(57)【要約】【課題】  自動車用の直接燃料噴射システムに関する。【解決手段】  エンジンのガソリン直接噴射システムは複数の燃料インジェクタを供給する燃料レールに接続された出力部を有する高圧ポンプを有する。制御バルブは燃料インジェクタが開閉する場合燃料レール圧力を一定レベルに維持するためポンプと並列に接続される。バルブ素子は制御バルブを介して燃料の流量を制御するためシートと係合又は分離する。燃料供給レールからの高圧力は制御バルブを急速に開口するために作用する力の不均衡を発生するように設計されたバルブ素子の表面に作用する。制御バルブを閉鎖する電磁アクチュエータは、バルブ性能を損なう渦電流を最小にするため、低インピーダンスコイルと軟磁性複合材料からなる磁極を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料供給部に接続された流入部と、液体燃料が少なくとも５０バールの圧力で供給される流出部とを有するポンプと；
前記ポンプの前記流出部に接続された共通燃料レールと；
前記共通燃料レールに接続された少なくとも１つの燃料インジェクタノズルと；
中間に流体通路を選択的に形成するため、前記ポンプの前記流入部と前記流出部間に接続された流量制御バルブと；
を備え、前記流量制御バルブが、
（ａ）１端にバルブシートを有する穿孔部を有し、前記穿孔部内に開口する流入ポートを有し、前記ポンプの流入部が前記穿孔部の１端部と連通し、前記ポンプの前記流出部が前記流入部と連通するバルブステムと；
（ｂ）前記穿孔部内に配置され、前記ポンプの前記流入部と前記流出部間の流量を制御するため前記バルブシートを選択的に係合するバルブ素子であり、さらに前記流入部と連通する外部溝を有し、前記外部溝が前記バルブシートに近接する第１表面と前記バルブシートから遠隔した第２表面を有し、前記第１表面が前記第２表面より大きいので、前記溝内の圧力が前記バルブ素子を前記バルブシートから離間させるように移動させるバルブ素子と；
（ｃ）前記バルブ素子に動作可能に接続されたソレノイドアクチュエータであり、前記アクチュエータの活性化が前記バルブ素子を前記バルブシートに向けて移動させるソレノイドアクチュエータと；
を備えることを特徴とする自動車用の直接噴射燃料供給システム。
【請求項２】
前記ソレノイドアクチュエータが電気コイルと、前記電気コイルにより発生する電磁界に応答して前記バルブ素子を前記バルブシートに向けて移動させるため動作可能に接続された電機子とからなることを特徴とする請求項１記載の制御バルブ。
【請求項３】
前記電気コイルが３．０ｍＨ以下のインダクタンスと、１．０オーム以下の抵抗を有することを特徴とする請求項２記載の制御バルブ。
【請求項４】
前記ソレノイドアクチュエータが軟磁性複合材料から製造され、周りを電気コイルが巻回されている磁極片からなることを特徴とする請求項２記載の制御バルブ。
【請求項５】
前記ソレノイドアクチュエータが前記磁極片の近傍である磁気導電性のディスク状の電機子からなることを特徴とする請求項４記載の制御バルブ。
【請求項６】
前記穿孔部内の燃料が前記ソレノイドアクチュエータに流れるのを防止するため前記バルブステムと前記バルブ素子間のシールをさらに具備することを特徴とする請求項１記載の制御バルブ。
【請求項７】
前記バルブ素子を前記バルブシートから離間するように偏倚するばねをさらに具備することを特徴とする請求項１記載の制御バルブ。
【請求項８】
内部に前記バルブステムが伸びる開口部を有するベースを有する容器と、前記ソレノイドアクチュエータとの周囲に伸び且つ前記ベースに対して封止されたキャップをさらに具備することを特徴とする請求項１記載の制御バルブ。
【請求項９】
液体燃料を運ぶ供給ラインと；
前記供給ラインに接続された流入部と、流出部とを有するポンプと；
前記ポンプの前記流出部に接続された共通燃料レールと；
前記共通燃料レールに接続された複数の燃料インジェクタノズルと；
中間に流体通路を選択的に形成するため、前記ポンプの前記流入部と前記流出部間に接続された流量制御バルブと；
を備え、前記流量制御バルブが、
（ａ）１端にバルブシートを有する穿孔部を有し、前記穿孔部に開口する流入部を有し、前記ポンプの流入部が前記穿孔部の１端部と連通し、前記ポンプの前記流出部が前記流入ポートと連通するバルブステムと；
