JP2005518498A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

内燃機関に用いられる燃料噴射弁（１０）は、ノズルボディ（２６）内に案内された弁ニードル（１５）に作用結合されたアクチュエータ（１１）と、弁ニードル（１５）に、動力が伝達されるように結合された弁閉鎖体（２７）とを有している。この弁閉鎖体（２７）は、ノズルボディ（２６）に形成された弁座面（２８）と共にシール座を形成している。弁ニードル（１５）および／または弁閉鎖体（２７）は、有利には、ノズルボディ（２６）内の案内部の領域に少なくとも１つの面研削加工部（２９）を有している。この面研削加工部（２９）は弁ニードル（１５）のかつ／または弁閉鎖体（２７）の周面に配置されている。この場合、少なくとも１つの面研削加工部（２９）と、ノズルボディ（２６）に形成された対向面（３１）との間に絞りギャップ（３２）が形成されている。この絞りギャップ（３２）の横断面は、燃料噴射弁（１０）の開放された状態でのシール座における開放横断面よりも小さく寸法設定されている。

Description

背景技術
本発明は、独立請求項の上位概念部に記載した形式の燃料噴射弁から出発する。

ドイツ連邦共和国特許第１９６４２６５３号明細書に基づき、可燃性の燃料・空気混合物を形成するための方法がすでに公知である。直接噴射式の内燃機関のシリンダ内には、ノズル開口を取り囲む弁座からの弁部材の持上りによるノズル開口の開放時にインジェクタによって、ピストンにより仕切られた各燃焼室内に燃料が噴射されることによって、可燃性の燃料・空気混合物が形成可能となる。内燃機関のあらゆる運転条件下、特に層状給気運転において、消費率およびエミッションに対して最適化された内部の混合気形成を特性マップ全体のあらゆる運転点で可能にするために、弁部材の開放ストロークと噴射時間とが可変に調整可能となる。

ドイツ連邦共和国特許第３８０８６３５号明細書に基づき、混合気圧縮型の内燃機関のシリンダ内に燃料を直接噴射するための燃料噴射装置が公知である。この公知の燃料噴射装置は、シリンダ壁にシリンダヘッドに対して間隔を置いて排気開口に向かい合って配置された燃料噴射弁と、出口開口とを有している。この場合、燃料噴射弁の噴流軸線は、シリンダヘッドに配置された点火プラグの周りの領域に向けられている。燃料噴射弁は、燃料噴流の渦流れを発生させるための螺旋状の渦流発生溝を備えたソレノイド操作式の弁ニードルを有している。燃料噴射弁はその噴流軸線で、シリンダヘッド中心に配置された点火ポイントに向けられている。

さらに、アメリカ合衆国特許第５９４１２０７号明細書に基づき、混合気圧縮型の火花点火式の内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための装置が公知である。この公知の装置では、燃料が、規定された初期角度を成して円錐形に燃焼室内に噴射される。この場合、噴射された燃料は燃焼室を円錐形に満たす。この場合、壁湿潤の効果は十分に抑圧される。比較的平らに形成されたピストンは、噴射された燃料クラウドを圧縮行程の間に球形に変形させる。この球形の混合気クラウドは二義的にしか、供給された空気と混合されず、さらなる圧縮時に点火プラグの火花ギャップに案内される。

上述した刊行物に基づき公知の、混合気圧縮型の火花点火式の内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための方法もしくは装置では、噴射された燃料を、供給された空気と混合し、可燃性の燃料・空気混合物を形成し、この燃料・空気混合物を点火のために点火プラグの火花ギャップの近くに搬送するために必要となる複雑な燃焼室ジオメトリが特に欠点となる。このような形式の燃焼室ジオメトリは、一方では、製作することが困難であり、他方では、燃焼を窒素酸化物のエミッションおよび燃料の消費率に関して最適化することができない。

さらに、たいていの事例では、点火プラグに燃料が直接燃料噴射弁によって吹き付けられるという欠点がある。これによって、点火プラグが、一方では、強い熱衝撃負荷にさらされており、他方では、煤が点火プラグ電極に堆積される。これによって、点火プラグの寿命が著しく制限される。

特にドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８２７２１９号明細書に基づき公知の燃料噴射弁には、異なる噴射角度によって燃焼室内に噴射された燃料の大部分が燃焼室の壁もしくはピストンに衝突し、そこで冷却され、したがって、高い有害物質エミッションもしくは煤形成の下でしか燃焼され得ないという欠点がある。

発明の利点
独立請求項の特徴部に記載の特徴を備えた本発明による燃料噴射弁は従来のものに比べて、内燃機関の燃焼室内に噴射される混合気クラウドに、燃料噴射弁の弁閉鎖体の適宜な成形によって、シール座の手前の適切な絞り作用により影響を与えることができ、これによって、混合気クラウドが点火プラグに噴射過程の終了時にしか到達しないという利点を有している。

この場合、弁ニードルまたは弁閉鎖体は面研削加工部を有している。この面研削加工部は燃料流れを、面研削加工部の半径方向の深さに応じて多かれ少なかれ強く絞り、これによって、燃料噴射弁を離れた混合気クラウドが弁ニードルのストローク位置に応じて、より大きなまたはより小さな開き角αを有している。

従属請求項に記載した手段によって、独立請求項に記載した燃料噴射弁の有利な改良形が可能となる。

有利には、特に面研削加工部の数が任意であり、これによって、所望の絞り作用が自由に選択可能となる。

有利には、面研削加工部の間に配置された張り出された案内面が、ノズルボディに形成された対向面と協働し、これによって、弁ニードルの案内が常時保証されている。これによって、弁ニードルのずれによる誤機能を予防することができる。

さらに、有利には、絞り作用が、窪められて配置された面研削加工部によってまたは張り出された案内リングを介して調整可能となる。

実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１には、混合気圧縮型の火花点火式の内燃機関に用いられる燃料噴射システム１の実施例が、抜粋した概略的な断面図で示してある。

燃料噴射システム１は燃焼室２を有している。この燃焼室２はシリンダ壁３と、天井斜面５を有するシリンダヘッド４と、ピストン６とによって仕切られている。点火プラグ７は、たとえば側方で燃焼室２内に突入して配置されている。本発明による燃料噴射弁１０は、燃料が、たとえば円錐形の混合気クラウド８，９の形で燃焼室２内に噴射されるように、天井斜面５の間に配置されている。

混合気クラウド８，９の化学量論に関する上述した不備ならびに点火プラグ７への燃料の直接的な吹付けの上述した不備を取り除くために、本発明によれば、燃料噴射弁１０は、内部に形成される燃料流れが異なる強さで絞られ、これによって、燃料噴射弁１０の弁ニードルのストローク位置に関連して、混合気クラウド８，９を可変の開き角αで燃焼室２内に形成することができるように設計されている。

図３Ａおよび図３Ｂならびに図４に示しかつ以下に詳しく説明するように、弁ニードルまたは弁ニードルに作用結合された弁閉鎖体は、この目的のために、少なくとも１つ、有利には複数の面研削加工部または１つの案内リングを有している。

本発明による手段によって、まず、大きな貫徹力と小さな開き角αとを有する一方の混合気クラウド８が燃焼室２内に形成され得るのに対して、燃料噴射弁１０の閉鎖動作時には短時間、より大きな開き角αを備えた混合気クラウド９が形成される。この混合気クラウド９は点火プラグ７を電極の領域で擦過し、したがって、可燃性の混合気を点火プラグ７の火花ギャップに搬送する。

この運転モードのために適した、本発明により形成された燃料噴射弁１０の実施例を図２に示しかつ以下に説明する。

図２には、本発明により形成された燃料噴射弁１０の実施例の概略的な断面図が示してある。この燃料噴射弁１０は、特に図１に示した燃料噴射システム１に使用するために適している。

この場合、燃料噴射弁１０は、直接噴射式の燃料噴射弁１０の形で形成されている。この燃料噴射弁１０は、混合気圧縮型の火花点火式の内燃機関の燃焼室２内に燃料を直接噴射するために働く。本実施例では、燃料噴射弁１０が、外向きに開放する燃料噴射弁１０である。

