JP3738237B2 - 内燃機関の噴射弁を制御する電磁弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の噴射弁を制御する電磁弁であって、ケーシング部分と、マグネットコイル及びマグネットコアを備えた電磁石と、該電磁石と弁座との間において軸方向可動でかつ弁ばねによって負荷されている可動子と、該可動子と共に運動しかつ弁座と共働して燃料通路を開閉するために働く制御弁部材とが設けられている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ドイツ連邦共和国特許公開第１９６５０８６５号明細書に基づいて公知の上記形式の電磁弁は、噴射弁、例えばコモンレール噴射装置のインジェクタの噴射弁の制御圧室内における燃料圧を制御するために使用される。このような噴射弁では、制御圧室における燃料圧を介して弁ピストンの運動が制御され、この弁ピストンによって噴射弁の噴射開口が開閉される。公知の電磁弁は、ケーシング部分内に配置された電磁石と、滑り部材内において案内されていて閉鎖ばねによって負荷されている軸方向可動の可動子と、この可動子と共に運動する制御弁部材とを有しており、この制御弁部材は電磁弁の弁座と共働して、制御圧室からの燃料流出を制御する。可動子は可動子プレートと可動子ピンとを有しており、この可動子ピンは、滑り部材の、孔として形成された機械式のガイド内において摺動可能に支承されている。
【０００３】
公知の電磁弁では、電磁弁の最適な機能を保証するために、滑り部材は高い精度をもって製造されねばならない。滑り部材による機械式の可動子案内は、摩擦損失を生ぜしめ、このような摩擦損失は系全体の設計時に考慮しなくてはならない。さらに電磁弁のケーシング部分内への滑り部材の組込みは、機械的に実に面倒なもしくは高価な全体構造を必要とする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ゆえに本発明の課題は、冒頭に述べた形式の電磁弁を改良して、構成を単純化し、製造を簡単化することができ、しかも機能確実に働く電磁弁を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の構成では、可動子が機械的なガイド手段から自由に半径方向可動に、ケーシング部分内に配置されており、可動子が電磁石への給電時に半径方向において、その際に可動子に作用する磁気抵抗力によって、電磁石の中心軸線に対して同心的なポジションに方向付け可能であり、しかも可動子とマグネットコアとがその互いに向けられた極面に、それぞれの中心軸線の周りに同心的に配置されたジオメトリ構造を有しており、該ジオメトリ構造が、電磁石への給電時に共働して、可動子が同心的なポジションに方向付けられるようになっているようにした。
【０００６】
【発明の効果】
本発明のように構成された電磁弁には公知のものに比べて、主として次のような利点がある。すなわち本発明による電磁弁では、従来使用されていた滑り部材を節約することができ、ひいてはこれに関連した製造及び作業ステップを省くことができる。可動子を案内する滑り部材を省くことによって、電磁弁の開閉時における機械的な可動子ガイドに起因する摩擦損失が回避される。また別の利点としては、滑り部材の省略によって、可動子の構成を著しく簡単化し、かつ機能を最適化できるということが挙げられる。さらに簡単化された構造によって、電磁弁の動的な特性のばらつきが減少し、その結果系全体の確実性が高められる。さらにまた、電磁弁の製造時における著しいコストの節減という利点も得られる。従って滑り部材の節減のみならず、可動子をも簡単かつ安価に構成することができ、例えば単純な打抜き部材として製造することが可能である。
【０００７】
請求項１記載の電磁弁の別の有利な構成は、請求項２以下に記載されている。
【０００８】
可動子が円板状の可動子プレートとして形成されていて、該可動子プレートが、電磁石とは反対側の面で直接、制御弁部材に作用するように構成されていると、可動子の特に扁平な構造形式を得ることができる。そして電磁弁の閉鎖位置において閉鎖ばねによって可動子に伝達される傾倒モーメントは、著しく減じられ、有利である。
