JP4624846B2 - 内燃エンジン用の容積だめの燃料噴射システム - Google Patents

Description

本発明は内燃エンジン用の容積だめ燃料噴射システムに関する。

現代の内燃エンジン用燃料噴射システムは、通常、与えられた燃料の容積だめを有する共通のレールに高圧燃料を供給するための、ならびに複数のエンジン・シリンダ噴射器を供給するためのポンプを有している。このポンプは、吸入行程と圧縮または吐出工程とのたびに動作する少なくとも１つのレシプロ・ポンプ・エレメントを有している。

周知のように、適切に噴霧されなければならないため、燃料は極めて高圧な状態、例えば、エンジンの負荷が最大の状態で１６００バールの範囲内、にもたらされなければならない。エンジンの排気ガスによる公害に適用する現行の規則は、噴射器への燃料供給圧が、電子中央制御ユニットマップに対して出来る限り正確に復元可能であるべきと、要請している。調節された圧力に関して共通のレール内の圧力変動は、共通のレールの容積が各々の噴射器によって燃焼サイクルごとに引き出される燃料の量の大きさの常態を超えている場合は制限され得る。しかし、このような共通のレールは常に嵩張っているためエンジンに収容することが難しい。

中央制御ユニットにマップで描かれているような共通のレール内の圧力を制御するため、共通のレールに向かうポンプ吐出導管に沿って電子装置によって制御されているバイパス・ソレノイドバルブをエンジンの多様な動作パラメータの１つの機能として取り付けることが提案されてきた。また、各々の噴射器と同期して作動するカムを用いることによってポンプ・エレメントを作動させることが提案されてきた。

この種の既知の装置において、各々のポンプ・エレメントは、最大値は各々の噴射器の最大値を下回る瞬間流量を有していて、それにより、各々の噴射の間、噴射燃料のほんの一部、約２０％がポンプによって通常供給され、残りは共通のレールによって供給される。したがって、この種の装置は適切なサイズの共通のレールを必然的に必要とする欠点を有している。更に、ポンプは常に最大流量で作動するが、一方バイパス・ソレノイドバルブは、噴射器によって引き出されるものを超えて余剰に汲み揚げられる燃料を単にタンクに排出するために設けられていて、結果として熱を放散する。

性能を最も効果的にする、またポンプと噴射器の間の燃料容積だめを最小化することによって高い信頼性がある、また既知の装置の欠点を取り除いている、燃料噴射システムを提供することが本発明の目的である。

本発明に準拠して、請求項１に記載しているように内燃エンジン用燃料噴射システムを提供している。より具体的には、流れを制御する装置は、最大瞬間流量は各々の噴射器の最大流量を上回るポンプ・エレメントの吸入導管に沿ってオン／オフ切り替えソレノイドバルブを備えている。そして、前記ソレノイドバルブはチョッパー制御装置によって吸入行程と同期して制御される。

前記チョッパー制御装置は、オン／オフ切り替えソレノイドバルブのパルス幅変調制御方式のために、ソレノイドバルブの開放瞬間と閉鎖瞬間両者を調整することによって圧縮室に送られる燃料の量を制御できるように、ポンプ・エレメントの吸入開始瞬間と終了瞬間とを提供する。

本発明では、前記容積だめ（６）からの吐出は、前記噴射器（５）からの噴射とほぼ同時に起こることが好ましい。

本発明はまた、請求項８に記載しているように、複数の燃料噴射器のために容積だめの中の燃料圧力を制御する方法に関する。

本発明の複数の好ましい、制限されない実施形態を添付図面に関して例証として記述する。

図１の符号１は、複数の、例えば４つのシリンダ３を備えているエンジン２、例えば、デイーゼルエンジンを有している内燃エンジンのための共通のレール方式燃料噴射システムを、全体的に示している。このエンジンは、ドライブシャフト４を回転させるために対応するピストン（ここには示されてない）と協力する。共通の噴射システム１は、高圧燃料をシリンダ３に噴射するために電気的に制御される複数の噴射器５を備えている。これら噴射器５は、１つ以上の噴射器５のために所望の容積の容積だめ６に接続されている。

