JP2004052767A - 燃料噴射弁 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来形式の燃料噴射弁を改良して、より簡単でかつ安価な形式で燃料噴射弁の安定的な動作が保証されるようなものを提供する。
【解決手段】アクチュエータピストン9が、少なくとも1つの段部31を有しており、該段部31が緩衝室27に隣接しており、緩衝室27が作業室26から空間的に分離されていて、次のように構成もしくは配置されている、すなわち、圧力媒体が絞り箇所30を介して流入もしくは流出することができるように、構成もしくは配置されているようにした。
【選択図】 図1
【解決手段】アクチュエータピストン9が、少なくとも1つの段部31を有しており、該段部31が緩衝室27に隣接しており、緩衝室27が作業室26から空間的に分離されていて、次のように構成もしくは配置されている、すなわち、圧力媒体が絞り箇所30を介して流入もしくは流出することができるように、構成もしくは配置されているようにした。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁であって、圧電式、電歪式または磁歪式のアクチュエータが設けられており、該アクチュエータに作用結合しているアクチュエータピストンが設けられており、該アクチュエータピストンが、第1のガイドギャップを備えてガイドされており、アクチュエータピストンに圧力媒体を介して作用結合している往復行程ピストンが設けられており、該往復行程ピストンが、第2のガイドギャップを備えてガイドされており、往復行程ピストンに作用結合している弁ニードルが設けられており、該弁ニードルの噴射側の端部が、弁閉鎖体を有しており、該弁閉鎖体が弁座体と一緒に、シール座を形成しており、アクチュエータピストンと往復行程ピストンとの間の力伝達が、圧力媒体で満たされていてアクチュエータピストンと往復行程ピストンとにより閉じられた作業室によって行われるようになっている形式のものに関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、ドイツ連邦共和国特許出願公開第4306072号明細書に基づいて、ケーシング内に設けられた貫通開口の開放および閉鎖のための、燃料噴射弁としても使用され得る装置が公知である。この装置は、圧電式、磁歪式または電歪式のアクチュエータと、このアクチュエータに作用結合している圧力ピストンとを有しており、この圧力ピストンは液圧液体を介して往復行程ピストンに作用する。前記圧力ピストンは、その延長部に位置する弁閉鎖体を操作する。液圧液体で満たされている第1の室に面している、往復行程ピストンと圧力ピストンとの面積の大きさの比によって、行程増大伝達、すなわち行程伝達比の増大(Hubuebersetzung)が得られる。圧力ピストンに直に接触している液圧液体は、Oリングシール部材によって、アクチュエータに対してシールされる。往復行程ピストンは所定のガイドギャップを備えてガイド部内でガイドされ、前記所定のガイドギャップは、第1の室と、第2の室内に位置していてダイアフラムによって制限されているスペースとの間で、液圧液体の交換を可能にする。前記スペースは噴射開口と往復行程ピストンとの間に位置している。この場合、ダイアフラムは第2の室内の圧力によって負荷され得る。1つの実施例が説明され、この実施例では第1の室と第2の室との間で交換が行われる。ギャップと第2の室内に存在する圧力とは次のように、すなわち、アクチュエータの、熱による影響に基づいて生じる緩慢な長さ変化が、ガイドギャップによる液圧液体の交換によって補償され得るように設定されている。
【0003】
現代の内燃機関は、しばしば、燃料噴射弁の比較的に短い制御時間を要求する。これに起因した、ピエゾアクチュエータの制御のための急峻な立上り・立下り経過は、ピエゾアクチュエータ内で、特に目標電圧レベルをめざす立上りの端部で、比較的高周波の好ましくない振動を生ぜしめる。この振動は、特に部分行程運転中の燃料噴射弁の安定的な運転の妨げになる。
【0004】
上記の文献に基づき公知の燃料噴射弁における欠点は、特に、特にアクチュエータの動作によって惹起される、燃料噴射弁の部材の好ましくない振動を抑制するための特別な手段もしくは構成部材が全く設けられておらず、前記振動が、設けられている構成部材では不十分にしか抑制されないかもしくは補償されないことにある。すなわち、燃料噴射弁の安定的な動作は、燃料噴射弁の構成部材間の摩擦力の使用もしくは利用では、かつばねエレメントの力では、不十分にしか達成されない。このことは、前記力が広い範囲にわたって比較的一定であるので、好ましくない振動の抑制に際して弁動特性が同じ程度に損なわれることを意味する。ばね力またはすべり摩擦力の使用は、高周波の振動の抑制には不適当である。例えば制御時間または目標電圧時間(プラト時間)を短縮したい場合、好ましくない振動を十分に減衰するためには、構成部材間のばね力とすべり摩擦力とを増大させなければならない。このことは、既述のように弁動特性にとって不利であり、付加的に増大された力の克服をアクチュエータに要求する。これにより、アクチュエータと、アクチュエータに作用結合している部分とに、より高い負荷がかけられる。したがって、ドイツ連邦共和国特許出願公開第4306072号明細書に基づき公知の発明の場合、制御時間と目標電圧時間との短縮は、さらに燃料噴射弁の寿命の負担にならざるを得ないかまたは高価な手段を伴わざるを得ないような僅かな範囲でしか、可能ではない。
【0005】
【特許文献1】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第4306072号明細書
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭の形式の燃料噴射弁を改良して、従来のものに比べてより簡単でかつ安価な形式で燃料噴射弁の安定的な動作が保証されるようなものを提供することである。
【0007】
【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構成では、アクチュエータピストンが、少なくとも1つの段部を有しており、該段部が緩衝室に隣接しており、緩衝室が作業室から空間的に分離されていて、次のように構成もしくは配置されている、すなわち、圧力媒体が絞り箇所を介して流入もしくは流出することができるように、構成もしくは配置されているようにした。
