JP2018531508A - 電磁アクチュエータ、電磁弁および高圧燃料ポンプ - Google Patents

Abstract

本発明は、ストッパ面（４６）を有するアーマチュア（３８）と、対向ストッパ面（４８）を有する磁極片（４０）とを備える電磁アクチュエータ（２６）に関する。ストッパ面（４６）および対向ストッパ面（４８）は、幾何学的に相互に相補的に構成されており、これにより、これらのストッパ面（４６）および対向ストッパ面（４８）は、アーマチュア（３８）が磁極片（４０）に向かって移動する際に相互に係合し、ストッパ面（４６）と対向ストッパ面（４８）との間に配置された媒体を押し退ける。さらに、本発明は、電磁アクチュエータ（２６）を有する電磁弁（２４）ならびにこの電磁弁（２４）を有する高圧燃料ポンプ（１２）に関する。

Description

本発明は、電磁アクチュエータ、このような電磁アクチュエータを有する電磁弁、ならびにこのような電磁弁を有する高圧燃料ポンプに関する。

例えば燃料噴射システム内で高圧燃料ポンプ用の入口弁として使用される電磁アクチュエータおよび電磁弁は、例えば独国特許出願公開第１０２０１１０９０００６号明細書から公知である。

例えば、高圧燃料ポンプにおける燃料噴射システムの低圧領域と高圧領域との間の接続箇所において、例えば高圧燃料ポンプの流量は、デジタル式に駆動制御される特に電磁弁を介して閉ループ制御される。電磁弁は、電磁石を用いて開放または閉鎖される。この目的のために、電磁弁は、電磁石を介して相互に相対移動する磁極片とアーマチュアとを有する。アーマチュアと磁極片との間には、磁石の寸法決めのために所定の空隙が存在する。この空隙は、アーマチュアおよび磁極片相互の相対移動の際に克服され、これによって、アーマチュアに配置され、磁極片に面するストッパ面と、磁極片に配置されアーマチュアに面しかつストッパ面に相対向する対向ストッパ面とが相互に衝突する。そのため、電磁弁が切り換えられると、剛性の移動制限部品内で各可動部分が誘起する衝撃によって振動が発生し、この振動は、例えば高圧燃料ポンプの部品などの隣接する部品を介して音として放射される。これは障害的な騒音として知覚される。向かい合うストッパ面と対向ストッパ面との相互衝突の際には、大きな作動騒音が引き起こされるだけでなく、この衝突は、特に高速な閉鎖速度を有する電磁弁の場合には、相互に衝突する面が損傷することにもつながり得る。その結果として、場合によっては電磁弁の寿命または使用期間が限定され、電磁弁を比較的短い間隔で検査または交換しなければならなくなる。

例えば、磁極片へのアーマチュアの衝突を、ソフトウェアベースの解決手段によって緩和させることが公知である。その際には、電磁石の通電が早期に低減されるかまたは完全に遮断され、またはアーマチュアの減速のための逆電圧が印加される。

独国特許出願公開第１０２０１２２１４９１０号明細書からは、例えば、磁極片へのアーマチュアの衝突を減衰させる減衰層を設けることが公知である。

さらに、独国特許出願公開第１０２０１３２１９４３９号明細書からは、例えばアーマチュアの繰り出しの際の衝突の衝撃が低減されることが公知である。

本発明の課題は、騒音発生がより低減された代替的電磁アクチュエータを提案することにある。

上記課題は、請求項１の特徴の組み合わせを有する電磁アクチュエータによって解決される。

さらに別の課題は、そのようなアクチュエータを有する電磁弁ならびにそのような電磁弁を有する高圧燃料ポンプを提供することである。

この電磁アクチュエータを有する電磁弁、ならびにこの電磁弁を有する高圧燃料ポンプは、対等な関係にある独立請求項の対象である。

本発明の好ましい実施形態は、従属請求項の対象である。

電磁アクチュエータは、磁極片と、電磁石を用いて磁極片の方向に移動可能なアーマチュアと、を備える。このアーマチュアは、磁極片に面するストッパ面を有しており、磁極片は、アーマチュアに面しかつストッパ面と向かい合う対向ストッパ面を有している。これらのストッパ面と対向ストッパ面とは、幾何学的に相互に相補的に構成されており、これによって、ストッパ面と対向ストッパ面とは、アーマチュアが磁極片の方向に移動する際に、ストッパ面と対向ストッパ面との間に配置された媒体に押し退け力を作用させるべく相互に係合する。

