JP2012521514A - 噴射弁 - Google Patents

Abstract

流体を噴射するための噴射弁（１００）であって、噴射弁キャビティ（８０）を備えた噴射弁ケーシング（４０）を有している。噴射弁（１００）は、噴射弁キャビティ（８０）内で軸方向に可動な弁ニードル（１０）を有している。弁ニードル（１０）は、弁ニードルキャビティを備えた弁ニードルボディ（２０）と、分離エレメント（１２０）を有していて、前記分離エレメント（１２０）は、前記弁ニードルキャビティ内に固定的に配置されていて、該弁ニードルキャビティを第１の流体容積室（３０）と第２の流体容積室（３５）とに分割するようになっている。分離エレメント（１２０）は、第１の流体容積室（３０）と第２の流体容積室（３５）とを液圧的に接続するための、設定された通路開口を備えた少なくとも１つの流体通路（１３０）を有している。弁ニードル（１０）は、シールエレメント（５０）を有している。このシールエレメント（５０）は、第１の流体容積室（３０）を設定するために配置されていて、かつ閉鎖位置では流体噴射を阻止し、閉鎖位置とは別の位置では流体噴射を可能にするようになっている。さらにバルブニードル（１０）は、ばねエレメント（６０）を有している。ばねエレメント（６０）は、プリロードをかけられていて、前記シールエレメント（５０）に、弁ニードル（１０）の最大の軸方向の拡張に向かう方向で作用している。

Description

本発明は、流体を噴射するための噴射弁に関する。

噴射弁は広範囲にわたって、特に内燃機関のために使用されている。内燃機関において、噴射弁は、内燃機関のインテークマニホールド内に、または内燃機関のシリンダの燃焼室内に流体を直接に配量するために配置され得る。

噴射弁は、種々異なる内燃機関のための種々異なる要求を満たすために、種々異なる形態で製造されている。したがって、たとえば噴射弁の長さおよび直径、ならびに流体を配量する形式に関与する噴射弁の種々異なるエレメントは広範囲で変化し得る。これに加えて、噴射弁は、当該噴射弁の弁ニードルを作動させるためのアクチュエータを収容することができる。アクチュエータは、たとえば電磁式のアクチュエータであってよい。

燃焼プロセスを、望ましくないエミッションの形成に関して改善するために、各噴射弁は、流体を極めて高い圧力で配量するために適していてよい。この圧力は、ガソリンエンジンの場合、たとえば２００ｂａｒまでの範囲であり、ディーゼルエンジンの場合、２０００ｂａｒまでの範囲であり得る。

米国特許第６５２３７５９号明細書は、噴射弁の運転中、バルブニードルの、インテークマニホールド内または燃焼室内への流体の配量を止めるための閉動作には、ニードルバウンス（ニードルの跳ね返り）と称呼される弁ニードルの不要な再開放および閉鎖段階が続くことを開示している。不必要な再開放および閉鎖段階の間に、不必要な流体が噴射弁から噴出される。このことは、噴射弁の低下した性能をもたらす。したがって、アーマチュアの上流側の端部に向かう流体の流れを制限するために、弁ニードルのアーマチュアに流量制限部材が配置されていて、このことは、弁ニードルの減じられたバウンスにつながる。

