JP2004518901A - コモンレール式燃料噴射システムのためのシングルプランジャ式の噴射ポンプ - Google Patents

Abstract

本発明は高速の内燃機関のためのシングルプランジャ式の噴射ポンプに関する。このシングルプランジャ式の噴射ポンプは、そのコンパクトな構造と、プランジャの高い往復運動周波数に起因する良好な体積効率に基づいて、マルチプランジャ・噴射ポンプに匹敵する圧送量を有していながら、このシングルプランジャ式の噴射ポンプの駆動時に、トルクピークが許容できないほど高くなってしまうことがないように構成されている。

Description

【０００１】
本発明は、内燃機関のコモンレール式燃料噴射システムのためのシングルプランジャ式の噴射ポンプであって、ハウジング内にポンプシリンダが配置されており、該ポンプシリンダ内で往復運動するプランジャが設けられており、燃料供給部から前記ポンプシリンダ内に吸入された燃料の圧力が前記プランジャにより高められるようになっており、さらに量制御弁が設けられており、該量制御弁が、ハウジングに組み込まれた、直接に起動制御される制御ピストンを有しており、前記量制御弁が、前記プランジャの、燃料流出部への圧送流又はコモンレールに連通している高圧孔への圧送流を制御している形式のものに関する。
【０００２】
ドイツ連邦共和国特許公開第４２２１９２１号明細書により公知の噴射ポンプは、１つよりも多いシリンダを備えた内燃機関において使用するためには、この噴射ポンプが、シリンダ数に相当する数のポンプシリンダを有している場合にしか適していない。ポンプシリンダの数と共に、製作コストも増大する。
【０００３】
いわゆる「コモンレール式燃料噴射システム」の場合では、原理的には、内燃機関のシリンダ数と燃料高圧ポンプのポンプシリンダの数とのこのような束縛された関係を解消させることができる。しかし、一時的な圧送量が大きく、これによりトルクピークが生ぜしめられるという問題や、ポンプシリンダを極めて短時間で充填するための未解決の問題が存在しているという理由で、これまでシングルプランジャ式の噴射ポンプ（Ｅｉｎｓｔｅｍｐｅｌ−Ｅｉｎｓｐｒｉｔｚｐｕｍｐｅ）は、１つよりも多いシリンダを備えた内燃機関のコモンレールへの燃料供給のためには使用されていない。
【０００４】
本発明の課題は、コモンレール式燃料噴射システムを装備した、１つよりも多いシリンダを有する内燃機関に用いられるシングルプランジャ式の噴射ポンプを提供することである。
【０００５】
この課題を解決した本発明の構成によれば、内燃機関のコモンレール式燃料噴射システムのためのシングルプランジャ式の噴射ポンプであって、ハウジング内にポンプシリンダが配置されており、該ポンプシリンダ内で往復運動するプランジャが設けられており、燃料供給部から前記ポンプシリンダ内に吸入された燃料の圧力が前記プランジャにより高められるようになっており、さらに量制御弁が設けられており、該量制御弁が、ハウジングに組み込まれた、直接に起動制御される制御ピストンを有しており、前記量制御弁が、前記プランジャの、燃料流出部への圧送流又はコモンレールに連通している高圧孔への圧送流を制御している形式のものにおいて、プランジャが、内燃機関のクランクシャフト回転数の１／２の回転数よりも大きいか又はそれに等しい周波数で往復運動するようにした。択一的には、このシングルプランジャポンプを吸入絞り弁により制御することもできる。
【０００６】
発明の利点
本発明による噴射ポンプのコンパクトな構造に基づいて、この噴射ポンプは小さなムダ容積しか有していないので、噴射ポンプの効率が改善される。噴射ポンプの良好な効率に基づいて、プランジャを小さく寸法設定することができるので、プランジャを、クランクシャフト回転数の１／２の回転数よりも高い周波数で往復運動させることができる。これにより、時間的な圧送量の不均一性を噴射同期的に設定することができる。さらに、圧送出力を同じ値に維持したまま、本発明による噴射ポンプの駆動時におけるトルクピークを減じることが達成され得る。プランジャ直径が小さいので、ポンプシリンダとプランジャとの間の漏れが減少し、これにより体積効率の改善が得られて、ひいては総合効率の改善が得られる。
【０００７】
さらにハウジングは、その小さな表面積に基づいて、押圧力及び熱応力が加えられても極めて僅かにしか変形せず、このことは、コールド運転時遊び（Ｋａｌｔｌａｕｆｓｐｉｅｌ）の低減を可能にし、ひいては本発明による噴射ポンプの効率の一層の改善をもたらす。
