JP2013532787A - 乾式のソレノイドアクチュエータを備えた燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料噴射弁に関する。本発明の構成では、弁ボディ（２）と、該弁ボディ（２）内に延びる燃料経路（３）と、弁座（５）のところで通過部（６）を開閉する、外側に向かって開く弁ニードル（４）と、ソレノイドアーマチュア（８）を備えたソレノイドアクチュエータ（７）と、閉じられた弁状態で弁ニードル（４）を戻し案内する閉鎖ばね（１１）と、シールエレメント（１３）とを備え、該シールエレメント（１３）はソレノイドアクチュエータ（７）を燃料経路（３）から隔離し、これによりソレノイドアクチュエータ（７）は弁ボディ（２）の、燃料から隔離された範囲（１７）に配置されており、さらに、ソレノイドアーマチュア（８）に接触していて、ソレノイドアーマチュア（８）にプリロードもしくは予荷重を加えるカウンタばね（１２）を備え、ソレノイドアーマチュア（８）と弁ニードル（４）とは互いに別個の構成部分であって、両構成部分は所定の分離個所（１４）で直接互いに接触しており、カウンタばね（１２）はソレノイドアーマチュア（８）に弁ニードル（４）に向かってプリロードもしくは予荷重を加えており、閉鎖ばね（１１）の力（Ｆ１）が、カウンタばね（１２）の力（Ｆ２）に抗して作用しており、ただし閉鎖ばね（１１）の力（Ｆ１）は、カウンタばね（１２）の力（Ｆ２）よりも大きく形成されている。

Description

背景技術
本発明は、漏れ戻し路なしの乾式の電磁アクチュエータもしくはソレノイドアクチュエータを備えた燃料噴射弁に関する。

燃料噴射弁は公知先行技術に基づき、種々異なる構成が知られている。たとえば、最近では、ピエゾアクチュエータによって操作される外側に向かって開くタイプの燃料噴射弁が使用される傾向が強い。このタイプの燃料噴射弁は、たしかに迅速な切換時間を実現することができるが、製造が極めて高価で、かつ手間がかかる。さらに、米国特許出願公開第２００７／００９５９５５号明細書に基づき公知の燃料噴射弁では、燃料経路内にソレノイドアクチュエータを配置することが開示されている。この場合、特にアクチュエータ範囲における燃料による腐食問題の他に、作動過程のために必要となる燃料押しのけに基づいた動的特性損失が生ぜしめられる。したがって、燃料噴射のために、できるだけ単純に形成されているか、または廉価である高速切換式の弁を提供することが望まれている。

