JP2010519461A - 付加的な流出絞りを有する燃料インジェクター - 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ー（１）であって、インジェクター本体（２）内に行程運動可能に案内された弁ピストン（３）を含み、弁ピストン（３）の行程運動は制御弁によって制御可能であり、制御弁は行程軸線（４）の方向に行程運動可能な弁ニードル（５）を有し、弁ニードルの案内孔（６）内には、弁部材（８）の一方の端部に弁ニードル（５）の案内のために一体成形された案内部分（７）を挿入してあり、弁部材（８）内に、行程軸線（４）に沿って案内部分（７）内まで延びる通路孔（９）を設けてあり、通路孔によって燃料は、弁ピストン（３）の行程運動制御のための制御室（１０）から、案内孔（６）と案内部分（７）との間に設けられた環状室（１１）内に流入するようになっており、通路孔（９）によって案内された燃料量はさらに少なくとも１つの流出絞り（１２）を経て流過するようになっている形式のものにおいて、流出絞り（１２）は、通路孔（９）から環状室（１１）への移行部の領域内に配置されている。

Description

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ーであって、インジェクター本体内に行程運動可能若しくは往復運動可能に案内された弁ピストンを含んでおり、この場合に前記弁ピストンの行程運動（往復運動）は制御弁によって制御されるようになっており、該制御弁は燃料インジェクターの行程軸線（縦軸線）の方向に行程運動可能（往復運動可能）な弁ニードルを有しており、該弁ニードルは案内孔を備えており、該案内孔内には、弁部材の一方の端部に前記弁ニードルの案内のために一体成形された案内部分を挿入してあり、前記弁部材内に、該弁部材内を前記行程軸線に沿って前記案内部分内まで延びる通路孔（軸線方向孔若しくは縦孔）を設けてあり、該通路孔によって燃料は、前記弁ピストンの行程運動制御（往復運動制御）のための制御室から、前記案内孔と前記案内部分との間に設けられた環状室内に流入するようになっており、前記通路孔によって案内された燃料量はさらに付加的若しくは追加的な少なくとも１つの流出絞りを経て流過するようになっている形式のものに関する。

欧州特許出願公開第１６１２４０３Ａ１号明細書には、冒頭に述べた形式の燃料インジェクターを記載してあり、該燃料インジェクターはインジェクター本体内に行程運動可能に案内された弁ピストン（弁スプール）を含んでおり、該弁ピストンは該弁ピストンの行程運動のためにノズルニードルと協働するようになっている。同じく前記形式の別の燃料インジェクターにおいては、ノズルニードルは直接に、制御弁の領域内まで延びている。弁ピストン若しくはノズルニードルは制御室を画定若しくは画成しており、制御室は燃料高圧で負荷されるようになっている。制御室を燃料高圧で負荷すると、弁ピストン若しくはノズルニードルは行程軸線（弁ピストン若しくはノズルニードルの縦軸線）に沿って燃料インジェクターの下方の領域の噴射開口に向けて移動（運動）させられ、その結果、噴射開口は閉じられる。制御室への負荷を軽減すると、弁ピストン若しくはノズルニードルは噴射開口から離され、つまり行程軸線に沿って戻される。このようにして、制御室内の圧力に基づき弁ピストン若しくはノズルニードルの運動、つまり行程運動は制御される。燃料インジェクターはさらに弁部材を含んでおり、弁部材は案内部分へ移行し、つまり案内部分につながっており、案内部分はシリンダー状若しくは円柱状に形成されていて、弁ニードルの案内孔内に挿入されている。このようにして、弁ニードルは案内部分に沿って案内されていて、行程軸線に沿った運動によって開放位置若しくは閉鎖位置を占めるようになっている。

制御室の排気のために通路装置を設けてあり、通路装置は１つの通路孔（縦孔）及び少なくとも１つの横孔から成っていて、制御室を環状室に向けて排気するようになっており、環状室は案内部分の中央領域の１つの縮径部によって形成されている。弁ニードルを行程軸線に沿って垂直方向で下方の位置へ移した場合に、環状室は閉じられ、その結果、制御室内の圧力は燃料高圧のレベル（値）に保たれる。弁ニードルを持ち上げる、つまり上方の位置へ移すと、圧縮されている燃料は環状室から流出室内に流出し、その結果制御室内の圧力は低下する。通路孔に対する移行部内で制御室に隣接して、圧力降下率、ひいては弁ニードルの行程速度の制限のための１つの流出絞りを設けてある。

