JP4273153B2 - 複数の部分より成る、直接噴射式の噴射弁部材を備えた燃料インジェクタ - Google Patents

Description

自己点火式の内燃機関に、燃料噴射を行うための蓄圧式噴射システムが装着されており、該蓄圧式噴射システムは噴射圧を回転数及び負荷に応じて調節することができる。蓄圧式噴射システム（コモンレール）においては、圧力発生及び噴射が、位置的に互いに分離されている。噴射圧は、独立した別個の高圧ポンプによって生ぜしめられる。この高圧ポンプは、噴射と同期して駆動させる必要はない。圧力は、エンジン回転数及び噴射量とは無関係に調節される。このような燃料噴射システムにおいては、圧力制御式の噴射弁の代わりに、電気操作式のインジェクタが用いられており、この電気操作式のインジェクタによって、噴射開始の制御時点及び制御時間、及び内燃機関の燃焼室内への噴射量が規定される。コモンレール式噴射システムにおいては、複数回の又は分割された噴射過程の形状付与及び形態形成に関連して高い自由度が得られる。

従来技術
ドイツ連邦共和国特許公開第１９０５５２７１号明細書によれば、液圧式の伝達器を備えた圧力・ストローク制御式のインジェクタが公知である。このインジェクタケーシング内には複数の２／２（２ポート２位置）方向制御弁が収容されており、これらの２／２方向制御弁の垂直方向運動は、ブリッジを介して機械的に連結されている。２／２方向制御弁は、流入側及び流出側に配置されていて、液圧式の伝達器の前方に接続されている。液圧式の伝達器は、ノズルニードルを包囲する圧力室を高圧下にある燃料で負荷する。２つの２／２方向制御弁は、燃料インジェクタのインジェクタケーシング内に互いに反対側に受容されている。

ドイツ連邦共和国特許公開第１９０５５２７１号明細書により公知の解決策における欠点は、この解決策に従って圧力／ストローク制御式のインジェクタ制御を実現するために多くの個別部分を必要とするという点である。

ドイツ連邦共和国特許第１９９４６８３８号明細書によれば、液体を制御するための弁が公知である。この弁は、弁体の孔内で軸方向摺動可能な弁部材を有している。この弁部材は、弁閉鎖部材を形成する弁ヘッドを有しており、この弁ヘッドは、弁体に設けられた、弁を開閉するための座部と協働する。また、弁部材を操作するための圧電ユニットと、この圧電ユニット及び／又は別の弁構成部分の伸張公差を補償するための公差補償エレメントとが設けられている。圧電ユニットは、その作用方向に関連して、弁部材の軸方向の運動方向に対してほぼ垂直に配置されていて、圧電ユニットが、レバーアーム（てこ腕）として用いられ、かつ弁部材と作用接続している調節部材に傾倒運動を与えるように、電流によって負荷可能である。

発明の開示
本発明に従って提案された解決策は、複数の部分より構成された、ニードル状の噴射弁部材によって、自己点火式内燃機関の燃焼室内に通じる種々異なる噴射横断面が開放され、この際に、複数の部分より構成された噴射弁部材が特に直接的に制御されている。複数の部分より構成されたニードル状の噴射弁部材を直接制御するために、圧電アクチュエータと、複数の部分より構成されたニードル状の噴射弁部材との間に液圧式の伝達装置が設けられており、この伝達装置は２つの伝達室を有している。２つの伝達室のそれぞれは、内側のニードル部を制御するための、及び複数の部分より構成されたニードル状の噴射弁部材の外側のニードル部を制御するための制御室を負荷する。

複数の部分より構成された噴射弁部材の内側のニードル部と外側のニードル部とは、圧力段を有しており、この圧力段は、ノズル体内のノズル室を圧力負荷する際に、及び複数の制御室を圧力負荷する際に、複数の部分より構成された噴射弁部材のニードル部を時間的にずらして開放することができる。これによって、第１の噴射開口横断面を介して自己点火式内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する第１段階中に、及びそれに続く、複数の部分より構成された噴射弁部材の内側のニードル部を時間的に遅らせて開放させる際の噴射形状において、別の開口横断面がさらに開放されるので、噴射過程の終了時に、噴射過程の開始時におけるよりも多量の燃料が燃焼室内に達する。従って、内燃機関の部分負荷運転中に１つの噴射横断面だけが開放され、これに対して内燃機関の全負荷運転中に、複数の部分より構成された噴射弁部材の２つのニードル部は開放維持されるようになっているので、最大の噴射量が内燃機関の燃焼室内に噴射され得る。