【０００９】
別の有利な構成では、可動子プレートと制御弁部材とが別体の部材として製造されており、その結果可動子プレートが半径方向において制御弁部材に対して相対的にシフト可能であり、しかもこの際に、制御弁部材が弁座に対するその中心ポジションから強制的にシフトされることはない。そしてこれによって、弁座のそばで制御弁部材が側部で当接すること及び弁座内に摩擦損失を伴って滑入することは、十分に回避される。
【００１０】
可動子の同心的なポジションにおいて可動子の中心軸線が、燃料通路に対して同心的に配置されていると、可動子に作用する傾倒モーメントをさらに減じることができる。そして電磁弁の閉鎖時に可動子はその同心的なポジションから制御弁部材に真ん中で当接するので、電磁弁の閉鎖状態において制御弁部材は燃料通路に対して同心的に弁座に接触し、傾倒モーメントは減じられる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
図１には、燃料噴射弁の上側部分が示されており、この燃料噴射弁は、特に、高圧フィードポンプによって高圧燃料を連続的に供給される燃料高圧アキュムレータを備えたディーゼル燃料用のコモンレール系の、燃料噴射装置において使用するためのものである。燃料噴射弁は、長手方向孔５を備えた弁ケーシング４を有しており、長手方向孔５内には、弁ピストン６が配置されていて、この弁ピストン６は図１に示されていない端部で、ノズル体内に配置された弁ニードルに対して作用する。弁ニードルは圧力室内に配置されており、この圧力室には、圧力孔を介して高圧下にある燃料が供給される。弁ピストン６の開放行程運動時に弁ニードルは、弁ニードルの圧力肩部に常に作用する圧力室内の燃料高圧によって、図示されていないばねの閉鎖力に抗して持ち上げられる。この際の圧力室と接続された噴射開口を通して、内燃機関の燃焼室内への燃料の噴射が行われる。弁ピストン６の降下によって弁ニードルは、閉鎖方向で噴射弁の弁座内に押し込まれ、噴射過程が終了する。弁ピストン６は弁ニードルとは反対側の端部で、シリンダ孔１１内において案内され、このシリンダ孔１１は、弁ケーシング４に挿入されている弁部材１２に設けられている。シリンダ孔１１内において弁ピストン６の端面は制御圧室１４を閉鎖しており、この制御圧室１４は供給通路を介して、図示されていない燃料高圧接続部と接続されている。供給通路はほぼ３つの部分から形成されている。弁部材１２の壁を半径方向に貫いて延びていて、内壁がその長さの一部において供給絞り１５を形成している孔は、弁部材１２の周囲を取り囲んでいるリング室１６と常に接続されており、このリング室１６は同様に燃料高圧接続部と常に接続されている。供給絞り１５を介して制御圧室１４は、高圧アキュムレータ内における高い燃料圧にさらされている。弁ピストン６に対して同軸的に制御圧室１４からは、弁部材１２内を延びている孔が分岐しており、この孔は、排出絞り１８を備えた燃料排出通路１７を形成している。この燃料排出通路１７は、図１に示されていない燃料低圧接続部と接続されている。弁部材１２からの燃料排出通路１７の出口は、弁部材１２の端面の円錐形に凹んだ部分２１の領域に設けられている。弁部材１２は図示の実施例では、相互（wechselseitig）の２つの緊締肩部を備えた緊締エレメント２３を用いて、電磁弁のケーシング部分３９と一緒に、ねじ部材７を介して弁ケーシング４内において緊締されている。そのために弁部材１２は環状のフランジ１３を有しており、このフランジ１３は弁ケーシング４のリング状の肩部４７に載っている。フランジ１３は緊締エレメント２３と弁ケーシング４との間において緊締される。緊締エレメント２３の、弁ケーシング４とは反対側の他方の肩部には、調節円板４８が接触している。電磁弁のケーシング部分３９は環状の縁部区分で調節円板４８に載っている。ねじ部材７は緊締肩部で電磁弁ケーシング３９に接触していて、弁ケーシング４に螺合される。図示の実施例では、ただ１つのねじ部材７によって電磁弁ケーシング３９は、弁ケーシング４に固定され、かつ同時に弁部材１２を緊締している。
