(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧下にある流体を噴射するための装置であって、ポンプエレメント（３）と、ポンププランジャ（４）とが設けられており、該ポンププランジャ（４）が、圧力室（５）を仕切っており、該圧力室（５）からポンププランジャ（４）の移動時に流体が、第１および第２の高圧管路部分（１９，２３）を介して噴射ノズル（１４）にまで圧送可能であり、さらに磁石（７）により操作可能な切換弁（６）が設けられており、該切換弁（６）が、第１の制御縁（１６）と第２の制御縁（１７）とを備えた制御エレメント（８）を有しており、該制御エレメント（８）の第１の制御縁（１６）が、磁石側の蓄力器（１０）によって、低圧側の蓄力器（１１）により調節可能な当接部（９）に抗して第１の座面へもたらされるようになっており、制御エレメント（８）のこの位置で圧力室（５）に対する噴射ノズル（１４）の接続は閉じられていて、低圧室（１８）に対する噴射ノズル（１４）の接続は開かれており、前記磁石（７）の接続・遮断可能な作動力によって、制御エレメント（８）の第２の制御縁（１７）が、磁石側の蓄力器（１０）の力に抗して第２の座面に当付け可能であり、制御エレメント（８）のこの位置で圧力室（５）に対する噴射ノズル（１４）の接続は開かれていて、低圧室（１８）に対する噴射ノズル（１４）の接続は閉じられていることを特徴とする、流体を噴射するための装置。
【請求項２】
制御エレメント（８）が、ポンプエレメント（３）に設けられたスリーブ（１２）内に軸方向で案内されている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
磁石側の蓄力器（１０）が、低圧側の蓄力器（１１）よりも大きなばね力を有している、請求項１記載の装置。
【請求項４】
制御エレメント（８）に、該制御エレメント（８）を取り囲む環状室（３１）の範囲において前記制御縁部（１６）の近傍で圧力段部（８ａ）が形成されている、請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記圧力段部（８ａ）が、制御エレメント（８）の直径と比べて０．０５〜０．２ｍｍの減径された範囲を有している、請求項４記載の装置。
【請求項６】
制御エレメント（８）が、互いに嵌め合わされた２つのコンポーネント（８．１，８．２）から成っている、請求項１記載の装置。
【請求項７】
制御エレメント（８）が、前記磁石（７）の作動力および低圧側の蓄力器（１１）の力と、磁石側の蓄力器（１０）の力とによって、全行程の半分の距離に相当する中間位置にまで運動可能である、請求項１記載の装置。
【請求項８】
全行程の半分の距離だけ進んだ制御エレメント（８）の中間位置での作動状態で、噴射ノズル（１４）と低圧室（１８）と圧力室（５）との間の接続が開放されている、請求項７記載の装置。
【請求項９】
全行程の半分の距離に相当する中間位置での作動状態で、前記磁石（８）の作動力および低圧側の蓄力器（１１）の力と、磁石側の蓄力器（１０）の力とが平衡している、請求項７記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体を可変の噴射圧で噴射するための装置、たとえばポンプエレメントと噴射ノズルとの間に高圧管路が接続されている、カム駆動されるユニットポンプシステム（Ｐｕｍｐｅ−Ｌｅｉｔｕｎｇ−Ｄｕｅｓｅ−Ｓｙｓｔｅｍ）に関する。このような装置は、内燃機関における直接噴射システムにおいて使用される。
【０００２】
【従来の技術】
「ユニットポンプシステム」により燃料を噴射するための装置では、噴射圧が駆動回転数、つまり内燃機関の回転数に関連している。このような装置では、切換弁として働く電磁弁によって、単に噴射開始を制御することができるに過ぎない。噴射圧の高さは駆動回転数に関連している。これによって、このような噴射システムでは、噴射圧の高さを予め自由に選択することができない。
【０００３】