【0008】
【発明の効果】
独立請求項の特徴部に記載した構成を有する、本発明による燃料噴射弁は、従来のものに比べて次のような利点を有している。すなわち、燃料噴射弁内の機械的な振動、特にアクチュエータの好ましくない機械的な振動と、このアクチュエータによって惹起される、本発明による燃料噴射弁の可動部分における好ましくない振動とが、弁動特性に本質的に不都合な影響を及ぼすことなしにまたは構成部材にはるかに強い負荷をかけることなしに、簡単でかつ安価な形式で有効に減衰されるという利点を有している。これにより、安定的な動作を維持しながらアクチュエータの制御時間を著しく短縮することができ、ひいては特に燃料噴射弁の部分行程運転をも可能にすることができる。さらに、特にアクチュエータによって生ぜしめられた振動が燃料噴射弁の運転に不都合な作用を及ぼすことなしに、または弁動特性に本質的に不都合な影響が与えられることなしに、アクチュエータの励磁の立上り・立下り時間とプラト時間とが短縮され得る。緩衝作用は、液圧的な作用原理に基づいているので、ほぼ摩耗なしに生じる。絞り箇所を通る圧力媒体の流れ運動によって、特に、アクチュエータ運動の速度に比例している緩衝力、すなわち、直線的な緩衝特性を有する緩衝部材の場合のような特性を有している緩衝力を得ることが可能である。これに加えて、組付けが簡単化される。
【0009】
従属請求項に記載した構成によって、独立請求項に記載した燃料噴射弁の有利な実施態様が可能である。
【0010】
有利には、絞り箇所はギャップによって形成され、このギャップは、第1のガイドボディと協働して、アクチュエータピストンの段部の拡径された部分または縮径された部分から形成されている。これにより、構造と機能とに関する要求に、より良く応じることが可能である。さらに、絞り箇所を孔、特にレーザ孔として製作すると有利である。なぜならば、レーザ孔は特に精確に、迅速にかつ低コストに製作され得るからである。燃料が圧力媒体として利用される場合、特に、燃料と圧力媒体とを分離するための構造的な手段が省略され得る。さらに、燃料通路と絞り箇所とを、燃料が燃料通路と絞り箇所との間で直接的に交換されるように配置すると、有利である。これにより、構造に関するコストが低減される。
【0011】
アクチュエータの、温度に起因した長さ変化の補償のためには、本発明による燃料噴射弁は有利には次のように、すなわち、アクチュエータピストンと往復行程ピストンとの少なくとも1つのガイドギャップによって、圧力媒体が比較的に緩慢に作業室に流入することができるかまたは作業室から逃げ出すことができるように構成されていてよい。
【0012】
有利には、両ピストンの、作業室に面している面積の大きさの比によって、行程増大伝達が実現される。これにより、圧電式、電歪式または磁歪式のアクチュエータによって可能である、通常は比較的に小さい行程を、アクチュエータをコスト高に長くかつ薄く製作することなしに増大させることができる。厚くて短いアクチュエータは、薄くて長いアクチュエータに比べて、機械的な影響に対してより負荷可能である。異なる大きさの力伝達面積(この面積は液圧媒体を介して、そうではない場合には直接的に、力を伝達する)を備えた2つの圧力ピストンによる行程増大伝達の実現は、ダイアフラムと通路とが介在されている解決手段に比べて、媒体の圧縮率の影響がより少ないという利点を有している。さらに、このようにして実現された、行程増大伝達する力伝達には、比較的に振動が少ない傾向がある。アクチュエータ操作と弁操作との間に経過する時間は、比較的に短い。システムは、比較的に剛性的な特性を有している。
【0013】
さらに、ばねエレメントの力が少なくとも、アクチュエータピストンと結合エレメントとアクチュエータとが恒常的に当接保持されている程度の大きさに設計されていることによって、本発明による燃料噴射弁は有利に構成され得る。これにより、燃料噴射弁の運転に際して前記構成部材は、相互の接触の喪失を阻止され、かつ相互の衝突を阻止される。高価でかつ摩耗しやすい接合部結合部材は設けなくてよい。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面につき詳しく説明する。
【0015】
以下に、本発明の実施例を例示的に説明する。この場合、同じ構成部材には、全ての図において、同じ参照符号を付与してある。
【0016】
図1に示した、本発明による燃料噴射弁1の第1実施例は、混合気圧縮火花点火式内燃機関の燃料噴射装置のための燃料噴射弁1の形状で構成されている。燃料噴射弁1は、特に、内燃機関の燃焼室(図示せず)内に燃料を直接噴射するために適している。
【0017】
燃料噴射弁1はケーシングカバー2を有している。このケーシングカバー2は、弁ケーシング5の、噴射から離れた方の端部に、ハーメチックシール作用をもって座着している。ケーシングカバー2における燃料接続部3を介して、燃料通路6が燃料で負荷され得る。この場合、燃料通路6は、まずケーシングカバー2の内側に、次いで弁ケーシング5の内側に延在しており、燃料噴射弁1の、噴射から離れた方の上側の部分では、燃料通路6内でアクチュエータケーシング7と、シール部材12と、アクチュエータピストン9の付加リング10と、アクチュエータピストン9の、噴射から離れた方の部分と、第1のばねエレメント11との周りを燃料が流れる。アクチュエータケーシング7の、噴射から離れた方の端部は、ケーシングカバー2にハーメチックに結合されている。
【0018】
アクチュエータケーシング7内に存在するアクチュエータ4は、噴射から離れた方の側でケーシングカバー2に対応配置されていて、このケーシングカバー2に支えられている。結合エレメント8の、噴射から離れた方の皿状の端部は、アクチュエータ4の、噴射に近い方の端部に対応配置されており、結合エレメント8の、噴射側で縮径された直径経過は、アクチュエータケーシング7の開口18を通って延びている。本発明による燃料噴射弁1のこの実施例では波形管状に形成されているシール部材12は、一方の端部が、結合エレメント8の、噴射側で付加リング13として成形された部分に、他方の端部が、アクチュエータケーシング7の、噴射側の端部にハーメチックに固定されていることによって、次のことを保証している。すなわち、加圧下にある燃料がアクチュエータケーシング7内に侵入不可能であり、かつ結合エレメント8がアクチュエータ4の運動もしくはアクチュエータピストン9の運動に、妨害されることなく追従可能であることを保証している。
