JP6300956B2 - シングルプランジャ型燃料ポンプの圧力解放弁 - Google Patents

Description

本発明は、ガソリンエンジン用の高圧燃料供給ポンプに関する。

単一ピストンのカム駆動燃料ポンプは、共通レールのガソリン直噴エンジンに高圧燃料を供給するための標準的な解決手段となっている。

ポンプの吸気工程サイクル中に、レールからの圧ブリードを防ぐために、ポンプに出口逆止弁を組み込む必要があることは、業界では周知である。システム欠陥によって発生する想定外の過多の圧から高圧システム全体を保護するために、ポンプ内に圧力解放弁を組み込むことは、業界では必須となっている。レール及び燃料噴射装置を保護するために、圧力解放弁はレールと流体連結している必要がある。ポンプ流動と並行する流体連結を実行する方法は、米国特許第７，４０１，５９３号及び米国特許第８，１３２，５５８号に開示されている。先行技術文献に開示されている２方法は、通常の高圧管路から拍動が起こると、ポンプ中に油圧的に解放弁を停止し、適切な解放圧を達成する機能において成功している。

これらの手法はレール圧が約２００バールまでで作動するガソリン直接噴射システムで使用するためには十分であるものの、今後の排ガス規制に対応するために要求される、高圧で作動する将来のシステムでは大きく制限される。圧力解放弁の流れはポンプ室に戻されるため、関連するばね及びばねキャビティはポンプ室と直接連結している。ばねキャビティは各ポンプ時に圧縮される必要がある、ポンプ室回路ボリュームへの著しいデッドボリュームを与える。圧が高くなると、ばねの大きさに対応するために、解放弁を開けるための高い圧、ばね荷重の増加、ばねキャビティの容量の増加が必要となる。追加されるデッドボリュームと、増加するポンプ圧は、ポンプの性能に悪影響を与える。

米国特許第７，４０１，５９３号 米国特許第８，１３２，５５８号 米国特許公開第２０１１／０１２６８０４号

本発明は同様の圧解放弁に対する解決策を提案するものの、ポンプ室の回路ボリュームを減少し、性能を高める効果を有する。これは、ポンプの低圧側に解放弁ばねキャビティを配置するなど、ポンプ室から解放弁ばね室を分離することによって達成される。

圧解放弁へのばね荷重は、好ましくはクローズフィットピストンによって与えられることが好ましく、ピストンのばね側がポンプの低圧側に露出され、ピストンの弁側がポンプ室に露出されている。

ピストンがボール型解放弁に対応して動く実施例においては、適切な解放弁開口圧を達成するために、ピストンの封止径はボール座部の直径に対し、ボール弁の封止径と同じまたは小さいことが望ましい。

改良実施例によると、第２解放機能は重大なシステム欠陥に対応するために設置されている。追加された解放機能は、解放弁ピストンが非常に高いポンプ室の圧に関連した位置に移動した際に機能する。この機能は、ピストンが動いた位置でピストン筒から露出される解放弁ピストンを貫通することにより、ポンプ室とポンプの低圧側とを接続し、ポンプ室の過多圧を放出する。

高圧システムにおける解放ばね室の容積は、関連する通路及び解放弁室の容積よりも大きいため、ポンププランジャの相互駆動によって発生するよるポンプ室の回路ボリュームのサイクル圧から解放ばね室を取り除くことにより、デッドボリュームを減少させ、性能が高くなる。

以下の実施例について、図面を参照して説明する。
既知の共通レールの燃料供給システムの概略図である。 本発明の第１実施例の解放弁を有する燃料供給システムの概略図である。 本発明の第２実施例の解放弁を有する燃料供給システムの概略図である。 図２に図示されたポンプの駆動を図示している。 図３に図示された第２実施例の圧力解放弁の実行を図示している。 図４の圧力解放弁の領域の詳細図である。 図５の圧力解放弁の領域の詳細図である。

