JP4125295B2 - 噴射ノズル - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射システムにおいて使用するための噴射ノズルに関するものである。特に、本発明は、限定するのではないが、第１及び第２のニードル弁が複数のノズル出口を経由する関連の燃焼空間内への燃料の噴射を制御するよう作動可能である圧縮点火式内燃機関において使用するための噴射ノズルに関するものである。

いわゆる可変噴射ノズルは、少なくとも２つの出口開口を有しており、そこを通る燃料は、噴射が出口の一方のみを通って或いは出口の両方を一緒に通って行われるかどうか制御するよう第１及び第２のニードル弁を作動可能にして、関連の燃焼シリンダ内に噴射される。この形式の１つの既知噴射ノズルにおいて、第１組のノズル出口への燃料流れは、外側ニードル弁により制御される。第２組のノズル出口への流れは、第１組のノズル出口を通る燃料の流れが十分な速度に達した後にのみ、外側ニードル弁によりリフトされる内側ニードル弁によって制御される。この仕組みは、高出力モードに対しては大きな総ノズル出口面積を選択し、低乃至中間出力モードに対しては最適エンジン排ガスのため小さな総ノズル出口面積を選択することを可能にする。従って、この噴射ノズルは、唯１つのニードル弁が１つのノズル出口を通る或いは単一組のノズル出口を通る噴射を制御する単段噴射ノズルよりも大きな自由度有している。

しかし、前述した形式の可変噴射ノズルには２つの主な問題がある。第１に、ニードル弁の総リフトの要求が単一ニードル弁を有するに過ぎない単段噴射ノズルと比較して大きいことである。第２に、内側及び外側ニードル弁の間に形成されるチャンバが噴射事象と事象の間第１組のノズル出口と流体連通することである。このチャンバ内の燃料は、燃焼サイクルにおいて終期にノズル出口から噴射されることができ、そのためエンジンが炭化水素排出物質を生成する、即ち、排ガス中に未燃焼又は部分燃焼の燃料を生成する。

可変オリフィス噴射ノズルの１形式においては、圧電アクチュエータがニードル弁をリフトするよう組み込まれている。圧電積重体を有するアクチュエータには、積重体の長さ、従って、ノズルのニードル弁の運動を制御するよう、繰り返し電流が流されたり切られたりする。ニードル弁をリフトするのに要するエネルギはこうして電気的に供給され、これは、積重体容積（即ち、幅、長さ及び高さ）並びにアクチュエータの総合的信頼性に対して直接影響を及ぼす。噴射中の燃料体積の影響は現在のエンジン排出物質要求に対してますます臨界的になってきているので、インジェクタ特性の制御精度及び繰返し精度はますます重要になっている。例えば、排出物質規制案をクリアするために、エンジンは、低出力モード及び中間出力モードにおいて高い排ガス循環レベルで運転しており、低い利用可能酸素レベルのため噴霧状態の悪い燃料が燃焼される可能性を低くすることを意味している。

本発明の目的は、先行技術の欠点を超克すると同時に現在及び将来の排出物質要求を達成できる改良型の可変オリフィス式噴射ノズルを提供することである。

本発明の第１の形態によると、内燃機関のための噴射ノズルであって、第１ノズル出口を通る噴射を制御するよう外側弁座部に係合可能である外側ニードル弁と、該外側ニードル弁内を可動であると共に、第２ノズル出口を通る噴射を制御するよう内側弁座部に係合可能である内側ニードル弁と、前記外側ニードル弁が所定量以上に前記外側弁座部から離れて移動され、そのため前記第１及び第２ノズル出口の双方を通る燃料噴射が可能となる状況下において前記外側ニードル弁の運動を前記内側ニードル弁に結合するための結合手段とを含む噴射ノズルが提供されている。前記外側弁座部は、前記外側ニードル弁のための第１及び第２座部を画成しており、前記外側ニードル弁と前記第１座部との間の協働が第１給送室及び前記第１ノズル出口の間の燃料流量を制御し、前記外側ニードル弁と前記第２座部との間の協働が第２給送室及び前記第１ノズル出口の間の燃料流量を制御する。前記第２給送室は、前記外側ニードル弁内に少なくとも部分的に画成された補助流路を経由して前記第１給送室と連絡している。更に、前記結合手段は、前記外側ニードル弁により支持された弾性部材を含んでおり、該弾性部材は、前記内側ニードル弁を前記外側ニードル弁と一緒に移動させるよう前記所定量以上の前記外側ニードル弁の運動に続いて前記内側ニードル弁との係合状態になる。

本発明の噴射ノズルは、第１出口への許容流量を今までどおり達成しながらも、インジェクタのアクチュエータにより外側ニードル弁に減少リフト力が加えられることを可能にする。減少リフト力が使用されうるのは、燃料が２つの座部を通り越して第１出口へと流れるためである。これは、ノズル出口への流れが唯一つの座部のみを通り越して流れる既知の可変オリフィスノズルと異なっている。アクチュエータに対する要求の減少は、比較的に高価なこのインジェクタ構成要素の耐用年数を長くする。その上、噴射の制御が高められ、排気規制に適応するのに役立つ。

好適な実施形態において、外側ニードル弁は軸方向のボアを備えていて、その中に内側ニードル弁が受け入れられており、補助流路は軸方向のボアの領域により一部画成されている。

好適な実施形態において、補助流路は外側ニードル弁に設けられた少なくとも１つの半径方向の通路により更に画成されており、該半径方向の通路は第１給送室及び軸方向のボアの間の連絡を行っている。