複数の部分より構成された噴射弁部材の外側のニードル部に圧力段を設けるように設計したことによって、外側のニードル部に作用する液圧力は、最小の圧力においても燃料インジェクタの最小燃料量噴射可能性が保証される。２つの圧力段を、複数の部分より成る噴射弁部材の外側のニードル部に形成したことによって、外側のニードル部は非常に早期に開放し、これに対して、複数の部分より構成された噴射弁部材の内側のニードル部は遅れて開放する。何故ならば内側のニードル部に形成された圧力段は非常に小さく構成されているからである。このように、外側のニードル部に２つの圧力段を設け、内側のニードル部に前記のような圧力段を設けたことによって、複数の部分より構成されたニードル状の噴射弁部材の２つのニードル部は、互いに異なる圧力レベルで切換えられる。

図面
以下に図面を用いて本発明を具体的に説明する。

唯一の図面は、本発明によって提案された燃料インジェクタの断面図を示しており、この燃料インジェクタは、複数の部分より構成されたニードル状の噴射弁部材と、液圧式の伝達装置とを備えていて、この伝達装置の伝達室を介して制御室が圧力負荷軽減可能又は圧力負荷可能であり、この制御室には、複数部分より構成された噴射弁のそれぞれ内側若しくは外側のニードル部分が対応配置されている。

実施例
図示された燃料インジェクタ１は、インジェクタ本体２とノズル体３とを有している。インジェクタ本体２とノズル本体３とは、組み付けられた状態で突き合わせ接合部４において互いに当接されている。燃料は、高圧蓄圧式噴射システムの図示されていない蓄圧室（コモンレール）から燃料入口５を介してインジェクタ本体２に流入する。インジェクタ本体２の上部領域内にアクチュエータ６が受容されており、このアクチュエータ６に液圧式の伝達装置９が対応配置されている。燃料入口５からインジェクタ本体２内に高圧管路７が分岐しており、この高圧管路７を介して、高圧下でインジェクタ本体２に流入する燃料がノズル室８内に流入する。ノズル室８は、ノズル体３内に配置されていて、複数の部分より構成された噴射弁部材２１を有しており、この噴射弁部材２１は、ノズル本体３内で垂直方向に可動に収容されている。

液圧式の伝達装置９は伝達ピストン１０を有している。伝達ピストン１０は、アクチュエータ６に向き合っている第１の端面１１を有している。伝達ピストン１０の第２の端面１２は、液圧式の伝達装置９の第１の伝達室１３を仕切っている。伝達ピストン１０には伝達ピストン延長部１４が設けられており、この伝達ピストン延長部１４は、伝達ピストン１０の直径よりも小さい直径で構成されている。伝達ピストン延長部１４の端面側１５は、第２の伝達室１７内に突入している。第２の伝達室１７から通路１６が延在しており、この通路１６は第１の制御室１９内に開口している。通路１６に対して平行に溢流管路１８が延在しており、この溢流管路１８を介して第１の伝達室１３と第２の制御室２０とが、互いに流体接続（液圧式に接続）されている。

複数部分より構成されたニードル状の噴射弁部材２１は、外側のニードル部２２と、この外側のニードル部２２内に可動に配置された内側のニードル部２３とを有している。内側のニードル部２３は第１の制御室１９によって負荷され、この第１の制御室１９は、液圧式の伝達装置の第２の伝達室１７に接続されており、これに対して外側のニードル部２２は、溢流管路１８を介して第１の伝達室１３に接続された第２の制御室２０を介して操作される。外側のニードル部２２は、第２の制御室２０を制限する、制御室側の端面２４を有しており、また外側のニードル部２２は、外側に第１の圧力段２５を有していて、さらに外側のニードル部２２の内側に形成された第２の圧力段２６を有している。外側のニードル部２２と内側のニードル部２３との間に圧力室２９が形成されており、この圧力室２９は、内側のニードル部２３に形成された環状面２７によって制限される。内側の圧力室２９の負荷は、外側のニードル部２２の壁部を貫通する圧力室入口３０を介して行われる。圧力室入口３０によって燃料の溢流、つまり高圧下でノズル室８内に流入し、かつ外側のニードル部２２と内側のニードル部２３との間で内側に位置する圧力室２９内に流入する、燃料の溢流が保証される。

