JP2007514095A - 直接に制御された噴射弁部材を備えた燃料インジェクタ - Google Patents

Abstract

本発明は、噴射弁部材（２０）を直接に操作するピエゾアクチュエータ（２）を備えた燃料インジェクタ（１）に関するものであって、ピエゾアクチュエータ（２）が、増圧ピストン（１５）に作用するようになっており、該増圧ピストン（１５）の端面（１８）が、噴射弁部材（２０）を操作するためにハイドロリック的なカップリング室（１９）を負荷しており、前記ピエゾアクチュエータ（２）が、インジェクタハウジング（２７）に設けられた中空室（４）内に収容されており、該中空室（４）が、高い圧力下にある燃料容積（５）で充てんされている形式のものにおいて、アクチュエータベース領域（６）のシール縁部（９）の直径（１７）（ｄ_２）が、前記増圧ピストン（１５）の直径（１６）（ｄ_１）に相当していることを特徴とする、噴射弁部材（２０）を直接に操作するピエゾアクチュエータ（２）を備えた燃料インジェクタ（１）。

Description

技術分野
現在、自己着火式の内燃機関では、他の噴射システムと並んで、畜圧式噴射システム「コモンレール」も使用されている。コモンレールシステムの主要な特徴は、噴射圧力をエンジン回転数および噴射量に関連することなく独立して形成することができることである。圧力形成と噴射との分離は畜圧容積を用いて行われる。機能を決定するこの容積は高圧管路における共通の分配レール（コモンレール）ならびにインジェクタ自体における各構成要素から構成されている。

背景技術
燃料を内燃機関の燃焼室内に噴射する燃料インジェクタは、高速切換式の電磁弁あるいはまたピエゾアクチュエータを介して操作することができる。これまでに知られている解決手段では、ピエゾアクチュエータまたは電磁弁が、制御室の放圧通路を閉鎖するかまたは開放する閉鎖エレメントに作用する。球状または円錐状に形成可能な閉鎖部材の閉鎖もしくは開放に関連して、噴射弁部材たとえばノズルニードルの操作が行われる。インジェクタボディ内の制御室は、連続的に流入絞りを介して高圧で負荷される。弁閉鎖部材がピエゾアクチュエータまたは高速切換式の電磁弁によって操作されるやいなや、流出絞りを有する管路を介して制御室から制御容積が流出するので、制御室は放圧される。これによって、噴射弁部材の端面は制御室内へ進入して、燃焼室側のシートを開放することが達成されるので、燃料はノズルボディ内に形成された噴孔を介して自己着火式の内燃機関の燃焼室内に噴射される。

公知先行技術により知られている解決手段によれば、噴射弁部材の操作は制御室の放圧を介して間接的に行われる。この制御室はニードル状に形成可能な噴射弁部材の開放もしくは閉鎖を行う。

しかし開発傾向は、噴射弁部材を直接に制御する方向に進んでいる。このために、高速切換式の電磁弁の代わりにピエゾアクチュエータが使用されると、ピエゾアクチュエータは構造空間上の理由から高い圧力下にある燃料容積内に埋め込まれる。燃料容積は一般にシステム圧、つまり燃料噴射装置の高圧畜圧室（コモンレール）内に生ぜしめられる圧力レベルを有している。ピエゾアクチュエータは一般に積層されたピエゾ結晶スタックとして形成されており、このピエゾ結晶スタックはピエゾアクチュエータの通電時に、その長さを変化させる。ピエゾアクチュエータが燃料容積の内部に配置される場合、ピエゾアクチュエータの構成に基づき、燃料容積での負荷時に、ピエゾアクチュエータに対する望ましくない合成力が生じる。この合成力は噴射弁部材の直接的な制御の際に、特に高い回転数のときにインジェクタボディ内部での噴射弁部材のストローク距離に影響を与えるので、噴射時点もしくは燃焼室内に噴射された燃料量はドリフトし、つまり極めて不正確にしか再現可能でなくなる。