一実施形態において、弾性部材は、横方向弾性を有する細長い部材、例えば、ほぼＣ形横断面のロールピンの形となっている。内側ニードル弁の一部は、ロールピンの内部に受け入れられると共に、外側ニードル弁が所定量未満だけ外側ニードル弁から離れて移動するときにロールピン内で可動である。

好ましいのは、弾性部材が外側ニードル弁によりそれら部材間の摩擦係合を通じて支持されることである。例えば、該ロールピンの外表面は、外側ニードル弁と摩擦係合してロールピン及び外側ニードル弁を互いに結合する。

更なる好適な実施形態において、弾性部材は、内側ニードル弁の第２接触面と係合するための第１接触面を含んでおり、これら接触面は実質的に平坦である。別の好適な実施形態において、前記接触面は、実質的に切頭円錐形のものである。

後者の実施形態は、それがより強い内側ニードル弁構造を提供するので有利であろう。特に、弾性部材は、第１上側円錐面を画成し、内側ニードル弁の拡大端部は、弾性部材の前記第１上側円錐面と係合するための対応する形状の第２上側円錐面を画成し、その場合、前記上側面はそれらの間に、内側及び外側ニードル弁が着座するときに所定量に等しい間隙距離を画定し、また、前記外側弁部材は、前記上側接触面を係合させるよう、所定の距離外側弁座部から離れて移動可能であり、それにより外側弁座部から離れる外側ニードル弁の更なる運動が内側ニードル弁に伝えられる。

更なる好適な実施形態において、内側ニードル弁は内側弁座部に係合可能の着座領域を含んでおり、該着座領域は、内側弁座部と共に座部制限箇所を画成する部分楕円回転体形の領域を含んでおり、内側ニードル弁がリフトされて内側弁座部から離れた状況下において座部制限箇所を介して燃料が第２給送室及び第２ノズル出口の間に流れる。

この着座領域は、座部制限箇所の下流において燃料流速に対して減速効果を有するよう部分楕円回転体領域の下流側に円錐形の領域を含んでいることが好ましい。これは、恐らく最も高い圧力が第２の出口に流入する前にノズル袋状室においてリカバー（recover)されることを確実にする。これは、内側ニードル弁に対して過剰なリフト距離を必要とすることなく、良好な流れ特性が第２の出口に対して達成されることを確実にする。

本発明の第２の形態によると、内燃機関のための噴射ノズルであって、第１ノズル出口を通る噴射を制御するよう外側弁座部に係合可能である外側ニードル弁と、該外側ニードル弁内を可動であると共に、第２ノズル出口を通る噴射を制御するよう内側弁座部に係合可能である内側ニードル弁とを含む噴射ノズルが提供されている。外側弁座部は、外側ニードル弁のための第１及び第２座部を画成しており、外側ニードル弁と第１座部との間の協働が第１給送室及び第１ノズル出口の間の燃料流量を制御しており、外側ニードル弁と第２座部との間の協働が第２給送室及び第１ノズル出口の間の燃料流量を制御しており、第２給送室が外側ニードル弁内に少なくとも部分的に画成された補助流路を経由して第１給送室と連絡している。内側ニードル弁は、内側弁座部に係合可能の着座領域を含んでおり、該着座領域は、内側弁座部と共に座部制限箇所を画成する部分楕円回転体形の領域を画成しており、内側ニードル弁がリフトされて内側弁座部から離れた状況下において座部制限箇所を介して燃料が第２給送室及び第２ノズル出口の間に流れる。

着座領域は、座部制限箇所の下流において燃料流速に対して減速効果を有するよう部分楕円回転体領域の下流側に円錐形の領域を含んでいることが好ましい。

好適な実施形態において、噴射ノズルは、外側ニードル弁が所定量以上に外側弁座部から離れて移動され、そのため第１及び第２ノズル出口の双方を通る燃料噴射が可能となる状況下において外側ニードル弁の運動を内側ニードル弁に結合するための結合手段を含んでいる。

本発明の第１の形態の任意的な又は好適な特徴は、本発明の第２の形態に組み込むこともできる。

別の形態において、本発明は、内燃機関の燃料噴射システムにおいて使用するためのインジェクタを提供しており、該インジェクタは、本発明の第１又は第２の形態に基づく噴射ノズルと、外側ニードル弁の運動を起こさせるためのアクチュエータとを含んでいる。アクチュエータは、本発明の利点を達成するため圧電式のものであることが好ましい。

別の実施形態において、内燃機関の燃料噴射システムにおいて使用するためのインジェクタが提供されており、該インジェクタは、本発明の第２の形態に基づく噴射ノズルと、外側ニードル弁の運動を起こさせるための第１アクチュエータと、内側ニードル弁の運動を起こさせるための第２アクチュエータとを含んでいる。

本発明は、減少リフト力が使用されるのを可能にする２つの座部を有する外側ニードル弁の故に、圧電式に作動される燃料インジェクタに特に適用可能である。従って、アクチュエータの耐用年数は長くなり、また、性能は向上する。

本発明は、添付図面を参照して、一例としてだけで説明されるであろう。

本発明の噴射ノズルは、可変オリフィス式のものであり、噴射ノズル本体に設けられた第１組及び第２組のノズル出口を通る噴射を制御するための第１及び第２のニードル弁を含んでいる。この噴射ノズルは、ニードル弁の移動もしくは運動を制御するために圧電アクチュエータを有するインジェクタ内に実装するのに特に適している。

