JP4138650B2 - 閉鎖圧力を補償される燃料インゼクタ - Google Patents

Description

【０００１】
技術分野
空気圧縮式の内燃機関においては、次第に、高圧集合室（コモンレール）を備えた燃料噴射システムが使用されている。内燃機関のシリンダ数に応じて、対応する数の燃料インゼクタに、高圧集合室を介して、高い圧力下の燃料が供給される。使用目的に応じて、燃料インゼクタに孔ノズル、例えば袋穴ノズル又は座孔ノズルを備えることができる。ノズル設計は、噴射持続時間及び噴射量に関して、配量された噴射にとって重要である。噴射ノズルはノズルニードルの先端により、燃料インゼクタの運転中に周期的に閉鎖若しくは開放される。
【０００２】
背景技術
ドイツ連邦共和国特許公開第１９６１９５２３号明細書には、供給すべき内燃機関の燃焼室内に弁体が突入している燃料噴射弁が開示されている。弁体は締め付けナットによって、軸方向で弁保持体に予め締付けられている。弁体は、弁保持体に向いた端面から出る袋穴を有しており、この袋穴は案内孔として構成されていて、この案内孔内で、ピストン形の弁部材が軸方向摺動可能に案内されている。この場合、案内孔は半径方向に拡大されている圧力室を有しており、この圧力室は、案内孔の壁と弁部材との間に形成されたリングギャップによって、円すい状の弁座面に接続されており、この弁座面は案内孔の、内方に向かって突出している閉じた端部に形成されている。この弁座面に、下流側で噴射開口が接続しており、これらの噴射開口は内燃機関の燃焼室内に開口している。この場合、軸方向摺動可能な弁部材は戻しばねによって予荷重を加えられて、弁部材の、燃焼室側の端部に設けられた弁シール面で弁座に当接保持される。噴射弁への燃料供給は、圧力室内に開口している供給通路を介して行われ、この供給通路は弁保持体を貫通していて、更に噴射導管を介して常に、供給すべき内燃機関のすべての噴射弁に共通の高圧集合室（コモンレール）に接続されている。この場合、ピストン形の弁部材は更に圧力室の領域にリング肩を有しており、このリング肩に、圧力室内で常に作用している燃料高圧が、弁部材の開放方向で作用する。この場合、弁部材は、接触している圧力棒若しくはピストン棒を介して液力式にその閉鎖位置に案内され、ロックされ、このために圧力棒の、弁座とは逆の側の端面が液力式の閉鎖圧力室を制限する。
【０００３】
この解決策は、常に噴射弁に作用している燃料高圧によって、弁部材を案内する案内孔が半径方向に拡開するという欠点を有している。これは、弁体の高圧強度が小さくなるばかりでなく、圧力室と低圧側のばね室との間の漏えいが大きくなるという結果を伴い、これにより、全体の燃料噴射システムの効率が著しく害される。
【０００４】
ドイツ連邦共和国特許第２９８１４９３４号明細書は内燃機関のための燃料噴射弁に関する。この解決策によれば、圧力室内の燃料圧力が高い場合に、弁体の破損と増大する漏えいとを確実に回避するために、締め付けナットと弁体との間の燃料導入面を円すい状に形成し、したがって構造部分を相互に緊締する場合に、軸方向に向けられた締め込み力成分の他に、半径方向の付加的な締め込み力成分が弁体に伝達されるようにする。この半径方向で内方に向けられた締め込み力は、この場合、案内孔の拡開に反対作用をし、したがって案内孔の壁と弁部材との間の狭い遊びが保たれ、わずかな漏えい量しか狭いギャップを介して排出され得ない。
【０００５】
発明の開示
本発明により提案された解決策により、ノズルニードルに生ずる、ノズルニードルを負荷する閉鎖ばねの老化によってゆっくりと生ずる閉鎖力減少が、補償され得る。ノズルニードルを負荷する閉鎖ばねのばね剛性は、時間の経過とともに減少し、これによって、作用せしめられるばね力が減少する。インゼクタの運転時間を介したばね力の減少は、本発明によれば、ばね力に反対作用をする液力式の力に影響を及ぼすことによって補償される。このために、ノズルニードルに、ノズルニードルを案内する案内兼シールエレメントの出口領域の下方で、液力式の面が形成されていて、この面はノズルニードルをほぼ円すい台形に取り囲む。ノズルニードルの新しい、かつ使用されていない状態では、この領域と、ノズルニードルの案内兼シールエレメントの、例えば傾斜部として形成されていてよい接触領域との間に、先ず線形の接触が生ぜしめられ、この接触は運転経過につれて、自然的に生ずる磨滅に基づいて面接触に移行する。案内兼シールエレメントの傾斜部と液力式の面との線形の接触が、案内兼シールエレメントの面接触に移行することは、ノズルニードルに形成されていて円すい台形の液力式の面の傾斜角度の設計に関連しており、その設計によって、閉鎖ばねの老化特性、換言すればその閉鎖力減少に適合させることができる。線形の接触が面状の接触に移行する際に、円すい台形の区分の、液力式に作用する面が減少する。したがって、閉鎖ばねのばね力の減少は、液力式に作用する面の減少を伴う、線接触から面接触への移行によって、閉鎖ばねの力に反対作用をする液力式の力が、理想的に閉鎖ばねに対して平行に減少することによって、補償され得る。