本発明の課題は、確実かつ正確な機能を促進する噴射弁を製造することである。

この課題は、請求項１の特徴部に記載の特徴により解決される。本発明の有利な実施形態は、請求項２以下に記載されている。

本発明は、流体を噴射するための噴射弁により区別される。噴射弁は、長手方向軸線と、噴射弁キャビティを備えた噴射弁ケーシングとを有している。さらに噴射弁は、噴射弁キャビティ内で軸方向に可動な弁ニードルを有している。弁ニードルは、弁ニードルキャビティを備えた弁ニードルボディを有している。さらに弁ニードルは、分離エレメントを有している。分離エレメントは、弁ニードルキャビティ内に固定的に配置されており、弁ニードルキャビティを分割して第１の流体容積室と第２の流体容積室とを形成するようになっている。分離エレメントは、少なくとも１つの流体通路を有している。この流体通路は、第１の流体容積室と第２の流体容積室とを液圧的に接続するために設定された通路開口を備えている。さらに、弁ニードルは、シールエレメントを有している。このシールエレメントは、軸方向に可動であり、かつ第１の流体容積を設定するために配置されている。シールエレメントは、閉鎖位置では流体の噴射を阻止し、他の位置では流体の噴射を可能にするようになっている。弁ニードルは、少なくとも１つのばねエレメントを有している。このばねエレメントは、プリロード（予荷重）をかけられていて、かつシールエレメントに、弁ニードルの最大の軸方向の拡張に向かう方向で作用する。このことは、弁ニードルのバウンスを最小限にすることに貢献し、これにより、確実かつ正確な流体の噴射を保証することに貢献する。弁ニードルボディが、アーマチュアに連結されていると有利である。アーマチュアは、電磁作動式の噴射弁の場合にはソレノイドによって作動されるように運転可能である。圧電式噴射弁の場合には、弁ニードルが圧電アクチュエータに連結されていると有利である。弁ニードルボディとシールエレメントとは、軸方向で互いに対して相対的に可動である。

第１の流体容積室および第２の流体容積室は、流体により充填されるように設計されている。第１の流体容積が、たとえばシールエレメントの、分離エレメントに向かう軸方向の運動によって減少する間に、第１の流体容積室内の流体は、設定された通路開口を備えた流体通路を通過させられ、これにより、シールエレメントおよび／または弁ニードルボディの軸方向の運動を減衰する。流体通路の通路開口の寸法の変更および／または流体通路の個数の変更によって、振動の減衰が変化され得る。

第１の流体容積は、弁ニードルキャビティ内における分離エレメントの配置と、シールエレメントの現在の軸方向の位置とにより設定されている。弁ニードルが拡張して、軸方向の最大の拡張に達すると、第１の流体容積室は最大化される。弁ニードルの軸方向の拡張が、たとえばシールエレメントおよび／または弁ニードルボディの軸方向の運動により減じられると、第１の流体容積室が減じられて、流体を少なくとも１つの流体通路を通して第２の流体容積室内へと通過させる。

本発明の有利な実施形態によれば、シールエレメントは、球形または円錐の形状を有している。このことは、噴射弁の確実かつ正確な機能を保証することに貢献する。

本発明の有利な別の実施形態では、少なくとも１つの流体通路が、軸方向の孔である。これにより噴射弁の製造を簡単化することができる。

本発明の有利な別の実施形態では、シールエレメントおよび／または弁ニードルボディが、シールエレメントと第１の流体容積室の壁との間の流体の流れを基本的に阻止するようになっている。これによって、弁ニードルキャビティ内の流体は、基本的に、分離エレメントに設けられた少なくとも１つの流体通路を通って流れる。これによって、噴射弁の製造中に少なくとも１つの流体通路の通路開口の寸法を変更するだけで、かつ／または分離エレメントに設けられた流体通路の個数を変更することによって、シールエレメントおよび／または弁ニードルボディの軸方向の運動の減衰を簡単に変更することができる。

本発明の有利な別の実施形態では、シールエレメントおよび／または弁ニードルボディは、シールエレメントが軸方向で運動する間に、設定された漏れ特性を提供するようになっている。この漏れ特性によって、第１の流体容積室は噴射弁キャビティに液圧的に接続されている。設定された漏れは、たとえばシールエレメントおよび／または弁ニードルボディを以下のように設計することにより実現され得る。すなわち、シールエレメントが軸方向に運動する間に、当該シールエレメントと、弁ニードルキャビティの内壁との間に設定された半径方向の隙間が提供されるようにされる。

択一的には、シールエレメントおよび／または弁ニードルボディは、弁ニードルが拡張して最大の軸方向の拡張に達している間、たとえばシールエレメントが閉鎖位置とは別の位置にある間に、流体の流れを基本的に阻止するようになっていて、弁ニードルが減じられた軸方向の拡張を有している間、たとえばシールエレメントがその閉鎖位置にある間に、設定された漏れ特性を提供するようになっていてもよい。