【０００８】
本発明により複数の特徴を組み合わせることにより、上で挙げた種々の利点に基づき極めてコンパクトな構造を有し、かつ構成部分数の低減に基づき廉価に製造可能となるような、コモンレール式燃料噴射システムを備えた内燃機関に用いられる、機能性の良いシングルプランジャ式の噴射ポンプを提供することができる。
【０００９】
本発明の有利な構成では、プランジャが、少なくとも１つのカムを備えたカムシャフト又はカムプレート（Ｎｏｃｋｅｎｓｃｈｅｉｂｅ）もしくはフェイスカムにより操作されるので、簡単にプランジャの往復運動周波数を高めることができる。本発明の噴射ポンプが内燃機関のどの軸（カムシャフト、バランスシャフト、クランクシャフト）により駆動されるかに応じて、カムの数を需要に関連して選択することができる。
【００１０】
本発明の別の有利な構成では、プランジャの速度が吸入ストローク時に、圧送ストローク時の速度よりも小さく設定されているので、吸入ストローク時のキャビテーション現象は十分に避けられる。
【００１１】
本発明のさらに別の有利な構成では、ポンプシリンダが盲孔として形成されているので、ムダ容積及び漏れ損失は更に減じられる。ムダ容積を減じるためには、プランジャのプリストロークを変えることによって噴射ポンプの量を制御することも役立つ。この量制御によりプランジャは常に上死点（ＯＴ）にまで圧送ストロークを実施するので、ムダ容積は最小限に抑えられる。
【００１２】
本発明のさらに別の有利な構成では、流出部がハウジングと制御ピストンとの間のシール座によりシール可能であり、そしてシール座の直径が、制御ピストンのためにハウジング内に設けられた収容孔の直径よりも小さく形成されているので、制御ピストンの開放運動は、圧力下にある燃料により助成される。さらに、量制御弁の開放運動をばねにより助成することが可能であるので、開放時間の減少及び内燃機関の改善された始動挙動が達成される。さらに、一つの変化形では低圧側の圧力は、同じような大きさの２つのピストン面によって低圧側の押圧力を補償することができる。
【００１３】
本発明のさらに別の有利な構成では、制御ピストンの長手方向軸線がプランジャの長手方向軸線と共に９０゜の角度を成しており、且つ／又は流出部に低圧蓄え器として働く放圧室が設けられており、そのために、特にコンパクトな構造が、相応に僅かなムダ容積を有して得られて、且つ低圧蓄え器は、吸入ストローク中にポンプシリンダの充填を助成する。この手段により、同じくキャビテーションが防止される。
【００１４】
プランジャ及び場合によっては設けられているタペットローラのためにセラミックスが使用されていることにより、慣性力は減じられることができ、ひいては噴射ポンプの負荷が減じられ得る。さらに、セラミックスの良好な摩耗特性及び変形特性に基づいて、プランジャとシリンダとの間の遊びを減じることができるので、体積効率のさらなる改善が得られる。
【００１５】
本発明のさらに別の有利な構成では、ハウジング内にコモンレールが組み込まれているようになっているので、ムダ容積は更に減じられる。
【００１６】
本発明のさらに別の有利な構成では、噴射ポンプの圧送ストロークが、内燃機関の噴射時点に対して噴射同期的に位相シフト、もしくは移相されている。どの程度の位相シフトが選択されるかによって、場合によっては噴射ポンプの高圧領域に存在する圧力衝撃を、できるだけ高い噴射圧力を形成するために使用することができるし、また、圧力衝撃が存在しないか又は僅かにしか存在しない時点で噴射を行うことができる。２番目の変化形では、噴射時における燃料の調量の精度が改善される。
【００１７】
本発明の別の利点及び有利な構成は、図面、実施例の説明及び特許請求の範囲から見て取れる。
【００１８】
実施例の説明
図１には、本発明によるシングルプランジャ式の噴射ポンプの第１の実施例が示されている。ハウジング１内では、プランジャ３がポンプシリンダ５によりガイドされている。プランジャ３はカムシャフト７により駆動される。カムシャフト７に設けられた偏心的な区分９は、タペットローラ１１を介してプランジャ３に作用する。偏心的な区分９は、本発明の枠内ではカムである。ただしカムは、偏心的に配置された円体とは異なる別のジオメトリを有していてもよい。プランジャ３は、戻しばね１３（概略的にのみ図示する）を介してタペットローラ１１に押圧される。
【００１９】
