JP2009030590A - 内燃エンジンのための平衡計量サーボバルブを備えた燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃エンジンのための、平衡サーボバルブを備えた燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】噴射装置１は、ノズルを開放または閉鎖するためのロッド１０をコントロールするための平衡計量サーボバルブ５を有している。このサーボバルブは、コントロール・チャンバ２６を備えたバルブ・ボディ７を有し、このコントロール・チャンバには、軸方向に移動可能なシャッター４７により開放または閉鎖される排出口経路４２ａが取り付けられている。前記シャッターは、アーマチュア１７から分離されたスリーブ４１に組み込まれ、且つ、極めて高い精度で加工された、より硬い材料から作られている。前記シャッターは、前記排出口経路につながる環状のチャンバを閉鎖することが可能なシャープ・エッジ４５を有していて、それによって、アーマチュアが電気式アクチュエータ１５により作動されたとき、スリーブをアーマチュアと接触した状態に保つ。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃エンジンのための、平衡計量サーボバルブを備えた燃料噴射装置に係り、この内燃エンジンの中で、サーボバルブは、噴射コントロール・ロッドをコントロールする。

通常、計量サーボバルブは、加圧された燃料のするためのキャリブレイトされた吸入口孔を有するコントロール・チャンバを有している。コントロール・チャンバには、キャリブレイトされた部分を有する排出口または放出孔が設けられ、この放出孔は、電気式アクチュエータの制御の下に、軸方向に移動可能なシャッターにより開放または閉鎖される。

平衡計量サーボバルブを備えた噴射装置は、既に提案されている。この噴射装置において、シャッターは、閉鎖位置において、実質的にゼロの軸方向の圧力の力を受け、そのために、スプリングの予荷重及びアクチュエータの力が、減少されることが可能である。既知の平衡計量サーボバルブにおいて、バルブ・ボディは、アクチュエータのアーマチュアのための軸方向のガイドを有している。このアーマチュアは、流体密封状態で、軸方向のガイドと係合するスリーブにより形成されるシャッターに組み込まれている。後者は、放出チャネルが取り付けられたステムにより形成され、軸方向のセグメント及び少なくとも一つのキャリブレイトされた径方向のセグメントを有し、このセグメントは、ステムの側面まで伸びている。

スリーブが、ステムの側面とともにシールを形成しなければならないので、且つ、シャッターが、ストップ要素と係合することにより、放出チャネルを閉鎖しなければならないので、ステムは極めて高い精度で加工されなければならず、且つ、高品質で且つ非常に硬い材料を用いて作られなければならない。この材料は、限られた透磁性を有し、それ故に、電気式アクチュエータは、非常に強力でなければならない。それに加えて、アーマチュアが切欠き付きディスクの形態の形態であって、且つスリーブに組み込まれているので、スリーブ−アーマチュア・ブロックの全体が、この高品質の材料で作られなければならない。このために、この材料に、多量の無駄な削り屑が発生することになり、また、その加工も非常に困難で且つ高価である。

最後に、アーマチュア及びスリーブは、相当な重量を有しており、そのために、可動要素の応答性が減少される。

本発明の目的は、内燃エンジンのための、平衡サーボバルブを備えた燃料噴射装置を具体化することにあり、この燃料噴射装置は、シンプルで且つ製造コストが高くなく、高いサーボバルブ応答性が実現されることを可能にし、上述の欠点を取り除く。

本発明のこの目的は、請求項１に記載された、内燃エンジンのための、平衡計量サーボバルブを備えた燃料噴射装置により実現される。

本発明のより良い理解のために、幾つかの好ましい実施形態が以下において、純粋に非限定的な例として、添付図面の助けにより、説明される。

図１を参照して、参照符号１は、内燃エンジンのための燃料噴射装置、特にディーゼル・サイクルの内燃エンジンを、その全体で示す。噴射装置１は、中空ボディまたはケーシング２を有し、このケーシングは、長手方向の軸３に沿って伸び、且つ側方の吸入口４を有している。この吸入口は、例えば、約１８００バール（１．８Ｘ１０^８Ｐａ）の圧力で、高圧の燃料の供給口に接続されるように構成されている。ケーシング２は、噴射ノズル（この図の中には示されていない）で終了し、この噴射ノズルは、チャネル４ａを介して吸入口４とつながっている。

ケーシング２は、軸方向のキャビティ６を規定し、このキャビティは、バルブ・ボディ（参照符号７で示されている）を有する計量サーボバルブ５を収容している。バルブ・ボディ７は、軸方向の孔９を規定し、この孔の中で、噴射コントロール・ロッド１０が、圧力下の燃料に対してタイトにシールされた状態で、軸方向にスライドすることが可能である。ロッド１０は、孔９の中で軸方向に移動可能であり、噴射ノズルのためのシャッター・ニードル（図示せず）を、既知のやり方で、コントロールする。