【０００６】
閉鎖ばねのばね力に反対作用をする液力式の対抗力に影響を及ぼすことによって、より長い運転時間の後にも、ノズルニードル及び燃料インゼクタの迅速な閉鎖を達成することができる。
【０００７】
噴射ノズルの迅速な閉鎖は特に、内燃機関の燃焼室内の燃焼過程の終わり頃に燃料噴射を回避することに関して、有利である。燃焼の終わり頃に、「過度に遅く」噴射された燃料体積は燃焼せしめられることができず、したがってこの遅い時点における噴射は、遅いニードル閉鎖に基づいて、内燃機関の、許容し得ない強いＨＣ放出を結果として伴う。本発明による解決策は、内燃機関の放出特性に最高に不利な影響を及ぼす、燃焼過程の遅い時点での内燃機関の燃焼室内への燃料噴射を、ノズル座におけるノズルニードルの迅速な閉鎖によって回避する。
【０００８】
実施例
図面によって、本発明を以下に詳細に説明する。
【０００９】
図１による図示から、図示の位置ではノズル体における噴射開口を閉じているノズルニードルを知ることができる。
【００１０】
燃料インゼクタ１はインゼクタ体２を有しており、このインゼクタ体２内にノズルニードル３が可動に収容されている。ノズルニードル３はインゼクタ体２内で、その上方の領域を、案内兼シールエレメント４内で案内されており、この案内兼シールエレメント４は、スリーブとして構成されていてよい。符号３１はノズルニードル３の、案内兼シールエレメント４によって取り囲まれている領域内の直径を示す。案内兼シールエレメント４の下方では、ノズルニードル３に、減少せしめられた直径２０の領域が形成されている。ノズルニードル３は、その上方の端面において、ばねエレメント３５（閉鎖ばね）によって予荷重を加えられている。
【００１１】
ノズルニードル３はインゼクタ体２内で、この中に形成されたノズル室６によって取り囲まれている。ノズル室６は高圧流入部７を介して、ここでは図示していない高圧集合室（コモンレール）に接続されている。高圧集合室を介して、高圧流入部７により高い圧力下にある燃料が、インゼクタ体２のノズル室６内に導入される。ノズルニードル３がノズル室６によって取り囲まれている領域では、ノズルニードル３において圧力段５が形成されている。圧力段５の下方でノズルニードル３は案内８を有しており、この案内８は、例えば多面案内９として形成されていてよい。案内８は９０°だけ相互にずらされた案内面１０を有しており、これらの案内面１０で、ノズルニードル３は燃料インゼクタ１のノズル体１１内で案内されている。
【００１２】
ノズルニードル３は、対称線１２に関して実質的に回転対称的な構造部分として構成されていて、ニードル先端１３の領域に座直径１５を備えている。座直径１５は、ノズル体１１内に形成された噴射開口１８の閉じた状態では、座面１６を備えた噴射円すい１７の内側に接触していて、したがって噴射開口１８は、図１に示した状態では、ノズルニードル先端１３によって閉じられており、換言すれば、燃料が内燃機関の燃焼室内に噴射されることはない。図１による実施例では、ノズルニードル３のノズルニードル先端１３は座孔ノズル３４として構成されている。ノズルニードル３のノズルニードル先端１３の別の実施例では、ノズルニードル先端１３は袋穴ノズル（図示せず）として構成されている。
【００１３】
有利にはスリーブ形の構造部分として構成されている案内兼シールエレメント４の下方の領域では、ノズルニードル３に、減少せしめられた直径の領域２０が構成されている。直径を減少せしめられた領域２０は、円すい台形に構成された区分２３を有しており、その周面は円すい状に延びている。ノズル室６と、ノズルニードル３の、直径を減少せしめられた領域２０とは、インゼクタ体２に形成されているリング通路１９を介して、液力式に接続されている。
【００１４】
図１．１の図示から、ノズルニードル３、直径を減少せしめられた領域における液力式の面の経過及び構成を知ることができる。
