JP2004513286A - 絞り箇所を備えた流体調量装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、圧力下にある流体のための流体調量装置であって、ハウジング（３）内に位置する室（３５）が設けられており、該室（３５）に流体流入管路（１７，２１）を通って、圧力負荷された流体が供給されるようになっており、室（３５）を貫いてガイドされた弁ニードル（９）が設けられており、該弁ニードル（９）の第１の端区分が、室（３５）の外部で所定の行程を伴って負荷可能であり、弁ニードル（９）の第２の端区分が、ハウジング（３）に設けられた弁座（１６）と共に、室（３５）に接続された弁を形成している形式のものに関する。弁ニードルの、要求された疲れ強さを達成する密な貫通ガイドを提供するためには、弁ニードル（９）の第１の端区分のための弾性的な貫通ガイドエレメントとしての金属ベローズ（３３）が、室（３５）から外部に対して設けられており、金属ベローズ（３３）が、室（３５）をこの領域で密に閉鎖しており、金属ベローズ（３３）と室（３５）への流体流入管路（１７）の開口（１９）との間の室区分において、周方向で見て弁ニードル（９）と室内壁との間に少なくとも１つの絞り箇所（３７，３９）が設けられている。

Description

【０００１】
本発明は、圧力下にある流体のための流体調量装置であって、ハウジング内に位置する室が設けられており、該室に流体流入管路を通って、圧力負荷された流体が供給されるようになっており、室を貫いてガイドされた弁ニードルが設けられており、該弁ニードルの第１の端区分が、室の外部で所定の行程を伴って負荷可能であり、弁ニードルの第２の端区分が、ハウジングに設けられた弁座と共に、室に接続された弁を形成している形式のものに関する。
【０００２】
公知先行技術では、流体調量装置に用いられる種々異なるシールエレメントまたは貫通ガイドエレメントが公知である。たとえば最大３００ｂａｒの圧力と−４０℃〜＋１５０℃の作業温度とを備えた、圧力下にある燃料の調量の使用事例では、適切な大量生産品に特別な要求が課せられる。特に脆性、摩耗および確実性に関する高い要求が満たされなければならない。この場合、従来使用されたＯリングシール部材の疲れ強さは、上述した要求に相当していない。Ｏリングの代わりにダイヤフラムシール部材、たとえば金属波形体またはこれに類するものが使用されてもよい。しかし、このような形式のダイヤフラムを、圧力負荷された室を貫く弁ニードルの貫通ガイドエレメントとして使用する場合には、軸方向の高い可撓性と同時に十分な耐圧性に関する要求を満たすことができない。
【０００３】
さらに、弁ニードルガイドは、ディーゼルインジェクタに類似して、円筒状のハウジング孔内でのニードルの隙間嵌めによって行われてもよい。この場合、ニードル貫通ガイドに沿った不可避の漏れの欠点がある。さらに、より大きな液圧的な損失によって、エンジンの総効率が低下させられる。
【０００４】
本発明の課題は、冒頭で述べた形式の流体調量装置を改良して、特に弁ニードルの、要求された疲れ強さを達成する密な貫通ガイドを提供することである。
【０００５】
本発明によれば、このことは、請求項１の上位概念部に記載した形式の流体調量装置において、貫通ガイドエレメントと室への流体流入管路の開口との間の室区分において、周方向で見て弁ニードルと室内壁との間に少なくとも１つの絞り箇所が設けられていることによって達成されている。たとえば自動車技術の高圧噴射弁内での使用のためには、貫通ガイドエレメントとして、本発明による金属ベローズは問題なしに最大約２００ｂａｒまでの静的な圧力負荷に耐えることができることが試してみて分かった。肉厚の増加によって、一層高い耐圧性も達成することができる。さらに、運動させられる金属ベローズシール部材に関して引き続き検査をしてみて、高圧負荷された金属ベローズが、噴射弁に対して一般的な５０Ｈｚの周波数での最大５０μｍまでの軸方向運動の実施時に劣化しないことが分かった。すなわち、金属ベローズの使用によって、燃料室の気密なシールが十分な耐圧性で達成されている。