（ｂ）前記穿孔部内に配置され、前記ポンプの前記流入部と前記流出部間の流量を制御するため前記バルブシートを選択的に係合するバルブ素子であり、前記ポンプの前記流入部でより前記穿孔部内のより大きな圧力が前記バルブ素子を前記バルブシートから離間させるように移動させるバルブ素子と；
（ｃ）電気コイルとディスク状の電機子を有するソレノイドアクチュエータであり、前記電機子が前記電気コイルにより発生する電磁界に応答して前記バルブ素子を前記バルブシートに向けて動かすように動作可能に結合され、且つ前記ソレノイドアクチュエータは前記バルブ素子を前記バルブシートから離間するように偏倚するため電機子を係合するばねを有するソレノイドアクチュエータと；
を備えることを特徴とする自動車用の直接噴射燃料供給システム。
【請求項１０】
前記電気コイルが３．０ｍＨ以下のインダクタンスと、１．０オーム以下の抵抗を有することを特徴とする請求項９記載の制御バルブ。
【請求項１１】
前記ソレノイドアクチュエータが軟磁性複合材料から製造され、且つ内部で前記電気コイルが巻回される管状溝を有する磁極片からなることを特徴とする請求項９記載の制御バルブ。
【請求項１２】
前記ソレノイドアクチュエータが前記磁気片の近傍である磁気導電性のディスク状の電機子からなることを特徴とする請求項１１記載の制御バルブ。
【請求項１３】
前記穿孔部内の液体が前記ソレノイドアクチュエータに流れるのを防止するため前記バルブステムと前記バルブ素子間のシールをさらに具備することを特徴とする請求項９記載の制御バルブ。
【請求項１４】
内部を前記バルブステムが伸びる開口部を有するベースを有する容器と、前記ソレノイドアクチュエータの周囲に伸び且つ前記ベースに対してシールされたキャップをさらに具備することを特徴とする請求項９記載の制御バルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃エンジン用の燃料噴射システムに関し、特に、エンジン内のインジェクタバルブに送られる燃料の圧力を制御するためのバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
何十年も、ガソリン内燃エンジンは燃料と流入空気を混合するためキャブレターを使用してきた。得られた空気／燃料混合体は吸気マニホールドと機械吸気バルブを通じて各エンジンシリンダに分配される。マルチポート燃料噴射システムはほとんどのエンジンのための気化装置に取って代わった。マルチポート燃料噴射システムは圧力をかけてガソリンを各シリンダの吸気ポートに注入する分離燃料インジェクタバルブを持っており、ガソリンはシリンダ内に流れる空気と混合する。このマルチポート燃料噴射でさえ、達成可能な燃料供給応答性や燃焼制御に限界がある。
【０００３】
つい最近、燃料をエンジンシリンダに供給するための第３の解決法が案出された。“ガソリン直接噴射”即ち“ＧＤＩ”として知られており、この技術では空気流入通路から分離するポートを通じて燃料を直接燃焼シリンダに噴射している。燃料は到来する空気と予め混合しないので、シリンダに供給される燃料の量と燃料が注入されるピストンのストローク中のポイントのより正確な制御を可能にしている。具体的には、エンジンが高速で又は高負荷で動作すると、これらの条件で燃焼を最適にする吸気ストローク期間中に燃料噴射が生じる。正常な駆動状態中に、燃料噴射が燃焼ストロークの後段階で起こり、比較的低い燃料噴射のための超希薄空燃比を提供する。燃料が注入され、その間高い燃焼圧力がシリンダ内に存在するので、ガソリン直接噴射は燃料が比較的高圧、例えば、マルチポート噴射システムに使用される圧力の１００倍で、インジェクタバルブに供給されることを要求する。
【０００４】
すべてのインジェクタバルブが閉鎖される期間があり、燃料ポンプの流出通路とシリンダ間の、燃料供給レールとして知られている、導管内のガソリンは行き場所が無くなる。これはより低圧で動作される従来の燃料システムでは重大な問題を生じない。しかしながら、ガソリン直接噴射システムの非常に大きな圧力で、燃料ポンプの下流の燃料システム部品等はこの圧力に耐えなければならない。更に、このとき非常に高い背圧負荷がそのような時間に燃料ポンプで生じる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、インジェクタバルブの開閉においても、燃料ポンプ流出部の下流である燃料システムの区画において一定の圧力レベルを維持するための機構を備えることが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
