JP4253659B2 - 高圧液体システム、特に内燃機関のための燃料噴射装置の高圧液体システム内に設けられた接続部を制御するための弁 - Google Patents

高圧液体システム、特に内燃機関のための燃料噴射装置の高圧液体システム内に設けられた接続部を制御するための弁 Download PDF

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Description

背景技術
本発明は、請求項1の上位概念部に記載された形式の、高圧液体システム、特に内燃機関のための燃料噴射装置の高圧液体システム内に設けられた接続部を制御するための弁に関する。
そのような弁は欧州特許出願公開第0840003号明細書により公知である。この公知の弁は、内燃機関のための燃料噴射装置内の接続部を制御するために役立つ。弁は弁部材を有している。弁部材はその長手方向軸線の方向で摺動可能に案内されており、弁圧力室内に突入している。弁部材は弁圧力室内に、その長手方向軸線に対して横断方向で配置された端面にシール面を有している。弁部材はそのシール面でもって、その長手方向軸線に対して横断方向で配置された弁座と協働して、弁座により包囲された開口を圧力室に対して閉鎖する。その際、弁圧力室内には高圧が支配する。開口には、低圧領域へと通じる通路が接続されている。この場合、弁部材により、弁圧力室の、低圧領域との接続部、ひいては弁圧力室内の圧力が制御される。弁の開弁時、つまり弁がそのシール面でもって弁座から離間されていると、弁圧力室から燃料が低圧領域へと流動する。流出する燃料により、その長手方向軸線の方向で弁部材に作用する力が生ぜしめられる。この力は、弁部材が、その長手方向軸線の方向での、コントロール不能な運動を実施することにつながりかねない。このことは、燃料噴射、とりわけ噴射される燃料量が不正確にのみ制御されることができるか、またはそれどころか、弁、ひいては燃料噴射装置の完全な機能失陥が発生することにもつながりかねない。さらに、弁圧力室から低圧領域へと流出する燃料の高い流動速度と、公知の弁における最適とは言い難い流動案内との結果として、キャビテーション、ひいては弁部材および/または弁座の損傷が発生する可能性も存在する。
発明の利点
これに対して、請求項1の特徴部に記載された特徴を備えた本発明による弁が有する利点は、弁の機能性が保証されている点にある。それというのも、弁部材に対して、弁圧力室から流出する燃料により、少なくともほとんど力が生ぜしめられないか、または生ぜしめられたとしても僅かであるにすぎないからである。
請求項2以下には、本発明による弁の有利な構成と改良とが記載されている。請求項2による形成は、希求される効果を得るための栓体の簡単な形成を可能にする。請求項5による形成は、弁部材および弁座における、少なくともほぼキャビテーションのない液体流動を可能にする。
図面
本発明の複数の実施例を図面に示し、以下の説明で詳説する。図1には、弁を備えた、内燃機関のための燃料噴射装置の概略縦断面図が示されている。図2には、第1の実施例による弁の拡大縦断面図が示されている。図3には、第1の実施例に対して改変された構成の弁が示されている。図4には、第2の実施例による弁の縦断面図が示されている。図5には、第2の実施例による弁が液体流動と共に示されている。図6には、第2の実施例に対して改変された構成の弁が示されている。
実施例の説明
図1には、自動車の内燃機関のための燃料噴射装置が示されている。内燃機関は有利には自己着火式の内燃機関である。燃料噴射装置は例えばポンプ・ノズル・ユニット(Pumpe−Duese−Einheit)、いわゆる「ユニットインジェクタシステム」として形成されており、内燃機関の各シリンダのために、その都度1つの燃料高圧ポンプ10と、燃料高圧ポンプ10に接続された燃料噴射弁12とを有しており、両者は1つの共通の構成ユニットを形成している。択一的に、燃料噴射装置はポンプ・管路・ノズル・システム(Pumpe−Leitung−Duese−System)、いわゆる「ユニットポンプシステム」として形成されていることもできる。ユニットポンプシステムでは、燃料高圧ポンプと各シリンダの燃料噴射弁とが互いに別々に配置されており、管路を介して互いに接続されている。