【０００６】
しかし、驚くべきことには、金属ベローズが、高圧噴射弁内での運転に関する使用時に２００ｂａｒの静的な圧力負荷ですでに約１０分後に故障したことが確認された。この原因は、噴射弁もしくはインジェクタの開閉時に圧力波がインジェクタの燃料室内に生ぜしめられることにある。圧力波はインジェクタの開閉時間に関連して、調整された燃料圧の最大±５０％の振幅と、約５００Ｈｚ〜１０ｋＨｚ、一般的には約５００〜８００Ｈｚの範囲の周波数とを伴って、調整された基準圧だけ振動する。このような形式の圧力振動の発生は、圧力波の発生時に金属ベローズシール部材の故障を招く。本発明により設けられた絞り箇所は金属ベローズを圧力振動の破壊作用に対して防護している。
【０００７】
要するに、本発明によれば、すなわち、燃料室の十分なシール性が金属ベローズによって実現されている。この場合、金属ベローズシール部材は、運転中に生ぜしめられる圧力波に対して防護されていて、これによって、自動車技術的に一般的な少なくとも１０^９負荷サイクル（約２０００運転時間）の疲れ強さが達成されている。
【０００８】
金属ベローズが、２５〜５００μｍの肉厚を有していると有利である。たとえば３００ｂａｒの高い圧力では、この少ない肉厚で全く十分であると分かった。縦断面で見て、並列された半円セグメントの形の金属ベローズの構成が特に有利であると試してみて分かった。半円セグメントは、それぞれ両半円セグメントの間に位置する真っ直ぐな部分片によって補填されてよい。
【０００９】
有利な構成によれば、弾性的な貫通ガイドエレメントが、組付けスリーブに特に溶接結合によって固定されている。このことは、製造技術的に特に有利である。なぜならば、特に金属ベローズは、比較的大きな手間をかけてしか直接弁ニードルに固定することができないからである。組付けスリーブによって、正確に寸法設定された絞り箇所を燃料室内に簡単に実現することができるエレメントも提供される。
【００１０】
適切な絞り箇所を燃料室内に提供することができるようにするためには、適切に寸法設定された組付けスリーブに対して択一的にまたは付加的に上側のガイドスリーブが、この弁ニードルガイドによって、狭幅のかつ可能な限り長い隙間嵌めが実現されているように形成されている。いずれにせよ、上側の弁ニードルガイドは燃料インジェクタに設けられているので、付加的な構成要素は省略することができる。
【００１１】
両絞り箇所（「組付けスリーブ」および「上側の弁ニードルガイド」）が同時に流体調量装置に実現されている場合には、金属ベローズのための絞り箇所の保護作用に不利な影響を与えることなしに、各絞り箇所がより大きくかつ／または軸方向でより短く形成されてよい。さらに、弁ニードルの締付けを招く恐れがある誤嵌合（ミスフィット）を回避することができる。しかし、このことは、組付けスリーブによって形成された絞り箇所が省略される場合にも当てはまる。この場合、上側のガイドスリーブによって形成された絞り箇所が適宜に設計されなければならない。
【００１２】
金属ベローズの方向への燃料室内の圧力波の伝播を阻止するかもしくは著しく制限することができるようにするためには、絞り箇所の領域で弁ニードルと室内壁との間の自由横断面が急激に変化させられている。このことは、圧力波の伝播方向に対して横方向に延びる室内壁区分で圧力波の所望の反射を生ぜしめる。
【００１３】
絞り箇所のギャップ幅は、燃料室内の絞り箇所の位置と、絞りギャップの長さとに関連して静的なかつ動的な圧力比を考慮して選択される。数μｍは、高圧燃料インジェクタの燃料室内の絞り箇所のギャップ幅に対する一般的な値であると分かった。
