(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンボアとノズル吐出口に開口するノズル室が形成された噴射器本体と、
前記ノズル室内に配置され、前記ノズル吐出口が開かれる開位置と前記ノズル吐出口が閉じられる閉位置の間で可動なニードルバルブと、
前記噴射器本体内に配置され、前記ピストンボア内に位置して引っ込み位置と前進位置の間で可動なピストンを備える流体作動燃料加圧組立体と、
前記ピストンを前記引っ込み位置に付勢する可変定数の戻りスプリングと、
からなり、
前記可変定数の戻りスプリングは、前記ピストンがその引っ込み位置から離れる方向に第１の距離にあるときは、比較的低いスプリング定数を有し、前記ピストンがその引っ込み位置から離れる方向に第２の距離にあるときは、比較的高いスプリング定数を有する、
ことを特徴とする流体作動燃料噴射器。
【請求項２】
請求項１に記載した流体作動燃料噴射器であって、
前記噴射器本体が、作動流体ドレンに開口する作動流体室と、作動流体入口とを備え、前記ノズル室はプランジャーボアに開口しており、
燃料噴射器には、さらに、
前記噴射器本体内に位置して、前記作動流体入口を開き前記作動流体ドレンを閉じる第１位置と、前記作動流体入口を閉じ前記作動流体ドレンを開く第２位置とを有する制御バルブと、
前記プランジャーボア内に配置され上方位置と下方位置の間を可動なプランジャーと、
が設けられ、前記プランジャーボアの一部と前記プランジャーとが前記ノズル室に開口する燃料加圧室を形成することを特徴とする流体作動燃料噴射器。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載した流体作動燃料噴射器であって、前記第１の距離は前記第２の距離より小さいことを特徴とする流体作動燃料噴射器。
【請求項４】
請求項３に記載した流体作動燃料噴射器であって、
前記噴射器本体は、燃料源に接続された燃料入口を備え、
前記作動流体入口は、前記燃料源とは異なる作動流体源に接続された、
ことを特徴とする流体作動燃料噴射器。
【請求項５】
請求項３に記載した流体作動燃料噴射器であって、
前記ピストンは、その引っ込み位置と前進位置の間のストローク距離が約７mmと等しいか、それより大きく、
前記第１の距離は約３mmに等しいか、それより小さい、
ことを特徴とする流体作動燃料噴射器。
【請求項６】
請求項５に記載した流体作動燃料噴射器であって、前記第２の距離が約３mmより大きく、前記ストローク距離に等しいか、それより小さいことを特徴とする流体作動燃料噴射器。
【請求項７】
請求項３に記載した流体作動燃料噴射器であって、前記第１の距離はアイドル状態に対応することを特徴とする流体作動燃料噴射器。
【請求項８】
請求項７に記載した流体作動燃料噴射器であって、前記第２の距離は冷機始動状態に対応することを特徴とする流体作動燃料噴射器。
【請求項９】
請求項７に記載した流体作動燃料噴射器であって、前記第２の距離は定格状態に対応することを特徴とする流体作動燃料噴射器。
【請求項１０】
請求項３に記載した流体作動燃料噴射器であって、前記可変定数戻りスプリングは、第１の組のコイルが他の組のコイルより互いに密に形成されたことを特徴とする流体作動燃料噴射器。
【請求項１１】
請求項１０に記載した流体作動燃料噴射器であって、前記第１の組のコイルは、前記ピストンがその引っ込み位置から前記第１の距離より大きい距離だけ離れたとき互いに接触するようになったことを特徴とする流体作動燃料噴射器。
【請求項１２】
請求項１又は請求項２に記載した流体作動燃料噴射器であって、前記低いスプリング定数は、約１５ニュートン／mmより小さく、前記高いスプリング定数は、約５０ニュートン／mmより大きいことを特徴とする流体作動燃料噴射器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般に流体作動燃料噴射装置に関し、さらに詳細には、そのような噴射装置における増強ピストンとプランジャーのための可変定数戻りスプリングに関する。
【０００２】
【従来技術】