図１は、符号１０として総括的に呼称される圧電式インジェクタを示しており、その内部に本発明の噴射ノズルが組み込まれている。噴射ノズルは、符号１２として総括的に呼称されている。噴射ノズル１２の特定の要素のみが図１において目視できるが、細部は図２に示した拡大断面図においてより明瞭に見ることができる。

図１及び図２を参照すると、ノズル１０の外側ニードル弁１４は、第１組の出口開口２０（図２においてのみ見える）を通る燃料噴射を制御するよう、ノズル本体１８に設けられた盲ボア１６内で可動である。この噴射ノズルはまた、外側ニードル弁１４の下方領域に設けられた軸方向のボア２４内に可動に装着された内側ニードル弁２２を含んでいる。内側ニードル弁２２の運動は、第２組の出口２６（図２においてのみ見える）を通る燃料噴射を制御する。ノズル本体のボア１６の盲端は袋状室２７を画定しており、これと第２組の出口２６の入口端とが連絡している。第１組及び第２組の出口開口２０，２６は、各組において２つ以上の出口を有するものとして図示されているが、各組は平等に単一の出口により代替されることができ、この場合、１つがノズル本体１８に沿った第１の軸方向高さのところにあり、もう１つがノズル本体１８に沿った第２の異なる高さのところにある。この明細書では、従って、“出口”という引用は１つ以上の出口を意味すると解釈されるべきである。

外側ニードル弁１４は、第１の閉止スプリング３２（図１においてのみ見える）により実質的に切頭円錐形の外側弁座部３０に向かって片寄せられると共に、このスプリング力に抗して、圧電アクチュエータ２８により外側弁座部３０から離れる方向に運動するよう作動される。内側ニードル弁２２は、第２の閉止スプリング３６により実質的に内側弁座部３４に向かって片寄せられると共に、後から更に詳しく説明するように、外側ニードル弁１４が所定量を超えて運動すると同時に、このスプリング力に抗して、内側弁座部３４から離れる方向に運動するよう作動される。内側弁座部３４は、外側弁座部３０の下流側に位置付けられており、該座部３０，３４の双方はノズル本体のボア１６の下方領域により画定されている。第２の閉止スプリング３６は、外側ニードル弁１４にある軸方向ボア２４の上側端部のところに画成されたスプリング室２３内に配置されている。代表的には第１及び第２の閉止スプリング３２，３６は圧縮コイルばねでよいが、代替手段として、その他の形式の弾性偏倚要素を用いることができる。スプリング３２，３６を備えることにより、インジェクタ内に燃料圧力が存在しないときに場合によってはニードル弁１４，２を着座したままにしておくことが確実になる。

圧電アクチュエータ２８は、圧電素子の積重体４０を含んでおり、該積重体４０は、該積重体４０に流体静力学的荷重を加えるよう高圧燃料が充填されるインジェクタ蓄圧室４２内に配置されている。圧電積重体４０は、可変電圧が積重体４０の両端に印加されるのを可能にするため関連の電気コネクタ４４を有している。アクチュエータ２８は、液圧増幅器装置３７のような適切なカップリング装置を介して外側ニードル弁１４に結合されている。従って、圧電積重体４０の両端間の電圧を変えることにより、積重体４０の長さが変わり、液圧増幅器３７を通じて外側ニードル弁１４の運動を制御する。

燃料は、例えばコモンレール又はその他の共通燃料室である入口３９（図１に見られる）を経由してインジェクタに給送され、該入口はまた、エンジンの１つ以上の他のインジェクタにも燃料を供給するよう配列される。この入口３９は、蓄圧室４２に燃料を供給し、燃料はここから第１の上側給送室４６に供給される。上側給送室４６は、外側弁座部３０の上流側の領域において外側ニードル弁１４の外表面とノズル本体のボア１６との間に画定されている。外側ニードル弁１４は半径方向の交差穿孔４７を備えており、この各穿孔４７の一端は上側給送室４６と連通し、各穿孔４７の他端はニードルボア２４と連通している。半径方向の穿孔４７は、上側給送室４６と第１の出口２０の下流側に位置付けられた第２の下側給送室４９との間に燃料の流路の一部を画成している。この下側給送室４９から、燃料は、以下に更に論じられるように、外側ニードル弁１４がリフトされて外側弁座部３０から離れるときに第１の出口２０に流入することができ、そしてまた、内側ニードル弁２２がリフトされて内側弁座部３４から離れるときに第２の出口２６に流入することができる。

外側ニードル弁１４は、ノズル本体のボア１６と実質的に等しい直径を有する上端領域１４ａ（図１においてのみ見える）を有していて、これら部材間の協働は、使用中に外側ニードル弁１４がノズル本体のボア１６内を運動するときにその運動を案内するのに役立っている。外側ニードル弁１４の下方領域は、外側弁座部３０と係合可能な形状に作られた座部領域１４ｂを含んでいる。

図３にもっと明確に示すように、本発明の特別な特徴は、外側ニードル弁１４の外表面が第１の出口２０の上流側に第１（上側）の着座ライン５０を画定し第１の出口２０の下流側に第２（下側）の着座ライン５２を画定する形状に作られていることである。外側ニードル弁１４は、その上側及び下側縁のところで上側及び下側着座ライン５０，５２をそれぞれ画成する溝付き又は凹部付き領域を備えている。

