JP5528754B2 - 磁気作動可能な吸入弁を有する高圧ポンプを備えた燃料噴射システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料タンクと、内燃機関の燃焼室に燃料を入れるための高圧タンクと、燃料タンクから高圧タンクへ燃料を送るための少なくとも２つの高圧ポンプを有するポンプ構造と、を備える、内燃機関、特に船舶用ディーゼルのための燃料噴射システムと、当該燃料噴射システムのための高圧タンク、および当該燃料噴射システムを用いて、内燃機関、特に船舶用ディーゼルの燃焼室に燃料を入れるための方法と、に関する。

連結解除された高圧ポンプによって燃料が噴射圧にまで圧縮され、噴射装置によって個々の燃焼室に噴射される、当該分野に係る燃料噴射システムが、船舶用ディーゼルにおいてもますます使用されている。このようなコモンレールシステムにおいては、高圧タンクを１つあるいは複数の高圧ポンプによって操作することも知られている。

他方、たとえば特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４からは、コモンレール燃料噴射システム用の高圧ポンプの吸入弁を電磁弁として形成し、それによって吸入弁の意図的な開閉によって吐出量を左右することが、すでに知られている。しかしながら、高圧ポンプの吸入弁が単に制御可能であるだけでは、燃料噴射システムのパフォーマンスを最適化するための磁気作動可能な吸入弁のポテンシャルを充分に利用してはいない。

欧州特許第０２４４３４０号明細書 欧州特許第０４８１９６４号明細書 独国特許出願公開第１００５２６２９号明細書 国際公開第００／６１９３９号

それゆえ本発明の課題は、コモンレール燃料噴射システムを改善することにある。

当該課題を解決するために、請求項１のおいて書きに記載の燃料噴射システムが、請求項１の特徴によって改良されている。請求項３は、コモンレール燃料噴射システム用の高圧ポンプを保護し、請求項７は、当該燃料噴射システムを駆動するための方法を保護する。従属請求項は、有利な改良に関する。

本発明の、内燃機関、特に船舶用ディーゼルのための燃料噴射システムは、燃料をより低い圧力で特に大気圧より低くして貯蔵するための燃料タンクと、高圧タンクと、を備えており、当該高圧タンクから、たとえば噴射装置によって、高圧にされた燃料を内燃機関の燃焼室に入れることができる。燃料タンクと高圧タンクとの間には、燃料タンクから高圧タンクへ燃料を送るための少なくとも２つの高圧ポンプが並列して設けられており、好ましい実施形態では、燃料タンクと１つの高圧ポンプとの間に、少なくとも１つの輸送ポンプおよび／あるいは少なくとも１つの強化ポンプもしくはブースタポンプが設けられていてよい。

本発明に従えば、ポンプ構造のいくつかのあるいは好ましくはすべての高圧ポンプは、それぞれ１つずつ磁気作動可能な吸入弁（もしくは吸入スロットル）を備えており、移動可能なピストンが燃料に圧力を印加し、好適には付勢された逆止弁によって、高圧タンクへ押し出されるポンプ室が、当該吸入弁（吸入スロットル）によって、燃料タンクに対して遮断され得る。

これまでに知られている、受動的な吸入弁を有するポンプ構造とは違い、吸入弁が磁気作動可能である、複数の並列切り換え式高圧ポンプを使用することにより、燃料噴射システムの特性が改善され得る。

たとえばポンプ構造の磁気作動可能な吸入弁は、高圧タンクでの圧力変動を軽減するために、個別に制御可能である。

そのために、たとえばポンプ構造の２つ以上の高圧ポンプの磁気作動可能な吸入弁は、時間的にずらされて開放および／あるいは閉鎖可能である。それによって、それぞれのポンプ室への流入もしくはそれぞれのポンプ室からの流出はもはや同時には起こらず、時間的にずらされて起こり、その結果、ピストンが同時に移動する高圧ポンプの圧力ピークのひずみが時間的に補正され、吸入管もしくは吐出管における全圧力ピークが減少され得る。吸入のタイミングの間、吸入弁を何度も開閉することも可能であり、圧力変動をいっそう軽減することができる。

