JP4763238B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、独立請求項１に発明の上位概念として特定したように、第１スリーブ内に封入されて燃料噴射弁の内室に対して封止されたアクチュエータと、該アクチュエータによって作動可能であって弁座面と協働して封止座を形成する弁閉鎖体を有する弁ニードルと、前記アクチュエータの非励磁状態において前記弁閉鎖体を前記弁座面に当接させて封止状態に保つように前記弁ニードルを負荷している閉鎖ばねとを備えた形式の、燃料を内燃機関の燃焼室内へ直接噴射するための燃料噴射弁に関する。

独立請求項１に上位概念として特定した形式の燃料噴射弁は、例えばドイツ連邦共和国特許第１９５ ３４ ４４５号明細書に基づいて公知である。当該明細書に開示されている内燃機関用の燃料噴射弁は、ノズル基体内を軸方向に可動のノズルニードルを有し、該ノズルニードルは圧電式調整素子によって作動可能であり、かつ圧縮ばねによって閉弁位置に保たれる。燃料はその場合、外部供給源から設定自在な圧力で供給される。ノズルニードルは１つのセンタ孔を有し、しかも前記調整素子が前記ノズルニードルを同心的に包囲しており、かつ封止面によって燃料圧に対して封止されている。

前掲ドイツ連邦共和国特許第１９５ ３４ ４４５号明細書に基づいて公知になっている燃料噴射弁の欠点は特に、封止面にもかかわらず燃料圧の影響を受けて、ピエゾアクチュエータのストローク変動が、公称ストロークの３０％に及ぶことである。

更なる欠点は、弁ニードルの長さに起因して該弁ニードルに振動が誘発され、これによってコントロール不能の衝突挙動が惹起されることである。

発明の開示
独立請求項の特徴部に記載したように、アクチュエータが作動プランジャを介して、ギャップを閉鎖した後に弁ニードルを作動させ、かつ、第１スリーブと作動プランジャの剛性が、第１スリーブの流入側端面に作用する燃料圧によって惹起される前記第１スリーブの長さ変化を、前記のアクチュエータ及び作動プランジャの長さ変化によって補償して、前記ギャップの軸方向幅を燃料圧の変動によって変化させないように設計されている本発明の燃料噴射弁は、従来技術に対比して、燃料圧に関連した弁ニードルの従変性が圧力補償手段によって著しく低減されるという利点を有している。圧力振動とアクチュエータ振動は減結合される。この減結合は、アクチュエータを封入したスリーブによって達成され、その場合スリーブ及び作動プランジャの剛性が、アクチュエータと、該アクチュエータの下流側に配置された作動プランジャとの相応の長さ変化によって、第１スリーブの長さ変化を補償するように選ばれる。

独立請求項に記載した燃料噴射弁の構成の更なる改良は、従属請求項に列挙した構成手段によって可能である。

アクチュエータは、該アクチュエータに作用結合している作動プランジャと、燃料噴射弁のケーシングに結合されたスリーブとの間に張設されたばねによって簡便に予荷重をかけ得るようにするのが特に有利である。

更にまたアクチュエータは、支持構造部分と作動プランジャの肩とを介してアクチュエータの両端面を相互に緊締するばねスリーブによって予荷重をかけ得るようにするのも有利である。

燃料噴射弁のケーシングに第２スリーブを定位配置することによって、燃料圧による振動は効果的に減衰される。

襞付きベローズとアクチュエータの第１スリーブとの異なった材料の曲げ剛さはその場合、長さ変化を補償するように選ばれている。

また第１スリーブは、長さ補償を困難にする横方向力を避けるために管内に封入されてパッキンによって封止され、こうして、アクチュエータを封入するスリーブの端面には依然として応力が作用するが、前記スリーブの側面には応力が作用しないようにするのが有利である。この構成によって長さ変化の補償が単純化される。

次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。

図１に示した本発明の燃料噴射弁１の第１実施例は、混合気圧縮型火花点火式内燃機関の燃料噴射装置用の燃料噴射弁１として構成されている。該燃料噴射弁１は特に、図示を省いた内燃機関の燃焼室内へ燃料を直接噴射するのに適している。