発明の開示
本発明によれば、ピエゾアクチュエータにより噴射弁部材の直接の制御が可能となる解決手段が提案される。本発明により提案された解決手段は、燃料容積内に配置されたピエゾアクチュエータのベース領域と、ピエゾアクチュエータのヘッド領域によって直接に操作された、噴射弁部材の一部である増圧ピストンとが互いに等しい直径を有するように、燃料により取り囲まれたピエゾアクチュエータが設計されていることによりすぐれている。これにより、ハイドロリック的に有効となる同一の有効面が形成される。これらの有効面には、ピエゾアクチュエータが収容されているインジェクタボディ内部の中空室への圧力負荷時に、インジェクタボディ内に可動に案内された噴射弁部材の有効ストロークを損なうハイドロリック的な合成力が発生しない。

インジェクタボディ内部で高い圧力下にある燃料によって取り囲まれたピエゾアクチュエータは、ヘッド領域にシール縁部を有しており、この場合、シール縁部直径は、ピエゾアクチュエータヘッド領域に直接に結合された増圧ピストンの直径と等しく形成されていると有利である。この解決手段によって、一方ではハイドロリック的なカップリング室を負荷する増圧ピストンが、ピエゾ結晶スタックの通電時の、ピエゾ結晶スタックの伸長を正確に伝達することを達成することができる。他方では、本発明により提案された解決手段によって、これまで必要とされてきた流出通路、流出絞り、弁閉鎖エレメントならびに弁閉鎖エレメントのための案内部を節約することができる。このことは、本発明により形成されたピエゾアクチュエータを介して直接に制御される噴射弁部材の構成高さに好都合な影響を与える。なぜならば、前記伝達エレメントを不要にすることができるからである。

図面
以下に、本発明を図面につき詳細に説明する。

図１は、高圧流入部内に組み込まれたピエゾアクチュエータを有する、本発明により提案された燃料インジェクタの縦断面図であり、
図２は、図１に示された中空室のシール縁部の拡大図である。

実施例
図１には、燃料インジェクタ１が示されていて、この燃料インジェクタ１はピエゾアクチュエータ２によって操作される。ピエゾアクチュエータ２は燃料容積５内に収容されている。燃料容積５は、燃料インジェクタ１のインジェクタボディ２７内に形成された中空室４の内部に位置している。中空室４は高圧流入部３を介して燃料容積５で負荷される。高圧流入部３自体は、図１には示されていない畜圧容積（コモンレール）に流れ接続されている。畜圧容積内には、高圧燃料ポンプによって維持された、約１３００バール以上のシステム圧レベルが生ぜしめられる。

図１で見て中空室４の内部に収容されているピエゾアクチュエータ２は、アクチュエータベース６およびアクチュエータヘッド１２を有している。

ピエゾアクチュエータ２は、積層されて上下に配置された、スタックの形に配向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２が電気的な接続部１０を介して通電されると、ピエゾ結晶の延在長さを変化させるので、ピエゾアクチュエータ２は、ピエゾアクチュエータ２に直接に結合されている増圧ピストン１５のストローク運動を生ぜしめる。

ピエゾアクチュエータ２の上側の領域では、ピエゾアクチュエータ２のアクチュエータベース６が、金属製のねじ山部分８によってシールされている。金属製のねじ山部分８の下方にはシール縁部９が設けられており、このシール縁部９はシール縁部直径１７（ｄ_２）を持って形成されている。ピエゾアクチュエータ２に形成されたシール縁部９は、燃料インジェクタ１のインジェクタハウジング２７に設けられた、相応して傾斜付けされた円錐面に接触している。選択的にピエゾ結晶スタック（図１には図示しない）は、燃料に対するピエゾアクチュエータ２の耐性を改善するために、封止用の流込み材料１１によって任意に取り囲まれていてよい。

ピエゾアクチュエータ２のアクチュエータヘッド１２では、ピエゾアクチュエータ２が、増圧ピストン１５に固く結合されている。この増圧ピストン１５は直径１６（ｄ_２）を持って形成されている。シール縁部直径１７（ｄ_２）と器ピストン直径１６（ｄ_１）とは互いに等しい。増圧ピストン１５は、燃料インジェクタ１のインジェクタハウジング２７内に可動に案内されている。ピエゾアクチュエータ２は増圧ピストン１５との結合面１４を有しており、この結合面１４の上方ではピエゾアクチュエータ２の、アクチュエータヘッド１２がくびれ部１３を有している。

