JP2004515691A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

混合気圧縮型火花点火式内燃機関の燃焼室内へ燃料を特に直接噴射するための燃料噴射弁（１）は、アクチュエータ（１０）と、弁座体（５）に形成された弁座面（６）と相俟って封止座を形成する弁閉鎖体（４）を作動するために前記アクチュエータ（１０）によって作動可能な弁ニードル（３）と、前記弁座体（５）内に形成された複数の噴出オリフィス（７）とから成っている。本発明では弁閉鎖体（４）の下流側の切欠（３６）内に緩衝エレメント（３７）が配置されている。

Description

【０００１】
技術分野：
本発明は、請求項１に発明の上位概念として規定した通り、アクチュエータと、弁座体に形成された弁座面と相俟って封止座を形成する弁閉鎖体を作動するために前記アクチュエータによって作動可能な弁ニードルと、前記弁座体内に形成された少なくとも１つの噴出オリフィスとを備えた形式の、混合気圧縮型火花点火式内燃機関の燃焼室内へ燃料を特に直接噴射するための燃料噴射弁に関する。
【０００２】
背景技術：
ドイツ連邦共和国特許出願公開第３３ １４ ８９９号明細書に基づいてすでに公知になっている、電磁式に作動可能な燃料噴射弁では、電磁式に作動するために可動磁極子が、電気的に励磁可能な電磁コイルと協働し、かつ前記可動磁極子のストロークが弁ニードルを介して弁閉鎖体に伝達される。該弁閉鎖体は弁座面と協働して封止座を形成する。前記可動磁極子は、弁ニードルに固着されてはいず、該弁ニードルに沿って軸方向に可動に配置されている。第１戻しばねが弁ニードルを閉弁方向に負荷しており、従って電磁コイルの、給電されない非励磁状態では燃料噴射弁を閉弁状態に保つ。可動磁極子は、該可動磁子が不作用位置では、弁ニードルに設けられた第１ストッパに当接するように、第２戻しばねによってストローク方向に負荷される。電磁コイルが励磁されると、可動磁極子はストローク方向に引きつけられ、かつ前記第１ストッパを介して弁ニードルを連動する。電磁コイルを励磁する電流が断たれると、弁ニードルは第１戻しばねによって閉弁位置へ加速され、かつ前記ストッパを介して可動磁極子を連動する。弁閉鎖体が弁座に衝突すると即座に弁ニードルの閉弁運動は、突発的に終了する。弁ニードルに固着結合されていない可動磁極子の運動は、ストローク方向とは逆方向に続行し、かつ第２戻しばねによって吸収され、つまり可動磁極子は、第１戻しばねに対比して著しく小さなばね定数を有する第２戻しばねに抗して振動する。第２戻しばねは究極的に可動磁極子を改めてストローク方向に加速する。
【０００３】
前掲のドイツ連邦共和国特許出願公開第３３ １４ ８９９号明細書に基づいて公知になっている燃料噴射弁の欠点は特に、反跳作用が不完全な点にある。可動磁極子が弁ニードルのストッパに衝突した場合に、弁ニードルと結合された弁閉鎖体が弁座から改めて短時間離間し、従って燃料噴射弁の不都合な開弁が短時間生じることになり、これによって噴射パターンが変造され、かつ燃料噴射量が増量されることになり、その結果、燃料消費量が高くなり、かつ後燃焼による内燃機関のノッキングが増強されることになる。
【０００４】
弁座体と弁座支持体との間に緩衝手段を設けることは、米国特許第５，２３６，１７３号明細書に基づいて公知である。
【０００５】
発明の開示：
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弁は、従来技術に対比して、封止座からの弁閉鎖体の反跳が、弁閉鎖体の切欠（凹所）内に配置された緩衝エレメントによって阻止され、しかもその場合、戻しばねのばね定数を高める必要もなく、従って、より長い開弁時間を甘受する必要もなくなるという利点を有している。
【０００６】
更にまた、例えば大量生産による構成部品を使用する場合の制約を発生させることなしに、多穴式コンセプトを簡単に変換することが可能になる。