【００１４】
以下に、本発明による流体調量装置の４つの実施例を概略図につき詳しく説明する。
【００１５】
図１ａおよび図１ｂに概略的に示した第１実施例による噴射弁１には、便宜上、自体一般的に知られているアクチュエータユニットは示していない。燃料噴射弁１はハウジング３を有している。このハウジング３は中心孔を備えている。この中心孔内には弁ボディ５が組み付けられている。この弁ボディ５の弁ボディ孔７内には、弁ニードル９が軸方向に移動可能にガイドされている。このためには、弁ボディ孔７の下側の端区分で弁ボディ５に下側のもしくは前側のガイドスリーブ１１が固定されており、弁ボディ孔７の上側の端区分で弁ボディ５に上側のもしくは後側のガイドスリーブ１３が固定されている。両ガイドスリーブ１１，１３は適宜な弁ニードルガイドを形成している。この場合、これによって実現された狭幅箇所は、液体流を弁１の開閉時に妨害しないかもしくは絞らないように設計されている。このためには、弁ニードル９が、下側のガイドスリーブ１１の高さならびに上側のガイドスリーブ１３の高さもしくは両弁ニードルガイドの高さに、図１ａおよび図１ｂに示した、周方向で見て突出した丸み付けされた四角形横断面を備えている（断面Ａ−Ａおよび断面Ｂ−Ｂ参照）。この場合、弁ニードル９は、丸み付けされた縁領域１４で２μｍよりも少ない遊びを備えて両ガイドスリーブ１１，１３内に圧入されている。この場合、弁ニードル９の四角形の４つの側面とガイドスリーブ１１，１３の円筒状の内壁との間の自由ギャップは、あらゆる絞り作用を回避するために著しく大きく形成されている。
【００１６】
基本状態では、弁ニードル９の前側の端区分に形成された弁ポペット１５が、弁ボディ５に設けられた弁座１６を閉鎖している。弁ボディ５には弁ボディ燃料流入管路１７が設けられている。この弁ボディ燃料流入管路１７は、軸方向で見て、下側のガイドスリーブ１１と上側のガイドスリーブ１３との間において開口１９で弁ボディ孔７に開口している。相応して、弁ハウジング３にもハウジング燃料流入管路２１が設けられている。弁ニードル９の上側の端区分では、この弁ニードル９にばね受け２３が固定されている。このばね受け２３をノズルばね２５が押圧している。このノズルばね２５はハウジング側に支持されていて、これによって、弁ニードル９に閉鎖方向で予荷重もしくはプレロードをかけている。上側のガイドスリーブ１３の上方では、弁ハウジング３の中心孔内に外側の組付けスリーブ２７が固定されている。この外側の組付けスリーブ２７は下側の端部にスリーブつば４４を有している。このスリーブつば４４は、ハウジング３に設けられた環状の載置面４５に載置している。スリーブつば４４は外面４６を有している。この外面４６はハウジング３の内壁４７に配置されている。外面４６と内壁４７との間には、シールリングの形のシールエレメント４８が挿入されている。スリーブつば４４は、環状に全周にわたって延びる溶接シーム４９によって内壁４７に密に溶接されている。この内壁４７は、スリーブ底部２９に設けられた開口によってニードル貫通ガイドを形成している。このニードル貫通ガイドは、以下で説明するようにシールされている。外側の組付けスリーブ２７の、制限されて軸方向に延びる部分区分では、外側の組付けスリーブ２７の内壁が、以下に詳しく説明する狭幅箇所を内側の組付けスリーブ３１の外面と共に形成している。さらに、内側の組付けスリーブ３１もやはり弁ニードル９に固定されている。外側の組付けスリーブ２７と内側の組付けスリーブ３１とには円筒状の金属ベローズ３３が溶接されている。この金属ベローズ３３を貫いて弁ニードル９は外方にガイドされている。この場合、金属ベローズ３３は、空気で満たされた無圧の中間室３６に対する燃料室３５の気密なシールのために働く。有利には、金属ベローズ３３は、開口の領域でスリーブ底部２９と内側の組付けスリーブ３１の、スリーブ底部２９に向かい合った面とに固定されている。
