JP2005526212A - 内燃機関用の燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関用の燃料噴射弁であって、弁体（１）が設けられていて、該弁体（１）において孔（３）内に、長手方向軸線（１５）を有する弁ニードル（５）が長手方向摺動可能に配置されており、弁体（１）の孔（３）の燃焼室側の端部に円錐形の弁座（１１）が配置されていて、弁ニードル（５）の１区分と孔（３）の壁との間に、燃料によって充てん可能な圧力室（１９）が形成されており、該圧力室（１９）が弁座（１１）にまで達しており、さらに弁ニードル（５）に弁シール面（７）が形成されていて、該弁シール面（７）が、弁座（１１）から延びている少なくとも１つの噴射開口を制御するために弁座（１１）と共働し、また弁シール面（７）に、弁ニードル（５）の半径方向平面を延びるリング溝（３５）が形成されていて、該リング溝（３５）の下流側の縁部がシール縁（３８）として形成されている形式のものにおいて、リング溝（３５）が常に圧力室（１９）と液圧的に接続されていることを特徴とする、内燃機関用の燃料噴射弁である。

Description

本発明は、国際公開第９６／１９６６１号パンフレットに基づいて公知の内燃機関用の燃料噴射弁に関する。

このような燃料噴射弁では、孔内に弁ニードルが長手方向摺動可能に配置されており、孔の燃焼室側の端部に円錐形の弁座が配置されている。弁ニードルは燃焼室とは反対側の区分で、孔内において案内されており、弁ニードルの、燃焼室に向けられた区分と、孔の壁との間には圧力室が形成されていて、この圧力室は高圧下の燃料によって充てん可能である。圧力室はこの場合弁座にまで達しており、この弁座は円錐形に形成されていて、該弁座には少なくとも１つの噴射開口が形成されている。弁ニードルは、弁座に向けられた端部に、ほぼ円錐形の弁シール面を有しており、その結果弁シール面が弁座から持ち上がった場合には、燃料が圧力室から弁座と弁シール面との間を通って、噴射開口に流れることができる。弁ニードルは閉鎖力によって負荷され、この閉鎖力は弁シール面を弁座に押し付け、そして別の力が作用しない場合でも、噴射開口を通って燃料が噴射されることを阻止する。

弁シール面には第１の円錐面が形成されており、その開放角は、円錐形の弁座の開放角よりも小さい。燃料の流れ方向で見て第１の円錐面の下流側には、弁シール面に別の円錐面が形成されており、この別の円錐面の開放角は弁座の開放角よりも大きい。弁シール面の両円錐面の間にはリング溝が形成されており、このリング溝は弁ニードルの半径方向平面を延びていて、両円錐面に隣接している。

内燃機関の燃焼室への燃料噴射のために、噴射弁の圧力室には高圧下の燃料が導入される。これによって、弁ニードルにおける受圧面と弁シール面の一部とに対して、閉鎖力とは逆向きに作用する液圧力が生ぜしめられる。閉鎖力が減じられると、液圧力は弁ニードルを弁座から離反運動させ、その結果燃料は噴射開口へと流れることができる。弁ニードルの開放時には、弁ニードルの全横断面に対して、圧力室における燃料圧による液圧力が作用している。この力を克服するために、閉鎖力は相応に高くなくてはならない。それというのは、今日の燃料噴射系では、迅速に次々と正確に調量された噴射を可能にするために、燃料噴射弁の短い閉鎖時間が求められているからである。弁ニードルが再び弁座に接触するやいなや、弁シール面の一部に作用する液圧力は消滅し、その結果いまや、弁ニードルに作用する液圧力に比べて著しく大きな閉鎖力が生ぜしめられる。すなわち弁ニードルは大きな力で弁座に押し付けられ、このことは、時間の経過と共に当該箇所において大きな摩耗を惹起し、ひいては燃料噴射弁の耐用寿命を著しく低下させることになる。

