JP2004169699A - 内燃機関に用いられる燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】弁ニードルの開弁時の動的特性に対する不都合な影響を排除し、しかもその他のコンポーネントを変えないまま弁ニードルが従来よりも迅速に長手方向に運動可能となるようにする。
【解決手段】弁ボディ１に設けられた孔３の、燃焼室寄りの端部が円錐形の弁座１２によって仕切られており、弁ニードル５が中間の案内区分２０５で孔３内に案内されており、弁ニードル（５）の、燃焼室寄りの端部にほぼ円錐形の弁シール面１４が設けられており、該弁シール面１４に環状の座着縁部１８が形成されており、さらに案内区分２０５と弁シール面１４との間に弁ニードル５の円筒状の区分１０５が配置されており、該円筒状の区分１０５が、座着縁部１８の直径Ｄの１．０〜１．５倍に相当する直径Ｄ_Ｚを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に用いられる燃料噴射弁であって、弁ボディが設けられており、該弁ボディに孔が形成されており、該孔の、燃焼室寄りの端部が円錐形の弁座によって仕切られており、かつ前記孔の、燃焼室寄りの端部に少なくとも１つの噴射開口が設けられており、該噴射開口が内燃機関の燃焼室に開口しており、弁ニードルが設けられており、該弁ニードルが前記孔内に長手方向移動可能に配置されており、かつ該弁ニードルが中間の案内区分で前記孔内に案内されており、弁ニードルの、燃焼室寄りの端部に形成されたほぼ円錐形の弁シール面が設けられており、該弁シール面に環状の座着縁部が形成されており、さらに弁ニードルの前記案内区分と前記弁シール面との間に弁ニードルの円筒状の区分が配置されている形式のものに関する。

このような形式の燃料噴射弁は、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１００２４７０３号明細書に基づき公知である。この公知の燃料噴射弁は、弁ボディに形成された孔を有しており、この孔の、燃焼室寄りの端部は円錐形の弁座によって仕切られている。この円錐形の弁座からは噴射開口が導出されており、この噴射開口は燃料噴射弁の組付け位置において内燃機関の燃焼室に開口する。前記孔内には、ピストン状の弁ニードルが長手方向移動可能に配置されており、この弁ニードルは中間区分において前記孔内に沿って案内されている。弁ニードルの、燃焼室寄りの端部は、ほぼ円錐形の弁シール面を有しており、この弁シール面は前記弁座と協働する。弁シール面の、燃焼室とは反対の側の端部は、環状の座着縁部を有している。弁ニードルの弁シール面と案内区分との間には、円筒状の区分が形成されており、この円筒状の区分と前記孔の壁との間を通って燃料は少なくとも１つの噴射開口に流入する。

しかし、公知の燃料噴射弁はこの場合、ノズルニードルが極めて剛性的な構成エレメントを成しているという欠点を有している。弁ニードルの開弁行程運動時、すなわち弁ニードルが弁座から持ち上がり、これによって噴射開口へ通じた燃料流を解放し、そして引き続き再び反対方向への長手方向運動によって燃料流を中断する際に、弁座への弁ニードルの載着によって、弁ニードルおよび弁ボディに対する著しい機械的な負荷が生じる。このことは弁座の範囲における摩耗を助成することになり、ひいては時間と共に弁ニードル開弁時の動的特性を変化させてしまう恐れがある。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１００２４７０３号明細書

そこで本発明の課題は、冒頭で述べた形式の燃料噴射弁を改良して、弁ニードルの開弁時の動的特性に対する不都合な影響が排除され、しかもその他のコンポーネントを変えないまま弁ニードルが従来よりも迅速に長手方向に運動可能となるような燃料噴射弁を提供することである。

この課題を解決するために本発明の構成では、円筒状の区分が、座着縁部の直径の１．０〜１．５倍に相当する直径を有しているようにした。

本発明による燃料噴射弁には次のような利点がある。すなわち、本発明による燃料噴射弁は従来よりも良好な開弁時の動的特性を有しており、弁ニードル以外のコンポーネントは従来のままで弁ニードルが従来よりも迅速に長手方向に運動可能となる。このためには、弁シール面と案内区分との間に形成されている円筒状の区分が、座部直径の１．０〜１．５倍に相当する直径を有している。弁ニードルに加えられる運動力は、とりわけ座部直径を介して決定される。それというのは、これによって圧力室内の液力的もしくはハイドロリック的な圧力によって負荷され、ひいては弁ニードルの円筒状の区分に加えられる長手方向力を発生させる面積が規定されるからである。座部直径を、円筒状の区分の直径に適当に調和させることによって、弁ニードルが、一方では弁座への載着時に発生する力を減少させて、こうして摩耗を小さく保持するために十分な高さの長手方向弾性率を有することを達成することができる。そして他方では、弁シール面に加えられるハイドロリック的な力に基づいた側方への座屈が生じないようにするために弁ニードルの十分な安定性を保証するためにも、円筒状の区分のこのような直径で十分となる。