米国特許第５６２８２９３号明細書に基づき、電子制御される流体インジェクタが公知である。この流体インジェクタは、パイロット噴射によって負荷可能な流体捕集室と、直接に制御可能な制御エレメントとを備えており、この制御エレメントは流体捕集室と、内燃機関の燃焼室に突入した噴射ノズルとの間の接続管路を開放するために働く。第１の直接に制御可能な制御エレメントの他に、別の圧力制御エレメントが２つの作動位置の間で往復運動可能である。切換可能な両圧力制御エレメントを用いて、互いに逆向きに作用するハイドロリック力（液圧力）を平衡させることができる。このような配置構成では、圧力エレメントの制御が、制御装置の故障時に過剰圧／過剰量の発生に対して部分的にしか防護されていない２つのユニットを介して行われるという事情が不都合となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、噴射圧の高さが機関回転数とは別個に設定可能となり、しかも十分なシステム安全性が考慮されているような、流体を噴射するための装置を提供することである。
【０００５】
さらに本発明の課題は、このような装置を制御するために適した方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の装置の構成では、高圧下にある流体を噴射ノズルによって噴射するための装置であって、ポンプエレメントに、外部操作される操作機構が、プレロードもしくは予荷重をかけられて収容されており、ポンプエレメントが、切換弁により制御可能な制御エレメントを有しており、該制御エレメントによって複数の高圧管路が互いに接続可能である形式のものにおいて、制御エレメントに２つの蓄力器が対応配置されており、両蓄力器が、切換可能な制御エレメントに、制御縁部を高圧側で閉鎖する閉鎖力および／または制御縁部を低圧室に対して開放する力を発生させるようにした。
【０００７】
さらに、上記課題を解決するために本発明の方法では、高圧下にある流体を噴射ノズルによって噴射するための装置を制御する方法において、制御エレメントが閉鎖された状態におけるポンプエレメントの圧力室内での圧力形成が、ローラ付タペットに収容されたポンププランジャの行程の関数であるようにした。
【０００８】
【発明の効果】
流体を可変の噴射圧で噴射するための装置の本発明により提案された解決手段を用いると、噴射圧の高さが機関回転数とは無関係に、つまり機関回転数の影響を受けずに設定可能となる。噴射経過は必要に応じて機関回転数とは別個に制御することができる。なぜならば、２つの蓄力器によってそれぞれの端面で負荷された制御エレメントの制御が、制御ユニットを介して電子的に行われるからである。噴射の開始時機は、制御可能な切換エレメントによって、やはり極めて正確に規定することができる。上死点に向かうプランジャ運動の経過によって、可変の噴射圧を有する単シリンダ型の噴射ポンプの噴射経過に影響が与えられる。このような影響付与は、カムの設計時におけるカムの適当な形状付与によって規定することができる。プランジャロッドに回転可能に支承されたローラの形の操作エレメントは、たとえばカムによってその形状付与および輪郭形状に相応して運動させられ、これにより、噴射過程の経過に影響を与えることが可能となる。
【０００９】
流体を噴射するための本発明による装置の構成は、システム安全性を高度に考慮したものである。なぜならば、有利には高速切換型の電磁弁として形成されている切換弁が通電されていないときには、ポンプ室の充填が中断されているからである。より高い力を発生させる切換弁側の蓄力器により、制御エレメントは対応する座面に押圧されて、高圧側の供給部は閉鎖される。これにより、ポンプ室の充填が中断されており、システムは燃料を噴射することができなくなる。制御エレメントが機能故障の枠内で、開放された位置に引っ掛かったままとなった場合には、圧力室から低圧室への燃料流の短絡が生じる。これにより、過剰量の燃料が噴射されて、内燃機関の損傷を招いてしまうことを阻止することができる。
【００１０】
