JP2004514826A - 内燃機関用の燃料噴射システム - Google Patents

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Abstract

本発明は、燃料を高圧下に保つ高圧集合室(7)と、該高圧集合室(7)に接続されていて高圧下の燃料を、噴射横断面を形成する複数の噴射オリフィス(41,42)を通して内燃機関の燃焼室内へ噴射させる少なくとも1つの燃料噴射弁(15)と、長手方向に摺動可能なピストン(60)によって画定されかつ前記燃料噴射弁(15)と作用結合されている制御室(62)とを備え、前記燃料噴射弁(15)の噴射横断面を、前記制御室(62)内の液圧力に関連して制御する形式の、内燃機関用の燃料噴射システムに関する。かかる燃料噴射システムにおいて本発明は、制御室(62)と連通可能な低圧集合室(72)を設け、しかも該低圧集合室(72)内において、高圧集合室(7)内の燃料圧よりも低い設定燃料圧を維持することを提案する。

Description

【0001】
背景技術:
本発明は、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第4115477号明細書に基づき公知であるような形式の内燃機関用の燃料噴射システムに関する。当該明細書では、1つの弁体を有する燃料噴射弁から成る燃料噴射システムが開示されている。前記弁体内には1つの孔が形成されており、該孔内を1本の中空ニードルが案内されている。該中空ニードルは受圧肩を有し、かつ該受圧肩の高さレベルでは、前記孔の半径方向拡張によって形成された圧力室によって囲まれており、該圧力室は燃料高圧源に接続されている。前記中空ニードルはその燃焼室寄り端部に封止面を有し、該封止面は、前記孔の燃焼室寄り端部に形成された弁座に当接する。中空ニードルはばねによって、弁座の方向に閉鎖力でもって負荷され、こうして前記圧力室の無圧状態では閉鎖位置に留まり、この閉鎖位置で中空ニードルは、弁座内に形成された第1列の噴射オリフィス列を遮蔽する。中空ニードル内では1本のインナーニードルが案内されており、該インナーニードルも同じくその燃焼室寄り端部に封止面を有しかつ弁座に当接する。該インナーニードルはやはりこの場合も、ばねによって弁座の方に向かって押圧され、燃料の噴射を行うべきでない時には、弁座に当接した状態に留まり、こうして第2列の噴射オリフィス列を閉塞する。この第2列の噴射オリフィス列も同じく弁座に形成されており、かつ前記第1列の噴射オリフィス列に対して下流側に配置されている。前記インナーニードルは、燃焼室から離反した方の端部でピストン棒に移行し、該ピストン棒はインナーニードルを軸方向でピストンと結合しており、該ピストンは制御室を画定し、こうして制御室内の相応の圧力によって、前記ピストンに対して、ひいてはピストン棒を介してインナーニードルに対しても閉鎖方向の力が発生される。噴射時に圧力室内へ導かれる燃料圧は、調整装置を介して制御室内へも導かれるので、該制御室では高い燃料圧が発生する。この場合インナーニードルは高い力でもって閉鎖位置へ負荷されるので、圧力室内の燃料圧によって中空ニードルだけが、受圧面にかかる力によって閉鎖力に抗して開放方向に動かされて第1列の噴射オリフィス列を解放する。インナーニードルの燃焼室寄り端部に形成された受圧面が、確かにその時、圧力室の燃料高圧によって負荷されるが、しかしながらこの開放液圧力に抗して制御室の液圧力が作用するので、インナーニードルは閉鎖位置に留まる。この運転方式では噴射オリフィス列の一部分しか開制御されないので、僅かな噴射横断面による噴射が生じ、従って燃料は微量しか噴射されないが、相当に高い燃料圧でもって噴射される。噴射が全噴射横断面でもって行われねばならない場合には、制御装置を介して制御室が高圧導管から隔離されるので、該制御室は漏れオイル室内へ放圧される。インナーニードルに対しては今は閉鎖ばねの比較的小さな力が作用するにすぎないので、圧力室内の圧力が相応に高くなった場合に始めて中空ニードルは開放位置へ移動し、次いでインナーニードルの受圧面に作用する液圧力によって、インナーニードルも開放方向に移動し、こうして第2列の噴射オリフィス列も解放することになる。