外側ニードル弁１４の４つの別個の領域、即ち上側領域１４ｃ、上側座部領域１４ｄ、下側座部領域１４ｅ及び端部領域１４ｆが図３に見える。明確にするために、外側ニードル弁１４の領域１４ｃ〜１４ｆは図２には明らかにされていない。上側座部領域１４ｄ及び下側座部領域１４ｅは、一緒になって外側ニードル弁１４の凹部領域を形成すると共に、ボア１６の隣接領域と一緒に、第１の出口２０の入口端のところに燃料のための環状室５４を画定する。上側領域１４ｃの上側縁は上側の着座ライン５０を画定し、下側座部領域１４ｅの下側縁は下側の着座ライン５２を画定する。外側ニードル弁１４が外側弁座部３０に当たるその着座位置をとったときに、上側及び下側着座ライン５０，５２の双方がそれらの第１及び第２座部５６，５８のところで外側弁座部３０に係合する。

図２を再び参照すると、内側ニードル弁２２は、３つの別個の領域、即ち下側領域２２ａ、段付き領域２２ｂ及び上側拡大端部領域２２ｃを含んでいる。内側ニードル弁２２の下側領域は、内側弁座部３４と係合可能な形状に作られた、内側ニードル弁２２のための着座領域２２ａを形成している。この着座領域２２ａは、第２の出口２６を介する噴射を制御するよう内側弁座部３４と係合可能である。着座領域２２ａの特別な特徴は、それが、部分的に回転楕円体の形状のものであって、次第に細くなって又は一体化し円錐頂点で終る円錐形状の領域になっていることである。

外側ニードル弁１４は、図４に更に詳細に示すように、スプリングピンもしくはロールピン６０の形の弾性部材６０に結合されるか又は弾性部材６０を支持している。このロールピン６０は、ほぼＣ形の横断面のものであり、その外表面と外側ニードル弁１４にあるボア２４の表面との間の摩擦接触により外側ニードル弁１４に結合されている。ロールピンは（軸方向ではなく）横方向に弾性を有していて、この弾性により部材６０，１４間の摩擦結合を可能にしている。ロールピン６０の外径は、外側ニードル弁１４にある軸方向ボア２４の内径よりも若干大きいように選択されているので、内側ニードル弁及びロールピンのアセンブリ２２，６０が外側ニードル弁１４の軸方向のボア２４内に受け入れられた状態では、ロールピン６０の横方向弾性が該ロールピン６０の外表面をボアの表面との摩擦接触状態に仕向けるよう働く。

ロールピン６０は、実質的に平坦な下側及び上側端面６０ａ，６０ｂを有している。図２において認められるように、内側ニードル弁２２の段付き領域２２ｂ及び拡大端部領域２２ｃは、それぞれ、対応の平坦面１２２ａ，１２２ｂを画成している。ロールピン６０の下側端面６０ａは、内側ニードル弁２２の段付き領域２２ｂのための当接面を画成している。ロールピン６０の上側端面６０ｂは、外側ニードル弁１４が距離Ｌだけ移動して外側弁座部３０から離れたときにこの外側ニードル弁１４の運動を内側ニードル弁２２に結合するための手段を提供するべく、内側ニードル弁２２の拡大端部２２ｃの面１２２ｂと係合可能である。距離Ｌは、双方のニードル弁１４，２２が着座したときの、ロールピン６０の上側端面６０ｂと内側ニードル弁２２の拡大端部領域２２ｃの面１２２ｂとの間の隙間により決められる。

インジェクタの作動についてこれから更に詳細に説明することにする。高圧を受けている燃料は、噴射システムのコモンレールから上側給送室４６に給送される。最初に、圧電アクチュエータ２８は電圧が印加されており、積重体４０は比較的に伸びた長さを有している。この状況において、内側及び外側ニードル弁２２，１４は、それらの各スプリング３６，３２の力によりそれらの各座部３０，３４に当接保持されている。

圧電アクチュエータ２８が第１の電圧印加レベルまで減勢されるときに、積重体４０は圧縮せしめられる。その結果、リフト力が液圧増幅器３７を介して外側ニードル弁１４に伝達されて、外側ニードル弁１４を外側弁座部３０から離れるよう移動させ、上側着座ライン５０を上側座部５６から離脱させると共に下側着座ライン５２を下側座部５８から離脱させる。これは図５に示した外側ニードル弁１４の位置である。この最初のアクチュエータ２８の減勢中、外側ニードル弁１４は、距離Ｌよりも短い比較的に小距離を移動させられる。ロールピン６０の弾性によりそれは外側ニードル弁１４にある軸方向のボア２４と摩擦係合させられるので、該外側ニードル弁１４が移動するにつれて、外側ニードル弁１４はそれと一緒にロールピン６０を運び、内側ニードル弁２２の段付き領域２２ｂにある下側面１２２ａとピン６０の下側面６０ａとの間のギャップ（図５において符号Ｇで明らかにされている）を開く。外側ニードル弁１４が移動される距離が距離Ｌよりも小さければ、ロールピン６０の上端部は内側ニードル弁２２の拡大端部２２ｃと係合せず、従って、内側ニードル弁２２は内側弁座部３４に当たり着座したままである。

外側ニードル弁１４がリフトされて外側弁座部３０から離れた位置にあるとき、燃料は、上側給送室４６から上側座部５６を通り環状室５４に流入すると共に、第１の出口２０を通り燃焼室に流入することができる。更に、燃料は、上側給送室４６から外側ニードル弁１４に画成された補助流路（即ち、半径方向の穿孔４７及び軸方向のボア２４により画成された流路）を通り下側給送室４９に流入することができる。下側給送室４９に給送された燃料は、露出した下側座部５８を通って環状室５４に流入し、そして第１の出口２０を経由して流出することができる。従って、外側ニードル弁１４が外側弁座部３０からリフトされる場合、第１の出口２０への燃料には２つの流路、即ち、上側給送室４６から直接に上側座部５６を通る第１流路（矢印Ａにより表わされている）と、下側給送室４９を経由して上側給送室４６から間接的に下側座部５８を通る第２流路（矢印Ｂにより表わされている）とがある。