本発明の有利な別の実施形態では、弁ニードルボディが、突出部を有している。弁ニードルがその最大の軸方向の拡張に達すると、この突出部にシールエレメントが載置される。最大の軸方向の拡張は、たとえば、シールエレメントが閉鎖位置とは別の位置にある場合に達成される。突出部が、弁ニードルボディの塑性変形により形成されていると有利である。突出部を、弁ニードルの軸方向の拡張を制限するために使用することは、噴射弁の製造を単純化することに貢献する。シールエレメントが突出部に載置している場合に、流体の流れが基本的には阻止されているように突出部が形成されていると有利である。

本発明の有利な別の実施形態では、少なくとも１つのばねエレメントの第１の座が、分離エレメントにより形成されている。このことは、噴射弁の単純かつコスト効率のよい製造を保証することに貢献する。

本発明の有利な別の実施形態では、少なくとも１つのばねエレメントの第２の座が、シールエレメントにより形成されている。このことは、噴射弁の単純かつコスト効率のよい製造を保証することに貢献する。

本発明の有利な別の実施形態によれば、少なくとも１つのばねエレメントは、コイルばねであり、第１の流体容積室内に配置されている。このことは、頑丈な噴射弁を保証にすることに貢献する。

以下に本発明の例示的な実施形態を概略的な図面につき説明する。

弁ニードルと弁ニードル座とを備える噴射弁を示す図である。 グラフである。

異なる図面に示された、同じ設計または機能を備える構成部分は、同一の参照番号により識別される。

特に流体を内燃機関内に配量するために適している噴射弁１００（図１）は、中心の長手方向軸線ＬＡを備える噴射弁ケーシング４０と、噴射弁キャビティ８０と、弁ニードル１０と、弁ニードル座７０とを有している。弁ニードル１０は、弁ニードルボディ２０と、分離エレメント１２０と、シールエレメント５０と、ばねエレメント６０とを有している。

弁ニードルボディ２０は、有利には円筒の形状を有していて、噴射弁１００のアクチュエータ、たとえば電磁アクチュエータまたは圧電アクチュエータにより作動させられる。作動中に、弁ニードルボディ２０は、噴射弁キャビティ８０内で軸方向に運動する。弁ニードルボディ２０は、弁ニードルキャビティを有している。弁ニードルキャビティ内には分離エレメント１２０が固定的に配置されていて、弁ニードルキャビティを第１の流体容積室３０と第２の流体容積室３５とに分割している。噴射弁キャビティ８０と、第１および第２の流体容積室３０，３５とは、流体、たとえば燃料で充填されるように設計されている。

シールエレメント５０は、第１の流体容積室３０を制限するために少なくとも部分的に弁ニードルキャビティ内に配置されていて、球の形状を有している。択一的には、シールエレメント５０は、円錐の形状を有している。弁ニードル１０の閉鎖位置では、シールエレメント５０が、密閉するように弁ニードル座７０上に載置され、これによって、噴射弁１００に設けられた少なくとも１つの噴射ノズルを通じた流体の流れを阻止する。噴射ノズルは、たとえば噴射孔であってよい。しかし、噴射ノズルは、流体を配量するために適した別のタイプであってもよい。シールエレメント５０は、別の位置で、つまりシールエレメント５０が弁ニードル座７０上に載置されていない場合に、燃焼室内への流体噴射を可能にする。この別の位置は、非閉鎖位置と呼ばれる。

シールエレメント５０と、弁ニードルボディ２０とは、互いに対して相対的に軸方向で可動である。弁ニードルボディ２０は、突出部１１０を有している。この突出部１１０は、シールエレメント５０が非閉鎖位置にある場合に、シールエレメント５０が載置されると有利である座を形成している。たとえば、突出部１１０は、塑性変形により形成されていてよい。シールエレメント５０の非閉鎖位置は、弁ニードル１０の、最大の軸方向の拡張（expansion）を意味している。シールエレメント５０が閉鎖位置で弁ニードル座７０に載置されている場合に、弁ニードルの軸方向の拡張が減じられていると有利である。