発明の開示
請求項１の特徴部に記載の特徴を有する本発明による燃料噴射弁には、従来のものに比べて、ソレノイドアクチュエータが燃料経路から完全に分離されているので、ソレノイドアクチュエータが燃料噴射弁の乾燥した範囲に配置されているという利点がある。これにより、特に燃料噴射弁のソレノイドアクチュエータと燃料部分との間の位置誤差に課せられる要求が軽減される。さらに、ソレノイドアクチュエータの構成部分のために軟磁性の特殊な材料を使用することができる。なぜならば、ソレノイドアクチュエータにおける燃料の腐食問題が生じないからである。さらに、本発明による燃料噴射弁は、極めて単純でかつ廉価な構造を有するので、本発明による燃料噴射弁は特に大量生産構成部分として適している。本発明の利点は、弁ボディと弁ニードルとソレノイドアーマチュアを備えたソレノイドアクチュエータとを有する燃料噴射弁により得られる。さらに、閉鎖ばねが設けられており、この閉鎖ばねは弁ニードルに作用して、弁ニードルを閉鎖状態へ戻し案内する。燃料噴射弁は、外側に向かって開く弁として形成されていて、さらにシールエレメントを有する。このシールエレメントはソレノイドアクチュエータを燃料経路から隔離するので、ソレノイドアクチュエータは弁ボディの、燃料から隔離された範囲に配置されている。さらに、閉鎖ばねに対抗するカウンタばねが設けられており、このカウンタばねはソレノイドアーマチュアと接触している。この場合、ソレノイドアーマチュアと弁ニードルとは互いに別個の構成部分として形成されているが、しかし両構成部分は互いに離間可能に接触している。言い換えれば、ソレノイドアーマチュアと弁ニードルとの間の分離個所に接触部が設けられており、この接触部において両構成部分は互いに接しており、この場合、カウンタばねは、ソレノイドアーマチュアに、弁ニードルに向かってプリロードもしくは予荷重を加えている。閉鎖ばねのばね力はこの場合、カウンタばねのばね力よりも大きく設定されている。さらに、本発明における弁ニードルとソレノイドアーマチュアとの間の分離により、はね返り衝突の緩和、すなわち構成部分相互の衝突の緩和が実現され得る。シールエレメントにより、ソレノイドアクチュエータは燃料経路から隔離される。さらに、弁ニードルとソレノイドアーマチュアとの分離により、質量低減が得られるので、弁ニードルの閉鎖過程において、弁ニードルが弁座に到達して通過部を閉鎖する際に、弁座では僅かな摩耗しか生じない。弁ニードルにルーズに配置されたソレノイドアーマチュアはこの場合、カウンタばねの作用に抗して、慣性に基づき跳ね上がることができる。これにより、全体的には、衝突傾向の緩和が得られる。

請求項２以下には、本発明の有利な改良形が記載されている。

シールエレメントは、弁ボディと弁ニードルとに取り付けられたベローズであると有利である。ベローズは金属ベローズであってよく、溶接結合によって弁ボディもしくは弁ニードルに固定され得るので、燃料経路の絶対的に密なシールが行われる。この絶対的に密なシールにより、弁ボディの燃料から隔離された範囲に漏れ経路等を設けることも不要となる。

本発明のさらに有利な構成では、ソレノイドアーマチュアが、ニードル形の範囲を有する。このニードル形の範囲は、コイルを収容するマグネットポットもしくはソレノイドポット内に案内されている。これにより、ソレノイドポットはその本来の機能の他に、さらに案内機能を有することになるので、確実な案内が得られると共に、構成部分点数を減少させることができる。ソレノイドアクチュエータの案内部の一連の誤差はソレノイドアーマチュアとソレノイドポットとを介してしか決定されていないので、製作誤差の脱厳格化もしくは脱精密化を可能にすることができる。

さらに別の有利な構成では、ソレノイドアーマチュアおよびソレノイドポットが、軟磁性の材料から製造されている。これにより、製造コストを著しく減少させることができる。なぜならば、燃料に対して耐食性を有する材料が使用されなくて済むからである。

本発明のさらに別の有利な構成では、ソレノイドアクチュエータが、予め組立て可能な構成アッセンブリである。この予め組立て可能な構成アッセンブリは燃料噴射弁内に嵌め込まれるだけで済む。これにより、ソレノイドアッセンブリの別個のテストが可能となり、ひいては燃料噴射弁の燃料部分の別個のテストも可能となる。これにより、個々の構成アッセンブリを既に最終組立ての前に検査し、かつ場合によっては不良品を撥ねることができる。

本発明の特に有利な構成では、ソレノイドアーマチュアがフラットアーマチュアである。このフラットアーマチュアは乾燥した範囲、つまり燃料から隔離された範囲に配置されているので、燃料噴射弁の高動的な動作、つまり極めて応答性の良い動作に関する大きなポテンシャルが得られる。これにより、アクチュエータとしてピエゾエレメントが必要となることなしに、弁の迅速な切換時間を実現することができる。

