JP6829003B2 - 入口弁の良好な液圧シールを備える直接噴射システム用の燃料ポンプ - Google Patents

入口弁の良好な液圧シールを備える直接噴射システム用の燃料ポンプ Download PDF

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Description

本発明は、直接噴射システム用の燃料ポンプに関するものであり、この直接噴射システムは、ガソリン又は同様の燃料で作動する火花点火式内燃機関に使用されることが好ましい。
直接噴射システムは、複数のインジェクターと、加圧された燃料をインジェクターへ供給するコモンレールと、高圧供給ラインによってコモンレールへ燃料を供給し流量調節装置を備える高圧ポンプと、コモンレール内部の燃料圧力を所望の値に等しくするように流量調節装置を制御する制御ユニットと、を備え、所望の値は、通常、エンジンの作動条件に応じてその時々に変動する。
特許文献1において説明される高圧燃料ポンプは、ピストンがその中で前後に滑動するポンピングチャンバーと、低圧燃料をポンピングチャンバーへ供給するために入口弁によって調整される入口管と、ポンピングチャンバーから供給ラインに沿ってコモンレールへ高圧燃料を供給するために出口弁によって調整される出口管と、を備える。
入口弁は、通常、圧力制御され、外部干渉がない場合、ポンピングチャンバーにおける燃料圧力が入口流路における燃料圧力より高いとき閉鎖され、ポンピングチャンバーにおける燃料圧力が入口流路における燃料圧力より低いとき開放される。流量調節装置は、機械的に入口弁に結合され、必要な場合、入口弁を、ピストンの圧送工程中、開放したままにし、燃料が入口流路を通ってポンピングチャンバーから流出できるようにする。特に、流量調節装置は制御棒を備え、制御棒は、入口弁に結合されて、入口弁を閉鎖できるようにする受動位置と入口弁が閉鎖するのを防止する能動位置との間で動くことができる。流量調節装置は、更に電磁アクチュエーターを備え、電磁アクチュエーターは、制御棒を能動位置と受動位置との間で動かすように制御棒に結合される。電磁アクチュエーターは、制御棒を能動位置に保持するばねと、制御棒を受動位置へ動かすように設計された電磁石と、を備え、電磁石は、制御棒と一体の強磁性アンカーを、固定された磁気アーマチュアに向かって磁力で引き寄せることによって、制御棒を受動位置へ動かす。
最近、自動車製造者は、400〜500バールより高いガソリン噴射圧力(最高で800バール)で作動し、従ってこのような圧力で燃料を圧送できる高圧燃料ポンプを必要とする、新規のガソリン式内燃機関の設計を開始している。しかし、特許文献1において説明される高圧燃料ポンプは、このような高圧で燃料を圧送できない。特に、圧力増加に関して高圧燃料ポンプの最も重要な構成要素の1つは、入口弁であり、入口弁は、入口流路の内部においてポンピングチャンバーに近接して溶接された比較的大きい直径を有するディスクを持つ。ポンプ圧力が増加するとき入口弁のディスクを押圧する液圧も増加するので、ディスクは、入口流路から離脱する可能性がある。ディスクが入口流路の入口弁から離脱するリスクを取り除くために、ディスクを入口流路に接続する溶接の質を改良することが提案された。しかし、この解決法は、複雑かつ非常に高価な溶接技術を必要とする。更に、入口流路の入口弁からのディスクの離脱のリスクを取り除くために、ディスクの直径を減少させることが提案された。しかし、この解決法は、燃料が入口弁を通過して流れるとき、燃料の流れの抵抗を増加させ、入口弁の動的性能を悪化させる。
ディスクが入口流路の入口弁から離脱する危険性を取り除くために、特許文献2は、ねじ切りされ、入口弁自体に突き当たるように入口弁のハウジング部の中へねじ込まれる、環状ロック・リングナットの使用を提案する。入口弁を所定の位置に維持するようにねじ込まれる、ねじ切りされたロック・リングナットの使用は、特許文献3において説明される燃料ポンプ及び特許文献4において説明される燃料ポンプにおいても開示されている。
特許文献2が提案する解決法において、入口弁の液圧シールは、入口弁のディスクと入口流路のハウジング部との間の密着(力を加えることによる機械的な作用によって得られる)によって確保される。しかし、燃料圧力が600〜700バールを上回るとき、入口弁の液圧シールに問題が生じる可能性がある。即ち、入口弁が閉じたとき、燃料漏れが生じる可能性がある。
