(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料システムの高圧燃料ポンプピストンの動作を制御する制御構造体であって、ポンプ室からの燃料の流れを制御するために、前記ピストンが前記ポンプ室に出入りするように構築および構成された制御構造体において、
付属のローラ従動子を備え、前記ローラ従動子が、エンジンのカムシャフトと係合するように構築および構成されたロッカアームであって、前記カムシャフトの動作により前記ロッカアームの動作、ひいては、前記ピストンの動作を引き起こすように前記ピストンと作動的に連係するロッカアームと、
前記ロッカアームと連係し、前記ロッカアームを介して前記ピストンに伝えられるカムシャフト動作の割合を変えるように構築および構成されたアクチュエータ構造体と、
を含み、
前記アクチュエータ構造体は、前記ロッカアームと連係し、前記アクチュエータ構造体への電流入力に応じて、２つの終点間の経路に沿って移動可能な制御要素を含み、
前記アクチュエータ構造体は、電流が利用できない場合に油圧でも動作するように構築および構成される、
制御構造体。
【請求項２】
前記アクチュエータ構造体およびロッカアームは、前記ピストンを前記ポンプ室から引き出すストロークのタイミングが可変であるように構築および構成される、請求項１に記載の制御構造体。
【請求項３】
アクチュエータ構造体は、前記ロッカアームと連係し、前記アクチュエータ構造体への油圧入力に応じて、２つの終点間の経路に沿って移動可能な制御要素を含む、請求項１に記載の制御構造体。
【請求項４】
前記制御要素およびカムシャフトは共通軸のまわりを回転し、前記制御要素は、支持回転軸を介して前記ロッカアームに連結され、前記経路は円弧状の経路である、請求項１に記載の制御構造体。
【請求項５】
前記燃料ポンプとの組み合わせで、ポンプローラ従動子が前記ロッカアームと前記ピストンとの間に設けられる、請求項４に記載の制御構造体。
【請求項６】
前記ローラ従動子が前記カムシャフトと係合するように前記ロッカアームを付勢するスプリングをさらに含み、前記スプリングは前記制御要素と共に移動する、請求項４に記載の制御構造体。
【請求項７】
ヒンジ連結器を介して前記ロッカアームに連結され、前記ピストンと係合するように構築および構成された押し棒をさらに含み、前記制御要素は、前記ロッカアームが前記カムシャフトによって移動する場合に、略直線状の経路に沿って移動して、前記ロッカアームが前記ヒンジ連結器のまわりを回転するための支点となる、請求項１に記載の制御構造体。
【請求項８】
前記ローラ従動子が前記カムシャフトと係合するように前記ロッカアームを付勢するスプリングをさらに含み、前記スプリングは前記制御要素と共に移動しない、請求項７に記載の制御構造体。
【請求項９】
前記制御要素は、略直線状の経路に沿って移動し、支持回転軸を介して前記ロッカアームに連結される、請求項１に記載の制御構造体。
【請求項１０】
前記ローラ従動子が前記カムシャフトと係合するように前記ロッカアームを付勢するスプリングをさらに含み、前記スプリングは前記制御要素と共に移動する、請求項９に記載の制御構造体。
【請求項１１】
油圧作動式吸入逆止弁を含む前記燃料ポンプと組み合わせた、請求項１に記載の制御構造体。
【請求項１２】
前記吸入逆止弁は、迅速にゼロポンプ流れに達するために、前記吸入逆止弁を開いた状態に保つようにソレノイドで操作されるが、ポンプストロークごとにソレノイドで操作されるように構築および構成されない、請求項１１に記載の制御構造体。
【請求項１３】
燃料システムの高圧燃料ポンプピストンの動作を制御する方法であって、ポンプ室からの燃料の流れを制御するために、前記ピストンが前記ポンプ室に出入りするように構築および構成された方法において、
付属のローラ従動子を備えたロッカアームを設け、それにより、前記ローラ従動子がエンジンのカムシャフトと係合し、前記ロッカアームは、前記カムシャフトの動作が前記ロッカアームの動作、ひいては、前記ピストンの動作を引き起こすように前記ピストンと作動的に連係するステップと、
前記ロッカアームを介して前記ピストンに伝えられるカムシャフト動作の割合を変えるように前記ロッカアームを制御するステップと、