付加的にあるいは選択的に、ポンプ構造の高圧ポンプが１つ機能停止しても、ポンプ構造の他の高圧ポンプの磁気作動可能な吸入弁の開放時間を長くすることによって補償され得る。それによって、ポンプの機能停止が、すぐに燃料噴射システム全体の機能停止もしくは非常運転状態に至ることはない。なぜなら、開放時間を長くすることによって、残った高圧ポンプの吐出量を上げることができ、全体量としては機能停止を少なくとも部分的に補償することができるからである。

燃料タンクと高圧ポンプとの間に設けられた輸送ポンプあるいはブースタポンプの機能停止、いわゆるブラックアウトにも、ポンプ構造の少なくとも１つの高圧ポンプの磁気作動可能な吸入弁の開放時間を長くすることにより、対処できる。なぜなら磁気作動可能な吸入弁によって、高圧ポンプの吸入管内の流れ圧力がなくてももしくは流れ圧力がほんのわずかであっても、当該高圧ポンプによって燃料を高圧タンクに送り、内燃機関の燃料供給を維持することが可能であるからである。

付加的にあるいは選択的に、ポンプ構造の高圧ポンプの磁気作動可能な吸入弁の開放時間を、作業周期の間変化させることができる。それによって、個々の高圧ポンプの吐出量を特に素早く変化させることができ、かつ負荷の上昇に可及的速やかに反応するために、たとえば吐出の程度を上げることができる。

そのために、本発明の見解での高圧ポンプの磁気作動可能な吸入弁の切替時間、すなわち吸入弁の開放位置と閉鎖位置とを切り替えるための時間は、高圧ポンプの最長吸入時間、すなわちピストンの移動によって規定される最長時間であって、燃料が燃料タンクから高圧ポンプのポンプ室に流れ込む時間の最大１０％、好ましくは最大５％、特に好ましくは最大１／３０である。本発明の実施形態においては、吸入弁の当該切替時間は、たとえば最大４ミリ秒、好ましくは最大１ミリ秒となっている。

既述の特許文献１と特許文献２とにおいては、吸入弁は、通常は開放されていて励磁の際には閉じる電磁弁であるが、本発明に係る高圧ポンプで好ましいのは、磁気作動可能な吸入弁は、弾性的に液圧でおよび／あるいは空気圧で閉鎖位置に付勢され、電磁石で電機子を引き寄せることによって、能動的に開放可能であることである。電磁石のエネルギー供給が停止すると、それによってポンプ室は燃料タンクに対して確実に遮断される。しかも電磁石は、作業タイミングに対してより短い吸入時間の間、電気を供給されさえすればよい。そのとき電磁石は、当該電磁石が電磁弁の電機子に掛ける力によって吸入側の接続部に流れ圧力がなくても吸入弁が開き、それによってわずかな流れ圧力しかなくてもブラックアウト・スタートが可能となるよう、配置される必要がある。

吸入弁を特定の力で配置し動かすことができるように、磁気作動可能な吸入弁の電機子室は、好ましくは吸入接続部に対して液漏れしないようになっているか、あるいは吸入接続部と連通されている。

さらなる利点と特徴は、従属請求項と実施例とから明らかとなる。これについて、部分的に概略化されて、唯一の図として以下に示される。

本発明の実施形態による、燃料噴射システムである。

図１は、（図示されていない）船舶用ディーゼルのためのコモンレールシステムの形状をした、本発明の実施形態による、燃料噴射システムである。当該燃料噴射システムは燃料タンクもしくは燃料貯蔵庫１２を有しており、当該燃料タンク１２内にディーゼル燃料が大気圧で備蓄されている。当該燃料噴射システムはまた、圧力タンク９を有しており、当該圧力タンク９内には燃料が高圧で貯蔵されていて、噴射装置によって船舶用ディーゼルの燃焼室に噴射されるようになっている（図示されず）。

燃料を燃料タンク１２から高圧タンク９に送り、望ましい圧力にするために、燃料タンクと高圧タンクとの間には、３つの高圧ポンプ１，１０，１１が並行に設置されている。当該３つの高圧ポンプは、構造上はほぼ同じであるため、以下においては、図１においてより詳細に描かれた高圧ポンプ１についてのみ、述べられる。

当該高圧ポンプは、吸入側で吸入接続部３を介して燃料タンク１２と連結されている。記載されてはいないが、吸入接続部３である程度の流れ圧力を生み出すために、燃料タンク１２と高圧ポンプ１との間に輸送ポンプおよび／あるいはブースタポンプが設けられていてよい。

