JP2005508477A - コモンレールインジェクタ - Google Patents
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Abstract
本発明は、自己着火式の内燃機関において燃料を高圧噴射するためのインジェクタであって、中空のインジェクタボディ(1)が設けられており、該インジェクタボディ(1)が、その一方の端部に弁座(2)と少なくとも1つの噴射開口(3)とを有しており、弁ニードル(4)が設けられており、該弁ニードル(4)が、弁ピストン(5)に延長してインジェクタボディ(1)内に配置されており、これによって、弁ニードル(4)が、閉鎖された状態で少なくとも1つの噴射開口(3)を閉鎖しており、少なくとも1つのばね(6,7,8)が設けられており、該ばね(6,7,8)が、弁ニードル(4)を弁座(2)に押圧することによって当該インジェクタを無圧の状態で閉鎖した状態に保持している形式のものに関する。本発明によれば、当該インジェクタが、少なくとも2つのソレノイド装置(37,38)を有しており、両ソレノイド装置(37,38)が、当該インジェクタを直接開閉するために使用される。
Description
【0001】
技術分野
コモンレール噴射システムは、直接噴射式の内燃機関内に燃料を噴射するために使用される。この蓄圧噴射システムでは、圧力形成と噴射とが互いに時間的にかつ局所的に切り離されている。別個の高圧ポンプが噴射圧を中央の燃料高圧アキュムレータ内に形成する。噴射開始と噴射量とは、たとえば電気的に操作される、燃料管路を介して燃料高圧アキュムレータに接続されたインジェクタの制御時点と制御期間とによって規定される。
【0002】
背景技術
ドイツ連邦共和国特許出願公開第19650865号明細書は、コモンレールインジェクタを操作するための電磁弁に関する。このドイツ連邦共和国特許出願公開第19650865号明細書の図1には、このようなインジェクタが示されている。このインジェクタは燃料高圧アキュムレータ(コモンレール)に直接接続されている。この燃料高圧アキュムレータには高圧フィードポンプによって常に、高い圧力下にある燃料が供給される。電磁弁制御式のインジェクタを介して、高圧燃料が内燃機関の燃焼室に供給される。
【0003】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第19650865号明細書の図1に示されたインジェクタによる噴射は次のように経過している:弁ニードルの開閉は電磁弁によって制御される。この電磁弁が通電されていない状態では、弁制御室と燃料戻し通路との間に設けられた流出絞り(A絞り)が弁部材によって閉鎖されている。その後、流入絞り(Z絞り)を介して弁制御室内に極めて迅速に高い圧力が形成され得る。この圧力は燃料高圧アキュムレータ内にも存在している。弁制御室内の圧力は戻しばねと一緒に所定の閉鎖力を弁ニードルに形成している。この閉鎖力は、形成された高圧の結果、他方で弁ニードルに開放方向で作用する力よりも大きく設定されている。弁制御室が電磁弁の開放によって放圧側に向かって開放されると、弁制御室の少ない容積内の圧力が極めて迅速に減少する。なぜならば、弁制御室が流出絞りを介して高圧側から分離されているからである。この結果、弁ニードルに開放方向で作用する、弁ニードルに加えられた燃料高圧に基づく力が上回るので、弁ニードルが上方に運動させられ、この場合、噴射開口が噴射のために開放される。弁ニードルの迅速な開放のために必要となる力を電磁弁によって直接形成することができないので、ハイドロリック式の力増幅システムを介した弁ニードルのこの間接的な制御が使用される。この場合に噴射される燃料に対して付加的に必要となる、いわゆる「制御量」は弁制御室の絞りを介して燃料戻し通路内に到達する。
【0004】
噴射量は、この公知先行技術で使用されたコモンレールシステムでは、電磁弁の制御、流出絞りに対する流入絞りの調和および弁ピストンと弁ニードルとのジオメトリによって規定される。必要となる構成部材の数によってシステムが高価となる。さらに、噴射量が、個々のパラメータおよび誤差の影響によって大きなばらつきにさらされている。
【0005】
発明の開示
本発明による解決手段は、コモンレールインジェクタにおける構成部材を節約することができ、これによって、費用が削減されるという利点を有している。さらに、噴射量に影響を与えるパラメータの数が減少させられ、噴射量がより正確に制御される。この利点は、本発明によれば、自己着火式の内燃機関において燃料を高圧噴射するためのインジェクタによって達成される。この場合、インジェクタは中空のインジェクタボディを有している。このインジェクタボディはその一方の端部に弁座と少なくとも1つの噴射開口とを有している。さらに、本発明によるインジェクタは弁ニードルを有している。この弁ニードルは弁ピストンに延長してインジェクタボディ内に配置されており、これによって、弁ニードルが、閉鎖された状態で少なくとも1つの噴射開口を閉鎖している。さらに、少なくとも1つのばねが設けられている。このばねは、弁ニードルを弁座に押圧することによって当該インジェクタを無圧の状態で閉鎖した状態に保持している。さらに、本発明によるインジェクタは少なくとも2つのソレノイド装置を有している。両ソレノイド装置はインジェクタを直接開閉するために使用される。
【0006】
この場合、直接的な制御のための少なくとも2つのソレノイド装置に対する手間は、流出絞りと流入絞りとを備えたハイドロリック式の力増幅システムを介した弁ニードルの間接的な制御に対する手間よりも著しく少なくなっている。弁ニードルの直接制御のためには、インジェクタの、付与された寸法において、単に1つのソレノイド装置によって加えることができない力が必要となる。したがって、本発明によるインジェクタは少なくとも2つのソレノイド装置を有している。両ソレノイド装置は一緒に十分に大きな力を弁ニードルの開放のために加えることができる。
【0007】
実施例
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【0008】
