JP2007505255A - 可変のアクチュエータストローク変換比を備えた燃料インジェクタ - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための燃料インジェクタ（１）に関する。当該燃料インジェクタ（１）は、ピエゾアクチュエータ（８）を介して直接に操作可能な噴射弁部材（９）を有している。該噴射弁部材（９）は当該燃料インジェクタ（１）のノズルボディ（３）内に収容されていて、ばねエレメント（１５）を介して閉鎖位置へ作動可能である。ピエゾアクチュエータ（８）と噴射弁部材（９）との間には、ピエゾアクチュエータ（８）により加えられ得る力を噴射弁部材（９）の開放力経過に適合させるために、ハイドロリック式のストローク変換機構（１２，１４）が設けられている。

Description

技術分野
内燃機関に燃料を供給するためには、多数の燃料インジェクタを有する燃料噴射システムが使用される。自己着火式の内燃機関の場合、現在では高圧アキュムレータ型燃料噴射システムが使用される。燃料高圧アキュムレータ（コモンレール）を介してそれぞれ燃料供給され得る燃料インジェクタは電磁弁またはピエゾアクチュエータを介して制御される。ピエゾアクチュエータとして設計されている操作エレメントを備えた燃料インジェクタでは、ピエゾアクチュエータに印加される電圧を変化させることにより、ニ―ドル形に形成された噴射弁部材を直接に制御することができる。ピエゾアクチュエータが通電されると、ピエゾ結晶スタックが伸長を受け、伸長されたピエゾ結晶スタックは通電の消滅時に再び収縮する。

背景技術
ピエゾアクチュエータを介して操作される燃料インジェクタでは、ピエゾアクチュエータの結晶スタックが通電時に伸長を受ける。通電の度合いに応じて、ピエゾアクチュエータのピエゾ結晶スタックは種々異なる伸長分だけ伸長される。それに対して、通電が消滅すると、ピエゾ結晶スタックは再び元の長さに戻る。種々異なる電流レベルでピエゾアクチュエータのピエゾ結晶スタックを通電することにより得られる、ノズルニードルとして形成されていてよい噴射弁部材の中間位置は十分に安定しているとは云えないことが判った。

したがって、直接に制御される噴射弁部材を備えた燃料インジェクタにおいてピエゾアクチュエータが使用されると、完全に開放された位置と完全に閉鎖された位置との間での噴射弁部材の所要の中間位置が十分に安定して保持され得なくなる恐れがある。このことは、噴射弁部材の中間位置において自己着火式の内燃機関の燃焼室内に噴射された燃料量の著しいばらつきを伴う恐れがある。

直接的なニードル制御を行う燃料インジェクタにおいてピエゾアクチュエータを介して噴射弁部材を開放するためには、まず大きな力が克服されなければならない。ノズルニードル形に形成された噴射弁部材は通常、系圧によって、つまり高圧アキュムレータ型噴射システムの場合にはレール圧によって、対応するシートに押圧される。この力は数１００Ｎの範囲にあってよい。完全に開放された噴射弁部材の場合に燃料インジェクタにより十分な燃料流を提供し得るようにするためには、数１００μｍ、たとえば２００〜３００μｍのオーダの噴射弁部材のストロークが実現され得なければならない。数１００Ｎの範囲にあってよい最大開放力Ｆ_ｍａｘの大きさ、たとえば４００Ｎならびに２００〜３００μｍのオーダの噴射弁部材の最大ストローク距離は実質的に、燃料インジェクタを直接に操作するピエゾアクチュエータの構成サイズを決定する。

たとえばハイドロリック的に作用する変換部の実現により、たしかにピエゾアクチュエータの長さ／直径比を変えることができるが、しかしピエゾアクチュエータの容積は、最大に克服されなければならない開放力Ｆ_ｍａｘならびにニードル形に形成可能な噴射弁部材の、実現され得る最大ストローク距離により固定設定されている。

発明の開示
本発明により提案された解決手段により、ピエゾアクチュエータにより提供された力は、たとえば２段式に形成されたストローク変換比、つまりストローク拡大比を介して開放力経過もしくは開放力曲線に、つまり噴射弁部材の座着力に適合される。本発明により提案された、開放力経過へのこのような適合に基づき、ノズルニードル形に形成可能な噴射弁部材が系圧によって負荷されている状態でこの噴射弁部材を開放するためには、噴射弁部材を座着位置から引き出すことのできる大きな力が提供されている。引き続き、ニードル形に形成された噴射弁部材の完全な開放を生ぜしめるためには、ピエゾアクチュエータの規定のストローク距離が越えられた後にストローク変換比もしくはストローク拡大比が切り換えられる。

