JP2020502423A - 流体を調量する弁 - Google Patents

Abstract

特に内燃機関の燃料噴射弁として機能する流体を調量する弁（１）は、電磁アクチュエータ（１０）と、アクチュエータ（１０）により操作可能な弁ニードル（５）と、を備え、弁ニードル（５）には、アクチュエータ（１０）のアーマチャ（６）が案内されており、弁ニードル（５）には、アーマチャ（６）の移動を弁ニードル（５）に対して相対的に制限するストッパ要素（７）が配置されており、アーマチャ（６）は、ストッパ要素（７）に向かって開いているバネ収容部（２５）を有し、バネ収容部（２５）には、ストッパ要素（７）で支持されたバネ（２７）が嵌め込まれている。弁ニードル（５）は、アーマチャ（６）及び／又はストッパ要素（７）を介して、ハウジング（２）の長手方向軸（４）に沿って案内されている。さらに、長手方向軸（４）に沿って見て、バネ収容部（２５）の長さ（ｆ）は、操作されていない初期状態におけるバネのバネ長（Ｆ）よりも短い。【選択図】図１

Description

本発明は、流体を調量する弁、特に、内燃機関の燃料噴射弁に関する。特に、本発明は、好適に内燃機関の燃焼室への燃料の直接噴射が行われる自動車の燃料噴射装置のための噴射器の分野に関する。

独国特許出願公開第１０２０１３２２２６１３号明細書には、流体を調量する弁が開示されている。この公知の弁は、調量開口を制御する弁ニードルを操作するための電磁石を有する。電磁石は、弁ニードル上を摺動可能なアーマチャを操作するために用いられる。ここで、アーマチャは、弁ニードルと隣り合う孔を有し、この孔が、予備行程バネのためのバネ収容部を形成する。本構成には、アーマチャと弁ニードルとの間のガイド部が、短いバネ長に亘ってしか実現されていないという短所がある。

請求項１の特徴を備えた本発明に係る弁には、改善された構成及び機能形態が可能となるという利点がある。特に、アーマチャと弁ニードルとの間の、及びハウジングの長手方向軸に沿った弁ニードルの改良された案内が実現されうる。

引用形式請求項に記載された措置によって、請求項１に示される弁の有利な発展形態が可能である。

流体を調量する弁では、ソレノイドアーマチャとして機能するアーマチャが、弁ニードルと固定的には結合されておらず、複数のストッパの間に浮動状態で支承されている。このようなストッパは、ストッパスリーブ及び／又はストッパリングとして実現可能なストッパ要素に実現されうる。但し、ストッパ要素は、弁ニードルと一体に形成されてもよい。静止状態において、アーマチャの位置がバネを介して、弁ニードルに対して固定して配置されたストッパへと調整され、従って、アーマチャはストッパに当接している。弁が駆動された際には、アーマチャ自由経路（Ａｎｋｅｒｆｒｅｉｗｅｇ）が加速区間として提供され、加速中はバネが縮められる。アーマチャ自由経路は、アーマチャと２つのストッパとの間の軸方向の遊びを介して予め設定されうる。

請求項２に係る発展形態には、アーマチャと弁ニードルとの間のガイド長が拡大されるという利点がある。例えば、アーマチャは、その外面が、長手方向軸に沿って弁ハウジングの内部で案内されうる。この場合、アーマチャと弁ニードルとの間の拡大されたガイド長に亘って、対応して、長手方向軸に沿った弁ニードルの案内が改善される。弁ニードルがストッパ要素を介して、例えばハウジング内に固定して配置された内極に案内される構成では、ハウジングに対して相対的な、アーマチャの改良されたガイド部が対応して得られる。

請求項３に係る発展形態には、バネ収容部の構成には依存しない、ガイド長の追加的な延長が達成されうるという利点がある。これにより、例えば、バネ収容部が弁ニードルと直接的に隣り合うということが可能である。ガイド延長部及びアーマチャの有利な構成が請求項４に示されている。これにより特に、ガイド延長部が衝撃力を吸収しうる堅牢な構成が可能である。

