JP2003513195A - 内燃機関に用いられる燃料噴射弁 - Google Patents

内燃機関に用いられる燃料噴射弁

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JP2003513195A
JP2003513195A JP2001533309A JP2001533309A JP2003513195A JP 2003513195 A JP2003513195 A JP 2003513195A JP 2001533309 A JP2001533309 A JP 2001533309A JP 2001533309 A JP2001533309 A JP 2001533309A JP 2003513195 A JP2003513195 A JP 2003513195A
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injection valve
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シュテックライン ヴォルフガング
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Robert Bosch GmbH
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    • F02M2200/703Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic

Abstract

(57)【要約】 燃料噴射弁(16)が噴射弁部材(24)を有しており、この噴射弁部材(24)によって少なくとも1つの噴射開口(26)が制御される。噴射弁部材(24)の運動は制御弁(18)によって影響を与えられる。この制御弁(18)は制御弁部材(54)を有しており、この制御弁部材(54)によって制御圧室(50)内の圧力が制御され、この場合、この制御弁部材(54)によって、制御圧室(50)を仕切る閉鎖ピストン(42)に設けられた放圧通路(46)が制御され、この閉鎖ピストン(42)は制御圧室(50)内に生ぜしめられる圧力によって噴射弁部材(24)を閉鎖方向に負荷する。制御弁部材(54)はハイドロリック変換装置を介してピエゾアクチュエータ(78)によって移動可能であり、これによって制御弁部材(54)は放圧通路(46)を開放するか、または閉鎖する。制御弁部材(54)は閉鎖ピストン(42)に設けられた、弁座として働く前記放圧通路(46)の開口部(47)と協働するようになっており、制御圧室(50)内での制御弁部材(54)の横断面は放圧通路(46)の開口部(47)の横断面に少なくともほぼ等しく形成されているので、制御圧室(50)内の圧力によって、制御弁部材(54)に力が加えられることはなく、制御弁部材(54)を移動させるためには小さな力しか必要とならない。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 背景技術 本発明は、請求項1の上位概念部に記載の形式の、内燃機関に用いられる燃料
噴射弁から出発する。
【0002】 このような形式の燃料噴射弁は、蓄圧式燃料噴射システムの構成要素である。
このような燃料噴射弁は噴射弁部材を有しており、この噴射弁部材によって、少
なくとも1つの噴射開口が制御される。この噴射弁部材は圧力室を仕切る受圧肩
部を有している。この圧力室には、圧力下にある燃料が、燃料高圧源から圧力管
路を介して供給可能である。この燃料によって、噴射弁部材は閉鎖力に抗して、
前記噴射開口を開放するために弁座から持上げ可能となる。噴射弁部材の運動は
制御弁によって影響を与えられる。この制御弁はピエゾアクチュエータにより操
作される制御弁部材を有している。この制御弁部材は、圧力源に接続された制御
圧室内に生ぜしめられた、噴射弁部材を閉鎖方向へ負荷する圧力を制御する。制
御弁部材によって、制御圧室は放圧室に接続可能となり、これによって制御圧室
内の圧力は低下し、噴射弁部材を開放方向へ運動させることができる。ピエゾア
クチュエータによる制御弁部材の運動は、制御圧室内に生ぜしめられる圧力に抗
