JP6049287B2 - 直接噴射システムの消音燃料ポンプ - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、直接噴射システムの消音燃料ポンプに関する。

従来技術
直接噴射システムは、複数のインジェクタと、圧力をかけられた燃料を前記インジェクタに供給する共同レール（コモンレール）と、燃料を高圧供給導管を介して前記共同レールに供給するとともに、流量調整装置が設けられた高圧燃料ポンプと、共同レールの内部の燃料の圧力を、エンジンの運転状態に応じておおよそ時間経過で変動する所望の値と等しく保つように前記流量調整装置を導く制御ユニットと、を備える。

欧州特許出願公開第２２３６８０９号明細書に示される高圧燃料ポンプは、ピストンが交互運動で滑動するポンプ室と、低圧の燃料を前記ポンプ室の中に供給するように吸入バルブによって制御される引込導管と、高圧の燃料を前記ポンプ室の外、そして前記供給導管を介して前記共同レールに向かって供給するように送出バルブによって制御される送出導管とを備える。

前記吸入バルブは、常態では圧力により、そして外部からの働きかけなしに制御される。前記吸入バルブは、前記ポンプ室の内部の燃料圧力が前記引込導管の燃料圧力よりも高いときに閉じられ、前記ポンプ室の燃料圧力が前記引込導管の燃料圧力よりも低いときに開かれる。前記流量調整装置は、必要なときに、前記ピストンのポンピングステップの間に前記吸入バルブが開いた状態で保ち、それによって燃料の流れが前記ポンプ室から前記引込導管を通って出ていくように、吸入バルブに機械的に連結される。特に、前記流量調整装置は、前記吸入バルブに連結されるとともに、前記吸入バルブを閉じさせる休止（パッシブ）位置と、前記吸入バルブを閉じさせない活動（アクティブ）位置との間で移動可能なコントロールロッドを備える。前記流量調節装置は、前記コントロールロッドを活動位置と休止位置との間で動かすために前記コントロールロッドに連結された電磁アクチュエータをさらに備える。前記電磁アクチュエータは、前記コントロールロッドを活動位置に保つバネと、電磁石とを備える。前記電磁石は、前記コントロールロッドと一体な強磁性のアンカーを、固定された磁気電機子にぶつけるように磁気的に誘導することによって前記コントロールロッドを休止位置に移動させることができる。

なお、使用に当たって、欧州特許公開第２２３６８０９号明細書に示される前記高圧燃料ポンプは、エンジンが低速回転の時（すなわち、エンジンによって発生する全体的なノイズが小さいとき）に明らかに気付かれ得るカチカチというようなノイズを生じさせる。前記ドライビングシャフトから動きを得なければならないため、前記高圧燃料ポンプが直
接エンジンヘッドに搭載される。このため、前記高圧燃料ポンプによって発生する当該ノイズが明らかに気付かれ得る。そのモーターヘッドは前記高圧燃料ポンプによって発生する振動を伝達するとともに広げる。

使用時の前記高圧燃料ポンプによって発生するノイズは、本質的に、前記流量調整装置の可動器具（すなわち、コントロールロッドとアンカー）の、前記吸入バルブと前記電磁石の前記磁気電機子とに対する周期的な衝突を原因とするものである。このようなノイズを低減するため、前記吸入バルブおよび前記磁気電機子と衝突する前記可動器具の運動エネルギーを最小化するように、強度と前記電磁石の監視電流の波形とに基づいて、ソフトウェアによって動作させることが提案された。実験的に、前記電磁石の監視電流に基づくソフトウェアによる動作は、前記磁気電機子に衝突する前記可動器具の運動エネルギーを大幅に低減させることが可能である。一方で、実験的に、前記電磁石の監視電流に基づくソフトウェアによる動作が、前記吸入バルブに衝突する前記可動器具の運動エネルギーを大幅に低減するということになると、より一層複雑かつ高価になる。