請求項５に係る発展形態には以下の利点がある。ガイド延長部は、特に以下のような外径を備えて、即ち、流体にアーマチャを流過させるために役立つ貫流孔の連通口よりも内側に存在する外径を備えて形成されうる。このことは、動作挙動に対して好都合に作用する。

請求項６に係る発展形態には、バネ収容部が設けられていないアーマチャの場合と同じくらい良好か又はそれよりも良好なガイド部が実現されるという利点がある。

請求項７に係る発展形態には、操作された際にバネがバネ収容室に完全に沈み込みこむため、従来の構成の複数の短所に関して最適な妥協が達成されうるという利点がある。

従来の構成の短所とは、まず、バネ収容部が設けられない構成が実現された場合、即ち、バネを収容するための追加的な構成要素と、アーマチャとのバネの結合と、が必要となる場合の、製造可能性、コスト、及び組み立てに関する。第２に、アーマチャと内極との間の磁極面が縮小された場合に短所が生じる。なぜならば、この場合には、より小さな磁気力が発生するからである。このことは特に、バネのための場所を設けるために内極に段付き孔が形成される可能な構成に関する。

第３の短所は、バネを介した磁気的な短絡、及びこれに伴う磁気力の損失に関し、結果的に、力がよりゆっくりと構築され、開弁状態での保持力がより小さくなる。このことは通常では、磁気を帯びた使用されたバネ鋼に関し、このバネ鋼が、アーマチャと内極との間の磁束のためのバイパスとなる。第４の短所は、アーマチャに形成されたバネ収容部へとストッパリングが沈み込む変形例における、アーマチャとストッパリングとの間のより小さな接触面に関する。これにより、摩耗の増大、及び液圧的な減衰の低減がもたらされる。

第５の短所の場合は、上側のニードルガイド部とアーマチャとの間にモーメントアーム（Ｈｅｂｅｌａｒｍ）が発生しうる。このことは、ストッパリングがバネ収容部へと沈み込む上記構成に特に該当する。このことによって結果的に、ニードルに大きな撓みが発生することになり、摩耗の増大、ストッパの傾き等に繋がる。第６の想定されうる短所は、大きなバネ直径が必要となる構成に関する。この場合、径方向の設置空間が制限されているため、より小さなバネ力が実現可能であり、このことは、特に多点点火に関して、第１の噴射の後にアーマチャを迅速に沈静化させるためには不都合である。さらに、バネ力が同じである場合、より大きなバネ直径は、アーマチャに対するより大きな傾倒トルクを意味しており、このことも同様に噴射機能のためには不利であり、特に、アーマチャストッパが結果的に傾倒する可能性がある。第７の最後の短所は、負荷が掛かったバネの径が膨らむ危険性と、これにより引き起こされる、バネ長が比較的長くかつ径方向に利用可能な空間が小さいに基づく内極及び／又はストッパリングとバネの接触と、に関する。これにより不定の摩擦が起こり、結果的に、想定されうる摩耗及び粒子の発生の他に、噴射挙動の著しいバラつきが発生することになる。

従って、バネがアーマチャのバネ収容部に完全に沈み込むことによって、上述の想定されうる短所に関して最適な妥協が達成されうる。ここでは、ストッパ要素は、非磁性材料で製造可能であり、これにより、ストッパ要素は内極を、磁気的な観点からアーマチャから分離することが可能である。さらに、モーメントアームが短く保たれうる。磁極面も、アーマチャと、ストッパ要素、特にストッパリングと、の間のストッパ面も、十分に大きく選択されうる。さらに、バネの比較的小さな内径が実現されうるため、バネの線径が比較的小さい場合にも、比較的大きなバネ力が実現されうる。さらに、バネが比較的短く形成することも可能であるため、バネの径が膨らむ危険性、及び対応して発生する摩耗の危険性が低減され、これに関してアーマチャに導入される傾倒モーメントが、許容可能な限界値内に収まる。

請求項８に係る発展形態によって、アーマチャを通る有利な貫流が可能となる。これにより、１の可能な構成において、ハウジングの内部でのアーマチャの案内が達成されうる。さらに、他の可能な構成において、アーマチャとハウジングとの間の環状空隙が最小化されうる。これにより、所定のハウジング寸法に関して、迅速な力の構築及び大きな支持力が獲得される。さらに、貫通口とバネ収容部とが交差することによって、アーマチャの内極寄りの端面が、別体の貫流孔が実現される場合よりも大きく形成されうる。