２つの面の相互に幾何学的に相補的な特異的構成と、その結果としての相互の係合とによって、２つの面の間に存在する媒体は、アーマチュアと磁極片とが相互に接近する際に、強く押し退けられる。この媒体の押し退けにより、アーマチュアは衝突前に減速され、衝撃が減衰され、発生する振動が低減される。そのため、音の発生も低下する。それゆえに磁極片へのアーマチュアの衝突は、ソフトウェアベースではなく、ハードウェアベースで制御される。このことは利点となる。なぜなら、電磁アクチュエータの駆動制御のために、任意の駆動制御電子回路とソフトウェアとを使用可能であり、そのため通常は、音の発生を低減するための最適な設定の使用が保証されていないからである。しかしながら、ハードウェア側での実施形態の場合には、衝突の減衰を、駆動制御する周辺装置に依存することなく、いつでも保証することが可能である。さらに、アーマチュアまたは磁極片において減衰コーティングなどのさらに別の要素は不要である。

好ましくは、ストッパ面は、磁極片の方向に向けられた凸部を有し、対向ストッパ面は、アーマチュアから離れる方向に向けられた凹部を有している。しかしながら、代替的に、対向ストッパ面が、アーマチュアの方向に向けられた凸部を有し、ストッパ面が、磁極片から離れる方向に向けられた凹部を有することができる。したがって、これらの凸部および凹部はそれぞれ、凸部および凹部が正確に相互に係合し、これによってストッパ面と対向ストッパ面との間に押し退け領域を形成するように構成されており、その際には媒体が強く押し退けられ、これによってアーマチュア移動に減衰的に作用する。

特に好ましくは、凸部はストッパ面または対向ストッパ面の中央に配置される。さらに好ましくは、凹部もストッパ面または対向ストッパ面の中央に配置される。これにより、そこから媒体が押し退けられる押し退け領域が中央に形成され、それに対してストッパ面または対向ストッパ面は、事前に既知のように押し退け領域に対して側方に平面状に延びる。ここでも、媒体は、より僅かな程度でも外側の方向に押し退けられなければならない。それゆえ、最大の押し退けは中央で行われ、中央から押し退けられた媒体は平面領域に流入し、そこからも外側の方向に押し退けられる。そのため、全体的な結果として、相互に向かい合う平面状のストッパ面と対向ストッパ面とを有する実施形態に比べて、アーマチュア移動の減衰がより高まる。

例示的な一実施形態では、凸部は球形状に形成され、それに対して凹部はドーム形状（kalottenfoermig）に、特に球形ドーム状に形成される。それゆえ、これらの凸部と凹部とは、球面すり合わせ式（kugelartig）に相互に係合する。

代替的実施形態では、凸部は円錐形状に形成され、凹部も同様に円錐形状に形成される。

さらに別の代替的実施形態では、凸部は二重円錐形状を有し、それに対して凹部は単純な円錐形状を有する。

凸部または凹部が円錐形状または二重円錐形状の構成を有する両実施形態の場合、円錐は、同一または異なる傾斜角を有することができる。

さらに別の好ましい一実施形態では、ストッパ面または対向ストッパ面における凸部は、ストッパ面または対向ストッパ面に対して平行に配置された平面状の係合面と、ストッパ面または対向ストッパ面に対して実質的に垂直に配置された側面とを有する突出した段部として構成されている。同時に、ストッパ面または対向ストッパ面における凹部は、ストッパ面または対向ストッパ面に対して平行に配置された平面状の収容面と、ストッパ面または対向ストッパ面に対して実質的に垂直に配置された側面とを有する凹んだ段部として構成されている。

上述した全ての幾何学形状により、凹部と凸部との間の押し退け領域に存在する媒体が、２つの平面状の面の間の場合よりも強く押し退けられ、これによりアーマチュア移動の増大した減衰が達成される。この場合はそれぞれ、ストッパ面における、すなわちアーマチュアにおける幾何学形状と、対向ストッパ面における、すなわち磁極片における幾何学形状とは交換可能である。

上述した幾何学形状の対は、特に好ましい。しかしながら、これらの幾何学形状相互の組み合わせまたはそれらからの発展形態も考えられる。これは、球形状が円錐形状もしくは二重円錐形状と相互作用することができ、または、円錐もしくは二重円錐がドーム形状と相互作用することができることを意味する。さらにまた、突出した段部を、ドーム形状または円錐形状もしくは二重円錐形状の切欠部と組み合わせること、または凹んだ平面状の段部を、球形状または円錐形状もしくは二重円錐形状と組み合わせることも可能である。

