JP6046050B2 - 高圧燃料噴射ポンプを含む燃料噴射システム - Google Patents

Description

本発明は、高圧燃料噴射ポンプと、高圧燃料噴射ポンプを含む燃料噴射システムとに関する。

係る高圧燃料噴射ポンプと、係るポンプを含む燃料噴射システムは、通常、燃料を加圧しその燃料を内燃機関内に噴射するために使用される。

近年、原油から得られる燃料の価格上昇と原油の差し迫った不足の怖れが、代替燃料の製造工程と代替燃料を使用する内燃機関の更なる開発につながった。バイオマスを含む様々な資源から効果的に生成できる潜在的に重要な代替燃料の１つは、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）である。ＤＭＥは、そのすすの出ない燃焼と高セタン価により、ディーゼル型内燃機関プロセスに極めて適している。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比べて）を有し、したがって室温で液体になるようにするには約５バールに加圧されなければならない。ディーゼル型内燃機関内に噴射するために液体形態で供給される燃料には幾つかの利点があり、したがって、ＤＭＥやその他の類似の揮発性燃料に適した燃料噴射装置（ＦＩＥ）は、不要な燃料の蒸発を防ぐように特別に設計されなければならない。

より高い圧力及び／又はより低い使用温度を選択することによって、高揮発性燃料の沸騰を防ぐことができる。特定の用途で、システムのコストと複雑さをできるだけ最小にするには、燃料噴射システムの動作において燃料の不要な蒸気生成を許容レベルにする圧力と温度の適切な組み合わせを見つけなければならない。例えば、システムの燃料タンクと燃料供給加圧部分の動作圧力を、特定の燃料には低過ぎるように選択すると、燃料冷却手段を取り付けなければならないことがあり、それにより、システム全体のコストと複雑さが高まり、一方、システムをより高い圧力向けに設計することのみで燃料蒸発問題を解決しようとすると、費用が高くなり設計も重くなる。

課題の燃料温度部分を検討すると、局所的燃料温度の制御が、燃料供給及び噴射システムの平均気温の制御と同等に重要であることに注目することが重要である。その理由の一部分は、蒸発が通常液化より速いことと、蒸気キャビティが形成されると、ずっとシステム内を移動して最終的に最も望ましくない場所（通常は、ポンプの吸気ポート）に入る可能性があることである。ポンプが、高加圧燃料を内燃機関の噴射器に送る高圧燃料噴射ポンプである場合は、機関出力がすぐに低下する。

燃料供給及び噴射システム内、特に液体燃料を適正圧力で高圧燃料噴射ポンプの入口に送ることが想定されたシステム（即ち、燃料供給加圧サブシステム）のその部分内のホットスポットを除去するために、燃料供給加圧サブシステム内に燃料の強制的再循環を構成することができる。このように、燃料供給加圧サブシステムの供給ポンプは、高圧燃料噴射ポンプを迂回する過剰な燃料流（内燃機関内の燃焼プロセスに瞬間的に必要な燃料の量を超える）を供給し、制限により燃料供給加圧システムの燃料タンク及び／又は供給ポンプの入口に戻る。過剰な燃料流量が多いほど、蒸発が起こるホットスポットが生じる可能性が少なくなる。

この手法は一般的にうまくゆくが、強制的再循環で最大効果が得られるシステムを構成する可能性は、高圧燃料噴射ポンプの設計によって多少制限されることがある。このことは、特に、通常はポンプの出力を制御するための単一吸込計量弁（ＩＭＶ）を備える吸込計量型のマルチプランジャ高圧燃料噴射ポンプに当てはまる。ＩＭＶの機能は、部分的出力が必要なときにプランジャへの供給流量を制限することであり、それにより噴射圧制御が達成される。このタイプの高圧燃料噴射ポンプは、可変容量型ポンプよりもかなり単純であるため幅広く使用されており、プランジャ排出量が一定の幾つかのシステムで許容される高加圧燃料の無駄な迂回なしに有効な燃料噴射圧力制御が可能である。