外側のニードル部２２の燃焼室側の端部で外周面に座部３１が形成されており、この座部３１は第１の座部直径３２を有している。第１の座部直径３２内に形成された座部縁部は、ノズル本体３の壁部と協働する。複数部分より構成された噴射弁部材２１の外側のニードル部２２内でガイドされている内側のニードル部２３には、同様に、ノズル体の壁部と協働する第２の座部３３が形成されている。内側のニードル部２３の座部３３の座部直径は、外側のニードル部２２の第１の座部直径３２よりも著しく小さい第２の座部直径３４（ｄ_１）内に形成されている。図面に示された、複数部分より構成された噴射弁２１の閉じた状態で、第１の噴射開口３５は、外側のニードル部２２の閉じた座部３１によって環状ギャップ４１から分離されており、この環状ギャップ４１内にノズル室８を介して、高圧下にある燃料が存在している。同様に図面では閉じた状態にある、内側のニードル部２３の座部３３によって、第２の噴射開口３６は、環状室４１内に存在する同様に高圧下にある燃料に対して閉鎖されている。図面に示された、複数部分より構成されたニードル状の噴射弁部材２１の閉じた状態で、外側のニードル部２２の座部３１と内側のニードル部２３の座部３３との間に楔状の環状室４２が形成されている。複数の部分より成る噴射弁部材２１が開放されると、燃料が第１の噴射開口３５又は第１及び第２の噴射開口３５，３６を介して噴射される燃焼室は符号４３で示されている。

複数の部分より構成されたニードル状の噴射弁部材２１の外側のニードル部２２は、ノズル本体３のガイド長さ３７内に受容されており、これに対して内側のニードル部２３は、外側のニードル部２３の圧力室入口３０と座部３１との間でこのノズル本体３内に延在しているガイド長さ３８内で制限されている。図面に詳しく示されていないが、外側のニードル部２２はノズル本体３内で、例えば互いに１２０゜ずらして構成されたガイド面内においてもガイドされている。

複数部分より構成されたニードル状の噴射弁２１の内側のニードル部２３は、内側に位置する圧力室２９の上側の領域内で第２の直径３９（ｄ_２）を有しており、この第２の直径３９（ｄ_２）は第２の座部直径３４（ｄ_１）よりも大きい。つまりｄ_２＞ｄ_１である。

直径比ｄ_１：ｄ_２がｄ_１＜ｄ_２であることに基づいて、複数部分より構成されたニードル状の噴射弁部材２１の内側のニードル部２３は、外側のニードル部２２よりも遅れて開放する。直径差ｄ_２−ｄ_１によって生ぜしめられる、内側のニードル部２３の燃焼室側の先端部における圧力段２８は、圧力段２５，２６と比較して著しく小さい液圧的な有効面を有している。

本発明に従って提案された図示の燃料インジェクタ１の機能形式は次の通りである。

複数部分より構成された噴射弁部材２１の図示の閉鎖状態では、アクチュエータ６は給電されていて、かつ伸張している。有利には圧電アクチュエータ（ピエゾアクチュエータ）として構成されていて、互いに積層状に上下に配置されていて、伝達ピストン１０を負荷するアクチュエータ６への給電に基づいて、圧電結晶は伸張する。それによって伝達ピストン１０の第２の端面は第１の伝達室１３内に侵入する。伝達ピストン１０の第２の端面１２によって、伝達ピストン延長部１４も液圧式の伝達装置９の第２の伝達室１７内に侵入する。第１の伝達室１３と第２の伝達室１７とは、外側のニードル部２２とノズル本体３との間のガイド漏れ、内側のニードル部２３とインジェクタ本体２との間のガイド漏れ、並びに伝達ピストン１０と燃料入口５との間のガイド漏れを介して充填される。

第１の伝達室１３及び第２の伝達室１７の圧力負荷に基づいて、内側のニードル部２３を負荷する第１の制御室１９、並びに外側のニードル部２２を負荷する第２の制御室２０も圧力負荷されているので、内側のニードル部２３と外側のニードル部２２とは、座部３１若しくは３３を閉鎖する位置を占めている。

それと同時に高圧管路７を介して高圧下にある燃料がノズル室８内に達し、それによってこのノズル室８に接続された、外側のニードル部２２を包囲する環状ギャップ４１内にも高圧下にある燃料が達するので、燃料は外側のニードル部２２の閉じた座部３１までしか達することはなく、燃焼室４３内に噴射されることはない。