流出絞りの上記配置においては次のような問題があり、つまり、通路孔（縦孔）及び横孔の領域並びに環状室の領域に、燃料が流れない若しくは停滞する大きなデッド容積（デッドスペース若しくは止水容積）若しくは有害容積が生じている。大きな接極子行程（＞２０μｍ）で行われる弁ニードルの大きな開放行程では制御弁の大きな開口断面に起因して、前記領域若しくは流出絞りの下流の領域で流れ内にキャビテーションを極めて急速に生ぜしめてしまうので、デッド容積若しくは有害容積は蒸気で満たされることになる。制御弁の閉鎖の後に、容積はガス圧力に抗して新たに燃料で満たされて、圧力は所定の燃料高圧（コモンレール圧力）まで高められねばならない。圧力を燃料高圧に高めた場合にはじめて、弁ピストンはノズルニードルを噴射開口に向けて押圧して閉鎖するようになる。有害容積内の蒸気割合が大きければ大きいほどに、ノズルニードルの閉鎖の行程時間は長くなり、噴射のばらつきや大きな漏れを生ぜしめてしまうことになる。これによって噴射の安定性は悪化し、かつ噴射から次の噴射の行程制御時間は増大することになる。同じく後続の噴射に対する可能な間隔も増大し、その結果、多段噴射の可能性が小さくなっている。

本発明の課題は、燃料インジェクターを改善して、流出絞りの後の有害容積を減少して、各噴射のばらつきを減少させることである。さらに、制御室内の燃料高圧の形成のために必要な時間を減少させることである。

前記課題を解決するために、本発明の構成に基づき、流出絞りは、弁部材の通路孔から環状室への移行部の領域内に配置されている。

流出絞りの本発明に基づく配置により、利点として、燃料が低い圧力で存在する流出制御室と流出絞りとの間の容積が小さくなっており、該容積を小さくたもつことにより必然的に有害容積も減少されている。環状室の容積及び弁部材の通路孔と環状室との間の燃料案内のための通路の一部分にしか有害容積は生じておらず、その結果、環状室自体を小さく形成することができるようになっている。これによって、有害容積のさらなる減少を達成することができる。

本発明の有利な実施態様では、通路孔は、案内部分内に、それも通路孔（縦孔）に対して横方向に設けられかつ横孔軸線に沿って延びる横孔に開口しており、通路孔は、流出絞りの形成のために該通路孔の開口部位の前側（上流側）に断面の減少された絞り部（断面縮小部若しくは絞りジオメトリー）を有している。このような１つの実施態様により、燃料の制御容積の絞りのための流出絞りの形成を達成している。横孔は、燃料インジェクターの行程軸線（若しくは弁部材又は案内部分の縦軸線）に対して横方向に設けられ、つまり行程軸線に対して角度を成して設けられおり、横孔を行程軸線に対して垂直に設ける場合には、該横孔は、案内部分の全直径にわたって一貫して延びていて、２つの部位で環状室に開口している。通路孔から横孔への移行部は、絞り作用を得るために隘路部を有している。横孔を環状室に二倍の部位で開口させてあることにより、弁ニードルの開放時の燃料容積若しくは燃料量の流出制御は対称的に行われ、その結果、横孔から流出する燃料が弁ニードルの片側のみに沿って流れるようなことはなくなっている。絞りの形成のための狭められた部位、つまり絞り部又は隘路部は、レーザー穿孔の技術を用いて成形されてよく、この場合に短い制御時間を達成し、かつ流出絞りを最適な形状で成形できるようになっている。