発明の詳細な説明

図１から７を参照し、２つの代表的な実施例について説明する。

図１は、米国特許公開第２０１１／０１２６８０４号に記載された内燃機関エンジンの燃料システムの全体概略図である。低圧ポンプ２は燃料タンク１からの燃料に圧を与え、インレットパイプを通して燃料を高圧ポンプ３に低圧で供給する。次に、燃料はアキュムレータ４を通過し、低圧通路２’を低圧で通り、常開型の入口制御弁５に到達する。この燃料システムには、常閉型の制御弁も使用可能である。次に、燃料はポンプ室１０に供給され、エンジンカムシャフト９と相互で駆動することにより、ポンププランジャ８の上向き運動によって圧が与えられる。入口制御弁５は、制御弁ばね７及びソレノイド６に反応することにより、高圧ポンプから供給される燃料の量を制御する。これは、制御弁の閉鎖と対応するポンプピストンの上方向移動とのタイミングが適切であれば達成できる。

加圧された燃料は出口逆止弁１１、高圧管路１４を通過し、共通レール１６から燃料噴射装置１５に供給される。燃料噴射装置１５には共通レール１６から噴射されるため、噴射のタイミングは調節可能である。所望のレール圧は、ソレノイド６及び入口制御弁５からの高圧燃料出力のフィードバック及び制御と、レール圧力センサ１７からＥＣＵ１８への出力信号との比較に基づき、閉ループＥＣＵ（エレクトロニックコントロールユニット）１８によって制御される。圧解放弁１２は、システムの誤作動が起こった時に高圧システムを保護するために必要である。出口逆止弁及び圧解放弁は、共通フィッティングアセンブリ１３に配置されていることが好ましいが、本発明では必須ではない。

図２は、本発明の第１実施例の解放弁を有する燃料供給システムの概略図である。通常のポンプの動作は、図１で説明したものと同じである。しかし、この実施例では、ポンプの低圧側に配置されたばねと、ポンプの低圧側からポンプ室１０のポンプ圧を分離し圧解放弁ばねを隔離するピストン１９とによって、圧解放弁１２は封止座部に付勢されている。システムが誤作動を起こしたとき、共通レール１６及び高圧管路１４からの過剰圧が圧解放弁１２を開き、圧解放弁ばねを隔離するピストン１９を動かし、ポンプのチャージサイクル時に燃料をポンプ室１０に流す。本実施例においては、圧を解放するばねキャビティ２０はポンプ内部で、通路２０’によって、入口ライン又は入口制御弁５に流体連結している。

図３は、本発明の第２実施例の解放弁を有する燃料供給システムの概略図である。第２実施例では、（例えば重大な高速システムの欠陥によって発生した）ポンプ室１０の内部の過剰圧は、圧解放弁ばねを隔離するピストン１９が所定位置に収納されるように誘発し、低圧のばねキャビティ２０によって、過剰圧の放出チャネル１９’ とポンプ室１０との流体連結が達成され、放出チャネルの圧がポンプの低圧側に放出される。

図４は、図２に図示されたポンプの駆動を示している。図５は、図３に図示された第２実施例の圧力解放弁の駆動を示している。

図４では、ボール型圧解放弁１２は、流路１４’を有する流路を通して、高圧管路１４からの圧を封止する。図４には、高圧封止プラグ２１の実行も含まれる。図６は、図４の圧力解放弁の領域の詳細図である。ピストン１９の封止径Ｄ２は、ボール座部に面するボール型圧解放弁１２の封止径Ｄ１と同じまたは小さいことが望ましい。これによって、ポンプ室１０及びチャネル１０”の圧がレール圧よりも高い状態で高速駆動する通常のポンプ時に、ピストン１９による不要な動作を防止することができるだけでなく、ポンプチャージ時またはホットソーク時に圧解放弁１２の適切な解放圧を与えることができる。ばね２２はピストン１９に直接、または図示の通り、中間ばね座部２３を通して作動する。

図５のピストン１９は、１９ａ、１９ｂ、１９ｃからなる、高圧の放出チャネル１９’を有する。詳細は図７に図示されている。ピストン１９は、スリーブ２４の筒部に取り付けられている。スリーブは、チャネル１０”を通じてポンプ室１０と流体連結しており、ボール型圧解放弁１２を含む前方ポンプキャビティ１０’と、ばねキャビティ２０と流体連結している後方キャビティ２６と、を有する。ピストン１９の後方は、ばね２２の荷重により、後方キャビティ２６からばねキャビティ２０に延伸する。ピストンは前方ポート１９ａと、１９ａから延伸する中央筒１９ｂと、中央筒１９ｂから流体連結する後方ポート１９ｃとを有する。中央筒１９ｂはピストン１９の一部にのみ延伸しており、ボール型解放弁１２が閉じているときは後方ポート１９ｃがスリーブ２４にブロックされており、ボール型解放弁１２が座部２８を持ち上げると、最初にピストン１９を比較的短い距離で動かし（Ｘ以下の距離）、高圧管路１４、流路１４’の圧を解放し、チャネル１０”を通してポンプ室１０に圧を戻す。

