JP4154425B2 - 燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載された形式の燃料噴射装置に関する。

ピエゾアクチュエータと液圧式のカプラによる圧力増幅装置とを備えたＣＲインジェクタ（ＣＲ＝コモンレール）が、公知である。同様に、互いに入れ子式に同軸的に配置されたピストンを備えた一体化されたカプラも、公知である。この公知の装置は制御弁としてＡ型弁を使用する。このＡ型弁は比較的小さな直径をもってしか形成されることができない。それというのは、さもないと、弁における力が極めて高くなってしまい、ピエゾアクチュエータによって操作することができないからである。

発明の利点
請求項１の特徴部に記載のように構成された本発明による燃料噴射装置は、公知のものに比べて次のような利点、すなわち弁の大きな横断面が可能である、ピエゾアクチュエータを備えたＣＲインジェクタが得られる、という利点を有している。これによって噴射弁の開閉を迅速に行うことができる。また一体化されたカプラは、装置の短い構造長さを可能にする。カプラはＣＲ圧によって助成されている。

図面
次に図面を参照しながら本発明による燃料噴射装置の１実施例を説明する。

図１は、噴射弁と制御弁と液圧式のカプラとを備えた本発明による燃料噴射装置の主要な構成部分を示す図である。

実施例の記載
本発明による燃料噴射装置１には、蓄圧器（コモンレール）３から、高圧下にある燃料が高圧管路５を介して供給され、この高圧管路５から燃料は噴射管路６を介して噴射弁９に達する。内燃機関は通常このような噴射弁を複数有しているが、図面には簡単にするためにただ１つの噴射弁だけが示されている。噴射弁９は弁ニードル（弁ピストン、ノズルニードル）１１を有しており、この弁ニードル１１は円錐形の弁シール面１２でその閉鎖位置において、燃料を内燃機関の燃焼室の内部に噴射するために働く噴射開口１３を閉鎖する。燃料はノズルニードルの領域にリング状のノズル室１４を介して達し、このノズル室１４から燃料は、受圧肩部として形成された制御面１５を介して、ノズルニードルの開放方向に圧力を加えることができる。この圧力が開放方向における力を弁ニードルに対して加え、この力が開放動作に抗して作用する力を上回ると、弁は開放する。

噴射開口の開閉を制御するためには、アクチュエータ３１が働く。このアクチュエータ３１は、制御に関連して機械的な出力部において、別のエレメントを操作するための変位及び力を生ぜしめる。アクチュエータ３１は例えば電気作動式のアクチュエータであり、一例を挙げるなら、圧電素子を有するアクチュエータ、つまりピエゾアクチュエータである。アクチュエータは電気的な制御に関連して、図面の鉛直方向につまりアクチュエータ長手方向において、伸長された輪郭形状か又は短縮された輪郭形状を有する。例えばアクチュエータは、給電時（直流供給部への接続時）に伸長された輪郭形状を有し、給電されていない場合には短縮された輪郭形状を有するように構成されている。アクチュエータは容量性負荷を形成し、持続給電時には出力損失を受容しない。ピエゾアクチュエータをばねのような緊張装置によって予負荷して、アクチュエータ内における圧電素子が常に圧力負荷されていることが、有利もしくは必要である。このことは当業者にとって周知であるので、これについて以下において述べることは省く。ピエゾアクチュエータの上端部は図面には示されていないが噴射装置に固定されており、ピエゾアクチュエータの下端部は、ピエゾアクチュエータの力及び運動を最終的に噴射開口の開閉のために使用するのに役立つ。そのためにピエゾアクチュエータの連結のために、油圧増幅装置である液圧式のカプラ３８が設けられており、このカプラ３８は、ピエゾアクチュエータと連結されたピストン３９と別のピストン４０とを有している。図示の例では一般的にカプラによって（液圧的に有効なピストン面を相応に選択することにより）、ピストン３９の移動距離に比べて別のピストン４０の移動距離を大きくすることが必要である。液圧式のカプラ３８の構造及び作用形式については、以下においてさらに記載する。

ピエゾアクチュエータと直接結合されていないカプラ３８のピストン４０が、制御弁４１（又は出口弁）を開放すると、ノズルニードルの上端区分が進入していて燃料が満たされている制御室４３における圧力が低下する。制御室４３は供給絞り４７を介して圧力下にある燃料によって満たされ、制御弁４１の開放時に燃料は排出絞り４９を介して制御室４３から流出する。この燃料の流出は、ノズルニードル１１がその開放位置に移動しようとする力によって助成される。可動の弁部分５１は制御弁４１の閉鎖時に、弁座５３にシール作用をもって接触し、ピストン４０と機械的に連結されている。弁部分５１の開放時に制御室から流出する制御量は、漏れ通路５５を通して排出される。弁部分５１はその閉鎖時に、制御室からレール圧（すなわち管路５における圧力）によって負荷され、この圧力は直径ｄ３を有する面に作用する。

