JP2004502089A - 内燃機関用の燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関用の燃料噴射装置（１）であって、燃料高圧源（２）が設けられていて、該燃料高圧源（２）から制御弁ユニット（７）を介して燃料が噴射開口（８）に案内される形式のものに関する。本発明では、制御弁ユニット（７）が弁体（１１）と、該弁体（１１）内に軸方向シフト可能に配置された弁部材（９）と、該弁部材（９）を操作するアクチュエータユニット（１０）とを有しており、制御弁ユニット（７）の第１の弁室（１４）に、燃料高圧源（２）と接続されている第１の高圧ライン（６）が開口しており、第１の弁座（１３）が弁体（１１）の外径部において第１の弁室（１４）と、第２の高圧ライン（２３）を介して噴射開口（８）に接続されている第２の弁室（１５）との間に設けられており、第２の弁座（２４）が弁部材（９）の内径部に形成されていて、該内径部に遮断装置（２５）が係合作用するようになっている。

Description

【０００１】
本発明は、内燃機関用の燃料噴射装置であって、調量された燃料噴射のために、燃料高圧源から噴射開口への燃料案内路内において間に制御弁ユニットが配置されている形式のものに関する。実地において公知のこのような形式の燃料噴射装置、特にコモンレール系において使用される燃料噴射装置は、多くの場合ノズルホルダ配置形式として構成された噴射開口への燃料の供給を制御し、この供給制御は一般的に、力補償されてもしくは部分力保証されて構成されたスプール弁（Ｓｃｈｉｅｂｅｒ−Ｖｅｎｔｉｌ）もしくは座・スプール弁（Ｓｉｔｚ−Ｓｃｈｉｅｂｅｒ−Ｖｅｎｔｉｌ）を介して行われる。
【０００２】
このスプール弁もしくは座・スプール弁は、供給部及び排出部の開放及び重なりもしくは閉鎖のための制御縁を有しており、この場合通常は小さく形成された重なり（Ｕｅｂｅｒｄｅｃｋｕｎｇ）によって、大きな漏れ燃料流がスプール弁の内部において生じ、これは、内燃機関の燃焼室内への燃料噴射に不都合な影響を与える。
【０００３】
このような理由から、燃料の制御された噴射のためにダブル座弁（Ｄｏｐｐｅｌｓｉｔｚｖｅｎｔｉｌ）を使用するようになった。このダブル座弁はスプール弁に対して次のような利点、すなわち行程長さが著しく増大させられ、弁座において高いシール作用を得ることができる、という利点を有している。さらにダブル座弁はスプール弁に対して次のような利点を有している。すなわちダブル座弁では行程長さは他方において小さく選択することができるので、圧電式のユニットによるダブル座弁の直接的な制御を、力補償されたもしくは部分力補償された弁を前提条件として行うことが可能である。
【０００４】
ドイツ連邦共和国特許第１９８６０６７８号明細書に基づいて公知の内燃機関用の燃料噴射装置では、燃料噴射弁には高圧ラインを介して燃料が供給される。この公知の燃料噴射装置は、噴射開口を制御するために噴射弁部材を有しており、噴射弁体におけるこの噴射弁部材の軸方向運動、ひいては噴射ノズルの開放は、制御装置によって制御され、この制御装置は圧電式のアクチュエータとして構成されており、このアクチュエータを用いて噴射弁部材は操作可能である。
【０００５】
噴射弁部材は弁ヘッドを備えて形成されており、この弁ヘッドは制御弁ユニットの噴射弁体の２つの弁座と共働し、圧電式のアクチュエータへの電圧印加時に、高圧ラインを介して燃料高圧源からもたらされた燃料が、第１の弁座及び第２の弁座を介して燃料噴射弁を通って流れ、噴射開口に通じる別の高圧ラインへと流れることができるようになっている。
【０００６】
しかしながらこの公知の構成には次のような欠点が見られる。すなわち公知の構成では、複数の分割平面を備えた弁ケーシングもしくは噴射弁体の複雑で手間のかかる高価な構成は、複数部分から成る弁体を備えた力補償されたもしくは部分力補償された弁の組立てが、特に困難である。
【０００７】
発明の利点
請求項１の特徴部に記載のように構成された本発明による内燃機関用の燃料噴射装置には、次のような利点がある。すなわち本発明による燃料噴射装置では、制御弁ユニットは、弁体の外径部に位置していて外方に向かって開放する第１の弁座と、内方に向かって開放する第２の弁座とを有しており、両弁座は、嵌合に関して互いに対して移動させる必要がなく、従って制御弁ユニットは製造技術的に極めて簡単に製造可能な構成を有することができるようになる。このような配置形式によって製造時における誤差の許容範囲を大きくすることができ、これによって製造コストが減じられる。