自動車用の直接噴射燃料供給システムは燃料供給部に接続された流入部と、高圧で液体燃料を供給する流出部を含んでいる。共通燃料レールはポンプの流出部に接続され、少なくとも１つの燃料インジェクタノズルは共通燃料レールに接続されている。流量制御バルブはポンプの流入部と流出部間に接続され、その間の流路を選択的に提供する。
【０００７】
流量制御バルブはバルブステムと、バルブ素子と、ソレノイドアクチュエータからなる。バルブステムは一方の端部でバルブシートを有する穿孔部を有し、且つ穿孔部内に開口する流入ポートを有する。ポンプの流入部は穿孔部の１端部と連通し、ポンプの流出部は流入部と連通する。バルブ素子は穿孔部内で受止められ、ポンプの流入部と流出部間の流量を制御するためバルブシートと選択的に係合する。バルブ素子は流入ポートと連通する外部溝を有する。外部溝はバルブシートに近接する第１表面と、バルブシートから遠隔である第２表面を有する。第１表面は第２表面より大きいので、外部溝の圧力はバルブ素子をバルブシートから離間するように動かす。ソレノイドアクチュエータはバルブ素子に動作可能に接続されるので、ソレノイドアクチュエータの活性化によりバルブ素子はバルブシートに向かって移動する。
【０００８】
流量制御バルブの高速動作を確実にするため、ソレノイドアクチュエータの部品は好ましくは軟磁性複合材料から製造される。この材料は磁束のための非電気導電通路を形成するので、磁束の増加、それによるアクチュエータの速度を低下させる渦電流を減少させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１を参照すると、自動車のエンジン用の直接ガソリン噴射（ＧＤＩ）燃料システム１００は燃料タンク１１４内又はその近傍に配置された電気供給ポンプ１１２を有する。この供給ポンプ１１２はガソリンを比較的低圧（例えば、２−５バール）で燃料ライン１１６を介して通常の燃料フィルター１１８に且つ流入ライン１１９を介してエンジンの近くに配置された供給ポンプ１２０に強制的に供給する。この後者の供給ポンプ１２０はガソリンを比較的高圧（例えば、２００−２５０バール）でポンプ流出ライン１２５と非戻り逆止バルブ１２６を介してエンジンシリンダのための複数の燃料インジェクタ１３１、１３２、１３３、１３４に供給する共通燃料レール１２８に供給する。標準の機械圧力リリーフバルブ１３６が危険な高圧がポンプ流出ライン１２５に生じるのを防止するため供給ポンプ１２０と並列に取り付けられている。
【００１０】
制御バルブ１３０はポンプ流出ライン１２５内の放出ガソリン流の圧力を転送し調整することにより供給ポンプ１２０の瞬時流出圧力を処理する。具体的には、制御バルブ１３０はガソリンをポンプのための低圧流入ライン１１９に戻すことによりポンプ流出部の高圧を解放する。制御バルブ１３０はソレノイドアクチュエータが通電されると正常に開閉する。ソレノイドの活性のタイミングと期間はガソリンの流量を制御バルブ１３０を介して制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）１３８を含むエンジン制御システムにより制御される。電子制御ユニット１３８は燃料インジェクタ１３１−１３４を電気的に動作させる。
【００１１】
エンジンのアイドル速度以上の定常状態の動作期間中、シリンダ内の燃料噴射は一定期間ごとに始まり且つ同一期間を有する個別の事象である。噴射動作中において、制御バルブ１３０は閉鎖されるので、ポンプ流出ライン１２５内の圧力は所望の高供給レベル（例えば、２００バール）に上昇する。燃料噴射動作間において、制御バルブ１３０は開放されるので、高圧供給ポンプ１２０により排除された燃料は流入ライン１１９に再循環される。この燃料排除が無いと、共通燃料レール１２８内の圧力は２００バール以上に上昇することになる。制御バルブ１３０が開くことにより共通燃料レール１２８の圧力はすべての燃料インジェクタが閉鎖されるときほぼ２００バールに維持される。制御バルブ１３０の各活性およびポンプ流出ライン１２５内での高圧の発生は関連する噴射動作より長い期間を持っている。噴射動作、制御バルブ活性、および高ポンプ流出ライン圧力はすべてほぼ同時に終了する。この型のガソリン直接噴射システムの動作は米国特許第６，４９４，１８２号に詳細に記載されている。
【００１２】