【００１５】
図１．１に示した、燃料インゼクタ１のインゼクタ体２内のノズルニードル３の位置においては、座孔ノズル３４として形成されたノズルニードル先端１３はノズル体１１の噴射円すい１７内に、ノズル体１１内に形成された噴射開口１８が閉じられているように位置している。符号２８で示したこの状態において、ノズルニードル３の、直径を減少せしめられた領域２０における液力式の面２３と、案内兼シールエレメント４の下方の領域２４における傾斜部２２との間には、ギャップが形成されており、したがってリング通路１９を介して、高い圧力下にある燃料がノズル室６から、液力式の面２３と案内兼シールエレメント４の下方の領域における傾斜部２２との間の開口内に流入することができる。ノズルニードル３が燃料インゼクタ１のインゼクタ体２内で行う行程距離は、符号２１で示されている。図１．１の図示から分かるように、直径を減少せしめられた領域２０、例えばノズルニードル３の周部におけるアンダカットは、その最も狭い箇所において、ノズルニードル３が案内兼シールエレメント４内で案内されている領域で有している直径よりも小さい直径を有している。
【００１６】
図２は、図１の図示によるノズルニードルを、ノズルニードル先端が噴射円すい１７の領域内で噴射開口１８を開放している、インゼクタ体２内の位置において示す。
【００１７】
インゼクタ体２に対して相対的な、ノズルニードル３のこの位置においては、ここに図示していない高圧集合室（コモンレール）から流れてくる燃料が、高圧流入部７を介してノズル室６内に流入する。ノズルニードル３の案内８の領域においてノズル体１１内に形成されている流入面を介して、高い圧力下にある燃料は、ノズル室６からノズルニードル先端１３の方向に流れる。ノズルニードル３は、その行程距離２１（図１の図示を参照）に相応して、ばねエレメント３５のばね力に抗して上方に移動させられている。これによって、ノズルニードル３のノズルニードル先端１３の領域における座直径１５は、噴射円すい１７からノズル体１１内を上方に移動させられており、したがって案内８の領域における流入面を介して、高い圧力下にある燃料がノズル室６から、ノズル体１１とノズルニードル３の周部との間のリングギャップに沿って噴射開口１８に流入することができる。インゼクタ体２若しくはノズル体１１内の、ノズルニードル３の、符号３３で示したこの位置においては、ノズルニードル３の、直径を減少せしめられた領域２０における液力式の面２３は案内兼シールエレメント４の下方で傾斜部２２に接触している（図１の図示参照）。
【００１８】
図２．１はノズルニードルの、直径を減少せしめられた領域２０における液力式の面が、これに相応する、案内兼シールエレメントの傾斜部に接触している状態を示す。
【００１９】
案内兼シールエレメント４は、有利にはスリーブとして形成されていて、燃料インゼクタ１のインゼクタ体２内に取り付けられている。インゼクタ体２に対して相対的なノズルニードル３の、符号３３で示した位置では、ノズルニードル３は矢印２５の方向で案内兼シールエレメント４内に移動させられており、したがって液力式の面２３は、案内兼シールエレメント４の接触領域２４における、液力式の面２３に対応するように構成された傾斜部２２に、第１の接触位置２７において線形の接触で、傾斜部２２の接触領域２４に接触する。ノズルニードル３のこの位置において、ノズルニードル３の周部と案内兼シールエレメント４の内面との間の、直径が減少せしめられている領域２０のポケット形の領域（符号３０で示す）内への燃料の流入が中断される。高い圧力下にある燃料体積で負荷されている、インゼクタ体２内のノズル室６の高い圧力は、案内兼シールエレメント４の下方のリング面２６に作用し、ノズルニードル３の、直径が減少せしめられた領域２０における、くびれ部３０として構成された領域内に流入することができない。
【００２０】
図２．２は、案内兼シールエレメントの下方の領域における傾斜部と線形に接触している液力式の面を示す。
【００２１】