公知の流体作動燃料噴射装置、或いはその部品が、例えば、1995年６月13日にズオに対して付与された米国特許第5,423,484 号及び1996年２月20日にハフナーらに付与された米国特許第5,492,098 に記載されてきる。これらの流体作動燃料噴射器においては、増強ピストン又はプランジャーにより圧力がバルブ開放圧力まで増大したとき、スプリング付勢されたニードルチェックが開いて、燃料噴射を行なう。この増強ピストンは、ソレノイド駆動の作動流体制御バルブが噴射器の高圧入口を開いたとき、エンジン潤滑油のような比較的高圧の作動流体によって作動させられる。ソレノイドを不作動にして増強ピストン上の圧力を除去することにより、噴射が終わる。増強ピストン上の圧力が除去されたとき、戻りスプリングが増強ピストンを引っ込み位置に戻す。これによって、燃料圧力の低下を生じ、ニードルチェックはその戻りスプリングの作用により閉じて噴射を終了する。
【０００３】
これらの燃料噴射器を備えたエンジンでは、アイドル状態で運転しているときに不安定な挙動を経験することがある。この不安定な挙動は、燃料噴射器が最低量の燃料噴射を指令されるときに相当するアイドル状態での回転数のふらつきとして現れる。アイドル状態においては、噴射器のソレノイドは短い時間しか励磁されないので、ポペットバルブの不規則な動きによっても噴射量が変化する。換言すると、アイドル状態での短いオン時間が信頼できる程度に確実性をもっていても、噴射器によって異なる部品の製造誤差に少なくとも一部起因して、噴射器によって変化を生じることになる。また、指令のオン時間に僅かな違いがある場合にも、アイドル状態で噴射される燃料の量に違いを生じる。
騒音及びエネルギの浪費は、レール圧力が必要以上に高いことに起因して発生するので、過剰な騒音やエネルギ浪費を減少させるために、アイドル状態でのレール圧力を減少させることが好ましい。さらに、燃料噴射量が同じ場合でも、レール圧力が低いとオン時間が長くなる。その結果、アイドルにおけるオン時間を長くすることで、オン時間指令の僅かな変化に対するシステム固有の感度を減退させることになる。しかし、定格状態又は冷機始動状態では、レール圧力は一般に増加される。アイドル状態での増強ピストンのストローク距離は、定格状態又は冷機始動状態におけるストローク距離より遙かに小さい。このため、ピストン戻りスプリングによりピストンに与えられる対向力を最小にして、アイドルにおけるレール圧力を低下させ、定格状態又は冷機始動状態でのその力を最大にすることが望ましい。定格状態又は冷機始動状態においては、ピストンをできるだけ早く引っ込み位置にリセットすることが望ましい。また、冷機状態では、作動流体の粘性が増加するので、高いピストン戻りスプリング力が一般に必要になる。アイドル状態では、比較的弱いスプリングでも、次の噴射イベントにとって十分な時間内にピストンを引っ込めることができる。
【０００４】
アイドル状態と定格又は冷機始動状態の両方で許容できる力を作用させるピストン戻りスプリングを選定することは、いずれの状態でも理想的なピストン戻りスプリング力を得られないという結果になり、技術的には妥協である。不安定なエンジン性能は非常に望ましくなく、特にアイドル状態ではそうであるので、これらの流体作動燃料噴射器を、レール圧力の変動或いはポペット制御バルブの動きの変動に対して感度が低くなるようにする傾向がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した問題の一又はそれ以上を解決することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一実施例においては、流体作動燃料噴射器は、ピストンボアとノズル吐出口に開口するノズル室とが形成された噴射器本体を備える。ノズル室内に配置されたニードルバルブ部材が、ノズル吐出口が開く開位置とノズル吐出口が閉じられる閉位置との間で可動である。流体作動の燃料加圧組立体は、ピストンボア内に配置されて引っ込み位置と前進位置の間で可動なピストンを備える。該ピストンをその引っ込み位置に付勢するために可変定数のスプリングが作動的に設けられる。この可変定数スプリングは、ピストンがその引っ込み位置から離れる方向に第１の距離にあるときは比較的低いスプリング定数を有し、ピストンがその引っ込み位置から離れる方向に第２の距離にあるときは比較的高いスプリング定数を有する。
【０００７】