【0002】
しかしながら公知の燃料噴射システムの場合、噴射のためにも使用される高圧だけが専ら制御圧として供用されるという欠点が生じる。これによって制御室及び該制御室に通じる全ての導管及び調整装置は、それ相応に耐高圧性に構成されねばならない。高圧集合室、所謂「コモンレール(common rail)」を使用する今日慣用の噴射システムの場合、噴射圧は部分的には明らかに100MPa以上であるので、調整装置、制御室及び其処で案内されるピストンのメカニズムに対して高い要求が課されるので、これらの装置は製作費が嵩み、それに相応してコスト高になる。そればかりでなく制御室の放圧によるポンピング損失が生じる。更に又、各噴射弁毎に制御室内の圧力のために制御弁が設けられねばならない。
【0003】
発明の利点
請求項1の特徴部に記載した構成手段を有する本発明の燃料噴射システムは、従来技術に対比して、燃料噴射システムの各燃料噴射弁が、低圧集合室と連通可能な1つの制御室を備えているという利点を有している。前記制御室は、該制御室内の圧力に関連して燃料噴射弁の噴射横断面を制御する1つのピストンによって画定されるので、低圧集合室と制御室との連通を介して、高圧集合室内の圧力に比して低い圧力によって噴射横断面が制御されることになる。
【0004】
本発明の燃料噴射システムの有利な実施形態では、低圧集合室は、燃料噴射弁内の燃料圧によって燃料を供給される。従って、燃料を噴射圧で供給する高圧集合室と燃料噴射弁と低圧集合室との間には、3ポート2位置切換え弁として構成された高圧弁が配置されている。該高圧弁は第1切換え位置では、弁体内に形成された圧力室を低圧集合室と連通するが、高圧集合室への連通路は遮断されている。高圧弁の第2切換え位置では、高圧集合室は燃料噴射弁の圧力室と連通されるが、低圧集合室への連通路は中断されている。噴射時には高圧集合室の全噴射圧が圧力室内に給圧されており、つまり高圧弁はその第2切換え位置に在る。噴射を終了しようとする場合は、高圧弁は切換わり、かつ、圧力室内で高圧下にある燃料が低圧集合室内へ放圧される。これによって低圧集合室では燃料圧が増成され、該燃料圧は保圧弁によって設定レベルに保たれる。このようにして、例えば付加的な燃料ポンプの形の別個の圧力源を必要とすることなしに、低圧集合室内に設定燃料圧レベルを保つことが可能になる。
【0005】
本発明の燃料噴射システムの別の有利な実施形態では、1つの制御弁を介して低圧集合室の圧力を制御室へ給圧したり、或いは該制御室を燃料タンクへ放圧したりすることも可能である。低圧集合室内の圧力が比較的低いことに基づいて、制御室を作動制御する制御弁は、低圧弁として構成することができるので、その製作費は、著しく高い燃料圧のための制御弁よりも遥かに低廉になる。同じく又、低圧集合室を起点とする全ての導管も、この低い圧力に耐えるように設計すれば充分である。同じく制御室及びその内部で案内されるピストンの製作費も、それ相応に低廉に成る。
【0006】
本発明の燃料噴射システムの別の有利な実施形態では、低圧弁を制御室と連通させる漏れオイル導管内には1つの保圧弁が配置されている。このようにして或る程度の燃料圧(但し低圧集合室内の圧力よりも低い燃料圧)が制御室内に常時維持される。制御室内のこの残留圧は、ピストンにかかる液圧力を介して相応の弁ニードルに対する閉鎖力を常時及ぼすところの、所謂「オイルばね」として役立てることができる。従って、ピストンと結合された弁ニードルを閉鎖力で常時負荷するために通常必要とされる閉鎖ばねを省くことが可能になる。
【0007】
本発明の燃料噴射システムのその他の利点及び有利な実施形態は、図面の詳細な説明及び請求項の記載に基づいて容易に推考することができる。
【0008】
図面
次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。
【0009】
図1 燃料噴射弁の縦断面図と共に示した本発明の1実施例による燃料噴射システムの概略的な構成図である。
【0010】