【００１３】
円錐形の部分２１には弁座２４が形成されており、この弁座２４とは、噴射弁を制御する電磁弁の制御弁部材２２，２５が共働する。制御弁部材２２，２５は弁球２５と、該弁球２５を受容するソケット部分２２との２部分から形成されていて、可動子２７と連結されており、この可動子２７は電磁弁の電磁石２９と共働する。可動子を制御弁部材２２，２５と一体的に形成することも可能ではあるが、図示の有利な実施例では、可動子２７と制御弁部材２２，２５とは別体の部材として形成されている。ソケット部分２２の、弁球２５とは反対の側は、可動子２７のための平らな接触面として形成されている。可動子２７は一体的に、かつほぼ真円形で円板状の可動子プレートとして形成されている。可動子プレートは、電磁石２９に向けられた極面３７と、該極面３７とは反対側の平らな面３６とを有しており、この面３６は直接、制御弁部材のソケット部分２２に作用する。可動子２７の極面３７の中心からはピン３５が鉛直方向に突出しており、このピン３５は電磁石２９の切欠き１０内に係合していて、この切欠き１０内にはさらに閉鎖ばね３１も配置されており、この閉鎖ばね３１はピン３５に支持されている。可動子２７と、この可動子２７に連結された制御弁部材２２，２５とは、ケーシング不動に支持される閉鎖ばね３１によって常に閉鎖方向で負荷されており、従って制御弁部材２２，２５は通常は閉鎖位置において弁座２４に接触している。電磁石２９が励起されると、可動子２７は軸方向において弁座２４から引き離され、排出通路１７は放圧室１９に向かって開放される。
【００１４】
図１からさらに分かるように、電磁石２９はマグネットコイル３２とマグネットコア３３とを有している。マグネットコア３３はその極面３８にリング状の切欠き４１を有しており、この切欠き４１内にマグネットコイル３２が配置されている。マグネットコイルの接続部３４はマグネットコア３３を貫いて外方に案内されている。切欠き４１によってマグネットコアの極面３８は、内側の円形リング状の極面区分４５と外側の円形リング状の極面区分４４とに分割されており、この両極面区分４４，４５は、図３から最も良く分かるように、可動子プレートの極面に向けられている。電磁石が給電されると、極面区分４４と可動子の極面３７との間の間隙及び、可動子の極面３７とマグネットコアの極面区分４５との間の間隙を介して、閉じられた磁気回路が形成される。マグネットコア３３の極面と可動子プレートの極面３８との間には、マグネットコア３３における可動子のいわゆる磁気による接着を回避するために、最小間隔が維持されねばならない。このことは、図３に示されているように、例えば可動子プレートの極面３７における磁気非透過性材料から成る層２６によって達成することができる。例えばこの層２６はクローム又はテフロンから製造することができる。そしてこの層はろう接、溶接、接着又はその他の適宜な形式で可動子と結合可能である。また、可動子２７の極面３８とマグネットコア３３との間に単数又は複数のスペーサ円板を挿入することも可能である。可動子プレートとマグネットコアとの間における最小間隔を維持するための別の可能性としては、可動子に、極面３７から突出する構造パターン（例えば小突起（Noppen））を設けることがあり、このような構造パターンは電磁石に支持されているか又は、電磁石内に設けられたスリーブに支持されている。さらに、例えば可動子プレートが、電磁石内に設けられていてマグネットコア３３の極面３８から突出しているスリーブに接触するようになっていてもよい。
【００１５】