衝突する前記可動器具の運動エネルギーを大幅に低減させるため、前記制御システムは「限界」監視電流（「最小」運動エネルギーを衝突する前記可動器具に与える）にできるだけ近い監視電流を前記電磁石に与えなければならない。しかし、上の全ての前記制御システムは、前記電磁石に「限界」監視電流を下回らない監視電流を与えなければならず、さもなければ動作しなくなる（すなわち、運動エネルギーが不十分で、前記可動器具が所望の位置に届かない）。構造の漏れによる問題、そして時間および温度による流れによって、「限界」監視電流の値は大きく変動する。限界位置への到達（すなわち、動作の実行）が前記共同レール内の燃料圧力の観察（前記コントロールロッドが前記磁気電機子に衝突するとき、前記吸入バルブが閉じ、そのため前記高圧燃料ポンプが、前記共同レール内の燃料の圧力を高める圧力をかけられた燃料の輸送を始める）によって確認され得るため、前記磁気電機子に衝突する場合、前記制御システムは助けになる。そのため、前記制御システムは、限界位置への到達（すなわち、動作の実行）が失われるまで次第に監視電流を減少させ得る。そして、この時、衝突時に「最小」の運動エネルギーで動作を実行するために、監視電圧を徐々に増加させても良い。一方、前記吸入バルブに衝突する場合限界位置への到達（すなわち、動作の実行）を確認する方法がなく、前記制御システムは開放環で完全に動作しなければならないため、物理的衝突エネルギーの制限そしてそのため前記ノイズの制限において全く効果が無くなる。
発明の説明
本発明の目的は、直接噴射システムの燃料ポンプを提供することである。その燃料ポンプは上述の不利益を受けず、同時に、製造が簡単で安価である。

直接噴射システムの燃料ポンプは、末尾の特許請求の範囲に記載される本発明に従って作られる。

本発明は、その非限定的な例としての実施形態を説明する付随の図面を参照して説明されるであろう。
図１は、明瞭さのために簡略化された、共同レール型の直接燃料噴射システムの概略図。 図２は、明瞭さのために簡略化された、図１の直接噴射システムの高圧燃料ポンプの概略的な断面図。 図３は、図２の高圧燃料ポンプの流量調整装置の拡大図。 図４は、図３の調整装置の可動器具の斜視図。 図５は、図４の可動器具を一部切り欠いた斜視図。 図６は、図４の可動器具の分解斜視図。 図７は、同じ可動器具に連結された液圧ブレーキのバルブ要素によって取られる二つの異なる位置を強調した図４の可動器具の一部の断面図。

発明の好ましい形態
図１において、符号１は、内燃式熱機関の共同レール型の直接燃料噴射システムを全体的に示す。

直接噴射システム１は、複数のインジェクタ２と、圧力がかけられた燃料をインジェクタ２に供給する共同レール３と、高圧供給導管５を介して燃料を共同レール３に供給するとともに流量調整装置６が設けられた高圧ポンプ４と、共同レール３内の燃料圧力をエンジンの運転状態に応じておおよそ時間経過で変動する所望の値と等しく保つ制御ユニット７と、燃料をタンク９から供給導管１０を介して高圧ポンプ４に供給する低圧ポンプ８とを備える。

制御ユニット７は、同じ共同レール３内に所望の圧力値を持つために必要な量の燃料を連続的に共同レール３に供給するために、高圧ポンプ４の流量を調整する流量調整装置６に連結される。特に、制御ユニット７は、フィードバック変数として共同レール３内の燃料圧力値を用いるフィードバック制御を通じて、高圧ポンプ４の流量を調整する。その圧力値は、圧力センサ１１によって即時検出される。