本発明に基づく流出絞りの有利な実施態様では、断面の減少された絞り部は、円筒形の形状及び漏斗形（漏斗状）の形状のうちの少なくともいずれか一方の形状を有しており、この場合に漏斗形の開口部は横孔に向いている、つまり円筒形及び漏斗形の形状の絞り部の漏斗形部分若しくは漏斗形の形状の絞り部の漏斗形部分は横孔に向かって末広がりになっている。さらに有利には、かど部若しくは縁部に丸味を付けて、絞り部位を通る燃料の流れを最適にしてある。これによって、燃料流の強い転向は避けられるようになっている。さらに一体構造も可能であり、この場合に案内部分と弁部材とは互いに同一材料で一体成形されている。さらに弁座は接極子案内の上方の端部に設けられてよく、これによって機能を損なうことはない。さらに上側に配置される絞り部位の場合にも有害容積の増大は生じていない。

絞り部位の成形のために、通路孔は止まり穴として穿孔され、横孔は貫通孔として穿孔される。次いで、流出絞りをレーザー穿孔により加工成形し、これによって通路孔と横孔とは接続される。次いで、絞り部位のかど部若しくは縁部（エッジ）は、流れを滑らかにするためにハイドロエロージョンにより丸味を付けられる。

本発明の有利な実施態様では、横孔は１つの横孔断面を有しており、かつ通路孔は１つの通路孔断面を有しており、この場合に横孔断面は流出絞りの形成のために通路孔断面よりも小さくなっている。横孔は案内部分の全直径にわたって延びていて、つまり案内部分を横方向に貫通しており、その結果、通路孔から横孔内に流入した燃料は、横孔の両方の開口部から環状室内に達するようになっている。２つ、若しくは複数の横孔を案内部分に設けることも可能であり、複数の横孔内に通路孔からの燃料量を分配するようになっており、これによって燃料量（燃料流）は各横孔を経て環状室に達するようになっている。この場合に注意される点として、横孔から環状室へ燃料を流出させる開口は、燃料流が弁ニードルの片側に沿ってのみ流れることを避けるために、環状室の全周にわたって対称的に分配して配置されている。流出絞り自体は、横孔の狭められた断面によって形成されており、この場合に通路孔の直径は横孔の直径の１．２５〜５倍である。例えば通路孔は１ｍｍの断面（直径）を有しており、横孔は０．３ｍｍの断面を有している。別の実施態様では、通路孔は１ｍｍの断面を有しているのに対して、横孔は０．８ｍｍの断面を有しており、断面比は１．２５倍である。

本発明の第３の実施態様では、流出絞りは、通路孔の端部と環状室との間に設けられた少なくとも１つの絞り孔によって形成されており、該絞り孔は１つの絞り孔断面を有しており、該絞り孔断面は、流出絞りの形成のために通路孔の通路孔断面よりも小さくなっている。この場合に絞り孔の断面は、直径の大きなディフューザー部分を形成するために、環状室への該絞り孔の流出口の前側で拡大され、つまり、絞り孔は上流側の直径の小さい方の孔区分と下流側の直径の大きい方の孔区分とによって形成されている。ディフューザー部分は円筒形若しくは円錐形に形成されており、円錐形に形成されるディフューザー部分は、環状室に向かって末広がりになっており、つまりディフューザー部分の流出開口は環状室に向けられている。絞り孔は、１つの断面を有しており、該断面は所期の絞り作用を得るために小さく形成されている。絞り孔の直径の小さい方の孔区分に続くディフューザー部分内では、燃料の流れは流れ断面、つまり流路断面にわたって均一になっていて、したがって安定した状態で環状室内に流入し、つまり層流状態で環状室内に流入するようになっている。

本発明の別の有利な実施態様では、絞り孔とディフューザー部分とは、行程軸線に対して角度を成している１つの孔軸線に沿って延びており、この場合に行程軸線に対する角度は、２０°と８０°との間の値の角度、有利には３０°と６０°との間の値の角度、特に有利には４５°の値の角度である。これによって流動状態を最適にすることができ、その結果、燃料は、横孔の場合のように急激に転向されることなしに、つまりほぼ９０°にわたって転向されることなしに、緩やかに流過するようになっている。したがって安定した燃料流れを達成し、ひいては絞り作用の制御の改善を達成している。絞り作用を生ぜしめる孔区分と該孔区分に続くディフューザー部分とは、絞り孔の孔軸線に対して同軸に延びており、つまり互いに同軸に延びている。本発明の有利な実施態様では、絞り孔を２つの加工工程で成形するために、まずディフューザー部分を孔軸線に沿って止まり穴として成形するようになっている。絞り孔は周知のように機械式に穿孔され、或いは別の実施態様では、絞り孔を侵食加工手段又はエロージョン法によって成形し、若しくはレーザー穿孔により加工成形することができ、これによって小さくかつ正確な穿孔寸法を達成することができる。特に有利には、穿孔の後にかど部若しくは縁部に丸味を付けるようになっており、これによって、燃料流に不都合な影響を及ぼす、例えば燃料流の剥離若しくは乱流を生ぜしめるような縁効果若しくはエッジ効果を避けることができる。