アクチュエータ６への給電が中止されると、伸張した圧電結晶は収縮し、伝達ピストン１０は伝達ピストン延長部１４と共に、垂直方向で上方に移動する。伝達ピストン１０若しくは伝達ピストン延長部１４のストローク距離は４０μｍ〜１６０μｍの範囲内である。

従って、内側のニードル部２３を負荷する第１の制御室１９、並びに外側のニードル部２２の制御室側の端面２４を負荷する第２の制御室２０は、圧力負荷される。ノズル室８内に達する高圧の燃料圧に基づいて外側のニードル部２２が早期に開放する。何故ならばこの外側のニードル部２２には、外側に位置する第１の圧力段部２５と、内側に位置する圧力室２９の上側で内側に位置する第２の圧力段部２６とが形成されているからである。従って、アクチュエータ６への給電中止の開始時に外側のニードル部２２の制御室側の端面２４は、第２の制御室２０内に侵入し、それによって外側のニードル部２２の座部３１は開放せしめられる。それによって環状室４２は、高圧下にある燃料が存在する環状ギャップ４１と連通する。高圧下にある燃料は第１の噴射開口３５を介して、噴射過程の第１段階中に燃焼室４３内に噴射される。

これに対して噴射過程の第１段階中に、複数部分より構成されたニードル状の噴射弁部材２１の内側のニードル部２３はその閉鎖位置に留まる。つまり内側のニードル部２３の座部３３は閉鎖状態に維持される。噴射過程がさらに続けられると、複数部分より構成された噴射弁部材２１の内側のニードル部２３は開放する。何故ならばこの内側のニードル部２３に形成された圧力段２８は非常に小さく構成されているからである。

噴射過程がさらに続くと、高圧下にある燃料が圧力室入口３０を介して、外側のニードル部２２と内側のニードル部２３との間の内側の圧力室２９内に流入する。内側に位置する圧力室２９内に流入する燃料は、内側のニードル部２３の環状面２７に当接して、この環状面２７をさらに閉鎖方向に負荷する。外側のニードル部２２が垂直方向で上方に移動する間、環状ギャップ４１は環状室４２と連通している。その結果は、開放方向に作用する液圧力は、内側のニードル部２３の燃焼室側の端部における圧力段２８に作用し、この圧力段２８が内側のニードル部２３を開放方向に移動させる。これによって内側のニードル部２３の第２の座部３３も開放し、燃料が、開放された第２の座部３３を介して第２の噴射開口３７に流入する。内側のニードル部２３と外側のニードル部２２とが同時に開放されると、燃料がノズル室８から環状ギャップ４１を介して、また２つの噴射開口３５，３６を介して燃焼室４３内に流入する。内側のニードル部２３の直径、つまり第１の直径３は、燃料インジェクタの構成に応じて３．５ｍｍから５．６ｍｍの間である。

図示していない高圧蓄圧器の燃料入口５内に配置されている圧電アクチュエータ６に給電されると、圧電アクチュエータ６の圧電結晶は伸張するので、伝達ピストン１０は伝達ピストン延長部１４と共に、燃焼室４３に向かって作用する閉鎖運動を行う。これによって、第１の伝達室１３内並びに第２の伝達室１７内の燃料容積は圧縮され、通路６若しくは溢流管路１８を介して制御室１９若しくは２０が圧力負荷される。制御室１９若しくは２０を制限する、液圧式に作用する面、つまり内側のニードル部２３の上側の端面と、外側のニードル部２２の制御室側の端面２４と、外側のニードル部２２の圧力段２５，２６の液圧式に作用する面と、内側のニードル部２３の燃焼室側の端部における圧力段２８の開放方向に作用する液圧式の面π（ｄ_２ ^２−ｄ_１ ^２）／４とが上昇するので、複数部分より構成された噴射弁部材２１の２つのニードル部２２，２３は閉鎖方向に移動せしめられる。