電磁弁は、ばね力を有するばねと、作動中にこのばね力に反作用するアクチュエータ力を引き起こす上述した電磁アクチュエータとを有する。電磁弁は、アクチュエータを用いて操作可能でありかつ弁の閉鎖のために弁座と相互作用する閉鎖要素を有する弁部材をさらに有している。弁部材は、アクチュエータおよびばねに関して、アクチュエータ力を用いてばね力に抗して弁を開放することができるように配置されるか、またはアクチュエータおよびばねに関して、アクチュエータ力を用いてばね力に抗して弁を閉鎖することができるように配置される。したがって、電磁弁は、無通電状態で閉鎖される電磁弁として構成されてもよいし、または無通電状態で開放される電磁弁として構成されてもよい。

高圧燃料ポンプは、好ましくは、高圧燃料ポンプの加圧空間に燃料を流入させるための入口弁を有しており、入口弁は、上述したような電磁弁として構成されている。

以下では、本発明の好ましい実施形態を、添付の図面に基づきより詳細に説明する。

高圧燃料ポンプと、この高圧燃料ポンプに配置された入口弁とを有する燃料噴射システムの部分領域の概略図 図１からの入口弁の第１の実施形態による詳細な縦断面図 図１からの入口弁の第２の実施形態による詳細な縦断面図 図１からの入口弁の第３の実施形態による詳細な縦断面図 図１からの入口弁の第４の実施形態による詳細な縦断面図 図１からの入口弁の第５の実施形態による詳細な縦断面図 従来技術からの入口弁の縦断面図

図１は、高圧燃料ポンプ１２を有する燃料噴射システム１０の一部領域の概略図を示す。燃料噴射システム１０は、高圧燃料ポンプ１２の他に、燃料１６を貯蔵するタンク１４と、燃料１６に予圧をかけこの燃料１６を高圧燃料ポンプ１２に吐出する予備ポンプ１８と、高圧燃料ポンプ１２の入口弁２０とを有している。入口弁２０は、高圧燃料ポンプ１２の図示されていない加圧空間に燃料１６を流入させ、または流入を遮断する。高圧燃料ポンプ１２内の燃料１６に高圧がかけられると、燃料は出口弁２２を介して例えばレールに搬送され、そこから内燃機関の燃焼室に噴射すべく噴射器に送られる。

高圧燃料ポンプ１２の入口弁２０は、例えば、電磁弁２４として構成されてもよく、その主な構成部分は、図７を参照して以下に説明する。この図７は、従来技術による電磁弁２４を示す。

電磁弁２４は、ここでは電磁アクチュエータ２６と、電磁アクチュエータ２６によって操作可能な弁部材２８とを有している。弁部材２８は、弁座３２と相互作用して、弁部材２８と弁座３２とが接触接続した場合に電磁弁２４の閉鎖要素３０を開放する。

電磁アクチュエータ２６は、電磁石３６のコイル３４と、ハウジング４２内に配置されたアーマチュア３８および磁極片４０とを有している。コイル３４は、ここではハウジング４２の周りに配置されている。

アーマチュア３８と磁極片４０との間にはばね４４が配置されており、ばね４４は、本実施形態では閉鎖要素３０の開放位置への方向でばね力をアーマチュア３８に作用させている。アーマチュア３８と弁部材２８は、相互に固定的に接続されているため、それゆえ弁部材２８とこの弁部材２８に配置された閉鎖要素３０とは、このばね力によって開放位置に押圧される。これにより、電磁弁２４の閉鎖要素３０が開放される。

コイル３４に電圧が印加されると、電磁場が生成され、この電磁場は、アーマチュア３８を磁極片４０の方向に吸引する。これにより、ばね４４のばね力は加圧され、アーマチュア３８および弁部材２８は弁座３２から離れるように移動する。これにより、閉鎖要素３０による電磁弁２４の閉鎖が可能となる。

アーマチュア３８に形成され、磁極片４０に面しているストッパ面４６と、アーマチュア３８に面しておりストッパ面４６と向かい合っている対向ストッパ面４８とは、アーマチュア３８が磁極片４０に向かって移動した場合に相互に衝突する。このことは、特に燃料噴射システム１０内の固定部品の励起よって、高いレベルの騒音発生を引き起こす可能性がある。