図1には、2つのソレノイド装置37,38を備えた本発明によるインジェクタが示してある。このインジェクタは中空のインジェクタボディ1を有している。このインジェクタボディ1はその一方の端部に弁座2と複数の噴射開口3とを有している。弁ニードル4が弁ピストン5に延長してインジェクタボディ1内に配置されている。弁ニードル4は噴射開口3をインジェクタの閉鎖状態で燃焼室(図示せず)に対して密に閉鎖している。したがって、この状態では、内燃機関の燃焼室内への燃料の噴射は行われない。
【0009】
図示したインジェクタの左側半分には、2つのばね6,7を備えた構成が示してあり、右側半分には、1つのばね8を備えた構成が示してある。ばね7,8は圧縮ばねとして形成されている。この圧縮ばねはインジェクタを無圧状態で閉鎖した状態に保持している。さらに、圧縮ばねは、開放したインジェクタの閉鎖動作を噴射の終了時に保証するために働くことができる。ばね6,7,8は、インジェクタボディ1内に設けられたばね室9内に位置している。(2つのばねの場合の)内側のばね7と(1つのばねの場合の)ばね8とはその一方の端部でばね室9の壁10に接触している。ばね7,8は他方の端部でディスク11に突き当てられている。このディスク11は弁ピストン5に結合されている。インジェクタの開放時には、弁ピストン5がディスク11も含めて開放方向12でばね室9内に移動させられているので、ばね7,8が圧縮され、したがって、所定のばね力が閉鎖方向13でディスク11と弁ピストン5とに加えられている。
【0010】
2つのばね6,7を備えた構成では、外側のばね6も同じく一方の端部でばね室9の壁10に突き当てられている。この壁10にばね6は固定されている。ばね6は他方の端部で環状のディスク14に結合されている。このディスク14はインジェクタボディ1に支持されている。外側のばね6には、規定された力に予荷重もしくはプレロードがかけられている。この場合、環状のディスク14の下面はディスク11の上面から間隔15を置いて位置している。弁ニードル4が弁ピストン5およびディスク11と共にインジェクタの開放時に開放方向12で間隔15だけ運動させられると、環状のディスク14がディスク11に載置する。インジェクタが間隔15よりもさらに多く開放されると、ディスク11と環状のディスク14とが一緒に開放方向12でばね室9内に移動させられるので、両ばね6,7が同時に圧縮され、所定のばね力が弁ピストン5に閉鎖方向13で加えられる。
【0011】
図1に示した本発明の有利な構成では、インジェクタの中心に長手方向で高圧管路21が延びている。この高圧管路21は、(図示していない)燃料高圧アキュムレータ(コモンレール)からインジェクタ内に流入する高圧下の燃料をインジェクタを通してインジェクタの燃料蓄え室22に案内する。高圧下の燃料は流入通路23を通って高圧管路21内に到達する。この高圧管路21は(壁10を通って)ばね室9に開口していて、このばね室9の他方の側でディスク11と弁ピストン5とに続いている。燃料蓄え室22の領域には、弁ピストン5が複数の開口24を有している。これらの開口24を通って燃料が燃料蓄え室22内に到達する。そこから、燃料は弁ニードル4に沿って噴射開口3に流れることができる。漏れ管路27は燃料の漏れ量を流出するために働く。
【0012】
インジェクタを直接開閉するためには、本発明のこの有利な構成では、2つのソレノイド装置37,38が使用される。両ソレノイド装置37,38はそれぞれ1つのソレノイドプランジャ16,17と電磁石18,19とを有している。この電磁石18,19はインジェクタボディ1に固く結合されている。電磁石181,9は電流接続部25を介して並列に電流源(図示せず)に接続されている。
【0013】
図1に示した本発明の有利な構成では、ソレノイドプランジャ16,17が互いに異なるストローク(h1;h2)を有している。この場合、ストローク(h1,h2)とは、開放方向12でのインジェクタの開放時にソレノイドプランジャ16,17が、所属の電磁石18,19に接触するまで進む移動距離を意味している。図1には、本発明によるインジェクタが示してある。このインジェクタでは、第1のソレノイドプランジャ16のストロークh1が第2のソレノイドプランジャ17のストロークh2よりも小さく設定されている。有利には、第1のソレノイドプランジャ16のストロークh1は30〜60μmに設定されており、第2のソレノイドプランジャ17のストロークh2は150〜250μmに設定されている。
【0014】
本発明のこの有利な構成では、第2のソレノイドプランジャ17が弁ピストン5に不動に配置されている。さらに、第1のソレノイドプランジャ16は弁ピストン5に滑動可能に配置されている。インジェクタの閉鎖時には、第1のソレノイドプランジャ16は上側のストッパ20に位置している。このストッパ20は弁ピストン5の環状の膨出部によって形成されている。この位置では、第1のソレノイドプランジャ16が、直径d1を有する弁ピストン5に、動力を伝達するように結合されている。第1のソレノイドプランジャ16はインジェクタの閉鎖時に戻しばね39によって上側のストッパ20に保持される。電磁石18,19の通電時には、第1の電磁石18の磁力が開放方向12で第1のソレノイドプランジャ16に作用する。同時に第2のソレノイドプランジャ17には開放方向12で第2の電磁石19の磁力が作用する。両電磁石18,19の磁力によって、ソレノイドプランジャ16,17が弁ピストン5を弁ニードル4と共に開放方向12に運動させる。なぜならば、第2のソレノイドプランジャ17が弁ピストン5に固く結合されており、第1のソレノイドプランジャ16が上側のストッパ20を介して弁ピストン5に結合されているからである。したがって、弁ニードル4が弁座2から持ち上がり、高い圧力下にある燃料の噴射が噴射開口3を介して行われる。
【0015】