図１の実施形態において、前記容積だめ（ｓｔｏｒａｇｅ ｖｏｌｕｍｅ） は、噴射器５が全て結合されている共通のレール（ｃｏｍｍｏｎ ｒａｉｌ）６によって形成されている。この共通のレール６には、又全体とし７で示された高圧ポンプによって高圧吐出導管８に沿って高圧燃料が供給される。容積だめは又、噴射器５へのポンプ吐出導管８の中に分布されることができる。

前記高圧ポンプ７には、低圧ポンプ、例えば電動ポンプ９によって低圧燃料吸入導管１０に沿って供給される。この電動ポンプ９は、通常、噴射システム１の余剰燃料排出導管１２に接続している燃料タンク１１の中に配置されている。この排出導管１２は、噴射器５によって排出される余剰燃料と、ソレノイド調整バルブ１５によって規定されている圧力を超える時に、共通のレール６によって排出される全ての余剰燃料とをタンク１１に排出する。ポンプ７の吐出を制御するために、少なくとも１つのオン／オフ切り替えソレノイドバルブ２７を備えた調整装置が、電動ポンプ９と高圧ポンプ７との間に配置されている。

タンク１１内の燃料は、大気圧の状態にある。実際の運用において、電動ポンプ９は、燃料を、例えば約２ないし３バールの低い圧力まで圧縮し、高圧ポンプ７は、吐出導管８に沿って共通のレール６に、例えば１６００バールの高圧燃料を供給するために、吸入導管１０から注入されてくる燃料を圧縮する。各々の噴射器５は、エンジン２の中央マイクロコンピュータ処理制御装置によって規定され得る電子制御ユニット１６の制御のもとで、対応するシリンダ３に可変量、即ち最低値と最高値との間の範囲の燃料を射出するように駆動される。 前記制御装置１６は、対応するセンサーによって検知される加速ペダルの位置並びにドライブシャフト４の回転速度等のエンジンの動作状態と、圧力センサー１７で検知される共通のレール６内の燃料圧力を示すシグナルを受ける。そして、この制御装置１６は、入ってくるシグナルを特別なプログラムを用いていつ又どのくらいの間、個々の噴射器５並びにソレノイド調整バルブ１５が、動作されるべきかを制御するためのデータ処理を行う。

前記高圧ポンプ７は、ピストン２１が中で摺動する圧縮室２０を持つシリンダ１９によって個々に規定されている１つ以上のレシプロ・ポンプ・エレメント１８を有している。この圧縮室２０は、吸入導管１０に吸入バルブ２５を介して連通し、また、吐出バルブ３０を介して吐出導管８に連通している。前記ピストン２１は、シャフト２３に取り付けられているカム手段２２によって、後に詳細に説明する吸入行程と圧縮または吐出行程とを有するレシプロ・シヌソイド動をする。

図１の実施の形態、即ち、カム２２によって制御される２つのポンプ・エレメント１８を備え、シャフト２３の各回転毎に各ポンプ・エレメント１８による圧縮行程を生じさせるポンプ７において、前記シャフト２３は、トランスミッション装置２６によってドライブシャフト４に接続されている。この結果、個々のシリンダ３中への噴射器５による各々の噴射のための圧縮行程が実行される。したがって、４―サイクルエンジン２においては、ポンプ７のシャフト２３の回転速度は、エンジン２のシャフト４の回転速度に等しい（伝達率＝１）。このシャフト２３は、エンジン２の他の装置もまた動作させるためのシャフトによって形成されることができる。

４つ以上のシリンダを備えたエンジンにおいて、ポンプ７は、共通のカムによって駆動され得る複数のポンプ・エレメント１８を、通常有している。図１の実施形態において、このポンプ７は、共通のカム２２によって駆動される２つの径方向に対向したポンプ・エレメント１８を有している。