特に、２００ＭＰａに達するほどの圧力で作動する最近の燃料噴射系では、しばらくする間に、材料の負荷限界に達してしまう。

発明の利点
請求項１の特徴部に記載のように構成された本発明による燃料噴射弁は、公知のものに比べて次のような利点、すなわち弁座における摩耗が減じられるという利点を有している。そのために弁ニードルの閉鎖位置において、弁シール面の一部が液圧力によって負荷され、その結果弁ニードルに作用する力全体は該弁ニードルの閉鎖位置において減じられる。第１の円錐面と第２の円錐面との間におけるリング溝によって、弁ニードルは圧力室と液圧的に接続されており、その結果このリング溝には常に、圧力室におけるのと同じ燃料圧が存在している。弁ニードルの閉鎖時には、従って液圧によって負荷される弁ニードルの面積が増大し、閉鎖力に抗して作用する反力が高められ、その結果弁座の領域における面圧が減じられ、それと同時に良好なシール特性が得られる。

本発明による燃料噴射弁の別の有利な構成では、リング溝が、弁ニードル内を延びる少なくとも１つの接続孔によって圧力室と接続されている。このような接続孔は、種々様々な方法によって、簡単に弁ニードルに、有利には弁ニードルの焼き入れ硬化の前に、形成することができる。また別の利点としては、弁ニードルのその他の外側形状及び弁ニードルの機械的な安定性が事実上変えられずにそのままである、ということが挙げられる。接続孔を横孔として形成することは、横孔が開口する表面に対する角度を大きくとれることに基づいて、穿孔技術的に有利である。さらに、横孔の直径はリング溝の幅に到るまで拡大することができる。

本発明の別の有利な構成では、リング溝と圧力室との液圧的な接続が、第１の円錐面に形成された少なくとも１つの切欠きによって生ぜしめられている。このような切欠きは、焼き入れ硬化の後でも、外側から容易に弁ニードルに形成することが可能である。

本発明の別の有利な構成では、第２の円錐面と弁座との間における角度差が、第１の円錐面と弁座との間における角度差よりも小さくなっている。このように構成されていると、弁座における面圧を最適に分配することができ、ひいては摩耗を減じることが可能である。

本発明のさらに別の有利な構成では、弁ニードルの閉鎖運動時に、まず初め、第２の円錐面へのリング溝の移行部に形成されたシール縁が、弁座に接触するようになっている。第２の円錐面を、ひいては開放時に液圧的に有効な弁ニードルにおける座直径を、シャープに制限することによって、正確に規定された開放特性が得られ、その結果、内燃機関の燃焼室内への正確に規定された燃料噴射が可能になる。

図面
次に図面を参照しながら、本発明による燃料噴射弁の種々異なった実施例を説明する。

図１は、燃料噴射弁の主要部分を示す縦断面図であり、
図２は、弁ニードルがまさに弁座に接触した瞬間における位置で、図１の弁座の領域を拡大して、弁ニードルの第１実施例を示す図であり、
図３は、弁ニードルが閉鎖位置を占めている場合を示す、図２同様の弁座の領域を拡大して示す図であり、
図４は、図２と同様に弁座の領域を拡大して、弁ニードルの第２実施例を示す図であり、
図５は、図２と同様に弁座の領域を拡大して、弁ニードルのさらに別の実施例を示す図であり、
図６は、図５に示された弁ニードルを図５のＶＩ−ＶＩ線に沿って断面して示す図である。

実施例の記載
図１には、本発明による燃料噴射弁が縦断面図で示されている。弁体１内には孔３が形成されており、この孔３はその燃焼室側の端部において、円錐形の弁座１１によって閉鎖される。弁座１１には下流側に盲孔２１が続いており、この盲孔２１からは噴射開口９が延びており、これらの噴射開口９は盲孔２１を内燃機関の燃焼室と接続している。孔内にはピストン状の弁ニードル５が長手方向摺動可能に配置されており、この弁ニードル５は案内領域１０５で孔３の案内区分１０３においてシールされて案内されている。弁ニードル５の案内領域１０５を起点として弁ニードル５は、受圧肩部１３を形成しながら弁座１１に向かって先細になっていて、シャフト２０５に移行しており、このシャフト２０５は案内領域１０５に比べて小さな直径を有している。シャフト２０５に直に隣接している、弁ニードル５の燃料室側の端部は、ほぼ円錐形の弁シール面７によって形成され、この弁シール面７は弁座１１と共働し、この弁シール面７の形状及び機能については以下において詳しく述べる。シャフト２０５と孔３の壁との間には、リング通路状の圧力室１９が形成されており、この圧力室１９は受圧肩部１３の高さで半径方向において拡大されている。圧力室１９は、弁体１内を延びる供給通路２５を介して高圧下の燃料で満たすことができ、この場合供給通路２５は圧力室１９の半径方向拡大部に開口している。