さらに、燃料噴射装置は蓄圧式噴射システムとして形成されていることもできる。蓄圧式噴射システムでは、高圧ポンプにより燃料が蓄圧器内に圧送される。蓄圧器には、少なくとも1つのインジェクタが接続されている。インジェクタには、制御弁が配置されている。制御弁は以下に説明する弁70のように形成されている。さらに、以下に説明する弁70は、有利にはインジェクタの近傍にまたはインジェクタ内に統合されている圧力増幅装置が設けられている蓄圧式噴射システムでも使用されることができる。この場合、弁70は圧力増幅装置を制御するために設けられている。燃料高圧ポンプ10は、シリンダ孔16を備えたポンプボディ14を有している。シリンダ孔16内で、ポンプピストン18は密に案内されている。ポンプピストン18は少なくとも間接的に内燃機関のカム軸のカム20により、戻しばね19の力に抗してストローク運動を実施するように駆動される。ポンプピストン18はシリンダ孔16内にポンプ作業室22を画定する。ポンプ作業室22内で、ポンプピストン18の圧送ストローク時に燃料が高圧下に圧縮される。ポンプ作業室22に燃料が自動車の燃料貯蔵容器24から供給される。
燃料噴射弁12は、ポンプボディ14に結合された弁ボディ26を有している。弁ボディ26は複数部分から形成されていることができる。弁ボディ26内には、噴射弁部材28が孔30内で長手方向摺動可能に案内されている。弁ボディ26は、内燃機関のシリンダの燃焼室側の端部領域に、少なくとも1つの、有利には複数の噴射開口32を有している。噴射弁部材28は、燃焼室側の端部領域に、例えばほぼ円錐形のシール面34を有している。シール面34は、弁ボディ26の、燃焼室側の端部領域に形成された弁座36と協働する。弁座36からまたは弁座36の下流で、噴射開口32が分岐する。弁ボディ26には、噴射弁部材28と孔30との間に弁座36に向かってリング室38が存在している。リング室38は、弁座36とは反対側の端部領域で、孔30の半径方向の拡張により、噴射弁部材28を包囲する圧力室40へと移行する。噴射弁部材28は圧力室40の高さに横断面減少により受圧肩部42を有している。噴射弁部材28の、燃焼室とは反対側の端部に、プリロード(予圧)をかけられた閉鎖ばね44が作用する。閉鎖ばね44により、噴射弁部材28は弁座36に向かって押圧される。閉鎖ばね44は弁ボディ26のばね室46内に配置されている。ばね室46は孔30に接続する。
ばね室46の、孔30とは反対側の端部に、弁ボディ26内で、別の孔48が接続する。孔48内には、制御ピストン50が密に案内されている。制御ピストン50は噴射弁部材28に結合されている。孔48は制御圧力室52を形成する。制御圧力室52は可動な壁としての制御ピストン50により画定される。制御ピストン50は、制御ピストン50に比して直径の小さなピストンロッド51を介して噴射弁部材28に支持されており、かつ噴射弁部材28に結合されていることができる。制御ピストン50は噴射弁部材28と一体的に形成されていることもできるが、組立上の理由から、有利には別個の部分として噴射弁部材28に結合されている。
ポンプ作業室22から、図1によればポンプボディ14と弁ボディ26とを通して、通路60が燃料噴射弁12の圧力室40に通じる。ポンプ作業室22または通路60から、通路62が制御圧力室52に通じる。さらに、制御圧力室52に通路64が接続可能である。通路64は放圧室への接続部を形成する。放圧室として、少なくとも間接的に燃料貯蔵容器24または低い圧力が支配する別の領域が役立つことができる。ポンプ作業室22または通路60から、放圧室への接続部66が分岐する。接続部66は、電気的に操作される第1の制御弁68により制御される。放圧室として、少なくとも間接的に燃料貯蔵容器24または別の低圧領域が役立つことができる。制御弁68は図1に示されているように2ポート2位置弁として形成されていることができる。制御弁68の、その両切換位置間での切換は、アクチュエータ69により実施される。アクチュエータ69は例えば電磁石であることができ、戻しばねに抗して働く。
