(57)【要約】  エンジン管理システム（ＥＭＳ）（６）と、燃料供給ポンプ（２）と、戻り管（１３）と、共通レール（４）に加圧燃料を供給する高圧ポンプ（３）と、該共通レール（４）に接続された流出室９と制御室（１０）とを形成する油圧式バルブ（７）であって、閉位置において該バルブが該流出室（９）からの流出を防止するように設計されたバルブ（７）と、電気式パイロットバルブ（１２）とを包含する、内燃システムのための燃料噴射システム。前記油圧式バルブ（７）の流出部の圧力が弾性手段（１８）の力を超越してノズル（８）を開口させようとするように、該ノズルを閉口へ付勢する弾性手段（１８）を備えるノズル（８）が該油圧式バルブ（７）の該流出部に接続される。前記油圧式バルブ（７）の前記流出部と前記戻り管（１３）との間に電気式スピルバルブ（１９）が接続される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン管理システム（ＥＭＳ）（６）と、燃料供給ポンプ（２）と、戻り管（１３）と、共通レール（４）に加圧燃料を供給する高圧ポンプ（３）と、該共通レール（４）に接続された流出室９と制御室（１０）とを形成する油圧式バルブ（７）であって、閉位置において該バルブが該流出室（９）からの流出を防止するように設計されたバルブ（７）と、該油圧式バルブ（７）の位置を制御するのに適した電気式パイロットバルブ（１２）とを包含する、内燃システムのための燃料噴射システムにおいて、
前記油圧式バルブ（７）の流出部の圧力が弾性手段（１８）の力を超越してノズル（８）を開口させようとするように、該ノズルを閉口へ付勢する弾性手段（１８）を備えるノズル（８）が該油圧式バルブ（７）の該流出部に接続されることと、
前記油圧式バルブ（７）の前記流出部と前記戻り管（１３）との間に電気式スピルバルブ（１９）が接続されることと、
を特徴とする燃料噴射システム。
【請求項２】
前記電気式パイロットバルブ（１２）が、前記制御室（１０）を前記共通レール（４）と前記戻り管（１３）のいずれかに交互に接続できる三方バルブであることを特徴とする、請求項１に記載の燃料噴射システム。
【請求項３】
前記制御室（１０）が縮径部（２１）を介して前記共通レール（４）に接続され、前記電気式パイロットバルブ（１２）が、該制御室（１０）を前記戻り管（１３）へ接続できる二方バルブであって、該パイロットバルブ（１２）の開位置において、該制御室（１０）の圧力が低下して前記流出室（９）の圧力により該バルブを開口させるように、該縮径部（２１）と該開口パイロットバルブ（１２）の流路面積が選択されることを特徴とする、
請求項１に記載の燃料噴射システム。
【請求項４】
前記油圧式バルブ（７）が、該バルブ（７）が開位置にある時に前記制御室（１０）と前記パイロットバルブ（１２）との間の接続を閉鎖するのに適していることを特徴とする、請求項３に記載の燃料噴射システム。
【請求項５】
前記油圧式バルブ（７）を閉位置へ付勢する弾性手段（１１）が設けられることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一つに記載の燃料噴射システム。
【請求項６】
ポペット（１７）の一部に作用する前記ノズルの圧力が前記弾性手段（１８）の力および該ノズルの外側の背圧を超越して、該ポペット（１７）を備えるバルブステム（１５）を前記エンジン燃焼室の方向に外側へ移動させることにより該ノズルを開放するように設計されたポペット（１７）を備えるバルブステム（１５）を該ノズル（８）が具備することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一つに記載の燃料噴射システム。
【請求項７】
ニードル（２３）の一部に作用する圧力室（２５）の圧力が前記弾性手段（１８）の力を超越して、前記エンジンの前記燃焼室から離間する方向に該ニードル（２３）を移動させることにより該ノズルを開放できるように設計された、該ノズルの流入部およびばね室（２６）と連通する圧力室（２５）を形成するガイド（２４）を備えるニードル（２３）を該ノズル（８）が具備し、さらに、該ばね室（２６）が前記戻り管（１３）に接続されることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一つに記載の燃料噴射システム。