して行われなければならないので、制御弁部材を運動させるためには、大きな力
消費が必要となる。
【0003】 発明の利点 請求項1の特徴部に記載の特徴を有する本発明による燃料噴射弁には、従来の
ものに比べて次のような利点がある。すなわち、制御圧室を放圧室に接続するた
めの制御弁部材の運動を、制御圧室内の圧力に抗して行う必要はなく、ひいては
制御弁部材の運動のためには、極めて小さな力しか必要とされない。このことは
、小さな寸法を有するピエゾアクチュエータを使用することを可能にし、これに
より制御弁の構成サイズおよび重量を小さく保持することができる。さらに、制
御弁部材によって、噴射弁部材の開放行程を無段階に制限することができるよう
になる。
【0004】 請求項2以下には、本発明による燃料噴射弁の有利な構成および改良形が記載
されている。請求項2に記載の構成により、ピエゾアクチュエータが作動させら
れていない場合に、閉鎖ピストンに設けられた通路は制御弁部材によって確実に
閉鎖されることが達成されている。請求項3に記載の構成により設けられたばね
に基づき、制御弁部材を戻しばねに抗して運動させるためにピエゾアクチュエー
タにより加えられるべき力が減じられる。
【0005】 実施例の説明 図1に概略的に図示した蓄圧式燃料噴射システムは高圧ポンプ10を有してい
る。この高圧ポンプ10によって燃料はリザーブタンク12から高圧下にアキュ
ムレータもしくは蓄圧器14へ圧送される。この蓄圧器14はいわゆる「レール
」として形成されている。このレールからは複数の管路が導出されていて、それ
ぞれ内燃機関に配置された複数の燃料噴射弁16に通じている。各燃料噴射弁1
6は制御弁18を有しており、この制御弁18によって、燃料噴射弁16の開閉
動作が制御される。この蓄圧式燃料噴射システムはさらに制御装置20を有して
いる。この制御装置20には、内燃機関の種々の運転パラメータに関する信号が
供給される。制御装置20によって、これらの信号に関連して、燃料噴射弁16
の制御弁18が燃料噴射弁16の開放または閉鎖のために制御される。
【0006】 図2には、燃料噴射弁16と、この燃料噴射弁16に所属の制御弁18とが図
示されている。燃料噴射弁16は弁体22を有しており、この弁体22内には、
噴射弁部材24が軸方向移動可能に案内されている。弁体22の、内燃機関の燃
焼室寄りの端範囲は、少なくとも1つ、有利には複数の噴射開口26を有してい
る。噴射弁部材24の、燃焼室寄りの端範囲は、たとえばほぼ円錐形のシール面
28を有している。このシール面28は弁体22に形成された弁座30と協働す
る。この弁座30からは、前記噴射開口26が導出されている。弁体22には、
噴射弁部材24を取り囲む環状室32が形成されている。この環状室32は圧力
室34に接続されており、この圧力室34は蓄圧器14に接続されているので、
圧力室34内には、高圧ポンプ10により形成された圧力が生ぜしめられる。噴
射弁部材24は圧力室34内に配置された受圧肩部36を有している。この受圧
肩部36を介して、圧力室34内に生ぜしめられた圧力は、噴射弁部材24の開
放方向38に作用する力をこの噴射弁部材24に加える。噴射弁部材24には、
プレロードもしくは予荷重をかけられた閉鎖ばね40が作用している。この閉鎖
ばね40によって、噴射弁部材24は、圧力室34内に生ぜしめられた圧力によ
りこの噴射弁部材24に開放方向38で作用する力に抗して、閉鎖方向に負荷さ
れている。圧力室34内に生ぜしめられた圧力によって、噴射弁部材24は閉鎖
ばね40のばね力に抗して開放方向38へ運動可能であり、このときに噴射弁部
材24は噴射開口26を開放するので、燃料はこれらの噴射開口26を通じて内
燃機関の燃焼室内へ噴射される。噴射を終了させるためには、噴射弁部材24の
シール面28が閉鎖方向で、弁体22に設けられた弁座30に圧着されるので、
噴射開口26は閉鎖される。
【0007】 噴射弁部材24の、燃焼室とは反対の側の端部の範囲には、閉鎖ピストン42
が配置されている。この閉鎖ピストン42は制御弁18の一部である。閉鎖ピス
トン42は噴射弁部材24と一体に形成されているか、または別個の部分として
形成されていてもよい。閉鎖ピストン42は噴射弁部材24に対して少なくとも