ケーシング２には、もう一つのキャビティ１４が設けられ、このキャビティは、キャビティ６と同軸であり、アクチュエータ１５を収容する、このアクチュエータはアーマチュア１７をコントロールするように構成された電磁石１６を有している。特に、電磁石１６は、マグネチック・コア１９を有し、このマグネチック・コアは、アーマチュア１７のためのストップ表面２０（軸３に対して垂直である）を有し、サポート２１により所定の位置に保持されている。

アクチュエータ１５は、軸方向のキャビティ２２を有していて、この軸方向のキャビティの中に、圧縮コイル・スプリング２３が収容されている。この圧縮コイル・スプリング２３は、アーマチュア１７上に、電磁石１６により及ぼされる引力に対して反対の方向に、スラスト動作を及ぼすように、予荷重が与えられている。スプリング２３は、フランジ２４により形成されるスプリング２３のガイド・ピン１２に組み込まれた同軸の要素を介して、アーマチュア１７上に作用する。アーマチュア１７とコア１９の表面２０の間に一定のギャップを確保するために、非磁性材料１３のシートが、アーマチュア１７とフランジ２４の間に配置される。

バルブ・ボディ７は、計測コントロール・チャンバ２６を有していて、このコントロール・チャンバは、孔９の側面により径方向に境界が定められる容積を含んでいる。コントロール・チャンバ２６の容積は、ロッド１０の端部表面２５により、及び孔９それ自体のボトム・ウォール２７により、軸方向に境界が定められる。コントロール・チャンバ２６は、吸入口チャネル２８を介して、吸入口４と恒久的につながり、加圧された燃料を受け取る。

チャネル２８には、キャリブレイトされたセグメント２９が設けられ、このセグメントは、ボトム・ウォール２７の近傍のコントロール・チャンバ２６の中に伸びている。このために、端部表面２５は、実用的には、切頭円錐の形状を有している。それに代わって、外側では、吸入口チャネル２８が、環状のチャンバ３０に伸び、このチャンバの中に、チャネル３２（ボディ２の中に得られ吸入口４につながっている）がまた伸びている。

バルブ・ボディ７はまた、増大された直径を備えたキャビティ６の部分３４の中に収容されたフランジ３３を有している。フランジ３３は、以下において詳しく示されるように、キャビティ６の内側のショルダー３５と軸方向に接触した状態で、配置されている。

本発明によれば、アーマチュア１７は、軸方向のステム３８により形成されるガイド要素により軸方向にガイドされる。図１の変形形態において、ステム３８は、フランジ３３に組み込まれていて、このフランジは、ボディ２のキャビティ６の内側のショルダー３５に対して、流体密封状態で、部分３４の内側のネジ３７の中にネジ込まれたネジ付きのリング３６により、保持されている。

ステム３８は、フランジ３３の直径と比べて遥かに小さい直径を有していて、孔９から、反対側で、即ちキャビティ２２の方向へ、フランジ３３を超えて軸３に沿って突出している。ステム３８は、外側で、円筒状の側面３９により境界が定められ、この側面は、アーマチュア１７に対応するスリーブ４１の軸方向のスライドをガイドする。特に、スリーブ４１は、円筒状の内表面４０を有し、この内表面は、適切な直径のクリアランス（例えば、４μｍより小さい）を有する結合を介して、あるいは特定のシーリング要素を挿入することにより、実質的に流体密封状態で、ステム３８の側面３９に結合されている。

コントロール・チャンバ２６はまた、燃料の排出口経路４２ａを有し、この排出口経路は、狭窄部またはキャリブレイトされた部分５３を有し、この部分は、一般的に、１５０μｍと３００μｍの間の直径を有している。排出口経路４２ａは、フランジ３３及びステム３８の内側に完全に得られるチャネル４２とつながっている。チャネル４２は、出口のない軸方向のセグメント４３を有している、このセグメントは、軸３に沿って、部分的にフランジ３３の中に、また部分的にステム３８の中に、得られる。

その代わりに、技術的な理由のために、チャネル４２の軸方向のセグメント４３は、キャリブレイトされた部分５３の直径の少なくとも４倍である。チャネル４２はまた、軸方向のセグメント４３とつながる少なくとも一つの径方向のセグメント４４を有している。図１において、二つの径方向のセグメント４４が、設けられ、それらは、ステム３８の側面３９において、溝により形成される環状のチャンバ４６まで伸びている。