制御エレメントが、噴射ノズルに燃料を供給するための供給側の孔の範囲に圧力段部を備えていることにより、制御エレメントは電磁弁と協働して安全弁として機能することができる。最大可能なシステム圧が超過されると、低圧範囲への制御縁部の開放が行われる。すなわち、低圧室に対する流入部が、制御エレメントの一方の端面で開放されるわけである。その場合、燃料は直接に圧力室から低圧室に流入するので、ローラ付タペットに生じる力はローラ付タペットの負荷限界を超過しない。
【００１１】
燃料を噴射するための装置を制御するための本発明による方法では、圧力形成が単シリンダ型のポンプエレメントにおいてポンププランジャの行程の関数として行われる。このポンププランジャの行程は、その下側の範囲に収容された操作機構を介してカム軸によって実現される。カムの適当な形状付与により、噴射経過を制御することができる。圧送終了は、制御エレメントが全行程の半分の行程に相当する中間位置に到達することによって生ぜしめられる。この中間位置では、制御エレメントが、蓄力器と電磁弁との力平衡に基づき、高圧側の噴射ノズル供給部に対する両座面と、低圧室への流出部とにおいて開いたままとなり、こうして圧力が迅速に減じられる。こうして、噴射ノズルにおける噴射が中断される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面につき詳しく説明する。
【００１３】
図１には、燃料を噴射するための装置のポンプエレメントの縦断面図が示されている。
【００１４】
ほぼ回転対称的に形成されたポンプエレメント３に、ローラ付タペット１が収容されている。このローラ付タペット１の上端部には、圧力室５内に突入するポンププランジャ４が収容されており、ローラ付タペット１の下端部には、ローラ２５の形の操作機構が収容されている。操作機構もしくはローラ２５を収容する下側の部分は、ばね２を介してプレロードもしくは予荷重をかけられている。ローラ付タペット１の下側の部分には、ピン２４が支承されており、このピン２４には、潤滑孔２６を介して潤滑剤が供給される。ピン２４はローラ付タペット１の下側の部分にピン結合部２７を介して保持されている。燃料を噴射するための、単シリンダ型のポンプユニットとして形成された当該装置の上側の部分には、切換弁６によって操作可能な制御エレメント８が、ポンプエレメント３の対称軸線に対して直交する横方向に取り付けられている。有利には高速切換型の電磁弁として形成された切換弁６は、制御ユニット１５を介して制御される。ポンプエレメント３の対称軸線に対して直交する横方向に配置された制御エレメント８の範囲では、燃料流入部２１が、切換弁６と制御エレメント８との間の、蓄力器を収容する中空室に開口している。制御エレメント８を取り囲むスリーブ１２の範囲には、ポンプエレメント３に設けられた圧力室５から延びる孔２３が、ポンプエレメント３の対称線に対して同軸的に開口していると共に、噴射ノズル１４にまで延びる高圧側の孔１９も開口している。高圧側の孔１９の開口部は、孔２３に対して少しだけずらされてポンプエレメント３に開口している。
【００１５】
図１に示した実施例では、当該装置が、ポンプエレメント３と噴射ノズル１４との間に管路１３が接続されている「ユニットポンプシステム（Ｐｕｍｐｅ−Ｌｅｉｔｕｎｇ−Ｄｕｅｓｅ−Ｓｙｓｔｅｍ）」として形成されている。別の実施例では、図１に示した実施例の場合のようにポンプエレメント３と噴射ノズル１４との間に管路を接続することなしに、噴射ノズル１４を直接にポンプエレメント３に固定することもできるが、このような実施例は図示していない。
【００１６】
制御エレメント８の低圧側端部の範囲には、流出孔２２が設けられている。この流出孔２２を介して過剰燃料をポンプエレメント３から再び戻し管路を通じてリザーブタンク内に戻すことができる。
【００１７】
図２には、ポンプエレメント３内に収容された、実施したい噴射過程を調整する制御エレメント８の縦断面図が示されている。
【００１８】