図２に示すように、高圧ポンプ４は、縦軸１３を示すとともに、内部に筒状のポンプ室１４を規定する本体１２を備える。ピストン１５は、滑動するようにポンプ室１４の内部に搭載され、縦軸１３に沿って、ポンプ室１４の容積を周期的に変えるように交互運動により動く。ピストン１５の下部は、一部でピストン１５をポンプ室１４が最大の容積になる位置に向かって押すようなバネ１６に連結されるとともに、他の部分で、バネ１６を圧縮してピストン１５を上方に周期的に動かすために、エンジンのドライビングシャフトによって回転運動させられる偏心器（図示せず）に連結される。

引込導管１７は、ポンプ室１４の側壁から始まり、供給導管１０を介して低圧ポンプ８に接続されるとともに、ポンプ室１４に配置された吸入バルブ１８によって制御される。吸入バルブ１８は、常態では圧力をかけられて、外部からの働きかけなしに制御される。吸入バルブ１８は、ポンプ室１４内の燃料圧力が引込導管１７の燃料圧力よりも高いときに閉じ、ポンプ室１４の燃料圧力が引込導管１７の燃料圧力よりも低いときに開かれる。

送出導管１９は、引込導管１７の反対側に位置するポンプ室１４の側壁から始まり、供給導管５を介して共同レール３に接続され、そして、ポンプ室１４に配置された一方向送出バルブ２０によって制御され、燃料流をポンプ室１４から出ていかせる。送出バルブ２０は、圧力をかけられて制御され、ポンプ室１４内の燃料圧力が送出導管１９の燃料圧力よりも高いときに開き、ポンプ室１４内の燃料圧力が送出導管１９の燃料圧力よりも低いときに閉じる。

必要なときに制御ユニット７がピストン１５のポンピングステップの間に吸入バルブ１８を開いた状態に保て、それによって燃料流がポンプ室１４から引込導管１７を通って出ていけるように、流量調整装置６が吸入バルブ１８に機械的に接続される。流量調整装置６は、吸入バルブ１８に連結されるとともに、吸入バルブ１８を閉じさせる休止位置と、吸入バルブ１８を閉じさせない活動位置との間で動き得るコントロールロッド２１を備える。流量調整装置６は、コントロールロッド２１を活動位置と休止位置との間で動かすためにコントロールロッド２１に連結された電磁アクチュエータ２２をさらに備える。

図３に示すように、電磁アクチュエータ２２は、コントロールロッド２１を活動位置に保つバネ２３と、制御ユニット７によって導かれるとともに、コントロールロッド２１と一体の強磁性のアンカー２５を磁気的に誘導することによってコントロールロッド２１を休止位置に移動させることができる電磁石２４とを備える。電磁石２４に電圧が与えられたとき、コントロールロッド２１が休止位置に戻り、引込導管１７とポンプ室１４との間の連絡が吸入バルブ１８が閉じることによって遮られる。電磁石２４は、コイル２７に囲まれる固定された磁気電機子２６（または磁気底部）を備える。電流が通った時、コイル２７はアンカー２５を磁気電機子２６に向かって磁気的に誘導する磁界を発生させる。コントロールロッド２１およびアンカー２５は一緒に、電磁アクチュエータ２２に制御されて活動位置と休止位置との間で軸移動する流量調整装置６の可動器具を形成する。アンカー２５および磁気電機子２６は、バネ２３が収容される空の中央空間を設けるように、中央に穴をあけられた環状形を呈する。

電磁アクチュエータ２２は、コントロールロッド２１と一体の、一方向液圧ブレーキ２８を備え、液圧ブレーキ２８は、前記可動器具が活動位置に向かって動くときのみ前記可動器具（すなわち、コントロールロッド２１およびアンカー２５）の動きを遅くする（すなわち、液圧ブレーキ２８は、前記可動器具が休止位置に向かって動くときは前記可動器具の動きを遅くしない）。