図３のグラフにおいて、Ｘ軸は、ポンプ・エレメント１８の吸入行程Ｐｓ−Ｐｉと圧縮行程Ｐｉ−Ｐｓとを示している。ポンプ・エレメント１８の速度は、シヌソイド曲線２４で示されており、これは、したがってオン／オフ切り替えソレノイドバルブ２７がないときのポンプ・エレメント１８の瞬間流量Ｑをも又表している。かくして、曲線２４で範囲が定められているエリアは、各ポンプ行程のための最大燃料吸入／吐出量を表している。

個々のシリンダ３中への各々の噴射のための噴射器５の動作は、長方形Ｉ０ＡＢＩ１で表されている。この長方形Ｉ０ＡＢＩ１の底辺は、Ｘ軸上でスタート地点Ｉ０と終点Ｉ１との間の区分であり、また、これの高さは、噴射器５の瞬間流量（ここではコンスタント）を示している。従って、この長方形Ｉ０ＡＢＩ１のエリアは、噴射の工程での噴射器５により吐出される燃料の量を表している。この燃料の量は、持続吐出期間において、地点Ｉ０ とＩ_１の位置を変えることと、噴射器の瞬間流量、即ち、例えば共通のレール６内の燃料圧を変えることにより長方形Ｉ０ＡＢＩ１の高さを変えることとの両方により、変化する。

既知の技術において、図４のグラフに示されているように、噴射の間にポンプによって容量だめ（共通のレール）に吐出される燃料Ｉ０ＤＣＩ１の量は、噴射器５から噴射される燃料流の最大流量のほんのわずかな量、例えば約２０％、である。このために、エンジン２に最大負荷状態においては、ＡＢＣＤで囲まれた残りの量は、即ち噴射され燃料の量の８０％は、共通のレール６に貯めてある燃料よって供給されなければならない。したがって、この共通のレール６の容積は、各噴射の間、共通のレール内の燃料の過度の圧力降下を回避することを考慮しなければならない。したがって、燃料の８０％が、前の噴射の終了時点と、例えばポンプが継続的に最大流量で作動する３つのポンプ・エレメントを有している図４に示された噴射の開始時点、との間の時の経過中に、ポンプ・エレメント１８による更なる吐出により、共通のレール６に供給されなければならない。

本発明に係われば、ポンプ・エレメント１８の最大瞬間流量は、各々の噴射器５の最大流量よりも大きく、噴射器５の最大流量の１５０％と２５０％との間の範囲内にある。

前記ポンプ・エレメント１８の圧縮行程Ｐｉ−Ｐｓは、噴射器５による噴射と同期してなされる。そして、オン／オフ切り替えソレノイドバルブ２７は、効果的には対応するソフトウエアを利用して制御装置１６によりチョッパー制御される。吸入行程Ｐｓ−Ｐｉの間、この制御装置１６は、オン／オフ切り替えソレノイドバルブ２７を開成、即ち吸入開始瞬間Ｔ_２と閉成、即ち吸入終了瞬間Ｔ３との間で制御する。具体的には、この制御装置１６は、ソレノイドバルブ２７を、パルス幅変調（ＰＷＭ）方式の論理シグナルによって、ポンプ７のシャフト２３の回転速度に関連する周波数で、制御する。吸入行程Ｐｓ−Ｐｉの間、オン／オフ切り替えバルブ２７は、Ｔ２−Ｔ３の間隔で、所定の量Ｔ２Ｔ３ＮＰの燃料を圧縮室２０中に送る。この量を示すエリアＴ２Ｔ３ＮＰは、図３に示すエリアＴ０ＨＰＳと等しく、間隔Ｔ２−Ｔ３の時間位置と幅との両方の関数として変化し、電動ポンプ９によって生じヘッドに比例する。