を含み、
前記ロッカアームを制御するステップは、前記ロッカアームと連係し、アクチュエータ構造体への電気入力および電流が利用できない場合にはアクチュエータ構造体への油圧入力に応じて、２つの終点間の経路に沿って移動可能な制御要素を含む前記アクチュエータ構造体を設けることを含む方法。
【請求項１４】
前記ロッカアームを制御するステップは、前記ポンプ室から前記ピストンを引き出すストロークのタイミングを変えることを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記制御要素およびカムシャフトが共通軸のまわりを回転し、前記制御要素が支持回転軸を介して前記ロッカアームに連結されることを確実にし、前記経路は円弧状の経路であり、前記ローラ従動子が前記カムシャフトと係合するように、スプリングが前記ロッカアームを付勢し、前記スプリングは、前記制御要素とともに移動する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
ヒンジ連結器を介して前記ロッカアームに連結され、前記ピストンと係合する押し棒を設け、前記ロッカアームが前記カムシャフトによって移動する場合に、前記制御要素が略直線状の経路に沿って移動して、前記ロッカアームが前記ヒンジ連結器のまわりを回転するための支点となることを確実にし、前記ローラ従動子が前記カムシャフトと係合するように、スプリングが前記ロッカアームを付勢し、前記スプリングは、前記制御要素とともに移動しない、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記制御要素が略直線状の経路に沿って移動し、支持回転軸を介して前記ロッカアームに連結されることを確実にし、前記ローラ従動子が前記カムシャフトと係合するように、スプリングが前記ロッカアームを付勢し、前記スプリングは、前記制御要素とともに移動する、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧燃料システムに関し、より詳細には、燃料システムにおいて、雑音および燃料圧力脈動が低減されるような態様で、エンジン駆動式燃料ポンプを制御する制御構造体に関する。
【０００２】
背景技術
従来の高圧燃料システムでは、エンジン駆動式燃料ポンプは、望ましくない可聴雑音の主要源であり、さらには、燃料計量作業を複雑にする燃料圧力脈動源である。これらの脈動の管理には、１）エンジン始動時に目標燃圧に達するために必要とされる時間を長くする、燃料レールの余分な容積と、２）ポンプの動力消費量を増やすオリフィスと、３）噴射装置が開放されなければならない圧力を高くする、高い逃がし弁設定値とが必要であり、したがって、他の目標に向けた噴射装置の構成が犠牲になる。
【０００３】
現在最新式の高圧燃料ポンプは、ソレノイドおよび吸入逆止弁を含む。ソレノイドは、ポンプによる燃料圧送量を制御するために、ポンプ圧送ストロークの開始時に、電動式吸入逆止弁を開いた状態に保ち、次いで、望ましい量の燃料が燃料レールに正確に圧送されるように計算された、ポンプ圧送段階中の所定の時間に吸入逆止弁が閉じるのを可能にする。これは、ポンプ容量の１００％未満の任意の燃料需要で起こり、エンジン運転中にほぼ１００％起こる。ポンプピストンがほぼ正弦波状の動作を行うための実際的な必要条件を考慮すると、ピストンの速度、ひいては、逆止弁が閉じることができないうちに吸入逆止弁を通って逆流する燃料の速度は、弁が閉じる直前に最大になる。この高い速度により、吸入逆止弁が音を立てて閉まり、可聴雑音の主要源となり、さらに、燃料の逆流動作のために、何百ｐｓｉもの大きなポンプ内部燃圧スパイクが生じる。この燃圧スパイクは、必要とされる圧力逃がし弁の吹出し圧力、燃料レールの容積、および燃料噴射装置の吹出し圧力に不利な設計要件をもたらす。
【０００４】
ソレノイドアーマチュアのその端部ストッパ間の急激な移動はポンプ圧送ストローク当たり１サイクルであり、大きな可聴雑音源でもある。
【０００５】
発明の概要
したがって、可聴雑音および圧力脈動を低減して、燃料レール容積の縮小、オリフィスの拡大、および／または逃がし弁設定値の引き下げに対する設計上の選択を可能にする、エンジン駆動式燃料ポンプ用の制御構造体を提供する必要がある。