【０００８】
別の利点としては次のことが挙げられる。すなわち本発明による燃料噴射装置では、制御弁ユニットは正確に作動する３ポート２位置弁として圧力制御される系内に設けられており、この３ポート２位置弁は有利には圧電式のアクチュエータユニットによって直接的に操作することができ、この場合、燃料噴射装置の噴射開口への燃料供給部に制御弁ユニットが組み込まれていることによって、正確に調量可能な短い噴射が可能になる。
【０００９】
本発明による燃料噴射装置の大きな利点としては、弁部材の、圧電式のユニットとは反対の側に、遮断装置を備えた制御弁ユニットの構造を挙げることができる。それというのはこの遮断装置は、遮断体と、該遮断体と弁部材との間に配置された閉鎖エレメントとを備えた構成に基づいて、セルフセンタリング機能を有しており、これによって製造誤差に対しては低い要求しか課せられないからである。
【００１０】
本発明の別の有利な構成は請求項２以下に記載されている。
【００１１】
図面
次に図面を参照しながら本発明の１実施例を説明する。
【００１２】
図１は、燃料高圧アキュムレータから延びる燃料案内路を備えた、本発明による内燃機関用の燃料噴射装置を概略的に示す断面図であって、特に燃料噴射装置の制御弁ユニットの構造を示す図である。
【００１３】
実施例の記載
図１に示された、自動車の内燃機関用の燃料噴射装置１は、有利にはディーゼル燃料を噴射するためのコモンレール・インジェクタとして形成されている。コモンレール系はこの場合燃料高圧源２を有していて、この燃料高圧源２は燃料高圧アキュムレータ３を備えて形成されている。燃料高圧アキュムレータ３は燃料高圧フィードポンプ４によって、噴射圧に圧縮された燃料タンク５から燃料を供給される。さらに燃料高圧アキュムレータ３からは第１の高圧ライン６が制御弁ユニット７に通じており、この制御弁ユニット７から燃料は噴射のためにさらに噴射開口８に導かれ、この噴射開口８は、図１においては単に略示されているにすぎないが、汎用の形式でノズルホルダ配置形式として構成されていることができる。
【００１４】
制御弁ユニット７は、弁部材９を備えた燃料供給部を介して噴射開始、噴射時間及び燃料噴射量を調節するために、形成されており、この場合弁部材９は、圧電式のアクチュエータ１０として形成されたアクチュエータユニットを介して制御もしくは操作される。
【００１５】
弁部材９は円筒形に形成されていて、弁体１１内において軸方向摺動可能に配置されており、この場合弁部材９はほぼ真ん中の領域に、リング状に形成されたカラーもしくは弁ヘッド１２を有している。そしてこの弁ヘッド１２によって弁部材９は、制御弁ユニット７に関連して外方に向かって開放するピエゾ側の第１の弁座もしくは外側弁座１３と一緒に、第１の弁室１４と第２の弁室１５とを、圧電式アクチュエータ１０によって操作されていない状態において隔てている。弁体１１は弁部材の領域において一体的に形成されており、これによって制御弁ユニット７の単純な構造が達成され、僅かなシール費用しか必要なくなる。
【００１６】
図１に示されているように、燃料高圧源２から延びる高圧ライン６は第１の弁室１４に開口しており、この弁室１４は、弁部材９の弁ヘッド１２が外側弁座１３に接触している場合に、弁体１１と弁部材９のリング溝状の成形部１６との間に形成される。
【００１７】
高圧ライン６を介して燃料噴射装置１の運転中に持続的に高圧が存在している第１の弁室１４には、ピエゾ側に弁体１１における弁部材９の第１のガイド１７が接続しており、このガイド１７は外側弁座１３と同じ直径を有している。
【００１８】
弁部材９のピエゾ側の端部と液圧式の変換装置として働く液圧室１８との間には、第１の変換ピストン１９が配置されており、この変換ピストン１９は、圧電式のアクチュエータ１０に印加された電圧に基づいて生ぜしめられる圧電式のアクチュエータ１０の長さ変化を、弁部材９に伝達する。
【００１９】