請求項９に係る発展形態には、貫流断面が、当該貫流断面により生じるアーマチャの段面の面積の縮小に対して釣り合いが取れないほど大きく拡大されるという更なる別の利点がある。

請求項１０に係る発展形態には、ストッパ要素の領域における有利な燃料の流れが実現可能であり、その際に内極の内部孔を拡大する必要がないという利点がある。

本発明の好適な実施例が、以下の明細書の記載において、添付の図面を参照しながら詳細に記載される。図面では、対応する構成要素に同じ符号が付される。
第１の実施例に対応した、抜粋による弁の概略的な断面図を示す。 第２の実施例に対応した、抜粋による弁の概略的な断面図を示す。 図１のＩＩＩで示す方向から見た弁のアーマチャの可能な構成を示す。 図１のＩＩＩで示す方向から見た弁のアーマチャの可能な構成を示す。 図１のＩＩＩで示す方向から見た弁のストッパ要素の可能な構成を示す。 図１のＩＩＩで示す方向から見た弁のストッパ要素の可能な構成を示す。 図１のＩＩＩで示す方向から見た弁のストッパ要素の可能な構成を示す。 図１のＩＩＩで示す方向から見た弁のストッパ要素の可能な構成を示す。

図１は、第１の実施例に対応した、抜粋による流体を調量する弁１の概略的な断面図を示している。弁１は、特に燃料噴射弁１として構成されうる。好適な適用対象は、このような燃料噴射弁１が高圧噴射弁１として構成されており内燃機関の対応付けられた燃焼室への燃料の直接噴射のために用いられる燃料噴射装置である。ここでは燃料として、液体又は気体の燃料が使用されうる。対応して、弁１は、液体又は気体の流体を調量するために適している。

弁１は、ハウジング（弁ハウジング）２を有し、ハウジング２の内部には、内極３が固定して配置されている。ハウジング２によって、ハウジング２の内部に配置された弁ニードル５を案内するための基準として機能する長手方向軸４が決定される。このことは、駆動時に弁ニードル５の方向付けが長手方向軸４に沿って行われるということを意味している。

弁ニードル５には、アーマチャ（ソレノイドアーマチャ）６が配置されている。さらに、弁ニードル５には、ストッパ要素７と、更なる別のストッパ要素８と、が配置されている。ストッパ要素７、８には、ストッパ７’、８’が形成されている。ここでは、アーマチャ６は、操作された際に、ストッパ要素７、８の間を移動することが可能であり、アーマチャ自由経路９が予め設定されている。アーマチャ６、内極３、及び、図示されていない磁気コイルが、電磁アクチュエータ１０の構成要素である。

弁ニードル５には弁閉鎖体１１が形成されており、この弁閉鎖体１１は、弁座面１２と協働してシール座を成す。アーマチャ６が操作された際には、アーマチャ６は、内極３の方向に加速される。アーマチャ６がストッパ要素７のストッパ７’に当たり、これにより、弁ニードル５が操作された場合に、燃料が、開いたシール座及び少なくとも１つのノズル開口１３を介して、チャンバへと、特に燃焼室へと噴射されうる。

弁１は、戻しバネ１４を有し、この戻しバネ１４によって、弁ニードル５が、ストッパ要素７を介して自身の初期状態へと位置調整される。初期状態ではシール座が閉鎖されている。

アーマチャ６は、貫通孔２１を含む基本形状２０に基づいており、ここでは、アーマチャ６の貫通口２１には弁ニードル５が案内されている。アーマチャ６の基本形状２０は、内極３寄りの端面２２と、内極３とは反対を向いた端面２３と、の間の長さＬを有する。

