計されており、ソレノイド弁２７から下流側にある吸入管路１０の種々の部分によって規定され、あるいは一体化されたものである。

ソレノイド弁２７は、エンジン２の動作条件の関数として、電子制御ユニット１６によって制御され、これは、ポンプ７により管路１０に沿って吸引される燃料量に基づいて決定してもよく、コモンレール６内での燃料圧力を決定する。ソレノイド弁２７は、各ポンプエレメント１８の吸入ストロークに対して非同期で制御され、周波数変調及び／又はデューティサイクル変調の制御信号によって電子制御ユニット１６により制御される。図２は、２つのタイプの制御信号についての２つのグラフを示す。より詳細には、信号は、持続期間で１／１０００秒のオーダーとすることができ、デューティサイクルは、２％と９５％の間で変化することができる。

第１実施形態において、制御ユニット１６は、一定の持続期間ｔ１（オン時間）の周波数変調制御信号Ａによってソレノイド弁２７を制御して、ポンプすべき燃料量は、信号Ａの間の時間間隔Ｂ（オフ時間）を変えることによって、変化する。他の実施形態では、制御ユニット１６は、一定の周波数のデューティサイクル変調制御信号Ｃによって（ＰＷＭ、パルス幅変調）ソレノイド弁２７を制御する。一定の周波数は、図２において、破線Ｇの間の一定距離によって示されている。それ自体、信号Ｃの持続期間（オン時間）およびこれらの間の間隔Ｄ（オフ時間）の両方ともが変化して、オン時間とオフ時間の比が可変である。

ソレノイド弁２７は、信号の周波数およびデューティサイクルの両方を変調することによって制御してもよいことは明らかである。ソレノイド弁２７の開放周波数は、ポンプ７の速度に関係しているが、常にポンプ７の最大吸入周波数より下回る。

ソレノイド弁２７は、比較的小さい有効流量断面を有し、燃料は、ポンプ７によって高い圧力が導入される前に、計量される。好ましくは、流量断面とは、最大周波数または最大デューティサイクルの制御信号による制御を用いたとき、ソレノイド弁２７の最大瞬間流量が、吸入弁２５によって吸引され得る最大瞬間流量より小さくなるようにしたものである。ソレノイド弁２７の最大瞬間流量は、吸入弁２５のものより２０％程度小さくすることができる。

好ましくは、ソレノイド弁２７の流量断面は、所定の時間間隔Ｔに渡って、吸引弁２５によって吸引される平均流量より大きい平均流量を生成するようにする。図２において、時間間隔Ｔは、２つの一点鎖線によって示され、上述で定義された時間単位の倍数である。明らかなように、図２での時間間隔Ｔ内に示した信号Ａ，Ｃの数は、単なる例示的なものである。時間間隔Ｔは、ポンプエレメント１８の吸入ストロークの持続期間と同じオーダーの大きさであってもよい。

テストは、ポンプ７の吐出量の調整が、制御ユニット１６によって制御されたソレノイド弁２７の開放の変調だけを用いて、各噴射器５の動作時に、ポンプされた燃料を正確に計量することを示している。それ自体、加圧燃料コモンレール６の貯蔵空間は、大幅に減少させても構わない。

図１の実施形態において、２つのポンプエレメント１８は逆位相で動作しているため、吸入管路１０に沿ってポンプ７に圧送される燃料は、そのとき吸入ストロークを実行しているポンプエレメント１８によってのみ吸引され、圧縮ストロークを実行している別のポンプエレメント１８の吸入弁２５は閉じている（圧縮ストロークの開始時での数度を除いて）。

図３の変形例では、各ポンプエレメント１８は、対応するオンオフソレノイド弁２７および対応する吸入燃料貯蔵空間２８が設けられ、両方のオンオフ弁２７に共通した圧力調整器３２は、潤滑のためにケース３３中に過剰な燃料を送給し、そこからドレイン管路１２に沿って排出される。

図４の変形例では、２つのポンプエレメント１８は、並んで配置され、軸２３に装着された２つのカム２２によって１８０°の位相ずれで動作する。この場合も、対応するオンオフソレノイド弁２７および対応する吸入燃料貯蔵空間２８が、各吸入弁２５から上流側に配置され、共通の圧力調整器３２は、両方のオンオフソレノイド弁２７での燃料圧力を調整する。２つのソレノイド弁２７を用いることで、各ポンプエレメント１８につき１つがより正確な調整をもたらす。図４の変形例は、両方のポンプエレメント１８に共通した吸入管路１０の一部に沿って配置された、１つだけのソレノイド弁２７を備えてもよいことは明らかである。

公知の技術と比べて、本発明に係る高圧ポンプ７の燃料吐出量を調整するための装置を備える噴射システムの利点は、上述から明らかであろう。特に、ポンプエレメント１８とは反対に、燃料が、ソレノイド弁２７によって低い圧力で計量できることは好都合であり、燃料の計量を制御するために、ソレノイド弁２７の非同期制御は、ピストン２１の位置を知る必要性を排除している。ソレノイド弁２７は、ポンプ７の吸入周波数と独立した周波数で制御される。そして、オンオフタイプであるため、ソレノイド弁２７は、公知のシステムで用いられる比例タイプのものよりシンプルであり、本発明に係るシステムは極めて低コストになる。