欧州特許出願第2236809A1号公報 イタリア特許出願第BO2014A000261号公報 独国特許出願第102009000859号公報 独国特許出願第102013210019号公報
本発明の目的は、高圧で燃料を圧送でき、同時に製造が容易かつ安価な、直接噴射システム用の燃料ポンプを提供することである。
本発明によれば、添付の請求項による直接噴射システム用の燃料ポンプが提供される。
本発明について、その非限定的実施形態を示す添付図面を参照して、説明する。
コモンレール式燃料直接噴射システムの概略図であり、図をより明瞭にするためにいくつかの細部を取り除いた。 図1の直接噴射システムの高圧燃料ポンプの縦断面図であり、より明瞭にするためにいくつかの細部を取り除いた概略図である。 図2の高圧燃料ポンプの断面図であり、より明瞭にするためにいくつかの細部を取り除いた概略図である。 入口弁を示す図2の細部の拡大図である。 図4の入口弁の変形可能薄板(lamina)の平面図である。
図1において、番号1は全体として内燃機関用のコモンレール式燃料直接噴射システムを示す。
直接噴射システム1は、複数のインジェクター2と、インジェクター2へ加圧された燃料を供給するコモンレール3と、供給ライン5によってコモンレール3へ燃料を供給し、流量調節装置6を備える高圧ポンプ4と、コモンレール3の内部の燃料圧力を所望の値(この値は、通常、エンジン作動条件に応じて刻々変動する)、に等しくする制御ユニット7と、供給ライン10によってタンク9から高圧ポンプ4へ燃料を供給する低圧ポンプ8と、を備える。
制御ユニット7は、高圧ポンプの流量を制御して、コモンレールにおいて所望の圧力値を得るために必要な量の燃料をそのときどきにコモンレール3に供給するように、流量調節装置6に結合される。特に、制御ユニット7は、フィードバック制御によって高圧ポンプの流量を調節する。フィードバック制御は、フィードバック変数として、コモンレール3内部の燃料圧力値を使用し、圧力値は、圧力センサー11によってリアルタイムに検出される。
図2に示すように、高圧ポンプ4は、長手方向の軸13を有し、内部において円筒形のポンピングチャンバー14を形成する本体12を備える。ピストン15は、ポンピングチャンバー14内部に取り付けられて、ポンピングチャンバー内部で滑動し、ピストンが長手方向の軸13に沿って前後に滑動するとき、ポンピングチャンバー14の容積の周期的変化を生じる。ピストン15の下部は、一方において、ばね16に結合され、ばね16は、ピストン15を、ポンピングチャンバー14の最大容積を生じる位置へ押し、ピストン15の下部は、他方において、偏心器(図示せず)に結合され、偏心器は、エンジンの駆動軸によって回転させられて、周期的にピストン15を上向きに動かして、ばね16を圧縮する。
入口流路17は、ポンピングチャンバー14の側壁を起点とし、入口流路17は、供給ライン10によって低圧ポンプ8に接続され、入口弁18によって調整される。入口弁18は、ポンピングチャンバー14の領域に配置される。入口弁18は、通常、圧力制御され、外部干渉がない場合、ポンピングチャンバー14における燃料圧力が入口流路17における燃料圧力より高いとき閉鎖され、ポンピングチャンバー14における燃料圧力が入口流路17における燃料圧力より低いとき開放される。
図3によれば、出口流路19は、入口流路17に対して反対側のポンピングチャンバー14の側壁を起点とする。出口流路19は、供給ライン5によってコモンレール3に接続され、一方向出口弁20によって調整される。出口弁は、ポンピングチャンバー14の領域に配置され、燃料がポンピングチャンバー14から外へしか流れないようにする。出口弁20は、通常、圧力制御され、ポンピングチャンバー14における燃料圧力が出口流路19における燃料圧力より高いとき開放され、ポンピングチャンバー14における燃料圧力が出口流路19における燃料圧力より低いとき閉鎖される。
図2によれば、流量調節装置6は、入口弁18に機械的に結合され、制御ユニット7が、必要に応じて、ピストン15の圧送工程中、入口弁18を開放したままにして、燃料がポンピングチャンバー14から入口流路17を通過して流動できるようにする。流量調節装置は、制御棒21を備え、制御棒21は、入口弁18に結合されて、入口弁18が閉鎖できるようにする受動位置と入口弁18が閉鎖するのを防止する能動位置との間で動くことができる。流量調節装置6は、更に、電磁アクチュエーター22を備え、電磁アクチュエーターは、制御棒21を能動位置と受動位置との間で動かすように、制御棒21に結合される。
