JP4273003B2 - 噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は特許請求項１の上位概念部に記載された形式の噴射弁に関する。

この種の噴射弁はドイツ連邦共和国特許第１９８５４５０８号明細書から公知である。この場合、弁ニードルは外方に開弁するように構成されており、かつ弁ニードルおよびハウジングの、軸方向で圧力が作用する面は、流体の圧力の変化時に、弁ニードルと弁ハウジングとに、同じ軸方向の長さ変化が発生するように構成されている。加えて、弁ニードルの面を、流体の圧力により戻しばねまたは弁座に対する力が引き起こされないように調節することが可能である。その際、駆動ユニットが内部に配置されている駆動チャンバと、弁ニードルおよび戻しばねが内部に配置されている流体チャンバとは、シールリングおよび流出部により互いに確実にシールされている。

全ての押圧力の補償は、弁ニードルを総じて押圧力から自由に保つために実施される。例えば、外方に開弁するインジェクタの弁皿部の、圧力負荷される面に基づき、高い燃料圧時には、開弁方向で作用する高い押圧力が働く。この高い押圧力は有利には第２の圧力負荷される面により補償され、この第２の面は同じ大きさの、逆方向に働く押圧力を生ぜしめる。その際、この種の補償時に、弁皿部直径およびニードル直径に関連して、制約はもはや存在しない。

さらに一般には、駆動エレメントとして圧電式の積層型アクチュエータを備えた、直噴型のリーンバーンエンジンのための高圧噴射弁（ＨＰＤＩ：Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｄｉｒｅｃｔ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）の場合、燃料に対して付加的に、さらに別の作動媒体が、インジェクタ内に設けられたハイドロリック式の支承部のために必要とされる。その際、全ての熱的な長さ変化、ならびに全ての、圧電素子の永久歪み効果により惹起される長さ変化、または圧力に起因する長さ変化の、自動的な補償が可能であることが知られている。これにより、材料選択時に、低い熱膨張係数を有する高価な合金（例えばインバー）を使用せずに済む共に、実質的により高い強度とより簡単な加工性を有する安価な鋼を使用することができる。駆動部側で、全ての可動な部分は弱い力で当て付けられて維持されるので、ギャップによるストローク損失は発生しない。外方に開弁する、圧電式に駆動されるインジェクタのために、ハイドロリック式の長さ補償は、オイルで満たされたハイドロリックチャンバにより実現される。ただし、このことは圧力負荷された燃料に対する作動媒体（例えばシリコーン油）の、手間のかかる密なシールを前提とし、このシールはしばしば金属ベローズにより実現されている。

本発明の課題は、簡単なハイドロリック式の支承部を備えた、高性能の噴射弁を提供することである。

本発明により、上記課題は特許請求項１の特徴部に記載された特徴を備えた噴射弁により解決されている。ハイドロリック式の支承部のための付加的な作動媒体が不要であるインジェクタ原理が実現されている。燃料は少なくとも１つのリングギャップを介して弁のハイドロリックチャンバを充填し、このハイドロリックチャンバが長さ補償を保証する。

有利には、燃料圧で負荷されたハイドロリックチャンバが、短期的に極めて高い押圧力および引張力を受容することができるように極めて剛性的にもしくは硬直しているように形成されている。このことは弁の迅速な開弁および閉弁時に必要である。これにより、この噴射弁は、背景技術に基づく戻しばねだけによる復帰に比べて、約５〜１０倍も迅速に閉弁することができる。同時に、弁ニードルの不都合な延伸による弁ニードルストロークの損失は、戻しばねにより生ぜしめられる高い戻し力に基づいて回避される。

本発明により、弁ニードルに対する、燃料圧に基づく力が適当に調節されることができる。例えば、燃料圧に基づく閉弁力が調節されることができる。これにより、戻しばねが折損した場合でも、弁ニードルが弁を確実に閉鎖することが保証される。

燃料管路を適当に案内することにより、燃料は駆動ユニット、例えば積層型アクチュエータに沿って流過し、圧電セラミックスを冷却する。それゆえ、別の利点はインジェクタの改善された温度特性にある。燃焼室内への直接噴射はインジェクタを高温に曝す。加えて、昨今の噴射コンセプトでは多段噴射が意図される。開発は連続的な噴射率形成の方向に向かっている。周期毎に５回の噴射を行うコンセプトが既に論じられている。この場合、付加的な廃熱が生じる。それゆえ、インジェクタの冷却は、仮にハイドロリック式の支承部の作動媒体としてシリコーン油を有する背景技術に基づくインジェクタにおいて、まだ温度問題が発生していないにしても有利である。