【0019】
この実施例では、アクチュエータピストン9は段部31を有している。この段部31は、アクチュエータピストン9の、噴射から離れた方の縮径された直径経過によって形成されている。アクチュエータピストン9の、噴射側の太い方の経過は、第1のガイドボディ14内で、第1のガイドギャップ28を備えてガイドされている。アクチュエータピストン9の、噴射から離れた方の縮径された直径経過は、第1のガイドボディ14と一緒に、ギャップを形成している。このギャップは絞り箇所30を形成しており、この場合、ガイドボディ14はこの箇所で、アクチュエータピストン9の縮径された直径経過に従っていて、すなわち、縮小された内径を有している。このことによって形成された緩衝室27は、燃料噴射弁の部材の好ましくない振動を減衰させるために働き、特に、燃料噴射弁1の運転中のアクチュエータ4の両運動方向へのアクチュエータ振動を減衰させるために働く。この場合、緩衝特性は、特に、絞り箇所30を形成しているギャップと緩衝室27との幾何学的な設計によって規定される。アクチュエータピストン9の縮径された直径経過と、この箇所で縮小された、ガイドボディ14の内径との間の、噴射方向に関して直角に延在している間隔は、通常、第1のガイドギャップ28によって形成されている、対応する間隔よりも大きい。
【0020】
アクチュエータピストン9は、第1のばねエレメント11によって、結合エレメント8の、噴射に近い方の側に向かってもしくはアクチュエータ4に向かって予負荷されている。前記第1のばねエレメント11は、この実施例ではコイルばねとして形成されていて、アクチュエータピストン9の、噴射から離れた方の縮径された直径経過部に設けられた第1の付加リング10に係合している。この場合、第1のばねエレメント11の噴射側は、第1のガイドボディ14に支えられている。第2のガイドボディ16は、第1のガイドボディ14の噴射側の面にハーメチックに結合されており、この場合、往復行程ピストン15は、第2のガイドギャップ29を備えて、第2のガイドボディ16内でガイドされている。往復行程ピストン15とアクチュエータピストン9との間には、作業室36が設けられている。この作業室26は、第1のガイドボディ14と第2のガイドボディ16とによって制限され、この場合、両ガイドギャップ28,29のそれぞれ一方の端部が、作業室26に開口している。第1のガイドギャップ28の第2の端部は、緩衝室27に開口しており、第2のガイドギャップ29の第2の端部は、第2のガイドボディ16の噴射側の端部で、燃料通路6に開口している。
【0021】
アクチュエータピストン9と往復行程ピストン15との、作業室27に面した異なる大きさの面積によって、行程増大伝達が得られる。燃料通路6は、燃料噴射弁1の下側の噴射側の部分内で、まず、ケーシング5と両ガイドボディ14,16との間に延在している。次いで、燃料通路6内の燃料は、往復行程ピストン15の、ガイドボディ16から突出している部分と、往復行程ピストン15の経過において成形された第3の付加リング19と、第3の付加リングと第2のガイドボディ16の噴射側の端部との間に装着された第2のばねエレメント17と、往復行程ピストン15に作用結合している、第4の付加リング25を備えた弁ニードル20と、第4の付加リング25とショルダ32との間に装着された第3のばねエレメント24とを通過し、かつこれらの周りを流れる。最後に、燃料噴射弁1の開放に際して燃料は、弁座体21と、弁ニードル20の噴射側の端部に配置された弁閉鎖体22との間の噴射開口23から流出する。第2のばねエレメント17は、往復行程ピストン15を、噴射側に対応配置された弁ニードル20に向かって予負荷している。第3のばねエレメント24はショルダ32に支えられていて、弁ニードル20を、弁ニードル20に摩擦接続的(kraftschluessig)に結合された第4の付加リング25を介して、噴射から離れた方に対応配置された往復行程ピストン15に向かって予負荷している。この場合、第3のばねエレメント24はショルダ32に支えられている。第3のばねエレメント24の力は、弁閉鎖体22と弁座体21とによって形成されたシール座を、燃料圧力に抗して閉鎖された状態に保っている。
【0022】
燃料噴射弁の機能は以下の通りである:
弁閉鎖体22と弁座体21とによって形成されたシール座は、当初は閉鎖されている。アクチュエータ4は負荷軽減されており、緩衝室27は小さい容積を有している。アクチュエータ4が負荷されると、このアクチュエータ4は比較的迅速に延伸し、結合エレメント8を介してアクチュエータピストン9を噴射方向に押圧する。この場合、一方では、第1のばねエレメント11のばね力が克服されなければならず、他方では、緩衝室27の次第に大きくなる容積が、絞り箇所30を通って緩衝室27内に流入する燃料で満たされる。この場合に生ぜしめられ、アクチュエータピストン9の運動とは逆の方向に向けられる緩衝力は、アクチュエータピストン9の速度に比例していて、すなわち、直線的な緩衝特性を有する緩衝部材の場合のような特性を有している。このプロセスによって好ましくない振動が減衰される。アクチュエータピストン9は今や、燃料で満たされた作業室26を介して、往復行程ピストン15を噴射方向に押圧する。往復行程ピストン15の、作業室26に面した面積が、アクチュエータピストン9の、作業室26に面した面積よりも小さいので、往復行程ピストン15は、アクチュエータピストン9に比較して増大された行程を移動する。これに従って、弁ニードル20は、第3のばねエレメント24のばね力に抗して噴射方向に運動させられ、弁閉鎖体は弁座体21から持ち上げられ、加圧下にある燃料が噴射される。
【0023】
アクチュエータ4が再び負荷軽減されると、その長さは減少され、この場合、アクチュエータピストン9がアクチュエータ4の運動に追従する。なぜならば、アクチュエータピストン9は、ばねエレメント11によってかつ結合エレメント8を介して、アクチュエータ4との恒常的な作用結合状態に保たれるからである。この恒常的な作用結合と、緩衝室27内および絞り箇所30内の、抵抗を生ぜしめるプロセスの緩衝作用とによって、特にアクチュエータ4の好ましくない振動が、両運動方向で有効に減衰される。これに従って、アクチュエータピストン9に作業室26を介して作用結合している往復行程ピストン15が、噴射方向とは逆の方向に運動させられる。これにより、第3のばねエレメント24のばね力によって弁ニードル20が往復行程ピストン15に追従し、弁ニードル20の噴射側の端部に座着している弁閉鎖体22が、噴射開口23を閉鎖する。