燃料噴射弁１０はアクチュエータ１１を有している。このアクチュエータ１１は、図示の実施例では、圧電式のアクチュエータ１１として形成されている。このアクチュエータ１１はアクチュエータハウジング１２内に安定化のためにカプセル封入されていて、端部側で流入方向で受け１３にかつ流出側で肩部１４に支持されている。この肩部１４は、２つの部分から成る弁ニードル１５に、動力が伝達されるように結合されている。

弁ニードル１５の流入側の第１の部分１６は肩部１４に支持されているのに対して、第２の部分１７は第１の部分１６の流出側にこの第１の部分１６から分離されて配置されている。弁ニードル１５の第１の部分１６は第１の戻しばね１８によって負荷される。この第１の戻しばね１８は肩部１４とシールハウジング１９との間に配置されている。弁ニードル１５の第２の部分１７は第２の戻しばね２０によって負荷される。この第２の戻しばね２０のばね力は第１の戻しばね１８のばね力よりも小さく設定されているので、弁ニードル１５の第２の部分１７は第１の部分１６に対して振動することができる。このことは、燃料噴射弁１０が圧電式のアクチュエータ１１によって急速に切り換わる場合に閉鎖運動の減衰および衝撃除去のために有利である。

さらに、燃料噴射弁１０は波形管シール部材２１を有している。この波形管シール部材２１はアクチュエータ１１を、燃料噴射弁１０を通流する燃料に対して防護している。この燃料は、本実施例では、中央の燃料供給部２２を介して供給され、燃料通路２３を通ってハウジングボディ２４内に流入する。この場合、燃料は、シールハウジング１９を通って、ハウジングボディ２４内に押し込まれたノズルボディ２６の切欠き２５内に案内される。この切欠き２５内には弁ニードル１５の第２の部分１７も配置されている。

弁ニードル１５の第２の部分１７は、弁ニードル１５と一体に形成されたかまたは動力が伝達されるように弁ニードル１５に結合された弁閉鎖体２７を有している。この弁閉鎖体２７は、ノズルボディ２６に形成された弁座面２８と共にシール座を形成している。

弁閉鎖体２７および／または弁ニードル１５の第２の部分１７には、本発明によれば、面研削加工部２９が形成されている。この面研削加工部２９は、燃料噴射弁１０を通流する燃料に絞り作用が加えられるように設けられている。本発明による手段を図３Ａ〜図３Ｂおよび図４に詳細に示しかつ以下に詳しく説明する。

燃料噴射弁１０を操作するためには、アクチュエータ１１に励起電圧が、たとえば電気的な線路（図示せず）を介して印加される。次いで、圧電式のアクチュエータ１１として形成されたアクチュエータ１１が第１の戻しばね１８のばね力に抗して伸長する。これによって、弁ニードル１５の第１の部分１６が降下方向で運動させられる。弁閉鎖体２７を備えた弁ニードル１５の第２の部分１７も同じく第２の戻しばね２０のばね力に抗して降下方向に運動させられ、これによって、弁閉鎖体２７が弁座面２８から降下し、燃料が噴射される。

アクチュエータ１１が放電されると、弁ニードル１５の第１の部分１６が第１の戻しばね１８のばね力によって降下方向と逆方向にその出発位置に戻る。これによって、弁ニードル１５の第２の部分１７も負荷軽減される。これによって、弁閉鎖体２７が再び弁座面２８に載着し、燃料噴射弁１０が閉鎖される。

図３Ａおよび図３Ｂには、図２に符号ＩＩＩで示した、本発明による燃料噴射弁１０の区分の抜粋した拡大図が、弁ニードル１５の２つの異なるストローク位置で示してある。この場合、図３Ａには、たとえば燃料噴射弁１０の開放位置に相当するストローク位置が示してあるのに対して、図３Ｂには、たとえば燃料噴射弁１０の閉鎖時の弁ニードル１５のより僅かなストローク時に生ぜしめられるストローク位置が示してある。同じ構成部材には、全ての図面において同じ符号が付してある。

