JP2004502076A - 圧力制御式の二重切換型の高圧インジェクタ - Google Patents

Abstract

本発明は、高い圧力下にある燃料を内燃機関の燃焼室内に噴射するためのインジェクタに関する。このインジェクタ（１）のケーシング（２）に設けられた孔（３）内には制御部材（４）が収容されている。この制御部材（４）はアクチュエータ操作されて上下運動可能である。アクチュエータによって、制御部材（４）は、ノズル流入管路（１０，１１）内への燃料供給を解放する位置に運動可能である。インジェクタ（１）のケーシング（２）に設けられた弁室（８，３８）は、噴射段階（４１，４２）の間に制御部材側の制御縁部（３６，３７）によって開閉制御可能であるのに対して、噴射システム（１１，１２，３４）の放圧は、制御部材（４）に配置されたスプール区分（１３，２１）を介して行われる。

Description

【０００１】
背景技術
本発明は、二重切換型の高圧インジェクタに関する。この高圧インジェクタは、たとえば高い圧力下にある燃料を内燃機関の燃焼室内に噴射するために設けられている。特定の使用事例では、大きな行程室を備えた直接噴射式の内燃機関にパイロット噴射段階またはポスト噴射段階が必要となり得る。パイロット噴射段階もしくはポスト噴射段階は、設定された噴射経過を実現するために、インジェクタケーシング内で噴射段階を制御する制御部材の制御可能性の精度、特に制御部材の製造誤差に高い要求を課している。
【０００２】
ドイツ連邦共和国特許第３７２８８１７号明細書は、内燃機関に用いられる燃料噴射ポンプに関する。開示されたこの燃料噴射ポンプでは、制御弁部材が、ガイドスリーブを形成しかつ通路内で滑動する弁軸部と、この弁軸部に結合された、操作装置に面した弁ヘッドとから成っている。この弁ヘッドのシール面は、制御孔の、弁座を成す面と協働する。弁軸部はその周面に切欠きを有している。この切欠きの軸方向の延在長さは、燃料供給管路の開口から、弁ヘッドに設けられた、弁座と協働するシール面の始端部にまで延びている。切欠き内には、燃料供給管路の圧力にさらされる面が形成されている。この面は、弁ヘッドの、制御弁の閉鎖状態で燃料供給管路の圧力にさらされる面と同じである。これによって、弁は閉鎖状態で圧力補償されている。この場合、制御弁部材に設けられた案内スリーブ内には、負荷するばねが配置されている。このばねは制御弁部材を開放位置に向かって負荷している。
【０００３】
公知先行技術に基づき公知のこの構成では、パイロット噴射段階の実現もしくは内燃機関の燃焼室内へのメイン噴射段階に続くポスト噴射の実現が不可能である。なぜならば、付加的な噴射段階を実施するために、パイロット噴射段階もしくはポスト噴射段階の間に噴射したい燃料量のための収容室が提供されていないからである。
【０００４】
発明の利点
本発明により提案されたインジェクタによって、制御部材の２つの切換位置を実現する外部操作可能なアクチュエータの使用時には、たとえば燃料を内燃機関の燃焼室内に噴射するためのメイン噴射段階およひパイロット噴射段階が可能となる。制御部材の弾道的（ｂａｌｌｉｓｔｉｓｃｈ）な運転は省略することができるので、制御部材の案内直径および座直径は著しく正確に製造することができる。
【０００５】
二重切換型のインジェクタによってパイロット噴射段階を実現するためには、インジェクタに設けられた、高圧集合室流入通路（コモンレール流入通路）を介して、高い圧力下にある燃料で負荷可能な弁室を、弁室直径と制御弁直径との比率を適宜に規定して、絞りギャップとして使用することができる。したがって、ケーシング内に形成された弁室に関する制御部材のヘッド領域の中間位置では、燃料の通流量を、インジェクタのケーシングに設けられた孔内での制御部材の中間位置で制限することができる。
【０００６】
制御部材を２つの切換段階にもたらすアクチュエータの使用時には、調整可能な各切換段階、すなわち、一貫して切り換えられた制御部材ならびに中間に位置決めされた制御部材において、この制御部材に配置された制御エレメントを介して、高い圧力下にある燃料からのノズルシステムの負荷軽減を行うことができる。これによって、噴射ノズルシステム、特にノズル流入通路と、ノズルニードルを取り囲むノズル室とが、高い圧力下にある燃料から負荷軽減されている。これによって、これらの構成部分の機械的な負荷が著しく減少させられると共に、制御面の２つの切換状態を実現するインジェクタの耐用年数が延ばされる。