【0024】
特にアクチュエータ4の、熱に起因した緩慢な長さ変化は、圧力媒体(本発明のこの実施例では燃料である)の受容と放出とによって、作業室26と燃料通路6もしくは緩衝室27との間で補償される。開放運動と閉鎖運動とによる燃料噴射弁1の操作の短い時間内では、作業室26と燃料通路6もしくは緩衝室27との間で、少なくとも1つのガイドギャップ28,29によって、極めて少ない圧力媒体しか交換され得ない。この場合、操作によって交換された圧力媒体は、操作休止中に再び燃料圧力によって補償される。作業室26と燃料通路6もしくは緩衝室27との間で緩慢に進行する圧力媒体の交換プロセスは、ガイドギャップ28および/またはガイドギャップ29によって本質的に妨害されることはないので、例えば、アクチュエータ4の、熱に起因した長さ変化が補償され得る。
【0025】
本発明のこの実施例では、絞り箇所30によって形成されたギャップは、ガイドの任務のためにも使用され得る。
【0026】
図2には、図1に示した第1実施例に広い部分にわたって類似している第2実施例を示してある。アクチュエータピストン9と往復行程ピストン15とが、複数部分から成るガイドボディ14,16内でガイドされている第1実施例とは異なって、第2実施例のアクチュエータピストン9と往復行程ピストン15とは、一体的なガイドボディ14内でガイドされる。アクチュエータピストン9はコップ状に構成されていて、その直径経過において段部31を有している。これにより、前記直径経過は、噴射方向とは逆の方向で拡大されている。段部31と、ガイドボディ14の、段部31の領域に位置する拡大された内径とによって、緩衝室27が形成される。結合エレメント8は、コップ状に構成されたアクチュエータピストン9の底部まで貫通係合しており、この場合、アクチュエータピストン9もしくはアクチュエータピストン9の底部は、ばねエレメント11によって結合エレメント8に向かって予負荷されている。ばねエレメント11は、この実施例では管ばねとして構成されていて、ケーシングカバー2の内側に位置する側と、コップ状に構成されたアクチュエータピストン9の、噴射から離れた方の端部とに、摩擦接続的(kraftschluessig)に固定されている。
【0027】
第1実施例の段部31および緩衝室27の領域の、概略的に示した部分断面図が示してある図3と、以下の関係式および導関数とに基づいて、緩衝力とアクチュエータピストンの速度との間の比例関係を示す。
【0028】
緩衝室27におけるアクチュエータピストン9の環状面積Aは:
【0029】
【数1】
【0030】
となる。
【0031】
アクチュエータピストン9がアクチュエータピストン行程dsだけ運動させられると、緩衝容積Vが変化させられる:
dV=A・ds (2)
アクチュエータピストン速度vが算出される:
【0032】
【数2】
【0033】
非圧縮性の圧力媒体に関しては、(2)と(3)とによって、絞り箇所30を介した圧力媒体体積流Qについては:
【0034】
【数3】
【0035】
となる。
【0036】
この場合、さらに、圧力媒体体積流Qについては
【0037】
【数4】
【0038】
が当てはまる。
【0039】
この場合、Cは、環状ギャップの幾何学的な寸法に依存する定数であり、Δpは圧力差を意味する。
【0040】
したがって、(5)によって緩衝力Fについては
【0041】
【数5】
【0042】
となるかまたは
F〜v (7)となる。
【0043】
本発明は、図示の実施例に限定されておらず、例えば内側に開放する弁両噴射弁のためにも使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に従って構成された燃料噴射弁の第1実施例の概略的な断面図である。
【図2】本発明に従って構成された燃料噴射弁の第2実施例の概略的な断面図である。
【図3】図1に示した実施例の段部と緩衝室との領域を概略的に示した部分図である。
【符号の説明】
1 燃料噴射弁、 2 ケーシングカバー、 3 燃料接続部、 4 アクチュエータ、 5 弁ケーシング、 6 燃料通路、 7 アクチュエータケーシング、 8 結合エレメント、 9 アクチュエータピストン、 10 付加リング、 11 ばねエレメント、12 シール部材、 13 付加リング、 14 ガイドボディ、 15 往復行程ピストン、 16 ガイドボディ、 17ばねエレメント、 18 開口、 19 付加リング、 20 弁ニードル、21 弁座体、 22 弁閉鎖体、 23 噴射開口、 24 ばねエレメント、 25 付加リング、 26 作業室、 27 緩衝室、 28 ガイドギャップ、 29 ガイドギャップ、 30 絞り箇所、 31 段部、 32 ショルダ
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁であって、圧電式、電歪式または磁歪式のアクチュエータが設けられており、該アクチュエータに作用結合しているアクチュエータピストンが設けられており、該アクチュエータピストンが、第1のガイドギャップを備えてガイドされており、アクチュエータピストンに圧力媒体を介して作用結合している往復行程ピストンが設けられており、該往復行程ピストンが、第2のガイドギャップを備えてガイドされており、往復行程ピストンに作用結合している弁ニードルが設けられており、該弁ニードルの噴射側の端部が、弁閉鎖体を有しており、該弁閉鎖体が弁座体と一緒に、シール座を形成しており、アクチュエータピストンと往復行程ピストンとの間の力伝達が、圧力媒体で満たされていてアクチュエータピストンと往復行程ピストンとにより閉じられた作業室によって行われるようになっている形式のものに関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、ドイツ連邦共和国特許出願公開第4306072号明細書に基づいて、ケーシング内に設けられた貫通開口の開放および閉鎖のための、燃料噴射弁としても使用され得る装置が公知である。この装置は、圧電式、磁歪式または電歪式のアクチュエータと、このアクチュエータに作用結合している圧力ピストンとを有しており、この圧力ピストンは液圧液体を介して往復行程ピストンに作用する。