温度膨張、エージング効果および永久歪み効果は、圧電ユニットの絶対位置ばかりではなく、弁ハウジングに対する相対位置をも変化させるように働く。典型的な値は数１０μｍまでであるが、常に明らかに１００μｍよりも小さい。ハイドロリックチャンバは少なくとも、寿命の間で予測され得る全ての長さ変化を補償できるような高さで実現されている。可能な限り剛性的な受けを形成し得るために、ハイドロリックチャンバはその一方で可能な限り僅かな高さで形成されているべきである。それゆえ有利には、ハイドロリックチャンバの典型的な高さは２００μｍ〜５００μｍに選択される。

ハイドロリックチャンバを燃料で充填するのを容易にするために、ハイドロリックチャンバは横方向管路を介して、メインチャンバに開口する燃料供給管路に接続されているようになっている。

本発明の別の有利な構成はその他の従属請求項に見て取れる。

以下に、本発明による噴射弁の実施例につき説明する。唯一の図面には、噴射弁の簡単化された概略縦断面図が示されている。

高圧インジェクタもしくは噴射弁はインジェクタハウジング１内に弁座３を有している。シールラインの直径ｄ_１は、燃料噴射弁の場合、典型的には３〜５ｍｍである。弁座３は基本状態で、弁ニードル５（直径ｄ_２）の、下側の端部区分に結合された弁皿部７により、閉弁状態に維持される。その際、弁ニードル５は弁ハウジング１内に配置されている。弁座３および弁皿部７によりハウジング１の端面側に形成された噴射ノズル９の、閉弁された基本状態は、約１５０Ｎの典型的なばね力（Ｆ_Ｓ）を有する、緊張させられた圧縮ばね１１により保証される。圧縮ばねは駆動ユニット１５のベースプレート１３と弁ハウジング１の内壁の区分との間に挟入されている。弁ニードル５はベースプレート１３に、例えば溶接シームを介して剛性的に結合されている。弁ハウジング１の内室への燃料供給はインジェクタハウジング１内に設けられた管路孔１７を通して実施される。インジェクタハウジング１の、上側の部分には、駆動ユニット１５が配置されている。駆動ユニット１５は、低ボルト技術に基づく圧電式の積層型アクチュエータ（ＰＭＡ）もしくは積層型ピエゾアクチュエータ１９と、管状ばね２１と、ハイドロリックピストン２３と、ベースプレート１３とから成っている。管状ばね１９はハイドロリックピストン２３とベースプレート１３とに溶接されている。その結果、積層型アクチュエータ１９は機械的な圧縮予備荷重もしくは圧縮プリロード下にある。駆動ユニット１５の電気的な接続部２５は上方に、以下に述べるように、ハウジング１から導出されている。ハイドロリックピストン２３により、弁ハウジングの内室は、特にＰＭＡ１９を収容するメインチャンバ２７と、ハイドロリックチャンバ２９とに分割されている。ハイドロリックチャンバ２９の上方で、駆動ユニット１５は、水力学的な直径もしくは実際に圧力が作用する直径ｄ_５を有する金属ベローズ３１により、インジェクタハウジング１に結合されている。これにより、弁ハウジング１の内室は周囲に対して閉鎖されている。内室は金属ベローズ３１の領域で付加的に横方向管路３３を介して管路孔１７に接続されている。