制御圧力室52内の圧力を制御するために、電気的に操作される第2の制御弁70が設けられている。第2の制御弁70は3ポート2位置弁として形成されている。3ポート2位置弁は2つの切換位置の間で切換可能である。制御弁70の第1の切換位置で、制御弁70により、制御圧力室52はポンプ作業室22に接続されており、かつ放圧室24から遮断されている。制御弁70の第2の切換位置で、制御弁70により、制御圧力室52はポンプ作業室22から遮断されており、かつ放圧室24に接続されている。制御圧力室52の、ポンプ作業室22との接続部62に、絞り箇所63が設けられている。制御圧力室52の、放圧室24との接続部64に、絞り箇所65が設けられている。絞り箇所63は接続部62内で制御弁70の上流に、または図1に示されているように接続部62内で制御弁70の下流に配置されていることができる。制御弁70はアクチュエータ71を有している。アクチュエータ71は電磁石、圧電式のアクチュエータまたは磁歪式のアクチュエータであることができる。アクチュエータ71により、制御弁70は戻しばねに抗してその両切換位置の間で切り換えられることができる。両制御弁68,70は電子式の制御装置67により起動制御される。
第2の制御弁70について以下に図2を参照しながら詳説する。制御弁70は弁部材72を有している。弁部材72はその長手方向軸線73の方向でシャフト74を介して摺動可能に案内されており、シャフト74に対して直径を拡大された端部領域75でもって弁圧力室77内に突入する。弁圧力室77には、一方ではポンプ作業室22への接続部62が、他方では放圧室24への接続部64が開口する。その際、接続部62は、シャフト74と、シャフト74を包囲する孔76との間に形成されたリングギャップとして経過する。孔76の直径は弁圧力室77の直径よりも小さく形成されている。通路または孔の形に形成された接続部64は開口78で弁圧力室77に開口し、面79により包囲されている。面79は横断方向で、有利には弁部材72の長手方向軸線73に対して少なくともほぼ垂直に経過し、弁座を形成する。弁部材72は弁座79に向かって、少なくともほぼ円筒形の付設部80を有している。付設部80の端面はシール面81を形成する。シール面81は横断方向で、有利には弁部材72の長手方向軸線73に対して少なくともほぼ垂直に経過する。付設部80は弁部材72の端部領域75よりも小さな直径を有している。ただし、付設部80の直径は開口78の直径よりも大きい。
シール面81は図2に示されているように、弁部材72の外縁部を起点として半径方向内側に向かって、弁部材72の長手方向軸線73の方向でのシール面81と弁座79との間の間隔が増大するように傾いて経過する。これにより、シール面81の外縁部には、狭幅のシールエッジが形成されている。シールエッジでもって、シール面81は弁座79に当接する。弁部材72には、開口78に接続する孔64内に突入する栓体83が配置されている。栓体83は有利には弁部材72に一体成形されている。孔64の直径は開口78に引き続いて、図2に示されているように拡大されていることができる。栓体83は、制御弁70の開弁時に弁圧力室77から流出する燃料が栓体83により迂回され、それにより、燃料により長手方向軸線73の方向で弁部材72に作用する合力が少なくとも実質的に存在しないか、または存在するにしても極めて僅かであるように形成されている。栓体83は弁部材72の長手方向軸線73の方向でそのシール面81の高さまで延在する。シール面81の内縁部から栓体83への移行部は、図2に示されているように丸み付けられて経過する。それにより、栓体83によって、弁圧力室77から流出する燃料は、まずシール面81に沿ってほぼ半径方向内側に向かって流動し、引き続いてほぼ弁部材72の長手方向軸線73の方向で孔64内に流入するように迂回させられる。それにより、燃料流動は栓体83によりまずほぼ90°変向させられる。栓体83は、孔64内に突入する端部に向かって拡幅部84を有している。その結果、そこで燃料流動はもう一度変向させられ、角度γの下で弁部材72の長手方向軸線73に対して傾いて、弁部材72から離れるように経過する。角度γは0°よりも大きく約90°までであるか、または90°よりも大きいことができる。栓体83はその拡幅部84とシール面81との間に、周囲を取り巻くリング溝85を有していることができる。リング溝85の、弁部材72の長手方向軸線73の方向を向いた側面により、燃料流動の変向が生ぜしめられる。リング溝85の側面における燃料流動の複数次の変向により、変向時に弁部材72に対してその長手方向軸線73の方向で生ぜしめられる力は、少なくともほぼ補償される。その結果、弁部材72に対して総じて燃料流動により長手方向軸線73の方向で生ぜしめられる力は少なくともほぼ存在しないか、または存在するにしても僅かであるにすぎない。リング溝85の側面と、リング溝85の底面および栓体83の周面との間の移行部はその都度、流動損失を僅かに保つために丸み付けられている。