第1のソレノイドプランジャ16は、より少ないストロークh1に基づき、インジェクタの開放動作の間に時間的に第2のソレノイドプランジャ17よりも前に所属の第1の電磁石18に接触する。しかし、第1のソレノイドプランジャ16が弁ピストン5に滑動可能に配置されているので、第2のソレノイドプランジャ17は、この第2のソレノイドプランジャ17に固く結合された弁ピストン5も含めて、第2のソレノイドプランジャ17も所属の第2の電磁石19に接触するまで引き続き開放方向12に運動することができる。この場合、第1のソレノイドプランジャ16は、弁ピストン5の、上側のストッパ20が設けられた弁ピストン5よりも少ない直径を有する部分26にわたって滑動する。インジェクタの閉鎖時には、第1のソレノイドプランジャ16が戻しばね39によって再び上側のストッパ20における出発位置に到達する。
【0016】
ソレノイドプランジャ16,17の互いに異なるストロークh1,h2によって、ストローク調和の有利な可能性が提供される。すなわち、少ない噴射量のためには、第1のソレノイドプランジャ16の小さなストロークh1が実施され得る。これによって、公知先行技術では負荷領域に弾道状の経過を有する、弁ニードル4の運動が安定して部分ストローク(h1)に保持される。したがって、有利には、噴射量ばらつきが低減される。部分ストロークh1の制御は電流強さおよび/または間隔15の対応配置を介して可能となる。部分ストロークh1は、たとえば電磁石18の移動に続くレーザ溶接による位置決めによって可能な限り正確に製造技術的に調整される。
【0017】
図1に示したインジェクタは、単に本発明の可能な構成でしかない。たとえば本発明によるインジェクタが、弁ピストンに固く取り付けられた、同じストロークhを備えた2つのソレノイドプランジャを有する2つのソレノイド装置37,38を備えていることも可能である。この場合、両電磁石の通電時には、弁ニードルが、ソレノイドプランジャに作用する磁力によってストロークhだけ開放方向に運動させられる。
【0018】
たとえば別個の電気的な接続部を介して個々の電磁石を通電することも可能である。これによって、ソレノイドプランジャに作用する磁力をより自由に変化させることができる。
【0019】
図1に示した本発明の有利な構成では、(上側のストッパ20に対して相対的に開放方向12での)弁ピストン5の直径d1が、(第2のソレノイドプランジャ17に対して相対的に閉鎖方向13での)弁ピストン5の直径d2と同じ大きさに寸法設定されている。この場合、インジェクタの開放時には、高圧による力の平衡が開閉方向12,13に形成される。なぜならば、有効面(この有効面には、高圧が所定の力をこの2つの方向12,13に加える)が、直径d1,d2を備えた弁ピストン5の横断面であるからである。この場合、インジェクタの開放状態では、高圧の力が閉鎖方向13で面:
A1 開=π(d1/2)2
に作用しており、開放方向12で面:
A2 開=π(d2/2)2
に作用している。したがって、直径d1,d2が同じ大きさに寸法設定されている場合には、(インジェクタの開放時に):
A1 開=A2 開=A開
ひいては
F1 開=p・A開=F2 開
が認められる。この場合、pは高圧を意味している。その後、電磁石18,19の通電の遮断後にインジェクタを閉鎖するためには、ばね6,7,8によって加えられる付加的な力が必要となる。
【0020】
インジェクタの閉鎖状態では、有利には、閉鎖方向13で弁ピストン5に加えられる高圧による力が、開放方向12での高圧による力よりも大きく設定されている。このことは、図1に示した本発明の構成では、d1=d2によって保証されている。なぜならば、有効面(この有効面には、高圧が所定の力を開放方向12で弁ニードル4と弁ピストン5とに加える)がインジェクタの閉鎖時に弁座面28(AS)だけ減少させられているからである。これによって、閉鎖方向13での力F1 閉は開放方向12での力F2 閉よりも大きく設定されている。
【0021】
A1 閉=π(d1/2)2
および
A2 閉=π(d2/2)2−AS
が認められる。これに基づき、d1=d2に対して:
A2 閉=A1 閉−AS
ひいては
A2 閉<A1 閉
および
F2 閉<F1 閉
が推論される。その後、閉鎖されたインジェクタは、すでに高圧によってのみ閉鎖され続ける。インジェクタの開放のための所要の力は、面差A1 閉−A2 閉と、ばね7,8の圧縮のための所要の力とによって規定される。
【0022】
本発明の別の構成(図示せず)では、直径がd1<d2に寸法設定されている。しかし、この場合、面差A2 開−A1 開は弁座面ASよりも小さく設定されているかまたは最大でも同じ大きさに設定されている。本発明のこの構成でも、条件A2 開−A1 開≦ASによって、インジェクタの閉鎖時に閉鎖方向13で弁ピストン5と弁ニードル4とに加えられる力F1 閉が、開放方向12での高圧による力F2 閉以上であることが保証される。
【0023】
開放したインジェクタを閉鎖するためには、ばね6,7,8によって、構成d1<d2の場合に構成d1=d2に対して付加的な力ΔF:
ΔF=F2 開−F1 開
が加えられなければならない。この力は面差:
ΔA=A2 開−A1 開
に比例している。
【0024】
図2には、弁ニードルの本発明による構成が示してある。この弁ニードルは、公知先行技術に相当する形を有しているものの、インジェクタの閉鎖時に弁座領域31でインジェクタボディ1に接触する領域により少ない直径dを有する弁ニードル4として形成されている。より少ない直径dは、インジェクタが、電磁石18,19による最大限に可能な磁力によって開放することができるようにするために必要となる。たとえば直径dは、本発明では、1.1mmに寸法設定されていてよい。
【0025】
図3には、電磁石とソレノイドプランジャとの間のエアギャップを関数とした磁力によるグラフが示してある。磁力Fが小さければ小さいほど、電磁石18,19とソレノイドプランジャ16,17との間のエアギャップhはますます大きく設定されている。インジェクタの閉鎖時には、弁ニードル先端部29が弁座領域31に接触しており、第2の電磁石19と第2のソレノイドプランジャ17との間のエアギャップがその最大の量(たとえば0.25mm)を取っている。このエアギャップ量1では、第2のソレノイドプランジャ17は第2の電磁石19の磁力Bによって引き寄せられる。部分ストロークh1では、エアギャップ量がより小さく設定されており(エアギャップ量2)、第2のソレノイドプランジャ17がより大きな磁界力Aによって引き寄せられる。第1のソレノイドプランジャ16と第1の電磁石18との間の磁力は同じ状態である。