典型的には１００〜３００バールの燃料圧ｐ_Ｋが印加される基本状態では、ベースプレート１３およびハイドロリックピストン２３に対して、実際極めて大きな合成された押圧力が働く。Ｆ_Ｄ＝ｐ_Ｋ・π・（ｄ_１ ^２−ｄ_５ ^２）／４から、およそＦ_Ｄ＝１０００Ｎ〜５０００Ｎの押圧力が生じ得る。ただし、ｄ_１＝ｄ_５が選択されれば、この押圧力は圧力収支で見て相殺される。その際、圧力補償は数学的に厳密に実施される必要は無く、以下に述べるような形で既に十分正確である。噴射弁の典型的な寸法時に、１００バールから３００バールへの燃料圧の変化は、圧力負荷される面積が１ｍｍ^２だけ理想的な補償状態からずれている場合、既に約２０Ｎの付加力（Ｆ_Ｄ）を結果的にもたらし、この付加力（Ｆ_Ｄ）の分だけ、弁座３における閉弁力は変化する。この力は圧縮ばね１１のばね力（Ｆ_Ｓ）に抗して働くことができ、最悪の場合、弁を不意に開弁してしまう。その一方で、この付加力（Ｆ_Ｄ）はばね力（Ｆ_Ｓ）を強めることもでき、これにより、弁の開弁を困難にする可能性もある。この望ましくない付加力（Ｆ_Ｄ）の大きさが増すにつれ、噴射プロセスの正確な制御は困難になる。特に、多段噴射を行う昨今のコンセプトはもはや全く実現不可能である。有利には少なくとも、Ｆ_Ｓ＞５・Ｆ_Ｄ、特にＦ_Ｓ＞１０・Ｆ_Ｄが成立する。

ハイドロリックピストン２１は密に、第１および第２の狭隘な遊嵌部３５，３７により、それぞれ大径の直径ｄ_３および小径の直径ｄ_４でもって、相応に形成されたインジェクタハウジング１内に圧入されており、かつインジェクタハウジング１の、相応の内壁区分と相俟って、リング状のハイドロリックチャンバ２９を形成する。典型的には、インジェクタの組立時に、ハイドロリックチャンバの高さｈ_Ｋは少なくとも１００〜５００μｍに調節される。ハイドロリックチャンバ２９は例えば、インジェクタハウジング１に対する、駆動ユニット１５および／または弁ニードル５の、例えば温度に起因する緩慢な長さ変化またはインジェクタ内のＰＭＡ１９のエージング効果により惹起される緩慢な長さ変化（例えば典型的な持続時間ｔ＞１ｓ）を補償するために役立つ。このゆっくりとした長さ変化が発生すると、長さ補償のために、ハイドロリックピストン２３の遊嵌部３５，３７の、狭隘なシールギャップを介して、ハイドロリックチャンバ２９と、インジェクタの、環状に取り巻いていて燃料で満たされた内室もしくはメインチャンバ２７と、横方向管路３３との間での、妨げられることのない流体交換が実施され得る。それにより、この緩慢な変化はハイドロリックチャンバ２９の高さの変化により補償される。

ただし、ハイドロリックピストン２３と弁ハウジング１との間のシールギャップは同時に、典型的な噴射時間（０ｍｓ＜ｔ＜５ｍｓ）内では、ハイドロリックチャンバ２９と、インジェクタの、環状に取り巻いていて燃料で満たされた内室、特にメインチャンバ２７との間で、言及すべき程の流体交換が発生し得ない程度に狭隘に寸法設定されていなければならない。ハイドロリックチャンバの高さｈ_Ｋは漏れに基づき、最大で約１〜２μｍ変化するだけで済むべきである。弁を開弁し、かつ０ｍｓ＜ｔ＜５ｍｓの時間にわたって運転中に開弁したまま維持し、引き続いて再度閉弁できるようにするためには、ばね力Ｆ_Ｓの大きさに関連して、典型的には約１００〜２００Ｎの平均的な力が必要である。典型的な圧力作用面積Ａ_Ｋ＝π・（ｄ_３ ^２−ｄ_４ ^２）／４が約２４０ｍｍ^２（仮定：ｄ_３＝１８ｍｍ、ｄ_４＝４ｍｍ）である場合、ハイドロリックチャンバ内の平均的な圧力は燃料圧に対してΔｐ＝２００Ｎ／Ａ_Ｋ＜１０バールの分だけ変化する。最大で偏心的に位置したシールギャップを通る流体流は、
Ｑ_Ｌ＝２．５・π・（ｄ_３＋ｄ_４）ｈ^３・Δｐ／（１２・η・ｌ）
に基づき算出される。その際、
ガソリンの粘度：η＝０．４ｍＰａ・ｓ；
ギャップ高さ：ｈ＝２μｍ；
シール面の長さ：ｌ＝１０ｍｍ
噴射時間：ｔ_Ｅ＝５ｍｓとすると、
Ｑ_Ｌ＝２８．８ｍｍ^３／ｓ；ΔＶ＝Ｑ_Ｌ・５・１０^−３ｓ＝０．１４４ｍｍ^３；
Δｘ＝ΔＶ／Ａ_Ｋにより、上記当該仮定下での噴射時間中の漏れ流に基づくストローク損失として、Δｘ＝０．６μｍが得られる。