【０００７】
請求項１に記載した燃料噴射弁の有利な構成及び改良は、従属請求項に記載した構成手段によって可能である。
【０００８】
その場合有利なことに、緩衝エレメントの円筒形形態は、任意の弾性材料、例えばゴム、シリコーン又はフォーム物質から特に低廉かつ簡便に製作することができ、或いは緩衝エレメントを、ジャケットによって包囲された液体クッションとして構成することも可能である。
【０００９】
更に複数の噴出オリフィスから成る複数の円環列が構成され、しかも該円環列が部分的に緩衝エレメントによって被覆されるようにするのが有利である。この手段によって、内燃機関の燃焼室内へ噴射される混合気雲を、内燃機関の運転状態に適合させることが可能になる。
【００１０】
この混合気雲の、内燃機関の運転状態に対する適合は、燃料噴射弁の縦軸線に対する複数の噴出オリフィスの傾度を異ならせることによって助成されるのが有利である。
【００１１】
また緩衝エレメントを、弁閉鎖体の切欠内に配置されて緩衝体と結合されたばねとして構成するのが有利である。この場合、燃料噴射弁の開弁状態において振動自在な緩衝体は金属から成ることもできる。それというのは緩衝作用はばねによって得られるからである。この場合、緩衝エレメントの材料に特別の要求を課すことなく低廉に製作できるので特に有利である。
【００１２】
発明を実施するための最良の形態：
次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。
【００１３】
なお図２Ａ〜図２Ｃに基づいて本発明の燃料噴射弁１の実施例を詳説するに先だって、本発明の理解を助けるために、先ず図１に示した全体図に基づいて本発明の燃料噴射弁１を、主要構成部分に関して簡単に説明しておく。
【００１４】
燃料噴射弁１は、混合気圧縮型火花点火式内燃機関の燃料噴射装置用の燃料噴射弁として構成されている。該燃料噴射弁１は、内燃機関の図示を省いた燃焼室内へ燃料を特に直接噴射するために適している。
【００１５】
燃料噴射弁１は、弁ニードル３を内部に配置したノズル基体２を有している。前記弁ニードル３は弁閉鎖体４と作用結合しており、該弁閉鎖体は、弁座体５に配置された弁座面６と協働して封止座を形成する。燃料噴射弁１は本実施例では、内向きに開弁する燃料噴射弁１であり、該燃料噴射弁は、殊に有利には円環状に配列された複数の噴出オリフィス７を有している。ノズル基体２はパッキン８によって電磁回路の外極９に対して封止されている。電磁コイル１０はコイルケース１１内に封入されてコイル巻枠１２に巻かれており、該コイル巻枠は電磁回路の内極１３に当接している。内極１３と外極９はギャップ２６によって相互に分離されており、かつ継手構成部材２９に支持されている。電磁コイル１０は、電気的なプラグ接点１７から導線路１９を介して給電される電流によって励磁される。前記プラグ接点１７は外装プラスチック被覆１８によって包囲されており、該外装プラスチック被覆は、内極１３に沿って一体的に射出成形することができる。
【００１６】
弁ニードル３は弁ニードル案内１４の内周壁に沿って案内されており、該弁ニードル案内は円板状に形成されている。ストロークを調整するために、前記弁ニードル案内に対して対偶配置された調整ワッシャ１５が使用される。該調整ワッシャ１５の他方の側には可動磁極子２０が位置している。該可動磁極子は、第１フランジ２１を介して弁ニードル３と摩擦接続し、該弁ニードルは溶接継手２２によって前記第１フランジ２１と結合されている。第１フランジ２１の上には戻しばね２３が支持されており、該戻しばねは、燃料噴射弁１の本実施形態ではスリーブ２４によって予荷重をかけられる。
【００１７】
溶接継手３３を介して弁ニードル３と接合された第２フランジ３１は、可動磁極子の下位ストッパとして役立つ。第２フランジ３１上に載置されている弾性的な中間リング３２は、燃料噴射弁１の閉弁時の反跳を防止する。