【0026】
図4には、弁ニードルの本発明による有利な構成が示してある。開放したインジェクタを閉鎖するために必要となるばね力を特に構成d1<d2の場合に減少させるためには、弁ニードル4もしくは弁ニードル先端部29が成形されており、これによって、絞りギャップ30が弁ニードル4とインジェクタボディ1との間に位置している。噴射動作の間、弁座領域31における圧力は絞りギャップ30によって減少させられ、これによって、閉鎖動作が助成される。
【0027】
図5には、本発明による弁ニードルの2つの別の有利な構成が、一方では図面の左側半分にかつ他方では図面の右側半分に示してある。図示した両構成では、弁ニードル4がやはり成形されており、これによって、インジェクタの開放時に弁ニードル4とインジェクタボディ1との間に絞りギャップ30が位置している。この絞りギャップ30は弁座領域31における圧力を減少させる。絞りは、この構成では、図4に示した構成に比べて一層強化される。なぜならば、絞りギャップ30が、円錐形の弁座領域31だけでなく、弁ボディ1に設けられた円筒状の孔33の一部に沿っても延びているからである。図5の右側半分に示した構成では、絞りギャップ30が弁ボディ1の円筒状の孔33の一部に沿って弁ニードル4の部分領域32によって形成されている。この部分領域32には弁ニードル4がより大きな直径を有している。これによって、弁ニードル4と弁ボディ1との間の中間室が減少させられているので、この部分領域32に沿って同じく絞りギャップ30が配置されている。この絞りギャップ30は部分領域32に沿って弁ニードル4のストロークとは無関係に存在し続ける。
【0028】
これとは異なり、図5の左側半分に示した本発明によるインジェクタの有利な構成では、部分領域34に沿った絞りギャップの存在もしくは長さが弁ニードル4の位置に関連している。弁ニードル4が開放方向12で弁ボディ1に対して相対的に遠くに移動させられていればいるほど、より小さな直径を備えた孔33の領域36と、より大きな直径を備えた弁ニードル4の部分領域34との間の重なり35がますます小さく設定されている。弁ニードル4の、領域34,36の幅および配置に関連したストローク以降、重なり35はもはや存在しておらず、弁ボディ1と弁ニードル4との間の間隔はより大きくなるので、絞りはもはや行われない。
【0029】
図5の左側半分に示した本発明によるインジェクタのこの有利な構成は、有利には、2つのばねを備えた構成に組み合わせることができる。インジェクタの開放時には、長い方のばね7しか磁力に抗して作用しない。長い方のばね7の、(図1に示した間隔15に相応する)ある程度のプレストローク以降、両ばね6,7がインジェクタの開放に抗して作用する。しかし、ばね力は上回ることができる。なぜならば、高圧がすでにインジェクタの部分開放時に座領域31で弁ニードル4に作用しており、磁力が電磁石18,19からの各ソレノイドプランジャ16,17のより少ない間隔によってすで上昇させられているからである。インジェクタが完全に開放し、燃料噴射が行われる。閉鎖のためには、電磁石の通電が遮断される。まず、両ばね6,7が弁ピストン5に作用する。短い方のばね6が環状のディスク14でインジェクタボディ1内のストッパに到達しかつ長い方のばね7しか閉鎖方向13で弁ピストン5に作用していない場合には、すでに重なり35が有効となり、ハイドロリック力(弁座領域31における圧力減少)がインジェクタの完全な閉鎖を助成している。
【図面の簡単な説明】
【図1】
2つのソレノイド装置を備えた本発明によるインジェクタの概略図である。
【図2】
本発明による弁ニードル先端部の第1の構成を示す図である。
【図3】
電磁石とソレノイドプランジャとの間のエアギャップを関数とした磁力によるグラフである。
【図4】
絞りギャップを備えた本発明による弁ニードル先端部の第2の構成を示す図である。
【図5】
絞りギャップを備えた本発明による弁ニードル先端部の第3の構成および第4の構成を示す図である。
【符号の説明】
1 インジェクタボディ、 2 弁座、 3 噴射開口、 4 弁ニードル、 5 弁ピストン、 6 ばね、 7 ばね、 8 ばね、 9 ばね室、 10 壁、 11 ディスク、 12 開放方向、 13 閉鎖方向、 14 ディスク、 15 間隔、 16 ソレノイドプランジャ、 17 ソレノイドプランジャ、 18 電磁石、 19 電磁石、 20 ストッパ、 21 高圧管路、 22 燃料蓄え室、 23 流入通路、 24 開口、 25 電流接続部、 26 部分、 27 漏れ管路、 28 弁座面、 29 弁ニードル先端部、 30 絞りギャップ、 31 弁座領域、 32 部分領域、 33 孔、 34 部分領域、 35 重なり、 36 領域、 37 ソレノイド装置、 38 ソレノイド装置、 39 戻しばね、 d 直径、 d1 直径、 d2 直径、 h1 ストローク、 h2 ストローク
技術分野
コモンレール噴射システムは、直接噴射式の内燃機関内に燃料を噴射するために使用される。この蓄圧噴射システムでは、圧力形成と噴射とが互いに時間的にかつ局所的に切り離されている。別個の高圧ポンプが噴射圧を中央の燃料高圧アキュムレータ内に形成する。噴射開始と噴射量とは、たとえば電気的に操作される、燃料管路を介して燃料高圧アキュムレータに接続されたインジェクタの制御時点と制御期間とによって規定される。
【0002】
背景技術
ドイツ連邦共和国特許出願公開第19650865号明細書は、コモンレールインジェクタを操作するための電磁弁に関する。このドイツ連邦共和国特許出願公開第19650865号明細書の図1には、このようなインジェクタが示されている。このインジェクタは燃料高圧アキュムレータ(コモンレール)に直接接続されている。この燃料高圧アキュムレータには高圧フィードポンプによって常に、高い圧力下にある燃料が供給される。電磁弁制御式のインジェクタを介して、高圧燃料が内燃機関の燃焼室に供給される。