アーマチャ６は、バネ収容部２５を有する。ここでは、バネ収容部２５は、アーマチャ６の端面２２に開けられている。バネ収容部２５は、長手方向軸４に沿って、端面２２とアーマチャ６のバネ支持面２６との間の長さｆを有する。ここでは、バネ支持面２６は、バネ収容部２５の底部２６である。シール座が閉鎖されている初期状態において、部分的にバネ収容部２５内に配置されたバネ２７は、バネ長Ｆを有する。バネ長Ｆは、ここでは即ち、操作されてない初期状態におけるバネ２７のバネ長Ｆである。ここで、バネ２７は、一方では、アーマチャ６のバネ支持面２６で支持され、他方では、ストッパ要素７のストッパ７’で支持されている。バネ長Ｆは、バネ収容部２５の長さｆよりも長い。但し、アーマチャ６が操作された際には、バネ２７は、その初期の長さＦに対して縮められ、完全にバネ収容部２５の中に沈みうる。

本実施例では、アーマチャ６にはガイドウェブ２８が形成されている。バネ支持面２６と端面２３との間では、アーマチャ６は、長手方向軸４に沿って、（短くなった）長さｌを有する。ガイドウェブ２８が無ければ、上記短くなった長さｌのみがガイド長として提供されるであろう。ガイドウェブ２８によって、上記長さｌが、ガイドウェブ２８の長さｓの分だけ長手方向軸４に沿って延長される。これにより、本実施例では、ガイド長ｌ＋ｓが得られる。ここで、ガイドウェブ２８の長さｓは、好適に、バネ収容部２５の長さｆと同じ長さで又は当該長さｆよりも長く選択される。これにより、弁ニードル５上でのアーマチャ６のガイド長ｌ＋ｓは、アーマチャ６のその端面２２、２３の間の長さＬと同じであり、又は当該長さＬよりも長い。

長手方向軸４に関する又はハウジング２に関する弁ニードル５の案内は、本実施例では、ストッパ要素７を介して獲得される。ここで、ストッパ要素７は、ガイド領域３０において内極３の内部孔３１に案内されている。流体、特に燃料の有利な流過を可能とするストッパ要素７の可能な構成は、図５〜図８を用いて記載される。本実施例では、アーマチャ６の外面３２とハウジング２の内面３３の間に環状空隙３４が生じる。

変更された構成において、弁ニードル５の案内は、追加的又は代替的にアーマチャ６を介しても実現されうる。この場合、アーマチャ６の外面３２が、少なくとも部分的に、ハウジング２の内面３３にまで達する。本構成の場合、ガイド領域３０の代わりに、ストッパ要素７と内極３との間の環状空隙が実現されうる。

これにより、長手方向軸４に沿った弁ニードル５の有利な案内が実現されうる。この場合同時に、アーマチャ６と弁ニードル５との間の有利な案内が、好適に長さＬよりも短くないガイド長ｌ＋ｓに亘って獲得される。

図２は、第２の実施例に対応した、抜粋による弁１の概略的な断面図を示している。本実施例では、ガイド延長部４０が設けられている。ガイド延長部４０は、長手方向軸４に沿って長さｓ’を有し、この長さＳ’の分だけ、弁ニードル５上のアーマチャ６のガイド部が延長されている。このことは、本実施例では、長手方向軸４に沿ったガイド長ｓ’＋ｌが、アーマチャ６と弁ニードル５との間で実現されることを意味している。

従って、本実施例では、バネ収容部２５が弁ニードル５と直接的に隣り合うということが可能である。これにより特に、アーマチャ６の製造が容易になる。なぜならば、バネ収容部２５が、長手方向軸４に対して方向付けられた円筒形状の凹部によって実現されうるからである。但し、これにより、アーマチャ６の基本形状２０では直接的に長さｌのみ提供され、この長さｌは、アーマチャ６が端面２２、２３間に有するアーマチャ６の長さＬに対して短くなっている。従って、この短くなった長さｌは、いわばガイド延長部４０を介して長さｓ’の分だけ延長される。特に、長さｓ’は、ガイド長ｓ’＋ｌがアーマチャ６のその端面２２、２３間の長さＬと同じであり又は当該長さＬよりも長いように、予め設定されうる。

さらに、ガイド延長部４０はスリーブ状に形成されうる。このことは、ガイド延長部４０の外径４１が、アーマチャ６の外面３２の外径４２よりも明らかに小さく選択されることを意味している。