【００１８】
弁ニードル案内１４内及び可動磁極子２０内には燃料通路３０ａ〜３０ｂが延びている。有利な実施例では球形の弁閉鎖体４は少なくとも１つの研磨面３４を有し、該研磨面を介して燃料は弁閉鎖体４を沿面流動し、かつ噴出オリフィス７へ案内される。燃料は集中燃料供給部１６を介して供給され、かつフィルタエレメント２５によって濾過される。燃料噴射弁１はパッキン２８によって、詳細な図示を省いた燃料導管に対して封止されている。
【００１９】
弁閉鎖体４は噴出側端部３５に切欠（凹所）３６を有し、該切欠は円筒形又はポット状に成形されているのが有利である。該切欠３６内には、噴出側で弁座体５に支持される緩衝エレメント３７が配置されている。この第１実施例では緩衝エレメント３７はこの場合、弁座体５内に円環状に形成された複数の噴出オリフィス７の内部で弁座体５に載るように配置されている。本発明の燃料噴射弁１の第１実施例及びその機能態様の詳細な説明は、図２Ａに基づいて行われる。
【００２０】
燃料噴射弁１の不作用状態では可動磁極子２０は、弁閉鎖体４を弁座６に封止当接させるように、ストローク方向とは逆向きに戻しばね２３によって負荷される。電磁コイル１０が励磁されると、該電磁コイルは、戻しばね２３のばね力に抗して可動磁極子２０をストローク方向に動かす磁界を生成し、その場合、ストロークは、不作用位置で内極１３と可動磁極子２０との間に介在する作業ギャップ２７によって設定されている。可動磁極子２０は、弁ニードル３と溶接されている第１フランジ２１を同じくストローク方向に連動する。弁ニードル３と作用結合している弁閉鎖体４は弁座面６から離間し、かつ燃料が噴出される。
【００２１】
コイル電流が断たれると、磁界が充分に消磁した後に可動磁極子２０は、戻しばね２３のばね圧によって内極１３から落下し、これによって、弁ニードル３と作用結合している第１フランジ２１はストローク方向とは逆方向に運動する。これによって弁ニードル３は等方向に動かされ、ひいては弁閉鎖体４が弁座面６に載着し、かつ燃料噴射弁１は閉弁される。その場合、弁座体５からの弁閉鎖体４の反跳は、弁ニードル３の運動エネルギーを吸収する緩衝エレメント３７によって阻止される。
【００２２】
図２Ａは、図１に示した鎖線囲み域ＩＩＡの拡大断面図である。その場合、同等の構成要素には、オリエンテーションを容易にするために同一符号を付した。
【００２３】
図１に基づいてすでに簡単に説明したように、本発明により構成された燃料噴射弁１の弁閉鎖体４は、ほぼ球形の形状を有している。これによって、燃料噴射弁１の機能挙動を正確にする、ずれの無い、カルダン継手状の弁ニードル案内が得られる。このことは、燃料噴射弁１の閉弁時に緩衝エレメント３７によって反跳を避けようとする場合に特に重要である。
【００２４】
燃料噴射弁１の弁座体５はほぼポット状に形成されており、しかも、その形状は弁ニードル案内を助成する要因となる。弁座体５はその場合、ノズル基体２の噴出側凹設部３８内に装嵌されており、かつ溶接継手３９によってノズル基体２と結合されている。
【００２５】
弁閉鎖体４はその噴出側端部３５に切欠３６を有し、該切欠はポット状又は円筒形に形成されておりかつ下流方向に開いている。該切欠３６内には前記の緩衝エレメント３７が配置されている。該緩衝エレメントは殊に有利には弾性的なゴム材料又はプラスチック材料から成り、かつ、該緩衝エレメントの軸方向長が、弁閉鎖体４内の切欠３６の軸方向長よりも幾分大になるように設計されている。
【００２６】
燃料噴射弁１の閉弁状態において緩衝エレメント３７は、燃料噴射弁１を閉弁状態に保つ戻しばね２３のばね力によって緊縮されるので、弁閉鎖体４は弁座面６に接触して封止状態に保たれ、かつ緩衝エレメント３７の軸方向長が僅かに減少される。
【００２７】