【０００７】
本発明により提案されたインジェクタの制御部材は力補償式に形成することができる。なぜならば、全ての案内直径および座直径が同じ直径を有しているからである。したがって、制御部材では、不均一に分配される機械的な負荷が回避される。制御部材に設けられたスプールエレメントの自由な重なりと比較して、制御部材のヘッド領域に設けられた制御縁部を同じ行程距離を備えて形成する場合には、本発明により提案されたインジェクタのケーシングの漏れオイル管路内への漏れオイル流が制限されるので、多段階に切り換えられる本発明により提案されたインジェクタの効率にネガティブな影響は与えられない。
【０００８】
実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【０００９】
図１には、本発明により提案された、高圧集合室（コモンレール）のために使用される、種々異なる噴射段階を実現するインジェクタが縦断面図で示してある。
【００１０】
インジェクタ１のケーシング２に設けられた、ほぼ鉛直方向に延びる孔３内には制御部材４が収容されている。複数の切換状態を実現するアクチュエータ（図示せず）、たとえば電磁石、ピエゾアクチュエータまたは機械／液圧的なアクチュエータによって、制御部材４はケーシング２の孔３内で上下運動することができる。インジェクタケーシング２の上側の領域には、高圧集合室から延びる流入通路５が設けられている。この流入通路５は、制御部材４に設けられたくびれ箇所の領域でインジェクタ１のケーシング２内の孔３に開口している。高圧集合室から延びる流入通路５の開口の下方では、インジェクタ１のケーシング２内に弁室８が設けられている。この弁室８は特定の弁室直径を備えて形成されている。弁室８の領域では、制御部材４のヘッド領域６が直径９を備えて形成されている。制御部材４のヘッド領域６では、このヘッド領域６の上側の端部と下側の端部とに制御部材側の制御縁部３６；３７が形成されている（図２参照）。
【００１１】
対称軸線に対して回転対称的に形成されている制御部材４には、座直径もしくは案内直径が全て同じ直径７で形成されている。これによって、本発明により提案された制御部材４を力補償式に形成することができる。
【００１２】
ほぼ菱形にケーシング２内に形成された弁室８からはノズル流入開口１０が分岐している。このノズル流入開口１０は、インジェクタケーシング２を通って延びるノズル流入通路１１に接続されている。このノズル流入通路１１はノズル室１２に開口している。ノズル流入通路１２は噴射ノズルシステムの前方の領域に設けられていて、ノズル先端部３３で直接噴射式の内燃機関の燃焼室内に開口している。
【００１３】
制御部材４に設けられたくびれ部で終わっているヘッド領域６は流出側で第１のスプールエレメント１３に続いている。このスプールエレメント１３の直径は、制御部材４の上側の領域における直径７に相当している。第１のスプールエレメント１３は、このスプールエレメント１３の全周にわたって環状に延びる、インジェクタ１のケーシング２内に形成された漏れオイル環状室１４によって取り囲まれている。この漏れオイル環状室１４からは漏れオイル孔１５が分岐している。この漏れオイル孔１５は流出側で漏れオイル管路１６に開口している。この漏れオイル管路１６を介して、高圧からのノズル負荷軽減時に流出する過剰の燃料を自動車の燃料タンク内に戻すことができる。漏れオイル環状室１４には同じくノズル流入通路１１からの第１の分岐通路１９が開口している。この分岐通路１９を介して、ノズル流入通路１１と、ノズル室１２と、噴射ノズル３４とから成る噴射ノズルシステムは噴射段階４１；４２（図３参照）後に放圧可能となる。
【００１４】
第１のスプールエレメント１３は、制御部材４の軸方向で見て、狭隘部に続いている。この狭隘部は制御部材４の端部領域で第２のスプールエレメント２１に続いている。この第２のスプールエレメント２１も制御部材４の直径７を備えて形成されている。この直径７を備えて第２のスプールエレメント２１はインジェクタ１のケーシング２の孔３内に案内されている。第２のスプールエレメント２１は、このスプールエレメント２１に対応配置された環状室２２によって同じくケーシング側で取り囲まれている。この環状室２２は開口を介して同じくケーシング２内のノズル流入通路１１に接続されている。第２のスプールエレメント２１の一方の端面２６の下方にはシールばね２５が配置されている。このシールばね２５は圧縮ばねとして形成されていて、ケーシング２に設けられた中空室２７内に収容されている。シールばね２５は、一方ではケーシング２内の孔３の底部に支持されていて、他方ではシールばね２５の端部ピッチで、第２のスプールエレメント２１に設けられた付設部２８によって形成された環状の制御面２６に接触している。