【００１７】
金属ベローズ３３を弁ニードルガイドに使用することによって、駆動領域（図示せず）を備えた中間室３６に対する噴射弁１の室３５内の高圧領域の完全で永続的なかつ確実なシールが可能となる。金属ベローズ３３は、たとえば５０〜５００μｍの少ない肉厚にもかかわらず半径方向の高い剛性に基づき、不可逆的に変形させられることなしに、極めて高い押圧力に耐えられる。さらに、金属ベローズ３３は、機械的な高い可撓性、すなわち、小さなばね定数が弁ニードル９の運動方向にもしくは軸方向に達成されるように設計することもできる。これによって、弁ニードル９の変位が損なわれず、ニードル貫通ガイドの、温度に基づく長さ変化によって弁ニードル９に導入される力が可能な限り小さく保たれることが達成されている。さらに、金属ベローズ３３をニードル貫通ガイドに使用することによって、高い確実性を伴って燃料漏れを阻止することができる。
【００１８】
さらに、金属ベローズシールされた、外側の組付けスリーブ２７内のニードル貫通ガイドは、弁ニードル９に作用する、圧力に基づく力が相互に補償されるように形成することができる。これによって、弁ニードル９は全体的に無圧に保持されている。このためには、金属ベローズ３３の液圧的に有効な直径が、弁座１６の直径に正確に相当しているように選択される（図示せず）。これによって、圧力下にある燃料により、弁ポペット１５を備えた弁ニードル９に生ぜしめられる押圧力と、金属ベローズ３３によって弁ニードル９に導入される、圧力に基づく力とが相互に補償されることが達成される。したがって、合成押圧力成分は弁ニードル９に作用しない。このことは、噴射弁１が、燃料圧とほぼ無関係な切換特性を示すことを保証している。なぜならば、開閉力がアクチュエータエレメント、たとえば管状ばねにプレロードがかけられたピエゾアクチュエータと、プレロードがかけられたノズルばね２５のばね力とによってしか規定されないからである。さらに、金属ベローズ３３はその金属材料に基づき、不変の機能性を備えた幅広い作業温度範囲を有している。金属ベローズ３３自体の熱的な長さ変化は、金属ベローズ３３の軸方向の小さなばね定数に基づき、軸方向での弁ニードル９への無視できるほど少ない力変化しか生ぜしめない。さらに、金属ベローズ３３はその軸方向での機械的なばね作用に基づきノズルばね２５に部分的にまたは完全に置き換えることもできる。
【００１９】
いま、図１ａによれば、外側の組付けスリーブ２７は、内側の組付けスリーブ３１と一緒に狭幅のかつ可能な限り長い隙間嵌めを形成するように設計されている。この場合、遊びはほんの数μｍにしか寸法設定されていない。この長い円筒状の嵌合の絞り作用によって、燃料室３５内の急激な圧力変化が金属ベローズ３３から遠ざけられるのに対して、静的な押圧力が妨害されずにベローズ壁に作用することができる。さらに、圧力波は第１の絞り箇所３７の横断面拡張の領域において、軸方向に対して横方向に延びる室壁区分もしくはスリーブ端面で反射されるので、主として、著しく減少させられた圧力振幅を伴った圧力波しか、第１の絞り箇所３７によって形成された環状のギャップ内に到達しない。
【００２０】
第２実施例による燃料噴射弁１において、図２では、第１実施例による弁１とは異なり、第１の絞り箇所３７の領域での改良しか行われていない。この場合、外側の組付けスリーブ２７のスリーブつば４４の自由内径が同じ絞りギャップ寸法で内側の組付けスリーブ３１の外径のために減径されている。第１実施例による弁１のように、内側の組付けスリーブ３１と外側の組付けスリーブ２７との間の絞りギャップは、十分な絞り効果が実現されているように小さくかつ長く選択されている。弁１の開閉時に燃料室３５内に生ぜしめられる圧力波は、内側の組付けスリーブ３１と外側の組付けスリーブ２７との間の少ない間隔に基づき、全く金属ベローズ３３に作用することができないかもしくは僅かしか金属ベローズ３３に作用することができない。