図２．２に示した図示においては、ノズルニードル３は、インゼクタ体２内の、符号３３で示した位置にある。この状態においては、液力式の面２３は、換言すれば、ノズルニードル３の、円すい台形に形成された区分の、円すい状に延びている周面は、案内兼シールエレメント４の接触領域２４における傾斜部２２の線２７に接触している。ポケット形に構成された切り欠き部３０、換言すればそこに形成されたくびれ部内への、リング通路１９を介した燃料の流入は、液力式の面２３が傾斜部２２に接触することによって中断されている。符号２７により、液力式の面２３と案内兼シールエレメント４の接触領域２４の傾斜部２２との間の第１の接触位置が示されている。燃料インゼクタ１の運転時間中に、液力式の面２３と接触領域２４の傾斜部２２との間の接触領域内に、矢印２９の方向でゆっくりと進む面接触が生ぜしめられる。液力式の面２３がノズルニードル３の周部で円すい台形に形成されている傾斜角度を選ぶことによって、かつ案内兼シールエレメント４の材料選択によって、案内兼シールエレメント４の傾斜部２２に対して液力式の面２３が、線形の接触２７から面状の接触２９に移行する時間に影響を及ぼすことができる。前述のパラメータによって、液力式の面２３の、線接触２７から面接触（符号２９で示した）への移行を、ノズルニードル３を負荷する閉鎖ばね３５の老化特性に適合させることができる。これにより、燃料インゼクタ１の、より長い運転後でも、迅速なニードル閉鎖が生ぜしめられ、ひいては噴射が所定の時点に、インゼクタの、より長い運転後でも終了され得ることが保証されている。
【００２２】
本発明により構成された、液力式の面２３を備えたノズルニードル３の作用形式は、次のとおりである。
【００２３】
ノズルニードル３が図２の図示に従って、噴射開口１８を開放する位置３３を占めると、液力式の面２３は案内兼シールエレメント４の傾斜部２２に接触する。この時点において、インゼクタ体２内のノズル室６は、高圧集合室（コモンレール）からの高圧流入部７を介して、高い圧力下にある燃料体積で負荷され、この燃料体積は、ノズルニードル３とノズル体１１との間に延びているリングギャップを介してノズル体１１の噴射円すい１７内に流入し、かつ噴射開口１８を介して供給すべき内燃機関の燃焼室内に達する。同時に、案内兼シールエレメント４のリング面２６には、高い圧力下にある燃料が、リング通路１９を介して作用する。
【００２４】
ノズルニードル３の上方の端面を負荷する閉鎖ばね３５のばね力の作用によって、ノズル室６の放圧の際に、ノズルニードル３は行程距離２１に相応して、座直径１５がノズル体１１内の噴射円すい１７の座面１６内に移動する方向で、移動させられる。
【００２５】
閉鎖ばね３５のばね力３２に反対作用をする液力式の力は、一方では、制御室６によって取り囲まれているノズルニードル３の圧力段５によって規定される。他方では、この液力式の力は、案内兼シールエレメント４の接触領域２４の傾斜部２２と協働する液力式の面２３によって補償される。ノズルニードル３における液力式の面２３の円すい台形の領域の傾斜角度に応じて、かつノズルニードル材料と案内兼シールエレメント４の材料との間の材料対に応じて、まず線接触が生ぜしめられ、この線接触は、燃料インゼクタ１の運転時間の経過につれて、液力式の面２３と案内兼シールエレメント４の傾斜部２２との間の面接触（矢印２９によって示す）に移行する。液力式の面２３の領域における、線接触２７から面接触２９への移行とともに、液力式に作用する面が縮小される。
【００２６】
本発明により提案された手段により、ばねエレメント３５のばね剛性の減少によって生じる閉鎖力減少が、減少するばね力３２に反対作用をする液力式の力の、相応の修正によって補償されることが保証されている。ノズルニードル３の閉鎖運動に反対作用をする液力式の力の減少は次のように、すなわち、ノズルニードル３の必要な迅速な閉鎖のために必要なばね力３２が、老化していてそのばね剛性を減少せしめられたばねエレメント３５によっても生ぜしめられ得るように、影響され得る。これにより、本発明により提案された解決策による燃料インゼクタ１は、より長い運転時間の後にも、所定の噴射時点、特にエミッションの著しい最終時点を前規定する噴射位相を、噴射サイクル中に実現しかつ維持することができる。
【００２７】
ノズルニードル３の閉鎖がより迅速に行われ得るほど、換言すればノズルニードル先端１３における座直径１５が、ノズル体１１の噴射円すい１７における、座直径１５に相応する座１６内により迅速に走入運動させられるほど、それだけ迅速にノズルが閉じられ得る。これによって、内燃機関の燃焼室内で進行する燃焼過程の終わり頃に、燃料が燃焼室内に達して、この燃料が既に充分に進捗していてひいては終了している燃焼によってもはや燃焼せしめられ得ないことが、保証されている。したがって、過度に遅く噴射された燃料による許容し得ないＨＣエミッションは、ノズルニードル３の迅速な閉鎖によって防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ノズルニードルを開いた状態、換言すれば噴射ノズルが閉じられた状態を示す。