吸入計量高圧燃料噴射ポンプを使用するときは、高圧燃料噴射ポンプの単一ＩＭＶの出力をポンプ内の複数のポンピングプランジャに分配しなければならないため、低圧燃料供給加圧サブシステム全体から高圧燃料噴射ポンプのプランジャ入口までの有効な燃料再循環が制限される。その結果、ＩＭＶの吸引容積が下流に流れるので、高圧燃料噴射ポンプの高圧流の出力を制御するためには、圧力を燃料供給加圧サブシステムの残り部分より低くしなければならない。問題をより悪化させるのは、その吸引容積が、通常、比較的高い温度で動作する高圧燃料噴射ポンプ内にあることであり、その高圧燃料噴射ポンプは、内燃機関の近くに配置されるか、更には直接フランジ取り付けられることである。暖かい周囲環境と燃料圧力の低下の組み合わせは、特定の条件下で、吸引容積内の燃料の無制御な蒸発と、その後のポンプ燃料送出の混乱を引き起こすことがある。

この現象は、特に、内燃機関が、高温で、吸引容積内の燃料の比較的小さい流通が必要な部分負荷条件下で動作する状況で顕著である。そのような場合は、吸引容積内の燃料交換が遅くなり、また、高圧燃料噴射ポンプのプランジャは、高圧燃料噴射ポンプから内燃機関の噴射器への大量の燃料提供が必要な状況よりもゆっくり既存の蒸気キャビティも処理することになる。この問題に対処する方法は、当該技術分野で既知であり、吸引容積を少なくすることである。これは、燃料の所定の流通のための吸引容積内の燃料交換割合を高め、したがって、その温度を抑制するのに役だち、また、最終的に、ポンプのプランジャによって液化されなければならない無制限に形成される蒸気キャビティの量を制限することになる。しかしながら、そのような吸引容積縮小の可能性は、（ｉ）最大出力条件の場合にＩＭＶから高圧燃料噴射ポンプのプランジャまで通る適切な流れ領域を保証する必要と、（ｉｉ）パッケージング及び技術的検討、例えばＩＭＶをプランジャ入口の最も近くに位置決めできないことなどによって限定される。

本発明は、燃料の蒸気生成の影響を受けにくい高圧燃料噴射ポンプと、高圧燃料噴射ポンプを含む燃料噴射システムとを提供することを目的とする。

本発明の別の目的は、内燃機関の高揮発性燃料（例えば、ＤＭＥなど）を処理するのに適した高圧燃料噴射ポンプ及び燃料噴射システムを提供することである。

これらの目的は、独立クレームの特徴によって達成される。他のクレーム、説明及び図面が、更に、本発明の有利な改良と実施形態を開示する。

本発明の１つの一般的な利点は、高圧燃料噴射ポンプによって加圧される燃料の蒸気生成の量を減らし、それにより、これに対応して、内燃機関内に噴射する高圧燃料噴射ポンプによる加圧燃料の送出が、機関の実際の動作に必要な燃料の量より少なくなるリスクが低下し、同時に、内燃機関内に噴射する加圧燃料の前記送出の制御の信頼性と頑強性が強化されることである。

本発明の第１の態様によれば、燃料を加圧し、その燃料を内燃機関内に噴射する高圧燃料噴射ポンプが提案され、前記高圧燃料噴射ポンプは、入口（例えば、燃料タンクから燃料を受け取るための）、少なくとも１個のプランジャ（受け取った燃料を加圧し、その燃料を内燃機関内に噴射する噴射器に送る）、及び入口と少なくとも１個のプランジャとの間に配置された（それにより、高圧燃料噴射ポンプの入口を少なくとも１個のプランジャの入口と接続する）吸込チャネルを有する。プランジャの入口における燃料密度を確実に制御し、したがってポンプ出力の制御性を維持するために、本発明のこの第１の態様によれば、吸込チャネルの少なくとも一部分が、前記高圧燃料噴射ポンプの残りの部分から熱的に絶縁される。