弁ニードル５は燃焼室とは反対側の端部において、閉鎖力によって負荷され、この閉鎖力は、図示されていない装置によって生ぜしめられる。ばねエレメントを用いて閉鎖力を生ぜしめる装置や、閉鎖力を液圧式に生ぜしめる装置が公知である。この閉鎖力によって弁ニードル５の弁シール面７は弁座１１に押し付けられ、その結果、弁座１１に形成されていて弁座１１を内燃機関の燃焼室と接続している噴射開口９は、圧力室１９から切り離される。噴射系に応じて圧力室１９内には常に高い燃料圧が存在するか、又は燃料噴射を行いたい場合にだけ高い燃料圧が存在し、この高い燃料圧は使用される系に応じて例えば１００〜２００ＭＰａである。弁ニードル５を運動させるためには、圧力室１９内における圧力を上昇させるか又は、弁ニードル５に作用する閉鎖力を低下させることができる。いずれに場合でも、受圧肩部１３及び弁シール面７の部分に作用する液圧力は、弁ニードル５に作用する閉鎖力よりも大きくなくてはならない。前記液圧力が閉鎖力を上回ると、弁ニードル５は弁座１１から離反運動し、その結果燃料は圧力室１９から弁シール面７と弁座１１との間を通って噴射開口９に流れることができる。閉鎖力の上昇もしくは圧力室１９への燃料供給の中断によって、弁ニードル５における力関係は再び逆転し、その結果弁ニードル５はその閉鎖位置へと再び戻り、そして弁ニードル５の弁シール面７は弁座１１と接触する。

図２には、図１のＩＩで示された区分の領域、つまり弁座１１の領域が拡大して示されている。弁ニードル５の弁シール面７は第１の円錐面３０を有しており、この円錐面３０はシャフト２０５に直に隣接している。図示の実施例では第１の円錐面３０は、円錐形の弁座１１の開放角よりも小さな開放角を有しており、その結果第１の円錐面３０と弁座１１との間には、角度差δ１が形成されている。噴射開口９に向かう燃料流の下流側において、第１の円錐面３０にはリング溝３５が接続しており、このリング溝３５は弁ニードル５をその全周にわたって取り巻いていて、弁ニードル５の長手方向軸線１５の半径方向平面において延びている。リング溝３５には下流側に第２の円錐面３２が接続しており、この第２の円錐面３２は弁ニードル５の端部をも形成している。第２の円錐面３２の開放角は弁座１１の開放角よりも大きいので、両方の面の間には角度差δ２が形成されている。両方の円錐形の面３０，３２とリング溝３５とは弁シール面７に次のように、すなわち第１の円錐面３０及び第２の円錐面３２の仮想の延長部の円形の交線がリング溝３５の高さに位置するように、配置されている。リング溝３５が弁ニードル５の製造プロセスの終了時に弁シール面７に形成されることに基づいて、第１の円錐面３０への制限ラインを形成するリング溝３５の上縁部３７と、第２の円錐面３２への制限ラインを形成するシール縁３８とが、正確に長手方向軸線１５の半径方向平面において延びることになる。弁ニードル５内を延びている少なくとも２つの接続孔４０を介して、リング溝３５は圧力室１９と接続されている。接続孔４０はこの場合有利には弁ニードル５の全周にわたって均一に分配配置されている。これによって、弁座１１に対する弁ニードル５の位置とは無関係に、リング溝３５は少なくともほぼ常に圧力室１９と同じ燃料圧を有することが保証される。

第１の円錐面３０、第２の円錐面３２、弁座１１及びリング溝３５の開放角によって、弁ニードル５はその燃焼室側の端部において次のように形成されている。すなわち弁ニードル５の閉鎖運動時にまず初めは、シール縁３８が弁座１１に接触し、次いでさらなる閉鎖運動の途中で初めて、下流側に位置するリング溝３５の制限縁が、弁座１１に接触する。図２には弁ニードル５がまさにこの位置で示されており、つまりシール縁３８が弁座１１に接触する瞬間で示されている。弁ニードル５及び弁座１１の弾性変形がないと仮定すると、弁ニードル５はこの位置において不動になる。しかしながら弁ニードル５に対しては高い閉鎖力が作用するので、弁ニードル５の弁シール面７及び弁座１１は変形する。これによって生じる弁ニードル５の形状及び位置は、図３に示されている。シール縁３８の領域においては、弁ニードル５が弁座１１に面状に接触し、弁シール面７における高い面圧が生ぜしめられ、その結果シール縁３８の領域においては如何なる場合でもシール作用が得られることになる。