明らかに、上述した高圧ポンプおよび調整装置を備える噴射システムは、添付のクレーム範囲を逸脱することなく、変化および改良を施すことができる。例えば、伝達装置２６は除去してもよく、駆動軸４とは独立した速度で動作する高圧ポンプの軸２３、コモンレール６から燃料を排出させるためのソレノイド弁１５は、除去してもよい。ポンプ７は、異なる数のポンプエレメント１８、例えば、共通カムによって１２０°の位相ずれで動作する３つのポンプエレメントを備えてもよい。

最後に、ソレノイド弁２７は、ガソリンやガスエンジン噴射器で規定してもよく、即ち、安全弁としても機能する、高い信頼性で低コストで一般に市販されている構成部品でもよい。ガソリンエンジン噴射器は、実際、異なる直径の出口オリフィスを有し、それ故、異なるパワーのエンジンに容易に適合可能である。

１ 噴射システム
２ エンジン
３ シリンダー
４ 駆動軸
５ 電気制御噴射器
６ コモンレール
７ 高圧ポンプ
８ 配給管路
９ ポンプ
１０ 吸入管路
１１ タンク
１２ ドレイン管路
１５ ソレノイドドレイン弁
１６ 電子制御ユニット
１７ 圧力センサ
１８ ポンプエレメント
１９ シリンダー
２０ 圧縮空間
２１ ピストン
２２ カム
２５ 吸入弁
２６ 伝達装置
２７ オンオフソレノイド弁
３０ 吐出弁
３１ 調整装置
３２ 圧力調整器
３３ ケース

Claims (6)

1. レシプロ式で動作して吸入ストロークおよび吐出ストロークを実行するポンプエレメント（１８）であって、同軸で対向配置され、単一のカム（２２）によって互いに逆位相で動作する２つのポンプエレメント（１８）と、ポンプ動作機構を収容するケース（３３）とを有し、高圧貯蔵空間（６）に高圧燃料を供給するための可変吐出量高圧ポンプ（７）を備え、
   前記ポンプエレメント（１８）は、燃料タンク（１１）から供給される燃料が流れる吸入管路（１０）と連通する吸入弁（２５）と、配給管路（８）と連通する吐出弁（３０）を有するものであり、
   前記吸入管路（１０）と前記ポンプ（７）の間に配置され、前記ポンプ（７）の吐出量を調整するための調整装置（３１）を備え、
   前記調整装置（３１）は、前記ポンプエレメント（１８）に供給される燃料量を規定するためのオンオフソレノイド弁（２７）と、オンオフソレノイド弁（２７）から上流側に配置され、過剰な燃料を前記ケース（３３）へ送給し、前記タンク（１１）へ排出することにより、所定の一定燃料圧力を維持するとともに、前記ポンプ動作機構を冷却し潤滑させるための圧力調整器（３２）と、高圧貯蔵空間（６）での燃料圧力の関数として、前記オンオフソレノイド弁（２７）を制御するために設けた制御ユニット（１６）とを備え、
   前記制御ユニット（１６）は、オン時間が一定で、オフ時間が可変である周波数変調の制御信号（Ａ）、オン時間とオフ時間の比が可変であるデューティサイクル変調の制御信号（Ｃ）、または周波数およびデューティサイクルの両方を変調した制御信号によって、前記吸入ストロークに対して非同期で前記オンオフソレノイド弁（２７）を制御することを特徴とする内燃エンジン燃料噴射システム。
2. 吸入燃料貯蔵空間（２８）は、前記オンオフソレノイド弁（２７）と前記吸入弁（２５）との間に配置され、相対的な吸入ストロークの可変部分について各ポンプエレメント（１８）に供給することを特徴とする請求項１記載の噴射システム。
3. 前記調整装置（３１）は、第１ポンプエレメント（１８）と前記吸入管路（１０）との間に配置された、第１オンオフソレノイド弁（２７）および第１吸入燃料貯蔵空間（２８）と、
   第２ポンプエレメント（１８）と前記吸入管路（１０）との間に配置された、第２オンオフソレノイド弁（２７）および第２吸入燃料貯蔵空間（２８）とを備えることを特徴とする請求項２記載の噴射システム。
4. 高圧貯蔵空間（６）にはソレノイドドレイン弁（１５）が設けられ、前記制御ユニット（１６）は、ソレノイドドレイン弁（１５）の開放および閉止を制御することを特徴とする請求項１または２記載の噴射システム。
5. 前記制御ユニット（１６）は、前記ポンプの速度に関係した周波数及び／又は可変デューティサイクルの制御信号によって、前記オンオフソレノイド弁（２７）を制御することを特徴とする請求項３または４記載の噴射システム。
6. 前記周波数は、前記ポンプ（７）の最大吸入周波数より小さいことを特徴とする請求項５記載の噴射システム。

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