本発明のさらに別の有利な構成では、ベローズと弁座とが、ハイドロリック的に、すなわち受圧面積として有効となる直径に関して、等しいハイドロリック有効直径を有するか、またはほぼ等しいハイドロリック有効直径を有する。これにより、軸方向の押圧力が作用しなくなるか、または極めて小さな軸方向の押圧力しか作用しなくなり、このことは、閉鎖ばねおよび電磁石の、付与されるべき操作力に課せられる要求を軽減させる。この場合、与えられた所定の構成スペースにおいて、弁の動的特性向上を達成することができる。

本発明の１実施形態による燃料噴射弁を示す概略的な断面図である。

発明の有利な実施形態
以下に、図１につき、本発明の有利な１実施形態による燃料噴射弁１を詳しく説明する。

燃料噴射弁１は、外側に向かって開くタイプの弁である。図１には、燃料噴射弁１の閉鎖された状態が示されている。本発明による燃料噴射弁１は、たとえば成層燃焼運転における内燃機関のための高圧直接噴射のために使用される。

図１から判るように、燃料噴射弁１は弁ボディ２を有する。弁ボディ２には、高い圧力下にある燃料を供給するための燃料経路３が形成されている。弁ボディ２の一方の端部には通過部６が形成されており、この通過部６は、外側に向かって開く弁ニードル４によって開閉可能である。弁ニードル４は通過部６を、弁座５のところで閉鎖している。

弁ニードル４の、弁座５とは反対の側の端部は、ディスク形のエレメント１５を有する。このディスク形のエレメント１５には、閉鎖ばね１１が接触している。この閉鎖ばね１１は一方ではディスク形のエレメント１５に、他方では弁ボディ２にそれぞれ支持されていて、弁ニードル４を、図１に示した閉鎖された状態にもたらす。燃料噴射弁１はさらに、ベローズの形のシールエレメント１３を有する。このシールエレメント１３は燃料経路３と、燃料の存在しない室１７とを隔てている。ベローズは燃料経路３に対して燃料の存在しない室１７を気密に密封してシールすることを可能にする。図１から判るように、燃料の存在しない室１７内には、閉鎖ばね１１ならびに電磁アクチュエータもしくはソレノイドアクチュエータ７が配置されている。ベローズはさらに、弁座５のハイドロリック的（液圧的）に有効となる横断面（ハイドロリック有効横断面）に相当するハイドロリック有効横断面を有する。これにより、弁ニードル４には、軸方向の押圧力が作用しないか、または極めて小さな軸方向の押圧力しか作用しない（受圧面積が等しいことに基づく）。このことは、付与すべき操作力に課せられる要求を減少させ、この場合、与えられた所定の構成スペースにおいて得られる力により、弁の動的特性の向上がもたらされる。

ソレノイドアクチュエータ７は、フラットアーマチュアの形態の磁気アーマチュアもしくはソレノイドアーマチュア８と、コイル１０と、このコイル１０を収容するソレノイドポット９とを有する。さらに、カウンタばね１２が設けられており、このカウンタばね１２はソレノイドアーマチュア８に、力Ｆ２によってプリロードもしくは予荷重を加えている。カウンタばね１２は、弁ボディ２内に固定されている支持エレメント１６に支持されている。ソレノイドアーマチュア８はディスク形の範囲８ａと、ニードル形の範囲８ｂとを有する。ニードル形の範囲８ｂは弁ニードル４とソレノイドアーマチュア８との間の分離個所１４において弁ニードル４の一端に接触している。この場合、ソレノイドアーマチュア８はニードル形の範囲８ｂによってソレノイドポット９内に案内される。

分離個所１４においてニードル形の範囲８ｂと弁ニードル４との間に、軸方向でのみ押圧された当接しか生じないことに基づき、製作技術的な要求が減じられるので、小さな半径方向ずれや、小さな角度誤差が許容可能になる。これにより、製造コストを著しく減少させることができる。また、弁ニードル４の案内部とソレノイドアーマチュア８の案内部との間にも、ある程度の範囲で半径方向ずれや、角度誤差が生じてもよい。なぜならば、両案内部は互いに分離されているので、いわゆる「過剰規制（ueberbestimmt）」されていないからである。