【０００６】
本発明の目的は、上記の要求を満たすことである。本発明の原理に従い、この目的は、好ましくは車両用の燃料システムの高圧燃料ポンプピストンの動作を制御する制御構造体によって達成される。ピストンは、ポンプ室からの燃料の流れを制御するために、ポンプ室に出入りするように構築および構成される。制御構造体は、付属のローラ従動子を備えたロッカアームを含む。ローラ従動子は、エンジンのカムシャフトと係合するように構築および構成される。ロッカアームは、カムシャフトの動作がロッカアームの動作、ひいては、ピストンの動作を引き起こすようにピストンと作動的に連係する。制御構造体はまた、ロッカアームと連係し、ロッカアームを介してピストンに伝えられるカムシャフト動作の割合を変えるように構築および構成されたアクチュエータ構造体を含む。
【０００７】
実施形態の別の態様によれば、燃料システムの高圧燃料ポンプピストンの動作を制御する方法が提供される。ピストンは、ポンプ室からの燃料の流れを制御するために、ポンプ室に出入りするように構築および構成される。方法は、付属のローラ従動子を備えたロッカアームを設け、それにより、ローラ従動子がエンジンのカムシャフトと係合し、ロッカアームは、カムシャフトの動作がロッカアームの動作、ひいては、ピストンの動作を引き起こすようにピストンと作動的に連係する。ロッカアームは、ピストンに伝えられるカムシャフト動作の割合を変えるように制御される。
【０００８】
本発明の他の目的、特徴、および特性、さらには、構造体の関連要素の動作方法および機能、製造に関する部品および経済性の組み合わせが、添付の図面を参照して、以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲を検討することで明らかになり、これらのすべては、本明細書の一部を形成する。
【０００９】
本発明が、添付の図面と併用される、本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明からより深く理解されるであろう。添付の図面では、同じ参照数字は同じ部品を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態に従って提供され、ゼロストローク制御位置で示された制御構造体を含む、エンジン駆動式の可変ストローク高圧ポンプシステムの概略図である。
【図２】１００％ストローク制御位置で示された図１のシステムの図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に従って提供され、ゼロストローク制御位置で示された制御構造体を含む、エンジン駆動式の可変ストローク高圧ポンプシステムの概略図である。
【図４】１００％ストローク制御位置で示された図３のシステムの図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に従って提供され、ゼロストローク制御位置で示された制御構造体を含む、エンジン駆動式の可変ストローク高圧ポンプシステムの概略図である。
【図６】１００％ストローク制御位置で示された図５のシステムの図である。
【００１１】
実施形態の詳細な説明
図１は、本発明の第１の実施形態に従って提供された、全体として１１で示す制御構造体を有する、全体として１０で示すエンジン駆動式の可変ストローク高圧ポンプシステムを示している。システム１０は、好ましくは車両用の、ガソリンまたはディーゼル直噴式高圧燃料供給システムで使用される。システム１０は、エンジンシリンダヘッド１６、または一般的なオイルシール（図示せず）を開口（図示せず）に設けて開口を覆うカムシャフトカバーに取り付けられたポンプ本体１４を有する高圧ポンプ１２を含む。軸方向に移動可能なピストン１８は、ポンプ本体１４のポンプ室２０内に配置されている。スプリング２２は、ピストン１８をポンプ室２０からその最大引出し位置に向かって押し付ける。吸入接続部２４は、ポンプ室２０と低圧燃料供給部２６との間に設けられている。油圧作動式が好ましい吸入逆止弁２７は、供給部２６からポンプ室２０への燃料流れを可能にするが、反対方向の燃料流れを妨げる。吸入逆止弁２７は、迅速にゼロポンプ流れに達する必要はあるが、ポンプストロークごとに作動する必要のないシステムで、吸入逆止弁２７を開いた状態に保つようにソレノイドで操作することができる。排出接続部２８は、ポンプ室２０と、高圧燃料レールなどの燃料消費機器に接続できる高圧燃料排出口３０との間に設けられている。排出逆止弁３２は、ポンプ室２０から消費機器への燃料流れを可能にするが、反対方向の流れを妨げる。圧力逃がし弁３４は、高圧燃料排出口の圧力が、特定の量だけポンプ室の圧力を超えた場合に、燃料流れが高圧燃料排出口３０からポンプ室２０に戻るのを可能にする。