ばねエレメント６０はコイルばねであり、有利にはステンレス鋼から形成されている。ばねエレメント６０は、第１の流体容積室３０内に配置されている。分離エレメント１２０は、ばねエレメント６０の第１の座を形成し、シールエレメント５０自体がばねエレメント６０の第２の座を形成している。ばねエレメント６０はプリロード、つまり予荷重をかけられていて、シールエレメント５０に、弁ニードル１０の最大の拡張に向かって軸方向で作用する。シールエレメント５０が突出部１１０に載置している場合に、弁ニードル１０の軸方向の拡張は最大化されている。

分離エレメント１２０は、第１の流体容積室３０と第２の流体容積室３５とを液圧的に接続するために軸方向の流体通路１３０を有している。流体通路１３０は、好適には、設定された直径を備える軸方向の孔であり、設定された通路開口を表す。流体通路１３０は、弁ニードルボディ２０に対して相対的なシールエレメント５０の軸方向の運動に基づいて、第１の流体容積室３０から第２の流体容積室３５内へ、あるいは第２の流体容積室３５から第１の流体容積室３０へと流体を通過させるようになっている。

シールエレメント５０は、噴射弁１００の閉鎖段階で弁ニードル座７０に衝突する。ばねエレメント６０は基本的に、シールエレメント５０を弁ニードルボディ２０の軸方向の運動から切り離している。シールエレメント５０が弁ニードル座７０に衝突したあとに、弁ニードルボディ２０は典型的には、減少する振動振幅で軸方向に振動する。弁ニードルボディ２０の軸方向の運動は、弁ニードル座７０上に載置しているシールエレメント５０の位置に影響を与えず、弁ニードルボディ２０の運動エネルギは少なくとも部分的にばねエレメント６０により吸収される。圧縮段階、つまり第１の流体容積室３０の容積が弁ニードルボディ２０の運動により減少する段階では、第１の流体容積室３０内の流体が、流体通路１３０を通って第２の流体容積室３５内へ通過させられる。弁ニードルボディ２０の減少する振動の減衰定数は、ばねエレメント６０のばね定数と、通路１３０の設定された直径とに依存する。弁ニードルボディ２０の軸方向の振動とシールエレメント５０とを切り離すことにより、シールエレメント５０は、基本的に弁ニードル座７０に載置している。このことは、閉鎖段階での弁ニードル座７０への衝突後のシールエレメント５０のバウンスを減じ、噴射弁１００の閉鎖段階の間の制御されない流体噴射を減じる。

シールエレメント５０および／または弁ニードルボディ２０は、シールエレメント５０と第１の流体容積室３０の内壁との間の流体の流れを基本的に阻止するようになっている。これによって、シールエレメント５０が軸方向に運動した場合に、流体は基本的に流体通路１３０を通過する。

図２は、シールエレメント５０のバウンスを示した時間図である。第１の特性線２００は、バウンスを減じていない、噴射弁内のシールエレメント５０のリフト（上昇）Ｌを示している。第２の特性線２１０は、図１に示した、つまりバウンスを減じた、噴射弁内のシールエレメント５０のリフトＬを示している。第１のリフトＬ１は、特定のシールエレメント５０の非閉鎖位置を示している。第２のリフトＬ２は、特定のシールエレメント５０の閉鎖位置を示している。第１の時点ｔ１で、特定の噴射弁１００は、その閉鎖段階にはいる。特定のシールエレメント５０は、流体噴射をストップするために、第２の時点ｔ２で弁ニードル座７０に衝突する。

図２に示されているように、シールエレメントのバウンスを減じていない噴射弁は、複数の不要な再開放段階を有していて、この再開放段階では流体が噴射弁から噴出されている。流体噴射は、第４の時点ｔ４で最終的にストップする。この第４の時点ｔ４では、弁ニードルの運動エネルギは消散されている。