前記圧力ピストンは、その延長部に位置する弁閉鎖体を操作する。液圧液体で満たされている第1の室に面している、往復行程ピストンと圧力ピストンとの面積の大きさの比によって、行程増大伝達、すなわち行程伝達比の増大(Hubuebersetzung)が得られる。圧力ピストンに直に接触している液圧液体は、Oリングシール部材によって、アクチュエータに対してシールされる。往復行程ピストンは所定のガイドギャップを備えてガイド部内でガイドされ、前記所定のガイドギャップは、第1の室と、第2の室内に位置していてダイアフラムによって制限されているスペースとの間で、液圧液体の交換を可能にする。前記スペースは噴射開口と往復行程ピストンとの間に位置している。この場合、ダイアフラムは第2の室内の圧力によって負荷され得る。1つの実施例が説明され、この実施例では第1の室と第2の室との間で交換が行われる。ギャップと第2の室内に存在する圧力とは次のように、すなわち、アクチュエータの、熱による影響に基づいて生じる緩慢な長さ変化が、ガイドギャップによる液圧液体の交換によって補償され得るように設定されている。
【0003】
現代の内燃機関は、しばしば、燃料噴射弁の比較的に短い制御時間を要求する。これに起因した、ピエゾアクチュエータの制御のための急峻な立上り・立下り経過は、ピエゾアクチュエータ内で、特に目標電圧レベルをめざす立上りの端部で、比較的高周波の好ましくない振動を生ぜしめる。この振動は、特に部分行程運転中の燃料噴射弁の安定的な運転の妨げになる。
【0004】
上記の文献に基づき公知の燃料噴射弁における欠点は、特に、特にアクチュエータの動作によって惹起される、燃料噴射弁の部材の好ましくない振動を抑制するための特別な手段もしくは構成部材が全く設けられておらず、前記振動が、設けられている構成部材では不十分にしか抑制されないかもしくは補償されないことにある。すなわち、燃料噴射弁の安定的な動作は、燃料噴射弁の構成部材間の摩擦力の使用もしくは利用では、かつばねエレメントの力では、不十分にしか達成されない。このことは、前記力が広い範囲にわたって比較的一定であるので、好ましくない振動の抑制に際して弁動特性が同じ程度に損なわれることを意味する。ばね力またはすべり摩擦力の使用は、高周波の振動の抑制には不適当である。例えば制御時間または目標電圧時間(プラト時間)を短縮したい場合、好ましくない振動を十分に減衰するためには、構成部材間のばね力とすべり摩擦力とを増大させなければならない。このことは、既述のように弁動特性にとって不利であり、付加的に増大された力の克服をアクチュエータに要求する。これにより、アクチュエータと、アクチュエータに作用結合している部分とに、より高い負荷がかけられる。したがって、ドイツ連邦共和国特許出願公開第4306072号明細書に基づき公知の発明の場合、制御時間と目標電圧時間との短縮は、さらに燃料噴射弁の寿命の負担にならざるを得ないかまたは高価な手段を伴わざるを得ないような僅かな範囲でしか、可能ではない。
【0005】
【特許文献1】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第4306072号明細書
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭の形式の燃料噴射弁を改良して、従来のものに比べてより簡単でかつ安価な形式で燃料噴射弁の安定的な動作が保証されるようなものを提供することである。
【0007】
【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構成では、アクチュエータピストンが、少なくとも1つの段部を有しており、該段部が緩衝室に隣接しており、緩衝室が作業室から空間的に分離されていて、次のように構成もしくは配置されている、すなわち、圧力媒体が絞り箇所を介して流入もしくは流出することができるように、構成もしくは配置されているようにした。
【0008】
【発明の効果】
独立請求項の特徴部に記載した構成を有する、本発明による燃料噴射弁は、従来のものに比べて次のような利点を有している。すなわち、燃料噴射弁内の機械的な振動、特にアクチュエータの好ましくない機械的な振動と、このアクチュエータによって惹起される、本発明による燃料噴射弁の可動部分における好ましくない振動とが、弁動特性に本質的に不都合な影響を及ぼすことなしにまたは構成部材にはるかに強い負荷をかけることなしに、簡単でかつ安価な形式で有効に減衰されるという利点を有している。これにより、安定的な動作を維持しながらアクチュエータの制御時間を著しく短縮することができ、ひいては特に燃料噴射弁の部分行程運転をも可能にすることができる。さらに、特にアクチュエータによって生ぜしめられた振動が燃料噴射弁の運転に不都合な作用を及ぼすことなしに、または弁動特性に本質的に不都合な影響が与えられることなしに、アクチュエータの励磁の立上り・立下り時間とプラト時間とが短縮され得る。緩衝作用は、液圧的な作用原理に基づいているので、ほぼ摩耗なしに生じる。絞り箇所を通る圧力媒体の流れ運動によって、特に、アクチュエータ運動の速度に比例している緩衝力、すなわち、直線的な緩衝特性を有する緩衝部材の場合のような特性を有している緩衝力を得ることが可能である。これに加えて、組付けが簡単化される。
【0009】
従属請求項に記載した構成によって、独立請求項に記載した燃料噴射弁の有利な実施態様が可能である。
【0010】
有利には、絞り箇所はギャップによって形成され、このギャップは、第1のガイドボディと協働して、アクチュエータピストンの段部の拡径された部分または縮径された部分から形成されている。これにより、構造と機能とに関する要求に、より良く応じることが可能である。さらに、絞り箇所を孔、特にレーザ孔として製作すると有利である。なぜならば、レーザ孔は特に精確に、迅速にかつ低コストに製作され得るからである。燃料が圧力媒体として利用される場合、特に、燃料と圧力媒体とを分離するための構造的な手段が省略され得る。さらに、燃料通路と絞り箇所とを、燃料が燃料通路と絞り箇所との間で直接的に交換されるように配置すると、有利である。これにより、構造に関するコストが低減される。
【0011】