圧電式のアクチュエータ１０と液圧室１８との間には第２の変換ピストン２０が設けられており、この変換ピストン２０は圧電式のアクチュエータ１０とは反対側の端部で、液圧室１０内に進入している。液圧室１８は、一方では圧電式のアクチュエータ１０の長さ変化の伝達エレメントとして働き、かつ他方では該液圧室１８を取り囲む部材の、温度に基づく膨張変動を補償するための補償エレメントとして働く。
【００２０】
第１の変換ピストン１９と弁部材９との間における接触領域には、弁部材９もしくは第１の変換ピストン１９の周りにおいて弁体１１にリング室２１が設けられており、このリング室２１からは、第１の漏れライン２２が延びている。
【００２１】
この第１の漏れライン２２は、高圧下で高圧ライン５を介して第１の弁室１４内に達し次いで第１のガイド１７を介して圧電式のアクチュエータ１０に向かって制御弁ユニット７内を上昇する燃料を、弁体１１から排出するために設けられている。これによって、液圧室１８が供給される燃料によって負荷されないことが保証される。もし液圧室１８が供給燃料に負荷されると、制御弁ユニット７がコントロールされずに開放してしまうことになる。
【００２２】
第１の弁室１４の、圧電式のアクチュエータ１０とは反対の側には、第２の弁室１５が接続しており、この第２の弁室１５からは、噴射開口８と接続された第２の高圧ライン２３が延びている。
【００２３】
さらに弁部材９の、圧電式のアクチュエータ１０とは反対の側には、制御弁ユニット７に対して内方に向かって開放する第２の弁座もしくは内側弁座２４が設けられており、この内側弁座２４は弁部材９によって形成されていて、内側弁座２４には遮断装置２５が係合している。遮断装置２５は弁部材９のために行程ストッパを形成しており、この遮断装置２５は、プレート２６とピン２７とから形成された遮断体２８と、ピン２７と弁部材９との間に配置された閉鎖エレメント２９とを有しており、この閉鎖エレメント２９は球形に形成されていて、ピン２７に向けられた側においては、ピンと閉鎖エレメント２９との間における良好な接触を達成するために平らに面取りされている。
【００２４】
閉鎖エレメント２９は部分的に弁部材９の孔３０内に配置されており、この孔９は、弁部材９に設けられた２つの通路３１を介して第２の弁室１５と接続されている。
【００２５】
閉鎖エレメント２９の直径と、少なくともほぼ円錐形に形成された孔３０の端部領域とは、次のようになっている。すなわちこの場合孔３０は圧電式のアクチュエータ１０による弁部材９の操作時に閉鎖エレメント２９によって閉鎖され、孔３０を通って通路３１を介して燃料が貫流することが阻止されるようになっている。
【００２６】
遮断体２８のプレート２６と弁部材９との間にはばね３２が配置されており、この場合遮断体２８のプレート２６は圧電式のアクチュエータ１０とは反対の側で弁体１１に接触していて、遮断体２８のピン２７はプレート２６から弁部材９に向かって延びている。
【００２７】
プレート２６の外径は遮断装置２５の領域において、弁体１１の内径よりも小さく形成されている。これによって圧電式のアクチュエータ１０による弁部材９の操作時に遮断体２８の自動調整によって、いかなる場合でも内側弁座２４に最適に接触し、ひいては高いシール作用が得られる。なお前記自動調整は、プレート２６と弁体１１との間の遊びと、ピン２７に対してシフト可能に配置された閉鎖エレメント２９とによって可能になる。
【００２８】
弁体１１はプレート２６の接触面の領域に流出通路３３を有しており、この流出通路３３はノズルばね３５のばね室３４と接続されていて、ノズルばね３５のばね力もしくは予負荷によって、噴射開口８の開放圧を調節することができる。流出通路３３はプレート２６によって覆われており、この場合遮断装置２５の領域から漏れオイル室３４に燃料を案内するために、プレート２６には流出通路３３によって覆われる貫通孔３６が設けられている。
【００２９】
図１から分かるように、第２のガイド３７と流出通路３３との間の領域には別の漏れライン３８が、制御弁ユニット７を放圧するためもしくは過剰の燃料を制御弁ユニット７のこの領域から排出させるために設けられており、これは漏れオイルのための制御弁ユニット７の放圧側である。
【００３０】
第２のガイド３７は図示の実施例では遊びをもって組み込まれており、この遊びは、系を緊張させないために、第１のガイドの遊びよりもファクタ２〜３だけ大きい。もちろん他の実施例では、第１のガイド１７の遊びよりもファクタ２〜５大きいような別の遊びを設けることも可能であり、この場合第１のガイド１７は有利には１マイクロメータ〜４マイクロメータの遊びを有し、第２のガイド３７は４マイクロメータ〜１０マイクロメータの遊びを有することができる。