それゆえここでは、図７による従来技術で公知のような平面状のストッパ面４６または平面状の対向ストッパ面４８の代わりに、ストッパ面４６と対向ストッパ面４８とを、幾何学的に相互に相補的に構成し、これによって相互に係合させることが提案される。この場合、ストッパ面４６と対向ストッパ面４８との間の押し退け領域５０に配置される媒体は、この押し退け領域５０から押し退けられ、これによってアーマチュア移動の減衰が生じる。

図２は、電磁弁２４の第１の実施形態の縦断面図を示しており、ここでのアーマチュア３８は、そのストッパ面４６に凸部５２を有しており、この凸部５２は、対向ストッパ面４８の方向に向けて配置されている。同時に、磁極片４０は、その対向ストッパ面４８に凹部５４を有しており、この凹部５４は、アーマチュア３８から離れる方向に向けられている。これらの凸部５２と凹部５４とは、相互に係合し、したがってそれらが相互に係合する領域に押し退け領域５０を形成する。押し退け領域５０からは、そこに配置される媒体が、磁極片４０へのアーマチュア３８の移動の際に強く押し退けられる。

凸部５２および凹部５４は、ここではストッパ面４６または対向ストッパ面４８の中央に形成されており、そのため平面状の環状面５６がこれらの凸部５２または凹部５４の周りに形成されている。ここでも、磁極片４０へのアーマチュア３８の移動の際には媒体が外側の方向に押し退けられるが、押し退け領域５０内のようには強く押し退けられない。なぜなら、ここでは一方向にのみ、詳細には外側に向かう半径方向でのみ押し退けられるからである。これに対して、押し退け領域５０内では、媒体は様々な空間方向、詳細には最初に側面に向かう半径方向、そして次にはアーマチュア３８の移動方向に抗する軸方向を克服しなければならず、これによって、より大きな減衰効果が生じる。

アーマチュア３８、磁極片４０、およびばね４４相互の配置構成に応じて、電磁弁２４は、無通電状態で開放される弁２４として、または無通電状態で閉鎖される弁２４として構成される。本実施形態では、電磁弁２４は、無通電状態において閉鎖される弁２４として構成されている。しかしながら、無通電状態で開放される構造形式も考えられる。

図２中のストッパ面４６と対向ストッパ面４８との相補的な幾何学的形状は、凹部５４のドーム形状と、凸部５２の球形状とによって形成されている。

図３には、凸部５２がアーマチュア３８ではなく磁極片４０に配置され、凹部５４が磁極片４０ではなくアーマチュア３８に配置されている、つまり、原理的に、配置構成が図２のものとは逆の代替的実施形態が示されている。ここでも凹部５４はドーム形状に構成され、凸部５２は球形状に構成されている。この実施形態の利点は、図２のものに比べて質量がより小さいことである。そのため、質量が小さいことによって、音の発生を小さくすることができる。

以下の全ての実施形態では、それぞれ１つの態様のみ、すなわち凹部５４がアーマチュア３８にあり、凸部５２は磁極片４０にある態様のみが示されている。しかしながら、凹部５４または凸部５２をそれぞれ他方の要素に設けることも可能である。

図４には、凹部５４も凸部５２も円錐形状に構成され、２つの円錐が同じ傾斜角を有している実施形態が示されている。２つの円錐が異なる傾斜角をもって構成されることも考えられる。

図５には、凹部５４が単純な円錐形状で構成され、それに対して凸部５２は二重円錐形状で構成されている、実施形態が示されている。すなわち、電磁弁２４の長手方向軸５８に沿って、凸部５２が、第１の円錐領域６０と第２の円錐領域６２とを有し、これらの円錐領域は異なる傾斜角を有している。

図６には、凸部５２と凹部５４とが平面状の幾何学形状で相互に係合するさらに別の実施形態が示されている。この場合、凸部５２は、平面状の係合面６６と、長手方向軸線５８に対して平行になるように垂直に配置された側面６８とを有する突出した段部６４として構成され、それに対して、凹部５４は、平面状の収容面７２と、長手方向軸線５８に対して平行になるように垂直に形成された側面６８とを有する凹んだ段部７０として構成されている。

上記で説明したすべての幾何学形状は、相互に組み合わせることが可能である。また、例えば別の角度を有する発展形態を想定することも考えられる。

Claims (9)