制御エレメント８は、互いに結合された２つの部分、つまり外側部分８．１と内側部分８．２とから成っている。制御エレメント８は、ポンプエレメント３のポンプハウジング内に嵌め込まれた、有利には収縮嵌めされたスリーブ１２によって取り囲まれている。ポンプエレメント３の材料に比べて高価な材料から成るスリーブ１２には、複数の環状室３１が加工成形されている。これらの環状室３１には、圧力室側の孔２３と、ノズル供給側の孔１９とがそれぞれ開口している。孔１９もしくは孔２３の開口部は、スリーブ１２の範囲でそれぞれ互いに相対的にずらされて位置している。
【００１９】
制御エレメント８を取り囲むスリーブ１２の両側には、それぞれ中空室が設けられており、これらの中空室には、それぞれ蓄力器１０；１１が収容されている。この蓄力器１０；１１はそれぞれ制御エレメント８の片側の端面に作用している。有利にはばねエレメントとして形成された蓄力器１０；１１は、電磁弁側の蓄力器１０のばね力が、低圧側に配置された蓄力器１１のばね力よりも大きく設定されるように寸法決めされている。有利にはコイルばねとして形成されている蓄力器１０は、制御エレメント８の減径されて形成された範囲を取り囲んでおり、制御エレメント８のこの範囲は切換弁６の磁石７に結合されている。
【００２０】
制御エレメント８の低圧側の端部には、ばねストッパ２９が設けられている。このばねストッパ２９はねじ山３０を介してベースと螺合されており、このベース内には、スリーブ状の構成部材９が嵌め込まれている。同じく有利にはコイルばねとして形成されている蓄力器１１は、スリーブ状の構成部材９の、制御エレメント８とは反対の側の端面と、ばねストッパ２９に設けられたポット形の挿入体との間に収容されている。スリーブ１２と、ポンプエレメント３の、制御エレメント８を取り囲むスリーブ１２が収容されている孔の孔壁との間には、図１に示したように戻し管路もしくは流出孔２２が開口している。過剰燃料はこの戻し管路を通じて、再びリザーブタンク内に戻される。制御エレメント８の低圧範囲をシールするためには、ベースに設けられた環状の切欠き内に、シールエレメント２８が嵌め込まれている。
【００２１】
制御エレメント８の内側部分８．２には、制御縁部１７が形成されている。この制御縁部１７は低圧室１８をシールする。制御エレメント８の外側部分８．１には、制御縁部１６が設けられており、この制御縁部１６は高圧側の孔１９；２３を互いに接続する。制御エレメント８の外側部分８．１に設けられた制御縁部１６の配置構成は、図３に拡大されて図示されている。
【００２２】
図３には、噴射ノズル１４に対する高圧供給部の範囲で制御エレメント８に設けられた圧力段部の拡大図が示されている。制御エレメント８に設けられた、ポンプエレメント３のスリーブ１２に設けられた対応する制御縁部と協働する制御縁部３２の範囲には、圧力段部８ａが減径部の形で形成されている。この減径部の減径量は０．０５〜０．２ｍｍの範囲にあり、この減径部に、制御エレメント８の隣接した範囲の直径と比べて小さな直径を有する圧力段部８ａが形成されている。
【００２３】
以下に、図１〜図３につき説明した単シリンダ型のポンプユニットの機能形式について詳しく説明する。
【００２４】
ポンププランジャ４の下降運動時では、流入管路もしくは燃料流入部２１を介して、つまり蓄力器１０を収容する電磁弁側の中空室を介して、燃料の吸込が行われる。圧力室５はゆっくりと燃料で満たされる。このためには、切換弁６が制御ユニット１５を介して適宜に通電されるので、制御エレメント８は「開放」位置に位置する。ポンププランジャ４が下死点３５から上死点３６の方向に運動するときには、制御エレメント８は閉鎖位置に留まる。ポンププランジャ４の上昇運動時では、切換弁６が通電されていない。制御エレメント８に作用する両蓄力器１０，１１は、制御エレメント８を閉鎖位置に保持し、制御縁部１６はポンプエレメント３に設けられた高圧側の孔１９と孔２３とが互いに接続されることを阻止する。制御エレメント８が、燃料供給のための孔１９を噴射ノズル１４に対して閉鎖する位置に留まっている限りは、圧力室５内の燃料圧は、ローラ付タペット１の運動時にポンププランジャ４の行程の関数として増大する。切換弁６が通電されていない限り、閉鎖力は電磁弁側の蓄力器１０によってしか加えられない。
【００２５】