噴射弁の開閉は、以下において述べるように電磁弁によって制御される。既に述べたように、可動子２７は常に閉鎖ばね３１によって閉鎖方向に負荷されているので、制御弁部材２５は電磁石の励磁されていない場合には閉鎖位置において弁座２４に接触しており、かつ制御圧室１４は放圧側１９に対して閉鎖されている。その結果制御圧室１４では、供給通路を介して極めて迅速に、燃料高圧アキュムレータにおいても存在している高い圧力が形成される。制御圧室１４内における圧力は弁ピストン６及び、該弁ピストンに結合されている弁ニードルに対して閉鎖力を生ぜしめ、この閉鎖力は、他方において存在する高圧に基づいて開放方向に作用する力よりも大きい。制御圧室１４が電磁弁の開放によって放圧側１９に向かって開放されると、制御圧室１４の僅かな容積内における圧力は極めて迅速に消滅する。それというのは制御圧室１４は、供給絞り１５を介して高圧側から遮断されているからである。その結果、弁ニードルにおける燃料高圧に基づいて弁ニードルに対して開放方向で作用する力が上回るので、弁ニードルは上方に向かって運動し、この場合少なくとも１つの噴射開口が噴射のために開放される。電磁弁が燃料排出通路１７を閉鎖すると、制御圧室１４における圧力は、供給通路１５を介して流れる燃料によって再び形成されることができ、その結果本来の閉鎖力が発生して、燃料噴射弁の弁ニードルを閉鎖する。
【００１６】
図１に示されているように、本発明による燃料噴射弁の可動子２７は電磁弁のケーシング部分３９内において、機械的な案内によって阻止されることなく、半径方向において運動することができる。可動子２７の半径方向運動時に、可動子プレートの面３６はソケット部分２２に沿って滑動することができる。電磁弁の閉鎖時に、閉鎖ばね３１は可動子２７と制御弁部材２２，２５とを弁座２４に向かって押圧し、この際に機械的に案内されていない可動子プレートは、ソケット部分２２に偏心して当接すると、幾分傾倒することがある。しかしながら半径方向において可動子プレートが幾分ずれたとしても、制御弁部材２５は常に確実に弁座２４内に押し込まれる。可動子２７が円板状の可動子プレートとして扁平に形成されていることによって、この場合の傾倒モーメントは、可動子プレートから突出している可動子ピンを備えたＴ字形の可動子に比べて、さらに著しく減じられる。
【００１７】
図２には、本発明の別の実施例が示されている。図２に示された電磁弁の基本構造は図１に示された実施例と同様である。ゆえに同一部材は同一符号で示されている。図面から分かるように、この場合プレート状の可動子２７は、図１の実施例とは異なり、電磁石に向けられた側において真ん中に切欠き４０を有しており、この切欠き４１には閉鎖ばね３１が係合している。閉鎖ばね３１の係合ポイントはここでは特に、制御弁部材の球２５の近くに位置しているので、電磁弁閉鎖時に可動子に対して作用する傾倒モーメントはさらに減じられる。さらに弁部材１２は別体の螺合可能な緊締部材２３を用いて弁ケーシング４内において緊締されている。電磁弁ケーシング３９はねじ部材７によって中間円板４８を介して直接、弁ケーシング４に固定される。扁平な可動子にもかかわらず緊締部材２３のために十分な空間を得るために、弁部材１２、の電磁石に向けられた端面は、円錐台形状の区分２０を有しており、この区分２０はフランジ１３によって取り囲まれている。弁座２４は円錐台形状の区分２０の真ん中に設けられている。図面から分かるように、円錐台形状の面２０を取り囲む室は、弁部材１２のフランジ１３に接触する緊締ナット２３のための受容部を形成する。可動子２７と電磁石２９との間における最小間隔は、非磁性材料による可動子の被覆によって達成される。
【００１８】
本発明の特に有利な別の構成では、可動子プレートが磁気抵抗力を用いてセンタリングされるようになっており、このようになっていると、制御弁部材への衝突時における可動子プレートの偏心及びそれに基づく可動子プレートの傾倒を回避することができる。これは次のことによって達成することができる。すなわちこの場合、可動子２７及び電磁石２９のマグネットコア３３が所定のジオメトリ構造（geometrische Struktur）を備えていて、両方のジオメトリ構造が電磁石２９への給電時に共働して、可動子２７が中心のポジションに方向付けられ、このポジションにおいて可動子２７の中心軸線４９は電磁石の中心軸線３０に対して同軸的に延びる（中心軸線４９と中心軸線３０とは一直線上に位置する）。このことには次のような利点、すなわち可動子プレートが電磁弁の開放時に常にセンタリングされ、電磁石への給電の遮断時における電磁弁の閉鎖時には、中心のポジションから制御弁部材に当接するという利点がある。このようなジオメトリ構造は、図１に示された電磁弁においても図２に示された電磁弁においても設けることができる。図２においてジオメトリ構造は符号４１，４２によって示されており、図３には拡大図で示されている。