増圧ピストン１５の、ハイドロリック的なカップリング室１９に向けられた下側の端面１８は、ハイドロリック的なカップリング室１９内に含まれている燃料容積を負荷する。ハイドロリック的なカップリング室１９は他方では、ニードル状に形成された噴射弁部材２０の端面２１によって制限される。端面１８の直径は増圧ピストン１５の直径１６に相当しており、インジェクタボディ２７内を鉛直方向で運動可能に収容された、ニードル状に形成された噴射弁部材２０の端面２１の直径よりも大きく設定されている。噴射弁部材２０は所定のガイド長さ２８でインジェクタボディ２７内に収容されている。

燃料容積５は高圧流入部３を介して中空室４に流入するが、この中空室４からはノズル室流入部２２が分岐している。このノズル室流入部２２を介して、システム圧下にある燃料が、インジェクタボディ２７内に形成されたノズル室２３に流入する。噴射弁部材２０には受圧段部２４が形成されている。この受圧段部２４には、ノズル室２３内に流入する、システム圧下にある燃料が作用し、噴射弁部材２０は受圧段部２４で、噴射弁部材２０を開放方向に向かって操作する力を生ぜしめる。さらに、ノズル室２３からは環状ギャップ２５が延びており、この環状ギャップ２５を介して燃料は、ノズルニードルとして形成可能な噴射弁部材２０の先端部２６に向かって流れる。

燃料は複数の噴孔を介して、自己着火式の内燃機関の燃焼室へ流入するが、これらの噴孔は図１には図示されていない。

図２には、アクチュエータベース６の領域に形成された、インジェクタハウジングと協働するシール縁部の拡大図が示されている。

中空室４内に導入されたピエゾアクチュエータ２の上側の領域には、ねじ山区分８が設けられている。高い圧力下にある燃料５で負荷された中空室４に設けられた、ねじ山８を介して形成可能なシール部は十分ではないので、ピエゾアクチュエータ２のアクチュエータベース６の領域にはシール縁部９が設けられる。シール縁部９は、円錐台形の形状に形成された、インジェクタハウジング２７に設けられたシールシートと協働する。シール縁部直径１７（ｄ_２）は、シール縁部９が、インジェクタハウジング２７の円錐台形状に形成されたシール面に接触して、高い圧力下にある燃料容積５で充てんされている中空室４のシールを保証する個所を表している。

高い圧力下にある燃料５で負荷されている中空室４内に収容されたピエゾアクチュエータ２の、図１および図２に示した構成にとって特徴的であるのは、シール縁部直径１７と増圧ピストン直径１６とが互いに等しいという点にある。増圧ピストン直径１６（ｄ_１）とシール縁部直径１７（ｄ_２）とが互いに等しいと、インジェクタハウジング２７の中空室４内に収容された、高い圧力下にある燃料容積５によって、アクチュエータ２に有効ストローク方向で合成力が加えられることはない（Ｆ_{Ｒｅｓ＝０}）。

ピエゾアクチュエータ２内に内蔵されているピエゾ結晶スタックが通電されると、ピエゾアクチュエータ２の長さ変化に基づき、ピエゾアクチュエータ２に固く結合された増圧ピストン１５の端面１８は、ハイドロリック的なカップリング室１９内に進入するので、ニードル状に形成された噴射弁部材２０は、対応する燃焼室側のシートに押圧され、これにより自己着火式の内燃機関の燃焼室内で噴孔は閉じられたままである。ピエゾ結晶装置を有するピエゾアクチュエータ２の通電が中断されると、ピエゾアクチュエータ２内に内蔵されているピエゾ結晶スタックの伸長がなくなることに基づき、増圧ピストン１５はハイドロリック的なカップリング室１９から退出するので、ニードル状に形成された噴射弁部材２０の端面２１は開放方向に運動し、燃料はノズル室２３から環状ギャップ２５を介してニードル状に形成された噴射弁部材２０の先端部２６にまで流れ、そして図１には示されていない噴孔を介して、自己着火式の内燃機関の燃焼室内に噴射され得る。