図２および図３を参照すると、電磁油圧流量制御バルブ１０は供給ポンプ１２０の本体１２内の開口部１１内に搭載される。ポンプ流出ライン１２５は側壁を介して開口部１１内に開口し、開口部１１の底部は流入ライン１１９と連通する。流量制御バルブ１０は燃料ポンプ開口部１１内に伸び且つ中間の流量を制御するため流入ライン１１９と流出ライン１２５と接続する管状ステム１８を有する。具体的には、バルブステム１８は流出ライン１２５を開口部に結合する横断流入ポート１９を貫通して伸びる縦穿孔部１５を有する。バルブシート２０は流入ライン１１９と連通する穿孔部１５の端部開口部に形成される。バルブ素子２２はバルブステム１８の穿孔部１５内に滑動可能に受止められ、流量制御バルブの閉鎖状態でバルブシート２０に突き当たるテーパ部を有する内部端部を有する。
【００１３】
バルブ素子２２の他端は、例えば、蝋付け又は溶接により、電機子ディスク２４内の中央開口部内に機械的に結合される。電機子ディスク２４の反対側に、中央開口部３２とこの中央開口部の周囲に伸びる管状溝３４を持つ磁気導電性磁極３０を取り囲むプラスチック外部容器２９を有するソレノイドアクチュエータ２８がある（図４参照）。電磁コイル３６は管状溝３４内で巻回され且つエンジン動作を制御する制御装置に対するコネクタ３８に伸びるリードを有する。電磁コイル３６は３．０ｍＨ以下のインダクタンスおよび１．０オーム以下の抵抗を有する。好ましくは、電磁コイル３６のインダクタンスは２．５ｍＨであり、抵抗は０．２オームである。磁極片の中央開口部３２内のばね４０はバルブ素子２２をバルブシート２０から離間するように押し且つバルブを開口するように電機子ディスク２４を偏倚する。
【００１４】
電磁コイル３６を通電することにより、図３に示されるように、バルブを閉じるバルブシート２０に抗してバルブ素子２２を引き寄せるため電機子ディスク２４を磁極片３０に向けて吸引する磁束線４２により示される磁界を発生する。磁束は電機子ディスク２４と磁極片３０を透過する。必要な力を発生するために要求される電磁コイルのサイズは大きな断面領域および磁束４２が透過する非常に小さい間隙を与えることにより減少する。
【００１５】
磁極片３０は電気絶縁被膜を有する、複数の強磁性粒子からなる粉末である“軟磁性複合材料”で製造される。被膜は少なくとも１ミリオームセンチの強磁性粒子の近傍の電気絶縁を与える。バルブ部品３０は強磁性粉末を成型することにより製造される。軟磁性複合材料およびそれらから電磁石コアを製造するための方法は米国特許第６，２５１，５１４号に記載されている。個々の粒子強磁性体粉末は互いに電気的に絶縁されるので、磁極片３０は磁束の逆転を遅くする渦電流を減少させる磁束のための非電気導電性通路を提供する。渦電流の減少により、バルブの電磁石アクチュエータは、従来の電磁石磁極片を有するアクチュエータに比べて、速い応答時間を持つことができる。
【００１６】
バルブ動作の重要なファクターは電機子ディスク２４が流量制御バルブ１０を介して流れる液体燃料と接触しないことである。シール４４は燃料がバルブステム１８のバルブ素子２２と外部区画４６間を移動するのを防止し、それにより、電機子ディスク２４に到達するのを防止する。電機子ディスク２４を制御されている流体から絶縁することはこの流量制御バルブ１０の重要な特徴である。
【００１７】
図３および図５を参照すると、バルブ素子２２に作用する流体圧力による力は高速開口時間を提供するために実質的に不均衡にされる。具体的に、バルブ素子はバルブシート２０に近接する第１端部表面５２とこのバルブシートから遠隔の第２端部表面５４を有する外部周辺溝５０を有し、両端部表面は燃料供給レールから流出ライン１２５内の高圧力流体に露出されている。周辺溝５０の近傍のバルブステム穿孔部１５の直径は電機子２４により近い穿孔部の直径よりわずかに大きく、第２端部表面５４の近傍にリップ部５５を形成する（図５）。結果として、第２端部表面５４の領域はバルブが閉鎖されると高圧流体に露出される第１端部表面５２の領域より実質的に小さい。
【００１８】
この表面領域の差により、これらの端部表面５２および５４に作用する高圧流体により生じる力は、バルブ素子２２をバルブシート２０から離間するように動かす方向でより大きい、即ち、バルブを開口する。従って、ばね４０による比較的小さい力は流入ライン１１９内の比較的低い圧力によりバルブ素子２２のノーズ５６に作用する力に打勝ち、流量制御バルブ１０を開口することができる。しかしながら、流量制御バルブ１０を閉鎖するために要求される、電磁コイル３６からの磁力は流入通路圧力とばね力に打勝つため充分に大きくなければならない。