液圧ブレーキ２８は、アンカー２５と機械的に一体化する（すなわち、アンカー２５に側面に溶接される）とともに、コントロールロッド２１の上部を受ける中央貫通孔３０を設けたディスク２９を備える。コントロールロッド２１は、溶接によってディスク２９と一体に形成される。このため、液圧ブレーキ２８のディスク２９は、コントロールロッド２１とアンカー２５との間の機械的接続を作るという構造上の機能をも有する。さらに、バネ２３の一端がディスク２９に当接し、そしてそのためディスク２９が前記可動器具へのバネ２３の弾性的な押圧力を伝えるため、液圧ブレーキ２８のディスク２９はさらなる構造上の機能をも有する。ディスク２９は、中央貫通孔３０の周りに均等に配置されて燃料が流れ得る複数の周囲貫通孔３１を設ける。

図４ないし７に示すように、ディスク２９のそれぞれの周囲貫通孔３１は、対応するバルブ要素３２に合わせられる。バルブ要素３２は、周囲貫通孔３１を通る燃料自体の移動方向に応じて、燃料の移動に異なる透過性を生じさせる。特に、それぞれのバルブ要素３２の燃料の移動に対する透過性は、前記可動器具が活動位置に向かって動くときに最小であり、前記可動器具が休止位置に向かって動くときに最大である。バルブ要素３２は、対応する弾性的な薄板３３（すなわち、弾性的に変形可能）のフラップからなる。薄板３３は、一部が吸入バルブ１８に向くディスク２９の表面に固定される（特に、弾性的な薄板３３はディスク２９の周端部に固定される）。言い換えると、弾性的な薄板３３の外縁は環状溶接によって、吸入バルブ１８に向くディスク２９の表面に溶接される。ところが、前記フラップ（すなわち、バルブ要素３２）を備える弾性的な薄板３３の内側の部分は、ディスク２９からは自由であり、そのためディスク２９に対して（弾性変形の結果として）自由に動く。

それぞれのバルブ要素３２（すなわち、弾性的な薄板３３のそれぞれの前記フラップ）は、対応する周囲貫通孔３１と直線に並ぶ小さな貫通孔３４を設ける（言い換えると、貫通孔３４は、対応する周囲貫通孔３１の直径よりも著しく小さい直径を呈する）。

前記可動器具が休止位置に向かって動くとき、ディスク２９は、引込導管１７の内部にある燃料の一部を押しのけ（移動させ）なければならない。そして、可動器具の移動の間、ディスク２９と磁気電機子２６との間に存在する燃料によって発生する押圧力は、前記フラップ（すなわち、バルブ要素３２）の弾性変形を生じさせる。（図７に破線で示すように）当該フラップは、ディスク２９から遠ざかるように移動し、そのため、周囲貫通孔３１を通る燃料の移動は実質的に自由になる。逆に、前記可動器具が活動位置に向かって移動するとき、ディスク２９は、引込導管１７の内部にある燃料の一部を押しのけ（移動させ）なければならない。そして、可動器具の移動の間、（図７の実線で示すように）ディスク２９と吸入バルブ１８との間に存在する燃料によって発生した押圧力が前記フラップ（すなわち、バルブ要素３２）をディスク２９に向かって押し、貫通孔３４を通ることができる経路を除いて、周囲貫通孔３１を閉じる（すなわち、燃料の流れが周囲貫通孔３１を通ることを防ぐ）。

貫通孔３４の直径が周囲貫通孔３１の直径よりも非常に小さいため、コントロールロッド２１が活動位置に向かって動くときに（すなわち、燃料が貫通孔３４の経路の孔だけを通ることができるとき）液圧ブレーキ２８が高いブレーキ力を発生させ、コントロールロッド２１が休止位置に向かって動くとき（すなわち、燃料が周囲貫通孔３１の経路の孔全体を通ることができるとき）にごく僅かなブレーキ力を発生させることは明らかである。