ハイドロリックチャンバ２９はガソリンの圧縮性に基づき、弁ストロークの付加的な損失につながるばね作用を有している。ハイドロリックチャンバ２９の、最小のばね定数ｃ_Ｋは
ｃ_Ｋ＝Ａ_Ｋ／（χ・ｈ_Ｋ）
に基づき算出される。
χ＝１０^−９ｍ^２／Ｎおよび
ｈ_Ｋ＝５００μｍとすると、ｃ_Ｋ＝５００Ｎ／μｍが得られ、これにより、
Δｘ＝ΔＦ／ｃ_Ｋ＝２００Ｎ／５００Ｎ／μｍ＝０．４μｍが、ガソリンの圧縮性に基づく弁のストローク損失として得られる。

これにより、ハイドロリックチャンバ２９により引き起こされる、最大で発生するストローク損失が、適当な寸法設定時に十分に小さく維持されることが判る。総じて、駆動ユニット１５はハイドロリックピストン２３と弁ニードル５と相俟って１つのユニットを形成し、このユニットは全体として、噴射プロセスに比べて緩慢な運動の発生時に、ほぼ妨げられることなくインジェクタハウジングに対して、座着力（Ｓｉｔｚｋｒａｆｔ：Ｆ_Ｄ＋Ｆ_Ｓ）が弁座３と弁皿部７との間に生じるまで摺動させられることができる。その際、リングギャップの長さはそれ程重要ではないが、長さが増すにつれて、漏れ流は減少する。漏れはギャップ高さｈの３乗で増加するので、ギャップ高さは十分に小さく選択されるべきである。総括すれば要するに、特にＰＭＡ１９の、ゆっくりと進行する長さ変化がハイドロリックチャンバ２９により補償されるので、全ての運転状態および熱的な負荷にわたって、弁ニードルストロークの、ひいては噴射量の、再現可能な時間的経過が制御されることができると言える。図面に示した弁の場合、インジェクタハウジング内での燃料の案内は、ＰＭＡ１９を冷却する機能およびハイドロリックチャンバ２９による長さ補償の機能が唯一の流体により充足され得るように実現されている。

さて、噴射弁の機能は以下の通りである。噴射プロセスを開始するために、ＰＭＡ１９は電気的な接続部２５を介して充電される。その際、逆圧電効果に基づいて、ＰＭＡ１９は伸張する（典型的な変位：３０〜６０μｍ）。その際、ＰＭＡは剛性的なもしくは硬直したハイドロリックチャンバ２９に支持されており、それにより、弁ニードル７を圧縮ばね１１のばね力Ｆ_Ｓに抗して弁座３から持ち上げることができる。その際に、燃料は噴射ノズル９から流出することができる。弁皿部７はその下側の、燃料とは反対側の面で噴射室（図示せず）の圧力により負荷されている。上に説明したように、その際ハイドロリックチャンバ２９は典型的な噴射持続時間にわたって十分に剛性的であるように形成されている。噴射プロセスを終了するためには、ＰＭＡ１９が再度電気的な接続部２５を介して放電され、ＰＭＡは短縮する。ハイドロリックな圧縮応力（＝ハイドロリックな引張力）ならびに圧縮ばね１１のばね戻し力は弁皿部７を弁座３内に引き込み、これにより弁を閉鎖する。閉弁時の終端位置で、ハイドロリックチャンバ２９は最小高さを維持する。その際、戻し力への最大の寄与はハイドロリックな圧縮プリロードに由来する。ハイドロリックチャンバ２９はその高い剛性および高い燃料圧（ｐ_Ｋ＝１００〜３００バール）に基づいて、短期的に高い引張力（Ｆ_Ｚ＝ｐ_Ｋ・π・（ｄ_３ ^２−ｄ_４ ^２）／４＝１０００〜５０００Ｎ）をも、ハイドロリックチャンバ高さｈ_Ｋの、言及すべき程の変化なしに受容する能力を有している。