吸引バルブ２５が、これのばねによって閉鎖されて吸引工程Ｐｓ−Ｐｉが終了とすぐに、気相と液相との両方の燃料が、圧縮室２０中に存在している。圧縮行程Ｐｉ−Ｐｓの最初の部分Ｐｉ−Ｔｏの間、吐出バルブ３０は、前に導入された気体の燃料の圧縮性により、閉塞されたままになっており、気相の燃料はもはや存在せず、液相の燃料の圧力が吐出導管８内の燃料圧よりも大きくなったときに、瞬間Ｔｏで開く。

したがって、前記ポンプ７は、各ポンプ・エレメント１８の圧縮行程の部分Ｔｏ−Ｔ１の間は、吐出するだけである。圧縮行程Ｐｉ−Ｔｏの初期の部分での気体を圧縮するようなポンプ・エレメント１８によって行われる作用は、無視できるので、ポンプ７のエネルギーの消費は非常に少ない。かくして、吸入行程の間にオン／オフ切り替えソレノイドバルブ２７によって導入される燃料の量Ｔ２Ｔ３ＮＰは、吐出開始瞬間Ｔｏを明瞭に規定し、また、エンジン２の動作状態の、即ち噴射器５によって要求される流量の関数として選択されている。 したがって、前記制御装置１６は、吐出開始瞬間Ｔｏを明瞭に規定する流体の量（図３におけるＴ２Ｔ３ＮＰのエリア）を圧縮室２０中に供給するように、ポンプ・エレメント１８の吐出をチョッパー調節し、かつ吸入開始瞬間Ｔ２と吸入終了瞬間Ｔ３との両方を調節することによってソレノイドバルブ２７の開成を制御する。従って、前記吐出導管８（図３におけるエリアＴｏＨＴ１）に供給される流体の量は、対応する噴射（図３におけるエリアＩｏＡＢＩ１）で噴射器５によって噴射される燃料より僅かに多い。かくして、共通のレール６は、噴射の間、最少量の燃料（図３におけるエリアＤＢＣ）を供給するだけでよく、この結果、共通のレール６の小さな容積にも拘わらず、この中の圧力は、ほとんど一定である。共通のレールから吐出される燃料は、同じ噴射の間に、ほとんど全部が同時に取り替えられるので、共通のレール６は、小さく、即ち、高圧導管８と同じ容積に形成されることが可能である。

具体的には、替えソレノイドバルブ２７の開成瞬間Ｔ２と閉成瞬間Ｔ３とは、ポンプ・エレメント１８の吸入行程内の２つの中間地点に対応し、また、効果的には、ポンプ・エレメント１８が最高速度、かくして、圧縮室２０内の圧力降下が最大である瞬間Ｔ４に対して重心となる。一方、吐出開始瞬間Ｔｏは、噴射開始瞬間Ｉｏのわずか前であり、この結果、エリアＴｏＨＤＡＩｏがエリアＤＢＣにほぼ等しい、ポンプ・エレメント１８の圧縮行程内の中間地点に対応する。

図２の実施形態において、前記２つのポンプ・エレメント１８は、横方向に一列に配設されており、シャフト２３に対して径方向に対向した位置に固定されている２つのカム２２によって駆動される。また、オン／オフ切り替えソレノイドバルブ２７は、両方のポンプ・エレメントに共通な吸入導管１０の一部３１に再び取り付けられている。

かくして、上述した噴射システムは、燃料が、圧縮行程を行う少なくとも１つのレシプロ・ポンプ・エレメント１８によって供給される、容積だめ６内の燃料の圧力を制御する方法を提供する。この方法は、 各噴射器５による噴射の最大瞬間流を上回る最大瞬間流をポンプ・エレメント１８に与える工程と、
前記ポンプ・エレメント１８の吸入導管１０に沿ってオン／オフ切り替えソレノイドバルブ２７を与える工程と、
前記噴射と同期してポンプ・エレメント１８を駆動する工程と、
吐出開始瞬間Ｔｏを明瞭に規定している所定の量の燃料を供給するように、ポンプ・エレメント１８の吸入行程の間に、前記オン／オフ切り替えソレノイドバルブ２７を制御する工程とを具備することを特徴としている。