1. 電磁アクチュエータ（２６）であって、
   磁極片（４０）と、
   電磁石（３６）を用いて前記磁極片（４０）の方向に移動可能なアーマチュア（３８）と、を備え、
   前記アーマチュア（３８）は、前記磁極片（４０）に面するストッパ面（４６）を有しており、前記磁極片（４０）は、前記アーマチュア（３８）に面しかつ前記ストッパ面（４６）と向かい合う対向ストッパ面（４８）を有しており、
   前記ストッパ面（４６）と前記対向ストッパ面（４８）とは、幾何学的に相互に相補的に構成されており、これによって前記ストッパ面（４６）と前記対向ストッパ面（４８）とは、前記アーマチュア（３８）が前記磁極片（４０）の方向に移動する際に、前記ストッパ面（４６）と前記対向ストッパ面（４８）との間に配置された媒体に押し退け力を作用させるべく相互に係合する、電磁アクチュエータ（２６）。
2. 前記ストッパ面（４６）は、前記磁極片（４０）の方向に向けられた凸部（５２）を有し、前記対向ストッパ面（４８）は、前記アーマチュア（３８）から離れる方向に向けられた凹部（５４）を有しており、または、前記対向ストッパ面（４８）は、前記アーマチュア（３８）の方向に向けられた凸部（５２）を有し、前記ストッパ面（４６）は、前記磁極片（４０）から離れる方向に向けられた凹部（５４）を有している、請求項１記載の電磁アクチュエータ（２６）。
3. 前記凸部（５２）は、前記ストッパ面（４６）および／または前記対向ストッパ面（４８）の中央に配置されており、前記凹部（５４）は、前記ストッパ面（４６）および／または前記対向ストッパ面（４８）の中央に配置されている、請求項１または２記載の電磁アクチュエータ（２６）。
4. 前記凸部（５２）は、球形状であり、前記凹部（５４）はドーム形状、特に球形ドーム状である、請求項２または３記載の電磁アクチュエータ（２６）。
5. 前記凸部（５２）は円錐形状であり、前記凹部（５４）も円錐形状である、請求項２または３記載の電磁アクチュエータ（２６）。
6. 前記凸部（５２）は二重円錐の形状を有し、前記凹部（５４）は円錐形状である、請求項２または３記載の電磁アクチュエータ（２６）。
7. 前記ストッパ面（４６）または前記対向ストッパ面（４８）における前記凸部（５２）は、前記ストッパ面（４６）または前記対向ストッパ面（４８）に対して平行に配置された平面状の係合面（６６）と、前記ストッパ面（４６）または前記対向ストッパ面（４８）に対して実質的に垂直に配置された側面（６８）とを有する突出した段部（６４）として構成されており、前記ストッパ面（４６）または前記対向ストッパ面（４８）における前記凹部（５４）は、前記ストッパ面（４６）または前記対向ストッパ面（４８）に対して平行に配置された平面状の収容面（７２）と、前記ストッパ面（４６）または前記対向ストッパ面（４８）に対して実質的に垂直に配置された側面（６８）とを有する凹んだ段部（７０）として構成されている、請求項２または３記載の電磁アクチュエータ（２６）。
8. 電磁弁（２４）であって、
   ばね力を有するばね（４４）と、
   作動中に前記ばね力に反作用するアクチュエータ力を有する請求項１から７までのいずれか１項記載の電磁アクチュエータ（２６）と、
   前記アクチュエータ（２６）を用いて操作可能でありかつ前記弁（２４）の閉鎖のために弁座（３２）と相互作用する閉鎖要素（３０）を有する弁部材（２８）と、を備え、
   前記弁部材（２８）は、前記アクチュエータ（２６）および前記ばね（４４）に関して、アクチュエータ力を用いて前記弁（２４）をばね力に抗して開放することができるように配置されるか、または、前記アクチュエータ（２６）および前記ばね（４４）に関して、アクチュエータ力を用いて前記弁（２４）をばね力に抗して閉鎖することができるように配置される、電磁弁（２４）。
9. 高圧燃料ポンプ（１２）であって、該高圧燃料ポンプ（１２）の加圧空間に燃料（１６）を流入させるための入口弁（２０）を有しており、該入口弁（２０）は、請求項８記載の電磁弁（２４）として構成されている、高圧燃料ポンプ（１２）。

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