JP5825693B2 - 圧力コントロールされるブリード機能を伴う燃料噴射システム - Google Patents

Description

本発明は、高圧燃料噴射ポンプに関し、かつ高圧燃料噴射ポンプを包含する燃料噴射システムに関する。

その種の高圧燃料噴射ポンプおよびその種のポンプを包含する燃料噴射システムは、通常、燃料を加圧するため、および内燃エンジン内への噴射のためにそれを引き渡すために使用される。

近年の原油由来燃料価格の上昇および切迫したその欠乏への懸念が、代替燃料およびそれらの使用のための内燃エンジンの製造プロセスにおけるさらなる開発を導いた。バイオマスを含めた多様な加工素材から効果的に製造することができる潜在的に重要な代替燃料のうちの１つにジメチルエーテル（ＤＭＥ）がある。ＤＭＥは、煤のない燃焼および高いセタン価を伴い、ディーゼル・タイプの内燃プロセスに非常に良好に適している。しかしながらＤＭＥは、比較的高い揮発性（通常のディーゼル燃料との比較において）を有し、したがって、室温において液体に保つためには概略で５バールまで加圧しなければならない。ディーゼル・タイプの内燃エンジン内に噴射するために燃料を液体形式で供給する利点は多く、したがって、ＤＭＥまたはそのほかの類似した揮発性燃料のために適した燃料噴射装置（ＦＩＥ）は、望ましくない燃料の気化を防止するべく、または蒸気が正常な動作を擾乱し得る噴射システムの部分から蒸気キャビティを効果的に除去するべく特別に設計される必要がある。

高揮発性燃料の沸騰は、より高い圧力および／またはより低い動作温度を選択することによって防止することが可能である。特定のエンジン応用においては、燃料の供給圧力と温度の最適な組み合わせにおいてＦＩＥの噴射圧力発生部分に燃料が供給されなければならない。その最適な組み合わせの選択においては、燃料供給システムのコストおよび複雑性が有意のコントロール・ファクタである。より高い供給圧力に向かう不均衡は、高い温度における動作を許容する一方、システムのコスト、複雑性、重量、およびエネルギ消費を増加し、同時にそれ自体が余分な燃料のヒートアップを生じさせる。これに対し、特定の限界を超えて燃料供給温度を下げることは、自明の理由から実行可能なものとはならない。

燃料の供給圧力と温度の間における組み合わせを、より高いエネルギ効率およびより不経済でない平衡に向けてシフトさせるために、先行技術のシステム内において多くの設計上の解決策が使用されている。その種の１つの解決策は、エンジンによる燃料消費のレートを超えたレートにおけるシステム全体を通じた燃料供給の流れの再循環である。これにより、システムのもっとも冷たい部分（たとえば、燃料タンク）ともっとも熱い部分の間における温度の等化が達成され、したがって局所的な気化のリスクが低減される。別のアプローチは、システム内のもっとも熱源に曝される部分の断熱である。

多くの理由から、ＤＭＥ等の高揮発性燃料にもっとも適したタイプのＦＩＥは、この分野でよく知られたコモンレール・システムである。その種のシステムは、一般に、高圧の下にコモンレールを介して噴射器に燃料を供給する多プランジャ高圧ポンプを組み込んでいる。長年にわたる開発およびディーゼル・エンジン産業における使用から、コモンレール・システムの代表的な高圧ポンプは、吸い込み調量原理および固定プランジャ変位に基づく出力コントロール・コンセプトを組み込む形に進化した。これは、単一の電子的にコントロールされる吸い込み調量バルブ（ＩＭＶ）を使用して、それぞれのプランジャの吸い込み行程の間にそれらのプランジャに到達する燃料の量を規定する。所定の供給圧力において、バルブの絞りを変更してプランジャの出力を変更し、続いてそれが、所定のエンジン消費量においてコモンレール圧力を変更する。