この環状のチャンバ４６は、フランジ３３に隣接する軸方向の位置に得られ、そして、スリーブ４１の部分により開放または閉鎖され、この部分は、チャネル４２の径方向のセグメント４４のためのシャッター４７を形成する。このシャッター４７は、フランジ３３をステム３８に接続する切頭円錐形の表面４９と係合するように構成されているシャープ・エッジ４５で終了する。

特に、アーマチュア１７は、スリーブ４１から分離した切欠き付きディスクにより形成される。このディスク１７は、明らかに、磁性材料から作られ、金属シートを単に切断することにより、得られることが可能である。その代わりに、スリーブ４１は、極めて高い精度で、例えば約１μｍの許容範囲で、加工されていなければならず、それによって、ステム３８の側壁３９に沿う加圧された燃料に対するシール、及びエッジ４５による環状のチャンバ４６に対する燃料のシールの両方を実現にすることになる。

このために、スリーブ４１は、非常に硬い、高品質材料、例えば工具鋼を用いて得られる。スリーブ４１の内表面４０は、正確に研磨され、またスリーブ４１は、磨耗及び疲労に対する大きな抵抗を付与するために、一つまたはそれ以上の熱処理（例えば焼戻し及び窒化など）が施されることもあり得る。

スリーブ４１は、ソレノイド・バルブ５の前進端ストップ即ち閉鎖位置と、ソレノイド・バルブ５の後退端ストップ即ち開放位置との間で、ステム３８上で、流体密封状態でスライドすることが可能である。前進端ストップ位置において、シャッター４７は、環状のチャンバ４６を閉鎖し、それ故にまた、チャネル４２の径方向のセグメント４４の排出口も閉鎖する。後退端部ストップ位置において、シャッター４７は、環状のチャンバ４６を充分に開放して、径方向のセグメント４４が燃料を、コントロール・チャンバ２６、排出口経路４２ａ、放出チャネル４２、及び環状のチャンバ４６から放出することを可能にする。

スリーブ４１の前進端ストップ位置は、ステム３８の切頭円錐形の表面４９に対して当たるシャッター４７のシャープ・エッジ４５により規定される。その代わりに、スリーブ４８の後退端部ストップ位置は、薄いシート１３を間に挟んで、コア１９の表面２０に対して軸方向に当たるアーマチュア１７により規定される。後退端部ストップ位置において、スリーブ４１は、ネジ付きのリング３６とスリーブ４１の間の環状の経路、アーマチュア１７の中の切欠き、キャビティ２２、及びサポート２１の中の開口３１を介して、環状のチャンバ４６を、噴射装置の放出チャネルとつなげる。

シャッター４７が、前進端ストップ位置にあって、シーリングをもたらしているとき、噴射装置の供給圧力に等しい圧力レベルが、環状のチャンバ４６内に形成される。この圧力のために、シャッター４７の部分の径方向の弾性的な変形が生じ、チャンバ４６の圧力が大気圧力に等しい状態と比べて、シール・エッジ４５の直径の僅かな増大が生じる。

この直径の増大は、スリーブ４１の軸方向に沿って作用する圧力の力の合力に、僅かな不平衡を生じさせる。この合力は、チャンバ４６内の圧力に、スリーブのエッジ４５の直径と円筒状の表面４０直径の間に含まれる環状領域の面積を乗じた値により規定され、シャッター４７を持ち上げる方向に作用する。しかしながら、この不平衡力が、スプリング２３により及ぼされる力より小さい間は、スリーブ４１は、前進端ストップ位置に止まる。

磁石１６が励磁されたとき、スプリング２３の作用に打ち勝って、アーマチュア１７がコア１９の方向へ移動し、その結果として、スリーブ４１の上に作用する圧力の力の軸方向の合力が、このスリーブを後退端部ストップまで移動させて、アーマチュア１７に対して当たり、それにより、シャッター４７が環状のチャンバ４６を開放する。その後、燃料が、コントロール・チャンバ２６、チャネル４２、及び環状のチャンバ４６自体から放出される。コントロール・チャンバ２６内の燃料圧力が急速に低下して、ロッド１０の上向きの軸方向の運動を生じさせ、それにより噴射ノズルを開放する。

逆に、電磁石１６の電気を切ると、スプリング２３が、フランジ２４を介して、アーマチュア１７をコア１９から引き離し、それとともにスリーブ４１を移動させる。これで、シャッター４７を、図１の前進端ストップ位置に戻す。このようにして、環状のチャンバ４６が再び閉鎖され、そして燃料が、吸入口チャネル２８から入って来て、コントロール・チャンバ２６内に高い圧力を再び作り出し、ロッド１０が噴射ノズルを再び閉鎖すると言う結果をもたらす。