アクチュエータの、温度に起因した長さ変化の補償のためには、本発明による燃料噴射弁は有利には次のように、すなわち、アクチュエータピストンと往復行程ピストンとの少なくとも1つのガイドギャップによって、圧力媒体が比較的に緩慢に作業室に流入することができるかまたは作業室から逃げ出すことができるように構成されていてよい。
【0012】
有利には、両ピストンの、作業室に面している面積の大きさの比によって、行程増大伝達が実現される。これにより、圧電式、電歪式または磁歪式のアクチュエータによって可能である、通常は比較的に小さい行程を、アクチュエータをコスト高に長くかつ薄く製作することなしに増大させることができる。厚くて短いアクチュエータは、薄くて長いアクチュエータに比べて、機械的な影響に対してより負荷可能である。異なる大きさの力伝達面積(この面積は液圧媒体を介して、そうではない場合には直接的に、力を伝達する)を備えた2つの圧力ピストンによる行程増大伝達の実現は、ダイアフラムと通路とが介在されている解決手段に比べて、媒体の圧縮率の影響がより少ないという利点を有している。さらに、このようにして実現された、行程増大伝達する力伝達には、比較的に振動が少ない傾向がある。アクチュエータ操作と弁操作との間に経過する時間は、比較的に短い。システムは、比較的に剛性的な特性を有している。
【0013】
さらに、ばねエレメントの力が少なくとも、アクチュエータピストンと結合エレメントとアクチュエータとが恒常的に当接保持されている程度の大きさに設計されていることによって、本発明による燃料噴射弁は有利に構成され得る。これにより、燃料噴射弁の運転に際して前記構成部材は、相互の接触の喪失を阻止され、かつ相互の衝突を阻止される。高価でかつ摩耗しやすい接合部結合部材は設けなくてよい。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面につき詳しく説明する。
【0015】
以下に、本発明の実施例を例示的に説明する。この場合、同じ構成部材には、全ての図において、同じ参照符号を付与してある。
【0016】
図1に示した、本発明による燃料噴射弁1の第1実施例は、混合気圧縮火花点火式内燃機関の燃料噴射装置のための燃料噴射弁1の形状で構成されている。燃料噴射弁1は、特に、内燃機関の燃焼室(図示せず)内に燃料を直接噴射するために適している。
【0017】
燃料噴射弁1はケーシングカバー2を有している。このケーシングカバー2は、弁ケーシング5の、噴射から離れた方の端部に、ハーメチックシール作用をもって座着している。ケーシングカバー2における燃料接続部3を介して、燃料通路6が燃料で負荷され得る。この場合、燃料通路6は、まずケーシングカバー2の内側に、次いで弁ケーシング5の内側に延在しており、燃料噴射弁1の、噴射から離れた方の上側の部分では、燃料通路6内でアクチュエータケーシング7と、シール部材12と、アクチュエータピストン9の付加リング10と、アクチュエータピストン9の、噴射から離れた方の部分と、第1のばねエレメント11との周りを燃料が流れる。アクチュエータケーシング7の、噴射から離れた方の端部は、ケーシングカバー2にハーメチックに結合されている。
【0018】
アクチュエータケーシング7内に存在するアクチュエータ4は、噴射から離れた方の側でケーシングカバー2に対応配置されていて、このケーシングカバー2に支えられている。結合エレメント8の、噴射から離れた方の皿状の端部は、アクチュエータ4の、噴射に近い方の端部に対応配置されており、結合エレメント8の、噴射側で縮径された直径経過は、アクチュエータケーシング7の開口18を通って延びている。本発明による燃料噴射弁1のこの実施例では波形管状に形成されているシール部材12は、一方の端部が、結合エレメント8の、噴射側で付加リング13として成形された部分に、他方の端部が、アクチュエータケーシング7の、噴射側の端部にハーメチックに固定されていることによって、次のことを保証している。すなわち、加圧下にある燃料がアクチュエータケーシング7内に侵入不可能であり、かつ結合エレメント8がアクチュエータ4の運動もしくはアクチュエータピストン9の運動に、妨害されることなく追従可能であることを保証している。
【0019】
この実施例では、アクチュエータピストン9は段部31を有している。この段部31は、アクチュエータピストン9の、噴射から離れた方の縮径された直径経過によって形成されている。アクチュエータピストン9の、噴射側の太い方の経過は、第1のガイドボディ14内で、第1のガイドギャップ28を備えてガイドされている。アクチュエータピストン9の、噴射から離れた方の縮径された直径経過は、第1のガイドボディ14と一緒に、ギャップを形成している。このギャップは絞り箇所30を形成しており、この場合、ガイドボディ14はこの箇所で、アクチュエータピストン9の縮径された直径経過に従っていて、すなわち、縮小された内径を有している。このことによって形成された緩衝室27は、燃料噴射弁の部材の好ましくない振動を減衰させるために働き、特に、燃料噴射弁1の運転中のアクチュエータ4の両運動方向へのアクチュエータ振動を減衰させるために働く。この場合、緩衝特性は、特に、絞り箇所30を形成しているギャップと緩衝室27との幾何学的な設計によって規定される。アクチュエータピストン9の縮径された直径経過と、この箇所で縮小された、ガイドボディ14の内径との間の、噴射方向に関して直角に延在している間隔は、通常、第1のガイドギャップ28によって形成されている、対応する間隔よりも大きい。
【0020】
アクチュエータピストン9は、第1のばねエレメント11によって、結合エレメント8の、噴射に近い方の側に向かってもしくはアクチュエータ4に向かって予負荷されている。前記第1のばねエレメント11は、この実施例ではコイルばねとして形成されていて、アクチュエータピストン9の、噴射から離れた方の縮径された直径経過部に設けられた第1の付加リング10に係合している。この場合、第1のばねエレメント11の噴射側は、第1のガイドボディ14に支えられている。第2のガイドボディ16は、第1のガイドボディ14の噴射側の面にハーメチックに結合されており、この場合、往復行程ピストン15は、第2のガイドギャップ29を備えて、第2のガイドボディ16内でガイドされている。往復行程ピストン15とアクチュエータピストン9との間には、作業室36が設けられている。この作業室26は、第1のガイドボディ14と第2のガイドボディ16とによって制限され、この場合、両ガイドギャップ28,29のそれぞれ一方の端部が、作業室26に開口している。第1のガイドギャップ28の第2の端部は、緩衝室27に開口しており、第2のガイドギャップ29の第2の端部は、第2のガイドボディ16の噴射側の端部で、燃料通路6に開口している。