【００１９】
図３から分かるように、電磁石２９はマグネットコア３３とコイル３２とを有している。マグネットコア３３はその中心軸線３０に対して同心的に延びている溝状の切欠き４１を備えており、この切欠き４１内にはコイル３２が挿入されている。切欠き４１によってマグネットコア３３の極面３８は、外側のリング状の極面区分４４と内側の極面区分４５とに分割される。この実施例における特殊性は切欠き４２にあり、この切欠き４２は可動子２７の、マグネットコア３３に向けられた極面３７に、可動子の中心軸線４９に対して同心的に設けられている。同様にリング状のこの切欠き４２は、環状の溝の形をしており、マグネットコア３３の切欠き４１とほぼ等しい外径及び内径を有していて、ひいては等しい幅ｄを有している。互いに対向して位置している切欠き４１，４２は磁気的に共働して、電磁石への給電時に可動子２７の中心軸線４９が電磁石の中心軸線３０に対して同軸的に延びるようになっている。磁気によるセンタリング作用は、可動子プレートの半径方向における偏位時に生じる磁気抵抗力に基づくものである。切欠き４１，４２が互いに合同な形で上下に配置されていない場合には、磁力線は両切欠き４１，４２の縁部において歪められる。それによって生じる磁気抵抗力は可動子プレートを再び、両切欠き４１，４２が互いに合同な形で上下に位置し、可動子の中心軸線４９が電磁石２９の中心軸線３０に対して同軸的に延びるようになるまで、引き戻す。そのために切欠き４２は必ずしも環状に可動子２７に設けられていなくてもよい。中心軸線４９に対して同心的に配置されたセグメントやその他の適宜な構成も使用することが可能である。
【００２０】
図４に示された別の実施例では、可動子２７の極面３７は切欠きなしに形成されており、その代わりに、マグネットコアの外側の極面区分４４の内径よりも幾分大きな外径を有している。可動子の極面３７の外径は有利には、マグネットコア３３の外側の極面区分４４の内径よりも１ｍｍよりも小さな寸法だけ大きく形成されている。電磁石への給電時に磁界は、極面３７と外側の極面区分４４とのオーバラップ領域ｅにおいて強くなる。それというのは、そこでは磁力線がより密に延びているからである。このような磁界の強化は、オーバラップ領域ｅが小さければ小さいほど、大きい。可動子プレートが半径方向における偏位すると、この領域において強い磁気抵抗力が生じ、この磁気抵抗力によって可動子は、中心軸線３０，４９が同軸的に位置する（一直線上に位置する）中心のポジションに戻される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による電磁弁の第１実施例による、燃料噴射弁の上側部分を示す断面図である。
【図２】 本発明による電磁弁の第２実施例による、燃料噴射弁の上側部分を示す断面図である。
【図３】 可動子をセンタリングするジオメトリ構造を備えた別の実施例による、電磁弁を拡大して示す図である。
【図４】 さらに別の実施例による、電磁弁を拡大して示す図である。
【符号の説明】
４ 弁ケーシング、 ５ 長手方向孔、 ６ 弁ピストン、 ７ ねじ部材、 １１ シリンダ孔、 １２ 弁部材、 １３ フランジ、 １４ 制御圧室、 １５ 供給絞り、 １６ リング室、 １７ 排出通路、 １８ 排出絞り、 １９ 放圧室、 ２０ 区分、 ２１ 凹んだ部分、 ２２ ソケット部分、 ２３ 緊締エレメント、 ２４ 弁座、 ２５ 弁球、 ２６ 層、 ２７ 可動子、 ２９ 電磁石、 ３０ 中心軸線、 ３１ 閉鎖ばね、 ３２ マグネットコイル、 ３３ マグネットコア、 ３４ 接続部、 ３５ ピン、 ３６ 面、 ３７ 極面、 ３８ 極面、 ３９ ケーシング部分、 ４０ 切欠き、 ４１ 切欠き、 ４４，４５ 極面区分、 ４７ 肩部、 ４８ 調節円板、 ４９ 中心軸線