本発明の好ましい実施形態では、高圧燃料噴射ポンプ内に、スリーブの内径が少なくとも前記吸込チャネルの一部分となるようにスリーブが挿入される。有利には、スリーブは、スリーブの隣り又はすぐ周囲に配置された、高圧燃料噴射ポンプの少なくとも一部分の材料の熱伝導率よりかなり低い熱伝導率の材料で作成される。好ましくは、スリーブ材料の熱伝導率は、スリーブの隣り又はすぐ周囲の高圧燃料噴射ポンプの少なくとも一部分の熱伝導率の値の約５０分の１未満、好ましくは約１００分の１未満、詳細には約２００分の１未満、少なくとも約５．５分の１未満の値を有する。有利には、少なくともスリーブの一部分が、断熱材料で覆われる。特に前述の材料特性と被覆特性を有するスリーブ設計を使用することによって、吸込チャネルの重要部分が、高圧燃料噴射ポンプの残りの部分から熱的に絶縁されたきわめて単純で安価で効果的な設計を達成することができ、その設計は、高圧燃料噴射ポンプの少なくとも１個のプランジャの入口における燃料密度の所望の確実な制御と所望の確実で頑強なポンプ出力制御性とを保証する。

本発明の第２の態様では、本発明の第１の態様による高圧燃料噴射ポンプを含む内燃機関用の燃料噴射システムが提案される。そのようなシステムの動作を更に頑強にし、かつシステム内の蒸発燃料の量を減らすために、高圧燃料噴射ポンプの吸込チャネルにブリード弁が接続配置される。有利には、ブリード弁は、吸込チャネルと、燃料戻りライン内に収集された燃料を保持する燃料タンクに接続された燃料戻りラインとの間に接続配置される。このタンクは、そこから高圧燃料噴射ポンプの燃料が供給されるのと同じ燃料タンクであることが好ましく、それにより、高圧燃料噴射ポンプの少なくとも１個のプランジャによって処理されない燃料の有効な再循環が可能になり、それに対応して、全体的な燃料消費量の減少が可能になる。本発明の好ましい実施形態では、吸込チャネルが燃料蒸気を含む可能性が高いとき、例えばきわめて低い温度の周囲条件で高温内燃機関を始動させなければならないときに、ブリード弁を電子的に制御して開くことができる。ブリード弁は、比較的短期間開いたままにして、より低温の燃料を燃料蒸気と置き換えて燃料蒸気を燃料戻りラインに戻すことができる。

本発明の第３の態様によれば、内燃機関用の燃料噴射システムが提案され、このシステムは、燃料を加圧し、その燃料を内燃機関に噴射する高圧燃料噴射ポンプを含み、高圧燃料噴射ポンプは、入口（例えば、燃料タンクから燃料を受け取るための）、少なくとも１個のプランジャ（受け取った燃料を加圧し内燃機関に噴射する噴射器に送る）、及び入口と少なくとも１個のプランジャとの間に位置決めされた吸込チャネル（それにより、高圧燃料噴射ポンプの入口を少なくとも１個のプランジャの入口に接続する）を含み、ブリード弁は、高圧燃料噴射ポンプの吸込チャネルに接続配置される。有利には、ブリード弁は、吸込チャネルと、燃料戻りライン内に収集された燃料を保持する燃料タンクに接続された燃料戻りラインとの間に接続配置される。この解決策は、吸込チャネル（又は、その一部分）を本発明の第１の態様による高圧燃料噴射ポンプの残りの部分から断熱することが不可能であるか、設計が複雑すぎ、または実現コストが高すぎて実現できないときに特に有用である。

タンクは、そこから高圧燃料噴射ポンプの燃料が供給されるのと同じ燃料タンクであることが好ましく、それにより、高圧燃料噴射ポンプの少なくとも１個のプランジャによって処理されない燃料の有効な再循環が可能になり、それに対応して、全体的な燃料消費量の減少が可能になる。本発明の好ましい実施形態では、吸込チャネルが燃料蒸気を含む可能性が高いとき、例えば、きわめて低温の周囲条件で高温内燃機関を始動しなければならないときに、ブリード弁を電子的に制御して開くことができる。ブリード弁は、より低温の燃料を燃料蒸気を置き換えて燃料蒸気を燃料戻りラインに戻すために比較的短期間には開いたままでよい。

以上の目的その他の目的及び利点を有する本発明は、本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明から最もよく理解することができるが、概略的に示されたこれらの実施形態に限定されない。