実施例において燃料噴射弁１の、電磁コイル１０として構成されたアクチュエータ１０が作動されると、弁閉鎖体４は封止座から離間し、これによって燃料は、少なくとも１つの研磨面３４を介して噴出オリフィス７に向かって流れる。緩衝エレメント３７の膨張は、開弁運動時に燃料噴射弁１を迅速に開弁させるために付加的に寄与する。緩衝エレメント３７はその場合、弁閉鎖体４の切欠３６内に固着しておき、これによって更なる開弁運動時に同じく弁座体５から離間させることもできる。しかし緩衝エレメントを切欠３６内に単にルーズに配置しておき、燃料噴射弁１の開弁時に弁座体５に残留させるようにすることも可能である。但しこの場合は燃料噴射弁１の開弁ストロークが、弛緩状態で緩衝エレメント３７の軸方向長を上回らないことが保証されていなければならない。さもないと緩衝エレメント３７が切欠３６から滑り出ることがあるからである。
【００２８】
燃料噴射弁１の閉弁時、可動磁極子２０は、磁界が充分に消磁した後に戻しばね２３のばね力によって内極１３から落下し、これによって、弁ニードル３は下流方向に動かされる。従って弁閉鎖体４は再びその始点位置へ復帰させられ、しかも閉弁動作の終期に緩衝エレメント３７は圧縮され、これによって、閉弁方向とは逆向きに作用して弁ニードル３の運動を制動する力が、弁閉鎖体４に対して及ぼされる。これによって弁閉鎖体４は、極めて僅かな残留速度で封止座に衝突することになるので、これによって燃料噴射弁が短時間もう一度開弁する不都合な事態は防止される。
【００２９】
図２Ｂは、本発明により構成された燃料噴射弁の第２実施例の区分断面図である。該区分は図２Ａに等しい。同等の構成要素には、この場合も同一符号を付した。
【００３０】
図１もしくは図２Ａに示した本発明の燃料噴射弁１の第１実施例とは異なって、図２Ｂに示した第２実施例は、複数の噴出オリフィス７から成る特に同心的な２つの円環列４０を有している。その場合、半径方向で内位円環列４０ａを形成する複数の内位噴出オリフィス７ａは、燃料噴射弁１の閉弁状態では緩衝エレメント３７によって被覆されているのに対して、半径方向で外位円環列４０ｂを形成する複数の外位噴出オリフィス７ｂは、図２Ａに示した第１実施例に相当して配置されている。
【００３１】
緩衝エレメント３７は、図２Ａに示した実施例に同じく相応して形成することができる。但しこの第２実施例では、複数の内位噴出オリフィス７ａを形成する内位円環列４０ａが燃料噴射弁１の開弁時に解放されるために緩衝エレメント３７は切欠３６内に固着されていなければならない。
【００３２】
要するに電磁コイル１０が給電されると、弁閉鎖体４が先ず弁座面６から離間され、これによって外位円環列４０ｂを形成する複数の外位噴出オリフィス７ｂが解放される。弛緩状態の緩衝エレメント３７の軸方向長と切欠３６の軸方向長との差に等しい特定ストロークを通過した後に始めて、緩衝エレメント３７も弁座体５から離間し、これによって内位円環列４０ａを形成する複数の内位噴出オリフィス７ａも解放される。
【００３３】
複数の噴出オリフィス７の前記配列によって、燃焼室内へ噴射される燃料雲を、弁ニードル３のストローク位置に応じて、外位円環列４０ｂを形成する複数の外位噴出オリフィス７ｂから噴出された燃料だけから形成するか、或いは内位円環列４０ａを形成する複数の内位噴出オリフィス７ａから噴出された燃料と、外位円環列４０ａを形成する複数の外位噴出オリフィス７ｂから噴出された燃料とから形成することが可能になる。
【００３４】
これは、混合気雲の形成のために特に有利である。それというのは、例えば燃料噴射弁１の縦軸線４１に対する複数の噴出オリフィス７の異なった傾度によって、混合気雲の形状並びに該混合気雲の化学量論的操作に直接影響を及ぼすことが可能になるからである。複数の噴出オリフィス７を形成する円環列４０の開閉によって、燃料噴射弁１の各運転状態に適合された噴射パターンを発生することが可能になる。所要のストローク段階は、例えば連動スリーブのような別の磁極子ストッパを介して、或いは２つのアクチュエータ１０を有する燃料噴射弁１を介して、例えば二重コイル弁によって得ることができる。