【0003】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第19650865号明細書の図1に示されたインジェクタによる噴射は次のように経過している:弁ニードルの開閉は電磁弁によって制御される。この電磁弁が通電されていない状態では、弁制御室と燃料戻し通路との間に設けられた流出絞り(A絞り)が弁部材によって閉鎖されている。その後、流入絞り(Z絞り)を介して弁制御室内に極めて迅速に高い圧力が形成され得る。この圧力は燃料高圧アキュムレータ内にも存在している。弁制御室内の圧力は戻しばねと一緒に所定の閉鎖力を弁ニードルに形成している。この閉鎖力は、形成された高圧の結果、他方で弁ニードルに開放方向で作用する力よりも大きく設定されている。弁制御室が電磁弁の開放によって放圧側に向かって開放されると、弁制御室の少ない容積内の圧力が極めて迅速に減少する。なぜならば、弁制御室が流出絞りを介して高圧側から分離されているからである。この結果、弁ニードルに開放方向で作用する、弁ニードルに加えられた燃料高圧に基づく力が上回るので、弁ニードルが上方に運動させられ、この場合、噴射開口が噴射のために開放される。弁ニードルの迅速な開放のために必要となる力を電磁弁によって直接形成することができないので、ハイドロリック式の力増幅システムを介した弁ニードルのこの間接的な制御が使用される。この場合に噴射される燃料に対して付加的に必要となる、いわゆる「制御量」は弁制御室の絞りを介して燃料戻し通路内に到達する。
【0004】
噴射量は、この公知先行技術で使用されたコモンレールシステムでは、電磁弁の制御、流出絞りに対する流入絞りの調和および弁ピストンと弁ニードルとのジオメトリによって規定される。必要となる構成部材の数によってシステムが高価となる。さらに、噴射量が、個々のパラメータおよび誤差の影響によって大きなばらつきにさらされている。
【0005】
発明の開示
本発明による解決手段は、コモンレールインジェクタにおける構成部材を節約することができ、これによって、費用が削減されるという利点を有している。さらに、噴射量に影響を与えるパラメータの数が減少させられ、噴射量がより正確に制御される。この利点は、本発明によれば、自己着火式の内燃機関において燃料を高圧噴射するためのインジェクタによって達成される。この場合、インジェクタは中空のインジェクタボディを有している。このインジェクタボディはその一方の端部に弁座と少なくとも1つの噴射開口とを有している。さらに、本発明によるインジェクタは弁ニードルを有している。この弁ニードルは弁ピストンに延長してインジェクタボディ内に配置されており、これによって、弁ニードルが、閉鎖された状態で少なくとも1つの噴射開口を閉鎖している。さらに、少なくとも1つのばねが設けられている。このばねは、弁ニードルを弁座に押圧することによって当該インジェクタを無圧の状態で閉鎖した状態に保持している。さらに、本発明によるインジェクタは少なくとも2つのソレノイド装置を有している。両ソレノイド装置はインジェクタを直接開閉するために使用される。
【0006】
この場合、直接的な制御のための少なくとも2つのソレノイド装置に対する手間は、流出絞りと流入絞りとを備えたハイドロリック式の力増幅システムを介した弁ニードルの間接的な制御に対する手間よりも著しく少なくなっている。弁ニードルの直接制御のためには、インジェクタの、付与された寸法において、単に1つのソレノイド装置によって加えることができない力が必要となる。したがって、本発明によるインジェクタは少なくとも2つのソレノイド装置を有している。両ソレノイド装置は一緒に十分に大きな力を弁ニードルの開放のために加えることができる。
【0007】
実施例
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【0008】
図1には、2つのソレノイド装置37,38を備えた本発明によるインジェクタが示してある。このインジェクタは中空のインジェクタボディ1を有している。このインジェクタボディ1はその一方の端部に弁座2と複数の噴射開口3とを有している。弁ニードル4が弁ピストン5に延長してインジェクタボディ1内に配置されている。弁ニードル4は噴射開口3をインジェクタの閉鎖状態で燃焼室(図示せず)に対して密に閉鎖している。したがって、この状態では、内燃機関の燃焼室内への燃料の噴射は行われない。
【0009】
図示したインジェクタの左側半分には、2つのばね6,7を備えた構成が示してあり、右側半分には、1つのばね8を備えた構成が示してある。ばね7,8は圧縮ばねとして形成されている。この圧縮ばねはインジェクタを無圧状態で閉鎖した状態に保持している。さらに、圧縮ばねは、開放したインジェクタの閉鎖動作を噴射の終了時に保証するために働くことができる。ばね6,7,8は、インジェクタボディ1内に設けられたばね室9内に位置している。(2つのばねの場合の)内側のばね7と(1つのばねの場合の)ばね8とはその一方の端部でばね室9の壁10に接触している。ばね7,8は他方の端部でディスク11に突き当てられている。このディスク11は弁ピストン5に結合されている。インジェクタの開放時には、弁ピストン5がディスク11も含めて開放方向12でばね室9内に移動させられているので、ばね7,8が圧縮され、したがって、所定のばね力が閉鎖方向13でディスク11と弁ピストン5とに加えられている。
【0010】
2つのばね6,7を備えた構成では、外側のばね6も同じく一方の端部でばね室9の壁10に突き当てられている。この壁10にばね6は固定されている。ばね6は他方の端部で環状のディスク14に結合されている。このディスク14はインジェクタボディ1に支持されている。外側のばね6には、規定された力に予荷重もしくはプレロードがかけられている。この場合、環状のディスク14の下面はディスク11の上面から間隔15を置いて位置している。弁ニードル4が弁ピストン5およびディスク11と共にインジェクタの開放時に開放方向12で間隔15だけ運動させられると、環状のディスク14がディスク11に載置する。インジェクタが間隔15よりもさらに多く開放されると、ディスク11と環状のディスク14とが一緒に開放方向12でばね室9内に移動させられるので、両ばね6,7が同時に圧縮され、所定のばね力が弁ピストン5に閉鎖方向13で加えられる。
【0011】