【0021】
アクチュエータピストン9と往復行程ピストン15との、作業室27に面した異なる大きさの面積によって、行程増大伝達が得られる。燃料通路6は、燃料噴射弁1の下側の噴射側の部分内で、まず、ケーシング5と両ガイドボディ14,16との間に延在している。次いで、燃料通路6内の燃料は、往復行程ピストン15の、ガイドボディ16から突出している部分と、往復行程ピストン15の経過において成形された第3の付加リング19と、第3の付加リングと第2のガイドボディ16の噴射側の端部との間に装着された第2のばねエレメント17と、往復行程ピストン15に作用結合している、第4の付加リング25を備えた弁ニードル20と、第4の付加リング25とショルダ32との間に装着された第3のばねエレメント24とを通過し、かつこれらの周りを流れる。最後に、燃料噴射弁1の開放に際して燃料は、弁座体21と、弁ニードル20の噴射側の端部に配置された弁閉鎖体22との間の噴射開口23から流出する。第2のばねエレメント17は、往復行程ピストン15を、噴射側に対応配置された弁ニードル20に向かって予負荷している。第3のばねエレメント24はショルダ32に支えられていて、弁ニードル20を、弁ニードル20に摩擦接続的(kraftschluessig)に結合された第4の付加リング25を介して、噴射から離れた方に対応配置された往復行程ピストン15に向かって予負荷している。この場合、第3のばねエレメント24はショルダ32に支えられている。第3のばねエレメント24の力は、弁閉鎖体22と弁座体21とによって形成されたシール座を、燃料圧力に抗して閉鎖された状態に保っている。
【0022】
燃料噴射弁の機能は以下の通りである:
弁閉鎖体22と弁座体21とによって形成されたシール座は、当初は閉鎖されている。アクチュエータ4は負荷軽減されており、緩衝室27は小さい容積を有している。アクチュエータ4が負荷されると、このアクチュエータ4は比較的迅速に延伸し、結合エレメント8を介してアクチュエータピストン9を噴射方向に押圧する。この場合、一方では、第1のばねエレメント11のばね力が克服されなければならず、他方では、緩衝室27の次第に大きくなる容積が、絞り箇所30を通って緩衝室27内に流入する燃料で満たされる。この場合に生ぜしめられ、アクチュエータピストン9の運動とは逆の方向に向けられる緩衝力は、アクチュエータピストン9の速度に比例していて、すなわち、直線的な緩衝特性を有する緩衝部材の場合のような特性を有している。このプロセスによって好ましくない振動が減衰される。アクチュエータピストン9は今や、燃料で満たされた作業室26を介して、往復行程ピストン15を噴射方向に押圧する。往復行程ピストン15の、作業室26に面した面積が、アクチュエータピストン9の、作業室26に面した面積よりも小さいので、往復行程ピストン15は、アクチュエータピストン9に比較して増大された行程を移動する。これに従って、弁ニードル20は、第3のばねエレメント24のばね力に抗して噴射方向に運動させられ、弁閉鎖体は弁座体21から持ち上げられ、加圧下にある燃料が噴射される。
【0023】
アクチュエータ4が再び負荷軽減されると、その長さは減少され、この場合、アクチュエータピストン9がアクチュエータ4の運動に追従する。なぜならば、アクチュエータピストン9は、ばねエレメント11によってかつ結合エレメント8を介して、アクチュエータ4との恒常的な作用結合状態に保たれるからである。この恒常的な作用結合と、緩衝室27内および絞り箇所30内の、抵抗を生ぜしめるプロセスの緩衝作用とによって、特にアクチュエータ4の好ましくない振動が、両運動方向で有効に減衰される。これに従って、アクチュエータピストン9に作業室26を介して作用結合している往復行程ピストン15が、噴射方向とは逆の方向に運動させられる。これにより、第3のばねエレメント24のばね力によって弁ニードル20が往復行程ピストン15に追従し、弁ニードル20の噴射側の端部に座着している弁閉鎖体22が、噴射開口23を閉鎖する。
【0024】
特にアクチュエータ4の、熱に起因した緩慢な長さ変化は、圧力媒体(本発明のこの実施例では燃料である)の受容と放出とによって、作業室26と燃料通路6もしくは緩衝室27との間で補償される。開放運動と閉鎖運動とによる燃料噴射弁1の操作の短い時間内では、作業室26と燃料通路6もしくは緩衝室27との間で、少なくとも1つのガイドギャップ28,29によって、極めて少ない圧力媒体しか交換され得ない。この場合、操作によって交換された圧力媒体は、操作休止中に再び燃料圧力によって補償される。作業室26と燃料通路6もしくは緩衝室27との間で緩慢に進行する圧力媒体の交換プロセスは、ガイドギャップ28および/またはガイドギャップ29によって本質的に妨害されることはないので、例えば、アクチュエータ4の、熱に起因した長さ変化が補償され得る。
【0025】
本発明のこの実施例では、絞り箇所30によって形成されたギャップは、ガイドの任務のためにも使用され得る。
【0026】
図2には、図1に示した第1実施例に広い部分にわたって類似している第2実施例を示してある。アクチュエータピストン9と往復行程ピストン15とが、複数部分から成るガイドボディ14,16内でガイドされている第1実施例とは異なって、第2実施例のアクチュエータピストン9と往復行程ピストン15とは、一体的なガイドボディ14内でガイドされる。アクチュエータピストン9はコップ状に構成されていて、その直径経過において段部31を有している。これにより、前記直径経過は、噴射方向とは逆の方向で拡大されている。段部31と、ガイドボディ14の、段部31の領域に位置する拡大された内径とによって、緩衝室27が形成される。結合エレメント8は、コップ状に構成されたアクチュエータピストン9の底部まで貫通係合しており、この場合、アクチュエータピストン9もしくはアクチュエータピストン9の底部は、ばねエレメント11によって結合エレメント8に向かって予負荷されている。ばねエレメント11は、この実施例では管ばねとして構成されていて、ケーシングカバー2の内側に位置する側と、コップ状に構成されたアクチュエータピストン9の、噴射から離れた方の端部とに、摩擦接続的(kraftschluessig)に固定されている。
【0027】