切換弁６が通電されて、制御エレメント８が低圧側に設けられたスリーブ状の構成部材９に向かって運動すると、圧送が開始される。制御エレメント８の端面はスリーブ状の構成部材９に当接し、低圧室１８は燃料流入が阻止されるようにその座面１７で閉鎖されている。それと同時に、制御縁部１６，３２が開くので、高圧下にある燃料が孔２３から、制御縁部１６の範囲で制御エレメント８に設けられた圧力段部８ａに沿って環状室３１内へ流入する。この燃料は、噴射ノズル１４に通じた孔１９に流入する。切換弁６による制御エレメント８の制御の開始に応じて、上死点３６に向かう上昇運動時におけるポンププランジャ４の運動によって噴射圧経過に影響を与えることができる。噴射圧経過に対する影響付与は、たとえばローラ付タペット１の下端部に収容された、ローラ２５として形成された操作機構の転動路を成す各カムの適当な形状付与を介して得ることができる。
【００２６】
切換弁６に加えられた保持電流が、高い方の第１の保持電流レベル４２に留まる限り、制御エレメント８は制御縁部１６の当付けによって低圧室１８を閉鎖している。それに対して、切換弁６を制御する制御ユニットによって保持電流が、低い方の第２の保持電流レベル４３にまで降下させられると、制御エレメント８に力平衡が生ぜしめられる。切換弁６によって形成された力と、蓄力器１１のばね力とが、電磁弁側の蓄力器１０と平衡する。これにより、制御エレメント８はスリーブ１２内で全行程距離の半分の行程距離に相当する中間位置を占める。この中間位置では、両制御縁部１６，１７がそれぞれ開いている。制御エレメント８のこの位置では、ポンプエレメント３の圧力室５に対する接続部、孔１９による噴射ノズル１４に対する接続部ならびに低圧室１８の開口が、それぞれ開いたままとなる。したがって、迅速な減圧が行われるので、噴射過程は迅速に終了される。
【００２７】
図４には、切換弁に印加される電流の電流経過が、ポンププランジャの下死点〜上死点〜下死点にわたる行程との関係で描かれている。
【００２８】
ポンププランジャ４の、下死点３５から上死点３６にまでの上方に向けられた行程運動の間、切換弁６にはまず低い保持電流レベル４３の保持電流が印加されている。この低い値の保持電流レベル４３は、所望の圧力形成もしくは増圧が達成されるまで印加されたままとなる。所要の増圧に応じて、制御縁部１６は増圧段階の間、閉鎖されたままとなるので、所望の圧力レベルに応じて圧力制御領域３３（破線で示す）内で制御インパルスを行うことができる。保持電流インパルスおよび激しい振れの後に高い方の保持電流レベル４２に到達した保持電流により、図５に示したような制御縁部１６から制御縁部１７への制御エレメント８の移動が行われる。制御エレメント行程経過３７に沿った領域３８は、移行領域を表しており、これらの移行領域内で制御エレメント８の運動時機を変え、ひいては噴射したい燃料量を変えることができる。高い方の保持電流レベル４２が維持されている間、制御縁部１７は低圧室１８に対して閉鎖されており、そして開放された制御縁部１６によって、噴射ノズル１４を負荷する孔１９内へ噴射を行うことができる。噴射量制御領域３４における保持電流レベル４２の時間に応じて、つまり保持電流レベル４２から保持電流レベル４３への降下の時機に応じて、制御エレメント８の補償運動が行われ、この場合、制御エレメント８は図５に示したように両制御縁部１６，１７の間の中間位置をとり、そして圧力室５を低圧室１８と短絡させ、形成された圧力の迅速な減圧が生じる。
【００２９】
電流変化の時間的な経過と、スリーブ１２内での制御エレメント８の位置変化との比較から、ポンププランジャ４による上死点３６への到達前に、適宜に調量された噴射量が噴射されることが判る。
【００３０】
図６には、パラメータである保持電流、制御エレメント行程および噴射過程の経過が、それぞれポンププランジャの下死点から上死点への、そして上死点から下死点への運動との関係で描かれている。
【００３１】
図６の上側の２つの線図は、既に説明した図４および図５に示した線図にほぼ相当している。最下位に示した線図からは、下死点３５から上死点３６への、そして上死点３６から下死点３５へのポンププランジャの行程との関係で、燃料量の噴射経過が描かれている。それぞれ破線で示した領域は、制御ユニット１５を介して切換弁６に印加される保持電流を変えることにより噴射過程の時間的な可変性が可能となる領域を表している。