さらにバネ２７は、本実施例では、研磨されたバネ末端４３、４４を備えて構成される。これにより、更に改善された支持部（Ａｕｆｌａｇｅ）が獲得される。さらに、摩耗の低減と、一方ではアーマチャ６の内部のバネ支持面２６他方ではストッパ要素７のストッパ７’でのより均等な力の導入と、が獲得される。

図３及び図４は、図１のＩＩＩで示す方向から見た弁１のアーマチャ６の可能な構成を示しており、より分かりやすいように、弁ニードル５が断面で示されている。端面２２は、部分面２２Ａと部分２２Ｂとに分けられ、この部分面２２Ａと部分面２２Ｂとの間に、バネ収容部２５が設けられている。さらに、貫通口５１〜５４が設けられており、この貫通孔５１〜５４は、本実施例では、円形状の断面を有する貫通口５１〜５４として構成されている。ここでは、貫通口５１〜５４と、バネ収容部２５と、の間の交差が生じる。このことは、燃料がバネ収容部の長さｆに亘って、バネ収容部２５の、バネ２７によって塞がれていない部分を通っても、貫通口５１〜５４を通っても貫流しうることを意味している。続いて、燃料は、短くなった長さｌに亘って、貫通口５１〜５４のみを通って貫流する。これにより、端面２２から、小さな絞りが設けられた端面２３への燃料の流れが可能となり、その際に、部分面２２Ａ、２２Ｂで構成される端面２２の総面積がさらに縮小されることはない。このことは、アーマチャ６が操作される際の駆動挙動に対して好都合に作用する。なぜならば、大きな磁気力と、低減された液圧的な絞りと、の双方が得られるからである。

図４により記載される実施例では、追加的に、貫通口５１〜５４のじん臓形状の構成が実現され、従って、貫通孔５１〜５４は、周面方向５５に長手方向軸４を中心として、又は長手方向軸４を中心とする円周に、より大きな角度範囲に亘って延在している。これにより、特に、アーマチャ６の短くなった長さｌに亘る燃料の流れが改善される。

図５〜図８は、図１のＩＩＩで示す方向から見た弁１のストッパ要素７の可能な構成を示している。ここでは、バネ２７のための支持領域６０が設けられている。支持領域６０は、径方向に外側に向かっては、点線により示される線６０Ａによって画定されている。さらに、支持領域６０は、径方向に内側に向かっては、点線により示される線６０ｌによって画定されている。支持領域６０は、構造的に予め設定された支持領域６０として機能し、この支持領域６０内で、選択されたバネ２７が支持されるものとする。さらに、本構成は好適に、例えば図１に示したように、ストッパ要素７と内極３との間のガイド部が実現された適用ケースに関る。

ストッパ要素７の周りを通過させて燃料を案内するために、凹所６１〜６４が設けられる。ここでは、ストッパ要素７は、外径Ｄにより特徴付けられる中空円筒状の基本形状６５を土台として、このような凹所６１〜６４によって変更されうる。これにより、外径Ｄでの案内と、凹所６１〜６４を通る燃料の流過と、の双方の可能性が得られる。

この場合、凹所６１〜６４は、長手方向軸４から見て最大で直径ｄにまで達するように実現される。このことは、弁ニードル５から直径ｄまでは円環形状の面６６が残存していることを意味している。

好適に、直径ｄは、当該直径ｄが外側の線６０Ａと内側の線６０ｌとの間に存在するように、予め設定される。これによりバネ２７は、凹所６１〜６４の領域でも少なくとも部分的に、即ち少なくとも円環形状の面６６で、支持領域６０に当接する。これにより、支持領域６０でのバネ２７の良好な固定と、可能な限り大きな凹所６１〜６４と、これらと共に、外径Ｄでの案内の可能性と、からの妥協が得られる。

図５〜図８は、凹所６１〜６４を実現するための様々な可能性を示している。図５は、円筒状の孔による切削部として、図６は、フライス加工による矩形の切削部として、図７は、面取り部による切削部として示されている。図８に係る構成では、貫流断面が環状セグメントによって形成されうる。

本発明は、上記の実施例には限定されない。

Claims (10)