図2 燃料噴射弁の弁座域の拡大断面図である。
【0011】
図3 別の実施例による燃料噴射システムの低圧弁領域の拡大構成図である。
【0012】
実施例の説明
図1に概略的に示した内燃機関用の燃料噴射システムにおいて、燃料噴射弁15は縦断面図で、また燃料噴射システムのその他の構成要素は概略的な構成図で示されている。燃料タンク1から燃料は燃料導管3を介して高圧ポンプ5に給送され、該高圧ポンプから燃料導管3を介して更に高圧集合室7へ移送される。図示を省いた制御装置によって、前記高圧集合室7内には、設定された高い燃料圧レベルを常時維持することが保証されている。高圧集合室7を起点として複数本の高圧導管9が分岐しており、各高圧導管は夫々1つの燃料噴射弁15に接続可能である。図1では複数の燃料噴射弁15のうちの1つだけが図示されているにすぎない。高圧導管9は、3ポート2位置切換え弁として構成された高圧弁11に接続されている。該高圧弁11から高圧導管9が更に燃料噴射弁15に達している。燃料噴射弁15はケーシング16を有しており、該ケーシングは、弁保持体17と中間円板20と弁体22とから成り、しかも弁体22は、中間円板20を介在させて緊締ナット25によって軸方向で弁保持体17に対して緊締されている。弁体22内には孔30が穿孔されており、該孔内では、中空ニードル35の形の弁ニードルが長手方向に摺動可能に案内されている。前記孔30の燃焼室寄り端部には弁座46が形成されており、該弁座内には、軸方向で相互にずらされた2つの噴射オリフィス列41,42が形成されている。各噴射オリフィス列41,42はこの場合、弁体22の全周にわたって有利には均等配分して配列された複数の噴射オリフィスから成っている。図2は、図1に示した弁座46の領域の拡大断面図である。中空ニードル35は、燃焼室から離反した方の区分では、孔30内を封隙案内されており、かつ、燃焼室の方にテーパを成して、受圧面として働く受圧肩39を形成している。燃焼室寄り端部で中空ニードル35はアウター封止面45に移行し、該アウター封止面はほぼ円錐形に形成されているので、中空ニードル35の外周壁面が前記アウター封止面45へ移行する部位に、アウター封止エッジ43が形成されており、該アウター封止エッジは、中空ニードル35の閉鎖位置で弁座46に当接する。受圧肩39の高さレベルにおいて、孔30の半径方向拡張によって弁体22内には圧力室32が形成されており、該圧力室は、中空ニードル35を包囲しつつ弁座46に達するまで続いている。該圧力室32は、弁体22、中間円板20及び弁保持体17内に延在する給送通路18並びに高圧導管9を介して高圧集合室7に連通可能である。弁座46内の第1列の噴射オリフィス列41は、中空ニードル35の封止エッジ43が前記第1列の噴射オリフィス列41を圧力室32に対して封止するように配置されているので、中空ニードル35が弁座46に当接すると、燃料噴射は行われない。
【0013】
中空ニードル35は、燃焼室から離反した方の端部でばね受け皿50に当接しており、該ばね受け皿は、中間円板20内に形成された中央開口33内に配置されている。中央開口33はこの場合、中間円板20への弁体22の移行部位では、孔30よりも小さな直径を有しているので、中間円板20にはストッパ肩が形成され、該ストッパ肩は、中空ニードル35の開弁ストローク運動時における中空ニードル35用の行程ストッパとして働く。ばね受け皿50は、弁保持体17内に形成されたばね室52内にまで侵入しており、該ばね室内に閉鎖ばね55は圧縮予荷重を受けて配置されている。閉鎖ばね55はこの場合、燃焼室から離反した方の側では支持リング57に支持されており、かつ、閉鎖ばねの燃焼室寄り端部はばね受け皿50に支持されているので、閉鎖ばね55の予荷重によって、中空ニードル35に対する閉鎖力が弁座46の方向に及ぼされる。ばね室52は漏れオイル接続部53を有し、該漏れオイル接続部には、漏れオイル導管65が接続されているので、ばね室52は常時、燃料タンク1に接続されており、従って絶えず無圧である。
【0014】