シール縁３８の領域における変形によって、また、内燃機関の長い運転時における弁座１１への弁ニードル５の衝突によって、リング溝３５の上縁部３７もまた弁座１１に接触する。これによって弁座１１における弁ニードル５の接触面が増大し、これによってシール縁３８の領域における面圧が低下する。それというのは、そこではもはや、閉鎖力全体が弁座１１に対して作用しないからである。

図４には、本発明による燃料噴射弁の別の実施例が示されており、この場合図２におけると同じ区分が選択されている。この実施例では、接続孔４０の代わりに、第１の円錐面３０に少なくとも２つの接続溝４２が形成されており、これらの接続溝４２によってリング溝３５は液圧的に圧力室１９と接続されている。接続溝４２はこの場合有利には弁ニードル５の全周にわたって均一に分配配置されていて、十分の数ｍｍの深さを有している。

図５に示された別の実施例では、リング溝３５は、図２及び図３に示された実施例におけるように、接続孔を介して圧力室と接続しているが、しかしながら接続孔はこの実施例では横孔４４として形成されている。横孔４４はリング溝３５から延びていて、弁ニードル５を横切ってシャフト２０５まで通じている。このような横孔４４は、図２に示されているような接続孔４０に比べて簡単に製造することができる。それというのは、図５の実施例では横孔４４の両端部において弁ニードル５の表面に対して大きな角度が存在するからである。図６には、図５に示された噴射弁がＶＩ−ＶＩ線に沿って断面された横断面図が示されている。リング溝３５は複数の横孔４４を介して圧力室と接続されており、この場合横孔４４は、図５のＶＩ−ＶＩ線で示された平面への投影図で見て、互いに平行に位置している。しかしながらこの場合横孔４４は、シャフト２０５の表面における横孔４４の開口部とリング溝３５における開口部とが、可能な限り離れて反対側に位置していて、しかも横孔４４が互いに交差することのないように、方向付けられている。また横孔４４の直径はリング溝３５の幅に相当していても、又はリング溝３５の幅よりも小さな幅を有していてもよい。

特に自己着火式の高速回転する内燃機関において使用される今日の燃料噴射系には、効果及び有害物質の放出に関して高い要求が課せられている。すなわち一方では、今日の燃料噴射系では２００ＭＰａにも達する極めて高圧で、噴射がなされることが望まれている。また他方では弁ニードル５の極めて短い切換え時間が必要であり、これによって迅速に連続する噴射が可能になり、特に１回の噴射サイクル内において前噴射と後噴射とを実現することが可能になる。例えば１５０ＭＰａの圧力で作動する乗用車用の典型的な燃料噴射弁は、案内領域１０５において約４ｍｍのニードル直径を有している。従って弁座１１からの弁ニードル５の上昇時に、約１９００Ｎの力が開放された弁ニードル５に対して作用する。特に、圧力室１９内に常に存在する高圧によって作動する系では、この力は、弁ニードル５の迅速な閉鎖を可能にするために、１９００Ｎよりも著しく大きな閉鎖力によって相殺されねばならない。弁ニードル５の弁シール面７が弁座１１に接触するや否や、シール縁３８の下流側に位置している弁シール面７の領域は、もはや圧力室１９における燃料圧によって負荷されなくなる。これによって、閉鎖力に抗して弁ニードル５に作用する液圧による開放力の一部がなくなり、その結果弁ニードル５は今や極めて大きな力で弁座１１に押し付けられる。燃料噴射弁の全耐用寿命にわたって、この大きな閉鎖力と弁座における相応に大きな面圧とは、摩耗を促進することになり、ひいては燃料噴射弁の早期の故障を惹起するおそれがある。閉鎖力とは逆方向に作用する液圧力を高めるためには、シール縁３８をさらに下流側にずらすことが可能であり、その結果圧力室１９内における圧力によって負荷される弁シール面７の部分面、図示の実施例では主として第１の円錐面３０が増大させられる。また、弁ニードル５を燃焼室における相応に高い圧力の場合でも個々の噴射動作の間においていずれにせよ閉鎖状態に保つためには、閉鎖力は所定の最小値を有することが必要である。本発明による燃料噴射弁では、この問題を解決するために、弁シール面７における付加的なリング溝が圧力室１９内における圧力にさらされており、これによって弁ニードル５に作用する合力が減じられるようになっている。同時に、シール縁３８と上縁部３７の領域とに弁ニードル５が接触することによって、シール縁３８の領域における面圧は、物質限界値に達しない程度に低く保たれる。