ピストン３９，４０は図示の例では互いに平行にかつ入れ子式に、製造技術的に有利には互いに同軸的に配置されている（一体化されたカプラ（integrierter Koppler））。両ピストン３９，４０が互いに連結されている形式について、以下において述べる。ピストン３９には矢印が示されているが、この矢印は、アクチュエータが図面で見て下方に向かって運動する場合における、ピストン３９の運動を示している。ピストン４０に示された矢印は、ピストン３９がその矢印で示された運動を実施した場合における、ピストン４０の運動を示す。ピストン４０の矢印と、油圧増幅装置３８によって操作される弁の可動の弁エレメントが開閉のために移動しなくてはならない方向とを比較することによって、前記矢印の図面に示された方向が前記弁の開放動作に相当するのか又は閉鎖動作に相当するのかが、図面から直接的に読みとれる。

可動の弁部分５１はほぼ円錐形をしていて、一部に円筒形の延長部を備えて形成されている。弁部分５１は特に円錐形部分によって、閉鎖状態において弁座５３に接触する。弁部分５１は円筒形の延長部によって案内される圧縮ばね５４によって、弁座５３に向かって予負荷されている。弁部分５１はその遮断位置において「外方に」向かって、つまり制御室４３における高い圧力から低圧（漏れ圧）の領域に向かって移動させられている。従って流出弁はこの場合Ａ型弁（A-Ventil）と呼ばれる。弁部分５１の、弁座５３に向けられた側は、操作部分と堅固に結合されており、この操作部分は液圧式のカプラと結合されている。ピストン３７との結合は有利には、特に迅速な閉鎖のために抗張性である。

アクチュエータ３１は、直径ｄ５を有するロッド６１によってピストン３９と結合されている。ピストン４０は該ピストン４０によって操作される可動の弁部分５１と、直径ｄ１を有するロッド６３によって結合されている。内側のピストン３９は直径ｄ４を有しており、外側のピストン４０はサイズｆ２の円形リング状のピストン面を有している。可動の弁部分が接触する弁座５３の内径は、ｄ３である。

ピストンを滑り案内するために働きかつカプラ容積を駆動物質によって満たすために働く案内間隙６５，６７は、外側のピストンの円筒形の外周面の領域（図示されていないハウジングと向かい合っている領域）と、両ピストン相互の滑り案内の領域とに形成されている。

上に述べた（円形横断面のための）直径ｄ１，ｄ３〜ｄ５に相当する面ｆ１，ｆ３〜ｆ５及び前記面ｆ２が、機能のために重要である。円形横断面は確かに製造上有利であるが、本発明はこのような円形横断面に限定されるものではない。

ピストン３９，４０の、アクチュエータ３１に向けられた端部領域は、共通の圧力増幅室７２に進入している。ピストン３９の他方の端部領域は、充てん室７１-２に進入している。この充てん室７１-２は、ピストン４０の下端部壁に設けられた孔を介して、管路５に接続された充てん室７１-１に接続されている。外側のピストン４０の他方の端部領域は充てん室７１-１に進入している。案内間隙６５，６７を介して圧力増幅室７２は液圧媒体を満たされる。圧力増幅室７２はロッド６１によって貫通される。充てん室７１-１はロッド６３によって貫通される。ピストン３９，４０は逆方向に運動し、かつアクチュエータと制御弁との間における所望の運動距離比のために異なった速度で運動する。

アクチュエータ３１（ピエゾアクチュエータ）は噴射弁９の閉鎖状態において給電されて伸長されている。制御弁４１を開放するために、アクチュエータ３１への電流が遮断され、アクチュエータ３１は短縮される。これによってピストン３９（第１の増幅ピストン）は、ばね７５の力及び充てん室７１-２における圧力によって助成されて、図面で見て上に向かって移動する。圧力増幅室７２及び充てん室７１-２内には、休止状態においてＣＲ圧（すなわち蓄圧器もしくはコモンレールの圧力）が系圧として存在している。圧力増幅室７２内においては上方へのピストン３９の運動によって、圧力が上昇する。この圧力増大はピストン４０（第２の増幅ピストン）を下方に向かって移動させ、同じ方向における弁部分５１の運動によってＡ型弁である制御弁４１を開放する。弁部分５１はその迅速な閉鎖のために、有利にはロッド６３と、ひいてはピストン４０と堅固に結合されている。圧力増幅室７２におけるＣＲ圧のために、弁部分５１の座直径ｄ３は極めて大きく選択することができる。それというのは、ピストン４０はこの面を、該ピストン４０の、圧力増幅室７２内における側によって十分に補償もしくはバランスするからである。従って本発明は、噴射弁の極めて迅速な開閉のための、ＣＲ圧によって助成される有利なＡ型弁・サーボ・インジェクタ（A-Ventil-Servo-Injektor）を提供する。そしてカプラは短い構造長のために寄与する。