閉鎖ばね１１は、燃料噴射弁１の軸方向Ｘ−Ｘでソレノイドアクチュエータ７の方向に作用する閉鎖力Ｆ１を提供する。カウンタばね１２は、閉鎖ばね１１の閉鎖力Ｆ１に抗して作用するプリロード力Ｆ２を提供する。この場合、閉鎖ばね１１の閉鎖力Ｆ１はカウンタばね１２のプリロード力Ｆ２よりも大きい。

本発明による燃料噴射弁１の機能は以下の通りである：噴射過程を実施したい場合、コイル１０が通電され、これによりソレノイドアーマチュア８はソレノイドポット９の方向に吸引される。この場合、励磁された磁力とカウンタばね１２のプリロード力Ｆ２との総和から成る、ソレノイドアーマチュア８に作用する力は、閉鎖ばね１１の閉鎖力Ｆ１よりも大きくなるので、閉鎖ばね１１の、ソレノイドアクチュエータ７の方向に作用する閉鎖力Ｆ１に基づいてソレノイドアーマチュア８のニードル形の範囲８ｂと直接に接触している弁ニードル４は、開放方向に押し出される。次いで、図１に矢印Ａにより示したように、高い圧力下に燃料経路３内に供給される燃料が、開放された通過部６から噴射され得る。

噴射を終了させたい場合には、コイル１０への通電が中断される。これにより、ソレノイドアーマチュア８に作用する磁力が消滅するので、カウンタばね１２のプリロード力Ｆ２よりも大きな閉鎖ばね１１の閉鎖力Ｆ１は、弁ニードル４とソレノイドアーマチュア８とを再び、図１に示した初期位置へ戻すことができる。このときに、一方では弁ボディ２に、他方では弁ニードル４にそれぞれ流体密に取り付けられているシール性のベローズは、弁ニードル４の運動を可能にする。

したがって、本発明によれば、弁ニードル４とソレノイドアーマチュア８とは、２つの別個の構成部分であり、両構成部分は互いに解離可能もしくは離間可能に接触している。噴射の終了時に、ソレノイドアーマチュア８は、慣性に基づきカウンタばね１２の作用方向とは逆方向に跳ね上がることができる。このことは、弁座５において制動すべき、運動質量（運動させられる質量）の低減をもたらし、これにより弁座５もしくは弁ニードル４における摩耗低減が得られる。さらに、ソレノイドアクチュエータ７は燃料噴射弁１の乾燥した範囲に配置されているので、従来公知の湿式の構成において、すなわち燃料と接触する構成において必要とされていた、磁気回路のための高価な材料を使用しなくても済む。さらに、ソレノイドアーマチュア８はカウンタばね１２のプリロード力Ｆ２によって、分離個所１４において通常では常に弁ニードル４と直接接触した状態に保持される。

本発明による構造はさらに、ソレノイドアクチュエータ７と弁ニードル４との間の位置誤差に課せられる要求の低減を可能にする。さらに、ベローズの使用により、燃料の存在しない室１７と燃料との絶対的に確実な隔離を行うことができる。さらに、乾燥したフラットアーマチュア磁気回路は、弁の高動的な動作、つまり極めて応答性の良い動作を可能にすることができる。磁気回路のための誤差は極めて少数の構成部分にしか分配されていないので、構成部分のための低減された誤差要求が可能となり、ひいては一層廉価な製造が可能となる。弁の開放時に、長手方向で見て、弁ニードル４とソレノイドアーマチュア８との構成部分組合せ体は剛性的もしくは一体的であるとみなされ得る。長手方向に対して直交する横方向では、組付け時に、小さなずれまたは小さな角度誤差が許容され得るので、このことは同じく構成部分の誤差要求に対して有利に作用する。さらに、弁ニードル４とハウジングと弁座とベローズとを有するハイドロリック部分と、ソレノイドアクチュエータ７とを、互いに別個に検査することができる。このことは不良率の低減をもたらすと同時に、適当なハイドロリック部分とソレノイドアクチュエータとを互いにペア組みする可能性もしくは不都合な組合せを回避する可能性をもたらす。これにより、全体的にはほとんど欠陥のない弁が組み立てられる。