好ましい実施形態によれば、弾性的な薄板３３は、溶接によって（好ましくは、レーザースポット溶接によって）ディスク２９に固定された外側冠部３５を備える。前記フラップ（すなわち、バルブ要素３２）は、冠部３５から内側へ向かって延び、ステムによって外側の冠部３５に接続された円形のシーリング要素をそれぞれ備える。当該ステムの長さは、弾性変形できるように幅よりも非常に長い。好ましい実施形態によれば、弾性的な薄板３３は弾性的なスチール板をフォトエッチングすることによって作られ、その後、変形可能な薄板３３は鋳造されたディスク２９にレーザースポット溶接によって接続される。

使用時に、調整装置６の前記可動器具（すなわち、コントロールロッド２１およびアンカー２５）は、休止位置に向かって動く（このため、活動位置から離れるように動くとともに、吸入バルブ１８が閉じて圧力がかけられた燃料を共同レール７に供給し始める）。液圧ブレーキ２８は、ごくわずかなブレーキ力を生じさせるとともに、そのため可動器具を遅くさせず、磁気電機子２６への衝突時における前記可動器具の運動エネルギーの減少について貢献しない。この特徴は、一方で、液圧ブレーキ２８が前記可動器具の動きを遅くせず、このため前記可動器具を制御ユニット７の命令に早く反応させる点（休止位置に向かう動きは、高圧ポンプ４の運転において著しい効果を有するので、有効かつ制御を改善するために可能な限り早くならなければならない）、他方で、この動きにおいて、磁気電機子２６への衝突時における前記可動器具の運動エネルギーの減少が、電磁石２４の監視電流のソフトウェア制御（すなわち、液圧ブレーキ２８の動作は要求されず、一方で、電磁石２４の監視電流のソフトウェア制御を複雑にするかもしれない）と同じように有効にそして効果的に得られ得る点で、二重に好ましい。

使用時に、調整装置６の前記可動器具（すなわち、コントロールロッド２１およびアンカー２５）は、活動位置に向かって動き、液圧ブレーキ２８は前記可動器具の移動速度を大きく減らす高いブレーキ力を生じさせ、そのため吸入バルブ１８への衝突時における前記可動器具の運動エネルギーを大きく低減する（運動エネルギーは速度の二乗によって変わる）。この特徴は、一方で、吸入バルブ１８への衝突時において、前記可動器具の運動エネルギーが大きく減少させ得る点（電磁石２４の監視電流のソフトウェア制御によっては効果的に得られない低減）、他方で、活動位置に向かう動きが、高圧ポンプ４の運転に即時の効果を有さず、そのため非常に遅く実行されるため、制御の遂行に否定的な影響を有しない点で、二重に、大変好ましい。

重要なのは、液圧ブレーキ２８は、調整装置６の前記可動器具（すなわち、コントロールロッド２１およびアンカー２５）が動いているときにのみブレーキ力を生じさせることである。すなわち、調整装置６が静止しているとき、液圧ブレーキ２８はブレーキ力を生じさせない。したがって、前記可動器具が常に活動位置に届くことを確実にする（すなわち、液圧ブレーキ２８は、前記可動器具が活動位置に達する前に、物理的に「止める」ことはできない）。そして、前記可動器具は常にその活動位置に向かう動きにブレーキがかけられている。

上述の高圧ポンプ４は、いくつかの利点を有する。

まず、上述の高圧ポンプ４において、吸入バルブ１８への衝突時における調整装置６の前記可動器具（すなわち、コントロールロッド２１およびアンカー２５）の運動エネルギーは、著しく制限される。そのため、衝突によって起こるノイズの発生が大きく減少する。

さらに、上述の高圧ポンプ４において、休止位置に向かう動きはブレーキが掛けられないため、制御に対する高い反応速度が確保される。

最後に、上述の高圧ポンプ４は、液圧ブレーキ２８が簡単な機械的工程によって作られ得る二つの部品のみ（ディスク２９および薄板３３）によって構成されるため、簡単かつ安価に製造される。