【請求項８】
前記ばね室（２６）が圧力調整器（２７）に接続されることを特徴とする、請求項７に記載の燃料噴射システム。
【請求項９】
前記圧力調整器（２７）が前記ＥＭＳ（６）により電子的に制御されることを特徴とする、請求項８に記載の燃料噴射システム。
【請求項１０】
前記ノズル（８）の上流に油圧ディファレンシャルバルブ（１４）が設置され、該バルブ（１４）の上流の圧力が作動エンジンに特徴的である供給圧力を下回る時に閉鎖されるように、そして該バルブ（１４）の上流の圧力が作動エンジンに特徴的である供給圧力であるか該供給圧力を上回る時に開口するように、該バルブ（１４）が設計されることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか一つに記載の燃料噴射システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃エンジンのための燃料噴射システム、詳しくは、圧縮点火エンジンへのジメチルエーテル（ＤＭＥ）などの低粘度燃料の噴射に適したシステムに関連する。
【背景技術】
【０００２】
一部の低粘度燃料噴射システムは、複数の噴射器に共通する圧力容器つまりレールに単一のポンプにより燃料が圧縮されて共通レールと噴射器との間に設けられた電気式バルブによって噴射が制御されるというディーゼル燃料のための周知の高圧共通レールシステムの原理に従って設計されている。各噴射のための噴射エネルギーを発生および制御するプロセスは時間で区切られ、そのため同時に発生する際ほど互いに入り組んではいないなどのため、この種の噴射システムは、ポンプ・ライン・ノズルまたはユニット噴射器の原理に基づく噴射システムよりも、ＤＭＥの性質に典型的である多様な圧力と温度に依存する性質を持つ燃料に適している。本発明の主題は、低粘度燃料を内燃エンジンへ噴射するための共通レール燃料噴射システムである。
【０００３】
先行技術による噴射システムの一例が米国特許第６，１８９，５１７号（特許文献１）に開示されている。
【０００４】
共通レール噴射システムが低粘度燃料に使用に合わせて設計される時に生じる技術的問題点の一つは、ＤＭＥなどの低粘度燃料の比較的低い比エネルギーのため、所与のエンジン動力を得るために噴射器と制御バルブとへ送られる量が比較的多いことである。こうしてバルブには比較的広い被制御エリアが必要となり、これは通常、全体寸法が小さい、反応時間が短い、噴射システムの制御および静止時漏出が少ないという要件と矛盾する。特許文献１の先行技術噴射システムでは、ＤＭＥの低粘度のために起こり得る、閉鎖ノズルを介したエンジンへの燃料の無制御噴射および漏出を回避するために電気式バルブの下流側を戻り管へ接続する面積の狭い通路の使用により、漏出問題が一層悪化している。噴射ノズルを圧力源と戻り管とへ交互に接続できるように電気式バルブが三方スプールタイプであるこの設計の改善が、後に開示されている。このような三方スプールバルブは、特許文献１に記載された先行技術システムに存在する噴射事象中の寄生的漏出の問題を部分的に解決するが、スプールバルブの間隙を介した漏出を引き起こす。このような漏出は、従来のディーゼル燃料噴射システムにおいても、油圧効率および制御自在性にマイナスの影響を与えることが分かっている。ＤＭＥの粘度はおよそ１０倍低いため、ほぼ同じ程度の漏出率の上昇をもたらすであろう。漏出を制限するためスプールの間隙を狭くことは、これがすでに最小に近いためと、低粘度燃料は潤滑性に乏しくて密着スプールでの閉塞の危険性を非常に高めるために、技術的に容易でない。
【０００５】
これに対して考えられる解決法は、許容範囲の漏出を保証する比較的長い精度一致ガイドにより圧縮量が隔離される、２個のテーパ状または平坦シートを備える三方油圧不均衡バルブである。このようなバルブの基本的設計は当該技術では周知であり、例えば欧州特許出願公開第１１２０５６３号明細書（特許文献２）に開示されているように比較的少量のパイロットフローを制御するのに燃料噴射システムで有効に利用される。しかし、良好な反応時間および許容範囲の電力消費量が維持されるにはバルブのサイズが極めて大きいため、ＤＭＥの使用時に必要な吐出量の増加の場合には特に、噴射される燃料の流れすべての制御をこの原理で実現するのはほとんど不可能である。ゆえに、低粘度燃料共通レールシステムの油圧制御システムの設計のための新規の方法が必要とされる。