本発明の他の実施例においては、流体作動燃料噴射器は、作動流体ドレンに開く作動流体室と作動流体入口とピストンボアとが形成され、さらに、プランジャーボアとノズル吐出口に開くノズル室が形成された噴射器本体を備える。制御バルブが噴射器本体に配置され、作動流体入口を開き作動流体ドレンを閉じる第１位置と、該作動流体入口を閉じ作動流体ドレンを開く第２位置とう有する。ピストンボアにピストンが配置され、引っ込み位置と前進位置の間で可動である。プランジャーボア内にプランジャーが配置され、上方位置と下方位置の間で可動である。ニードルバルブ部材がノズル室に配置され、ノズル吐出口が開かれる開位置とノズル吐出口が閉じられる閉位置の間で可動である。プランジャーボアの一部とプランジャーとがノズル室に開く燃料加圧室を形成する。ピストンを引っ込み位置に付勢するために可変定数のスプリングが作動的に配置されいる。この可変定数スプリングは、ピストンがその引っ込み位置から離れる方向に第１の距離にあるときは比較的低いスプリング定数を有し、ピストンがその引っ込み位置から離れる方向に第２の距離にあるときは比較的高いスプリング定数を有する。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図について説明する。図１を参照すると、図には、流体作動式電子制御燃料噴射装置１０がディーゼルサイクル内燃エンジン１２に適用した例により示されている。燃料噴射装置１０は、一又はそれ以上の流体作動式電子制御燃料噴射器１４を備えており、この噴射器は、エンジン１２のそれぞれのシリンダボア内に配置されている。燃料噴射装置１０は、各噴射器１４に作動流体を供給するための装置又は手段１６と、各噴射器１４に燃料を供給するための装置又は手段１８と、燃料噴射装置１０を電子的に制御するコンピュータ１７と、作動流体を循環させ各噴射器を出る作動流体から流体エネルギを回収するための装置又は手段１９を備える。
作動流体供給手段１６は、作動流体サンプ１３と、比較的低圧の作動流体移送ポンプ６と、作動流体クーラー８と、一又はそれ以上の作動流体フィルタ５と、作動流体に比較的高圧を生じさせる高圧ポンプ２と、少なくとも一つの高圧共通レール９とを備えることが好ましい。共通レール９は、比較的高圧の作動流体ポンプ２からの出口に里希有体的に連通するように配置される。レール分岐通路４０が各噴射器１４の作動流体入口を高圧共通レール９に接続する。
【０００９】
各噴射器１４の作動流体ドレンを出る作動流体は、再循環ライン７に入り、該再循環ライン７は、該作動流体を流体エネルギ再循環又は回収手段１９に運ぶ。再循環させられた作動流体の一部は、高圧作動流体ポンプ２に送られ、他の部分は、再循環ライン４を解して作動流体サンプ１３に戻される。本発明では、作動流体として利用可能などのような流体を使用してもよい。しかし、好ましい実施例では、作動流体はエンジン潤滑油であり、作動流体サンプ１３はエンジン潤滑油サンプである。これによって、燃料噴射装置を、エンジンの潤滑油循環システムの付属システムとして接続することができる。また、作動流体は、燃料タンク４２により提供される燃料でもよく、例えば冷却用流体きような他の流体源からのものでもよい。
【００１０】
燃料供給手段１８は、燃料タンク４２と、該燃料タンク４２と各噴射器１４の燃料入口を流体的に連通させるように配置された燃料供給通路４４を備えることが好ましい。さらに、比較的低圧の燃料移送ポンプ４６と、一又はそれ以上の燃料フィルタ４８と、燃料供給調整バルブ４９と、噴射器１４と燃料タンク４２の間の流体的連通を形成するように配置された燃料循環及び戻り通路４７とを備えることが好ましい。
電子制御モジュール１１を備えるコンピュータ１７が、ソフトウエア決定ロジックと理想的燃料システム作動パラメーターを定める情報とを備え、さらに、作動流体圧力及び噴射器ソレノイドのオン時間を含む燃料噴射装置の本質部分を制御する。電子制御モジュール１１は、一又はそれ以上の信号指示装置からの入力データ信号を受ける。例えば、入力データ信号は、エンジン速度Ｓ１、エンジンクランク軸位置Ｓ２、エンジン冷媒温度Ｓ３、エンジン排気背圧Ｓ４、吸気マニホルド圧力Ｓ５、作動流体共通レール圧力Ｓ６、スロットル位置又は所望燃料セッティングＳ７、及び変速機作動位置Ｓ８を含む。出力制御信号Ｓ９が高圧ポンプに向けられて、共通レール内の作動流体の圧力を制御する。制御信号Ｓ10（ソレノイド電流）が噴射器ソレノイドのオン時間、したがって各噴射イベントの持続時間を制御する。各噴射パラメーターは、エンジン速度及びエンジン負荷に関係なく可変的に制御できる。
【００１１】