吐出接続部４の圧力が高圧タンク９の圧力に達するかもしくは越えるとすぐに、圧力ポンプは燃料を高圧タンク９に押し出すように、高圧ポンプ１は吐出側で吐出接続部４と、たとえばバネ仕掛けで付勢された逆止弁６とを介して、高圧タンク９と接続されている。

高圧ポンプ１のポンプ室は、たとえば振動ピストン２により、対応するカム輪郭（図示されず）を介して周期的に拡大縮小しており、当該ポンプ室と吸入接続部３との間には、電磁弁５が能動的に制御可能な吸入弁として設けられている。当該吸入弁は弁帽５．１を有しており、当該弁帽５．１は、図１で示されている閉鎖位置においてポンプ室を燃料タンク１２に対して遮断している。当該閉鎖位置において弁帽はバネ８によって、吸入接続部３の最大圧力流とポンプ室の最大負圧との和より大きいかあるいは少なくとも同じである、バネの力で付勢される。

電磁石７は、高圧ポンプ１のハウジングの電機子室に収容されており、当該電機子室は、補償接続を介して液圧で吸入接続部３と連通している。電磁弁５の電機子５．２は、電磁石７が励磁した際に引き寄せられ、バネ８の付勢に勝ると電磁弁を開放し、その結果、ピストン２の対応する動きによって（図１の下方）ポンプ室の容積が増えると、燃料タンク１２からポンプ室へと燃料が流入するよう、電磁弁５の電機子５．２は電機子室に収容されている。電磁石の励磁が切れると、バネが吸入接続部３の流れ圧力に対抗して電磁弁５を再び閉鎖位置に戻し、その結果、吸入弁は、圧縮段階の間閉鎖されている。

運転中は、ピストン２のストロークと時間的に同期している磁気作動可能な吸入弁５は、ピストン２がポンプ室を広げる吸入段階の間、１回あるいは複数回開く。（それぞれの）開放段階の長さによって、吸入量が制御される。しかも開放位置と閉鎖位置との時間的連続によって、圧力流が均質化され、特に圧力の揺れが軽減され得る。たとえば、吸入弁５がまず少し開放されると、ポンプ室の方向に圧力波が生じる。燃料タンク１２に戻る当該圧力波の反射と時間的に同期して、その間に再び閉鎖された吸入弁が再度開放され、その結果、さらなる圧力波がポンプ室の方向に誘導される。当該圧力波は、対向する反射圧力波と干渉し、ポンプ室を均等に満たすことになる。もちろん、吸入弁は唯１回だけ、たとえば本質的に高圧ポンプ１の吸入段階の間だけ、開放されてもよい。

圧縮段階においては、ピストン２がポンプ室を狭め、付勢力と高圧タンク９の高圧とに打ち勝つと、逆止弁６によって燃料は高圧で高圧タンク９に送られるが、その圧縮段階の間、吸入弁５は閉鎖されている。ピストンのストロークが不変の場合に吐出量を減らすために、吸入段階の間の遮断に付加的にあるいは選択的に、圧縮段階の間もまた、吸入弁５は１回あるいは複数回開放され、燃料を燃料タンク１２に逆送するようになっている。

動作サイクルの間に電磁石７の制御を変えることにより、特に開放時点および／あるいは閉鎖時点の変更により、変化する負荷条件に対して非常に急速に反応することができ、対応する吐出量を上げることができる。

吸入接続部３における燃料の望まれない逆流およびそこで発生するキャビテーションは同様に、電磁石７の対応する制御、たとえば吸入弁を早めにおよび／あるいは穏やかに閉じることによって、軽減あるいは回避可能である。

燃料タンク１２と吸入接続部３との間に設けられた輸送ポンプあるいはブースタポンプ（図示されず）が機能停止（いわゆるブラックアウト）してしまい、その結果、吸入接続部３の流れ圧力が低下した場合でも、磁気作動可能な吸入弁５を能動的に開放することによってポンプ室を満たし、燃料を高圧で高圧タンク８に送ることができる。

構造上ほぼ同じ３つの高圧ポンプ１，１０，１１のピストンは、対応するカム輪郭について同期的にあるいは時間的にずらされて駆動され得る。特に、ピストンが時間的に同期して吸入し、かつ送る場合、個々の吸入弁を個別に制御することによって、圧力変動が軽減され得る。複数回の開閉による圧力変動の軽減の他に、さらにポンプ１，１０，１１の開放時点および／あるいは閉鎖時点を、時間的に互いにずらすことができ、その結果、すべてのポンプが同時にではなく、順々に燃料タンク１２から吸入もしくは当該燃料タンク１２に逆送する。