【００２１】
図３ａおよび図３ｂに示した第３実施例による燃料噴射弁１は、最初の両実施例による第１の絞り箇所３７の代わりに、択一的に第２の絞り箇所３９を上側の弁ニードルガイドもしくは上側のガイドスリーブ１３の領域に有している。燃料流入管路１７は、上側の弁ニードルガイド１３の下方で弁ニードル９と弁ボディ５の間の室もしくは燃料室３５に開口しているので、この燃料室３５内に噴射したい燃料が上側の弁ニードルガイド１３を通過する必要はない。したがって、上側の弁ニードルガイド自体は、図３ｂに断面Ｂ−Ｂで示したように、上側のガイドスリーブ１３内での弁ニードル９の狭幅で長い円筒状の隙間嵌めとして形成することができる。この場合、弁ニードル９は下側の弁ニードルガイドとは異なり四角形（断面Ａ−Ａ参照）として形成されておらず、円筒状に形成されている（断面Ｂ−Ｂ参照）。第２の絞り箇所３９では、開閉動作時に生ぜしめられた圧力波が反射され、金属ベローズ３３に向けられた動的な容積交換が著しく絞られる。絞り箇所３９を弁ニードルガイドに組み込むことによって、複数回嵌合も回避することができる。上側の弁ニードルガイドの絞り作用は燃料室３５を２つの部分容積、つまり、第１の室部分容積４１と第２の室部分容積４３とに分離している。燃料室３５の下側の第１の部分容積４１に噴射ノズルの開閉によって動的な圧力変化が大きな振幅を伴って発生させられるにもかかわらず、この圧力変化は、第２の絞り箇所３９の動的なシール作用によって著しく弱化させられて、燃料室３５の上側の第２の部分容積４３に作用することができる。この上側の第２の部分容積４３には金属ベローズニードル貫通ガイドが位置している。これによって、金属ベローズ３３が動的な圧力変化に対して防護されている。
【００２２】
燃料噴射弁の第４実施例（図示せず）によれば、図１もしくは図２および図３に示した絞り箇所３７，３９が一緒に弁内に実現されている。第１の絞り箇所３７は内側の組付けスリーブ３１と外側の組付けスリーブ２７とによって形成されており、第２の絞り箇所３９は上側のガイドスリーブ１３もしくは上側の弁ニードルガイドによって形成されている。
【００２３】
前述した実施例には、弾性的な貫通ガイドエレメントとして、金属ベローズの形のベローズが記載されている。しかし、本発明は、このような形式の弾性的な貫通ガイドエレメントに限定されるものではなく、別の形式の弾性的な貫通ガイドエレメント、たとえばダイヤフラムまたは弾性的なプラスチックスリーブまたはゴムスリーブが使用されてもよい。ダイヤフラムは有利には金属から製作されている。ダイヤフラムおよびスリーブは、前述した金属ベローズに相応して、内側の組付けスリーブ３１と外側の組付けスリーブ２７とに接着されているかまたは溶接されている。
【００２４】
一般的に、弁ニードル９の隙間嵌めの直径を金属ベローズ３３の液圧的に有効な直径に比べて選択することによって、第２の室部分容積４３内の圧力を調整することができる。隙間嵌めの直径を金属ベローズ３３の液圧的に有効な直径よりも大きく（もしくは小さく）調整することによって、第２の室部分容積４３内の圧力が噴射弁の開放時に低下する（もしくは上昇する）ことが達成される。隙間嵌めの直径が金属ベローズ３３の液圧的に有効な直径に相当していると特に有利である。なぜならば、こうして、第２の室部分容積４３内の圧力が噴射弁の開放時にほぼコンスタントなままとなるからである；この場合、金属ベローズ３３はあらゆる運転状態でコンスタント圧負荷にしかさらされていない。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】
流体調量装置の第１実施例の縦断面図である。
【図１ｂ】
図１ａに示したＡ−Ａ線およびＢ−Ｂ線に沿った２つの横断面図である。
【図２】