【００３５】
要するに、外位円環列４０ｂを形成する複数の外位噴出オリフィス７ｂが、燃料噴射弁１の縦軸線４１に対して小さな角度で傾斜されている場合、燃料噴射弁１の第１の切換え位置では、内位円環列４０ａの複数の噴出オリフィス７ａを閉鎖した状態で、部分負荷運転範囲にとって必要になるような、小さな噴射開先角と燃焼室内への高い侵徹度を伴った混合気雲が生じる。これに対して内位円環列４０ａを形成する複数の内位噴出オリフィス７ａは、より強く傾斜しているので、全負荷運転の場合、内位円環列４０ａの複数の内位噴出オリフィス７ａ及び外位円環列４０ｂの複数の外位噴出オリフィス７ｂを開放した状態で、大きな半径方向運動成分をもった燃料雲が燃焼室内へ噴射されるので、噴射開先角は部分負荷運転時よりも大きく、従って混合気雲は燃焼室に均等に充満される。
【００３６】
従って本実施例は、弁閉鎖体の反跳を避け、ひいては、配量された燃料量の分散を低下させるという利点と、燃料噴射弁１の運転状態に関連した噴射パターンをモデル化する可能性とのコンビネーションである。
【００３７】
図２Ｃに示した本発明により構成された燃料噴射弁１の第３実施例も同じく、複数の噴出オリフィス７ａ，７ｂから成る２つの円環列４０ａ，４０ｂを有している。図示の区分は、図２Ａ及び図２Ｂと同様に選ばれている。同等の構成要素には同一符号を付した。
【００３８】
図２Ａ及び図２Ｂにおいて説明した第１及び第２実施例とは異なり、この第３実施例では弁閉鎖体の反跳回避手段は、緩衝体４３と、切欠３６の端面と前記緩衝体４３との間に配置されたばね４２とのコンビネーションを介して得られる。ばね４２と緩衝体４３とのコンビネーションが緩衝エレメント３７を形成する。燃料噴射弁１の閉弁状態において、ばね４２は、緩衝エレメント３７が弁閉鎖体４と面整合するように、予荷重をかけられている。燃料噴射弁１が作動されると、やはり先ず弁閉鎖体４が封止座から離間し、これによって、複数の外位噴出オリフィス７ｂから成る外位円環列４０ｂが開放されるのに対して、緩衝体４３は、差し当たってばね４２の緊縮応力下で、弁座体５に封止接触した状態に保たれる。開弁ストロークの次のプロセスにおいて、ばね４２は次第に弛緩され、緩衝体４３も弁座体５から離間され、これによって内位噴出オリフィス７ａから成る内位円環列４０ａが解放されるに至る。
【００３９】
燃料噴射弁１の閉弁時には先ず緩衝体４３は、内位噴出オリフィス７ａから成る内位円環列４０ａの上に載置する。閉弁運動はこの載置時点以降、弁閉鎖体４内に配置されたばね４２によって制動される。それというのは、ばね圧縮の増大に伴って、ばね４２の戻し力も増大するからである。その結果、反跳は防止される。
【００４０】
本発明は図示の実施例に限定されるものではなく、特に圧電式又は磁歪式アクチュエータ１０を備えた燃料噴射弁１の場合、緩衝エレメント３７の任意の形態及び任意の材料並びに噴出オリフィス７の任意の個数に対して適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の燃料噴射弁の第１実施例の軸方向断面図である。
【図２Ａ】
図１の鎖線囲み域ＩＩＡに示した本発明の燃料噴射弁の第１実施例区分の拡大断面図である。
【図２Ｂ】
本発明の燃料噴射弁の第２実施例の図２Ａ相当区分の拡大断面図である。
【図２Ｃ】