ここで図２を参照すると、流体作動燃料噴射器１４は、種々の部分から構成され種々のボア及び通路を有する噴射器本体１５を備える。より詳細には、噴射器本体１５は、ピストンボア２３に開く作動流体室２０と、シート８１を通る高圧作動流体入口２１と、シート８２を通る低圧作動流体ドレン２２を備える。ソレノイド４５が励磁されると、ポペットバルブ部材８０がスプリング８６の作用に抗して持ち上がり、シート８２を閉じてシート８１を開き、高圧作動流体がシート８１を通って入口２１に流れ、作動流体室２０に入り得るようにする。ソレノイド４５が消磁されると、圧縮スプリング８６がポペットバルブ部材８０を付勢してシート８１を閉じてシート８２を開く。このように、作動流体室２０は、ソレノイド４５が消磁される通常時は低圧作動流体ドレン２２に開いている。
【００１２】
流体作動燃料加圧組立体は、ピストンボア２３内で引っ込み位置（図示位置）と前進位置の間で往復運動するように配置された増強ピストン５０を備える。このピストンは、その上方の受圧面が高圧作動流体に曝されたとき下方に動く。戻りスプリング５３が、プランジャー５２を増強ピストン５０の下側に接触状態に保持し、両者を図示する引っ込み位置に付勢する。プランジャー５２は、引っ込み位置（図示位置）と前進位置の間でプランジャーボア２５内を往復動可能なように配置されている。プランジャーボア２５の一部とプランジャー５２が燃料加圧室２６を形成する。
噴射器本体１５は又、接続通路２７を介して燃料加圧室２６に開き、かつ、ノズル吐出口２９に開くノズル室２８を備える。ニードルバルブ部材７０が、ノズル室２８内において、ノズル吐出口２９が開く開位置とノズル吐出口２９が閉じる閉位置の間を往復運動可能なように配置されている。圧縮スプリング７５が、ニードルバルブ７０を閉位置に向けて常時付勢する。ノズル室２８内の燃料圧力が圧縮スプリング７５に打ち勝つバルブ開圧力に達すると、上昇用流体面７１に作用する流体圧力が、ニードルバルブ部材７０を上昇させてノズル吐出口２９を開く。ニードルバルブ部材２９は、燃料圧力がバルブ開位置より通常は低いバルブ閉圧力以上に維持されている限り、その開位置を保つ。燃料は、燃料入口／戻り領域において噴射器１４に入り、チェックボール３２を通り通路３１に沿って燃料加圧室２６に入る。ボールチェック３２は、噴射イベント中におけるプランジャー５２の下向きストローク中に燃料加圧室２６から燃料入口３１への燃料の逆流を防止する。
【００１３】
さらに図３を参照すると、増強ピストンのための可変定数スプリング５３を、ピストン５０の引っ込み位置に対応する伸長状態で、拡大して断面図で示してある。スプリング５３は、第１組のコイル５８と、第２組のコイル５９を含む。第１組のコイル５８のコイル断面中心間の、ピッチとも呼ばれる距離ｙは、第２組のコイル５９のコイル断面中心間の距離すなわちピッチｘよりも小さい。スプリングのワイヤの直径、すなわち、半径方向の厚さ６６は、いずれの組のコイルでも同じであり、第１組のコイル５８のコイル間距離６２は、第２組のコイル５９のコイル間距離６４よりも小さい。第１組のコイル５８と第２組のコイル５９は接続されて一つの連続するコイル５３を形成する。
スプリングを圧縮するのに必要な力は、コイル間隔すなわちピッチにより異なる。ピストン５０が引っ込み位置にあると、可変定数戻りスプリング５３は最大に伸長した状態にあり、最大数のコイルがそれらの間にギャップ６２、６４を有する。ピストン５０がその引っ込み位置（アイドル状態に対応）から最初の数ミリメートルのストローク位置の間で、第１組のコイル５８が互いに圧縮され、ギャップ６２が除去される。第１組のコイル５８のピッチｙは第２組のコイル５９のピッチｘより小さいので、第１組のコイル５８が第２組のコイル５９よりも先に圧縮され、その間は、第１組のコイルにより、第２組のコイルのみの場合よりも弱い抵抗力が与えられる。アイドル状態では、ピストン５０はその引っ込み位置から僅かな距離を前進したり戻ったりするだけであり、その距離は、通常は約３mmよりも小さい。第１組のコイル５８におけるコイル間のギャップ６２の合計は、この短い距離より僅かに大きいか、これと等しい値とするか、或いは、この実施例では約３mmとする。アイドル状態では、ピストン５０は、第１組のコイル５８による抵抗力に打ち勝つだけでよいようにすることが好ましい。
【００１４】
定格運転状態又は冷機始動状態（すなわち、高燃料状態）では、ピストン５０は最大ストローク長を動き、この長さは、例えば図示の噴射器の場合には約７mmである。ピストン５０は、引っ込み位置から約３mmのところで、第１組のコイル５８を完全に圧縮する。この点で、ピストン５０は、第１組のコイル５８より大きいピッチｘの第２組のコイル５９を圧縮し始め、大きい抵抗力を受ける。この大きい抵抗力は、定格又は冷機始動状態では、ピストンをできるだけ早くリセットし低温における作動流体の大きい粘性に打ち勝つのに望ましいものである。