孔76から弁圧力室77への移行部には、円錐形の移行面87が設けられている。移行面87は第2の弁座を形成する。端部領域75からシャフト74への移行部には、弁部材72に、円錐形の第2のシール面88が配置されている。第2のシール面88は弁座87と協働して接続部62を制御する。制御弁70の第2の切換位置で、弁部材72はその第2のシール面88でもって第2の弁座87に当接する。その結果、ポンプ作業室22への接続部62は遮断されている。制御弁70の第1の切換位置で、弁部材72はその第2のシール面88でもって、第2の弁座87から間隔を置いて配置されている。その結果、ポンプ作業室22への接続部62は開放されている。制御弁70の第1の切換位置で、弁部材72はそのシール面81でもって弁座79に座着する。
弁部材72がアクチュエータ71により、前記両切換位置の間に存在する第3の切換位置に運動させられるようになっていることもできる。その際、弁部材72により、弁圧力室77の、低圧領域との接続部は僅かな通流横断面でもって解放される。この接続部を介して、燃料は弁圧力室77から絞られて流出することができるにすぎない。それにより、弁部材72がその第3の切換位置に配置されると、制御圧力室52内の圧力形成は、制御圧力室52内に、弁部材72がその第1の切換位置に配置された場合に比べて高い圧力が支配し、ただし弁部材72がその第2の切換位置に配置された場合に比べて低い圧力が支配するように影響を及ぼされる。その際、制御弁70は3ポート3位置弁として形成されている。
図3には、制御弁70の、改変された構成が示されている。この構成では、円錐形の弁座87と弁部材72の円錐形のシール面88とが省略されている。その代わりに、接続部62を制御するための弁部材72はスプール弁部材として形成されている。その際、弁部材72は、接続部62をその端部領域75でもって閉鎖するために、密に孔76内に潜入することができる。これにより、接続部62は閉鎖される。弁部材72がその端部領域75でもって孔76から脱出し、弁圧力室77内に配置されていると、接続部62は解放されている。
図4には、第2の実施例による制御弁70が示されている。第2の実施例では、構造は実質的に第1の実施例の場合と同様であるが、シール面81の形成は改変されている。弁部材72の栓体83の形成は第1の実施例の場合と同様である。シール面81は外側の領域181で、その外縁部を起点として半径方向内側に向かって弁座79に接近するように形成されている。その際、シール面81の領域181は、弁部材72の長手方向軸線73に関する半径方向平面に対して角度αの下で傾いている。角度αは有利には少なくともほぼ5°である。シール面81の領域181は半径方向の長さl1を有している。半径方向の長さl1は、弁部材72の直径dが約2.5mmである場合、有利には約0.3mmである。シール面81はその第1の領域181に接続する第2の領域281で、弁座79から離れるように形成されている。その際、シール面81の第2の領域281は半径方向平面に対して角度βの下で傾いている。角度βは有利には少なくともほぼ2°である。シール面81の第2の領域281は半径方向の長さl2を有している。半径方向の長さl2は有利には約0.6mmである。シール面81をこのように形成したことにより、シール面81の第1の領域181には、弁圧力室77から流出する燃料がシール面81と弁座79との間の最小の通流横断面内に導入される流動流入領域が形成されており、シール面81の第2の領域281には、燃料が最小の通流横断面から導出される流動流出領域が形成されている。弁座79は第1の実施例の場合と同様に少なくともほぼ平坦に形成されており、弁部材72の長手方向軸線73に関する半径方向平面内に位置する。