外側ニードル弁１４が距離Ｌよりも小さい量だけ移動されるに過ぎないのであれば、内側ニードル弁２２は、ロールピン６０の上端部が内側ニードル弁２２の拡大端部領域２２ｃから離間したままであり、そのためニードル弁２２，１４が結合されないままであるので、内側弁座部３４に当たり着座したままであろう。内側ニードル弁２２が内側弁座部３４に当たり着座した状態では、燃料は、下側給送室４９から内側弁座部３４を通り第２の出口２６に流入することができず、従って、噴射は第１の出口２０から行われるだけである。

噴射の終了が必要とされれば、積重体４０の長さを伸ばすようにアクチュエータ２８に電圧が印加され、そして外側ニードル弁１４はスプリング３２の閉止力を受けて着座される。

図６を参照すると、噴射動作の次の段階又は他の選択可能の段階の間、圧電アクチュエータ２８は、第２の減勢レベルまで更に減勢され、積重体４０の長さを更に減少させることができる。その結果、外側ニードル弁１４は、距離Ｌよりも大きな更なる量だけリフトされて外側弁座部３０から離れる。従って、ロールピン６０の上側端面６０ｂは、内側ニードル弁２２の拡大端部領域２２ｃと係合せしめられる。外側及び内側ニードル弁１４，２２の間のこの結合は、外側ニードル弁１４に加えられたリフト力が内側ニードル弁２２に伝達されるという結果になる。従って、内側ニードル弁２２は内側弁座部３４から持ち上げられる。このような状況において、内側ニードル弁２２の段付き領域の面１２２ａ及びロールピン６０の下側面６０ａは距離Ｌと同等の間隙だけ分離されるようになることが分かるであろう。

内側ニードル弁２２がリフトされて内側弁座部３４から離れると、下側給送室４９に給送された燃料は、第２の出口２０を通り燃焼室に流入することができる。最初、第２の出口２６は、外側ニードル弁１４にある軸方向のボア２４により部分的に画成された補助流路Ｂを介して燃料を引き込むであろうが、内側ニードル弁２２が更にリフトするにつれて、それは最終的に燃料を補助流路Ｂと外側ニードル弁１４を囲む流路（即ち、図５に明らかにされているように流路Ａ）との双方から引き込む。

内側ニードル弁２２がその座部からリフトされるときに、流れ制限箇所６２（座部制限箇所と称する）が座部領域２２ａの外表面と内側弁座部３４との間で開いてくる。座部領域２２ａの回転楕円体形状は、流れが座部制限箇所６２に接近するときに比較的に順調であり、従って、効果的な流れが存在することを確実にする。この流れは、次第に細くなって円錐形端部領域となる座部領域２２ａの回転楕円体部分のため座部制限箇所６２の下流側に拡散される。一部回転楕円体であり、一部円錐形である座部領域２２ａの形状の利点は、流れが第２の出口２６へと下流側へ進むときに、座部制限箇所６２を通る高流速が滑らかに減速されることである。これは、恐らく最も高い圧力が第２の出口２６に流入する前にノズル袋状室２７においてリカバー（recover)されることを確実にする。これは、内側ニードル弁２２に対して過剰なリフト距離を必要とすることなく、良好な流れ特性が第２の出口２６に対して達成されることを確実にする。

一部回転楕円体の座部領域２２ａの更なる利点は、内側ニードル弁２２が外側ニードル弁１４のボア２４に対してそれと正確に同軸というよりもむしろ、ある角度となるように力が加えられている場合（例えば、製造公差のため）、領域２２ａが切頭円錐形の着座面３４に対して着座するときに確立される封止が殆ど燃料を漏洩させないことである。これは、もし座部領域２２ａ全体が切頭円錐形のものであったとしたら結果として生じうる長円接触ラインとは対照的に、座部領域２２ａの回転楕円体部分が円錐形着座面３４に対して実質的に円形接触ラインを維持するであろうという理由による。

従来のノズルにおいて、ニードル弁座部の幾何学的形状は、ニードル弁が着座するときに耐高衝撃力を実現するよう且つ比較的に小さな袋状室を有するよう注意深く選択されねばならない。本発明においては、その代わりに、２つの理由で高い流れ効率のために弁座部の幾何学的形状を最適化することが可能である。第１に、内側ニードル弁２２は、比較的に小さくて、そのため低質量を有するので、低い衝撃力を有する。第２に、ノズル袋状室２７は、より高い燃焼温度及びエンジン内に入れられる高レベルの空気のため、炭化水素排出物質の問題が低減されるときに、高エンジン出力モードで燃料を充填されるでけである。