図3によれば、ドレン流路23は、ポンピングチャンバー14の側壁を起点とする。ドレン流路23は、ポンピングチャンバー14と出口流路19との間の流通を確立し、一方向最高圧力弁24によって調整される。最高圧力弁24は、燃料の、ポンピングチャンバー14への流入のみを許す。最高圧力弁24の機能は、コモンレール3における燃料圧力が設計段階で設定された最高値を上回った場合(典型的には、制御ユニット7による制御のエラーの場合)、燃料を逃がせるようにすることである。言い換えると、最高圧力弁24は、最高圧力弁24の端部での圧力降下が設計段階で決定された閾値より大きいときに、自動的に開くように較正され、コモンレール3における燃料圧力が設計段階で決定された閾値を上回るのを防止する。
図4によれば、入口弁18は、ディスク25を備え、ディスク25は、燃料が通過して流れることができる一連の供給貫通孔26を有し、更に、入口弁18は、円形の可撓性薄板27を備え、円形の可撓性薄板27は、ディスク25の基部に対して着座し、このようにして、入口弁18は、供給孔26を貫通する通路を閉鎖する。入口弁18は、通常、圧力制御され、外部干渉がない場合、ポンピングチャンバー14における燃料圧力が入口流路17における燃料圧力より高いとき閉鎖され、ポンピングチャンバー14における燃料圧力が入口流路17における燃料圧力より低いとき開放される。特に、燃料がポンピングチャンバー14へ向かって流れるとき、薄板27は、燃料のスラスト力を受けて変形し、ディスク25から離れる方向へ動いて、燃料が供給孔26を通過して流れるようにする。他方、燃料がポンピングチャンバー14から流出するとき、薄板27は、ディスク25に押し付けられるので、供給孔26をシールし、これによって、燃料が供給孔26を通過して流れるのを防止する。能動位置において、制御棒21は、薄板27を押して、薄板がディスク25に付着するのを防止し、これによって供給孔26をシールするのを防止する。
入口弁18のディスク25は、入口流路17の中へ、ポンピングチャンバー14に接近して、挿入される。特に、入口流路17は、ハウジング部28を有し、ハウジング部28は、ポンピングチャンバー14に対して(非常に)接近して配置され、入口弁18のディスク25を受け入れて収納するような形状を持つ。特に、ハウジング部28は、環状アバットメント(annular abutment)29を有し、環状アバットメント29では、ハウジング部28の直径が減少し、入口弁18のディスク25は、環状アバットメントに対して着座している。言い換えると、入口弁18のディスク25の外縁は、入口流路17のハウジング部28の環状アバットメント29に対して着座している(即ち、突き当たっている)。
好ましい実施形態によれば、入口弁18のディスク25は、入口流路17のハウジング部28の中へ押し込まれる。即ち、入口弁18のディスク25は、力を加えられる(強制的に押される)ので、入口流路17のハウジング部28の中へ入って環状アバットメント29に突き当たって、部分的に変形する。
環状の(即ち燃料通過のための貫通孔を中心に持つ)ロック・リングナット30は、ねじ切りされ(即ち、外側にねじ山31を持ち)、入口流路17のハウジング部28の中へねじ込まれ(当然、ハウジング部28もロック・リングナット30のねじ山に対応するねじ山を持つ)、ハウジング部28の環状アバットメント29とは反対側の入口弁18のディスク25に突き当たるまで、ねじ込まれる。言い換えると、入口弁18のディスク25は、一方の側で、ハウジング部28の環状アバットメント29に突き当たり、他方の側で、ロック・リングナット30に突き当たる。従って、ロック・リングナット30の存在は、入口流路17のハウジング部28の内部において入口弁18のディスク25を拘束し、ディスク25自体が入口流路17のハウジング部28に対して動くのを防止する。