【００３１】
図１に示された燃料噴射装置１は以下に記載のように作動する。
【００３２】
噴射開口８の閉鎖された状態、つまり圧電式のアクチュエータ１０が給電されていない状態において、弁部材９の弁ヘッド１２は外側弁座１３に接触しており、かつ予負荷されたばね３２の力によって負荷されている。弁部材９のこの位置において、内側弁座２４を介して漏れオイルは流れず、これによって漏れオイル量は極めて僅かに保たれる。
【００３３】
外側弁座１３の上において第１の弁室１４には、燃料高圧源２からの高圧が存在している。噴射開口８を開放させるために圧電式のアクチュエータ１０には電圧が印加され、これによって圧電式のアクチュエータ１０は軸方向において急激に伸張する。圧電式のアクチュエータ１０の迅速な操作によって、液圧室１８内には調節圧もしくは開放圧が生ぜしめられ、この調節圧もしくは開放圧は、第１の変換ピストン１９、液圧室１８及び第２の変換ピストン２０を介して弁部材９に伝達される。これによって圧電式のアクチュエータ１０の長さ変化の伝達の変換は、弁部材９から完全に切り離されている。
【００３４】
制御弁ユニット７は僅かだけ部分力補償されて、つまりほとんど力補償されて構成されているので、制御弁ユニット７は直接的に操作されることができる。弁部材９を操作するためには、圧電式のアクチュエータ１０を介して単にばね３２のばね力と、燃料の高圧に基づいて弁部材９に作用する合力とを克服するだけでよい。
【００３５】
圧電式のアクチュエータ１０を用いて形成された開放圧が液圧室１８、第１及び第２の変換ピストン１９，２０を介して又は択一的な機械式の伝達装置を介して、弁部材９に接続されていて、この弁部材９が外側弁座１３から持ち上げられていると、高圧下で制御弁ユニット７に搬送される燃料は、高圧ライン５から第１の弁室１４と開放した外側弁座１３とを介して第２の弁室１５に流入する。そこから燃料は、噴射開口８に通じる第２の高圧ライン２３に達する。制御弁ユニット７のこの開放された状態において、弁部材９は孔３０の円錐状の端部領域３０で閉鎖エレメント２９に接触し、これによって制御弁ユニット７の開放状態における確実なシールが生ぜしめられる。
【００３６】
噴射開口８を閉鎖するためには、圧電式のアクチュエータ１０への電圧印加が中断され、これによって圧電式のアクチュエータ１０はその本来の軸方向長さに短縮し、液圧室１８における調節力は減じられる。その結果弁部材９はばね３２によって外側弁座１３の方向に戻され、この際に内側弁座２４におけるシール作用は消滅する。
【００３７】
閉鎖動作中に、通路３１、孔３０及び別の漏れライン３８を介して漏れオイルは制御弁ユニット７から排出され、これによって制御弁ユニット７の閉鎖時に制御弁ユニット７は簡単に放圧される。さらに制御弁ユニット７もしくはばね室３４の放圧は、内側弁座２４が遮断装置２５によって閉鎖されている場合に、流出通路３３、貫通孔３６及び別の漏れライン３８を介して可能になる。
【００３８】
制御弁ユニット７は図示の実施例では、上側領域、つまり弁ヘッド１２の上側において、圧力補償されて形成されており、そして下側領域つまり弁部材９の、ピエゾとは反対側の領域は、力補償されずにもしくは部分力補償されずに構成されている。
【００３９】
制御弁ユニットの、図示の実施例とは異なった実施形態において、例えば次のような構成、すなわち弁部材のピエゾ側端部が、第１の変換ピストンを介することなく、直接的に液圧室と接続されている、もしくは液圧室内に進入していて、これによって直接的に液圧室を介して調節圧によって負荷されるようになっているような構成も、もちろん可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料高圧アキュムレータから延びる燃料案内路を備えた、本発明による内燃機関用の燃料噴射装置を概略的に示す断面図であって、特に燃料噴射装置の制御弁ユニットの構造を示す図である。

Claims (13)