ほぼ同軸的に配置されていて、制御弁18のハウジング部分48に設けられた孔
44内に軸方向移動可能に案内されている。閉鎖ピストン42内には、通路46
が形成されている。この通路46は、閉鎖ピストン42の、噴射弁部材24とは
反対の側の端面を起点として閉鎖ピストン42の長手方向軸線に対してほぼ同軸
的に延びる通路区分46aと、この通路区分46aに続いた、閉鎖ピストン42
の長手方向軸線に対してほぼ直角に延びる通路区分46bとを有している。この
通路区分46bは閉鎖ピストン42の外周面に、閉鎖ピストン42の、噴射弁部
材24寄りの端部の近くで開口している。通路46の通路区分46bの開口部が
位置する範囲では、閉鎖ピストン42が、孔44の、拡大された直径を有する孔
区分44a内に配置されており、それに対して閉鎖ピストン42の、噴射弁部材
24とは反対の側の範囲は、孔44の、前記孔区分44aよりも小さな直径を有
する孔区分44b内に密に案内されている。孔44の、拡径された孔区分44a
により、この孔44と、通路区分46bの開口部を有する閉鎖ピストン42との
間には、環状室が存在しており、この環状室は放圧室に接続されている。放圧室
としては、たとえばリザーブタンク12を使用することができる。
【0008】 閉鎖ピストン42は孔44の孔区分44b内で制御圧室50を仕切っている。
この制御圧室50は絞り52を介して蓄圧器14に接続されている。制御圧室5
0内には、閉鎖ピストン42と、この閉鎖ピストン42に設けられた通路46の
通路区分46aとに対して少なくともほぼ同軸的に、制御弁部材54の端部が突
入している。制御弁部材54の端部には、シール面55が形成されている。この
シール面55は、たとえば円錐形に形成されていてよい。このシール面55は、
閉鎖ピストン42の通路区分46aの、相応して同じく円錐形に形成された弁座
として働く開口部47と協働する。制御弁部材54のシール面55によって、閉
鎖ピストン42に設けられた通路区分46aの開口部47を開閉させることがで
きる。閉鎖ピストン42に設けられた通路区分46aの開口部47が制御弁部材
54によって閉鎖されていると、制御圧室50内には、蓄圧器14内の圧力と同
じ圧力が生ぜしめられ、噴射弁部材24は閉鎖位置に保持される。閉鎖ピストン
42に設けられた通路区分46aの開口部47が制御弁部材54によって開放さ
れていると、燃料は制御圧室50から閉鎖ピストン42に設けられた通路46を
通って流出することができ、そして制御圧室50内には、蓄圧器14内の圧力よ
りも低い圧力しか形成されないので、噴射弁部材24に設けられた受圧肩部36
に作用する圧力によって、閉鎖ばね40のばね力と、制御圧室50内に生ぜしめ
られた圧力により閉鎖ピストン42の端面に作用する力とに抗して、噴射弁部材
24を開放することができる。
【0009】 制御弁部材54の端部は、制御弁ハウジングの中間板57に設けられた開口5
6を貫通している。中間板57には、制御弁ハウジングの別のハウジング部分5
8が続いている。このハウジング部分58は段付された孔60を有しており、こ
の孔60は大小異なる直径を備えた2つの孔区分、つまり中間板57に向かって
形成された大径の孔区分60aと、この大径の孔区分60aに続いて形成された
小径の孔区分60bとを有している。制御弁部材54の、孔区分60a内に配置
された範囲は、制御弁部材54の、制御圧室50に突入した端部の直径に比べて
拡径された環状つば62を有している。中間板57と制御弁部材54の環状つば
62との間には、プレロードもしくは予荷重をかけられたばね64が配置されて
いる。このばね64によって、制御弁部材54は閉鎖ピストン42から離れる方
向に引っ張られる。
【0010】 閉鎖弁部材54は環状つば62に続いて再び、閉鎖弁部材54の、制御圧室5
0に突入した端部とほぼ同じ直径を有していて、小径の孔区分60b内に密に案
内された状態でこの孔区分60bを貫通している。制御弁18のハウジング部分
58には、さらに別のハウジング部分66が続いている。このハウジング部分6
6は制御弁部材54に対して少なくともほぼ同軸的な孔68を有しており、この
孔68は孔区分60bよりも大きな直径を有している。制御弁部材54の、孔6
8内に配置された範囲には、制御弁部材54の、孔区分60bを貫通した範囲に