計量サーボバルブ５の応答性を改善するため、キャリブレイトされた部分５３が、排出口経路４２ａの中に、環状のチャンバ４６から離れて、従ってシャッター４７から離れて、孔９のボトム・ウォール２７の表面の実質的に近傍に、配置される。このようにして、圧力変動がコントロールされなければならない燃料の体積が、大幅に減少される。その代わりに、キャリブレイトされた部分５３の下流のチャネル４２内の燃料の体積は、コントロール・チャンバ２６内の圧力変動に対して実質的に影響を及ぼさない。

技術的な理由のために、キャリブレイトされた部分５３は、好ましくは、バルブ・ボディ７の別個の要素の中に配置されるべきである。図１において、別個の要素が、非常に硬い材料のブッシング５４により形成され、この要素は、排出口経路４２ａ（キャリブレイトされた部分５３を含んでいる）を保有し、それに続いて、孔９のボトム・ウォール２７に対応してシート５５に固定され、それによって、コントロール・チャンバ２６が、ブッシング５４の横方向の表面により規定される。

キャリブレイトされた部分５３は、例えば、放電加工またはレーザによる初期加工、及びその後での、ハイドロ・エロージョンにより行われる効果的なキャリブレイションにより、高い精度で得られることが可能である。

キャリブレイトされた部分５３は、ブッシング５４の軸方向の長さの一部のみに限定され、これに対して、ブッシング５４の残りの長さに沿って、排出口経路４２ａは、軸方向のセグメント４３の直径より実質的に小さい、あるいはそれに等しい直径を有することができる。何れの場合にも、チャネル４２の軸方向のセグメント４３及び径方向のセグメント４４の両方が、ステム３８のフランジ３３ｅの中に、通常のドリル・ビットまたはレーザ、更には放電加工により、特別な加工精度無しで、得られる。

以上に示された内容から、従来技術の噴射装置に対する、本発明に基づく噴射装置１の利点は、明らかである。先ず第一に、ガイド・スリーブ４１から分離されたアーマチュア１７は、電磁回路を最適化するように、アーマチュア１７の材料が最適化されることを可能にし、そして、高い磨耗抵抗を備えた高品質材料がスリーブ４１のために選択されることを可能にする。このようにして、この材料によるアーマチュア１７のディスクまでをも加工しなければならず、また削り屑として相当な材料の浪費が生ずると言う欠点が取り除かれる。より少ない硬質材料でのアーマチュア１７それ自体の製作、このように、遥かにシンプルになる。最後に、電磁石１６及びスプリング２３が移動させなければならない可動要素の重量が、減少される。

特に、噴射装置４７が低い圧力で供給を受けているときに、シャッター４７の開放の時間を減少させるために、図２変形形態によれば、スプリング５１が、スリーブ４１のショルダー５０とバルブ・ボディ７のフランジ３３の間に、挿入されることが可能である。このスプリング５１には、スプリング２３により及ぼされる力と比べて遥かに小さな力であって、且つアーマチュア１７がコア１９の方向へ引き付けられたときにシャッター４７のより急速な開放を確保するために丁度充分な程度の力を及ぼすように、予荷重が与えられることになる。

噴射装置１に対して、本発明の範囲から逸脱すること無く、他の変更や改善が行なわれることが可能である。例えば、サポート５４が取り除かれること、あるいは、ここに示されたものと異なる形状を採用することが可能である。更にまた、チャネル４２の径方向のセグメント４４が二個よりも多く、角度的に等間隔で配置されること、および／または、軸３に対して傾斜していることも可能である。また、キャリブレイトされた部分５３が、チャネル４２の径方向のセグメント４４の上に配置されることも可能である。バルブ・ボディ７が、二つの部分に分割されて、その一方がステム３８及びフランジ３３の一部を含み、そしてもう一方がフランジ３３の残りの部分及び孔９を含むことも可能もある。最後に、電磁石１６が、圧電アクチュエータ・デバイスにより置き換えられることも可能である。

図１は、本発明第一の変形形態に基づく、内燃エンジンのための、平衡サーボバルブを備えた燃料噴射装置の部分的な、縦方向の断面である。 図２は、図１の変形形態の縦方向の断面である。

Claims (11)