図5によれば、可撓性薄板27は、円形の外縁32を持ち、円形の外縁32を起点として3つの薄いステム33が延び、ステムは、中心に配置されたシャッター本体34を支持する。シャッター本体34は、6つの円形閉鎖ゾーンを有し、6つの円形閉鎖ゾーンは、各々、供給孔26の領域に配置されている。この6つの円形閉鎖ゾーンは、シャッター本体34の中心要素の周りに配置され、シャッター本体34の中心要素の上には、制御棒21が着座する。
燃料ポンプ4の正確な作動のために、入口弁18を確実に液圧シールする必要がある。即ち、入口弁18が閉鎖されたとき入口弁18のディスク25の外面と入口流路17のハウジング部28の内面との間の燃料の漏出を回避しなければならない。入口弁18の液圧シールは、ハウジング部28の環状アバットメント29の領域において、可撓性薄板27の外縁32と環状アバットメント29との間の当接によって確実にされる。
必要な液圧シールを得るために、ロック・リングナット30は、可撓性薄板27の外縁32のスラスト力により環状アバットメント29の可塑性変形が得られるのに充分な締付け力で締め付けられて(ねじ込まれて)、可撓性薄板27の外縁32と環状アバットメント29との間に完璧な接触(即ち、たとえ小さな隙間でも存在しない接触)を生じる。言い換えると、環状アバットメント29が、可撓性薄板27の外縁32の周りで可塑性変形するとき、環状アバットメント29と可撓性薄板27の外縁との間には完璧な接触(即ち、たとえ小さな隙間でも存在しない接触)がある。このようにして、どのようなタイプの漏出もなしに、非常に高い燃料圧力(1000バールを超えても)に耐えることができる最適の液圧シールが得られる。
好ましくは、可撓性薄板27は、環状アバットメント29が製造される金属材料より(即ち、入口流路17が作られる本体12を構成する材料より)大きい硬度の金属材料で作られる(入口流路17は、ハウジング部28を有し、ハウジング部28に沿って環状アバットメント29が配置される)。このようにして、ロック・リングナット30のスラスト力は、可撓性薄板27の外縁32を(著しくは)塑性変形させず、環状アバットメント29を塑性変形させる(このようにして、入口弁18の能動部を構成する可撓性薄板27の正確な作動に影響を与えないようにする)。
ロック・リングナット30は、入口弁18のディスク25に対して軸方向の圧縮力を与える。圧縮力は、ロック・リングナット30をハウジング部28にねじ込む際の締付け力によって生じ、入口弁18のディスク25と環状アバットメント29との間に配置される可撓性薄板27の外縁32を介して、環状アバットメント29に加えられる。環状アバットメント29が可撓性薄板27の外縁32の周りで確実に変形するようにするために、可撓性薄板27の外縁32によって環状アバットメント29に加えられる圧力は、環状アバットメント自体の変形抵抗を上回る必要がある(即ち、圧力は約900〜1100N/mm2の範囲でなければならない)。このために、一方で、ロック・リングナットがハウジング部28にねじ込まれる際の締付け力が、充分に大きく(例えば、ロック・リングナット30は約80〜100Nmのトルクで締めることができる)、他方で、可撓性薄板27の外縁32と環状アバットメント29との間の接触面全体が、充分に小さい必要がある。従って、製造者は、環状アバットメント29のための正しい金属材料、ハウジング部28にロック・リングナット30をねじ込むための正しい締付け力、及び可撓性薄板27の外縁32の正しいサイズ(接触面積)を適切に選択する必要がある。
さらに、入口弁18のディスク25は、環状アバットメント29を製造する際の金属材料より大きい硬度を持つ金属材料で製造しなければならない。このようにして、ロック・リングナット30のスラスト力は、環状アバットメント29のみを変形し(即ち、入口弁18のディスク25を変形しない)ので、必要な場所のみ、即ち製造者が最適の液圧シールを得られるようにする場所のみに、変形を集中させる。