Claims (6)

1. 本体（１２）の中に規定されるポンプ室（１４）と、
   前記ポンプ室（１４）の内に滑動するように実装され、前記ポンプ室（１４）の容積を周期的に変化させるピストン（１５）と、
   前記ポンプ室（１４）に接続され、吸入バルブ（１８）によって制御される引込導管（１７）と、
   前記ポンプ室（１４）に接続され、送出バルブ（２０）によって制御される送出導管（１９）と、
   前記ピストン（１５）のポンピングステップの間に前記吸入バルブ（１８）を開いた状態に保つことが可能なように前記吸入バルブ（１８）に機械的に連結され、前記吸入バルブ（１８）に連結されたコントロールロッド（２１）と、前記コントロールロッド（２１）を駆動する電磁アクチュエータ（２２）と、を備えた流量調整装置（６）とを具備し、
   前記電磁アクチュエータ（２２）は、前記コントロールロッド（２１）と一体で、前記コントロールロッド（２１）の動きを遅くする一方向液圧ブレーキ（２８）を備え、
   前記液圧ブレーキ（２８）は、
   少なくとも一つの第１の貫通孔（３１）が設けられたディスク（２９）と、
   前記ディスク（２９）の前記第１の貫通孔（３１）と合わせられ、前記第１の貫通孔（３１）を通る燃料の移動方向に応じて、燃料の移動に異なる透過性を生じさせるバルブ要素（３２）と、をさらに備えることを特徴とする、共同レール（３）を有する直接噴射システムの燃料ポンプ（４）。
2. 前記電磁アクチュエータ（２２）は、前記コントロールロッド（２１）を、前記コントロールロッド（２１）が前記吸入バルブ（１８）を閉じさせる休止位置と、前記コントロールロッド（２１）が前記吸入バルブ（１８）を閉じさせない活動位置と、の間で移動させ、
   前記液圧ブレーキ（２８）は、前記コントロールロッド（２１）が前記活動位置に向かって動くときに高いブレーキ力を生じさせ、前記コントロールロッド（２１）が前記休止位置に向かって動くときにごく僅かなブレーキ力を生じさせる、請求項１に記載の燃料ポンプ（４）。
3. 前記バルブ要素（３２）は、前記ディスク（２９）に一部が取り付けられ、前記第１の貫通孔（３１）と直線に並ぶ小さな寸法の第２の貫通孔（３４）が設けられた弾性的な薄板（３３）を備えた、請求項２に記載の燃料ポンプ（４）。
4. 前記ディスク（２９）は、均一に配置された複数の前記第１の貫通孔（３１）を有し、
   前記薄板（３３）は、その周端部に対応して前記ディスク（２９）に取り付けられ、対応する前記第２の貫通孔（３４）に合わせられた一続きの複数のフラップを有する、請求項３に記載の燃料ポンプ（４）。
5. 前記電磁アクチュエータ（２２）は、前記コントロールロッド（２１）を押すバネ（２３）と、前記コントロールロッド（２１）と一体で、中央に穴があけられた環状の形態を呈したアンカー（２５）、および前記アンカー（２５）を磁気的に誘引する固定された磁気電機子（２５）が設けられた電磁石（２４）と、を有し、
   前記液圧ブレーキ（２８）の前記ディスク（２９）は、前記アンカー（２５）と前記コントロールロッド（２１）とを機械的に接続するために、前記アンカー（２５）の側面に一体化するとともに、前記コントロールロッド（２１）の中央に一体化する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料ポンプ（４）。
6. 前記液圧ブレーキ（２８）の前記ディスク（２９）は、中央に配置されるとともに前記コントロールロッド（２１）の上部を受ける第３の貫通孔（３０）と、前記第３の貫通孔（３０）の周りに配置された複数の前記第１の貫通孔（３１）とを有する、請求項５に記載の燃料ポンプ（４）。

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