本発明のさらに別の有利な実施態様では、通路孔の端部と環状室との間に少なくとも２つの絞り孔を設けてあり、該絞り孔は相互に１８０°の角度を成して相対している、つまり行程軸線に対して垂直な断面で見て、行程軸線を中心として相互に等角度間隔で配置され、例えば互いに１０８°の角度間隔を置いて相対するように配置されており、これによって絞り孔を案内部分の全周にわたって均一に分配してあり、ひいては案内部分の全周にわたって均一に分配された若しくは対称的に配置された燃料流を生ぜしめるようになっている。

次に本発明を図示の実施例に基づき詳細に説明する。

本発明に基づく燃料インジェクターの第１の実施例の断面図である。 通路孔と横孔との間の絞り部を有する流出絞りの第１の実施例の拡大断面図である。 本発明に基づく燃料インジェクターの第２の実施例の断面図である。 流出絞りの第２の実施例の拡大断面図である。 本発明に基づく燃料インジェクターの第３の実施例の断面図である。 流出絞りの第３の実施例の拡大断面図である。

図１、図３及び図５は、本発明に基づく燃料インジェクター１の断面図であり、本発明に基づく流出絞り１２の各実施例を示している。本発明に基づく燃料インジェクター１は、インジェクター本体２を有しており、該インジェクター本体内に弁ピストン３を行程運動可能（往復動可能）に案内してある。弁ピストン３の行程運動（往復運動）は行程軸線４に沿って行われるようになっており、この場合に、弁ピストン３はその端部でもって制御室１０を画成（画定）している。制御室１０は流入絞りを介して燃料高圧によって負荷され、つまり燃料高圧の作用を受けており、その結果、制御室１０内に作用している高圧により、弁ピストン３はインジェクター本体２内の図示省略の噴射ノズルに向けて押圧されている。制御室１０を負荷軽減する、つまり制御室内に作用している圧力を減少させると、弁ピストン３は垂直方向で上方へ行程軸線４に沿って運動し、これによって噴射開口は開放される。制御室１０からの燃料の流出は、弁部材８内を軸線方向に延びる通路孔９を介して行われるようになっている。弁部材８に隣接して案内部分７を設けてあり、該案内部分は弁部材８と一体に該弁部材内へ同一材料で移行し、つまり該弁部材に一体成形されている。案内部分７はシリンダー状若しくは円柱状に形成されていて、弁ニードル５の案内孔６内に挿入されている。これによって弁ニードル５は行程軸線４の方向で案内部分７に沿って行程運動可能に案内されていて、電磁石を用いて垂直方向で上方へ吸引され、つまり引っ張られるようになっている。電磁石に電流を供給すると、弁ニードル５は該弁ニードルに一体成形された接極子部分を介して吸引されて、開放位置へ移される。電磁石への給電を終了すると、弁ばねによって弁ニードル５を再び垂直方向で下方へ座部内に押圧して、座部をシール（閉鎖）するようになっている。シール作用は、弁ニードル５の下方の端部に形成されているシール縁部によって生ぜしめられ、シール縁部若しくは下方の端部は案内部分若しくは弁部材に対して環状に密着するようになっている。燃料は、弁部材内の軸線方向孔若しくは縦穴として形成された通路孔９内を流れるようになっており、本発明に基づく流出絞りは通路孔９と環状室１１との間の適切な幾何学的な形状によって画定されている。本発明に基づく流出絞りの種々の実施例を、図２、図４及び図６に示してある。