図1に示した本発明の有利な構成では、インジェクタの中心に長手方向で高圧管路21が延びている。この高圧管路21は、(図示していない)燃料高圧アキュムレータ(コモンレール)からインジェクタ内に流入する高圧下の燃料をインジェクタを通してインジェクタの燃料蓄え室22に案内する。高圧下の燃料は流入通路23を通って高圧管路21内に到達する。この高圧管路21は(壁10を通って)ばね室9に開口していて、このばね室9の他方の側でディスク11と弁ピストン5とに続いている。燃料蓄え室22の領域には、弁ピストン5が複数の開口24を有している。これらの開口24を通って燃料が燃料蓄え室22内に到達する。そこから、燃料は弁ニードル4に沿って噴射開口3に流れることができる。漏れ管路27は燃料の漏れ量を流出するために働く。
【0012】
インジェクタを直接開閉するためには、本発明のこの有利な構成では、2つのソレノイド装置37,38が使用される。両ソレノイド装置37,38はそれぞれ1つのソレノイドプランジャ16,17と電磁石18,19とを有している。この電磁石18,19はインジェクタボディ1に固く結合されている。電磁石181,9は電流接続部25を介して並列に電流源(図示せず)に接続されている。
【0013】
図1に示した本発明の有利な構成では、ソレノイドプランジャ16,17が互いに異なるストローク(h1;h2)を有している。この場合、ストローク(h1,h2)とは、開放方向12でのインジェクタの開放時にソレノイドプランジャ16,17が、所属の電磁石18,19に接触するまで進む移動距離を意味している。図1には、本発明によるインジェクタが示してある。このインジェクタでは、第1のソレノイドプランジャ16のストロークh1が第2のソレノイドプランジャ17のストロークh2よりも小さく設定されている。有利には、第1のソレノイドプランジャ16のストロークh1は30〜60μmに設定されており、第2のソレノイドプランジャ17のストロークh2は150〜250μmに設定されている。
【0014】
本発明のこの有利な構成では、第2のソレノイドプランジャ17が弁ピストン5に不動に配置されている。さらに、第1のソレノイドプランジャ16は弁ピストン5に滑動可能に配置されている。インジェクタの閉鎖時には、第1のソレノイドプランジャ16は上側のストッパ20に位置している。このストッパ20は弁ピストン5の環状の膨出部によって形成されている。この位置では、第1のソレノイドプランジャ16が、直径d1を有する弁ピストン5に、動力を伝達するように結合されている。第1のソレノイドプランジャ16はインジェクタの閉鎖時に戻しばね39によって上側のストッパ20に保持される。電磁石18,19の通電時には、第1の電磁石18の磁力が開放方向12で第1のソレノイドプランジャ16に作用する。同時に第2のソレノイドプランジャ17には開放方向12で第2の電磁石19の磁力が作用する。両電磁石18,19の磁力によって、ソレノイドプランジャ16,17が弁ピストン5を弁ニードル4と共に開放方向12に運動させる。なぜならば、第2のソレノイドプランジャ17が弁ピストン5に固く結合されており、第1のソレノイドプランジャ16が上側のストッパ20を介して弁ピストン5に結合されているからである。したがって、弁ニードル4が弁座2から持ち上がり、高い圧力下にある燃料の噴射が噴射開口3を介して行われる。
【0015】
第1のソレノイドプランジャ16は、より少ないストロークh1に基づき、インジェクタの開放動作の間に時間的に第2のソレノイドプランジャ17よりも前に所属の第1の電磁石18に接触する。しかし、第1のソレノイドプランジャ16が弁ピストン5に滑動可能に配置されているので、第2のソレノイドプランジャ17は、この第2のソレノイドプランジャ17に固く結合された弁ピストン5も含めて、第2のソレノイドプランジャ17も所属の第2の電磁石19に接触するまで引き続き開放方向12に運動することができる。この場合、第1のソレノイドプランジャ16は、弁ピストン5の、上側のストッパ20が設けられた弁ピストン5よりも少ない直径を有する部分26にわたって滑動する。インジェクタの閉鎖時には、第1のソレノイドプランジャ16が戻しばね39によって再び上側のストッパ20における出発位置に到達する。
【0016】
ソレノイドプランジャ16,17の互いに異なるストロークh1,h2によって、ストローク調和の有利な可能性が提供される。すなわち、少ない噴射量のためには、第1のソレノイドプランジャ16の小さなストロークh1が実施され得る。これによって、公知先行技術では負荷領域に弾道状の経過を有する、弁ニードル4の運動が安定して部分ストローク(h1)に保持される。したがって、有利には、噴射量ばらつきが低減される。部分ストロークh1の制御は電流強さおよび/または間隔15の対応配置を介して可能となる。部分ストロークh1は、たとえば電磁石18の移動に続くレーザ溶接による位置決めによって可能な限り正確に製造技術的に調整される。
【0017】
図1に示したインジェクタは、単に本発明の可能な構成でしかない。たとえば本発明によるインジェクタが、弁ピストンに固く取り付けられた、同じストロークhを備えた2つのソレノイドプランジャを有する2つのソレノイド装置37,38を備えていることも可能である。この場合、両電磁石の通電時には、弁ニードルが、ソレノイドプランジャに作用する磁力によってストロークhだけ開放方向に運動させられる。
【0018】
たとえば別個の電気的な接続部を介して個々の電磁石を通電することも可能である。これによって、ソレノイドプランジャに作用する磁力をより自由に変化させることができる。
【0019】
図1に示した本発明の有利な構成では、(上側のストッパ20に対して相対的に開放方向12での)弁ピストン5の直径d1が、(第2のソレノイドプランジャ17に対して相対的に閉鎖方向13での)弁ピストン5の直径d2と同じ大きさに寸法設定されている。この場合、インジェクタの開放時には、高圧による力の平衡が開閉方向12,13に形成される。なぜならば、有効面(この有効面には、高圧が所定の力をこの2つの方向12,13に加える)が、直径d1,d2を備えた弁ピストン5の横断面であるからである。この場合、インジェクタの開放状態では、高圧の力が閉鎖方向13で面:
A1 開=π(d1/2)2
に作用しており、開放方向12で面:
A2 開=π(d2/2)2
に作用している。したがって、直径d1,d2が同じ大きさに寸法設定されている場合には、(インジェクタの開放時に):
A1 開=A2 開=A開
ひいては
F1 開=p・A開=F2 開
が認められる。この場合、pは高圧を意味している。その後、電磁石18,19の通電の遮断後にインジェクタを閉鎖するためには、ばね6,7,8によって加えられる付加的な力が必要となる。
【0020】
インジェクタの閉鎖状態では、有利には、閉鎖方向13で弁ピストン5に加えられる高圧による力が、開放方向12での高圧による力よりも大きく設定されている。このことは、図1に示した本発明の構成では、d1=d2によって保証されている。なぜならば、有効面(この有効面には、高圧が所定の力を開放方向12で弁ニードル4と弁ピストン5とに加える)がインジェクタの閉鎖時に弁座面28(AS)だけ減少させられているからである。これによって、閉鎖方向13での力F1 閉は開放方向12での力F2 閉よりも大きく設定されている。
【0021】
A1 閉=π(d1/2)2
および
A2 閉=π(d2/2)2−AS
が認められる。これに基づき、d1=d2に対して:
A2 閉=A1 閉−AS
ひいては
A2 閉<A1 閉
および
F2 閉<F1 閉
が推論される。その後、閉鎖されたインジェクタは、すでに高圧によってのみ閉鎖され続ける。インジェクタの開放のための所要の力は、面差A1 閉−A2 閉と、ばね7,8の圧縮のための所要の力とによって規定される。
【0022】
本発明の別の構成(図示せず)では、直径がd1<d2に寸法設定されている。しかし、この場合、面差A2 開−A1 開は弁座面ASよりも小さく設定されているかまたは最大でも同じ大きさに設定されている。本発明のこの構成でも、条件A2 開−A1 開≦ASによって、インジェクタの閉鎖時に閉鎖方向13で弁ピストン5と弁ニードル4とに加えられる力F1 閉が、開放方向12での高圧による力F2 閉以上であることが保証される。
【0023】
開放したインジェクタを閉鎖するためには、ばね6,7,8によって、構成d1<d2の場合に構成d1=d2に対して付加的な力ΔF:
ΔF=F2 開−F1 開
が加えられなければならない。この力は面差:
ΔA=A2 開−A1 開
に比例している。
【0024】
図2には、弁ニードルの本発明による構成が示してある。この弁ニードルは、公知先行技術に相当する形を有しているものの、インジェクタの閉鎖時に弁座領域31でインジェクタボディ1に接触する領域により少ない直径dを有する弁ニードル4として形成されている。より少ない直径dは、インジェクタが、電磁石18,19による最大限に可能な磁力によって開放することができるようにするために必要となる。たとえば直径dは、本発明では、1.1mmに寸法設定されていてよい。
【0025】
図3には、電磁石とソレノイドプランジャとの間のエアギャップを関数とした磁力によるグラフが示してある。磁力Fが小さければ小さいほど、電磁石18,19とソレノイドプランジャ16,17との間のエアギャップhはますます大きく設定されている。インジェクタの閉鎖時には、弁ニードル先端部29が弁座領域31に接触しており、第2の電磁石19と第2のソレノイドプランジャ17との間のエアギャップがその最大の量(たとえば0.25mm)を取っている。このエアギャップ量1では、第2のソレノイドプランジャ17は第2の電磁石19の磁力Bによって引き寄せられる。部分ストロークh1では、エアギャップ量がより小さく設定されており(エアギャップ量2)、第2のソレノイドプランジャ17がより大きな磁界力Aによって引き寄せられる。第1のソレノイドプランジャ16と第1の電磁石18との間の磁力は同じ状態である。
【0026】
図4には、弁ニードルの本発明による有利な構成が示してある。開放したインジェクタを閉鎖するために必要となるばね力を特に構成d1<d2の場合に減少させるためには、弁ニードル4もしくは弁ニードル先端部29が成形されており、これによって、絞りギャップ30が弁ニードル4とインジェクタボディ1との間に位置している。噴射動作の間、弁座領域31における圧力は絞りギャップ30によって減少させられ、これによって、閉鎖動作が助成される。
【0027】
図5には、本発明による弁ニードルの2つの別の有利な構成が、一方では図面の左側半分にかつ他方では図面の右側半分に示してある。図示した両構成では、弁ニードル4がやはり成形されており、これによって、インジェクタの開放時に弁ニードル4とインジェクタボディ1との間に絞りギャップ30が位置している。この絞りギャップ30は弁座領域31における圧力を減少させる。絞りは、この構成では、図4に示した構成に比べて一層強化される。なぜならば、絞りギャップ30が、円錐形の弁座領域31だけでなく、弁ボディ1に設けられた円筒状の孔33の一部に沿っても延びているからである。図5の右側半分に示した構成では、絞りギャップ30が弁ボディ1の円筒状の孔33の一部に沿って弁ニードル4の部分領域32によって形成されている。この部分領域32には弁ニードル4がより大きな直径を有している。これによって、弁ニードル4と弁ボディ1との間の中間室が減少させられているので、この部分領域32に沿って同じく絞りギャップ30が配置されている。この絞りギャップ30は部分領域32に沿って弁ニードル4のストロークとは無関係に存在し続ける。
【0028】
これとは異なり、図5の左側半分に示した本発明によるインジェクタの有利な構成では、部分領域34に沿った絞りギャップの存在もしくは長さが弁ニードル4の位置に関連している。弁ニードル4が開放方向12で弁ボディ1に対して相対的に遠くに移動させられていればいるほど、より小さな直径を備えた孔33の領域36と、より大きな直径を備えた弁ニードル4の部分領域34との間の重なり35がますます小さく設定されている。弁ニードル4の、領域34,36の幅および配置に関連したストローク以降、重なり35はもはや存在しておらず、弁ボディ1と弁ニードル4との間の間隔はより大きくなるので、絞りはもはや行われない。
【0029】