燃料噴射弁の主要部分を示す縦断面図である。 弁ニードルがまさに弁座に接触した瞬間における位置で、図１の弁座の領域を拡大して、弁ニードルの第１実施例を示す図である。 弁ニードルが閉鎖位置を占めている場合を示す、図２同様の弁座の領域を拡大して示す図である。 図２と同様に弁座の領域を拡大して、弁ニードルの第２実施例を示す図である。 図２と同様に弁座の領域を拡大して、弁ニードルのさらに別の実施例を示す図である。 図５に示された弁ニードルを図５のＶＩ−ＶＩ線に沿って断面して示す図である。

Claims (12)

1. 内燃機関用の燃料噴射弁であって、弁体（１）が設けられていて、該弁体（１）において孔（３）内に、長手方向軸線（１５）を有する弁ニードル（５）が長手方向摺動可能に配置されており、弁体（１）の孔（３）の燃焼室側の端部に円錐形の弁座（１１）が配置されていて、弁ニードル（５）の１区分と孔（３）の壁との間に、燃料によって充てん可能な圧力室（１９）が形成されており、該圧力室（１９）が弁座（１１）にまで達しており、さらに弁ニードル（５）に弁シール面（７）が形成されていて、該弁シール面（７）が、弁座（１１）から延びている少なくとも１つの噴射開口を制御するために弁座（１１）と共働し、また弁シール面（７）に、弁ニードル（５）の半径方向平面を延びるリング溝（３５）が形成されていて、該リング溝（３５）の下流側の縁部がシール縁（３８）として形成されている形式のものにおいて、リング溝（３５）が常に圧力室（１９）と液圧的に接続されていることを特徴とする、内燃機関用の燃料噴射弁。
2. 弁シール面（７）が第１の円錐面（３０）と、該第１の円錐面（３０）の下流側に配置された第２の円錐面（３２）とを有しており、両円錐面（３０，３２）の間にリング溝（３５）が延在している、請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 第１の円錐面（３０）の開放角が、円錐形の弁座（１１）の開放角よりも小さく、第２の円錐面（３２）の開放角が、円錐形の弁座（１１）の開放角よりも大きい、請求項２記載の燃料噴射弁。
4. リング溝（３５）が第１の円錐面（３０）と第２の円錐面（３２）とに隣接している、請求項２又は３記載の燃料噴射弁。
5. 第２の円錐面（３２）と弁座（１１）との間における角度差（δ２）が、第１の円錐面（３０）と弁座（１１）との間における角度差（δ１）よりも小さい、請求項３記載の燃料噴射弁。
6. 弁座（１１）に向かっての弁ニードル（５）の閉鎖運動時に、まず初め、第２の円錐面（３２）が弁座（１１）に接触し、弁ニードル（５）及び弁体（１）もしくはそのいずれか一方の変形によって初めて、第１の円錐面（３０）が弁座（１１）に接触する、請求項２記載の燃料噴射弁。
7. リング溝（３５）と圧力室（１９）との間における液圧的な接続が、弁ニードル（５）内を延びる少なくとも１つの接続孔（４０）によって生ぜしめられる、請求項１記載の燃料噴射弁。
8. 接続孔（４０）が横孔（４４）として形成されている、請求項７記載の燃料噴射弁。
9. 接続孔（４０）がリング溝（３５）を弁ニードル（５）のシャフト（２０５）と接続している、請求項７又は８記載の燃料噴射弁。
10. リング溝（３５）と圧力室（１９）との間における液圧的な接続が、第１の円錐面（３０）に形成された少なくとも１つの切欠き（４２）によって生ぜしめられる、請求項２記載の燃料噴射弁。
11. 弁ニードル（５）の閉鎖運動時に、まず初め、第２の円錐面（３２）へのリング溝（３５）の移行部に形成されたシール縁（３８）が、弁座（１１）に接触する、請求項３記載の燃料噴射弁。
12. 圧力室（１９）における燃料が、少なくとも時々、１００ＭＰａを上回る圧力を有する、請求項１記載の燃料噴射弁。

Images