中空ニードル35内には、弁ニードルがインナーニードル37の形で長手方向に摺動可能に案内されており、該インナーニードルは、燃焼室寄り端部に円錐形の受圧面48を有し、該受圧面は封止エッジ44によって制限される。インナーニードル37の閉鎖位置において前記封止エッジ44は弁座46に当接し、こうして第2列の噴射オリフィス列42を圧力室32に対して閉鎖する。前記インナーニードル37は、燃焼室から離反した方の端部でピストン棒61へ移行しており、該ピストン棒は、ばね受け皿50及びばね室52を通って、ばね室52に対して燃焼室とは反対の側で弁保持体17内に形成された制御室62内にまで達している。該制御室62内には、ピストン60が摺動可能に配置されており、該ピストンは制御室62内を封隙案内されており、かつカップ状に構成されている。ピストン60はピストン棒61と結合されているので、該ピストン60はインナーニードル37と同期的に長手方向に運動する。制御室62内には閉鎖ばね64が配置されており、該閉鎖ばねは圧縮予荷重を有しており、また制御室62内に支配する圧力によって発生する液圧力とともに、インナーニードル37を閉鎖方向に負荷する。
【0015】
更に燃料噴射システムは低圧集合室72を有し、該低圧集合室内では、高圧集合室7の燃料圧レベルよりも著しく低く設定された燃料圧レベルが維持される。例えば低圧集合室72内には、高圧集合室7内の(100MPa以上の)圧力の、最高でも約1/5の圧力が支配している。各高圧弁11から減少制御導管70が低圧集合室72に通じているので、3ポート2位置切換え弁としての高圧弁11は、高圧集合室7からの高圧導管9、燃料噴射弁15への高圧導管9及び減少制御導管70を互いに接続もしくは遮断する。高圧弁11は2つの切換え位置で動作することができる。図1に示した第1切換え位置では高圧弁11は、燃料噴射弁15の圧力室32からの高圧導管9を減少制御導管70と連通するが、高圧集合室7への連通路は閉鎖される。高圧弁11の第2切換え位置では高圧集合室7は高圧導管9を介して燃料噴射弁15の圧力室32に接続されるが、減少制御導管70は閉鎖される。高圧弁11の第1切換え位置は、燃料を内燃機関の燃焼室内へ噴射してはならない位置に相当するのに対して、第2切換え位置は、燃料の噴射中の切換え位置に相当する。
【0016】
低圧集合室72は漏れオイル導管76を介して燃料タンク1に連通されており、この場合、漏れオイル導管76内には保圧弁74が配置されているので、低圧集合室72内には常時、設定された燃料圧レベルが維持される。低圧集合室72から制御導管80が、3ポート2位置切換え弁として構成された低圧弁78に達している。低圧弁78の後方で制御導管80は、燃料噴射弁の個数に相応して分割され、かつ各燃料噴射弁15の制御室62へ開口する。更にまた低圧弁78には、燃料タンク1に接続された漏れオイル導管82が開口している。図1に示した低圧弁78の第1切換え位置では、制御室62からの制御導管80が漏れオイル導管82に連通されるが、低圧集合室72からの制御導管80は閉鎖される。これによって制御室62は燃料タンク1に連通され、従って無圧に切換えられる。低圧弁78の第2切換え位置では、低圧集合室72が制御導管80を介して制御室62に連通されるが、漏れオイル導管82は閉鎖される。これによって制御室62内には低圧集合室72の燃料圧が生ずる。本発明の燃料噴射システムでは各燃料噴射弁15に対して1つずつ高圧弁11を設ける必要があるが、全燃料噴射システムに対して必要とする低圧弁78はただ1つにすぎない。
【0017】
燃料噴射システムは次のように稼働する。すなわち内燃機関の部分負荷運転では、比較的少量の燃料が内燃機関の燃焼室内へ噴射されるにすぎない。従って噴射圧が決まっている場合には、全噴射横断面積の一部分だけが開制御されねばならない。このために低圧弁78は第2切換え位置へ切換えられるので、低圧集合室72は、全ての燃料噴射弁15の制御室62に連通されることになるので、液圧力はピストン60に対して及ぼされ、かつピストン棒61、ひいてはインナーニードル37が閉鎖位置へ押圧される。噴射の開始時に高圧弁11は第2切換え位置へ切換えられるので、高圧集合室7は高圧導管9及び給送通路18を介して圧力室32に連通される。