本発明による燃料噴射システムの好ましい第１の実施形態を示す図であり、本発明による吸込チャネルの一部分の有利な断熱（スリーブの形態）を備えた高圧燃料噴射ポンプを有する。 本発明による燃料噴射システムの好ましい第２の実施形態を示す図であり、本発明による吸込チャネルの一部分の有利な断熱（スリーブの形態）を備えた高圧燃料噴射ポンプと、燃料戻りラインに接続された付加的なブリード弁を有する。

図において、等しいか又は類似の要素は、同じ参照数字によって示される。図は、単に概略的な表現であり、本発明の特定のパラメータを示すものではない。更に、図は、本発明の典型的な実施形態のみを示すものであり、したがって、本発明の範囲の制限と見なされるべきでない。

図１で、本発明による燃料噴射システムの好ましい実施形態が示される。システムは、燃料タンク１と、供給ポンプ２、リストラクタ弁３、燃料供給ライン１３及び燃料戻りライン４から成る低圧燃料供給サブシステムとを含む。更に、システムは、入口６、吸込計量弁（ＩＭＶ）７、吸込チャネル８及び例示的な３個のプランジャ９を有する高圧燃料噴射ポンプ５と、加圧燃料を内燃機関（図示せず）内に噴射する燃料噴射器１０とを有する。リストラクタ弁３、ＩＭＶ７、及び噴射器１０は、機関管理システム（ＥＭＳ）（図示せず）によって制御される。図では、３個のプランジャ９を備えた高圧燃料噴射ポンプが示され、プランジャ９は、そのポンプ動作サイクルで移相されるが、３個だけのプランジャ９の選択は単なる例であることを理解されたい。実際には、そのようなポンプ内のプランジャの数は、用途と特定の条件により変化することがある。本発明と関連して、１個、２個、３個、４個、５個、６個以上のプランジャを備えたポンプを使用することができる。

吸込チャネル８の少なくとも一部分は、高圧燃料噴射ポンプ５内の比較的大きい直径の形で作成され、その孔に断熱材料で作成されたスリーブ１１が挿入される。

スリーブ１１は、特定の長さの特定の部分だけ孔の内側（図に例示的に示されたような）を覆ってもよく、その長さ全体で孔を覆ってもよい。あるいは、孔の内側の特定の（異なることがある）長さの特定の（分離されもよい）部分を覆うために、孔内に複数のスリーブが挿入されてもよい。更に、スリーブ、又は他の断熱材料が、孔の外側の吸込チャネル８の更に他の部分を覆ってもよく、ＩＭＶ７とプランジャ９の入口部分との間の吸込チャネル８全体を覆ってもよい。

スリーブ１１の内径は、スリーブ１１の流れ領域（内径によって特徴付けられるスリーブ１１の内管）が、プランジャ９への入口を制限することなく高圧燃料噴射ポンプ５の最大設計流れ出力を得るのに十分な大きさであるが、別の状況では、吸込チャネル８の全体積をできるだけ小さく維持して吸込チャネル８内の燃料密度の制御性を高めるために最小になるように選択される。

図１の燃料噴射システムは、供給ポンプ２が、燃料タンク１から燃料を取り出し、その燃料を特定の供給圧力に加圧するように動作する。この供給圧力は、燃料供給ライン１３を介してＩＭＶ７とリストラクタ弁３両方を介して供給される。リストラクタ弁３は、必要な燃料供給加圧を達成するようにＥＭＳによって制御されることが好ましく、供給ポンプ２は、内燃機関による出力生成に必要な量より多い燃料流量を供給する。余った燃料流は、燃料戻りライン４を介して再循環される。それにより確立された再循環燃料流は、燃料温度を供給加圧回路全体にわたって比較的均一に維持するのに役立ち、それにより、局所的ホットスポットと燃料の蒸発が高い確率で回避され、ＩＭＶ７の入口での安定した燃料特性が保証される。