流体調量装置の第２実施例の縦断面図である。
【図３ａ】
流体調量装置の第３実施例の縦断面図である。
【図３ｂ】
図３ａに示したＡ−Ａ線およびＢ−Ｂ線に沿った２つの横断面図である。
【符号の説明】
１　燃料噴射弁、　３　弁ハウジング、　５　弁ボディ、　７　弁ボディ孔、　９　弁ニードル、　１１　ガイドスリーブ、　１３　ガイドスリーブ、　１４　縁領域、　１５　弁ポペット、　１６　弁座、　１７　燃料流入管路、　１９　開口、　２１　燃料流入管路、　２３　ばね受け、　２５　ノズルばね、　２７　組付けスリーブ、　２９　スリーブ底部、　３１　組付けスリーブ、　３３　金属スリーブ、　３５　燃料室、　３６　中間室、　３７　絞り箇所、　３９　絞り箇所、　４１　部分容積、　４３　部分容積、　４４　スリーブつば、　４５　載置面、　４６　外面、　４７　内壁、　４８　シールエレメント、　４９　溶接シーム

Claims (10)

1. 圧力下にある流体のための流体調量装置であって、ハウジング（３）内に位置する室（３５）が設けられており、該室（３５）に流体流入管路（１７，２１）を通って、圧力負荷された流体が供給されるようになっており、室（３５）を貫いてガイドされた弁ニードル（９）が設けられており、該弁ニードル（９）の第１の端区分が、室（３５）の外部で所定の行程を伴って負荷可能であり、弁ニードル（９）の第２の端区分が、ハウジング（３）に設けられた弁座（１６）と共に、室（３５）に接続された弁を形成しており、弁ニードル（９）の第１の端区分のための弾性的な貫通ガイドエレメント（３３）が、室（３５）から外部に対して設けられており、貫通ガイドエレメント（３３）が、室（３５）をこの領域で密に閉鎖している形式のものにおいて、
   貫通ガイドエレメント（３３）と室（３５）への流体流入管路（１７）の開口（１９）との間の室区分において、周方向で見て弁ニードル（９）と室内壁との間に少なくとも１つの絞り箇所（３７，３９）が設けられていることを特徴とする、流体調量装置。
2. 貫通ガイドエレメントとしてベローズ、特に金属ベローズ（３３）が設けられている、請求項１記載の流体調量装置。
3. 金属ベローズ（３３）が、２５〜５００μｍの肉厚を有している、請求項２記載の流体調量装置。
4. 貫通ガイドエレメント（３３）が、組付けスリーブ（３１）に特に溶接結合によって固定されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の流体調量装置。
5. 組付けスリーブ（３１）によって絞り箇所（３７）が、室（３５）内に形成されている、請求項４記載の流体調量装置。
6. 上側の弁ニードルガイド（１３）が設けられており、該上側の弁ニードルガイド（１３）によって絞り箇所（３９）が、室（３５）内に形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の流体調量装置。
7. 絞り箇所（３７，３９）の領域で弁ニードル（９）と室内壁との間の自由横断面が急激に変化させられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の流体調量装置。
8. 絞り箇所（３７，３９）の領域に設けられたギャップが数μｍの幅に寸法設定されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の流体調量装置。
9. 流体として燃料が使用されるようになっており、燃料圧が、１〜５００ｂａｒの範囲にある、請求項１から８までのいずれか１項記載の流体調量装置。
10. 弁ニードル（９）の隙間嵌めの直径が、金属ベローズ（３３）の液圧的に有効な直径に相当している、請求項１から９までのいずれか１項記載の流体調量装置。

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