本発明の重要な特徴は、ピストン３９の、制御弁とは離れている（圧力増幅室における）側に、レール圧が作用していて、このレール圧が制御弁の操作を助成し、かつ遮断状態において制御室４３から弁部分５１に作用する圧力に抗して作用することである。

圧力増幅室７２におけるレール圧によって、ｄ３は十分に力バランスされている。従って従来技術に比べて、アクチュエータによって供給される力の大きな余剰分を、可動の弁部分の質量を加速するために利用することができる。本発明はこれにより、部分的にバランスされた（すなわち力に関して部分的に補償もしくはバランスされた）制御弁の構成を提供し、この場合弁はＡ型弁である。弁を閉鎖するためにアクチュエータによって供給される力は、従って公知のものに比べて小さい。その代わりに１実施形態では、公知のものに比べて大きな直径ｄ３を有する弁５１が設けられており、この大きな直径ｄ３によって噴射弁のより迅速な開閉が可能である。なぜならば、噴射弁における流れの増大・減少は、公知の小型のＡ型弁におけるよりも大きいからである。

充てん室７１-２における圧縮ばね７５は、両方のピストンを互いに離れる方向に押圧し、そしてアクチュエータ３１とカプラとの良好な接触と、弁の閉鎖時における弁部分５１と弁座５３との良好な接触とのために働く。

図示の装置はさらに別の特徴を有している。少なくとも、アクチュエータ３１を液圧式のカプラと結合しているロッド６１の領域において、カプラの、アクチュエータ３１に最も近く位置している室から間隔をおいて、別の充てん室９０が設けられており、この充てん室９０は管路５と接続されている。図示の実施例ではこの別の充てん室９０は、アクチュエータ３１の下端部領域を取り囲んでいる。充てん室９０がアクチュエータ３１を全体的に取り囲んでいると有利である。ロッド６１の案内間隙９４は、隣接したカプラの室を、圧力下にある燃料によって付加的に充てんするために、寸法設定されている。カプラが、高圧下にある燃料によって付加的に充てんされていると、有利である。

本発明の別の実施形態では、別の充てん室９０は設けられていないか、又は管路５と接続されておらず、充てん室の機能を有していない。このような場合には、全装置の図示されていないハウジングにおいてロッド６１が案内されている孔を、カプラからの燃料の可能な限り小さな流出のために寸法設定すると、有利である。

本発明は、高圧下にある燃料が高圧アキュムレータから供給されるのではなく、噴射弁に配属されていて充てん室にも燃料を供給するポンプ（例えばポンプ・ノズルユニット、ユニ・インジェクタ）によって供給されるような、実施形態をも含む。

噴射弁と制御弁と液圧式のカプラとを備えた本発明による燃料噴射装置の主要な構成部分を示す図である。

Claims (2)

1. 燃料噴射装置（１）であって、噴射弁（９）と、該噴射弁（９）に運転時に高圧下の燃料を供給する管路（５）と、該管路（５）に接続された噴射弁の制御室（４３）における圧力を制御する制御弁（４１）とが設けられており、該制御弁（４１）の可動の弁部分（５１）が、アクチュエータ（３１）によって液圧式のカプラ（３８）を介して操作可能であり、該カプラ（３８）が、カプラのカプラ容積と共働する２つのピストン（３９，４０）を有しており、可動の弁部分（５１）の座（５３）が内側の横断面ｆ３を有しており、さらに前記ピストン（３９，４０）の案内間隙（６５，６７）を介してカプラ容積を、前記高圧下の燃料で満たす手段が設けられている形式のものにおいて、
   前記ピストン（３９，４０）が互いに平行にかつ内外に入れ子式に配置されており、ピストン（３９，４０）の、アクチュエータ（３１）に向けられた端部に、圧力増幅室（７２）が配置されており、外側のピストン（４０）の内部に充てん室（７１-２）が設けられていて、該充てん室（７１-２）が前記管路（５）と接続されており、横断面ｆ４を有する一方のピストン（３９）が、横断面ｆ５を有するロッド（６１）を介してアクチュエータ（３１）と機械的に連結されており、ピストン面ｆ２を有する他方のピストン（４０）が、ピストン面ｆ２に比べて小さな横断面を有するロッド（６３）を介して、制御弁（５１）を操作するようになっており、可動の弁部分（５１）の閉鎖運動の方向が、制御室（４３）から流出する燃料の方向と合致しており、その結果制御弁が、圧力増幅室（７２）において他方のピストン（４０）に作用する圧力に基づいて、少なくとも部分的に力バランスされていることを特徴とする燃料噴射装置。
2. 少なくとも、アクチュエータ（３１）を液圧式のカプラと結合するロッド（６１）の領域において、カプラの、アクチュエータ（３１）に最も近接して位置する室から間隔をおいて、別の充てん室（９０）が設けられており、該別の充てん室（９０）が前記管路（５）に接続されていて、ロッド（６１）の案内間隙（９４）を介してカプラと接続されている、請求項１記載の燃料噴射装置。

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