比べて拡径された制御ピストン70が形成されている。この制御ピストン70に
よって、孔68内ではハウジング部分58に向かって作業室72が仕切られる。
ハウジング部分66には、板形のハウジング部分74が続いており、このハウジ
ング部分74と、制御ピストン70の、作業室72とは反対の側の端面との間に
は、プレロードもしくは予荷重をかけられた戻しばね76が配置されている。
【0011】 作業室72はハイドロリック変換装置を介してピエゾアクチュエータ78に接
続されている。このピエゾアクチュエータ78は制御装置20によって制御され
て、このピエゾアクチュエータ78に印加される電圧に関連してその長さを変化
させる。ピエゾアクチュエータ78はシリンダ79内に配置されていて、その長
さ変化時に、シリンダ79内に配置されたハイドロリック容積の圧縮もしくは膨
張を生ぜしめる。ハイドロリック変換装置は、ピエゾアクチュエータ78により
影響を与えられるハイドロリック容積が、ピエゾアクチュエータ78に比べて減
径されたピストン80に作用することにより実現されている。この場合、このピ
ストン80はピエゾアクチュエータ78の長さ変化時に、ピエゾアクチュエータ
78の直径対ピストン80の直径の比の分だけ拡大されたストロークを実施する
ようになる。ピストン80はピエゾアクチュエータ78に対して少なくともほぼ
同軸的に配置されていて、対応する直径を有するシリンダ81内に摺動可能に案
内されている。ピストン80によって、作業室82が仕切られる。この作業室8
2は、ハウジング部分66に設けられた、シリンダ81よりも小さな直径を有す
る通路83を介して作業室72に接続されている。ピエゾアクチュエータ78な
らびにピストン80は、制御弁18のハウジング部分66の周面の任意の個所に
配置されていてよく、そしてピエゾアクチュエータ78ならびにピストン80の
長手方向軸線は、制御弁18の長手方向軸線に対してほぼ直角に配置されている
か、または図2に示したように制御弁18の長手方向軸線に対して任意の角度で
傾けられていてよい。
【0012】 制御弁部材54はばね64によって、閉鎖ピストン42から離れる方向へ引っ
張られる。それに対して、制御弁部材54は戻しばね76によって閉鎖ピストン
42に向かって押圧される。戻しばね76のプレロードもしくは予荷重は、ばね
64のプレロードもしくは予荷重よりも大きく形成されているので、作業室72
内の圧力が小さい場合には、制御弁部材54は戻しばね76によって閉鎖ピスト
ン42に押圧され、通路46を閉鎖状態に保持する。この場合、制御圧室50内
で閉鎖ピストン42に作用する圧力によって、噴射弁部材24は閉鎖位置に保持
される。
【0013】 ピエゾアクチュエータ78が制御装置20によって制御されると、ピエゾアク
チュエータ78の長さが増大し、ピストン80によってハイドロリック容積が作
業室82から通路83を介して作業室72内へ押しのけられる。作業室72内で
は圧力が増大し、その結果、この作業室72から制御ピストン70に加えられる
力が、ばね64のばね力と共に戻しばね76のプレロードを克服し得るようにな
るので、制御弁部材54が閉鎖ピストン42から離れる方向へ運動させられる。
このときに、制御弁部材54によって、閉鎖ピストン42に設けられた通路46
の開口部47が開放されるので、制御弁部材54のシール面55と通路46の開
口部47との間には、ギャップが生ぜしめられる。このギャップを通じて燃料は
制御圧室50から通路46を通って流出することができる。これによって、制御
圧室50内の圧力は低下するので、噴射弁部材24は制御圧室50内の減じられ
た圧力と、閉鎖ばね40のばね力とに抗して、圧力室34内で受圧肩部36に作
用する圧力によって開放方向38へ運動させられて、噴射開口26を開放する。
閉鎖ピストン42はこのとき、噴射弁部材24と一緒に開放方向38へ運動し、
これによって制御弁部材54のシール面55と、通路46の開口部47との間の
ギャップは再び減じられる。これにより、制御弁部材54のシール面55と、通
路46の開口部47との間のギャップには、より強力な絞り作用が生ぜしめられ
る。これによって、制御圧室50内の圧力は再び増大する。なぜならば、制御圧