弁ニードル４とソレノイドアーマチュア８との分離は、弁の開放時には同じく、ソレノイドアーマチュア８から離間し得る弁ニードル４のオーバシュートを可能にする。弁の閉鎖時にはソレノイドアーマチュア８が逆方向にオーバシュートし得るので、弁座５における弁ニードル４の跳ね返り衝突傾向の著しい低減が得られる。

本発明による燃料噴射弁１は、特に層状化されたガソリン直接噴射において使用される。均質燃焼運転における別の利点は、マルチホール噴射弁に比べて燃料の噴霧改善、ひいてはパーティクル形成の減少である。これにより、将来的にさらに一層厳格化が予想される排ガス規制もパーティクルフィルタなしに達成されることが実現され得るので、このようなパーティクルフィルタを不要にすることができる。

Claims (7)

1. 燃料噴射弁であって、
   −弁ボディ（２）と、該弁ボディ（２）内に延びる燃料経路（３）と、
   −弁座（５）のところで通過部（６）を開閉する、外側に向かって開く弁ニードル（４）と、
   −ソレノイドアーマチュア（８）を備えたソレノイドアクチュエータ（７）と、
   −閉弁状態で前記弁ニードル（４）を戻し案内する閉鎖ばね（１１）と、
   −シールエレメント（１３）とを備え、
   該シールエレメント（１３）は前記ソレノイドアクチュエータ（７）を前記燃料経路（３）から隔離し、これにより前記ソレノイドアクチュエータ（７）は前記弁ボディ（２）の、燃料から隔離された範囲（１７）に配置されており、
   −前記ソレノイドアーマチュア（８）に接触していて、前記ソレノイドアーマチュア（８）にプリロードもしくは予荷重を加えるカウンタばね（１２）を備え、前記ソレノイドアーマチュア（８）と前記弁ニードル（４）とは互いに別個の構成部分であって、両構成部分は所定の分離個所（１４）で直接互いに接触しており、
   −前記カウンタばね（１２）は前記ソレノイドアーマチュア（８）に前記弁ニードル（４）に向かってプリロードもしくは予荷重を加えており、
   −前記閉鎖ばね（１１）の力（Ｆ１）が、前記カウンタばね（１２）の力（Ｆ２）に抗して作用しており、ただし前記閉鎖ばね（１１）の力（Ｆ１）は、前記カウンタばね（１２）の力（Ｆ２）よりも大きく形成されている、
   ことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記シールエレメント（１３）はベローズであり、該ベローズは前記弁ボディ（２）と前記弁ニードル（４）とに密封して取り付けられている、請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 前記ソレノイドアーマチュア（８）は、ニードル形の範囲（８ｂ）を有し、該ニードル形の範囲（８ｂ）は前記ソレノイドアクチュエータ（７）のソレノイドポット（９）内に案内されている、請求項１または２記載の燃料噴射弁。
4. 前記ソレノイドアーマチュア（８）は、軟磁性の材料から製造されている、請求項３記載の燃料噴射弁。
5. 前記ソレノイドアクチュエータ（７）は、予め組立て可能な構成アッセンブリである、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
6. 前記ソレノイドアーマチュア（８）はフラットアーマチュアである、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
7. 前記ベローズが、前記弁座（５）と同じハイドロリック有効直径を有するか、または前記ベローズのハイドロリック有効直径と前記弁座（５）のハイドロリック有効直径とが、僅かな規模でしか互いに異なっていない、請求項２から６までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。

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