【００１５】
シールばね２５によって、少なくとも２段式に作業する制御部材４は、アクチュエータの新たな操作後に再び閉鎖位置に戻されるので、高圧集合室から延びる流入通路５は弁室８に対してシールされており、制御部材４は鉛直方向で見て上方に運動しかつ弁室８をシールする座に載置されている。
【００１６】
インジェクタ１のケーシング２内に収容された中空室２７の下方には、この中空室２７とは別個の中空室が形成されている。この中空室内にばねエレメント３１が収容されている。この中空室内に収容されたばねエレメント３１はノズルニードル２９の端面３０を負荷して、ノズルニードル２９をノズル座３４に押圧している。ノズルニードル２９には、ノズル室１２によって取り囲まれている領域で受圧段部３５が形成されている。弁室８から延びるノズル流入通路１１が、高い圧力下にある燃料に基づき負荷されると、高い圧力下にある燃料がノズル室１２内に加えられ、ばねエレメント３１の作用に抗してノズルニードル２９をノズル座３４から開放する。これによって、ノズル先端部３３が座３４から持ち上がるので、パイロット噴射段階の間またはメイン噴射段階の間またはポスト噴射段階の間に直接噴射式の内燃機関の燃焼室内への高い圧力下にある燃料の噴射量の噴射を行うことができる。
【００１７】
ノズルニードル２９を負荷しているばねエレメント３１が収容されている中空室は流出管路３２を介して、すでに述べた漏れオイル管路１６に接続されている。この漏れオイル管路１６は、すでにインジェクタケーシング２内に設けられた環状室１４；２２からの分岐通路１５を介した漏れオイルの導出のために働く。
【００１８】
図２から分かるように、流出側に設けられた両漏れオイルスプールエレメント１３；２１における行程距離２０；２４の重なりは、制御部材４のヘッド領域６に形成された制御縁部の行程に相当している。
【００１９】
図２には、制御部材４のヘッド領域６が拡大図で示してある。
【００２０】
制御部材４のヘッド領域６は、制御部材４の案内直径もしくは座直径が形成されている案内直径７への上側のもしくは下側の移行部に２つの制御縁部３６；３７を有している。上側の制御縁部３６もしくは下側の制御縁部３７の重なり度は、漏れオイルスプール１３；２１で調整可能な行程距離２０に相当している。図２に示した拡大図から分かるように、弁室８の内径とヘッド領域６の外径とが互いに相応に調和されていることを前提として、弁室８は絞りギャップ３８として形成することができる。ギャップ状に形成された弁室８；３８の移行部には、第１の漏れオイルスプール１３が形成されている。この漏れオイルスプール１３は直径７で形成されていて、インジェクタ１のケーシング２の孔３内で上下運動可能である。
【００２１】
図３からは、時間軸に関連した制御部材行程のもしくは噴射段階の時間的な経過がそれぞれ誇張されて明らかである。
【００２２】
図３に示した両線図の上側の線図には、鉛直方向での制御部材４の行程距離が時間軸に関連して誇張してある。ギャップ状に形成された弁室８，３８をパイロット噴射を実施する目的で開制御するためには、制御部材４のヘッド領域６がケーシング２のストッパに向かって走行させられる。このストッパには、ヘッド領域６の下側の制御縁部３７が載置する。この目的のためには、制御部材４が、少なくとも２つの作動状態を実現するアクチュエータ、たとえば電磁石またはピエゾアクチュエータを介して負荷される。したがって、パイロット噴射を実施するためには、制御縁部３７がケーシング２の相応の制御縁部に接触しかつ弁室８，３８を一貫して切り換えるまで、ヘッド領域６が最も十分な作動距離を実現しなければならない。
【００２３】
パイロット噴射段階４１に続くメイン噴射段階４２では、制御部材４は、インジェクタ１のケーシング２内に形成された弁室８，３８に対してほぼ中間の位置に保持される。この状態は第２のプラト（Ｐｌａｔｅａｕ）に相当している。このプラトは、図３による両線図の上側の線図の曲線列に示した、高い方のレベルに位置する第１のプラトに表してある。