弁部材72の付設部80の周面からシール面81の第1の領域181への移行部は有利には半径Rでもって、図4に示されているように丸み付けられている。図5から、第2の実施例による弁部材72における、改善された流動経過が明らかである。第1の実施例による弁部材72の場合、流動剥離が、シール面81と弁座79との間の最狭の通流横断面内への流動の進入時に発生するのに対し、この種の流動剥離は、第2の実施例による弁部材72の場合存在しないか、または存在するにしても僅かな程度であるにすぎない。これにより、流動損失が減じられ、キャビテーションのない流動が達成される。
図6には、第2の実施例に対して改変された構成による制御弁70が示されている。ここでは、弁部材に設けられたシール面81が少なくともほぼ平坦に形成されており、弁部材72の長手方向軸線73に関する半径方向平面内に位置する。弁座79は外側の領域179で、その外縁部を起点として半径方向内側に向かってシール面81に接近するように形成されている。その際、弁座79の領域179は、弁部材72の長手方向軸線73に関する半径方向平面に対して角度αの下で傾いている。角度αは有利には少なくともほぼ5°である。弁座79の領域179は弁部材のシール面81の外縁部を起点として半径方向の長さl1を有している。半径方向の長さl1は、弁部材72の直径dが約2.5mmである場合、有利には約0.3mmである。弁座79はその第1の領域179に接続する第2の領域279で、シール面81から離れるように形成されている。その際、弁座79の第2の領域279は、半径方向平面に対して角度βの下で傾いている。角度βは有利には少なくともほぼ2°である。弁座79の第2の領域279は半径方向の長さl2を有している。半径方向の長さl2は有利には約0.6mmである。このように第2の実施例に対して正反対に配置したことにより、最適化された流動案内に関する、第2の実施例の場合と同じ利点が達成される。
以下に、燃料噴射装置の機能について説明する。ポンプピストン18の吸入ストローク時、ポンプピストン18に燃料が燃料貯蔵容器24から供給される。ポンプピストン18の圧送ストローク時、燃料噴射がパイロット噴射でもって開始される。その際、第1の制御弁68は制御装置67により閉鎖される。その結果、ポンプ作業室22は放圧室24から遮断されている。さらに、制御装置67により、第2の制御弁70はその第2の切換位置にもたらされる。その結果、制御圧力室52は放圧室24に接続され、ポンプ作業室22から遮断されている。この場合、制御圧力室52内に高圧が形成されることはできない。ポンプ作業室22、ひいては燃料噴射弁12の圧力室40内の圧力が大きくなって、これにより受圧肩部42を介して噴射弁部材28に及ぼされる押圧力が、閉鎖ばね44の力と、制御圧力室52内に作用する残留圧力により制御ピストン50に作用する押圧力との合計よりも大きくなると、噴射弁部材28は開放方向29で運動し、少なくとも1つの噴射開口32を解放する。
こうして実施されるパイロット噴射を終了するために、制御装置により、第2の制御弁70がその第1の切換位置にもたらされる。その結果、制御圧力室52は放圧室24から遮断され、ポンプ作業室22に接続されている。第1の制御弁68はその閉鎖された位置にとどまる。その際、制御圧力室52内には、ポンプ作業室22内と同じ高圧が形成される。その結果、制御ピストン50に大きな押圧力が閉鎖方向で作用し、噴射弁部材28はその閉鎖位置に運動させられる。
後続のメイン噴射のために、第2の制御弁70が制御装置67によりその第2の切換位置にもたらされる。その結果、制御圧力室52は放圧室24に接続され、ポンプ作業室22から遮断されている。その際、燃料噴射弁12は、制御ピストン50に対する押圧力の減少の結果として開弁し、噴射弁部材28はその開放位置に運動する。
メイン噴射を終了するために、第2の制御弁70が制御装置67によりその第1の切換位置にもたらされる。その結果、制御圧力室52は放圧室24から遮断され、ポンプ作業室22に接続されている。制御圧力室52内には高圧が形成される。制御ピストン50に作用する力を介して、燃料噴射弁12は閉鎖される。メイン噴射後、さらにポスト噴射が実施されることができる。ポスト噴射のために、第2の制御弁70がその第2の切換位置にもたらされる。ポスト噴射を終了するために、第2の制御弁70が再度その第1の切換位置にもたらされるかつ/または第1の制御弁68が開放される。