室50から少量の燃料しか流出し得なくなるからである。したがって、閉鎖ピス
トン42は制御弁部材54の位置に追従する。この場合、制御弁部材54のシー
ル面55と、閉鎖ピストン42の端面における通路46の開口部47との間のギ
ャップは、制御弁18の系が平衡状態となるように形成される。既に前で説明し
たように、閉鎖ピストン42は噴射弁部材24と一体に形成されているか、また
は噴射弁部材24に結合された別個の構成部分として形成されていてよい。また
、閉鎖ピストン42と噴射弁部材24との間の連結は、制御圧室50内に生ぜし
められる圧力によっても行われる。その場合、この圧力によって、閉鎖ピストン
42は噴射弁部材24に押圧される。シール面55と通路46の開口部47との
間のギャップが小さすぎると、制御圧室50内の圧力が増大し、閉鎖ピストン4
2は制御弁部材54から離れる方向へ運動する。シール面55と通路46の開口
部47との間のギャップが大きすぎると、制御圧室50内の圧力が減少し、閉鎖
ピストン42は制御弁部材54に向かって運動する。噴射弁部材24の開放行程
は、制御弁部材54の相応する位置によって無段階に制限され得る。
【0014】 制御圧室50内の圧力によって、制御弁部材54に力が加えられることはない
。なぜならば、制御圧室50内における制御弁部材54の横断面が、閉鎖ピスト
ン42の通路46の開口部47の横断面に等しいからである。したがって、制御
弁部材54は力補償されている。したがって、ピエゾアクチュエータ78により
行われる作業室72内の圧力の変化に基づき制御弁部材54の運動を生ぜしめる
ためには、制御弁部材54に作用する小さな力しか必要とならない。したがって
、ピエゾアクチュエータ78ならびにハイドロリック変換装置を、小さな寸法で
形成することができる。
【0015】 制御装置20を介して制御弁18のピエゾアクチュエータ78を適宜に制御す
ることにより、燃料噴射弁16の開放時期、開放時間および開放行程の大きさを
決定することができる。これによって、たとえばパイロット噴射を実現すること
ができる。この場合、燃料噴射弁はパイロット噴射のためにまず短時間だけかつ
/または小さな開放行程を用いるだけで開放され、その後に閉鎖され、そして引
き続きメイン噴射のために、より長い時間でかつ/またはより大きな開放行程を
用いて開放される。また、たとえば燃料噴射弁がまず極めて小さな開放行程を用
いて開放され、引き続き、より大きな開放行程を用いて開放されるような、規定
された噴射経過を実現することもできる。また、別の任意の噴射経過を実現する
こともできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 蓄圧式燃料噴射システムの概略図である。
【図2】 蓄圧式燃料噴射システムの燃料噴射弁の縦断面図である。
【符号の説明】
10 高圧ポンプ、 12 リザーブタンク、 14 蓄圧器、 16 燃料
噴射弁、 18 制御弁、 20 制御装置、 22 弁体、 24 噴射弁部
材、 26 噴射開口、 28 シール面、 30 弁座、 32 環状室、
34 圧力室、 36 受圧肩部、 38 開放方向、 40 閉鎖ばね、 4
2 閉鎖ピストン、 44 孔、 44a,44b 孔区分、 46 通路、
46a,46b 通路区分、 47 開口部、 48 ハウジング部分、 50
制御圧室、 52 絞り、 54 制御弁部材、 55 シール面、 56
開口、 57 中間板、 58 ハウジング部分、 60 孔、 60a,60
b 孔区分、 62 環状つば、 64 ばね、 66 ハウジング部分、 6
8 孔、 70 制御ピストン、 72 作業室、 74 ハウジング部分、
76 戻しばね、 78 ピエゾアクチュエータ、 79 シリンダ、 80
ピストン、 81 シリンダ、 82 作業室、 83 通路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F02M 51/00 F02M 51/00 E 【要約の続き】 の横断面に少なくともほぼ等しく形成されているので、 制御圧室(50)内の圧力によって、制御弁部材(5 4)に力が加えられることはなく、制御弁部材(54) を移動させるためには小さな力しか必要とならない。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 特に蓄圧式燃料噴射システムの構成要素である、内燃機関に