【００１２】
システム１０は、電気のみで、または電気油圧で、または油圧で作動できるストローク制御アクチュエータ構造体３６を含む。例えば、アクチュエータ構造体３６は、スロットル制御に使用されるものと同様なステップモータ、ＤＣモータ、燃料レール内の燃圧により油圧で制御される、カムシャフト位相制御に使用されるものと同様なオイル制御ソレノイド弁を用いて油圧で制御される減速ギヤ、ウオームギヤ、ダイレクトソレノイド、または他の制御構造体とすることができる。アクチュエータ構造体３６は、以下にさらに完全に説明するように、（例えば、電気入力Ｖ＋、Ｖ−として示す）制御入力に応じて、２つの終点間の必要とされる経路に沿って、移動可能な制御要素３８の位置を制御する。制御要素３８は、アクチュエータ構造体３６の一部と考えることができる。
【００１３】
駆動が電気だけの場合、制御要素３８は、電流がゼロのときに、デフォルトで特定の「リンプホーム（ｌｉｍｐ  ｈｏｍｅ）」位置をとることができる。駆動が電気油圧式の場合、制御要素３８は、電流がゼロのときに、正常なオイル供給圧力が利用可能かどうかに応じて、デフォルトで２つの異なる特定の「リンプホーム」位置をとることができる。
【００１４】
制御構造体１１は、エンジンのカムシャフト４０と低摩擦で接触する付属のローラ従動子４４を有するロッカアーム４２を含むのが好ましい。一般的な高圧直噴エンジンの場合、カムシャフト４０のローブの数量は、１ポンプストロークが、各シリンダ燃焼事象ごとに起こるようなものとされる。カムシャフト４０が回転するときに、従動子４４を備えたロッカアーム４２は、カムシャフト４０の輪郭に従って移動する。ロッカアーム４２は、ロッカアーム４２の円弧動作により、好ましくはローラ従動子４５を介して、ポンプ１２のピストン１８にその動作を直接的に、または間接的に伝える。ロッカアーム４２を介してピストン１８に伝えられるカムシャフト４０の動作の割合は、ロッカアーム４２を移動可能な制御要素３８に連結する支持回転軸４６の位置だけに応じて変わる。支持回転軸４６は、ポンプハウジング１４に対する可変引出しピストン位置と、好ましくは、一定の挿入ピストン位置とを有する所望のポンプピストンストロークを提供するために、２つの終点間の円弧状の経路をたどる。ロッカアーム４２は、１００％未満のポンプストロークを行うように制御される場合に、ポンプ１２のピストン１８に伝えられない、ある量の「空動き」を行う。
【００１５】
スプリング４８は、ポンプ１２に付属するスプリング２２が力を作用させていない場合のゼロストローク制御位置においてでさえ、ローラ従動子４４が常にカムシャフト４０と接触するのを確実にするために、ロッカアーム４２を付勢する。コイルスプリングが示されているが、板ばね、つる巻きばね、または他のスプリング構成を使用することができる。
【００１６】
システム１０は、図１においてゼロポンプストローク位置で示され、一方、図２は、１００％ポンプストローク位置にあるシステムを示している。
【００１７】
図１および図２を参照すると、移動可能な制御要素３８は、カムシャフト４０と同じ軸のまわりを回転する。したがって、ポンプストロークのタイミングは、制御位置に応じて、カムシャフト４０の動作に対して早くなったり、または遅くなったりする。タイミングの変化量は、ロッカアーム４２の支持位置４６から、ロッカアームに接したポンプローラ従動子４５の対向する先端接触点までの（カムシャフトの度数で示す、移動可能な制御要素３８の許容された動作範囲に等しい）円弧の長さ（カムシャフトの度数）に比例する。噴射パルスは通常、噴射される燃料の量が多い場合に、より早期に始まることから、燃料噴射タイミングの変化を補完するために、ロッカアーム４２は、ポンプストロークが大きい場合ほどポンプストロークが早期に行われる（したがって、ポンプストロークが小さい場合ほど遅く行われる）ように、カムシャフト４０のまわりで向きを合わせることができる。図１および図２の実施形態では、スプリング４８は、移動可能な制御要素３８と共に移動する。