請求項２以下の構成により、本発明による燃料噴射弁の有利な改良が可能となる。

本発明の第１の有利な構成では、案内区分に少なくとも１つの研削加工部が形成されており、この研削加工部によって燃料は前記孔の壁と弁ニードルとの間を通って前記噴射開口にまで流れることができる。ただしこの場合、前記少なくとも１つの研削加工部の横断面積は少なくとも、円筒状の区分の範囲において弁ニードルと前記孔の壁との間に形成された環状ギャップの横断面積と同じ大きさになるように形成されている。これにより、円筒状の区分の直径が比較的小さな場合でも、案内区分は前記噴射開口への燃料流入を絞らなくなる。

本発明の別の有利な構成では、弁ニードルに環状のくびれ部が設けられている。このくびれ部は案内区分を挟んで、燃焼室とは反対の側に配置されている。このくびれ部の直径は円筒状の区分の直径に少なくともほぼ相当している。このくびれ部に基づいて弁ニードルは、この範囲においてある程度の曲げ弾性を得るので、誤位置の場合には弁ニードル内部で補償が生じ得る。弁ニードルと孔の壁との間に、高められた摩擦が生じることはない。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。

図１は本発明による燃料噴射弁の縦断面図である。弁ボディ１には、孔３が形成されており、この孔３の、燃焼室寄り端部は、円錐形の弁座１２を有している。この弁座１２を起点として複数の噴射開口１６が導出されており、これらの噴射開口１６は、燃料噴射弁の組込み位置において、内燃機関の燃焼室へ開口している。孔３内には、ピストン状の弁ニードル５が長手方向移動可能に配置されており、この場合、弁ニードル５は、中間部に配置された案内区分２０５で孔３内に案内されている。この案内区分２０５を起点として、弁ニードル５は弁座１２へ向かってテーパを成して受圧肩７を形成し、次いで円筒状の区分１０５へ移行している。弁ニードル５と孔３の孔壁との間には圧力室１０が形成されており、この圧力室１０を通って燃料は噴射開口１６内へ流入することができる。弁ニードル５の燃焼室寄り端部は弁シール面１４として形成されている。なお図２には、図１に示した弁シール面１４の範囲が拡大されて図示されている。弁シール面１４は第１の円錐面２１と第２の円錐面２２とを有している。両円錐面２１，２２の間には環状溝２３が延びている。円錐面２１，２２の開き角と円錐形の弁座１２の開き角とは、円錐形の弁座１２への弁ニードル５の当接時に、環状溝２３への第１の円錐面２１の移行部に形成された境界線がシール縁部１８として弁座１２に接触するように互いに調和されている。弁ニードル５は弁座１２への当接時に、シール縁部１８の部位で噴射開口１６を圧力室１０に対してシールする。

孔３は、燃焼室とは反対の側の端範囲では拡張されてばね室２５を形成している。このばね室２５内には、弁ニードル５の、燃焼室とは反対の側のばね区分３０５が配置されている。弁ニードル５の、燃焼室とは反対の側の端区分は、圧力スリーブ２９によって仕切られ、この圧力スリーブ２９内に弁ニードル５は案内されている。弁ニードル５の、燃焼室とは反対の側の端面と、圧力スリーブ２９とは制御室４０を仕切っている。この制御室４０には流入絞り４２と流出絞り４４とが開口している。制御室４０は流入絞り４２を介して高圧室に接続されており、かつ流出絞り４４を介して漏れオイル室に接続可能である。流出絞り４４の開閉制御によって、制御室４０内の圧力を増大させるか、または減少させることができるので、弁ニードル５の、燃焼室とは反対の側の端面に加えられるハイドロリック的な力も相応して変化する。圧力スリーブ２９と、弁ニードル５を同じく取り囲みかつ弁ニードル５に形成された環状段部３４に支持された支持リング３２との間には、弁ニードル５のばね区分３０５を取り囲む閉鎖ばね２７が圧縮予荷重もしくは圧縮プレロードをかけられて配置されており、この場合、閉鎖ばね２７は圧縮コイルばねとして形成されている。圧力スリーブ２９は、弁ボディ１に隣接した弁保持体に支持されているので、閉鎖ばね２７によって長手方向の力が弁ニードル５に加えられる。この力は弁ニードルを弁座１２の方向に負荷する。