図２に示したように、図１に示した噴射弁１００も、第２の特性線２１０により示された不要な複数の再開放段階を有している。第１の特性線２００と比べて、再開放段階の量は著しく減じられている。さらに、第２の特性線２１０の特定のシールエレメントの特定のリフトを表す特定の振幅は、第１の特性線２００の特定の振幅に比べて著しく減じられている。流体噴射は、第３の時点ｔ３で最終的にストップし、この第３の時点ｔ３は、第４の時点ｔ４の前にある。

別の実施形態では、シールエレメント５０および／または弁ニードルボディ２０は、有利には、シールエレメントが突出部１１０に載置されていない場合に、シールエレメント５０と弁ニードルキャビティの内壁との間に設定された半径方向の隙間を提供するようになっている。この半径方向の隙間は、第１の流体容積室３０と噴射弁キャビティ８０との間で液圧的な接続を形成する。シールエレメント５０と弁ニードルキャビティの内壁との間の半径方向の隙間の開口を設定することにより、弁ニードルボディ２０の振動の減衰を変化させることができ、したがって、シールエレメント５０のバウンスを減じている。半径方向で設定された隙間は、設定された漏れ特性を有している。

別の実施形態では、分離エレメント１２０が、１つよりも多い流体通路１３０を有している。これらの流体通路１３０はそれぞれ設定された１つまたは複数の開口を有している。

別の実施形態では、弁ニードル１０は、１つよりも多いばねエレメント６０を有している。

Claims (9)

1. 流体を噴射するための噴射弁（１００）であって、
   長手方向軸線（ＬＡ）と、
   噴射弁キャビティ（８０）を備えた噴射弁ケーシング（４０）と、
   噴射弁キャビティ（８０）内で軸方向に可動な弁ニードル（１０）とが設けられており、該弁ニードル（１０）が、
   弁ニードルキャビティを備えた弁ニードルボディ（２０）と、
   分離エレメント（１２０）と、
   シールエレメント（５０）と、
   少なくとも１つのばねエレメント（６０）を有しており、
   前記分離エレメント（１２０）が、前記弁ニードルキャビティ内に固定的に配置されていて、該弁ニードルキャビティを第１の流体容積室（３０）と第２の流体容積室（３５）とに分割するようになっており、かつ第１の流体容積室（３０）と第２の流体容積室（３５）とを液圧的に接続するための、設定された通路開口を備えた少なくとも１つの流体通路（１３０）を有しており、
   前記シールエレメント（５０）が、軸方向に可動であり、第１の流体容積室（３０）を設定するために配置されており、かつ閉鎖位置では流体噴射を阻止し、閉鎖位置とは別の位置では流体噴射を可能にするようになっており、
   前記ばねエレメント（６０）が、プリロードをかけられていて、前記シールエレメント（５０）に、弁ニードル（１０）の最大の軸方向の拡張に向かう方向で作用していることを特徴とする、液体を噴射するための噴射弁。
2. シールエレメント（５０）が、球または円錐の形状を有している、請求項１記載の噴射弁。
3. 少なくとも１つの流体通路（１３０）が、軸方向の孔である、請求項１または２記載の噴射弁。
4. シールエレメント（５０）および／または弁ニードルボディ（２０）が、シールエレメント（５０）と、弁ニードルキャビティの内壁との間の流体の流れを基本的に阻止するようになっている、請求項１から３までのいずれか１項記載の噴射弁
5. シールエレメント（５０）および／または弁ニードルボディ（２０）は、シールエレメント（５０）が軸方向に運動する間に、設定された漏れ特性を提供するようになっている、請求項１から３までのいずれか１項記載の噴射弁。
6. 弁ニードルボディ（２０）が突出部（１１０）を有していて、弁ニードル（１０）がその最大の軸方向の拡張に達した時に、突出部（１１０）にシールエレメント（５０）が載置される、請求項１から３までのいずれか１項記載の噴射弁。
7. 少なくとも１つのばねエレメント（６０）の第１の座が、分離エレメント（１２０）により形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の噴射弁。
8. 少なくとも１つのばねエレメント（６０）の第２の座が、シールエレメント（５０）により形成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の噴射弁。
9. 少なくとも１つのばねエレメント（６０）が、コイルばねであり、第１の流体容積室（３０）内に配置されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の噴射弁。

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