ロック・リングナット30がねじ込まれるとき、ロック・リングナット30の回転は、好ましくは、入口弁18のディスク25の対応する回転が生じないようにもしなければならない。なぜなら、入口弁18のディスク25の回転は、可撓性薄板27の外縁32を環状アバットメント29上で滑動させ、この滑動は、可撓性薄板27の外縁32と環状アバットメント29との間の接触を悪化させる(従って、シール性を低下させる)。ロック・リングナット30のねじ込み運動によって入口弁18のディスク25の対応する回転が生じるのを防止するために、入口弁18のディスク25は、ロック・リングナット30を挿入する前に、入口流路17のハウジング部28の中へ押し込むことができる。このようにすれば、入口流路17のハウジング部28の中への、入口弁18のディスク25の押込みによって生じる力は、入口弁18のディスク25の回転を防ぐのに充分である。或いは、ロック・リングナット30のねじ込み運動が入口弁18のディスク25の対応する回転を生じないようにするために、ベアリングとして作用する中間要素を、ロック・リングナット30と入口弁18のディスク25との間に配置することができる。このようにして、ロック・リングナット30に対して与えられる締付けトルクは、中間要素によって止められるので、入口弁18のディスク25へは伝達されない。
上述の実施形態において、入口弁18の液圧シールは、入口弁18に対する環状アバットメント29の変形によって確保される(即ち、環状アバットメント29は入口弁18より柔軟であり、従って入口弁18のスラスト力によって変形する)。別の実施形態(本発明の内容の一部ではない)によれば、入口弁18の液圧シールは、環状アバットメント29に対する入口弁18の変形によって確保される(即ち、入口弁18は、環状アバットメント29より柔軟であり、したがって、入口弁18は、環状アバットメント29に押し付けられたとき変形する)。
入口弁18の液圧シールは、可撓性薄板27の外縁32の周りでの環状アバットメント29の変形によって確保される。他方、入口弁18の機械的シールは、ロック・リングナット30の存在によって確保される。ロック・リングナット30は、入口流路17のハウジング部の内部にねじ込まれるので、高い機械的な抵抗を保証する。その結果、液圧シール機能(環状アバットメント29と可撓性薄板27の外縁32との間の変形によって得られる)と機械的シール機能(ロック・リングナット30の作用によって得られる)とは、分離される。このようにして、簡単で安価な構造であっても、優れた液圧シールと優れた機械的シールとを、同時に得ることができる。
図2によれば、入口流路17は、供給ダクト10をポンピングチャンバー14に接続し、入口弁18(ポンピングチャンバー14の領域に配置される)によって調整され、本体12の内部の一部を構成する。入口流路17に沿って(入口弁18の下流に)、減衰装置(dampening device)35(コンペンセーター)が配置される。減衰装置は、低圧ブランチにおいて(即ち供給ダクト10に沿って)、燃料流量の脈動範囲を、従って燃料圧力の振動の範囲を、減少する機能を果たす。好ましくは、減衰装置35は、内側を本体の表面によって形成され、外側を本体12に固定された蓋によって形成されるチャンバーの中へ、挿入される。
フィルター36は、減衰装置35の下流に、管状体37の領域に配置され、供給ダクト10の端部が、管状体37に取り付けられる。
図3によれば、本体12は、管状体38に結合され、管状体38は、出口流路19の続きを構成し、供給ダクト5に接続されるように作られる。好ましい実施形態によれば、管状体38は、本体12の中へねじ込まれる。このようにして、管状体38と本体12との間の結合は、より大きい機械的抵抗を持つ。更に、供給ダクト5は、管状体38の外面にねじ込まれる。このようにして、管状体38と供給ダクト5との間の結合は、より大きい機械的抵抗を持つ。
図3に示す好ましい実施形態によれば、入口管17と出口管19とは、相互に平行ではなく、ポンピングチャンバー14の領域において一直線上にもない。即ち、ポンピングチャンバー14の領域において、入口管17は、出口管19との間に鈍角を形成する。この特徴は、入口弁18及び出口弁20を危険に曝すことなく排出管23がより大きい空間を持てるようにするので、特に、重要である。
上述の高圧ポンプ4は、多数の利点を持つ。
まず、上述の高圧ポンプ4は、600〜700バールよりも高い圧力で、燃料を圧送できる。また、この結果は、入口弁18が、高い液圧シールと高い機械的シールとを確実にする方法で、入口管17の中へ挿入される、という構成のおかげで得られるのである。特に、液圧シールは、可撓性薄板27の外縁32の周りで環状アバットメント29を変形させることによって、非常に簡単かつ安全な方法で、確実に行われる。