ハウジング１１内ではポンプシリンダ５の上方に、ソレノイド弁として構成された量制御弁１７の制御ピストン１５が、ポンプシリンダ５の長手方向軸線に対して直角に配置されている。制御ピストン１５は肩部１９を有しており、この肩部１９は、対応して形成された段部２１と共にシール座を形成する。量制御弁１７が閉弁されている場合、肩部１９は段部２１に載着しており、プランジャ３により圧送された燃料は高圧孔２３内に圧送される。この高圧孔２３は、高圧管路（図示せず）を介して、燃料噴射システムのコモンレール（図示せず）に連通されている。高圧孔２３に設けられた逆止弁２５は、燃料がコモンレールから噴射ポンプに逆流することを防止する。ピストン面３４は、低圧室２９を閉鎖していて、ニードルに作用する低圧側の力を十分に補償している。
【００２０】
量制御弁１７が開弁していると、プランジャ３は燃料を低圧室２９に圧送するか、又は噴射ポンプの吸入ストローク中に燃料供給部２７を介して燃料を低圧室２９からポンプシリンダ５に吸入する。圧送ストローク中に量制御弁１７が閉弁されると、ポンプシリンダ５内で圧力が増圧され、この圧力は、逆止弁２５を開弁させ、次いでポンプシリンダ５からコモンレール（図示せず）への燃料の圧送を可能にする。量制御弁１７が早めに閉鎖されればされるほど、プランジャ３の圧送ストロークごとにコモンレールに圧送される燃料量はますます増大する。量制御弁１７の閉鎖時点の設定により、圧送ストロークごとに圧送される量を、ポンプ行程容積（Ｐｕｍｐｅｎｈｕｂｒａｕｍ）の０〜１００％の間で制御することができる。
【００２１】
噴射ポンプの極めてコンパクトで且つ剛性的な構造及び噴射ポンプの小さなムダ容積（Ｔｏｔｖｏｌｕｍｅｎ）により、この噴射ポンプは良好な効率を有している。これにより、プランジャ３をより小さく寸法設定することができる。このことはポンプシリンダ５とプランジャ３との間の漏れ損失をさらに減少させる。さらに、プランジャ３の行程容積が小さいことに基づき、吸入ストローク中には燃料供給部２７からポンプシリンダ５内へ少量の燃料を圧送するだけで済む。このことはキャビテーションの発生を減少させる。キャビテーション傾向は、図１に示した、カムシャフト７に設けられた偏心的な区分９の適宜な設計によって一層低減され得る。吸入ストローク時のプランジャ３の速度が、圧送ストローク時の速度よりも小さく設定されていると、燃料の吸入時におけるキャビテーション傾向は減じられる。
【００２２】
プランジャ３の小さな寸法及び小さな質量に基づいて、圧送ストローク中のプランジャ３の大きな加速度及び高い圧力においても、タペットローラ１１とカムシャフト７の偏心的な区分９との間の許容ヘルツ応力（Ｈｅｒｔｚ’ｓｃｈｅ Ｐｒｅｓｓｕｎｇ）が超過されてしまうことはない。
【００２３】
制御ピストン１５は、図１に示した実施例において、ハウジング１のカバー３３に対して支えられている圧縮ばね３１により支持される。図２に示した第２の実施例では、圧縮ばね３１が設けられておらず、カバー３３は部分的にダイヤフラムとして形成されている。肩部１９と段部２１とにより形成されたシール座の直後に、切欠き３５がハウジング１内に設けられており、この切欠き３５は、対応して構成されたカバー３３と共に放圧室３７を形成する。放圧室３７内にプレフィード行程（Ｖｏｒｆｏｅｒｄｅｒｈｕｂ）中に蓄えられた圧力エネルギは、燃料を燃料供給部２９からポンプシリンダ５内に吸入することを助成し、それにより吸入ストローク中のキャビテーション傾向は減じられる。シール座の直径が、ハウジング１内に制御ピストン１５のために設けられた収容孔３９の直径よりも小さく形成されていると、制御ピストン１５の開放運動は液圧的な力により付加的に助成される。プランジャ３の高い往復運動周波数により、吸入ストローク時の燃料の平均的な流速は、同じ燃料量が二回のクランクシャフト回転につき一回の吸入ストローク時に吸入される場合よりも小さい。
【００２４】
図３には、本発明による噴射ポンプの第３の実施例が示されている。第２の実施例の場合と同様に、同じ構成部分は同じ符号で示しており、上記の説明に対応する。この噴射ポンプでは、カムシャフト７は内燃機関の一部であり、且つハウジング１は、対応して内燃機関に形成された切欠き４１に直接組み込まれる。これにより、極めてコンパクトな構造が生ぜしめられる。さらに、カムシャフト７が、いずれにしても内燃機関に設けられた軸の一部である場合、製作手間は減じられ、ひいてはコストを避けることができる。この噴射ポンプは、支承部と駆動装置とを備えた独自のカムシャフトを必要とせず、このことは製造コストにポジティブに作用する。