【００１９】
本バルブ１０は内燃エンジン用の燃料噴射システム１００の燃料レール１２０内の圧力の制御において特有の用途を有する。この用途において、バルブは燃料ポンプ流出部の圧力を逃がすためエンジンの各サイクル期間中に何度でも極めて急速に開閉される。流量制御バルブ１０はこのような高速で動作させるための能力に寄与するいくつかの特徴を有する。これらの特徴のうち２つはバルブ素子内の溝部５０の端部表面のサイズの差、およびソレノイドアクチュエータの比較的低いインダクタンスおよび抵抗である。他の特徴は渦電流を減少するソレノイドの磁極片のための軟磁性複合材料の使用を含んでいる。流量制御バルブ１０の性能を上げる他の要因はソレノイドアクチュエータ２８の電機子２４がバルブを通して流れる燃料と接触せず、それにより、電機子の動きが液体燃料と比較されるように空気のより小さい流体抵抗を受けることである。
【００２０】
しかしながら、燃料が電機子２４と接触するのを防止することは絶対的に必須なことでない。これに関して、図６は図２に示されるものと同一外観を有する制御バルブ６０の第２実施例を示している。図３の第１制御バルブ１０と同一である部品は同一符号を付している。電機子２４は内部で溶接された管状コネクタピン６６を有する中央開口部を有する。コネクタピン６６は、貫通穿孔部を除いて、第１バルブ１０内のバルブ素子２２と同じ構成を有するバルブ素子７０を完全に貫通するバルブ素子２２内に圧入される。ポンプ流入ライン１１９内の燃料はバルブ素子２２とコネクタピン６６を通じてソレノイドアクチュエータ２８内の電磁コイル３６のための中央開口部６４と溝部３４内に流れる。
【００２１】
この燃料が制御バルブ６０から漏れるのを防止するため、金属キャップ６８がソレノイドアクチュエータ２８上に伸びる。金属キャップ６８の円形リップ７２は制御バルブのベースプレート７４に溶接され、ポンプ流出ライン１２５内の高圧に耐えられる流体密封シールを提供する。金属キャップ６８とベースプレート７４はソレノイドアクチュエータ２８を包囲する。プラスチック外部容器７６が金属キャップ６８上にモールドされる。
【００２２】
第２制御バルブは、ソレノイドアクチュエータ２８の内部が燃料ライン１１９と１２５から封止されず、燃料が電機子２４や電磁コイル３６のような内部部品と接触する点で、第１制御バルブと異なる。
【００２３】
前述の記載は主として本発明の好ましい実施例に向けられた。本発明の範囲内で種々の変形例に対していくつかの注目が引かれるが、当業者が本発明の実施例の開示から明らかである追加の変形例に気付くであろう事が予期される。従って、本発明の範囲は特許請求の範囲から決定されるべきであり、上記開示により限定されるべきでない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は自動車用の直接ガソリン噴射燃料システムの概略図である。
【図２】図２は燃料システムのソレノイドバルブの第１実施例の側面図である。
【図３】図３は図２のライン３−３に沿った断面図である。
【図４】図４は図２のライン４−４に沿った断面図である。
【図５】図５は図３のバルブ領域の拡大図である。
【図６】図６は燃料システム用のソレノイドバルブの第２実施例の断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１１    開口部
１５    縦穿孔部
１８    管状ステム
２０    バルブシート
２２    バルブ素子
２４    電機子ディスク
２８    ソレノイドアクチュエータ
３０    磁極片
３２    中央開口部
３４    管状溝
１１２    燃料供給ポンプ
１１４    燃料タンク
１１６    燃料パイプ
１１８    フィルタ
１１９    流入ライン
１２０    供給ライン
１２６    逆止弁
１２８    共通燃料レール
１３０    制御バルブ
１３１、１３２、１３３、１３４    燃料インジェクタ
１３６    圧力リリーフバルブ
１３８    電子制御ユニット    
【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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【外国語明細書】
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