【０００６】
一方では、低粘度燃料の低い潤滑性および潜在的に高い漏出、他方では低煤煙燃焼性は、比較的低い噴射圧力の選択を余儀なくさせる。低い燃料圧力レベルのため、噴射システムの制御バルブには余分に広い流路面積を必要とするばかりでなく、良好なエンジン燃費のため充分に短い噴射時間を維持するには高流量ノズルの使用を必要とする。特許文献１に開示されたシステムに使用される従来の高圧ディーゼル噴射ノズルの設計は、使用できる噴射オリフィスのサイズと数とを制限する。低粘度噴射システムに従来の高圧ディーゼル噴射ノズルを使用することの別の不都合な面は、コストと複雑性が比較的高いことである。
【０００７】
低粘度燃料システムに従来のディーゼルノズルを使用することのさらに別の否定的な面は、このようなノズルのニードルガイドにおける漏出がやはり比較的多量となることである。そのため、漏出減少を特徴として広い開口流路面積を可能にするノズルを利用する低粘度燃料噴射システムを設計すると好都合であろう。漏出の減少はまた、燃料冷却器を不要にすることによる燃料システムのコスト削減を可能にする。さもなければ、多量の漏出によりさらに多くの油圧力が熱に変換されてこれがシステムから除去されなければならないため、燃料冷却器が必要となるだろう。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６，１８９，５１７号
【特許文献２】欧州特許出願公開第１１２０５６３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、静止時および制御燃料の漏出による寄生的油圧損失を制限することにより、共通レールタイプの燃料噴射システムを備える低粘度燃料の動力によるエンジンの燃費を上昇させて噴射制御性を向上させるとともに噴射時間を短縮することである。本発明の別の目的は燃料噴射システムのコストを削減することであり、これはシステムにおける漏出の減少により、またノズル設計の単純化により達成される。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による燃料噴射システムは、共通レールとノズルとの間に配置された油圧式バルブを制御する三方電気式パイロットバルブと、ノズルの上流に配置されて流出部がノズルの流入部に接続された油圧ディファレンシャルバルブと、油圧式バルブの流出部と戻り管との間に配置された常開の電気式二方スピルバルブとを含む。ノズルは、ばねにより閉位置へ付勢されたポペットタイプバルブを備える漏出防止設計を有し、エンジンの燃焼室の背圧とばねの力とにより決定されるノズル開口圧力をノズルの燃料圧力が超える時にエンジン燃焼室の方向へ外側に開口できる。このようなノズル設計は、従来の高圧ディーゼルノズルよりもかなり高い、開口有効流路面積とバルブリフトの比を特徴とする。
【００１１】
本発明においてすべての制御バルブは、バルブの閉状態において漏出の可能性を最小にするテーパ状か平坦なシートを有する。油圧式バルブの切り替えに必要な少ない流量を制御するに過ぎないため、パイロットバルブは非常に小さい。この小型サイズのため、パイロットバルブは両シートが確実にシールされた状態で油圧不均衡であり、一般的に３ｍｍの短い直径と比較的長いステムシール長さのため、バルブステムにおける漏出も非常に少ない。
【００１２】
電気式バルブにより達成可能なものと比べてリフトが比較的大きいため、油圧式バルブは一般的に４ｍｍの比較的短いステム直径でも製造できる。ステムのシール長さは、漏出を少量とするのに充分な長さである。好ましくは、油圧式バルブは確実シールのためのテーパ状シートを有する。
【００１３】