重大なシステム欠陥が生じた場合、ポンプ室１０及びチャネル１０”からの圧は、ばね２２及びピストン径からの荷重による締切圧を取り消すことができ、ピストン１９を少なくとも‘Ｘ’方向に移動する。これにより、チャネル１０”及びポンプ室１０またはポンプキャビティ１０’のポンプ室の圧を後方キャビティ２６及びばねキャビティ２０の低圧に接続し、ポンプ室１０の圧をポンプの低圧側に放出する。ばね２２からの圧を取り消すために十分な油圧力があれば、ポンプストローク時にピストン１９が‘Ｘ’方向に動く。その後、ポンプストローク時にピストン１９の動きとは反対に働く、ポンプ室１０の燃料圧によって、ピストンは筒内部で、座部２８からＸよりも大きい第２距離に移動する。この状態では、圧はボールから独立しており、筒１９ｂの外径（Outer Diameter, ＯＤ）及び後壁とは対向し、後方ポート１９ｃが露出されるまでピストンを移動させる。

レール圧が高すぎることにより、次のチャージストローク時に圧がポンプ室に放出されると、ポンプ室１０は次のポンプストロークの開始までに通常有する圧よりも高い圧を有することになる。ＲＰＭ及び再循環される全体の流量により、「バックアップ」を行い、レール圧をさらに高いレベルに上げる。図２及び６の実施例によると、過大圧力はポンプ室に跳ね返るため、閉回路１０、１１、１４’、１２、１０’、１０”、１０の流れを維持する。図３及び７の実施例では、ポンプストロークの過大圧力は１０’、１０”、１９、２０、２０’及び２から流出する。それぞれのケースにおいて、レール圧は所定のＲＰＭ及び流れ状態で安定する。ＲＰＭ及び流量が高くなるにつれて、レール圧の安定性が高くなる。流路１４’の圧が所定の値を超過すると、チャージストローク時にボール型解放弁が上がるが、ポンプ室の圧がピストン１９を動かすために適切な高さであれば、ポンプストローク時にピストン１９とは独立して再度閉じることができる。この場合、ボール型解放弁は「自由浮動」し、ポンプストローク時のボール型解放弁の圧の違いによって閉じることが多い。上述の通り、放出チャネル１９’を通過する燃料を放出するために、ピストン１９がボール型解放弁１２と分離する状況が起こる。
この場合、ばね２２はボール弁に反応しない。

図６及び図７は、ボール型圧解放弁１２のポンプ室１０とポンプキャビティ１０’との間の横方向チャネル１０”を示している。横方向チャネル１０”はボール型解放弁１２の後ろ側のポンプ室１０’の横壁（図２に図示されている）を通過する孔、またはボール型圧解放弁１２の座部の後ろ側のポンプ室１０’に解放されてよい。図６及び７によると、ポンプ室１０及びキャビティ又はポンプ室１０’の流路は、スリーブ２４の前方向の外側に横軸方向に延伸し、ポンプ室１０と横方向流路１０”とを接続する少なくとも１つのチャネル１０”を有する。ボール型解放弁１２はポンプキャビティ１０’の横壁の内側に緩く配置されているため、ポンプキャビティ１０’における横方向チャネル１０”の配置位置は重要ではない。ポンプキャビティ１０’の横壁の内径（ＩＤ、Inner Diameter）は、開いたときにボール型解放弁１２を誘導できる大きさであればよい。
これによって、ボールが永久的に座部から離れる可能性を防止することができる。また、放出チャネル１９’の形態は異なっていてもよい。