【００１８】
図３および図４は、第２の実施形態に従って提供された、全体として１１’で示す制御構造体を有する、全体として１０’で示すエンジン駆動式の可変ストローク高圧ポンプシステムを示している。図３は、ゼロポンプストローク位置にあるシステム１０’を示し、図４は、１００％ポンプストローク位置にあるシステム１０’を示している。
【００１９】
図１と共通の部品に加えて、図３および図４の実施形態では、制御構造体１１’は、ピストン１８に連結され、ヒンジ連結器５１を介してロッカアーム４２’に連結された押し棒５０を含む。押し棒５０は、ロッカアーム４２’の垂直位置を制御するガイド／ブッシュ５２によって支持されている。押し棒５０は、ロッカアーム４２’とポンプ１２のピストン１８との間ですべての力を伝達する。ポンプストロークのタイミングは、制御位置から影響を受けない。押し棒５０の動作は直線状のみであるので、（図１の）ローラ従動子４５は削除することができる。しかし、ローラ従動子５４は、示すように、移動可能な制御要素３８’上に必要とされることがある。移動可能な制御要素３８’は、ロッカアーム４２’に取り付けられるのではなくて、略直線的に移動して、ロッカアーム４２’がヒンジ連結器５１のまわりを回転するための支点を提供する。スプリング４８はシリンダヘッドに固定され、移動可能な制御要素３８’と共に移動することはない。
【００２０】
図５および図６は、第３の実施形態に従って提供された、全体として１１''で示す制御構造体を含む、全体として１０''で示すエンジン駆動式の可変ストローク高圧ポンプシステムを示している。図５は、ゼロポンプストローク位置にあるシステム１０''を示し、図６は、１００％ポンプストローク位置にあるシステム１０''を示している。
【００２１】
図５および図６の実施形態では、ロッカアーム４２''を含む制御構造体１１''の特定の輪郭により、ポンプストロークをより短い持続時間にする能力が付与される。したがって、ピストンストローク時に、より一貫したピストン速度が生じる。単にカムシャフト揚程の何割りかをポンプ１２のピストン１８に伝達する（比例的にピストン速度を遅くする）のではなくて、この実施形態は、ピストン１８が、（図１に示す）ポンプ室２０からの後退を開始するカムシャフト角を制御する。ストロークのタイミングは、最小カムシャフト揚程点に関して対称であり、そのため、遅れて開始するストロークは、変位および持続時間の両方の点でより短くなる。スプリング４８は、ほぼ直線状に移動する移動可能な制御要素３８''と共に移動する。制御要素３８''は、支持回転軸４６でロッカアーム４２''に連結されている。
【００２２】
なお、図において、ロッカアーム４２、４２’、４２''、カムシャフト４０、および他の影響を受ける部品は、最大カムシャフト揚程に対応する位置において実線で示され、最小カムシャフト揚程に対応する位置において破線で示されている。
【００２３】
このように、実施形態は、燃料需要に応じて、カムシャフト４０からポンプピストン１８に伝達される変位量を変える、エンジンカムシャフト４０とポンプ１２との間に設けられた制御構造体１１、１１’、１１''を使用する。可変ロッカアーム４２を含む制御構造体１１は、ポンプストロークを調整するので、ポンプで圧送される燃料の量を調整するのに他の装置は全く必要とされない。例えば、ポンプ容量の５０％に等しい燃料需要において、ピストンストロークは、最大値の約５０％に制御され、燃料レール内の目標燃圧を達成するように調整される。最適ポンプ効率を得るために、ストローク制御構造体は、ストロークに関係なく、ポンプチャンバの非行程容積部を比較的変わらないままにしておくべきである（例えば、ピストンがポンプ本体から引き出される距離だけが影響を受けるべきである）。ゼロ燃料噴射需要の期間中、および障害によりポンプ１２への燃料供給がない場合、ピストンストロークはゼロに調整され、このモード中のピストンの過熱およびポンプ障害に関する懸念を完全に払拭する。