スピルバルブも非常に小型にすることができる。なぜなら、その目的は、燃焼室への燃料の漏出の可能性および／または油圧式バルブの不完全なシールおよび結果的に生じるノズルの圧力上昇の場合に生じる可能性がある無制御噴射を制限するため、ノズルバルブと油圧式バルブの閉口を補助してノズルの残留圧力を開放することだからである。
【００１４】
油圧ディファレンシャルバルブは、上述した特許文献１に記載された弾性チェックバルブと同じ機能を実施する。この機能とは、エンジン停止後のエンジンへの燃料の漏出を防止することである。油圧式ディファレンシャルバルブは、エンジン動作中に全開状態にあって噴射制御には関与しない。
【００１５】
エンジンへ噴射される燃料の流れすべてを電気式バルブが直接制御しないという事実を特徴とする、本発明の制御システムの設計によれば、これらのバルブとそのアクチュエータは、噴射器に直接装着されるのに十分に小型とすることができる。これは静止時油圧量を最小にし、特に少量の燃料の燃料噴射の一層正確な制御を達成する。
【００１６】
噴射スプレーパターンがポペットタイプノズルのスプレーパターンよりも特定燃焼システムにとって好都合である場合には、従来の高圧ディーゼル噴射ノズルを本発明に使用できる。このような場合、ノズルニードルの低圧側からの漏出燃料は戻り管へ直接、または可変ノズル開口圧力を達成するため背圧調整器に接続されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照にして、さらに本発明を非限定的に説明する。
【００１８】
図面に描かれたシステムの対応部分を指すのに、同様の参照番号が使用される。
【００１９】
図１を参照すると、燃料タンク１と、供給ポンプ２および関連部品（不図示）と、高圧ポンプ３と、複数の噴射器５が接続された共通レール４と、エンジン管理システム６とを含む低粘度燃料供給システムが設けられている。油圧式バルブ７は共通レール４とノズル８の流入部との間に接続され、油圧式バルブ７の流入部は共通レール４に接続されている。油圧式バルブは好ましくは、精度一致ステムを有し、流出室９と制御室１０とを形成し、弾性手段１１により閉位置へ付勢されていることが好ましい。バルブ７の制御室１０は、エンジン管理システム（ＥＭＳ）６からの指令に応じて、三方パイロットバルブ１２により共通レール４と戻り管１３のいずれかに接続される。油圧式バルブ７の流出部は、油圧ディファレンシャルバルブ１４を介してノズル８の流入部に接続されている。ノズル８は、ガイド１６とポペット１７とを備えるバルブステム１５を有する。弾性手段１８はノズルを閉位置へ付勢し、弾性手段１８の力と、使用時にはエンジン（不図示）の燃焼室の圧力であるポペット１７に作用する背圧の力とを超越するのに充分に高い圧力がノズルに発生すると、ノズルは開口する。ＥＭＳ６により制御されるスピルバルブ１９は、油圧式バルブ７の流出部と戻り管１３との間に接続されている。
【００２０】
油圧ディファレンシャルバルブ１４は、バルブ内の圧力がどこかでシステムの供給圧力を若干下回るかこのレベルを上回る時に、いったん開口すると、燃料の圧力に露出されるバルブの面積が、バルブの戻りばねの力に反してバルブを開状態に保持するのに充分なほど広くなるように設計される。エンジンが停止して供給圧力が所定レベルより下まで低下した場合には、バルブ１４が閉口して、バルブの上流の圧力に露出されるバルブの面積が比較的小さくなるため、バルブ１４を再度開口させるには供給圧力レベルを上回る圧力が必要である。このようなバルブの設計は当該技術では周知であり、例えば特許文献１に開示されている。
【００２１】
図１の実施例によるシステムは以下のように機能する。非噴射状態だがエンジンが作動中には、供給ポンプ２の下流と戻り管１３には供給圧力が見られる。高圧ポンプが燃料をあるレベルまで圧縮して共通レール４でこのレベルを維持する。バルブ１２，１９はＥＭＳ６により作動されていない。三方パイロットバルブ１２は、作動停止位置において共通レール４を油圧式バルブ７の制御室１０に接続する。共通レールからの圧力は、弾性手段１１の力と組み合わされて、バルブ７を閉位置に保持する。スピルバルブ１９は開口し、油圧式バルブ７の流出部を戻り管１３に接続する。油圧ディファレンシャルバルブ１４が開口し、ノズル８の圧力は戻り管１３の圧力と等しくなる。ノズルは、ポペット１７に作用する弾性手段１８の力と背圧との合成力により閉じられる。