燃料インジェクタの断面図である。

符号の説明

１ 燃料インジェクタ
２ インジェクタ本体
３ ノズル本体
４ 突き合わせ接合部
５ 燃料入口
６ 圧電アクチュエータ
７ 高圧管路
８ ノズル室
９ 液圧式の伝達装置
１０ 伝達ピストン
１１ 第１の端面
１２ 第２の端面
１３ 第１の伝達室
１４ 伝達ピストン延長部
１５ 伝達ピストン延長部の端面側
１６ 通路
１７ 第２の伝達室
１８ 溢流管路
１９ 第１の制御室
２０ 第２の制御室
２１ 複数の部分より成る噴射弁部材
２２ 外側のニードル部
２３ 内側のニードル部
２４ 外側のニードル部２２の制御室側の端面
２５ 外側のニードル部２２の第１の圧力段
２６ 外側のニードル部２２の第２の圧力段
２７ 内側のニードル部２３の環状面
２８ 内側のニードル部２３の圧力段
２９ 内側に位置する圧力室
３０ 圧力室入口
３１ 外側のニードル部の座部
３２ 第１の座部直径
３３ 内側のニードル部の座部
３４ 第２の座部直径
３５ 第１の噴射開口
３６ 第２の噴射開口
３７ 外側のニードル部２２のガイド長さ
３８ 内側のニードル部２３のガイド長さ
３９ 内側のニードル部２３の第１の直径
４１ 環状ギャプ
４２ 環状ギャップ
４３ 燃焼室

Claims (10)

1. 内燃機関の燃焼室（４３）内に燃料を噴射するための蓄圧噴射式の燃料インジェクタ（１）であって、インジェクタ本体（２）とノズル本体（３）とを有していて、該ノズル本体（３）内に、複数の部分より構成された噴射弁部材（２１）が受容されており、圧電アクチュエータ（６）が設けられていて、この圧電アクチュエータ（６）の後ろに液圧式の伝達装置（９）が接続されており、複数の部分より構成された噴射弁部材（２１）に、この噴射弁部材（２１）を操作するための制御室（１９，２０）が対応配置されている形式のものにおいて、
   圧電アクチュエータ（６）によって操作される液圧式の伝達装置（９）が複数の伝達室（１３，１７）を有しており、これらの伝達室（１３，１７）がそれぞれ噴射弁部材（２１）のニードル部（２２，２３）を操作する複数の制御室（１９，２０）に直接的に流体接続されていることを特徴とする、複数の部分より成る、直接噴射式の噴射弁部材を備えた燃料インジェクタ。
2. 第１の伝達室（１３）が通路（１６）を介して、外側のニードル部（２２）のための第２の制御室（２０）に接続されていて、第２の伝達室（１７）が内側のニードル部（２３）のための第１の制御室（１９）に接続されている、請求項１記載の燃料インジェクタ。
3. 複数の部分より構成された噴射弁部材の互いに入れ子式にガイドされたニードル部（２２，２３）間に圧力室（２９）が形成されており、該圧力室（２９）が、複数の部分より構成された噴射弁部材（２１）によって包囲されたノズル室（８）から充填可能である、請求項１記載の燃料インジェクタ。
4. 複数の部分より構成された噴射弁部材（２１）の外側のニードル部（２２）に、開放方向に作用する第１及び第２の圧力段（２５，２６）が形成されている、請求項１記載の燃料インジェクタ。
5. 第２の圧力段（２６）が圧力室（２９）内に形成されている、請求項４記載の燃料インジェクタ。
6. 内側のニードル部（２３）の燃焼室側の端部に圧力段（２８）が形成されていて、該圧力段の、内側のニードル部（２３）の開放方向に作用する液圧面が、外側のニードル部（２３）の第１及び第２の圧力段（２５，２６）の液圧式に作用する面よりも小さい、請求項１記載の燃料インジェクタ。
7. 外側のニードル部（２２）の、圧力段（２５，２６）の開放方向に液圧式に作用する面が、内側のニードル部（２３）の燃焼室側の端部における液圧式に作用する面（２８）π（ｄ_２ ^２−ｄ_１ ^２）／４よりも大きい、請求項１記載の燃料インジェクタ。
8. 外側のニードル部（２２）に第１の座部（３１）が形成され、また内側のニードル部（２３）に第２の座部（３３）が形成されており、この第１の座部（３１）と第２の座部（３３）とが、ノズル本体（３）の壁部と協働する、請求項１記載の燃料インジェクタ。
9. 圧電アクチュエータ（６）が燃料入口（５）内に組み込まれている、請求項１記載の燃料インジェクタ。
10. 燃焼室（４３）に向かって、第１の座部（３１）によって開閉可能な第１の噴射開口（３５）と、第２の座部（３３）によって開閉可能な第２の噴射開口（３６）とが、ノズル本体（３）に形成されている、請求項１記載の燃料インジェクタ。

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