Claims (9)

1. 内燃機関の噴射弁を制御する電磁弁であって、ケーシング部分（３９）と、マグネットコイル（３２）及びマグネットコア（３３）を備えた電磁石（２９）と、該電磁石（２９）と弁座（２４）との間において軸方向可動でかつ弁ばね（３１）によって負荷されている可動子（２７）と、該可動子（２７）と共に運動しかつ弁座（２４）と共働して燃料通路（１７）を開閉するために働く制御弁部材（２２，２５）とが設けられている形式のものにおいて、可動子（２７）が機械的なガイド手段から自由に半径方向可動に、ケーシング部分（３９）内に配置されており、可動子（２７）が電磁石（２９）への給電時に半径方向において、その際に可動子（２７）に作用する磁気抵抗力によって、電磁石の中心軸線（３０）に対して同心的なポジションに方向付け可能であり、しかも可動子（２７）とマグネットコア（３３）とがその互いに向けられた極面（３７，３８）に、それぞれの中心軸線（３０，４９）の周りに同心的に配置されたジオメトリ構造（４１，４２，４３，４４）を有しており、該ジオメトリ構造が、電磁石（２９）への給電時に共働して、可動子（２７）が同心的なポジションに方向付けられるようになっていることを特徴とする、内燃機関の噴射弁を制御する電磁弁。
2. 可動子（２７）が円板状の可動子プレートとして形成されていて、該可動子プレートが、電磁石とは反対側の面（３６）で直接、制御弁部材（２２，２５）に作用する、請求項１記載の電磁弁。
3. 可動子プレート（２７）と制御弁部材（２２，２５）とが別体の部材として製造されていて、可動子プレートが半径方向において制御弁部材に対して相対的にシフト可能である、請求項２記載の電磁弁。
4. 同心的なポジションにおいて可動子（２７）の中心軸線（４９）が、燃料通路（１７）に対して同心的に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の電磁弁。
5. ジオメトリ構造が、マグネットコア（３３）及び可動子（２７）の互いに向けられた極面（３７，３８）における切欠き（４１，４２）によって形成され、該切欠きが、同心的なポジションにおいて互いに合同に上下に配置されている、請求項１記載の電磁弁。
6. マグネットコア（３３）の、可動子（２７）に向けられた極面（３８）が、第１のリング状の切欠き（４１）を有していて、該切欠き（４１）内にマグネットコイル（３２）が配置されており、可動子（２７）の、電磁石（２９）に向けられた極面（３７）が、前記第１の切欠き（４１）に対応配置されていて可動子（２７）の中心軸線（４９）の周りに同心的に配置されたリング状又は部分リング状の第２の切欠き（４２）を有している、請求項５記載の電磁弁。
7. マグネットコア（３３）のジオメトリ構造が、マグネットコア（３２）を取り囲む、マグネットコアの円形リング状の極面区分（４４）によって形成されていて、可動子（２７）のジオメトリ構造が、可動子の円形又は円形リング状の極面（３７）によって形成されていて、該極面（３７）の外径が、マグネットコア（３３）の円形リング状の極面区分（４４）の内径よりも幾分大きく形成されている、請求項１記載の電磁弁。
8. 可動子（２７）の極面（３７）の外径が、マグネットコア（３３）の円形リング状の極面区分（４４）の内径よりも１ｍｍ未満だけ大きく形成されている、請求項７記載の電磁弁。
9. 弁座（２４）が、燃料通路（１８）を有する弁部材（１２）の、可動子（２７）に向かって突出する円錐台形状の面（２０）において真ん中に配置されていて、円錐台形状の面（２０）を取り囲む室が、弁部材（１２）を噴射弁において固定する緊締ナット（２３）のための受容部を形成している、請求項１から８までのいずれか１項記載の電磁弁。

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