1. 流体を調量する弁（１）、特に、内燃機関の燃料噴射弁であって、
   電磁アクチュエータ（１０）と、
   前記アクチュエータ（１０）により操作可能な弁ニードル（５）と、
   を備え、
   前記弁ニードル（５）には、前記アクチュエータ（１０）のアーマチャ（６）が案内されており、前記弁ニードル（５）には、前記アーマチャ（６）の移動を前記弁ニードル（５）に対して相対的に制限するストッパ要素（７）が配置されており、前記アーマチャ（６）は、前記ストッパ要素（７）に向かって開いているバネ収容部（２５）を有し、前記バネ収容部（２５）には、前記ストッパ要素（７）で支持されたバネ（２７）が嵌め込まれている、前記弁（１）において、
   前記弁ニードル（５）は、前記アーマチャ（６）及び／又は前記ストッパ要素（７）を介して、ハウジング（２）の長手方向軸（４）に沿って案内されており、前記長手方向軸（４）に沿って見て、前記バネ収容部（２５）の長さ（ｆ）が、操作されていない初期状態における前記バネ（２７）のバネ長（Ｆ）よりも短いことを特徴とする、弁（１）。
2. 前記アーマチャ（６）には、前記ストッパ要素（７）寄りのガイドウェブ（２８）が形成され、前記ガイドウェブ（２８）は、前記アーマチャ（６）を前記長手方向軸（４）に沿って前記弁ニードル（５）上を案内し、及び／又は、
   前記バネ収容部（２５）は、前記弁ニードル（５）には隣接していない環状溝（２５）によって形成されることを特徴とする、請求項１に記載の弁。
3. 前記アーマチャ（６）には、前記ストッパ要素（７）とは反対を向いたガイド延長部（４０）が設けられ、前記ガイド延長部（４０）は、前記アーマチャ（６）を前記長手方向軸（４）に沿って前記弁ニードル（５）上を案内することを特徴とする、請求項１又は２に記載の弁。
4. 前記ガイド延長部（４０）は、前記アーマチャ（６）に形成され、又は、前記ガイド延長部（４０）は、材料結合により前記アーマチャ（６）と結合されていることを特徴とする、請求項３に記載の弁。
5. 前記ガイド延長部（４０）は、スリーブ状のガイド延長部（４０）として形成されることを特徴とする、請求項３又は４に記載の弁。
6. 前記長手方向軸（４）に沿って見て、前記アーマチャ（６）が前記弁ニードル（５）上を案内されるガイド長（ｓ＋ｓ’＋ｌ）は、アーマチャ長（Ｌ）よりも短くなく、及び／又は、
   前記アーマチャ（６）が前記弁ニードル（５）上を案内される前記ガイド長は、前記アーマチャ（６）の、前記バネ収容部（２５）の前記長さ（ｆ）の分だけ短くなった長さ（ｌ）に、ガイドウェブ（２８）の長さ（ｓ）及び／又はガイド延長部（４０）の長さ（ｓ’）が加算されて形成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の弁。
7. 操作された際に、前記バネ（２７）は、前記アーマチャ（６）の前記バネ収容部（２５）により予め設定される、前記バネ収容部（２５）の前記長さ（ｆ）に縮みうることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の弁。
8. 前記アーマチャ（６）は、前記長手方向軸（４）に沿って延在する少なくとも１つの貫通口（５１〜５４）を有し、前記少なくとも１つの貫通口（５１〜５４）は、前記バネ収容部（２５）と交差していることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の弁。
9. 少なくとも１つの貫通孔（５１〜５４）が、周面方向（５５）にじん臓形状に延在して形成されることを特徴とする、請求項８に記載の弁。
10. 前記ストッパ要素（７）は、前記長手方向軸（４）に関して所定の外径（Ｄ）を有する中空円筒状の基本形状に基づいており、前記基本形状の外面（３２）には、少なくとも１つの凹所（６１〜６４）が、前記長手方向軸に関する所定の直径（ｄ）に達するところまで形成されており、前記バネ（２７）のための支持領域（６０）が、前記ストッパ要素（７）の前記所定の外径（Ｄ）より内側で、かつ前記ストッパ要素（７）の前記所定の外径（ｄ）より外側に存在することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の弁。
    

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