図２には本発明の第１の実施例の流出絞り１２を示してある。図２の実施例において、弁部材８内の通路孔９は少なくとも部分的に案内部分７内に入り込んでいる。通路孔９に対して横方向に横孔１４を形成してあり、通路孔９から横孔１４への移行部の領域、つまり、通路孔と横孔とをつなぐ部分の領域に絞り部１５を設けてある。燃料は制御室から通路孔９を通って流れて、弁ニードル５が垂直方向で行程軸線４に沿って上方に移動させられた場合に、環状室１１から弁ニードル５の外側領域内へ流出するようになっている。この場合に燃料は通路孔９から横孔１４を経て環状室１１内へ流入し、つまり、絞り部１５を貫流するようになっている。絞り部１５はホッパー又は漏斗の形若しくは円錐の形状を有していて、横孔１４に向かって末広がりに開口している。通路孔から絞り部の漏斗状の領域への移行部は、所定の絞り作用を達成するために流路減少部（狭窄部若しくは隘路）を含んでいる。これによって、ニードル５を開いた場合に通路孔９内の圧力は高い値（レベル）に保たれたままであり、その結果、通路孔９内には有害容積は生ぜず、若しくは完全に防止され、或いは環状室の領域にしか生ぜず、それもわずかにしか生じなくなっている。

図４には、本発明に基づく流出絞りの別の実施例が通路孔９から環状室１１への移行部の領域で示されている。弁部材８内に軸線方向孔若しくは縦穴（縦孔）として形成された通路孔９の通路孔断面１７は、横孔１４の横孔断面１６よりも大きく形成されている。横孔１４は行程軸線４に対して横方向に、該実施例でも行程軸線に対してほぼ垂直に延びていて、通路孔９と環状室１１との間の接続部（接続通路）を形成している。燃料が通路孔９から横孔１４を経て環状室１１へ流過する場合に、横孔１４の横孔断面１６は流出絞り１２を形成している。該実施例では横孔１４を、環状室１１の領域で案内部分１７の全断面にわたって延びるように形成してあり、その結果、燃料は横孔の両方の開口部位から環状室１１内へ流出するようになっている。横孔断面１６を小さく形成すればするほど、流出絞りの絞り作用は高められ、断面を大きくすると、絞り作用は減少される。

図６には、本発明に基づく流出絞りの第３の実施例が通路孔９と環状室１１との間の領域で示されている。該流出絞りは、それぞれ行程軸線４に対してほぼ４５°の角度を成して延びる各孔軸線によって画定された２つの絞り孔１８によって形成されており、この場合に燃料は、通路孔９から各絞り孔１８を経て環状室１１内に流入するようになっている。絞り孔１８は、絞り作用を達成する小さな断面を有しており、この場合に該絞り孔は、流入口から環状室１１に向かって、断面の拡大若しくは増大されたディフューザー部分１９に移行しており、つまり、流出絞りは断面の小さな流入側の孔部分及び断面の大きな流出側の孔部分（ディフューザー部分）によって形成されている。ディフューザー部分は増大された断面を有しており、その結果、該絞り孔から流出する燃料流は安定化されて、流れの渦の減少された状態で環状室１１に流入するようになっている。所定の通路孔断面１７を有する通路孔９の断面は、任意の大きさで形成されてよく、有害容積につながる容積は生ぜず、それというのは該実施例の通路孔１９内にも高い燃料圧力値が、弁ニードル５を開いた場合にも保たれるようになっているからである。絞り孔１８若しくはディフューザー部分１９をほぼ４５°の角度の孔軸線２０に沿って配置することにより、燃料は強くは転向されなくなっており、つまり流路は全体的に緩やかに延びている。しかしながら図６の実施例の流出絞り１２は、前記角度を成す構成に限定されるものではなく、図４の実施例に即して行程軸線４に対して９０°の角度を成して形成されてよいものである。さらに複数の絞り孔は有利には互いに等角度間隔で配置され、つまり、行程軸線に対して垂直な断面図で見て、行程軸線を中心とする互いに同じ角度間隔で配置され、例えば２つの絞り孔を設けてある場合には、両方の絞り孔は相互に１８０°の角度間隔で配置され、つまり案内部分の１つの直径線上に位置して相対するように配置されている。