すでに詳しく上述したように、弁ニードル１５の第２の部分１７は、弁ニードル１５と一体に形成された弁閉鎖体２７にまたは直接弁ニードル１５の第２の部分１７に少なくとも１つの面研削加工部２９を有している。有利には、複数の面研削加工部２９が規則的にまたは不規則的に弁閉鎖体２７の周面にわたって分配されて弁閉鎖体２７に形成されている。

面研削加工部２９は、たとえば長円形に形成されていて、案内面３０と交互に配置されている。この案内面３０は、ノズルボディ２６に形成された対向面３１に接触する。案内面３０と対向面３１とは弁ニードル１５の第２の部分１７をストローク運動の間に案内する。これによって、弁ニードル１５のずれと後続の引っ掛かりとによる燃料噴射弁１０の誤機能を予防することができる。

すでに上述したように、燃焼室２内に噴射される混合気クラウド８，９の開き角αは、噴射サイクルの終了時に、噴射サイクルの開始時の開き角α_１よりも大きい開き角α_２を備えた混合気クラウド９が形成されるように変化させることができる。これに相応して、弁閉鎖体２７に設けられた面研削加工部２９はその半径方向の延在長さにおいて、面研削加工部２９と対向面３１との間で自由になる絞りギャップ３２の幅を規定するように形成されている。この場合、燃料噴射弁１０の完全に開放された状態でのシール座における開放横断面の幅は、いずれにせよ、面研削加工部２９によって規定された絞りギャップ３２の幅よりも大きく寸法設定されているので、面研削加工部２９は前絞りとして働く。

図３Ａに示したように、弁閉鎖体２７の降下ストロークが大きい、たとえば最大位置にある場合には、絞りギャップ３２で得られた前絞り作用によって、小さな開き角α_１を備えた円錐形の混合気クラウド８を燃焼室２内に噴射することができる。

面研削加工部における狭幅のギャップに形成される流れ薄層はシール座におけるギャップよりも薄く形成されている。これによって、燃料薄層が外方への僅かな変向でシール座を通流することができる。燃料薄層は壁に対して平行にシール座領域を通流するのではなく、壁に対して斜め下向きに向けられている。これによって、円錐形の混合気クラウドが小さな開き角を有している。

弁閉鎖体２７が閉鎖位置に運動させられる場合には、より小さな励起電圧が燃料噴射弁１０のアクチュエータ１１に供給されるので、弁閉鎖体２７と弁座面２８との距離が狭められる。この距離が、面研削加工部におけるギャップよりも小さくなると、座ギャップを通る流れが強制的に壁に対して平行に流れる。これによって、円錐形の混合気クラウドの、第１の事例よりも大きな開き角が形成される。

図４には、本発明により形成された燃料噴射弁に対する第２実施例が図３Ａおよび図３Ｂと同様に示してある。

この実施例では、絞りギャップ３２の絞り機能が面研削加工部２９と無関係である。

面研削加工部２９の流出側では、弁閉鎖体２７に案内領域３３が形成されている。この案内領域３３は絞りギャップ３４を規定している。この絞りギャップ３４は弁閉鎖体２７の周面にわたって常に同じ幅に形成されている。さらに、燃料噴射弁１０の閉鎖時には、シール座による絞り作用に対する絞りギャップ３４による絞り作用の比が、シール座における絞り作用にとって有利となるようにシフトされる。これによって、燃焼室２内に噴射される混合気クラウドの拡張が同じく行われる。

絞り効果と、混合気クラウド８，９の開き角αの後続の拡張とは、たとえばアクチュエータ１１を介した２つの離散的なストローク位置の制御または燃料噴射弁１０の閉鎖動作の減速によって強化されてもよい。

本発明は、図示の実施例に限定されるものではなく、燃料噴射弁１０の任意の構造に対して、内燃機関のシリンダヘッド４への点火プラグ７と燃料噴射弁１０との異なる配置形式および弁ニードル運動のソレノイド駆動が使用可能となる。