    用いられる燃料噴射弁であって、軸方向移動可能に案内された噴射弁部材(24
    )が設けられていて、該噴射弁部材(24)によって少なくとも1つの噴射開口
    (26)が制御されるようになっており、該噴射弁部材(24)が、圧力室(3
    4)を仕切る受圧肩部(36)を有しており、該圧力室(34)に、燃料高圧源
    (10;14)から圧力下にある燃料が供給されるようになっており、該燃料に
    よって、前記噴射弁部材(24)が、閉鎖力に抗して、前記噴射開口(26)を
    開放するために弁座(30)から持上げ可能であり、前記噴射弁部材(24)の
    運動に影響を与える制御弁(18)が設けられていて、該制御弁(18)が、ピ
    エゾアクチュエータ(78)により操作される制御弁部材(54)を有しており
    、該制御弁部材(54)が、圧力源(10;14)に接続された制御圧力室(5
    0)内に生ぜしめられる圧力を制御するようになっており、該圧力が、前記噴射
    弁部材(24)を少なくとも間接的にその閉鎖方向へ負荷するようになっており
    、前記制御弁部材(54)によって前記制御圧力室(50)が放圧室(12)に
    接続可能である形式のものにおいて、前記制御弁(18)が、前記噴射弁部材(
    24)に作用する閉鎖ピストン(42)を有しており、該閉鎖ピストン(42)
    が、前記制御圧室(50)を仕切っており、前記閉鎖ピストン(42)に、前記
    制御圧室(50)を前記放圧室(12)に接続するための通路(46)が形成さ
    れており、前記制御弁部材(54)が、前記閉鎖ピストン(42)に設けられた
    、前記通路(46)を開閉するための弁座として働く前記通路(46)の開口部
    (47)と協働するようになっており、前記制御圧室(50)内における前記制
    御弁部材(54)の横断面が、前記通路(46)の前記開口部(47)の横断面
    と少なくともほぼ等しい大きさに形成されていることを特徴とする、内燃機関に
    用いられる燃料噴射弁。
  2. 【請求項2】 前記制御弁部材(54)が制御ピストン(70)を有してお
    り、該制御ピストン(70)が、作業室(72)を仕切っており、該作業室(7
    2)内の圧力が、前記ピエゾアクチュエータ(78)により影響を与えられるよ
    うになっており、前記制御弁部材(54)が、前記制御ピストン(70)を介し
    て、前記作業室(72)内に生ぜしめられる圧力によって、プレロードをかけら
    れた戻しばね(76)のばね力に抗して前記閉鎖ピストン(70)に向かって押
    圧されるようになっている、請求項1記載の燃料噴射弁。
  3. 【請求項3】 前記制御弁部材(54)に、前記戻しばね(76)に抗して
    作用するプレロードをかけられたばね(64)が作用しており、ただし前記戻し
    ばね(76)のプレロードが、前記ばね(64)のプレロードよりも大きく形成
    されている、請求項2記載の燃料噴射弁。
  4. 【請求項4】 前記通路(46)が、前記閉鎖ピストン(42)の端面で前
    記制御圧室(50)に開口しており、前記制御弁部材(54)が、前記閉鎖ピス
    トン(42)に対して少なくともほぼ同軸的に配置されている、請求項1から3
    までのいずれか1項記載の燃料噴射弁。
  5. 【請求項5】 前記閉鎖ピストン(42)が、前記制御弁(18)のハウジ
    ング部分(48)に設けられた、直径の段付けされた孔(44)内に配置されて
    おり、該孔(44)が、大小異なる直径を有する孔区分を有していて、前記閉鎖
    ピストン(42)が、前記制御圧室(50)を仕切る小径の孔区分(44b)内
    に移動可能に案内されており、前記通路(46)が、前記放圧室(12)との接
    続のために、大径の孔区分(44a)に開口している、請求項1から4までのい
    ずれか1項記載の燃料噴射弁。
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