1. 内燃機関用の燃料噴射装置（１）であって、燃料高圧源（２）が設けられていて、該燃料高圧源（２）から制御弁ユニット（７）を介して燃料が噴射開口（８）に案内されるようになっており、制御弁ユニット（７）が弁体（１１）と、該弁体（１１）内に軸方向シフト可能に配置された弁部材（９）と、該弁部材（９）を操作するアクチュエータユニット（１０）とを有しており、制御弁ユニット（７）の第１の弁室（１４）に、燃料高圧源（２）と接続されている第１の高圧ライン（６）が開口しており、第１の弁座（１３）が弁体（１１）の外径部において第１の弁室（１４）と、第２の高圧ライン（２３）を介して噴射開口（８）に接続されている第２の弁室（１５）との間に設けられており、第２の弁座（２４）が弁部材（９）の内径部に形成されていて、該内径部に遮断装置（２５）が係合作用することを特徴とする、内燃機関用の燃料噴射装置。
2. 弁体（１１）が少なくとも弁部材（９）の領域において一体的に形成されている、請求項１記載の燃料噴射装置。
3. 遮断装置（２５）が弁部材（９）の、アクチュエータユニット（１０）とは反対の側に配置されており、有利には少なくともほぼ球形の閉鎖エレメントを備えて形成されている、請求項１又は２記載の燃料噴射装置。
4. 遮断装置（２５）が、プレート（２６）とピン（２７）とによって形成された遮断体（２８）を有しており、閉鎖エレメント（２９）がピン（２７）と弁部材（９）との間に配置されていて、ピン（２７）に向けられた側において平らに面取りされている、請求項３記載の燃料噴射装置。
5. 閉鎖エレメント（２９）が、弁部材（９）の孔（３０）の、少なくともほぼ円錐形に形成された端部領域と共働し、弁部材（９）の孔（３０）が、弁部材（９）に設けられた少なくとも１つの通路（３１）を介して第２の弁室（１５）と接続されている、請求項４記載の燃料噴射装置。
6. 遮断体（２８）のプレート（２６）と弁部材（９）との間にばね（３２）が配置されており、プレート（２６）が圧電式のユニット（１０）とは反対の側で、弁体（１１）に接触していて、遮断体（２８）のピン（２６）がプレート（２６）から弁部材（９）に向かって延びており、プレート（２６）の外径が遮断装置（２５）の領域において、弁体（１１）の内径よりも小さく形成されている、請求項４又は５記載の燃料噴射装置。
7. 弁体（１１）がプレート（２６）の接触面の領域に少なくとも１つの流出通路（３３）を有しており、該流出通路（３３）がプレート（２６）によって覆われていて、プレート（２６）に、流出通路（３３）と合致する少なくとも１つの貫通孔（３６）が設けられている、請求項６記載の燃料噴射装置。
8. 第１の弁室（１４）が、弁体（１１）と弁部材（９）との間に形成された、弁体（１１）における弁部材（９）の第１のガイド（１７）と、第１の弁座（１３）とによって制限されており、第１のガイド（１７）がアクチュエータユニット（１０）と第１の弁室（１４）との間に設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃料噴射装置。
9. 第１のガイド（１７）の、アクチュエータユニット（１０）に向けられた側に、リング室（２１）が設けられており、該リング室（２１）から第１の漏れライン（２２）が分岐している、請求項８記載の燃料噴射装置。
10. 第２の弁室（１５）が第２の弁座（１３）と弁部材（９）と弁体（１１）とによって制限されており、第２の弁室（１５）が第１の弁室（１４）に、外側弁座（１３）の、圧電式のユニット（１０）とは反対の側において接続している、請求項１から９までのいずれか１項記載の燃料噴射装置。
11. 弁部材（９）の第２のガイド（３７）と流出通路（３３）との間の領域に、別の漏れライン（３８）が設けられている、請求項１０記載の燃料噴射装置。
12. アクチュエータユニットが圧電式のユニット（１０）として形成されており、該ユニット（１０）が弁部材（９）を有利には液圧室（１８）を介して操作するようになっており、液圧室（１８）に第１の変換ピストン（１９）が前置されており、弁部材（９）が圧電式のユニット（１０）に向けられた端部で、第２の変換ピストン（２０）を介して液圧室（１８）と作用結合されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の燃料噴射装置。
13. 燃料高圧源（２）がコモンレール系として形成されており、燃料噴射装置（１）が圧力制御されるコモンレール系である、請求項１から１２までのいずれか１項記載の燃料噴射装置。