【００２４】
下側の線図には、生ぜしめられたパイロット噴射段階４１もしくはメイン噴射段階４２示してある。パイロット噴射段階４１は、図３の下側の線図によれば、２つの経過をとることができる。著しく低い噴射量を伴う第１の経過は実線で示してあり、これに対して選択的に破線では、一方でより長く続きかつ他方でより高い噴射容量が噴射されるパイロット噴射段階４１が示してある。パイロット噴射段階４１は、噴射ノズルシステム１１，１２，３４が放圧される噴射段階に続いており、その後、メイン噴射の間には、ほぼ三角形の噴射経過が噴射ノズルで実現され得る。
【００２５】
本発明により提案された、多段階に切り換わるインジェクタの機能形式は以下の通りである：
図１でケーシング２内に移動可能に支承された制御部材４には、ピエゾアクチュエータ、電磁石またはこれに類する外部操作可能な切換レメントが対応配置されている。この切換エレメントによって、制御部材４は、インジェクタ１のケーシング２に設けられた孔３内で上下運動可能となる。パイロット噴射４１を実施するためには、制御部材４が弁操作ユニットによって鉛直下向きに運動させられ、これによって、ヘッド領域６の下側に形成された制御縁部３７が、ケーシング２に設けられた座に載置しかつギャップ状に形成された弁室８，３８を短時間、高圧集合室から延びる流入通路５に接続する。これによって、パイロット噴射量に相当する燃料量が開口１０を介してノズル流入通路１１内に流入することができ、かつノズル室１２内に到達することができる。制御部材４の、鉛直下向きに方向付けられた運動時には、制御部材４の流出領域に形成された漏れオイルスプール１３；２１によって、横方向孔１５もしくは横方向孔１５の下方に位置する別の横方向孔が閉鎖されるので、パイロット噴射段階の間、ノズル流入通路１１は漏れオイル側でシールされている。これによって、調量されたパイロット噴射燃料量が噴射の実施のためにノズル室１２内に加えられる。このノズル室１２内に加えられた高い圧力によって、ノズルニードル２９がばねエレメント３１のばね力作用に抗して上昇する。なぜならば、高い圧力がノズルニードル２９の受圧段部３５に加えられるからである。したがって、噴射ノズル先端部３３が、直接噴射式の内燃機関の燃焼室において座３４から持ち上がり、これによって、燃料が直接噴射式の内燃機関の燃焼室内に噴射され得る。
【００２６】
パイロット噴射が行われた後、制御部材４は鉛直上向きに運動させられる。これによって、肉厚に形成されたヘッド領域６が弁室８，３８の内部で中間位置に位置決めされる。絞りギャップ状に形成された弁室８，３８の内部のヘッド領域６の中間位置では、流出側に設けられた両漏れオイルスプール１３；２１によって、ケーシング２内に漏れオイル側で設けられている環状室１４；２２は閉鎖されている。これによって、絞りギャップとして機能する弁室８，３８の内部のヘッド領域６の中間位置では、高圧集合室から延びる流入通路５を介して高い圧力が噴射ノズルシステム１１，１２，３４に加えられる。
【００２７】
メイン噴射段階４２後の放圧は、図１に示したように、厚肉に形成されたヘッド領域６が、ケーシング２に設けられた上側のストッパに向かって上昇しかつ第１の漏れオイルスプールエレメントにおける制御縁部１７，１８と漏れオイル環状室１４とが開放することによって行われる。パイロット噴射４１を実施した後、噴射ノズルシステム１１，１２，３４は、環状室２２における制御縁部２４；２３の開放によって漏れオイル側で放圧されるので、高圧が、ケーシング側に設けられた漏れオイル管路１６内へ減少させられ得る。
【００２８】
制御部材４の本発明による構成および絞り状のギャップとしての弁室８の、ヘッド領域６の直径９もしくは外径に適宜に調和された形成によって、制御部材４に２ポート３位置弁を形成することができる。案内領域および座領域（直径７）にほぼ同じ直径を備えた制御部材４の構成によって、インジェクタケーシング２の孔３内で運動可能な制御部材４の力補償式の構成が可能となる。
【００２９】
図３によれば、制御部材４の、一貫して切換可能なヘッド領域６によって、絞りギャップ状の弁室８，３８内でのヘッド領域６のパイロット噴射行程とメイン噴射中間位置とを実現することができるので、ヘッド領域６の下側の制御縁部３７を適宜に迅速にまたは緩慢に制御することによって、パイロット噴射段階の間に噴射したい噴射量が調量可能となる。制御部材４に設けられた厚肉のヘッド領域６と、絞りギャップ状の弁室８，３８の内径との直径比率を規定することによって、高圧集合室の流入通路５から生ぜしめられる、噴射ノズルシステム１１，１２，３４への平均的な通流量を相応に規定することができる。