コイル５８が圧縮されたとき、スプリング５３のスプリング定数が増大し、すなわち、別の表現を用いると、不活性になる。定格状態又は冷機始動状態でピストン５０が約３mmを越えて進むと、第１組のコイル５８が不活性になり、スプリング定数が増加する。アイドル状態では、より多くのコイルが活性状態で残り、蜜に配置されたコイル５８の間でも変形を生じるので、スプリング定数及び戻り力は最小になる。したがって、ピストン５０はアイドルで弱い抵抗力を受けるだけであり、同一の量の燃料を噴射するのにレール圧力低くすることができる。
【００１５】
本実施例では、可変定数スプリング５３は、螺旋圧縮コイルスプリングとして示されている。しかし、スプリング５３は他の種々の形態をとることができる。例えば、スプリング５３は、円錐形コイルスプリングでもよく、可変スプリング定数は、スプリングの異なる部分で異なる直径のものとすることによって達成することもできる。第１のケースでは、コイルの直径が大きくなるとスプリング定数が低くなり、コイル直径の大きい部分が最初に不活性になる。第２のケースでは、小さい直径のワイヤによるコイルが低いスプリング定数を持つことになる。本発明においては又、異なるスプリング定数の２又はそれ以上のスプリングを重ねた可変スプリング定数の戻りスプリングを使用してもよい。
図４は、従来の定スプリング定数戻りスプリングと本発明の可変定数戻りスプリング５３についての増強ピストン戻りスプリング力とスプリング圧縮距離の関係を示す図表である。下側のプロットは２つの直線状部分を持ち、可変定数戻りスプリング５３を表している。プロットは、ピストン５０が引っ込み位置にあって最大伸長状態となり、圧縮が最小のところから始まっている。ピストンストロークの最小の３mmでは、間隔の狭い第１組のコイル５８が圧縮され、これがスプリング５３を圧縮するのに必要な力を定める。図４の例では、最初の３mmにおける圧縮のスプリング定数は、約１２ニュートン／mmである。第１組のコイル５８が完全に圧縮された後は、より広い間隔のコイル５９の抵抗に打ち勝ってさらに圧縮することが必要になる。図４の例では、圧縮がピストンの引っ込み位置からみて３mmより大きく７mmより小さい状態での圧縮スプリング定数は約５４ニュートン／mmである。
【００１６】
図４の他方の線は通常の従来技術による定スプリング定数の戻りスプリングを表す。この場合のスプリング定数は、例示した噴射器の場合には、１２ニュートン／mmと５４ニュートン／mmの間の妥協的な値となる。与えられたスプリング圧縮のもとでのスプリング定数、したがってスプリング力は、定スプリング定数のスプリングと可変スプリング定数のスプリングのいずれにおいても、特定の用途について理想的になるように設計的に選択される事項である。しかし、図４から明らかなように、本発明の可変定数戻りスプリングは、従来のスプリングに比べてアイドル状態でのスプリング力を低くでき、しかも高燃料供給の定格状態又は冷機始動状態での戻りスプリング力を高くすることができる。
当業者は、以上の説明が例示目的に過ぎず、如何なる意味においても本発明の範囲を限定する意図のものでないことを理解するであろう。例えば、図示したコイルスプリング以外のスプリングを本発明による可変スプリングとして使用することもできる。いずれにしても、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による流体作動燃料噴射装置の概略図である。
【図２】  本発明による燃料噴射器の断面図である。
【図３】  本発明の一態様による可変定数戻りスプリングの拡大断面を側方からみた図である。
【図４】  定スプリング定数の戻りスプリングを有する従来の燃料噴射器と本発明による可変定数戻りスプリングを有する燃料噴射器の両方について増強ピストンの戻り力を示す図表である。
【符号の説明】
９は共通レール、１０は流体作動式電子制御燃料噴射装置、
１２は内燃エンジン、１３は作動流体サンプ、
１４は流体作動式電子制御燃料噴射器、１６は作動流体供給手段、
１７はコンピュータ、１８は燃料供給手段、５３は戻りスプリング
【図１】
0004057701.tif 000002
【図２】
0004057701.tif 000003
【図３】
0004057701.tif 000004
【図４】
0004057701.tif 000005