これによって燃料は高圧下で圧力室32内へ流入し、かつ液圧力を中空ニードル35の受圧肩39に及ぼす。該受圧肩39にかかる液圧力が閉鎖ばね55のばね力を上回ると、即座に中空ニードル35は弁座46から離間運動し、かつ封止エッジ43と共に弁座46から離間する。これによって圧力室32は第1列の噴射オリフィス列41に連通され、かつ燃料は該噴射オリフィス列41を通って内燃機関の燃焼室内へ噴射される。いまや受圧面48も燃料圧で負荷されるので、開弁方向でもインナーニードル37に対して液圧力が生じる。しかしながらこの液圧力は制御室62内の燃料圧によって補償されるので、インナーニードル37は閉鎖位置に留まる。噴射を終了させねばならない場合には、高圧弁11は第1切換え位置へ戻されるので、高圧集合室7への連通は中断される。圧力室32は今や給送通路18及び高圧導管9を介して減少制御導管70に、ひいては低圧集合室72に連通される。いまや圧力室32内の残留圧力は低圧集合室72内へ放圧されるので、低圧集合室72への減少制御流が生じ、該低圧集合室で燃料圧を高める。低圧集合室72内の燃料圧が設定レベルを超えると、即座に保圧弁74が開弁し、かつ燃料が低圧集合室72から燃料タンク1へ逆流する。いまや圧力室32内の圧力の降下によって、受圧肩39にかかる液圧力も低下し、かつ閉鎖ばね55のばね力によって、中空ニードル35は閉鎖位置へ押し戻され、かつ噴射オリフィス列41は再び閉塞される。圧力室32とばね室52との間の高い差圧によって生じてばね室52に流入する漏れオイル流はこの場合、漏れオイル導管65を介して導出されるので、ばね室52内では、燃料タンク1の燃料圧レベルが維持されている。内燃機関を全負荷運転しようとする場合には、両列の噴射オリフィス列41,42が開制御される。このためには低圧弁78が第1切換え位置へ切換えられるので、制御室62は今度は制御導管80及び漏れオイル導管82を介して放圧されている。燃料噴射の最初の部分は、すでに上述した通り、部分負荷運転として行われるが、しかしながら中空ニードル35が開放位置へ移動した後に今度は、受圧面48の受圧によって、インナーニードル37も開放位置へ移動させられるので、第2列の噴射オリフィス列42も解放されて、燃料が圧力室32から全噴射横断面を通って噴射される。この運転形式ではインナーニードル37に対しては閉鎖ばね64のばね力しか作用しないので、受圧面48に対する液圧力は、開弁ストローク運動のために充分である。燃料噴射の終期は、上述の通り、高圧弁11の切換えによって行われる。
【0018】
図3には燃料噴射システムの別の実施例が図示されているが、ただ図3では低圧弁78の領域部分だけが図示されているにすぎない。低圧弁78は本実施例では、図1に図示した実施例の場合と同様に稼働するが、この場合は漏れオイル導管82内に保圧弁84が配置されている。図3に示した低圧弁78の第1切換え位置では、制御室62は完全には放圧されず、保圧弁84によって特定される残留圧が存続する。適当な設計によって、前記液圧の残留圧が、閉鎖ばね64のばね力に相当する力をピストン60に及ぼすようにすることも可能であるため、閉鎖ばね64を省略することも可能である。要するに閉鎖ばね64に代えて、いわゆるオイルばねが使用される訳である。
【0019】
低圧集合室72には専ら燃料噴射弁15の減少制御流を介して充分な圧力の燃料が供給される。従って、例えば付加的な燃料ポンプの形の、別の燃料圧力源は省くことができる。内燃機関のすべての燃料噴射弁15が低圧集合室72に接続されているので、すべての燃料噴射弁15のための運転形式、要するに部分負荷運転又は全負荷運転は、低圧弁78の適当な切換えによって同期的に決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】
燃料噴射弁の縦断面図と共に示した本発明の1実施例による燃料噴射システムの概略的な構成図である。
【図2】
燃料噴射弁の弁座域の拡大断面図である。
【図3】
別の実施例による燃料噴射システムの低圧弁領域の拡大構成図である。

Claims (11)