１ 燃料インジェクター、 ２ インジェクター本体、 ３ 弁ピストン、 ４ 行程軸線、 ５ 弁ニードル、 ６ 弁ニードル、 ７ 案内部分、 ８ 弁部材、 ９ 通路孔、 １０ 制御室、 １２ 流出絞り、 １４ 横孔、 １６ 横孔断面、 １７ 通路孔断面、 １８ 絞り孔、 １９ ディフューザー部分、 ２０ 孔軸線

Claims (10)

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ー（１）であって、インジェクター本体（２）内に行程運動可能に案内された弁ピストン（３）を含んでおり、前記弁ピストン（３）の行程運動は制御弁によって制御されるようになっており、該制御弁は行程軸線（４）の方向に行程運動可能な弁ニードル（５）を有しており、該弁ニードルは案内孔（６）を備えており、該案内孔内には、弁部材（８）の一方の端部に前記弁ニードル（５）の案内のために一体成形された案内部分（７）を挿入してあり、前記弁部材（８）内に、該弁部材内を前記行程軸線（４）に沿って前記案内部分（７）内まで延びる通路孔（９）を設けてあり、該通路孔によって燃料は、前記弁ピストン（３）の行程運動制御のための制御室（１０）から、前記案内孔（６）と前記案内部分（７）との間に設けられた環状室（１１）内に流入するようになっており、前記通路孔（９）によって案内された燃料量はさらに少なくとも１つの流出絞り（１２）を経て流過するようになっている形式のものにおいて、前記流出絞り（１２）は、前記通路孔（９）から前記環状室（１１）への移行部の領域内に配置されていることを特徴とする、付加的な流出絞りを有する燃料インジェクター。
2. 通路孔（９）は、案内部分（７）内に設けられて横孔軸線（１３）に沿って延びる横孔（１４）に開口しており、前記通路孔（９）は、流出絞り（１２）の形成のために該通路孔の開口部位の前側に断面の減少された絞り部（１５）を有している請求項１に記載の燃料インジェクター。
3. 断面の減少された絞り部（１５）は、円筒形の形状及び漏斗形の形状のうちの少なくともいずれか一方の形状を有しており、漏斗形の開口部は横孔（１４）に向いている請求項２に記載燃料インジェクター。
4. 横孔（１４）は１つの横孔断面（１６）を有しており、かつ通路孔（９）は１つの通路孔断面（１７）を有しており、前記横孔断面（１６）は流出絞り（１２）の形成のために前記通路孔断面（１７）よりも小さくなっている請求項１から３のいずれか１項に記載燃料インジェクター。
5. 横孔（１４）は案内部分（７）の全直径にわたって延びており、その結果、通路孔（９）からの燃料は前記横孔（１４）の両方の開口部から環状室（１１）内に達するようになっている請求項１から４のいずれか１項に記載燃料インジェクター。
6. 案内部分（７）内に２つ若しくは複数の横孔（１４）を設けてあり、該横孔に通路孔（９）からの燃料を分配するようになっており、該燃料は前記各横孔（１４）を通って環状室（１１）内に達するようになっている請求項１から５のいずれか１項に記載燃料インジェクター。
7. 通路孔（９）の端部と環状室（１１）との間に少なくとも１つの絞り孔（１８）を設けてあり、該絞り孔は１つの絞り孔断面を有しており、該絞り孔断面は、流出絞り（１２）の形成のために通路孔断面（１７）よりも小さくなっており、前記絞り孔（１８）の断面は、直径の大きなディフューザー部分（９）を形成するために、環状室（１１）への該絞り孔の流出口の前側で拡大されている請求項１に記載燃料インジェクター。
8. ディフューザー部分（９）は円筒形若しくは円錐形に形成されており、円錐形に形成されるディフューザー部分の開口部は環状室（１１）に向いている請求項７に記載燃料インジェクター。
9. 絞り孔（１８）及びディフューザー部分（９）は、行程軸線（４）に対して所定の角度を成している孔軸線（２０）に沿って延びており、前記角度は２０°と８０°との間の値、有利には３０°と６０°との間の値、特に有利には４５°の値である請求項８に記載燃料インジェクター。
10. 通路孔（９）の端部と環状室（１１）との間に少なくとも２つの絞り孔（１８）を設けてあり、該絞り孔は相互に１８０°の角度を成して相対している請求項７から９のいずれか１項に記載燃料インジェクター。

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