上記のように形成された制御弁70はその他の燃料噴射装置または高圧液体システムにおいても、接続部を制御するために使用されることができる。制御弁70は2ポート2位置弁、2ポート3位置弁または3ポート3位置弁として形成されていることもできる。
弁を備えた、内燃機関のための燃料噴射装置の概略縦断面図である。 第1の実施例による弁の拡大縦断面図である。 第1の実施例に対して改変された構成の弁を示す図である。 第2の実施例による弁の縦断面図である。 第2の実施例による弁を液体流動と共に示す図である。 第2の実施例に対して改変された構成の弁を示す図である。

Claims (6)

  1. 高圧液体システム、特に内燃機関のための燃料噴射装置の高圧液体システム内に設けられた接続部を制御するための弁であって、弁部材(72)が設けられており、弁部材(72)が、その長手方向軸線(73)の方向で摺動可能に案内されており、少なくとも一時的に高圧に支配される弁圧力室(77)内に突入しており、かつ弁圧力室(77)内に、その長手方向軸線(73)に対して横断方向で延びる端面にシール面(81)を有しており、シール面(81)でもって、弁部材(72)が、その長手方向軸線(73)に対して横断方向で延びる弁座(79)と協働して、弁座(79)により包囲された開口(78)を弁圧力室(77)に対して少なくともほぼ閉鎖するようになっており、開口(78)に、低圧領域へと通じる接続部(64)が接続されている形式のものにおいて、
    弁部材(72)が、接続部(64)内に突入する栓体(83)を有しており、栓体(83)により、弁部材(72)をそのシール面(81)でもって弁座(79)から離間させたときに弁圧力室(77)から流出する液体が案内されて、この液体により弁部材(72)に対してその長手方向軸線(73)の方向で及ぼされる合力が少なくともほぼ存在しないか、または存在するにしても僅かであるにすぎないようになっており、
    弁部材(72)に設けられたシール面(81)および/または弁座(79)が、互いに逆方向に傾きかつ互いに直接接続した2つの第1および第2の領域(181,281もしくは179,279)を有しており、前記第1の領域(179もしくは181)は、弁部材(72)の長手方向軸線(73)の方向でのシール面(81)と弁座(79)との間の間隔が弁部材(72)の外縁部を起点として半径方向内側に向かって減するように形成されており、前記第2の領域(279もしくは281)は、前記間隔が半径方向内側に向かって再度増加するように形成されており、かつ
    前記第1の領域(179もしくは181)の傾き角(α)がほぼ5゜であり、前記第2の領域(279もしくは281)の傾き角(β)がほぼ2゜であることを特徴とする、高圧液体システム、特に内燃機関の燃料噴射装置の高圧液体システム内に設けられた接続部を制御するための弁。
  2. 弁圧力室(77)から流出する液体が栓体(83)によりまず、少なくともほぼ弁部材(72)の長手方向軸線(73)の方向で弁部材(72)に沿って接続部(64)内に流動するように変向させられる、請求項1記載の弁。
  3. 流出する液体が栓体(83)により引き続いて、弁部材(72)の長手方向軸線(73)に対して角度γの下で傾いて弁部材(72)から離れるように流動するように変向させられる、請求項2記載の弁。
  4. 栓体(83)が、流出する液体の流動変向のために、周囲を取り巻くリング溝(85)を有しており、リング溝(85)が弁部材(72)の長手方向軸線(73)の方向で、少なくともほぼ弁部材(72)のシール面(81)の高さまで延在する、請求項1から3までのいずれか1項記載の弁。
  5. 弁部材(72)のシール面(81)が少なくともほぼ平坦に形成されている、請求項1から4までのいずれか1項記載の弁。
  6. 弁座(79)が少なくともほぼ平坦に形成されている、請求項1から4までのいずれか1項記載の弁。
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