第1実施例の段部31および緩衝室27の領域の、概略的に示した部分断面図が示してある図3と、以下の関係式および導関数とに基づいて、緩衝力とアクチュエータピストンの速度との間の比例関係を示す。
【0028】
緩衝室27におけるアクチュエータピストン9の環状面積Aは:
【0029】
【数1】
【0030】
となる。
【0031】
アクチュエータピストン9がアクチュエータピストン行程dsだけ運動させられると、緩衝容積Vが変化させられる:
dV=A・ds (2)
アクチュエータピストン速度vが算出される:
【0032】
【数2】
【0033】
非圧縮性の圧力媒体に関しては、(2)と(3)とによって、絞り箇所30を介した圧力媒体体積流Qについては:
【0034】
【数3】
【0035】
となる。
【0036】
この場合、さらに、圧力媒体体積流Qについては
【0037】
【数4】
【0038】
が当てはまる。
【0039】
この場合、Cは、環状ギャップの幾何学的な寸法に依存する定数であり、Δpは圧力差を意味する。
【0040】
したがって、(5)によって緩衝力Fについては
【0041】
【数5】
【0042】
となるかまたは
F〜v (7)となる。
【0043】
本発明は、図示の実施例に限定されておらず、例えば内側に開放する弁両噴射弁のためにも使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に従って構成された燃料噴射弁の第1実施例の概略的な断面図である。
【図2】本発明に従って構成された燃料噴射弁の第2実施例の概略的な断面図である。
【図3】図1に示した実施例の段部と緩衝室との領域を概略的に示した部分図である。
【符号の説明】
1 燃料噴射弁、 2 ケーシングカバー、 3 燃料接続部、 4 アクチュエータ、 5 弁ケーシング、 6 燃料通路、 7 アクチュエータケーシング、 8 結合エレメント、 9 アクチュエータピストン、 10 付加リング、 11 ばねエレメント、12 シール部材、 13 付加リング、 14 ガイドボディ、 15 往復行程ピストン、 16 ガイドボディ、 17ばねエレメント、 18 開口、 19 付加リング、 20 弁ニードル、21 弁座体、 22 弁閉鎖体、 23 噴射開口、 24 ばねエレメント、 25 付加リング、 26 作業室、 27 緩衝室、 28 ガイドギャップ、 29 ガイドギャップ、 30 絞り箇所、 31 段部、 32 ショルダ
Claims (10)
- 特に内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁(1)であって、
圧電式、電歪式または磁歪式のアクチュエータ(4)が設けられており、
該アクチュエータ(4)に作用結合しているアクチュエータピストン(9)が設けられており、該アクチュエータピストン(9)が、第1のガイドギャップ(28)を備えてガイドされており、
アクチュエータピストン(9)に圧力媒体を介して作用結合している往復行程ピストン(15)が設けられており、該往復行程ピストン(15)が、第2のガイドギャップ(29)を備えてガイドされており、
往復行程ピストン(15)に作用結合している弁ニードル(20)が設けられており、該弁ニードル(20)の噴射側の端部が、弁閉鎖体(22)を有しており、該弁閉鎖体(22)が弁座体(21)と一緒に、シール座を形成しており、
アクチュエータピストン(9)と往復行程ピストン(15)との間の力伝達が、圧力媒体で満たされていてアクチュエータピストン(9)と往復行程ピストン(15)とにより閉じられた作業室(26)によって行われるようになっている形式のものにおいて、
アクチュエータピストン(9)が、少なくとも1つの段部(31)を有しており、該段部(31)が緩衝室(27)に隣接しており、緩衝室(27)が作業室(26)から空間的に分離されていて、次のように構成もしくは配置されている、すなわち、圧力媒体が絞り箇所(30)を介して流入もしくは流出することができるように、構成もしくは配置されていることを特徴とする燃料噴射弁。 - 絞り箇所(30)がギャップによって形成されており、該ギャップが、アクチュエータピストン(9)の段部(31)の縮径された部分と、ガイドボディ(14)とによって形成されている、請求項1記載の燃料噴射弁。
- 絞り箇所(30)がギャップによって形成されており、該ギャップが、アクチュエータピストン(9)の段部(31)の拡径された部分と、ガイドボディ(14)とによって形成されている、請求項1記載の燃料噴射弁。
- ガイドボディ(14)が、複数の部分から成っている、請求項2または3記載の燃料噴射弁。
- 絞り箇所(30)が、流れを絞る作用を有している開口、特に孔またはレーザ孔によって形成されている、請求項1から4までのいずれか1項記載の燃料噴射弁。
- 燃料が圧力媒体として働いている、請求項1から5までのいずれか1項記載の燃料噴射弁。
- 絞り箇所(30)を介して直接的に燃料が、燃料通路(6)によって交換されるようになっている請求項6記載の燃料噴射弁。
- アクチュエータ(4)の、温度に起因した長さ変化の補償のために、少なくとも1つのガイドギャップ(28,29)を通って圧力媒体が作業室(26)から流出するかまたは作業室(26)内に流入するようになっている、請求項1から7までのいずれか1項記載の燃料噴射弁。
- ばねエレメント(11)の力が少なくとも、アクチュエータピストン(9)と結合エレメント(8)とアクチュエータ(4)とが恒常的に当接保持される程度の大きさである、請求項1から8までのいずれか1項記載の燃料噴射弁。
- アクチュエータピストン(9)と往復行程ピストン(15)との、作業室(26)に面している面積の比によって、行程増大伝達が得られるようになっている、請求項1から9までのいずれか1項記載の燃料噴射弁。
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DE2002132193 DE10232193A1 (de) | 2002-07-16 | 2002-07-16 | Brennstoffeinspritzventil |
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ID=29761999
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