さらに、ピエゾアクチュエータにより提供される力の、本発明により提案された多段式の変換に基づき、噴射弁部材の安定した中間ストロークストッパを実現することができるので有利である。噴射弁部材の閉鎖位置を規定するストッパと、噴射弁部材の開放位置を規定するストッパとの間での噴射弁部材の中間ストローク位置、つまり噴射弁部材のバリスティック（ballistisch）な位置（弾道位置）の維持は、自己着火式の内燃機関の燃焼室内に噴射されるべき小さな燃料容量を実現するために特に重要であるとみなすことができる。ピエゾアクチュエータにより提供される力の２段式または多段式に形成された変換の、本発明により提案された解決手段により、燃料インジェクタの噴射弁部材のバリスティックな中間ストローク位置は信頼性良く到達されかつ安定的に維持され得るようになる。

図面
以下に、本発明を図面につき詳しく説明する。

図１は、噴射弁部材およびプリストロークスリーブ内部でカップリングされたストローク変換ピストンの直接的な制御を行う燃料インジェクタを示す断面図であり、
細部Ｘ（図１．１）は、図１に示したストローク変換ピストンに形成された接続孔を示す、図１のＸで示した範囲の拡大図であり
（図１．２）は、噴射弁部材の燃焼室側のシートを示す概略図であり、
図２は、図１に示したプリストロークスリーブを取り囲む、半径方向の組付け公差を補償するための別のスリーブを示す断面図であり、
図３は、両ストローク変換ピストンのうちの一方のストローク変換ピストンの変えられた支持位置を有する別の実施例を示す断面図であり、
図４は、ピエゾアクチュエータの、段階ストローク変換により達成可能な力およびストロークを、段階ストローク.変換なしの操作システムと対比させて示す曲線図である。

実施例
図１には、噴射弁の直接的な制御と、ピエゾアクチュエータのストローク距離の可変のストローク変換比とを有する、本発明により提案された燃料インジェクタの縦断面図が図示されている。

燃料インジェクタ１はインジェクタボディ２を有している。このインジェクタボディ２は保持体とも呼ばれる。燃料インジェクタ１のインジェクタボディ２は螺合部５で締付けナット４を介してノズルボディ３に結合されている。インジェクタボディ２は高圧接続部６を有しており、インジェクタボディ２内に形成された中空室７はこの高圧接続部６を介して系圧で、つまりたとえば高圧アキュムレータ（コモンレール）内に形成されている燃料圧レベルで負荷されている。インジェクタボディ２の中空室７からはノズル室流入路１１が導出されていて、このノズル室流入路１１はノズルボディ３内に形成されたノズル室１０に通じている。このノズル室１０はニードル形に形成された噴射弁部材９を取り囲んでいる。同じく系圧で負荷されているノズル室１０の範囲では、ニードル形に形成可能な噴射弁部材９に受圧段部が形成されている。ノズル室１０内に形成された系圧によって、ニードル形に形成された噴射弁部材９は開放方向へ負荷される。

インジェクタボディ２の中空室７内には、ピエゾアクチュエータ８が収容されている。このピエゾアクチュエータ８は図１には概略的にしか描かれていないが、上下に積層された多数のピエゾ結晶を有している。これらのピエゾ結晶はピエゾアクチュエータ８の通電時に伸長を受ける。これにより、ピエゾアクチュエータ８はインジェクタボディ２の中空室７の内部で鉛直方向に伸長し、これによって噴射弁部材９を操作するために必要となる力を提供する。それに対して、ピエゾアクチュエータ８の通電が遮断されると、鉛直方向で上下に配置された個々のピエゾ結晶は再び元の長さ（鉛直方向で見て）に復元するので、ピエゾアクチュエータ８は全体的に見て再び、通電されていない状態における元の長さに戻る。