【００２５】
図面、実施例の説明及び特許請求の範囲に記載されたすべての特徴は、個別にも任意に組み合わせても、本発明の本質を成すものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明によるシングルプランジャ式の噴射ポンプの第１実施例を示す図である。
【図２】
本発明によるシングルプランジャ式の噴射ポンプの第２実施例を示す図である。
【図３】
本発明によるシングルプランジャ式の噴射ポンプの第３実施例を示す図である。

Claims (15)

1. 内燃機関のコモンレール式燃料噴射システムのためのシングルプランジャ式の噴射ポンプであって、ハウジング（１）内にポンプシリンダ（５）が配置されており、該ポンプシリンダ（５）内で往復運動するプランジャ（３）が設けられており、燃料供給部（２９）から前記ポンプシリンダ（５）内に吸入された燃料の圧力が前記プランジャ（３）により高められるようになっており、さらに量制御弁（１７）が設けられており、該量制御弁（１７）が、ハウジング（１）内に組み込まれた、直接に起動制御される制御ピストン（１５）を有しており、前記量制御弁（１７）が、前記プランジャ（３）の、燃料供給部（２７）への圧送流又はコモンレールに連通している高圧孔（２３）への圧送流を制御している形式のものにおいて、プランジャ（３）が、内燃機関のクランクシャフト回転数の１／２の回転数よりも大きいか又はそれに等しい周波数で往復運動するようになっていることを特徴とする、内燃機関のコモンレール式燃料噴射システムのためのシングルプランジャ式の噴射ポンプ。
2. プランジャ（３）が、少なくとも１つのカムを備えたカムシャフト（７）又はカムプレートにより操作される、請求項１記載の噴射ポンプ。
3. 吸入ストローク中のプランジャ（３）の速度が圧送ストローク中の速度よりも小さく設定されている、請求項２記載の噴射ポンプ。
4. ポンプシリンダ（５）が盲孔として形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の噴射ポンプ。
5. 噴射ポンプの量制御が、プランジャ（３）のプリストロークを変えることにより行われる、請求項１から４までのいずれか１項記載の噴射ポンプ。
6. 燃料供給部（２７）とポンプシリンダ（５）との間の接続部が、ハウジング（１）と制御ピストン（１５）との間のシール座によりシール可能であり、該シール座の直径が、ハウジング（１）内に制御ピストン（１５）のために設けられた収容孔（３９）の直径よりも小さく形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の噴射ポンプ。
7. 量制御弁（１７）の開放運動が圧縮ばね（３１）により助成される、請求項１から６までのいずれか１項記載の噴射ポンプ。
8. 制御ピストン（１５）の長手方向軸線が、プランジャ（３）の長手方向軸線と共に９０゜の角度を成している、請求項１から７までのいずれか１項記載の噴射ポンプ。
9. 燃料供給部（２７）に、低圧蓄え器として働く放圧室（３７）が設けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載の噴射ポンプ。
10. プランジャ（３）と、場合によっては設けられているタペットローラ（１１）とがセラミックスから製作されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の噴射ポンプ。
11. ハウジング（１）内にコモンレールが組み込まれている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の噴射ポンプ。
12. 当該噴射ポンプの圧送ストロークが、内燃機関の噴射時点に対して噴射同期的に位相シフトされている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の噴射ポンプ。
13. 量制御弁（１７）が、無電流状態で開弁されるソレノイド弁として形成されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の噴射ポンプ。
14. カムシャフト（７）又はカムプレートが内燃機関の一部である、請求項２から１３までのいずれか１項記載の噴射ポンプ。
15. 圧送量が吸入絞り制御により制御される、請求項１から１４までのいずれか１項記載の噴射ポンプ。