本発明の１つの利点は、外側ニードル弁１４がリフトされて外側弁座部３０から離れるときに出口２０に対して２つの燃料流路、即ち、上側給送室４６からの直接の第１流路と補助流路４７，２４及び下側給送室４９を介する上側給送室４６からの間接の第２流路とが存在することである。座部５６，５８を通るこれら２つの流路が存在するため、外側ニードル弁１４を移動させるのに必要なリフト力は、流れが一方向（上側給送室）のみから出口に進入する従来のノズルにおいて必要とされるよりも小さい。従って、本発明は、圧電アクチュエータ２８によりもたらすことが必要とされるリフト力が減少して、耐用期間が長くなると共に、より効率的なインジェクタの作動を可能とするという利点を提供する。外側ニードル弁１４のために２つの座部５６，５８を与えることの更なる利点は、外側ニードル弁１４が噴射の終りに着座するときに、燃料の小さな環状室５４のみが第１の出口２０に、従って、燃焼室に露出することである。これは、環状室５４及び第１の出口２０の間の連絡が噴射の終りに外側ニードル弁及び下側座部５８の間の接触により閉じられることから結果として生じている。唯一つの座部が出口の上流側に設けられている従来のインジェクタにおいては、座部の下流側でより大きな体積の燃料がこの時点で出口に露出する。

内側及び外側の弁部材２２，１４を互いに組み付けることが可能な方法についてこれから説明する。最初、内側ニードル弁２２は、ピン６０の下端面がニードル弁２２にある段部１２２に当接するよう、ロールピン６０に受け入れられる。内側ニードル弁２２及びロールピン６０は、距離Ｌを画定するような形状に作られていて、リフト力が内側ニードル弁２２に伝達されてニードル弁１４，２２の運動を互いに結合する前に、外側ニードル弁１４はこの距離Ｌを通り移動することが可能である。一旦ロールピン６０が内側ニードル弁２２に組み付けられたら、スプリング３６がスプリング室２３内に挿入され、そして組み合わされた内側ニードル弁及びロールピンのアセンブリ２２，６０が外側ニードル弁１４にある軸方向のボア２４内に押し込まれる。

組み付けられた内側及び外側ニードル弁２２，１４は次に一緒にノズル本体のボア１６に挿入される。ニードル弁アセンブリ２２，１４は、ロールピン６０が所要の距離Ｌを画定するよう精確に位置決めされた状態で、外側ニードル弁１４の上側及び下側の着座ライン５０，５２がそれぞれの座部５６，５８に着座すると共に内側ニードル弁２２の着座領域２２ａが内側弁座部３４に着座する正しい量だけ精確にノズル本体のボア１６内に挿入されねばならない。必要とされる設置を実現するために、内側及び外側ニードル弁２２，１４の相対位置は、それらをノズル本体のボア１６内に入れたら、調節する必要があるかも知れない。これは、一旦ニードル弁アセンブリ１４，２２がノズル本体のボア１６内の所定位置についたら、外側又は内側ニードル弁１４，２２をその弁座部３０，３４に押し付けることによって実現しうる。弁座部３０，３４に損傷が発生するのを避けるため、この最終組立ての間、ニードル弁２２，１４が実際のノズル本体１８内で最終的に組み立てられる前にそれらを正しく整列させるよう“ダミー”のノズル本体（例えば、ボア１６と同じ円錐角度を有するボアを備えた工具）を使用することが望ましいかも知れない。

噴射ノズルの別の実施形態が図７に示されている。図２〜図６に示されたものに類似する部材は、同様の参照数字で識別されており、従って、更に詳細に説明されることはない。図７において、内側ニードル弁２２の段付き領域２２ｂの各接触面２２２ａ及びロールピン６０の下側端６０ａは、平坦というよりはむしろ円錐形のものである（図２とは対照的に）。内側ニードル弁２２の拡大端部領域２２ｃの各接触面２２２ｂ及びロールピン６０の上側端６０ｂもまた、平坦というよりはむしろ円錐形のものである（同様に図２とは対照的に）。このような内側ニードル弁２２の形状付与により、強い構造が提供されると共に、より好都合な心なし研削技術を製造のために使用することが可能とされる。

ロールピン６０のための円錐形接触面２２２ａ，２２２ｂに見込まれる欠点は、距離Ｌの精確な設定がもっと実現困難なことである。これは、内側ニードル弁２２及びロールピン６０が外側ニードル弁１４に挿入され、ロール６０がボア２４の表面と摩擦係合するときに、ロールピン６０の横方向弾性がその外径を変化させるためである。

図７の実施形態については、従って、距離Ｌを精確に設定するために以下の順のステップを使用することができる。所望の距離Ｌは予め選択されており、内側及び外側ニードル弁２２，１４並びにロールピン６０は、実際の距離（即ち、ロールピン６０の上側端と内側ニードル弁２２の拡大端部２２ｃの下側との間の距離）が所望の距離Ｌよりも若干大きいように最初に組み立てられる。先ず、内側ニードル弁２２及びロールピン６０が前の実施形態について説明したように互いに組み立てられ、次いでこのアセンブリもしくは組立体２２，６０が、（閉止スプリング３６を室２３において所定位置にして）外側ニードル弁１４にある軸方向のボア２４内に押し込まれる。このステップは、ノズル本体のボア１６に対抗させることにより内側ニードル弁２２を軸方向のボア２４に押し込んで実現されうる。その後、外側ニードル弁１４は、内側弁着座領域２２ａを内側弁座部３４に接触させて、その上側及び下側着座ライン５０，５２が外側弁座部３０の上側及び下側座部５６，５８にそれぞれ接触するまで、閉止スプリング３６に逆らって押される。この“押し”ステップ中に外側ニードル弁１４が移動しなければならない距離Ｌ２を次いで測定する。測定された距離Ｌ２及び選択された距離Ｌの差を計算する。この差がゼロであれば、内側及び外側ニードル弁２２，１４は正しく組み立てられており、所望の距離Ｌを与えている。さもなければ、内側ニードル弁２２を軸方向のボア２４内に更に押し込まねばならず、そして達成されればゼロの測定距離まで前の諸ステップが繰り返される。