次に、供給圧力の燃料が、ＩＭＶ７を介して吸込チャネル８に通され、更に、図に示されたようにポンプ運転サイクルが移相された３個のポンピングプランジャ９の入口に通される。下方行程で、プランジャ９は、ＩＭＶ７のＥＭＳ制御制限による多量の燃料で満たされ、次に、その燃料を高圧燃料噴射ポンプ５から、内燃機関内に噴射する噴射器１０に送り込む。断熱スリーブ１１は、高圧燃料噴射ポンプ５の高温本体による燃料の加熱によって吸込チャネル８内で起こる燃料特性（温度、密度など）の変化速度を遅くし、したがって、内燃機関と高圧燃料噴射ポンプ５のポンプ本体部分が、その最高温度又はその近くのときと、吸込チャネル８への新鮮で低温の燃料の供給が、その最低温度又はその近くのときに、内燃機関の高速／高負荷運転直後の低速時のきわめて低負荷の運転のような限界の運転条件で高まることがある吸込チャネル８内の蒸気生成の危険を減少させる。

図２では、本発明による燃料噴射システムの好ましい第２の実施形態が示される。図２のシステムは、図１に示したシステムに加えて、吸込チャネル８に配置されたブリード弁１２を示し、ブリード弁１２の出口は、燃料戻りライン４に接続される。内燃機関と高圧燃料噴射ポンプ５が特に高温であるが、燃料タンク１内の燃料が比較的低温で、その結果、燃料タンク１内の圧力が低く、供給ポンプ２が、吸込チャネル８内の蒸気を液化するのに十分な圧力を与えないとき、ブリード弁１２は、制限された時間だけ開いて、蒸気を燃料戻りライン４に抜き、吸込チャネル８を新鮮で低温の（液体）燃料で満たすことを可能にする。これは、例えば、高温機関を低温周囲条件で始動させるのに役立つ。

以上の説明は、参考のために提供され、本発明は、特許請求の範囲内の様々な変型と変形で構成することができる。

５ 高圧燃料噴射ポンプ
６ 入口
８ 吸込チャネル
９ プランジャ
１２ ブリード弁

Claims (5)

1. 内燃機関用の燃料噴射システムにおいて、燃料を加圧し、前記燃料を送出して前記内燃機関内に噴射するための高圧燃料噴射ポンプ（５）を含み、前記高圧燃料噴射ポンプ（５）が、入口（６）、少なくとも１個のプランジャ（９）、及び前記入口（６）と前記少なくとも１個のプランジャ（９）との間に位置決めされた吸込チャネル（８）とを有し、前記吸込チャネルがプランジャに接続されるところにプランジャ入口が構成され、本燃料噴射システムの全作動中にあって、内燃機関と高圧燃料噴射ポンプ（５）が高温であるが、本燃料噴射システムに接続した燃料タンク（１）内の燃料が比較的低温であるとき、前記高圧燃料噴射ポンプ（５）の前記吸込チャネル（８）に燃料蒸気を燃料戻りライン（４）側に抜くことができるブリード弁（１２）が接続配置され、及び前記高圧燃料噴射ポンプ（５）の前記入口（６）に吸込計量弁（ＩＭＶ）（７）が接続配置された、燃料噴射システムであって、
   前記吸込計量弁（ＩＭＶ）（７）から前記吸込チャネル（８）を介して流れる燃料の流れはブリード弁（１２）に到達する前に前記プランジャ入口に連通するように接続され、前記吸込計量弁（ＩＭＶ）（７）とブリード弁（１２）は、プランジャ入口に対し対向する位置に配置されていることを特徴とする燃料噴射システム。
2. 前記ブリード弁（１２）が、前記吸込チャネル（８）と、燃料タンク（１）に接続された燃料戻りライン（４）との間に接続配置された、請求項１に記載の燃料噴射システム。
3. 前記ブリード弁（１２）は、電子的に制御される、請求項１または２に記載の燃料噴射システム。
4. 前記高圧燃料噴射ポンプ（５）は、複数のプランジャで構成されている、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. 前記複数のプランジャはそれぞれプランジャ入口を有し、前記吸込計量弁（ＩＭＶ）（７）とブリード弁（１２）は前記複数のプランジャ入口に対し対向する位置に配置されている、請求項４に記載の燃料噴射システム。

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