環状段部３４と案内区分２０５との間では、弁ニードル５にくびれ部３７が形成されているので、この個所における弁ニードル５の直径は、円筒状の区分１０５の直径Ｄ_Ｚに少なくともほぼ相当している。案内区分２０５では弁ニードル５に複数の研削加工部２０が形成されている。本実施例では４つの研削加工部２０が全周にわたって分配されて配置されている。研削加工部２０は、案内区分２０５と孔３の孔壁との間を通る燃料流を可能にする。研削加工部２０は、これらの研削加工部２０の全横断面積が、円筒状の区分１０５の範囲に形成された圧力室１０の横断面積に少なくともほぼ相当するように形成されている。圧力室１０のための燃料供給は、流入孔（図示しない）を介してばね室２５へ行われ、ばね室２５から燃料は研削加工部２０を通って圧力室１０内へ流入する。

前記燃料噴射弁の機能形式は以下の通りである：
ばね室２５は、ひいては圧力室１０も、常時高圧下の燃料で負荷される。初めに、弁ニードル５は閉鎖位置にある。つまり弁ニードル５の弁シール面１４が弁座１２に載着されている。弁ニードル５は、圧力室１０内の圧力に相当する制御室４０内の圧力によって、この閉弁位置に保持され、こうして噴射開口１６を閉鎖する。流出絞り４４の開放によって、制御室４０内の圧力が低下し、ひいては弁ニードル５の、燃焼室とは反対の側の端面に加えられるハイドロリック的な力も低下する。このときに、圧力室１０内の圧力により弁ニードル５の特に受圧肩部７や第１の円錐面２１に加えられるような、弁ニードル５に作用するハイドロリック的な力の方が優勢となる。このハイドロリック的な力により駆動されて弁ニードル５は弁座１２から離れる方向に運動し、こうして圧力室１０から弁シール面１４と弁座１２との間を通って噴射開口１６にまで到達する燃料流を可能にする。流出絞り４４を閉鎖しかつ流入絞り４２により燃料を後流させることにより、燃料噴射後に再び制御室４０内に燃料圧が形成される。この燃料圧は弁ニードル５を閉弁位置へ押し戻す。閉鎖ばね２７はこの過程において二次的な役割しか果たさない。なぜならば、部分的には１００ＭＰａよりも著しく高くなる極めて高い噴射圧に基づき、ハイドロリック的な力の方が、閉鎖ばね２７のばね力に比べて著しく優勢となるからである。閉鎖ばね２７は主として、内燃機関の遮断時に弁ニードル５をその閉弁位置に保持するために働く。

最大４５００ｒ．ｐ．ｍ．の回転数を有する最近の高速回転型の内燃機関では、極めて迅速に連続する燃料噴射が必要となるので、弁ニードル５は極めて短い時間で閉弁位置から開弁位置へ運動させられなければならない。弁ニードル５の長手方向運動を加速させるためには、ハイドロリック的な力を高めるか、あるいは弁ニードル５の質量を低下させることができる。そのうえ、弁ニードル５が極めて迅速に運動しかつ相応して弁ニードル５が弁座１２に激しく載着される場合に、弁ニードル５に著しい変形や振動が発生し、その結果、弁シール面１４と弁座１２との間で、高められた摩耗が生ぜしめられてしまうことも考慮されなければならない。これらの理由から、本発明による燃料噴射弁において、円筒状の区分１０５は、その直径Ｄ_Ｚが座部直径、すなわち環状のシール縁部１８の直径Ｄの１．０倍〜１．５倍の直径に相当するようになるまで減径されている。これにより増大された長手方向弾性率に基づき、弁座１２に対する弁ニードル５の載着時における動的な燃料噴射が低減され、こうして摩耗も減じられる。

円筒状の区分１０５の直径Ｄ_Ｚ対座着縁部もしくはシール縁部１８の座部直径Ｄのこのような比が特に有利であることが判った。なぜならば、円筒状の区分１０５の長手方向弾性率は、弁シール面１４に作用するハイドロリック的な力が規定の範囲内で与えられている場合に最適となり、しかもこの場合、良好な振動減衰を達成すると共に、小さ過ぎる直径に起因した弁ニードル５の不安定化を回避するためには、長手方向弾性率が高過ぎてもいけないし、低過ぎてもいけないことが考慮される。