前述したように、内側ニードル弁２２を軸方向のボア２４内に押し込むときに座部３４の表面の損傷について心配があれば、実際のノズル本体のボア１６と同一の円錐角度をもつボアを有するダミーのノズル本体工具を設定プロセスのこのステップのために使用することができる。

噴射ノズルは圧電式インジェクタの一部を形成するのに適当であるとして説明してきたが、実際には、該インジェクタは、異なる形式のアクチュエータを含みうる。例えば、外側ニードル弁は、電磁式アクチュエータにより移動可能としてもよい。また、圧電式アクチュエータが使用されれば、このアクチュエータは、外側ニードル弁に機械的に結合されてもよいし、或いは選択的に液圧手段を介して外側ニードル弁に結合されてもよいことが分かるであろう。更に、前述の記載は、圧電式インジェクタがアクチュエータ積重体の消勢の結果としてニードル弁のリフトになり噴射が始まる減勢−噴射式のものであることを前提としているが、アクチュエータと外側ニードル弁に対する結合は、電圧印加−噴射式に設定されていてもよい。

本発明のノズルはまた、内側及び外側ニードル弁が互いに独立して制御されるインジェクタにも適用可能である。例えば、別々のアクチュエータを内側及び外側ニードル弁の各々について設けてもよいし、或いは単一のアクチュエータを用いてニードル弁１４，２２に加えられる液圧力を制御するようにしてもよい。従って、一旦外側ニードル弁が所定の距離を超えてリフトされたら内側ニードル弁の運動を外側ニードル弁に結合させるという図１〜図７における実施形態の特徴は本発明の本質的特徴ではない。

本発明に基づいた噴射ノズルを組み込んだインジェクタの断面図である。 閉状態（非噴射）にあるときの噴射ノズルの第１実施形態の断面図である。 図２における噴射ノズルの外側ニードル弁の一部の拡大図である。 図２における噴射ノズルのロールピン形成部分の一部の拡大図である。 第１の開状態（第１噴射状態）にあるときの図２における噴射ノズルの断面図である。 第２の開状態（第２噴射状態）にあるときの図２における噴射ノズルの断面図である。 閉状態（非噴射）にあるときの噴射ノズルの別の実施形態の断面図である。

Claims (20)