本発明による燃料噴射弁によって燃焼室内に形成される混合気クラウドを備えた燃焼噴射システムの実施例の縦断面図である。

本発明による燃料噴射弁の実施例の部分的な断面図である。

図２に示した本発明による燃料噴射弁の実施例の噴射側の部分の第１のストローク位置の断面図である。

図２に示した本発明による燃料噴射弁の実施例の噴射側の部分の第２のストローク位置の断面図である。

本発明による燃料噴射弁の第２実施例を図３Ａおよび図３Ｂと同様に示す図である。

符号の説明

１ 燃料噴射システム、 ２ 燃焼室、 ３ シリンダ壁、 ４ シリンダヘッド、 ５ 天井斜面、 ６ ピストン、 ７ 点火プラグ、 ８，９ 混合気クラウド、 １０ 燃料噴射弁、 １１ アクチュエータ、 １２ アクチュエータハウジング、 １３ 受け、 １４ 肩部、 １５ 弁ニードル、 １６ 第１の部分、 １７ 第２の部分、 １８ 第１の戻しばね、 １９ シールハウジング、 ２０ 第２の戻しばね、 ２１ 波形管シール部材、 ２２ 燃料供給部、 ２３ 燃料通路、 ２４ ハウジングボディ、 ２５ 切欠き、 ２６ ノズルボディ、 ２７ 弁閉鎖体、 ２８ 弁座面、 ２９ 面研削加工部、 ３０ 案内面、 ３１ 対向面、 ３２ 絞りギャップ、 ３３ 案内領域、 ３４ 絞りギャップ、 α，α_１，α_２ 開き角

Claims (10)

1. 内燃機関に用いられる燃料噴射弁（１０）であって、アクチュエータ（１１）が設けられており、該アクチュエータ（１１）が、ノズルボディ（２６）に案内された弁ニードル（１５）に作用結合されており、該弁ニードル（１５）に、動力が伝達されるように結合された弁閉鎖体（２７）が設けられており、該弁閉鎖体（２７）が、ノズルボディ（２６）に形成された弁座面（２８）と共にシール座を形成している形式のものにおいて、
   弁ニードル（１５）および／または弁閉鎖体（２７）が、少なくとも１つの面研削加工部（２９）を有しており、該面研削加工部（２９）が、弁ニードル（１５）のかつ／または弁閉鎖体（２７）の周面に形成されており、少なくとも１つの面研削加工部（２９）と、ノズルボディ（２６）に形成された対向面（３１）との間に絞りギャップ（３２）が形成されており、該絞りギャップ（３２）の横断面が、当該燃料噴射弁（１０）の開放された状態でのシール座における開放横断面よりも小さく寸法設定されていることを特徴とする、燃料噴射弁。
2. 少なくとも１つの面研削加工部（２９）が、ノズルボディ（２６）内の案内部の領域に設けられている、請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 複数の面研削加工部（２９）が設けられており、該面研削加工部（２９）が、規則的なまたは不規則的な間隔を置いて周方向で弁閉鎖体（２７）に配置されている、請求項２記載の燃料噴射弁。
4. 面研削加工部（２９）の間に案内面（３０）が形成されている、請求項３記載の燃料噴射弁。
5. 案内面（３０）が、ノズルボディ（２６）に形成された対向面（３１）と協働して弁閉鎖体（２７）の案内部を形成してる、請求項４記載の燃料噴射弁。
6. 面研削加工部（２９）の絞り作用が、シール座における絞り作用を、当該燃料噴射弁（１０）の開放された状態で上回るようになっている、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. シール座における開放横断面が、当該燃料噴射弁（１０）の閉鎖時に面研削加工部（２９）の領域における絞りギャップ（３２）の横断面に徐々に近づくようになっている、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
8. 面研削加工部（２９）が、案内領域（３３）の流入側に形成されている、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. 案内領域（３３）が、弁閉鎖体（２７）と一体に形成されている、請求項８記載の燃料噴射弁。
10. 案内領域（３３）が、対向面（３１）と共にコンスタントな幅の絞りギャップ（３４）を形成している、請求項９記載の燃料噴射弁。

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