しかし、弁ニードル５の円筒状の区分１０５を減径させることによって、必然的に横方向剛性も低減される。補償エレメントとしては、くびれ部３７が役立つ。このくびれ部３７はこの個所で意図的に弁ニードル５の曲げ剛性を減少させている。円筒状の区分１０５の範囲で弁ニードル５の軽度の傾斜が生じた場合には、くびれ部３７で補償が行なわれるので、圧力スリーブ２９における高められた摩擦が発生することはない。このことは、案内区分２０５の範囲における横方向力をも減少させ、ひいてはこの範囲における摩擦をも減少させる。

また、図２に示した実施例とは異なる構成、つまり弁シール面１４において環状溝２３を不要にし、かつ第１の円錐面２１を直接に第２の円錐面２２に隣接させるような構成も可能である。この場合には、シール縁部１８は両円錐面２１，２２の移行部に形成されている。この他にも、さらに別の構成が考えられる。たとえば弁シール面１４を唯一つの一貫した円錐面によって形成することも可能である。その場合、シール縁部１８は円筒状の区分１０５から弁シール面１４への移行部に形成されており、これによって、弁シール面１４の開き角は円錐形の弁座１２の開き角よりも大きく形成されていなければならなくなる。

発明による燃料噴射弁の縦断面図である。

図１に示した燃料噴射弁の弁座の範囲を示す拡大断面図である。

符号の説明

１ 弁ボディ、 ３ 孔、 ５ 弁ニードル、 ７ 受圧肩部、 １０ 圧力室、 １２ 弁座、 １４ 弁シール面、 １６ 噴射開口、 １８ シール縁部、 ２０ 研削加工部、 ２１ 第１の円錐面、 ２２ 第２の円錐面、 ２３ 環状溝、 ２５ ばね室、 ２７ 閉鎖ばね、 ２９ 圧力スリーブ、 ３２ 支持リング、 ３４ 環状段部、 ３７ くびれ部、 ４０ 制御室、 ４２ 流入絞り、 ４４ 流出絞り、 １０５ 円筒状の区分、 ２０５ 案内区分、 ３０５ ばね区分

Claims (6)

1. 内燃機関に用いられる燃料噴射弁であって、弁ボディ（１）が設けられており、該弁ボディ（１）に孔（３）が形成されており、該孔（３）の、燃焼室寄りの端部が円錐形の弁座（１２）によって仕切られており、かつ前記孔（３）の、燃焼室寄りの端部に少なくとも１つの噴射開口（１６）が設けられており、該噴射開口（１６）が内燃機関の燃焼室に開口しており、弁ニードル（５）が設けられており、該弁ニードル（５）が前記孔（３）内に長手方向移動可能に配置されており、かつ該弁ニードル（５）が中間の案内区分（２０５）で前記孔（３）内に案内されており、弁ニードル（５）の、燃焼室寄りの端部に形成されたほぼ円錐形の弁シール面（１４）が設けられており、該弁シール面（１４）に環状の座着縁部（１８）が形成されており、さらに弁ニードル（５）の前記案内区分（２０５）と前記弁シール面（１４）との間に弁ニードル（５）の円筒状の区分（１０５）が配置されている形式のものにおいて、円筒状の区分（１０５）が、座着縁部（１８）の直径（Ｄ）の１．０〜１．５倍に相当する直径（Ｄ_Ｚ）を有し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. 案内区分（２０５）の範囲で弁ニードル（５）に少なくとも１つの研削加工部（２０）が設けられており、該研削加工部（２０）によって燃料が、前記孔（３）の壁と弁ニードル（５）との間を通って前記噴射開口（１６）へ流入し得るようになっており、ただし全ての研削加工部（２０）の横断面積の総和が、円筒状の区分（１０５）の範囲における圧力室（１０）の横断面積に少なくとも等しくなるように形成されている、請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 座着縁部直径（Ｄ）が１．９ｍｍ〜２．１ｍｍである、請求項１記載の燃料噴射弁。
4. 案内区分（２０５）に対して燃焼室とは反対の側で弁ニードル（５）に環状のくびれ部（３７）が設けられており、該くびれ部（３７）の直径が、円筒状の区分（１０５）の直径（Ｄ_Ｚ）に少なくともほぼ相当している、請求項１記載の燃料噴射弁。
5. 円筒状の区分（１０５）が直接に弁シール面（１４）に隣接している、請求項１記載の燃料噴射弁。
6. 座部縁部（１８）が、円筒状の区分（１０５）と弁シール面（１４）との間の移行部に配置されている、請求項５記載の燃料噴射弁。

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