1. 内燃機関のための噴射ノズルであって、該噴射ノズルは、
   第１ノズル出口（２０）を通る噴射を制御するよう外側弁座部（３０）に係合可能である外側ニードル弁（１４）と、
   該外側ニードル弁（１４）内を可動であると共に、第２ノズル出口（２６）を通る噴射を制御するよう内側弁座部（３４）に係合可能である内側ニードル弁（２２）と、
   前記外側ニードル弁（１４）が所定量（Ｌ）以上に前記外側弁座部（３０）から離れて移動され、そのため前記第１及び第２ノズル出口（２０，２６）の双方を通る燃料噴射が可能となる状況下において前記外側ニードル弁（１４）の運動を前記内側ニードル弁（２２）に結合するための結合手段（２２ｂ，１２２；２２ｂ，２２２）とを含んでおり、
   前記外側弁座部（３０）が前記外側ニードル弁（１４）のための第１及び第２座部（５６，５８）を画成しており、前記外側ニードル弁（１４）と前記第１座部（５６）との間の協働が第１給送室（４６）及び前記第１ノズル出口（２０）の間の燃料流量を制御しており、前記外側ニードル弁（１４）と前記第２座部（５８）との間の協働が第２給送室（４９）及び前記第１ノズル出口（２０）の間の燃料流量を制御しており、前記第２給送室（４９）が前記外側ニードル弁（１４）内に少なくとも部分的に画成された補助流路（２４，４７）を経由して前記第１給送室（４６）と連絡しており、
   前記結合手段は、前記外側ニードル弁（１４）により支持された弾性部材（６０）を含んでいて、該弾性部材（６０）は、前記内側ニードル弁（２２）を前記外側ニードル弁（１４）と一緒に移動させるように、前記所定量（Ｌ）以上の前記外側ニードル弁（１４）の運動に続いて前記内側ニードル弁（２２）との係合状態になる、噴射ノズル。
2. 前記外側ニードル弁（１４）は軸方向のボア（２４）を備えていて、その中に前記内側ニードル弁（２２）が受け入れられており、前記補助流路（２４，４７）は前記軸方向のボア（２４）の領域により一部画成されている、請求項１に記載の噴射ノズル（１２）。
3. 前記補助流路は前記外側ニードル弁（１４）に設けられた少なくとも１つの半径方向の通路（４７）により更に画成されており、該半径方向の通路（４７）は前記第１給送室（４６）及び前記軸方向のボア（２４）の間の連絡を行っている、請求項１又は請求項２に記載の噴射ノズル（１２）。
4. 前記弾性部材（６０）は摩擦係合を通じて前記外側ニードル弁（１４）により支持されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の噴射ノズル（１２）。
5. 前記弾性部材（６０）は横方向弾性を有するロールピンの形となっており、該ロールピン（６０）の外表面が前記外側ニードル弁（１４）と摩擦係合して前記ロールピン（６０）及び前記外側ニードル弁（１４）を互いに結合している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の噴射ノズル（１２）。
6. 前記弾性部材（６０）は前記内側ニードル弁（２２）の第２接触面（１２２ｂ）と係合するための第１接触面（６０ｂ）を含んでおり、前記接触面（６０ｂ，１２２ｂ）は実質的に平坦である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の噴射ノズル（１２）。
7. 前記弾性部材（６０）は前記内側ニードル弁（２２）の第２接触面（６０ｂ）と係合するための第１接触面（２２２ｂ）を含んでおり、前記接触面（６０ｂ，１２２ｂ）は実質的に切頭円錐形である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の噴射ノズル（１２）。
8. 前記内側ニードル弁（２２）は前記内側弁座部（３４）に係合可能の着座領域（２２ａ）を含んでおり、該着座領域（２２ａ）は、前記内側弁座部（３４）と共に座部制限箇所（６２）を画成する部分楕円回転体形の領域を画成しており、前記内側ニードル弁（２２）がリフトされて前記内側弁座部（３４）から離れた状況下において前記座部制限箇所を介して燃料が前記第２給送室（４９）及び前記第２ノズル出口（２６）の間に流れる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の噴射ノズル（１２）。
9. 前記着座領域（２２ａ）は、前記座部制限箇所（６２）の下流において燃料流速に対して減速効果を有するよう前記部分楕円回転体領域の下流側に円錐形の領域を含んでいる、請求項８に記載の噴射ノズル（１２）。
10. 内燃機関の燃料噴射システムにおいて使用するためのインジェクタ（１０）であって、該インジェクタ（１０）は、請求項１〜９のいずれか１項に記載の噴射ノズル（１２）と、外側ニードル弁（１４）の運動を起こさせるためのアクチュエータ（２８）とを含んでいる、インジェクタ。
11. 前記アクチュエータは圧電アクチュエータ（２８）である、請求項１０に記載のインジェクタ。
12. 内燃機関のための噴射ノズル（１２）であって、該噴射ノズルは、
    第１ノズル出口（２０）を通る噴射を制御するよう外側弁座部（３０）に係合可能である外側ニードル弁（１４）と、
    該外側ニードル弁（１４）内を可動であると共に、第２ノズル出口（２６）を通る噴射を制御するよう内側弁座部（３４）に係合可能である内側ニードル弁（２２）とを含んでおり、
    前記外側弁座部（３０）が前記外側ニードル弁（１４）のための第１及び第２座部（５６，５８）を画成しており、前記外側ニードル弁（１４）と前記第１座部（５６）との間の協働が第１給送室（４６）及び前記第１ノズル出口（２０）の間の燃料流量を制御しており、前記外側ニードル弁（１４）と前記第２座部（５８）との間の協働が第２給送室（４９）及び前記第１ノズル出口（２０）の間の燃料流量を制御しており、前記第２給送室（４９）が前記外側ニードル弁（１４）内に少なくとも部分的に画成された補助流路（２４，４７）を経由して前記第１給送室（４６）と連絡しており、
    前記内側ニードル弁（２２）は前記内側弁座部（３４）に係合可能の着座領域（２２ａ）を含んでおり、該着座領域（２２ａ）は、前記内側弁座部（３４）と共に座部制限箇所（６２）を画成する部分楕円回転体形の領域を画成しており、前記内側ニードル弁（２２）がリフトされて前記内側弁座部（３４）から離れた状況下において前記座部制限箇所を介して燃料が前記第２給送室（４９）及び前記第２ノズル出口（２６）の間に流れる、噴射ノズル（１２）。
13. 前記着座領域（２２ａ）は、前記座部制限箇所（６２）の下流において燃料流速に対して減速効果を有するよう前記部分楕円回転体領域の下流側に円錐形の領域を含んでいる、請求項１２に記載の噴射ノズル（１２）。
14. 前記外側ニードル弁（１４）は軸方向のボア（２４）を備えていて、その中に前記内側ニードル弁（２２）が受け入れられており、前記補助流路（２４，４７）は前記軸方向のボア（２４）の領域により一部画成されている、請求項１２又は請求項１３に記載の噴射ノズル（１２）。
15. 前記補助流路は前記外側ニードル弁（１４）に設けられた少なくとも１つの半径方向の通路（４７）により更に画成されており、該半径方向の通路（４７）は前記第１給送室（４６）及び前記軸方向のボア（２４）の間の連絡を行っている、請求項１４に記載の噴射ノズル（１２）。
16. 前記外側ニードル弁（１４）が所定量（Ｌ）以上に前記外側弁座部（３０）から離れて移動され、そのため前記第１及び第２ノズル出口（２０，２６）の双方を通る燃料噴射が可能となる状況下において前記外側ニードル弁（１４）の運動を前記内側ニードル弁（２２）に結合するための結合手段（２２ｂ，１２２；２２ｂ，２２２）を更に含んでいる、請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の噴射ノズル（１２）。
17. 内燃機関の燃料噴射システムにおいて使用するためのインジェクタ（１０）であって、該インジェクタ（１０）は、請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の噴射ノズル（１２）と、外側ニードル弁（１４）の運動を起こさせるためのアクチュエータ（２８）とを含んでいる、インジェクタ。
18. 前記アクチュエータは圧電アクチュエータ（２８）である、請求項１７に記載のインジェクタ。
19. 内燃機関の燃料噴射システムにおいて使用するためのインジェクタ（１０）であって、該インジェクタ（１０）は、請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の噴射ノズル（１２）と、外側ニードル弁（１４）の運動を起こさせるための第１アクチュエータと、内側ニードル弁（２２）の運動を起こさせるための第２アクチュエータとを含んでいる、インジェクタ（１０）。
20. 前記アクチュエータの少なくとも一方は圧電アクチュエータ（２８）である、請求項１９に記載のインジェクタ。

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