本発明の燃料噴射弁の第３実施例の図２Ａ及び図２Ｂ相当区分の拡大断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料噴射弁、 ２ ノズル基体、 ３ 弁ニードル、 ４ 弁閉鎖体、 ５ 弁座体、 ６ 弁座面、 ７ 噴出オリフィス、 ８ パッキン、 ９ 外極、 １０ 電磁コイル、 １１ コイルケース、 １２ コイル巻枠、 １３ 内極、 １４ 弁ニードル案内、 １５ 調整ワッシャ、 １６ 集中燃料供給部、 １７ プラグ接点、 １８ 外装プラスチック被覆、 １９ 導線路、 ２０ 可動磁極子、 ２１ 第１フランジ、 ２２ 溶接継手、 ２３ 戻しばね、 ２４ スリーブ、 ２５ フィルタエレメント、 ２６ ギャップ、 ２７ 作業ギャップ、 ２９ 継手構成部材、 ３１ 第２フランジ、 ３２ 中間リング、 ３３ 溶接継手、 ３４ 研磨面、 ３５ 噴出側端部、 ３６ 切欠、 ３７ 緩衝エレメント、 ３８ 噴出側凹設部、 ３９ 溶接継手、 ４０ 円環列、 ４０ａ 内位円環列、 ４０ｂ 外位円環列、 ４１ 燃料噴射弁の縦軸線、 ４２ ばね、 ４３ 緩衝体、 ４４ 切欠の端面

Claims (15)

1. アクチュエータ（１０）と、弁座体（５）に形成された弁座面（６）と相俟って封止座を形成する弁閉鎖体（４）を作動するために前記アクチュエータ（１０）によって作動可能な弁ニードル（３）と、前記弁座体（５）内に形成された少なくとも１つの噴出オリフィス（７）とを備えた形式の、混合気圧縮型火花点火式内燃機関の燃焼室内へ燃料を特に直接噴射するための燃料噴射弁（１）において、弁閉鎖体（４）の下流側の切欠（３６）内に緩衝エレメント（３７）が配置されていることを特徴とする、燃料噴射弁。
2. 緩衝エレメント（３７）が円筒形に形成されている、請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 緩衝エレメント（３７）が弾性材料から成っている、請求項１又は２記載の燃料噴射弁。
4. 緩衝エレメント（３７）が、燃料噴射弁（１）の閉弁状態では圧縮されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
5. 燃料噴射弁（１）の開弁状態における緩衝エレメント（３７）の軸方向延在長さが、弁閉鎖体（４）内の切欠（３６）の軸方向延在長さよりも長い、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
6. 弁座体（５）内の複数の噴出オリフィス（７）が、該噴出オリフィス（７）を緩衝エレメント（３７）によって被覆しないように１つの円環列（４０）内に配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
7. 緩衝エレメント（３７）の半径方向直径が、複数の噴出オリフィス（７）から成る円環列（４０）の半径方向直径よりも小さい、請求項６記載の燃料噴射弁。
8. 弁座体（５）内に、複数の内位噴出オリフィス（７ａ）から成る内位円環列（４０ａ）と複数の外位噴出オリフィス（７ｂ）から成る外位円環列（４０ｂ）が形成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
9. 内位噴出オリフィス（７ａ）から成る内位円環列（４０ａ）が、燃料噴射弁（１）の閉弁状態において緩衝エレメント（３７）によって被覆されている、請求項８記載の燃料噴射弁。
10. 燃料噴射弁（１）の内位円環列（４０ａ）を形成する複数の内位噴出オリフィス（７ａ）と、外位円環列（４０ｂ）を形成する複数の外位噴出オリフィス（７ｂ）とが、燃料噴射弁の縦軸線（４１）に対して異なった傾度を有している、請求項８又は９記載の燃料噴射弁。
11. 内位噴出オリフィス（７ａ）の傾度が、外位噴出オリフィス（７ｂ）の傾度よりも大である、請求項１０記載の燃料噴射弁。
12. 緩衝エレメント（３７）が、ばね（４２）と、該ばね（４２）によって負荷される緩衝体（４３）とから成っている、請求項１記載の燃料噴射弁。
13. ばね（４２）が、切欠（３６）の端面（４４）に支持されている、請求項１２記載の燃料噴射弁。
14. ばね（４２）が、燃料噴射弁（１）の閉弁状態において圧縮されている、請求項１２又は１３記載の燃料噴射弁。
15. ばね（４２）が、燃料噴射弁（１）の開弁状態において弛緩されている、請求項１４記載の燃料噴射弁。