ディスク形に形成されたストッパ１８は、内側のばねエレメント１６をも外側のばねエレメント１７をも負荷している。両ばねエレメント１６，１７は、たとえばコイルばねとして形成されていてよい。内側のばねエレメント１６はプリストロークスリーブ１３の一方の端面に支持されており、外側のばねエレメント１７はインジェクタボディ２に設けられた面に支持されており、インジェクタボディ２自体はプリストロークスリーブ１３を取り囲んでいる。インジェクタボディ２の、ピエゾアクチュエータ８とは反対の側の端面も、プリストロークスリーブ１３の、ピエゾアクチュエータ８とは反対の側の端面も、同一の分離継ぎ目に沿ってノズルボディ３の上側の平坦面に接触している。

ニードル形に形成可能な噴射弁部材９はさしあたり制御室ばねエレメント１５を介してノズルシート内に押し込まれており、その結果、噴射弁部材９は図１および図１．１には図示されていない複数の噴射開口を閉鎖している。これらの噴射開口を介して自己着火式の内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射することができる。

ノズルボディ３の中空室内に収容されたばねエレメント２１のばね力は、制御室ばねエレメント１５のばね力を上回っている。それと同時に、プリストロークスリーブ１３は内側のばねエレメント１６によってノズルボディ３の上側の端面に押圧される。この位置はプリストロークスリーブ１３の起点位置を成す。

この状態で、ピエゾアクチュエータ８が通電されている、つまりピエゾアクチュエータ８のピエゾ結晶が電圧を印加されており、その結果、ピエゾアクチュエータ８が鉛直方向に伸長されているものと仮定する。

ピエゾアクチュエータ８に印加される電圧が減少されればされるほど、制御室２０内の圧力はますます低下してゆく。

ただし
ｐ_ＣＲ＝系圧
ｄ_Ｎ＝噴射弁部材９の直径
ｄ_Ｓ＝シート直径
に基づき規定されている。

ニードル形に形成可能な噴射弁部材９に作用するばね力は、分かり易くするという理由から無視した。

ｉ_１＝ｄ_Ａ ^２／ｄ_Ｎ ^２
の小さなストローク変換比（またはパラメータの選択に応じて小さなストローク減速比）しか生ぜしめられないことを意味している。

噴射弁部材９のノズルシートの範囲への圧力侵入およびこれにより生ぜしめられる開放力に基づき、ピエゾアクチュエータ８はニードル形に形成された噴射弁部材９の運動をコントロールすることができる。

ｉ_２＝ｄ_Ｖ ^２／ｄ_Ｎ ^２
ただし
ｄ_Ｖ＝プリストロークスリーブ１３の直径、
ｄ_Ｎ＝噴射弁部材９の直径
に変化する。

第２のストローク変換比ｉ_２はストローク変換比ｉ_１よりも大きく設定されている。ニードル形に形成された噴射弁部材９をさらに開放するためには、ピエゾアクチュエータ８に印加される電圧がさしあたり一層強力に減じられなければならない。なぜならば、ピエゾアクチュエータ８が、「ｄ_Ｖ」で示された直径を有するプリストロークスリーブ１３を制御室２０から引き出すからである。ニードル形の噴射弁部材９をさらに開放するためには、ピエゾアクチュエータ８に印加される電圧がさしあたり一層強力に減じられなければならない。なぜならば、ピエゾアクチュエータ８が、直径ｄ_Ｖを有するプリストロークスリーブ１３を制御室２０から引き出し、かつ制御室２０内の圧力が系圧、つまりレール圧よりも低いからである。しかし、ニードル形に形成可能な噴射弁部材９を完全に開放するためには、ピエゾアクチュエータ８の一層小さなストロークしか必要とならない。なぜならば、この場合にはストローク変換比ｉ_２を大きく設定することができるからである。それに対して、自己着火式の内燃機関の燃焼室内に小さな噴射量しか導入したくない場合には、ニードル形に形成可能な噴射弁部材９を閉鎖するために電圧が再び増大されるまで、ニードル形に形成可能な噴射弁部材９がプリストロークストッパに留まることが有利である。

図１．２に概略的に図示されているように、ニードル形に形成可能な噴射弁部材９のシート範囲はノズルボディ３の燃焼室側の端部でシート直径ｄ_Ｓを有している。

図２には、本発明により提案された可変のアクチュエータストローク変換の択一的な実施例が図示されている。

図２に示した実施例では、プリストロークスリーブ１３が別のスリーブ２４によって取り囲まれている。インジェクタボディ２もプリストロークスリーブ１３ならびに別のスリーブ２４も、ノズルボディ３の上側の平坦面に支持されている。図２に示した実施例では、半径方向に延びる組付け公差を補償することができる。ノズルボディ３とインジェクタボディ２とを互いに結合する締付けナット４は、図２には図示されていない。