図5の左側半分に示した本発明によるインジェクタのこの有利な構成は、有利には、2つのばねを備えた構成に組み合わせることができる。インジェクタの開放時には、長い方のばね7しか磁力に抗して作用しない。長い方のばね7の、(図1に示した間隔15に相応する)ある程度のプレストローク以降、両ばね6,7がインジェクタの開放に抗して作用する。しかし、ばね力は上回ることができる。なぜならば、高圧がすでにインジェクタの部分開放時に座領域31で弁ニードル4に作用しており、磁力が電磁石18,19からの各ソレノイドプランジャ16,17のより少ない間隔によってすで上昇させられているからである。インジェクタが完全に開放し、燃料噴射が行われる。閉鎖のためには、電磁石の通電が遮断される。まず、両ばね6,7が弁ピストン5に作用する。短い方のばね6が環状のディスク14でインジェクタボディ1内のストッパに到達しかつ長い方のばね7しか閉鎖方向13で弁ピストン5に作用していない場合には、すでに重なり35が有効となり、ハイドロリック力(弁座領域31における圧力減少)がインジェクタの完全な閉鎖を助成している。
【図面の簡単な説明】
【図1】
2つのソレノイド装置を備えた本発明によるインジェクタの概略図である。
【図2】
本発明による弁ニードル先端部の第1の構成を示す図である。
【図3】
電磁石とソレノイドプランジャとの間のエアギャップを関数とした磁力によるグラフである。
【図4】
絞りギャップを備えた本発明による弁ニードル先端部の第2の構成を示す図である。
【図5】
絞りギャップを備えた本発明による弁ニードル先端部の第3の構成および第4の構成を示す図である。
【符号の説明】
1 インジェクタボディ、 2 弁座、 3 噴射開口、 4 弁ニードル、 5 弁ピストン、 6 ばね、 7 ばね、 8 ばね、 9 ばね室、 10 壁、 11 ディスク、 12 開放方向、 13 閉鎖方向、 14 ディスク、 15 間隔、 16 ソレノイドプランジャ、 17 ソレノイドプランジャ、 18 電磁石、 19 電磁石、 20 ストッパ、 21 高圧管路、 22 燃料蓄え室、 23 流入通路、 24 開口、 25 電流接続部、 26 部分、 27 漏れ管路、 28 弁座面、 29 弁ニードル先端部、 30 絞りギャップ、 31 弁座領域、 32 部分領域、 33 孔、 34 部分領域、 35 重なり、 36 領域、 37 ソレノイド装置、 38 ソレノイド装置、 39 戻しばね、 d 直径、 d1 直径、 d2 直径、 h1 ストローク、 h2 ストローク
Claims (12)
- 自己着火式の内燃機関において燃料を高圧噴射するためのインジェクタであって、
a)中空のインジェクタボディ(1)が設けられており、該インジェクタボディ(1)が、その一方の端部に弁座(2)と少なくとも1つの噴射開口(3)とを有しており、
b)弁ニードル(4)が設けられており、該弁ニードル(4)が、弁ピストン(5)に延長してインジェクタボディ(1)内に配置されており、これによって、弁ニードル(4)が、閉鎖された状態で少なくとも1つの噴射開口(3)を閉鎖しており、
c)少なくとも1つのばねが設けられており、該ばねが、弁ニードル(4)を弁座(2)に押圧することによって当該インジェクタを無圧の状態で閉鎖した状態に保持している
形式のものにおいて、
当該インジェクタが、少なくとも2つのソレノイド装置(37,38)を有しており、両ソレノイド装置(37,38)が、当該インジェクタを直接開閉するために使用されることを特徴とする、インジェクタ。 - 少なくとも2つのソレノイド装置(37,38)が、それぞれ1つのソレノイドプランジャ(16,17)と電磁石(18,19)とを有している、請求項1記載のインジェクタ。
- 少なくとも1つのソレノイドプランジャ(17)が、弁ピストン(5)に不動に配置されている、請求項2記載のインジェクタ。
- 少なくとも1つのソレノイドプランジャ(17)が、弁ピストン(5)に滑動可能に配置されている、請求項2記載のインジェクタ。
- ソレノイドプランジャ(16,17)が、互いに異なるストローク(h1,h2)を有している、請求項2記載のインジェクタ。
- 当該インジェクタの中心に長手方向で高圧管路(21)が延びており、該高圧管路(21)が、燃料高圧アキュムレータから当該インジェクタ内に流入する高圧下にある燃料を当該インジェクタを通して当該インジェクタの燃料蓄え室(22)に案内するようになっている、請求項1記載のインジェクタ。
- 当該インジェクタの閉鎖時に閉鎖方向(13)で弁ピストン(5)と弁ニードル(4)とに加えられる高圧による力F1 閉が、開放方向(12)での高圧による力F2 閉よりも大きく設定されている、請求項1記載のインジェクタ。
- 当該インジェクタの閉鎖時に閉鎖方向(13)で弁ピストン(5)と弁ニードル(4)とに加えられる高圧による力F1 閉が、開放方向(12)での高圧による力F2 閉と同じ大きさに設定されている、請求項1記載のインジェクタ。
- 当該インジェクタが、2つのばね(6,7)を有しており、一方のばね(6)が、他方のばね(7)を取り囲んでおり、一方のばね(6)がより短く形成されており、該ばね(6)にプレロードがかけられており、これによって、一方のばね(6)が、長い方のばね(7)のある程度の圧縮以降初めて所定のばね力を弁ピストン(5)に閉鎖方向(13)で加えるようになっている、請求項1記載のインジェクタ。
- 弁ニードル(4)、特にその弁ニードル尖端部(29)が成形されており、これによって、当該インジェクタの部分開放時に絞りギャップ(30)が、弁ニードル(4)とインジェクタボディ(1)との間に位置している、請求項1記載のインジェクタ。
- 絞りギャップ(30)の存在、大きさおよび長さが、弁ニードル(4)の位置に関連している、請求項10記載のインジェクタ。
- 短い方のばね(6)がそのストッパに到達しかつ長い方のばね(7)しか閉鎖方向(13)で弁ピストン(5)に作用しなくなるやいなや、弁ニードル(4)とインジェクタボディ(1)との間に絞りギャップ(30)を形成するための重なり(35)が有効となる、請求項9記載のインジェクタ。
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