【００２４】
制御構造体１１、１１’、１１''の可動部分は、エンジンシリンダヘッド内に完全に収容することができ、エンジンオイルで潤滑することができ、連続する線形負荷で動作するように構成することができる。したがって、不快な雑音をもたらすことがある衝撃は全く発生しない。制御構造体は、可変エンジン弁揚程を実現するために利用できる様々な構成の中から選択することができ、一方で、過酷度が遙かに低い負荷条件と、燃料ポンプを駆動するのに必要とされる、さほど厳密でない精度とにより、コストを削減することができる。
【００２５】
実施形態は、従来の燃料ポンプソレノイドを完全になくすことができ、したがって、ポンプ１２からのソレノイドの雑音をなくすことができる。吸入逆止弁２７は、油圧だけで常に動作することができ、したがって、ポンプ圧送ストロークにおいて、同様な低燃料速度で常に早期に閉じ、それとともに、雑音が低くなり、圧力脈動が小さくなるか、または全くなくなる。こうして、可聴雑音および脈動が小さくなるか、またはなくなり、それにより、雑音軽減部品の削除、燃料レール容積の縮小、およびエンジン始動時に目標燃圧に達するのに必要な時間の短縮が可能になる。圧力脈動を小さくする、またはなくすことで、実施形態はまた、圧力逃がし弁３４の必要とされる吹出し圧力の低圧化を可能にし、それにより、燃料噴射装置が開通するのに必要とされる最大圧力の低圧化を可能にし、それにより、噴射装置の作動流れ範囲を改善することができる。同じ態様で、実施形態はまた、通常燃料ポンプと燃料レールとの間に設けられる流れ制限オリフィスの直径を大きくすることができるので、噴射装置での圧力脈動の大きさは変わらないが、必要とされるポンプの機械動力消費量が削減される。
【００２６】
制御構造体１１、１１’、１１''としての空動ロッカアームの使用により、既存のポンプおよび多ローブカムシャフト構造と共存可能になり、タイミングを同期させて燃料噴射事象当たり１ポンプストロークを行う能力が維持される。実施形態は、平均ピストン速度を遅くし、ポンプ圧送段階時にピストンに作用する平均圧力を下げ、さらに、内部圧力脈動を小さくすることにより、ポンプ１２の耐久性を向上させる。現在最新式の燃料ポンプは、長時間のゼロ燃料噴射需要中に、または障害による短時間のゼロ燃料供給中でさえ発生することがある過熱および障害からそのピストンを守るために流体流れを利用する。実施形態は、この燃料流れへの依存をなくし、ひいては、これらの耐久性に関する懸念を完全になくす。
【００２７】
実施形態のさらなる特徴は以下である。
【００２８】
・上記に詳述したように、吸入逆止弁流れの入り／切り制御と比較した、ノイズおよび脈動の除去、ならびにゼロ燃料流れ時の改善
・吸入逆止弁流れの線形スロットルと比較した、吸入段階時のキャビテーションの排除、ひいては、ポンプ本体に対してピストンを封止するための高価な可撓性ダイヤフラムの必要性の排除
・電気駆動または任意のタイプの無段伝動装置（ＣＶＴ）と比較した、軽い重量および低いコスト
・任意のタイプのＣＶＴと比較した、早い圧力制御応答時間
・ポンプストロークは、電気駆動、ＣＶＴ、偏心要素、またはスキップストロークと比較して、各燃料噴射事象と同期したままである
・可変角斜板と比較した、適応性に優れ、かつコンパクトな実装
・既存の実績のある高容量エンジン弁機構の設計コンセプトを使用すること
このように、実施形態は、上記の機能上の利益をすべて得るために、エンジン駆動式ピストンポンプおよび既存の多ローブカムシャフト構成と共存可能な可変ストロークシステムを提供する。
【００２９】
本発明の構造および機能上の原理を例示し、さらには、好ましい実施形態を使用する方法を例示するために、前述の好ましい実施形態が示され、説明された。これらの好ましい実施形態は、そのような原理から逸脱することなく変更されることがある。したがって、本発明は、添付の請求項の範囲内に包含されるすべての修正形態を含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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