図１に示した実施例では、外側のばねエレメント１７が直接にインジェクタボディ２に支持されているのに対して、図２に示した実施例では、外側のばねエレメント１７が別のスリーブ２４に支持されていて、このスリーブ２４をノズルボディ３の上側の平坦面に当て付けている。

図１に示した実施例と同様に、制御室２０内には制御室ばねエレメント１５が設けられており、この制御室ばねエレメント１５はニードル形に形成可能な噴射弁部材９を負荷している。

図３には、可変のアクチュエータストローク変換のための装置のさらに別の実施例が図示されている。

図１および図２に示した実施例では、第２のピストン１４のピストン端面１９もしくはつば２６がノズルボディ３に支持されているのに対して、図３に示した実施例では、第２のピストン１４が噴射弁部材９に支持されていてもよい。このためには、つば２６の下方にピン形の突出部が設けられており、この突出部はニードル形に形成された噴射弁部材９の上側の端面に接触している。つば２６は、プリストロークスリーブ１３の下側の端面に向かい合って位置する上側の載置面２７と、ニードル形に形成された噴射弁部材９に向けられた下側の当付け面２８とを有している。図３に示した実施例においても、プリストロークスリーブ１３は内側のばねエレメント１６によって負荷されている。

図４には、段階ストローク変換により達成可能なアクチュエータ力およびアクチュエータストロークが、段階ストローク変換なしのシステムのアクチュエータ力およびアクチュエータストロークと対比して示されている。

「Ｆ_ｍａｘ」によって、ピエゾアクチュエータ８によって最大に加えられ得る力が示されており、この力はノズル形に形成された噴射弁部材９をノズルシートから持ち上げるために必要となる。図４に示した、段階ストローク変換を有するピエゾアクチュエータ８の力−ストローク曲線３３から判るように、ピエゾアクチュエータ８によって加えられ得る力は間隔ｈ_ｖの達成時にまで最大力Ｆ_ｍａｘの１／４にまで減少する。この場合、間隔ｈ_ｖの達成時にまでストローク変換比ｉ_１が生ぜしめられる。図４からさらに判るように、規定された間隔ｈ_ｖの達成後に、噴射弁部材９の最大開放位置にまで、つまり位置ｈ_ｍａｘにまで、ピエゾアクチュエータ８によって極めて小さなアクチュエータ力が加えられるだけでよい。ピエゾアクチュエータ８によって加えられるべき力の経過は逓減的（デグレッシブ）である。符号３３によって、本発明による提案に従う、段階ストロ―ク変換を有するピエゾアクチュエータ８の力−ストロ―ク特性曲線が示されている。

図４においてＦ_ｍａｘとｈ_ｍａｘと０との間を結ぶ三角形により形成された、単一の斜線を備えた面は、ストローク変換なしのアクチュエータの切換エネルギを表している。アクチュエータによって加えられなければならない切換エネルギがアクチュエータの容量を決定するので、図４に示した切換エネルギ３２により特徴付けられたアクチュエータは比較的大きな構造を有している。それに対して、図４において二重斜線により表された切換エネルギ３５を必要とするアクチュエータは、相応して一層小さな構造しか有していない。

噴射弁部材およびプリストロークスリーブ内部でカップリングされたストローク変換ピストンの直接的な制御を行う燃料インジェクタを示す断面図である。 図１に示したストローク変換ピストンに形成された接続孔を示す、図１のＸで示した範囲の拡大図である。 噴射弁部材の燃焼室側のシートを示す概略図である。 図１に示したプリストロークスリーブを取り囲む、半径方向の組付け公差を補償するための別のスリーブを示す断面図である。 両ストローク変換ピストンのうちの一方のストローク変換ピストンの変えられた支持位置を有する別の実施例を示す断面図である。 ピエゾアクチュエータの、段階ストローク変換により達成可能な力およびストロークを、段階ストローク.変換なしの操作システムと対比させて示す曲線図である。

符号の説明

１ 燃料インジェクタ
２ インジェクタボディ（保持体）
３ ノズルボディ
４ 締付けスリーブ
５ 螺合部
６ 高圧接続部
７ 中空室
８ ピエゾアクチュエータ
９ 噴射弁部材（ノズルニードル）
１０ ノズル室
１１ ノズル室流入路