本発明の本質は、圧解放弁１２が閉じている間、ばねキャビティ２０はポンプ室１０に供給された燃料から液体的に隔離されている点である。（高圧の放出チャネル１９’が存在しない）図２、４、６の実施例では、圧解放弁１２が開いているか否かに関わらず、ばねキャビティ２０はポンプ室１０から隔離されている。（高圧の放出チャネル１９’が存在する）図３、５、７の実施例では、ばねキャビティ２０はポンプ室１０に液体連結されている。図示された実施例では、スリーブ２４の前方ポンプキャビティ１０’はポンプ室１０からの圧を受けるため、圧解放弁１２が閉じている間のばねキャビティ２０の分離は、スリーブ２４（図６、７）の中央部をスライドするピストン１９の中央部の封止径Ｄ２によって達成される。高圧の放出チャネル１９’が適用されない場合、後方キャビティ２６が不要であり、スリーブ２４はさらに簡素化されてよい。

Claims (9)

1. ポンプ室に連通する低圧通路と、ポンプストローク時にポンプ室の燃料に圧を与えるポンププランジャと、ポンプストローク時に加圧された燃料を前記ポンプ室から高圧管路に供給する出口逆止弁と、ピストンと、ポンプ室の高圧を解放するために、前記高圧管路に接続された流路とポンプ室に接続されたチャネルとを含む圧解放弁と、を有するシングルプランジャ型高圧燃料ポンプであって、
   前記圧解放弁は、ばねが流路を付勢する解放弁要素を有し、前記ばねは、前記解放弁要素が閉じているときは、前記ポンプ室及び前記流路から隔離されたばねキャビティに配置されており、
   前記ピストンはスリーブに配置されており、前記解放弁要素に対向する前方向端部と、前記ばねの負荷が与えられる後方向端部とを有し、前記前方向端部は前記解放弁要素を付勢することによって座部を封止し、前記後方向端部は前記スリーブから前記ばねキャビティに延伸し、前記ピストンはピストン封止径（Ｄ２）に沿って筒部をスライドし、前記解放弁要素は前記座部に対して封止径（Ｄ１）を閉じるボール型圧解放弁であり、
   前記スリーブは、前記解放弁要素及び前記ピストンの前方向端部が配置される前方ポンプキャビティと、前記ピストンの中心部がスライドする中央筒と、前記ピストンの後方部が延伸し、ばねキャビティと流体連結する後方キャビティと、を有し、
   前記ピストンは、前記ポンプキャビティに配置された前方ポートと、前記解放弁要素が配置される際に後方キャビティに距離Ｘで隣接するスリーブ筒によって封止される後方ポートと、前記前方ポート及び前記後方ポートの間に配置される中央筒と、を有し、ピストンを前記距離で移動すると前記後方キャビティが露出される、シングルプランジャ型高圧燃料ポンプ。
2. ポンプ室に連通する低圧通路と、ポンプストローク時にポンプ室の燃料に圧を与えるポンププランジャと、ポンプストローク時に加圧された燃料を前記ポンプ室から高圧管路に供給する出口逆止弁と、ポンプ室の高圧を解放するために、前記高圧管路に接続された流路とポンプ室に接続されたチャネルとを含む圧解放弁と、を有するシングルプランジャ型高圧燃料ポンプであって、前記圧解放弁は、ばねによって流路を閉じる弁要素を有し、前記ばねはピストンによって前記弁要素を付勢し、前記ピストンの一端は前記弁要素を荷重し、他端は前記ばねによって荷重され、前記ばねは前記ポンプの低圧通路に接続されるばねキャビティに配置され；
   前記ピストンは筒内でスライド可能であり、前記筒内の前方向にスライドし、前記ピストンは前記座部に対して弁要素を荷重し；
   前記ピストンは、ばね荷重及びポンプ室の燃料圧の過多により、流路の内部の燃料圧間の差圧によって弁要素が開いたときに、弁要素によって筒内部で前記解放弁座部から第１距離で移動し、前記流路の内部の燃料は前記解放弁座部からポンプ室にダンプされ；
   前記ピストンは、ばね荷重及びポンプ室の燃料圧の過多により、流路内部の燃料圧間の差圧によって弁要素が開いたときに、弁要素によって筒内部で前記座部から前記第１距離よりも大きい第２距離移動し；