単一ＩＭＶの固定変位多プランジャ・タイプのポンプは、可変変位ポンプと比べたときに比較的単純であるとの理由からコモンレールＦＩＥにおいて広く受け入れられている。しかしながら、高揮発性燃料が使用されるときには、エンジンの全動作範囲にわたって信頼性のあるパフォーマンスを確保するためにその種のポンプの改良が必要である。これは、このタイプのポンプにおいては、ＩＭＶからプランジャまで燃料を導く吸引チャンネル内に位置する燃料が著しく多量に存在し、多くの場合には、その中の圧力が、ポンプ出力コントロールの目的のために利用可能な供給圧力より低いレベルまでコントロールされる必要があることによる。定義により、この吸引チャンネルの容積は、その後の再循環燃料供給回路から切り離され、したがって、過熱および燃料気化に対して無防備なものとなる。この問題を緩和する１つの方法は、吸引チャンネルの周囲を取り囲む部分からそれを断熱することである。これは、吸引チャンネル内の燃料の流れが特定の最小値に下がるまでは良好に機能するが、それでもなお比較的長い時間期間にわたってその流れが当該最小値より低くなるとき、またはその流れがまったく存在しないときには気化を生じる可能性を残す。熱くなっているエンジンを始動する必要があるとき、またはエンジン・ブレーキ期間の後に高いトルクが要求されるときのように、高圧ポンプからの出力が極めて低いかまたは存在せず、かつ吸引チャンネル内における相応に低い貫通流が要求される動作条件は頻繁に生じる可能性があり、かつポンプに、その状態から全出力への殆ど瞬時の切り替わりが求められることがあり得る。吸引チャンネル内において燃料の気化が許されると、ポンプの液圧効率が劇的に下がり、特別な措置が行なわれない限りはポンプが全出力を提供できるようになるまでに長時間を要することがある。

この分野においては、吸引チャンネル内の蒸気の液化を試みることに代えてそれの除去を可能にするために、吸引チャンネル用に独立したブリード機能を備えることが知られている。通常、液化は、気化よりはるかに長いプロセスであり、比較的熱いポンプ内に液化をもたらすためには、供給圧システムが比較的高い圧力能を有することが必要とされ、したがって、不必要なまでに複雑かつ重く、不経済なものとなり得る。熱いポンプ本体から断熱された吸引チャンネルへの、供給再循環ラインからの比較的冷たく、かつ圧力の低い燃料のブリードは、同時的かつ効果的にそのチャンネルを冷却し、はるかに容易にポンプの正常動作を回復することが可能である。その種の、またそのほかの先行技術システムにおいては、吸引チャンネル用のブリード・バルブが、別体の電気アクチュエータによって、またはブリード・バルブとＩＭＶを同時的にコントロールする広範囲にわたるアクチュエータによって電子的にコントロールされている。このことは、それらのアクチュエータ（１つまたは複数）およびエンジン管理システム（ＥＭＳ）のためのより高度なコントロール・アルゴリズムの必要性からコストを増加させる。

先行技術システムにおいては、吸引チャンネルのブリードを効果的に行なうために、ブリード・バルブと、再循環回路内の供給圧設定絞りの下流の間に独立した戻りラインが備えられる。これは、そのようにしなかった場合にはブリード路が、供給圧力設定絞りまで可能な限り低い制限を有するべく設計された主再循環路と並列になり、その場合に、吸引チャンネルにわたる圧力ヘッドおよびブリード・バルブが小さくなりすぎてポンプの外に蒸気を駆動できなくなることから必要になる。ポンプから比較的遠くに圧力設定絞りが位置決めされなければならないシステムにおいては、その種の独立した戻りラインの必要性によって生じる余分なコストおよび複雑性が有意なものとなり得る。

本発明は、燃料内における蒸気形成を起こしにくい高圧燃料噴射ポンプを包含する燃料噴射システムを提供することを目的とする。

本発明の別の目的は、内燃エンジン用の、高揮発性燃料、たとえばＤＭＥの噴射のためのシステムを提供することとする。

本発明のさらに別の目的は、改善されたパフォーマンスを有し、かつ先行技術システムと比較してコストの低い、高揮発性燃料、たとえばＤＭＥの噴射のためのシステムを提供することとする。

これらの目的は、特許請求の範囲の独立項の特徴によって達成される。そのほかの請求項および説明ならびに図面は、本発明の追加の有利な改良および実施態様を開示している。

本発明の全体的な利点は、燃料内に形成されて燃料噴射ポンプの正常動作を擾乱させる可能性がある蒸気の自動的かつ効果的な除去を確保し、それによって、内燃エンジンへの噴射のための加圧燃料の引き渡しのコントロールの信頼性および堅牢性を強化することである。

本発明によれば、内燃エンジン内への噴射のために燃料を加圧し、それを引き渡すための燃料噴射システムが提案され、前記システムは、吸い込み口（たとえば、燃料タンクから燃料を受け取るため）、少なくとも１つのプランジャ（受け取った燃料を加圧し、内燃エンジン内への噴射のためにそれを噴射器に引き渡す）、および吸い込み口と少なくとも１つのプランジャの間に位置決めされる吸引チャンネル（それによって、高圧燃料噴射ポンプの吸い込み口と少なくとも１つのプランジャの吸い込み口ポートを接続する）を伴う高圧燃料噴射ポンプ、および吸引チャンネルに接続された、特定の状況において吸引チャンネル内に形成されることがある蒸気を除去するため、および吸引チャンネル内において燃料の気化をさらに生じさせる条件を防止するために吸引チャンネルを冷却するためのブリード・バルブを包含する。この燃料噴射システムは、さらに、戻りポート（漏れおよび再循環される燃料を導いて燃料タンクに戻すため）を包含する。ブリード・バルブによる蒸気の効果的な除去を確保するために、吸い込み口と戻りポートの間にセレクタ・バルブが取り付けられる。