  1. 内燃機関用の燃料噴射システムであって、燃料を高圧下に保つ高圧集合室(7)と、該高圧集合室(7)に接続されていて高圧下の燃料を、噴射横断面を形成する複数の噴射オリフィス(41,42)を通して内燃機関の燃焼室内へ噴射させる少なくとも1つの燃料噴射弁(15)と、長手方向に摺動可能なピストン(60)によって画定されかつ前記燃料噴射弁(15)と作用結合されている制御室(62)とを備え、前記燃料噴射弁(15)の噴射横断面を、前記制御室(62)内の液圧力に関連して制御する形式のものにおいて、
    制御室(62)と連通可能な低圧集合室(72)が設けられており、しかも該低圧集合室(72)内において、高圧集合室(7)内の燃料圧よりも低い設定燃料圧が維持されることを特徴とする、内燃機関用の燃料噴射システム。
  2. 1つより多くの燃料噴射弁(15)が燃料噴射システム内に設けられており、しかも各燃料噴射弁(15)のために、低圧集合室(72)に接続された1つの制御室(62)が設けられている、請求項1記載の燃料噴射システム。
  3. 噴射オリフィス(41;42)を制御するために少なくとも1本の弁ニードル(35;37)が、燃料噴射弁(15)の1つの孔(30)内に、閉鎖力に抗して長手方向に摺動可能に配置されており、かつ、高圧集合室(7)に連通可能な圧力室(32)内に配置された受圧面(39;48)を有しているので、前記弁ニードル(35;37)は、前記圧力室(32)内の圧力によって閉鎖力に抗して長手方向に摺動可能であり、しかも前記弁ニードル(35;37)がピストン(60)と結合されている、請求項1記載の燃料噴射システム。
  4. 燃料噴射弁(15)内に2本の弁ニードル(35;37)が配置されており、しかも1本の弁ニードルが中空ニードル(35)として形成され、もう1本の弁ニードルが、前記中空ニードル(35)内を案内されるインナーニードル(37)として形成されており、しかも両弁ニードル(35;37)の1本がピストン(60)と結合されている、請求項3記載の燃料噴射システム。
  5. 中空ニードル(35)とインナーニードル(37)が夫々、複数の噴射オリフィス(41,42)の一部分だけを制御する、請求項4記載の燃料噴射システム。
  6. 一方の弁ニードル(35;37)がピストン棒(61)を介してピストン(60)と結合されている、請求項4記載の燃料噴射システム。
  7. 高圧集合室(7)、低圧集合室(72)及び圧力室(32)が高圧弁(11)によって次のように接続されている:すなわち高圧弁(11)の第1切換え位置では高圧集合室(7)が圧力室(32)と連通しているが、低圧集合室(72)への連通路は閉塞されており、かつ前記高圧弁(11)の第2切換え位置では低圧集合室(72)が圧力室(32)と連通しているが、高圧集合室(7)への連通路は閉塞されている、請求項3記載の燃料噴射システム。
  8. 低圧集合室(72)、無圧の燃料タンク(1)及び制御室(62)が低圧弁(78)によって次のように接続されている:すなわち低圧弁(78)の第1切換え位置では燃料タンク(1)が制御室(62)と連通しているが、低圧集合室(72)への連通路は閉塞されており、かつ前記低圧弁(78)の第2切換え位置では低圧集合室(72)が制御室(62)と連通しているが、燃料タンク(1)への連通路は閉塞されている、請求項1記載の燃料噴射システム。
  9. 燃料タンク(1)が漏れオイル導管(82)を介して低圧弁(78)と接続されており、前記漏れオイル導管(82)内に保圧弁(84)が配置されているので、前記低圧弁(78)の第1切換え位置では制御室(62)内の燃料圧が設定圧を超えることがない、請求項8記載の燃料噴射システム。
  10. 低圧集合室(72)が保圧弁(74)を介して燃料タンク(1)と接続されているので、前記低圧集合室(72)の燃料圧が設定圧力レベルを超えることがない、請求項1記載の燃料噴射システム。
  11. 低圧集合室(72)内の燃料圧が常時、高圧集合室(7)内の燃料圧の約1/5よりも低い、請求項10記載の燃料噴射システム。
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