   前記ピストンは、ポンプ室と流体連結している前方ポートと、前記ピストンが前方向に位置している又は前記第２距離よりも短い距離移動している間に前記筒によってカバーされている後方ポートと、を有する流出チャネルを有し、前記後方ポートは、前記ピストンが第２方向移動したときに前記ばねキャビティと流体連結しており；
   前記ポンプ室の圧が解放弁の燃料圧を超過すると、前記低圧通路において、前記ポンプ室の前記燃料圧が低圧側に解放されるシングルプランジャ型高圧燃料ポンプ。
3. 前記ピストンは、前記筒内部をピストン封止径に沿ってスライドし、前記弁要素はボール封止径に対応するボール弁であり、前記ピストンの封止径は前記解放弁の座部に対応する封止径の直径と同じまたは小さい、請求項２に記載のシングルプランジャ型高圧燃料ポンプ。
4. 前記ボール弁はポンプ室の圧によってポンプキャビティに配置されており、前記ピストンの一端は前記ポンプキャビティに配置されて延伸し、前記ピストン及び筒部の密閉により、前記ポンプキャビティと低圧のばねキャビティとの間の差圧を維持する、請求項３に記載のシングルプランジャ型高圧燃料ポンプ。
5. 前記ばねキャビティと、前記ポンプの低圧通路とは流体連結されている、請求項４に記載のシングルプランジャ型高圧燃料ポンプ。
6. 前記ピストンは、ボール型圧解放弁及びピストンの前方端部が配置されている前方ポンプキャビティを有するスリーブをスライドし、前記スリーブは前記ピストンの中心部がスライドする中央筒を有し、前記ピストンはスリーブからばねキャビティに延伸する後方部を有する、請求項２に記載のシングルプランジャ型高圧燃料ポンプ。
7. 前記スリーブは、前記ピストンの後方部が延伸し、低圧において、ばねキャビティと流体連結する後方キャビティを有する、請求項６に記載のシングルプランジャ型高圧燃料ポンプ。
8. 前記ピストンは、前記前方ポンプキャビティに配置された前方ポートと、前記解放弁が配置される際に後方キャビティに距離Ｘで隣接して中央筒によって封止される後方ポートと、前記前方ポート及び前記後方ポートの間に配置される中央筒と、を有し、ピストンを前記前方ポンプキャビティから所定距離移動すると前記後方キャビティを露出する、請求項７に記載のシングルプランジャ型高圧燃料ポンプ。
9. 前記流路は前記解放弁の座部において弁要素の前方に封止され、
   前記筒内の前方において、前記ピストンは前記解放弁の座部に対して前記弁要素を荷重し、
   前記ポンプ室は前記解放弁の座部の後ろ側のチャネルを通して前記スリーブの前記前方ポンプキャビティと流体連結し、
   前記ピストンは、ばね荷重及びポンプ室の燃料圧の過多により、流路内部の燃料圧間の差圧によって前記解放弁要素が開いたときに、前記解放弁の解放弁要素によって筒内部で前記座部から“Ｘ”よりも短い第１距離移動することができ、前記流路内部の燃料は前記解放弁の座部からポンプ室にダンプされ；
   前記ピストンは、ポンプストローク時に、ばね荷重及び流路の燃料圧を超過するポンプ室の燃料圧により、流路の内部の燃料圧間の差圧によって前記解放弁要素が開いたときに、弁要素によって筒内部で前記座部から前記“Ｘ”よりも大きい第２距離移動し、
   ポンプストローク時において、前記ピストンに対向するポンプ室の燃料圧によって、前記ピストンが前記座部から前記筒内部で前記“Ｘ”よりも大きい第２距離移動し、
   前記ピストンは、前記ポンプ室と流体連結している前方ポートと、前記ピストンが前方向に位置している又は前記第２距離よりも短い距離移動している間に前記筒によってカバーされている後方ポートと、を有する流出チャネルを有し、前記後方ポートは、前記ピストンが少なくとも第２方向移動したときに前記ばねキャビティと流体連結しており；
   前記ポンプ室の燃料圧が前記解放弁の燃料圧を超過すると、前記低圧通路において、前記ポンプ室の前記燃料圧が低圧側に解放される、請求項７に記載のシングルプランジャ型高圧燃料ポンプ。