インジェクタの高圧接続部に逆止弁を組み込むことにより、インジェクタ内の高圧は比較的長い時間にわたって、燃料ポンプ（図示せず）が遮断されている間、維持されることができる。エンジンの再始動時、インジェクタ容積自体は最初の噴射プロセスのための燃料圧リザーバとして、噴射ポンプが必要な燃料圧をインジェクタに供給するまで役立つ。

択一的には、駆動部として、例えば磁歪式の駆動部が、弁を操作するために使用されてもよい。適当に構成されたストローク逆転により、上記装置は原理的に、内方に開弁する弁のためにも使用可能である。

噴射弁の簡単化された概略縦断面図である。

Claims (12)

1. 燃料のための噴射弁であって、弁ハウジング（１）が設けられており、該弁ハウジング（１）内で、駆動ユニット（１５）が、ばね（１１）により予負荷された弁ニードル（５）の運動を制御するようになっており、ハイドロリックチャンバ（２９）を備える、駆動ユニット（１５）のためのハイドロリック式の支承部と、前記弁ハウジング内に形成され、前記ハイドロリック式の支承部の作動媒体としての燃料で満たされ、かつ弁ニードル（５）が配置されているメインチャンバ（２７）とが設けられている形式のものにおいて、ハイドロリック式の支承部が、両側で狭隘なリングギャップ（３５，３７）によってメインチャンバ（２７）にも、反対側に位置する、弁ハウジング（１）の内室の一部分にも絞られた状態で連通しているハイドロリックチャンバ（２９）を有しており、かつ弁ハウジング（１）の内室の前記部分が、横方向管路（３３）を介して、メインチャンバ（２７）に開口する燃料供給管路（１７）に接続されていることを特徴とする噴射弁。
2. 駆動ユニット（１５）を冷却するために、燃料が役立つ、請求項１記載の噴射弁。
3. 駆動ユニット（１５）がメインチャンバ（２７）内に配置されている、請求項１または２記載の噴射弁。
4. 合成される押圧力（ｐ_Ｄ）が実質的に相殺されるように、弁ニードル（５）の、軸方向で作用する圧力面が寸法設定されており、これにより、弁ニードル（５）に対する、軸方向で作用する合力（Ｆ_Ｄ）がばね（１１）の力（Ｆ_Ｓ）に比して小さく維持されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の噴射弁。
5. 噴射弁の高圧接続部に逆止弁が組み込まれている、請求項１から４までのいずれか１項記載の噴射弁。
6. 弁ニードル（５）が駆動ユニット（１５）に固く結合されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の噴射弁。
7. 駆動ユニット（１５）がハイドロリックピストン（２３）を有しており、該ハイドロリックピストン（２３）が弁ハウジング（１）の内壁区分と相俟ってハイドロリックチャンバ（２９）を形成する、請求項１から６までのいずれか１項記載の噴射弁。
8. ハイドロリックチャンバ（２９）の高さ（ｈ_Ｋ）が約２００〜５００μｍである、請求項７記載の噴射弁。
9. 駆動ユニット（１５）がハイドロリックピストン（２３）と弁ニードル（５）と相俟って１つの強固なユニットを形成し、該ユニットが、噴射プロセス時の運動に比してより緩慢な運動の発生時に、ほぼ妨害されることなくインジェクタハウジング（１）に対して、ばね力の考慮下で摺動させられることができる、請求項７または８記載の噴射弁。
10. 駆動ユニット（１５）がハイドロリックピストン（２３）に結合されており、該ハイドロリックピストン（２３）がハウジング（１）の内室をハイドロリックチャンバ（２９）とメインチャンバ（２７）とに分割する、請求項１から９までのいずれか１項記載の噴射弁。
11. 駆動ユニット（１５）の電気的な供給線路（２５）がハウジング（１）の開口から導出されており、かつ駆動ユニット（１５）とハウジング（１）との間に、フレキシブルなシール手段（３１）が設けられている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の噴射弁。
12. シール手段（３１）と、これに対向して配置された弁座（３）との間の、弁ハウジング（１）の内室全体が燃料で満たされている、請求項１１記載の噴射弁。

Images