更に、上述の高圧ポンプ4は、可撓性薄板27の外縁32の周りでの環状アバットメント29の変形が、更なる構成要素無しで、関与する部品を適切なサイズにすることのみで得られるので、簡単かつ安価に製造できる。

Claims (8)

  1. コモンレール(3)を備える直接噴射システム(1)用の燃料ポンプ(4)であって、前記燃料ポンプ(4)が、
    本体(12)に形成された、ポンピングチャンバー(14)と、
    前記ポンピングチャンバー(14)の容積を周期的に変動させるように、前記ポンピングチャンバーの内部で滑動するように取り付けられる、ピストン(15)と、
    前記ポンピングチャンバー(14)の壁を起点とし、前記ポンピングチャンバー(14)の領域に配置されるハウジング部(28)を有する、入口流路(17)と、
    前記入口流路(17)の前記ハウジング部(28)の中へ挿入される、入口弁(18)と、
    前記ポンピングチャンバー(14)の壁を起点とする、出口流路(19)と、
    前記出口流路(19)に沿って前記ポンピングチャンバー(14)の領域に配置される、出口弁(20)と、
    ねじ切りされて、前記入口弁(18)に突き当たるように前記入口流路(17)の前記ハウジング部(28)の中へねじ込まれる、環状のロック・リングナット(30)と、
    を備え、
    前記入口流路(17)の前記ハウジング部(28)が、環状アバットメント(29)を有し、前記環状アバットメントでは、前記ハウジング部(28)の直径が減少し、前記環状アバットメントに、前記入口弁(18)が突き当たり
    記入口弁(18)が、前記環状アバットメント(29)が製造される金属材料より大きい硬度を有する金属材料で製造され、
    前記ロック・リングナット(30)が、前記入口弁(18)に向かって、前記環状アバットメント(29)を塑性変形させるのに充分な締付け力で、前記入口流路(17)の前記ハウジング部(28)の中へねじ込まれ
    前記入口弁(18)が、一方の側において、前記ハウジング部(28)の前記環状アバットメント(29)に突き当たり、他方の側において、前記ロック・リングナット(30)に突き当たる、
    ことを特徴とする、燃料ポンプ(4)。
  2. 前記入口弁(18)が、燃料が通過して流れることができる一連の貫通供給孔(26)を有するディスク(25)と、前記ディスク(25)の基部に対して着座して前記供給孔(26)を貫通する通路を閉鎖する可撓性薄板(27)と、を備え、
    前記可撓性薄板(27)が、円形の外縁(32)を備え、前記円形の外縁(32)が、前記環状アバットメント(29)に対して着座し、前記環状アバットメント(29)の塑性変形を生じさせる、
    請求項1に記載の燃料ポンプ(4)。
  3. 前記可撓性薄板(27)が、前記環状アバットメント(29)が製造される金属材料より大きい硬度を有する金属材料で製造される、
    請求項2に記載の燃料ポンプ(4)。
  4. 前記入口弁(18)の前記ディスク(25)が、前記環状アバットメント(29)が製造される金属材料より大きい硬度を有する金属材料で製造される、
    請求項2又は3に記載の燃料ポンプ(4)。
  5. 前記可撓性薄板(27)が、前記外縁(32)を起点とする一連の薄いステム(33)と、前記ステム(33)によって支持されるシャッター本体(34)と、を備える、
    請求項2又は3又は4に記載の燃料ポンプ(4)。
  6. ベアリングとして作用する中間要素が、前記ロック・リングナット(30)と前記入口弁(18)との間に配置される、
    請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料ポンプ(4)。
  7. 前記入口弁(18)が、前記入口流路(17)の前記ハウジング部(28)の中へ押し込まれる、
    請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料ポンプ(4)。
  8. 前記ロック・リングナット(30)が、前記環状アバットメント(29)に対して反対側において、前記入口弁(18)に突き当たる、
    請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料ポンプ(4)。
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