【００３０】
噴射ノズルシステム１１，１２，３４を介した放圧によって、メイン噴射段階の間の三角形の噴射経過に相応する、ノズルニードル２９の行程を獲得することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により提案された、種々異なる噴射段階を実現するインジェクタの縦断面図である。
【図２】インジェクタの制御部材における弁室の拡大図である。
【図３】時間軸に関連した制御弁行程もしくは噴射段階の時間的な経過をそれぞれ誇張して示す図である。
【符号の説明】
１　インジェクタ、　２　ケーシング、　３　孔、　４　制御部材、　５　流入通路、　６　ヘッド領域、　７　直径、　８　弁室、　９　直径、　１０　ノズル流入開口、　１１　ノズル流入通路、　１２　ノズル室、　１３　スプールエレメント、　１４　漏れオイル環状室、　１５　漏れオイル孔、　１６　漏れオイル管路、　１７　制御縁部、　１８　制御縁部、　１９　分岐通路、　２０　行程距離、　２１　スプールエレメント、　２２　環状室、　２３　制御縁部、　２４　制御縁部、　２５　シールばね、　２６　端面、　２７　中空室、　２８　付設部、　２９　ノズルニードル、　３０　端面、　３１　ばねエレメント、　３２　流出管路、　３３　ノズル先端部、　３４　ノズル座、　３５　受圧段部、　３６　制御縁部、　３７　制御縁部、　３８　弁室、　４１　パイロット噴射段階、　４２　メイン噴射段階

Claims (9)

1. 高い圧力下にある燃料を内燃機関の燃焼室内に噴射するためのインジェクタであって、ケーシング（２）内に運動可能に案内された制御部材（４）が設けられており、該制御部材（４）が、アクチュエータ操作されて当該インジェクタ（１）のケーシング（２）の孔（３）内で鉛直方向に上下運動可能であり、制御部材（４）が、アクチュエータエレメントによって操作可能であり、該アクチュエータエレメントが、ノズル流入通路（１０，１１）内への燃料供給を解放する位置に制御部材（４）を運動させるようになっている形式のものにおいて、弁室（８，３８）が、噴射段階（４１，４２）の間に制御部材側の制御縁部（３６，３７）によって開閉制御されるようになっており、噴射ノズルシステム（１１，１２，３４）の放圧が、制御部材（４）に形成された漏れオイルスプール（１３，２１）を介して行われるようになっていることを特徴とする、インジェクタ。
2. 制御部材（４）の上方に、２つの切換段階を制御するアクチュエータが配置されている、請求項１記載のインジェクタ。
3. パイロット噴射段階（４１）の間、制御部材（４）のヘッド領域（６）に設けられた第２の制御縁部（３７）が、当該インジェクタ（１）のケーシング（２）に当て付けられている、請求項１記載のインジェクタ。
4. メイン噴射段階（４２）の間、制御部材（４）のヘッド領域（６）が、該ヘッド領域（６）を取り囲む弁室（８，３８）に関して中間位置に位置している、請求項１記載のインジェクタ。
5. 弁室直径とヘッド領域直径（９）との直径差が、絞り（３８）して作用しており、弁室（８，３８）内の制御部材（４）のヘッド領域（６）の中間位置における通流量を制限している、請求項４記載のインジェクタ。
6. 制御部材（４）のヘッド領域（６）における行程距離ｈ１，ｈ２の重なりが、制御部材（４）のスプールエレメント（１３，２１）の行程距離ｈ３，ｈ４の重なりと流出側で同じになるように設定される、請求項１記載のインジェクタ。
7. 噴射ノズルシステム（１１，１２，３４）が、パイロット噴射段階（４１）の後に下側のスプールエレメント（２１）における環状室（２２）を介して漏れオイル管路（１６）に放圧されるようになっている、請求項１記載のインジェクタ。
8. 噴射ノズルシステム（１１，１２，３４）が、メイン噴射（４２）後、上側のスプールエレメント（１３）に設けられた漏れオイル環状室（１４）を介して放圧されるようになっている、請求項１記載のインジェクタ。
9. 制御部材（４）の全ての案内直径と座着直径とが、同じ直径（７）を有しており、制御部材（４）が力補償されている、請求項１記載のインジェクタ。