本発明の好ましい実施態様においては、セレクタ・バルブが、吸い込み口と戻りポートの間の液圧接続を開閉することが可能である。高圧ポンプの出力の精密コントロールを行なうために、吸い込み口と吸引チャンネルの間に吸い込み調量バルブ（ＩＭＶ）が取り付けられる。ＩＭＶが受け取る到来燃料の調和を行なうために、加圧燃料の再循環が、吸い込み口への燃料供給を行なう供給ポンプ、および戻りポートの下流の液圧流絞りによって提供される。好都合には、逆止バルブが、ブリード・バルブとして機能するべく使用され、それの吸い込み口が吸引チャンネルに接続される。セレクタ・バルブは、戻りばねおよびプランジャによって作り出される圧力によって、プランジャの圧力があらかじめ決定済みのレベルより低いときにはばねがセレクタ・バルブを閉じ、プランジャの圧力が前記レベルより大きいときにはばねが圧縮されてセレクタ・バルブが開かれるように作動される。セレクタ・バルブは、吸引チャンネルを介して完全な再循環流が確立されるように吸い込み口、吸引チャンネル、および戻りポートの直列接続を選択することによって、蒸気の効果的な除去および吸引チャンネルの冷却を確保する。好ましくは、プランジャ圧力の前記あらかじめ決定済みのレベルが、エンジンが動作するべく設計された最小セットポイント圧力よりいくらか低いが、同時に、吸引チャンネル内の燃料が気化するときに高圧ポンプが維持可能な圧力より高くなるように選択される。その場合に、吸引チャンネル内のコントロールされていない気化がコントロールされないプランジャ圧力の低下を導くことがあれば、セレクタ・バルブが戻りポートへの吸い込み口の接続を遮断してＩＭＶ、吸引チャンネルおよびブリード逆止バルブを通る完全な再循環流を確立し、それによって、すでに形成されている蒸気を迅速に除去し、吸引チャンネルを冷却してさらなる気化を防止する。これにより、ポンプが、完全な出力を回復し、迅速にそれの吐出口の圧力を所定のセットポイントまで復帰させ、その時点において直ちに、出力圧力のさらなる上昇が、ＥＭＳによりコントロールされるＩＭＶによってチェックされることになる。同時に、増加したプランジャ圧力がばねを圧縮してセレクタ・バルブを再び開き、その結果、ＩＭＶの吸い込み口まわりにおいて再循環流が再開されることになり、熱点の非存在、および吸い込み口への液体燃料の信頼性のある引き渡しが確保される。

本発明は、セレクタ・バルブが、戻りポートに対する吸い込み口および吸引チャンネルの直列接続の確立を可能にし、その結果、吸い込み口から戻りポートへのバイパス再循環によってブリード機能が低下されないことから、共通の供給圧設定絞りが戻りポートの下流に位置決めされることを好都合に可能にする。

本発明の別の実施態様においては、ＥＭＳを用いてブリード機能をコントロールすることが可能となるように、ブリード・バルブおよびセレクタ・バルブのうちのいずれかまたは両方が電子的にコントロールされる。

本発明は、前述した、およびそのほかの目的および利点とともに、次に挙げる図面の中に略図的に示されている本発明の好ましい実施態様の詳細な説明からもっとも良好に理解されることになろうが、それらの実施態様に限定されない。

逆止バルブの形の好都合な圧力コントロールされるセレクタ・バルブおよびブリード・バルブが装備されている高圧燃料噴射ポンプとともに本発明による燃料噴射システムの好ましい実施態様を略図的に示したブロック図である。

この図は、単なる略図的な表現であり、本発明の特定のパラメータを描写することは意図されていない。さらにまた、この図には、本発明の代表的な実施態様だけを図示することが意図されており、したがって、本発明の範囲を限定すると見なされるべきではない。