【００２２】
噴射を開始するため、ＥＭＳはパイロットバルブ１２に制御電流を印加し、これが油圧式バルブ７の制御室１０を共通レール４から切断して戻り管１３へ接続する。制御室１０の圧力は低下し、流出室９からバルブ７に作用する共通レール圧力によって弾性手段１１の力に反してバルブ７を開口させる。ほぼ同時に、ＥＭＳがスピルバルブ１９を閉じるため、油圧式バルブ７が開口している間に燃料が戻り管１３へ漏出することはない。バルブ７の流出室９とノズル８とを接続する管の燃料圧力が上昇し、ノズル開口圧力に達すると、エンジンの燃焼室の方へポペット１７が移動してノズルが開口し、燃料噴射が開始する。
【００２３】
噴射を終了させるには、ＥＭＳがパイロットバルブ１２を作動停止し、こうして制御室１０が戻り管１３から切断されて共通レールに再び接続される。制御室１０の圧力が上昇し、弾性手段１１とともに、バルブ７を閉位置へ押下する。バルブ７のシートの絞り作用がバルブ閉口を助ける。バルブ７の閉口時間とこれに対応する流路面積の減少の間、開口ノズルから燃料が噴射され続け、ノズルの圧力が低下する。一般的に、油圧式バルブ７が最初に閉口してから、ノズルの圧力が充分に低下すると、ノズルも閉口する。これに続いて、ノズル閉口時にノズルに残っている比較的高い残留圧力が戻り管１３へ放出されるように、ＥＭＳがスピルバルブ１９を開口させる。これは、排出物の増加につながる閉口ノズルから燃焼室への燃料の漏出の危険性を最小にする。
【００２４】
必要となった場合には、スピルバルブ１９の比較的短時間の再開口により、バルブ７とノズル８の開口が即座に行われる。このような短時間の再開口は、ノズルおよび油圧式バルブ７の下流での圧力降下の速度を上昇させ、そのためバルブおよびノズルの短時間閉口を助ける。この動作モードは、パイロット噴射などの非常に少量の噴射が実施されなければならない条件において有益である。
【００２５】
本発明により噴射パターンを制御する際には、他の可能性も存在する。例えば、燃料噴射の第１部分でパイロットバルブがオン・オフのサイクルを行って、油圧式バルブ７のリフトの制御を通して噴射圧力を調節する。
【００２６】
図２に図示された本発明の別の実施例は、油圧式バルブ７を制御するのに三方パイロットバルブの代わりに二方パイロットバルブ２０が使用されるという点で、図１の好適な実施例と異なっている。この実施例では、縮径部２１を有する通路により制御室１０が共通レール４に接続され、この縮径部の流路面積とパイロットバルブ２０の最大流路面積とは、バルブ２０の全開状態において油圧式バルブ７の制御室１０の圧力が低下してバルブ７を開口させるように設定される。全開位置に接近した際に、制御室１０をパイロット制御バルブ２０に接続する通路２２への入口をバルブ７が閉じ、こうして共通レールから縮径部２１と制御室１０と開口ポペットバルブ２０を通って戻り管１３までの漏出を最小にするように、高圧ディーゼル燃料噴射器で周知の方法でシステムが設計されてもよい。
【００２７】
図３の実施例では、本発明によるシステムの設計は原則として上述したものと同じであるが、従来のノズル８が使用されている。ノズルは、ノズル圧力室２５をばね室２６から隔離する精度一致ガイド２４を備えるニードル２３を有する。ばね室２６は戻り管１３へ直接接続されるか、図３に見られるように、各エンジン運転条件における最適ノズル開口圧力を設定するように電子的に制御される圧力調整器２７へ接続される。
【００２８】
本発明は上述した実施例に限定されず、請求項の範囲内においていくつかの変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による燃料噴射システムの好適な実施例についての概略図である。
【図２】本発明による燃料噴射システムの第二実施例についての概略図である。
【図３】従来の高圧ディーゼル噴射ノズルが使用される本発明の別の実施例についての概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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