１３ プリストロークスリーブ
ｄ_ｖ プリストロークスリーブの直径

１５ 制御室ばねエレメント
１６ 内側のばねエレメント
１７ 外側のばねエレメント
１８ ストッパ
ｄ_Ａ 第１のピストン１２の直径
ｄ_Ｎ 噴射弁部材の直径
１９ 第２のピストン１４のピストン端面
ｈ_Ｖ 規定された間隔
２０ 制御室
２１ 別のばねエレメント
２２ 補償孔
２３ カップリング室
ｄ_Ｓ 噴射弁部材のシート直径
２４ 別のスリーブ
２５ カップリング室のばねエレメント
２６ つば
２７ 上側の載置面
２８ 下側の当付け面
３０ 噴射弁部材のストローク曲線
３１ アクチュエータ作動力
Ｆ_ｍａｘ 最大開放力
３２ ストローク変換なしのアクチュエータの切換エネルギ面
３３ 段階ストローク変換を有するアクチュエータの力／ストローク特性線
ｈ_ｍａｘ 最大ストローク
３４ アクチュエータストローク変換の切換時点
３５ ストローク変換を有するアクチュエータの切換エネルギ面

Claims (11)

1. 内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための燃料インジェクタであって、ピエゾアクチュエータ（８）を介して直接に操作可能な噴射弁部材（９）が設けられており、該噴射弁部材（９）がノズルボディ（３）内に収容されていて、ばねエレメント（１５）を介して閉鎖位置へ作動させられるようになっている形式のものにおいて、ピエゾアクチュエータ（８）と噴射弁部材（９）との間に、ピエゾアクチュエータ（８）により加えられ得る力を噴射弁部材（９）の開放力経過に適合させるためのハイドロリック式のストローク変換機構（１２，１４）が設けられていることを特徴とする、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための燃料インジェクタ。
2. ストローク変換機構が第１のピストン（１２）と第２のピストン（１４）とを有しており、第１第２の両ピストン（１２，１４）が、カップリング室（２３）を介してハイドロリック的に互いにカップリングされている、請求項１記載の燃料インジェクタ。
3. ストローク変換機構（１２，１４）が、スリーブ形のガイドボディ（１３）を有している、請求項１記載の燃料インジェクタ。
4. スリーブ形のガイドボディ（１３）が、ピエゾアクチュエータ（８）に支持された内側のばねエレメント（１６）を介してプリロードをかけられている、請求項３記載の燃料インジェクタ。
5. ストローク変換機構（１２，１４）の１つのピストン（１４）が、ノズルボディ（３）に設けられたハイドロリック的な室内に配置された別のばねエレメント（２１）と、制御室（２０）内に配置された制御室ばねエレメント（１５）とを介して、または制御室（２０）内に配置された制御室ばねエレメント（１５）と、カップリング室（２３）内に配置されたばねエレメント（２５）とを介して負荷されている、請求項２記載の燃料インジェクタ。
6. 

   請求項１記載の燃料インジェクタ。
7. ストローク変換機構（１２，１４）の１つのピストン（１４）に設けられたつば（２６）がスリーブ形のガイドボディ（１３）に当て付けられると、ストローク変換機構（１２，１４）にストローク変換比ｉ_２＝ｄ_Ｖ ^２／ｄ_Ｎ ^２が作用し、この場合、ｄ_Ｖはスリーブ形のガイドボディ（１３）の直径を表し、ｄ_Ｎは噴射弁部材（９）の直径を表す、請求項１記載の燃料インジェクタ。
8. スリーブ形のガイドボディ（１３）が、別のスリーブ（２４）によって取り囲まれている、請求項３記載の燃料インジェクタ。
9. ノズルボディ（３）に設けられたハイドロリック的な室と制御室（２０）とが、第２のピストン（１４）に設けられた流れ接続部（２３）を介してハイドロリック的に互いに接続されている、請求項５記載の燃料インジェクタ。
10. 前記流れ接続部（２３）が接続孔または溝として形成されている、請求項９記載の燃料インジェクタ。
11. ストローク変換機構（１２，１４）の第２のピストン（１４）が、休止位置でそのピストン端面（１９）によってノズルボディ（３）に設けられた平坦面に支持されているか、またはピンによって直接に噴射弁部材（９）に支持されている、請求項２記載の燃料インジェクタ。

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