図１は、本発明による燃料噴射システムの好ましい実施態様が示されている。このシステムは、燃料タンク１、および供給ポンプ２、制流子３、および燃料戻りポート４からなる低圧燃料供給サブシステムを包含する。さらにこのシステムは、吸い込み口６、吸い込み調量バルブ（ＩＭＶ）７、吸引チャンネル８、および例示としての３つのプランジャ９を伴う高圧燃料噴射ポンプ５、および内燃エンジン（図示せず）内に加圧された燃料を噴射する燃料噴射器１０を包含する。ＩＭＶ７、噴射器１０、および供給ポンプ２および／または制流子３（制流子バルブ）は、エンジン管理システム（ＥＭＳ）（図示せず）によってコントロールされる。図には、３つのプランジャ９を伴う高圧燃料噴射ポンプが示されており、それらのプランジャ９は、それらのポンピング動作サイクルにおいて位相シフトされる。しかしながら３つのプランジャ９の選択が単なる例に過ぎないことは理解されよう。実際、その種のポンプ内のプランジャの数は、応用および特定の条件に応じて変化することがある。１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、６つのプランジャ、さらには６を超える数のプランジャを伴うポンプさえ本発明に関連して使用することが可能である。さらにシステムは、戻りばね１２を伴うセレクタ・バルブ１１、および逆止バルブの形式のブリード・バルブ１５を包含し、セレクタ・バルブは、それのコントロール・ポート１３によって高圧ポンプ５の吐出口圧力ポート１４に接続されており、ブリード・バルブは、それの吸い込み口によって吸引チャンネル８に接続されている。

図１の燃料噴射システムは、次のとおりに働く。すなわち、供給ポンプ２が燃料タンク１から燃料を吸い込み、それを特定の供給圧力まで加圧し、制流子３を通じて燃料を押す。この供給圧力は、高圧ポンプ５の吸い込み口６に供給されるが、前記吸い込み口は、セレクタ・バルブ１１を介して戻りポート４に接続されている。好ましくは、ＥＭＳが供給ポンプ２および／または制流子３をコントロールして要求された燃料供給圧力を達成し、同時に、内燃エンジンによる動力発生のために必要な量を超過する燃料流を確立する。この過剰な量の燃料流は、再循環燃料流を構成し、局所的な熱点および燃料の気化が高い確率をもって回避され、ＩＭＶ７の吸い込み口において安定した燃料特性が確保されるように、それが、供給圧力回路全体を通じて比較的一様な燃料温度の維持を助ける。

供給圧力にある燃料は、続いて、ＩＭＶ７を通じて吸引チャンネル８に入り、さらに、図に示されているとおり、ポンピング動作サイクルにおいて位相シフトされる３つのポンピング・プランジャ９の吸い込み口ポートに入る。プランジャ９は、下に向かう行程において、ＩＭＶ７のＥＭＳコントロールされた絞りに応じた燃料塊を充填し、続いてそれを内燃エンジン内への噴射のために、吐出口圧力ポート１４を通じて高圧燃料噴射ポンプ５の外の噴射器１０内に送出する。供給ポンプ２からの過剰な燃料流は、コントロール・ポート１３における圧力によって開かれているセレクタ・バルブ１１を通じて戻りポート４に、さらに制流子３内に指向される。チェック・バルブ１５は、それの吐出口に印加される戻りポート４の圧力によって閉じられる。

吸引チャンネル８内における燃料の過熱は、たとえば、熱くなっているエンジンが停止されるか、またはエンジン・ブレーキの間に、吸引チャンネル内における比較的低い燃料の貫通流および相応じてそのチャンネルの冷却が不足することに起因して生じ得るが、それがあった場合には、吸引チャンネル８内の燃料の気化がコントロール不能な形で始まることになる。この気化は、エンジンおよびポンプが動作しているときでさえ急激に生じる可能性があり、比較的高い蒸気圧が、開いているＩＭＶを通じて吸引チャンネル内に新鮮な液体燃料が入ることを妨げる一方、他方においては蒸気の高い圧縮性がプランジャのポンピング作用の液圧効率を激烈に低減させることになる。これらの現象に起因して、ポンプの吐出口における圧力が低下し始める。あらかじめ決定済みの比較的低いレベルに到達すると、セレクタ・バルブ１１に印加されているその圧力による力がばね１２の力によって打ち負かされ、その結果、セレクタ・バルブが吸い込み口６と戻りポート４の間の接続を閉じる。これに続いて、チェック・バルブ１５の吐出口における圧力が低減され、その結果、開いているＩＭＶ７および吸引チャンネル８を介して供給ポンプ２から到来する上流圧力によってそのチェック・バルブが開かれることになる。したがって、開いているチェック・バルブ１５および吸引チャンネル８が供給ポンプ２の完全な再循環路と直列に接続され、燃料タンク１への蒸気の迅速な除去が可能になり、また、ＩＭＶを通って到来する新鮮な液体燃料によって吸引チャンネル８の冷却も可能になる。これは、プランジャの液圧効率を回復することになり、高圧ポンプの吐出口１４、およびその後に続くセレクタ・バルブ１１のコントロール・ポート１３における圧力が上昇し、最終的にセレクタ・バルブを再び開き、それによってチェック・バルブ１５の吐出口における圧力が上昇してそのバルブを閉じ、プランジャからのコントロールされていない完全出力が防止されるようになる。これによって高圧ポンプ５の正常な動作が回復される。