１つのポンプが機能停止した場合には、他のポンプの吸入弁をそれに応じて制御することにより、とくに吸入段階の間の開放時間を変更することにより、吐出の損失を少なくとも部分的に補償することができる。

電機子室は、補償管を介して吸入接続部３と連通している。それによって圧力の力が、弁の電機子５．２の動きに抵抗せず、その結果、吸入弁を特定の力で配置し、動かすことができる。

付随する電磁石７とバネ８とを有する電磁弁５は、たとえば弁支持体に、またポンプシリンダーにも設置されてよく、好ましい実施形態においては、クランプスリーブやガイドスリーブ（図示されず）、かつ液漏れしない螺着式蓋の上に固定されてもよい。

１ 高圧ポンプ
２ ピストン
３ 吸入接続部
４ 吐出接続部
５ 電磁弁
５．１ 弁帽
５．２ 弁の電機子
６ 逆止弁
７ 電磁石
８ 付勢バネ
９ 高圧タンク
１０ 高圧ポンプ
１１ 高圧ポンプ
１２ 燃料タンク

Claims (8)

1. 内燃機関、特に船舶用ディーゼルのための燃料噴射システムにおいて、
   燃料タンク（１２）と、内燃機関の燃焼室に燃料を入れるための高圧タンク（９）と、前記燃料タンクから前記高圧タンクへ燃料を送るための少なくとも２つの高圧ポンプ（１，１０，１１）を有するポンプ構造と、を備え、
   前記ポンプ構造の高圧ポンプは、前記燃料タンクに対してポンプ室を遮断するための磁気作動可能な吸入弁（もしくは吸入スロットル）（５）を備え、
   磁気作動可能な前記吸入弁の電機子室が、吸入接続部（３）に対して液漏れしないようになっているか、あるいは該吸入接続部（３）と連通されており、
   前記ポンプ構造の磁気作動可能な前記吸入弁を個別に制御するための制御装置が設けられ、
   前記制御装置が、１つの前記高圧ポンプが機能停止した場合、他の少なくとも１つの前記高圧ポンプの磁気作動可能な前記吸入弁の開放時間を変化させることを特徴とする燃料噴射システム。
2. 吐出側で高圧タンク（９）と接続可能で吸入側で燃料タンク（１２）と接続可能なポンプ室と、該ポンプ室内で移動可能なピストン（２）と、前記燃料タンクに対して前記ポンプ室を遮断するための磁気作動可能な吸入弁（５）と、を備える、請求項１に記載の燃料噴射システムのための高圧ポンプ（１，１０，１１）において、
   前記吸入弁の切替時間は、前記高圧ポンプの最長吸入時間の最大１／１０、特に最大１／２０となっていることを特徴とする高圧ポンプ。
3. 前記吸入弁の切替時間が、最大４ミリ秒、特に最大１ミリ秒となっていることを特徴とする請求項２に記載の高圧ポンプ。
4. 磁気作動可能な前記吸入弁が、弾性的に閉鎖位置に付勢されており、電磁石（７）で電機子（５．２）を引き寄せることによって能動的に開放可能であることを特徴とする請求項２あるいは請求項３に記載の高圧ポンプ。
5. 請求項１に記載の燃料噴射システムを用いて、内燃機関、特に船舶用ディーゼルの燃焼室に燃料を入れるための方法において、
   前記高圧タンク（９）内の圧力変動を軽減するために、前記ポンプ構造の磁気作動可能な前記吸入弁（５）が個別に制御されることを特徴とする方法。
6. 前記ポンプ構造の２つの高圧ポンプの磁気作動可能な前記吸入弁（５）が、時間的にずらされて開放および／あるいは閉鎖されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記ポンプ構造の高圧ポンプの磁気作動可能な前記吸入弁の開放時間が、作業周期の間で変化させられることを特徴とする請求項６あるいは請求項６に記載の方法。
8. 燃料タンクと高圧ポンプとの間に設けられた輸送ポンプあるいはブースタポンプが機能停止した場合、前記ポンプ構造の少なくとも１つの高圧ポンプの磁気作動可能な前記吸入弁が能動的に開放されることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の方法。

Images