高い圧力下にある燃料容積５で充てんされている中空室４の内部に収容されているピエゾアクチュエータ２の圧力均衡性は、ピエゾアクチュエータ２の最大の有効ストローク利用を保証する。なぜならば、スタック装置内に収容されているピエゾ結晶の膨張を妨げる力が働くことはなく、ひいてはピエゾアクチュエータの最大のストローク範囲が、ピエゾアクチュエータの通電時と通電の中断時とに、つまりピエゾ結晶の元の形への復元の際に可能となるからである。このことはピエゾアクチュエータ２において極めて重要である。なぜならば、ピエゾ結晶スタックの長さ変化はわずか数μｍでしかなく、この長さ変化に影響を及ぼす合成力はピエゾアクチュエータ２の最大有効ストロークを著しく損なう恐れがあるからである。

高圧流入部内に組み込まれたピエゾアクチュエータを有する、本発明により提案された燃料インジェクタの縦断面図である。 図１に示した中空室のシール縁部の拡大図である。

符号の説明

１ 燃料インジェクタ、 ２ ピエゾアクチュエータ、 ３ 高圧流入部、 ４ 中空室、 ５ 燃料容積（システム圧）、 ６ アクチュエータベース領域、 ７ アクチュエータベース直径、 ８ ねじ山区分、 ９ シール縁部、 １０ 電気的な接続部、 １１ 封止用の流込み材料、 １２ アクチュエータヘッド領域、 １３ くびれ部、 １４ 結合面、 １５ 増圧ピストン、 １６ 増圧ピストン直径（ｄ_１）、 １７ シール縁部直径（ｄ_２）、 １８ 増圧ピストンの端面、 １９ ハイドロリック的なカップリング室、 ２０ ニードル状の噴射弁部材、 ２１ 噴射弁部材の端面、 ２２ ノズル室流入部、 ２３ ノズル室、 ２４ 受圧段部、 ２５ 環状ギャップ、 ２６ 噴射弁部材の先端部、 ２７ インジェクタボディ、 ２８ 噴射弁部材のガイド長さ

Claims (8)

1. 噴射弁部材（２０）を直接に操作するピエゾアクチュエータ（２）を備えた燃料インジェクタ（１）であって、ピエゾアクチュエータ（２）が、増圧ピストン（１５）に作用するようになっており、該増圧ピストン（１５）の端面（１８）が、噴射弁部材（２０）を操作するためにハイドロリック的なカップリング室（１９）を負荷しており、前記ピエゾアクチュエータ（２）が、インジェクタハウジング（２７）に設けられた中空室（４）内に収容されており、該中空室（４）が、高い圧力下にある燃料容積（５）で充てんされている形式のものにおいて、アクチュエータベース領域（６）に設けられたシール縁部（９）の直径（１７）（ｄ_２）が、前記増圧ピストン（１５）の直径（１６）（ｄ_１）に相当していることを特徴とする、噴射弁部材を直接に操作するピエゾアクチュエータを備えた燃料インジェクタ。
2. ピエゾアクチュエータ（２）のヘッド領域（１２）が、増圧ピストン（１５）に固く結合されている、請求項１記載の燃料インジェクタ。
3. 増圧ピストン（１５）の、ハイドロリック的なカップリング室（１９）を負荷する端面（１８）が、噴射弁部材（２０）の、ハイドロリック的なカップリング室（１９）を仕切る端面（２１）よりも大きな、ハイドロリック的に有効な面を形成している、請求項１記載の燃料インジェクタ。
4. ピエゾアクチュエータ（２）が、封止用の流込み材料（１１）によって取り囲まれている、請求項１記載の燃料インジェクタ。
5. インジェクタハウジング（２７）内に設けられた、ピエゾアクチュエータ（２）を取り囲む中空室（４）が、ノズル室（２３）に向かって延びているノズル室流入部（２２）を負荷している、請求項１記載の燃料インジェクタ。
6. ピエゾアクチュエータ（２）に通電するための電気的な接続部（１０）が、アクチュエータベース領域（６）の上方に配置されたねじ山区分（８）を通って案内されている、請求項１記載の燃料インジェクタ。
7. インジェクタハウジング（２７）に設けられた、傾斜したハウジング区分と協働する、ピエゾアクチュエータ（２）のベース領域（６）に形成されたシール縁部（９）が、高い圧力下にある燃料容積（５）で充てんされた中空室（４）をねじ山区分（８）に対してシールしている、請求項１記載の燃料インジェクタ。
8. ピエゾアクチュエータ（２）が、増圧ピストン（１５）との結合面（１４）の上方にくびれ部（１３）を有している、請求項１記載の燃料インジェクタ。

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