1. 内燃エンジンのための、平衡計量サーボバルブを備えた燃料噴射装置（１）であって、
   前記サーボバルブ（５）は、軸方向のキャビティ（６）に沿って移動可能な噴射コントロール・ロッド（１０）をコントロールし、
   前記サーボバルブ（５）は、バルブ・ボディ（７）を有し、このバルブ・ボディは、燃料のためのキャリブレイトされた吸入口（２９）が取り付けられたコントロール・チャンバ（２６）、及び軸方向のステム（３８）により保持された放出チャネル（４２）とつながる排出口経路（４２ａ）を有し、
   シャッター（４７）がスリーブ（４１）により保持され、このスリーブは、前記ステム（３８）に沿って動くことが可能であって且つ電気式アクチュエータ（１５）のアーマチュア（１７）によりコントロールされ、
   前記チャネル（４２）は、前記ステム（３８）の側面（３９）に伸びる少なくとも一つの実質的に径方向のセグメント（４４）を有し、
   前記スリーブ（４１）は、前記ステム（３８）に対して流体密封状態で、通常、結合され、それによって、前記コントロール・ロッド（１０）の軸方向の運動をコントロールするために、当該スリーブが前記セグメント（４４）の閉鎖位置と開放位置の間で軸方向にスライド可能である、
   燃料噴射装置において、
   前記アーマチュア（１７）が、前記スリーブ（４１）から分離されていて、且つ、弾性的手段（２３）を用いることにより前記スリーブ（４１）を前記閉鎖位置に保つことが可能であること、
   前記電気式アクチュエータ（１５）は、前記弾性的手段（２３）の動作に打ち勝つために、前記アーマチュア（１７）をコントロールすることが可能であること、
   を特徴とする燃料噴射装置。
2. 下記特徴を有する請求項１に記載の燃料噴射装置：
   前記ステム（３８）は、フランジ（３３）により保持され、
   前記シャッターは、前記スリーブ（４１）の末端部分（４７）により形成され、且つ、前記フランジ（３３）と前記ステム（３８）間の切頭円錐形の接続部分（４９）と係合することが可能なシャープ・エッジ（４５）を有している。
3. 下記特徴を有する請求項２に記載の燃料噴射装置：
   前記径方向のセグメント（４４）は、前記ステム（３８）の中で溝により形成される環状のチャンバ（４６）に伸び、
   前記環状のチャンバ（４６）の中の燃料圧力が、前記スリーブ（４１）を前記アーマチュア（１７）と接触した状態に保つことが可能な軸方向の成分を作り出す。
4. 下記特徴を有する請求項２に記載の燃料噴射装置：
   前記径方向のセグメント（４４）は、前記ステム（３８）の中で溝により形成される環状のチャンバ（４６）に伸び、
   前記スリーブを前記アーマチュア（１７）と接触した状態に保つために、他の手段が設けられている。
5. 下記特徴を有する請求項４に記載の燃料噴射装置：
   前記他の手段は、弾性的要素（５１）を有し、この弾性的要素に対して、前記弾性的手段（２３）の動作が優位にある。
6. 下記特徴を有する請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料噴射装置：
   前記コントロール・チャンバ（２６）は、前記バルブ・ボディ（７）のボトム・ウォール（２７）により規定され、
   前記排出口経路（４２ａ）は、前記ボトム・ウォール（２７）により保持され、且つキャリブレイトされた部分（５３）が設けられている。
7. 下記特徴を有する請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料噴射装置：
   前記バルブ・ボディ（７）の前記ボトム・ウォール（２７）には、前記排出口経路（４２ａ）を保持するブッシング（５４）を受け入れることが可能なシート（５５）が設けられ、
   前記コントロール・チャンバ（２６）は、前記ブッシング（５４）の横方向の表面により規定される。
8. 下記特徴を有する請求項２から７のいずれか１項に記載の燃料噴射装置：
   前記バルブ・ボディ（７）は、前記フランジ（３３）に組み込まれ、前記チャネル（４２）がこのフランジの中を通って伸び、
   前記バルブ・ボディ（７）は、ネジ付きのリング（３６）を介して、噴射装置ボディ（２）のキャビティ（６）の中に、シールされた状態で固定されている。
9. 下記特徴を有する請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料噴射装置：
   前記アーマチュア（１７）は、磁性材料から作られ、
   前記スリーブ（１８）は、極めて高い精度で加工されることに適した硬質材料から作られている。
10. 下記特徴を有する請求項９に記載の燃料噴射装置：
    前記材料は、それにより大きな磨耗及び疲労抵抗を与えるための熱処理に適している。
11. 下記特徴を有する請求項９または１０に記載の燃料噴射装置：
    前記スリーブ（４１）の内表面（４０）は、約１μｍの許容範囲で加工されている。

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