【００３２】
提案された制御によって、噴射量であれ、噴射開始時機であれ、噴射圧であれ、噴射段階時の噴射圧経過であれ、燃焼最適化のための全ての噴射パラメータを電子的に制御することができる。この場合、選択された解決手段はシステム安全性を決定的に高める。
【００３３】
たとえば電磁弁として形成された切換弁６が無電流状態のままとなると、蓄力器１０の方が強力に設定されていることに基づき、制御エレメント８の制御縁部１６は常に、対応する座面に接触していて、噴射ノズル１４に通じた高圧側の孔１９に対する流入部を閉鎖している。これにより、ポンプの充填が不可能となり、システムは噴射過程を実施することができない。制御エレメント８がポンプエレメント３のスリーブ１２内で機械的にひっかかって開放位置に留まってしまった場合でも、圧力室５の緩慢（ｚｏｅｇｅｒｌｉｃｈ）な充填しか行われない。この場合、低圧室１８が圧力室５に常時接続されており、そして流入する、比較的高い圧力下にある燃料は短絡路を介して低圧室１８へ流出するので、過剰量の燃料が噴射されることはない。制御エレメント周面に、制御エレメント直径に比べて０．０５〜０．２ｍｍの直径減少（減径）を有する圧力段部８ａが形成されていることにより、圧送時における切換弁６での電流消失が考慮されている。この圧力段部８ａならびに電磁弁側の蓄力器１０は、圧力室５のための安全弁として機能し、この場合、この圧力段部８ａならびに電磁弁側の蓄力器１０では、最大システム圧、つまりローラ付タペット１の最大許容可能な負荷が調節可能となるので、この臨界的な圧力が超過されると、低圧側の制御室を成す低圧室１８の自動的な開放が行われ、これにより、燃料は損傷を引き起こすことなしに低圧範囲へ流出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ローラ付タペットに収容されたポンププランジャを備えたポンプエレメントの縦断面図である。
【図２】単シリンダ型のポンプユニットに設けられた、噴射過程を制御する制御エレメントの縦断面図である。
【図３】制御エレメントの高圧供給部の範囲に設けられた圧力段部を示す拡大図である。
【図４】切換弁における電流経過を、下死点〜上死点〜下死点にわたるポンププランジャ行程との関係で示す線図である。
【図５】低圧側の制御縁部と高圧側の制御縁部との間の制御プランジャ行程の経過を示す線図である。
【図６】パラメータである電流、制御プランジャ行程および噴射経過を、下死点〜上死点〜下死点にわたるプランジャ行程との関係で示す線図である。
【符号の説明】
１  ローラ付タペット、  ２  ばね、  ３  ポンプエレメント、  ４  ポンププランジャ、  ５  圧力室、  ６  切換弁、  ７  磁石、  ８  制御エレメント、  ８ａ  圧力段部、  ８．１  外側部分、  ８．２  内側部分、  ９  スリーブ状の構成部材、  １０，１１  蓄力器、  １２  スリーブ、  １３  管路、  １４  噴射ノズル、  １５  制御ユニット、  １６，１７  制御縁部、  １８  低圧室、  １９  孔、  ２１  燃料流入部、  ２２  流出孔、  ２３  孔、  ２４  ピン、  ２５  ローラ、  ２６  潤滑孔、  ２７  ピン結合部、  ２８  シールエレメント、  ２９  ばねストッパ、  ３０  ねじ山、  ３１  環状室、  ３２  制御縁部、  ３３  圧力制御領域、  ３４  噴射量制御領域、  ３５  下死点、  ３６  上死点、  ３７  制御エレメント行程過程、  ３８  領域、  ４２，４３  保持電流レベル
【図１】
0004608077.tif 000002
【図２】
0004608077.tif 000003
【図３】
0004608077.tif 000004
【図４】
0004608077.tif 000005
【図５】
0004608077.tif 000006
【図６】
0004608077.tif 000007