【図１．１】 ノズルニードルの周部におけるアンダカットの領域における液力式の面の構成を示す。
【図２】 ノズルニードルを閉じた状態、換言すれば噴射ノズルが開かれた状態を示す。
【図２．１】 上方のストッパ位置に移動させられたノズルニードルの状態で、ノズルニードル及び保持体における円すい状に延びる面の接触を示す。
【図２．２】 ノズルニードルの周部における液力式の面を拡大して示す。
【符号の説明】
１ 燃料インゼクタ、 ２ インゼクタ体、 ３ ノズルニードル、 ４ 案内兼シールエレメント、 ５ 圧力段、 ６ ノズル室、 ７ 高圧流入部、 ８ 案内、 ９ 多面案内、 １０ 案内面、 １１ ノズル体、 １２ 対称軸線、 １３ ノズルニードル先端、 １４ 噴射ノズル、 １５ 座直径、 １６ 座、 １７ 噴射円すい、 １８ 噴射開口、 １９ リング通路、 ２０ 直径を減少せしめられた領域、 ２１ 行程距離、 ２２ 傾斜部、 ２３ 液力式の面、 ２４ 接触領域、 ２５ ノズルニードルの行程運動、 ２６ リング面、 ２７ 第１の接触位置、 ２８ ノズルニードルの開放位置＝噴射ノズルの閉鎖位置、 ２９ 面接触、 ３０ くびれ箇所、 ３１ 案内直径、 ３２ 保持体の閉鎖力、 ３３ ノズルニードルの閉鎖位置＝ノズルの開放位置、 ３４ 座孔ノズル、 ３５ ばねエレメント

Claims (9)

1. 内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための燃料インゼクタであって、インゼクタ体（２）が設けられており、このインゼクタ体（２）内に、閉鎖ばね（３５）を介して負荷されているノズルニードル（３）が収容されており、このノズルニードル（３）がノズル室（６）によって取り囲まれており、このノズル室（６）が、高圧流入部（７）を介して、高い圧力下にある燃料で負荷されており、ノズルニードル先端（１３）に座面（１５）が設けられており、この座面（１５）を介して、ノズル体（１１）の噴射開口（１８）が開放可能及び閉鎖可能である形式のものにおいて、ノズルニードル（３）に、案内兼シールエレメント（４）とノズル室（６）との間で、液力式の面（２３）が形成されており、この面（２３）が、案内兼シールエレメント（４）と向き合っており、かつ案内兼シールエレメント（４）の傾斜部（２２）と接触して接触領域を形成しており、液力式の面（２３）と傾斜部（２２）とは、運転の経過につれてその接触領域が増大し、該接触領域の増大によって前記高い圧力下にある燃料の負荷により前記接触領域において液力式の面（２３）と傾斜部（２２）とが離間して離間空間を形成可能となることを特徴とする、閉鎖圧力を補償される燃料インゼクタ。
2. 液力式の面（２３）が、ノズルニードル（３）の円すい台形の区分に形成されている、請求項１記載の燃料インゼクタ。
3. ノズルニードル（３）の円すい台形の区分が、ノズルニードル（３）の、直径を減少せしめられた領域（２０）内に移行している、請求項２記載の燃料インゼクタ。
4. インゼクタ体（２）内にリング通路（１９）が形成されており、このリング通路（１９）を介してノズル室（６）が、ノズルニードル（３）の、減少せしめられた直径の領域（２０）に、液力式に接続されている、請求項１記載の燃料インゼクタ。
5. リング通路（１９）がノズルニードル（３）を取り囲んでいる、請求項４記載の燃料インゼクタ。
6. 減少せしめられた直径の領域（２０）がくびれ箇所（３０）に終わっており、このくびれ箇所（３０）の直径が、案内兼シールエレメント（４）内のノズルニードル（３）の直径（３１）よりも小さい、請求項３記載の燃料インゼクタ。
7. ノズル体（１１）内のノズルニードル（３）が案内（８）内に収容されており、その案内面（１０）の間に、燃料をノズルニードル先端（１３）に流入させるための流入面が形成されている、請求項１記載の燃料インゼクタ。
8. 案内（８）が多面案内（９）として形成されている、請求項７記載の燃料インゼクタ。
9. ノズルニードル（３）に、ノズルニードル先端（１３）の領域において、座孔ノズル（３４）が形成されている、請求項１記載の燃料インゼクタ。

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