本発明の別の実施態様においては、吸引チャンネルの効果的なブリード機能がその後ＥＭＳによって完全に、または部分的にコントロール可能となるように、セレクタ・バルブ１１および／またはブリード・バルブ１５を電子的にコントロールされる形にすることができる。

以上の説明は、参照のために提供されたものであり、本発明は、特許請求の範囲内となる多くの異なるバージョンおよび変形において構成することが可能である。

１ 燃料タンク
２ 供給ポンプ
３ 制流子、制流子バルブ
４ 燃料戻りポート、戻りポート
５ 高圧燃料噴射ポンプ、高圧ポンプ
６ 吸い込み口
７ 吸い込み調量バルブ、ＩＭＶ
８ 吸引チャンネル
９ プランジャ
１０ 燃料噴射器
１１ セレクタ・バルブ
１２ 戻りばね
１３ コントロール・ポート
１４ 吐出口圧力ポート
１５ ブリード・バルブ、チェック・バルブ

Claims (13)

1. 燃料を加圧し、かつ内燃エンジン内への噴射のためにそれを引き渡すための高圧燃料噴射システムであって、
   前記システムは、吸い込み口（６）、少なくとも１つのプランジャ（９）、および前記吸い込み口（６）と前記プランジャ（９）の間に位置決めされる吸引チャンネル（８）を伴う高圧燃料噴射ポンプ（５）を包含し、
   さらに前記システムは、戻りポート（４）、および前記高圧燃料噴射ポンプ（５）の前記吸引チャンネル（８）と接続的に配されたブリード・バルブ（１５）を包含する前記システムにおいて、
   前記吸い込み口（６）と前記戻りポート（４）の間にセレクタ・バルブ（１１）が備えられ、
   前記吸い込み口（６）と吸引チャンネル（８）の間に吸い込み調量バルブ（ＩＭＶ）（７）が接続的に配されることを特徴とする、
   高圧燃料噴射システム。
2. 前記ブリード・バルブ（１５）が、前記吸引チャンネル（８）と前記戻りポート（４）の間に接続的に配されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料噴射システム。
3. 前記セレクタ・バルブ（１１）が、前記吸い込み口（６）と前記戻りポート（４）の間における液圧流絞りをコントロールすることが可能であることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料噴射システム。
4. 前記セレクタ・バルブ（１１）が、前記吸い込み口（６）と前記戻りポート（４）の間における液圧接続を開閉することが可能であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料噴射システム。
5. 前記セレクタ・バルブ（１１）が、前記プランジャ（９）によって作り出される圧力によってコントロールされることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料噴射システム。
6. 前記セレクタ・バルブ（１１）が、前記プランジャ（９）によって作り出される圧力があらかじめ決定済みのレベルより低いときは完全に閉じられ、前記圧力が前記あらかじめ決定済みのレベルと等しいか、またはそれより高いときは部分的に、または完全に開かれることを特徴とする、請求項５に記載の燃料噴射システム。
7. 前記セレクタ・バルブ（１１）が電子的にコントロールされることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料噴射システム。
8. 前記ブリード・バルブ（１５）が、前記プランジャ（９）によって作り出される圧力によりコントロールされることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料噴射システム。
9. 前記ブリード・バルブ（１５）が、前記プランジャ（９）によって作り出される圧力があらかじめ決定済みのレベルより低いときは完全に開かれ、前記圧力が前記あらかじめ決定済みのレベルと等しいか、またはそれより高いときは部分的に、または完全に閉じられることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の燃料噴射システム。
10. 前記ブリード・バルブ（１５）が電子的にコントロールされることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載の燃料噴射システム。
11. 前記ブリード・バルブ（１５）が、それの吸い込み口によって前記吸引チャンネル（８）に接続された逆止バルブであることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料噴射システム。
12. 前記吸い込み口（６）と前記戻りポート（４）の間に制流子（３）が取り付けられることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれかに記載の燃料噴射システム。
13. 制流子（３）が、前記戻りポート（４）の下流に取り付けられることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれかに記載の燃料噴射システム。

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