各噴射時に各々の噴射器５に共通のレール６によって供給される燃料の量は、かくして減じさられ。

既知のシステムと比較して、本発明に係わる噴射システムの効果は、今までの記述で明白である。特に、共通のレール６は、エンジン・コンパートメントにおける噴射システムのレイアウトに関係して明白な利点を有して、非常に小型に作られているかもしくは省略さえされる。

図１並びに２を参照して説明された噴射システムに対して更なる変更が、請求の範囲を逸脱せずに、加え得ることは明らかである。例えば、ポンプ７の各々のポンプ・エレメント１８には、関連する吸入導管に固有のオン／オフ切り替えソレノイドバルブ２７が設けられることができ、また、瞬間Ｔ２−Ｔ３が、吸入行程Ｐｓ−Ｐｉ内のどの地点にも設定することができ、また、オン／オフ切り替えソレノイドバルブ２７は、１つのポンプ・エレメント１８により形成されることができるポンプ７に一体的に形成されることができ、そして、ポンプ７は、３つ以上のラデイアルポンプ・エレメントを備えたポンプによって形成されることさえでき、また４―シンリンダ・エンジン以外でも利用され得る。

本発明に係わる共通のレール式燃料噴射システムの図である。 本発明に係わる噴射システムの変形例の詳細な図である。 図１及び図２の噴射システムの動作グラフである。 既知の噴射システムの動作グラフである。

Claims (8)

1. 複数のシリンダ（３）を有する内燃エンジンのための容積だめの燃料噴射システムであって、この噴射システムは、容積だめ（６）に高圧燃料を供給するためのポンプ（７）と、この容積だめ（６）からの吐出により燃料が供給される複数の噴射器（５）とを具備し、これら噴射器の各々は、エンジン（２）の対応するシリンダ（３）の中への加圧燃料の噴射を果たすように駆動され、この噴射の燃料流は、エンジン（２）の動作状態に応じて最大加圧燃料流を含み、前記ポンプ（７）は、前記噴射の各々に対して吸入行程（Ｐｓ−Ｐｉ）と圧縮行程（Ｐｉ−Ｐｓ）とを行わせる少なくとも１つのレシプロ・ポンプ・エレメント（１８）を有し、前記レシプロ・ポンプ・エレメント（１８）は、前記容積だめ（６）に接続された吐出導管（８）に吐出バルブ（３０）を介して接続され、吸入導管（１０）に吸入バルブ（２５）を介して接続された圧縮室（２０）を有し、
   また、制御装置（２７）が、前記ポンプ（７）によって容積だめ（６）に供給される燃料の量を変えるために設けられている、噴射システムにおいて、
   前記ポンプ・エレメント（１８）の圧縮行程（Ｐｉ−Ｐｓ）は、前記噴射器（５）による噴射と同期してなされ、
   前記ポンプ・エレメント（１８）から前記容積だめへの燃料流は、前記噴射器（５）の各々の最大流の１５０％と２５０％との間の範囲内にある最大瞬間流を含んでおり、また、前記制御装置は、前記ポンプ・エレメント（１８）の前記吸入導管（１０）に配置されたオン／オフ切り替えソレノイドバルブ（２７）を有し、
   このオン／オフ切り替えソレノイドバルブ（２７）は、前記吸入行程（Ｐｓ−Ｐｉ）の間に、前記オン／オフ切り替えソレノイドバルブ（２７）の開放瞬間（Ｔ２）と閉鎖瞬間（Ｔ３）とによって、あらかじめ決められた前記ポンプ（７）の回転速度のために規定されている所定量の燃料を前記ポンプ・エレメント（１８）の圧縮室（２０）中に導入させるように、チョッパー制御装置（１６）により、パルス幅変調方式（ＰＷＭ）で、前記吸入行程（Ｐｓ−Ｐｉ）と同期して制御される、
   前記所定量の燃料の量は、前記圧縮行程（Ｐｉ−Ｐｓ）における吐出開始瞬間（Ｔｏ）を規定しており、また、この所定量の燃料は、エンジン（２）の動作状態の１つの関数として選択され、そして、吐出終了瞬間（Ｔ１）は、前記圧縮行程（Ｐｉ−Ｐｓ）の終了時（Ｐｓ）と一致することを特徴とする、噴射システム。
2. 前記開放瞬間（Ｔ２）と閉鎖瞬間（Ｔ３）とは、ポンプ・エレメント（１８）が最高速度である瞬間Ｔ４に対して重心となることを特徴とする、請求項１に記載の噴射システム。
3. 前記容積だめ（６）からの吐出は、前記噴射器（５）からの噴射とほぼ同時に起こることを特徴とする、請求項１もしくは２に記載の噴射システム。
4. 前記ポンプ（７）は、各々が、共通の吸入導管（１０、３１）と連通している前記圧縮室（２０）を備えている少なくとも２つのポンプ・エレメント（１８）を有することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の噴射システム。
5. 前記少なくとも２つのポンプ・エレメント（１８）は、互いに同軸で相対しており、共通のカム（２２）によって駆動される２つのポンプ・エレメント（１８）であることを特徴とする、請求項５に記載の噴射システム。
6. 前記少なくとも２つのポンプ・エレメント（１８）は、互いに並列で、対応する少なくとも２つのカム（２２）によって夫々駆動されることを特徴とする、請求項４に記載の噴射システム。
7. 各ポンプ・エレメント（１８）は、対応する前記オン／オフ切り替えソレノイドバルブ（２７）に接続されており、また、各前記オン／オフ切り替えソレノイドバルブ（２７）は、関連するポンプ・エレメント（１８）の吸入導管に位置されていることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の噴射システム。
8. 内燃エンジン（２）の少なくとも１つの燃料噴射器（５）のために、容積だめ（６）の中の燃料の圧力を制御する方法であって、吸入導管（１０）と吐出導管（８）とに吸入バルブ（２５）と吐出バルブ（３０）とを夫々介して連通している圧縮室（２０）を有する少なくとも１つのレシプロ・ポンプ・エレメント（１８）によって前記容積だめ（６）に、吸入行程（Ｐｓ−Ｐｉ）と圧縮行程（Ｐｉ−Ｐｓ）とで燃料を、供給する方法において、
   前記噴射器（５）の最大流の１５０％と２５０％との間の範囲内にある最大瞬間流を含んだ燃料流を前記容積だめ（６）に供給するポンプ・エレメント（１８）を提供する工程と、
   前記ポンプ・エレメント（１８）の吸入導管にオン／オフ切り替えソレノイドバルブ（２７）を設ける工程と、
   前記ポンプ・エレメント（１８）を前記噴射器（５）からの噴射の各々と同期してオン／オフ切り替えソレノイドバルブ（２７）を駆動し、吸入行程の間ポンプ圧縮室（２０）に導入される燃料の量を、かくして、前記ポンプ・エレメント（１８）の吐出開始瞬間（Ｔｏ）を調節するように前記オン／オフ切り替えソレノイドバルブ（２７）を制御する工程とを具備し、
   前記ポンプ・エレメント（１８）の圧縮行程（Ｐｉ−Ｐｓ）は、前記噴射器（５）による噴射と同期してなされ、
   前記オン／オフ切り替えソレノイドバルブ（２７）は、開放瞬間（Ｔ２）と閉鎖瞬間（Ｔ３）とを有するようにパルス幅変調方式（ＰＷＭ）で制御され、また、前記オン／オフ切り替えソレノイドバルブ（２７）は、前記噴射と同期して制御され、
   前記調節される燃料の量は、前記圧縮行程（Ｐｉ−Ｐｓ）における吐出開始瞬間（Ｔｏ）を規定しており、また、この所定量の燃料は、エンジン（２）の動作状態の１つの関数として選択され、そして、吐出終了瞬間（Ｔ１）は、前記圧縮行程（Ｐｉ−Ｐｓ）の終了時（Ｐｓ）と一致することを特徴とする、方法。

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