該燃料噴射弁１は、燃料を流入するための液圧接続部３を有するケーシング２を備えている。該ケーシング２内には、アクチュエータ５を封入した第１スリーブ４が配置されている。前記アクチュエータ５は第１実施例では圧電式アクチュエータ５として構成されている。該アクチュエータ５は流入側（上流側）で支持構造部分６を介して第１スリーブ４に支持されている。アクチュエータ５を接点接続するための導電線７が同じく第１スリーブ４内に導入されている。

アクチュエータ５は流出側（下流側）で作動プランジャ８に支持されており、該作動プランジャは開口１０を介して第２スリーブ９を貫通している。第２スリーブ９は第１スリーブ４を燃料に対して封止しており、かつ溶接継手１１を介して嵌合接続式にケーシング２と接合されている。第２スリーブ９の肩２８と作動プランジャ８の肩２７との間には、予荷重をかけてアクチュエータ５を負荷するばね１２が配置されている。

第２スリーブ９内には、弁群１４への燃料通流を可能にする少なくとも１つの燃料通路１３が形成されている。アクチュエータ５及び作動プランジャ８は、弾性的に形成された襞付きベローズ１５によって、燃料に対して封止されている。

作動プランジャ８の下流側にはフランジ１６が形成されており、該フランジは燃料噴射弁１の閉弁状態では、作動プランジャ８からギャップ１７によって隔てられている。前記フランジ１６は溶接継手１８を介して摩擦接続式に弁ニードル１９と作用結合している。該弁ニードル１９はノズル基体２０内を案内されている。該ノズル基体２０は溶接継手２１を介してケーシング２に接合されている。フランジ１６とノズル基体２０との間には閉鎖ばね２２が配置されている。該閉鎖ばね２２は閉鎖力をもってフランジ１６、ひいては弁ニードル１９を負荷し、前記閉鎖力は、アクチュエータ５の非励磁状態において燃料噴射弁１を閉弁状態に保つ。この閉弁状態によって、弁ニードル１９に結合された弁閉鎖体２３は、ノズル基体２０に形成された弁座面２４に当接して封止状態に保たれる。

アクチュエータ５が励磁されると、該アクチュエータ５は燃料の流出方向にばね１２のばね力に抗して膨張する。これによって作動プランジャ８も同じく燃料の流出方向に動かされる。作動プランジャ８と弁ニードル１９との間のギャップ１７は閉じられる。アクチュエータ５が更に膨張すると、弁ニードル１９が閉鎖ばね２２のばね力に抗して同じく燃料の流出方向に動かされる。これによって弁閉鎖体２３は弁座面２４から離間し、かつ燃料が、内燃機関の燃焼室（図示せず）内へ噴射される。

導電線７を介して給電されてアクチュエータ５を励磁する電流が遮断されると、アクチュエータ５は収縮する。作動プランジャ８による弁ニードル１９の負荷軽減に伴って、閉鎖ばね２２が燃料の流動方向とは逆向きにフランジ１６を動かすので、弁ニードル１９に結合された弁閉鎖体２３は再び弁座面２４に当接し、これによって燃料噴射弁１は閉弁される。ばね１２のばね力によって更に作動プランジャ８も燃料の流動方向とは逆向きに動かされ、これによって作動プランジャ８はその起点位置へ復帰する。作動プランジャ８と弁ニードル１９との間には再びギャップ１７が形成される。

燃料噴射弁１の内室２５における燃料圧に起因して、アクチュエータ５を封入した第１スリーブ４は据込まれる。これによって、流入側でアクチュエータ５に当接している支持構造部分６が、燃料の流出方向に押圧され、これによってアクチュエータ５も同じく据込まれる。これによって作動プランジャ８と弁ニードル１９との間に形成されたギャップ１７は、万一補償手段がなければ、許容不能に拡大されることになる。それ故に第１スリーブ４の剛性と作動プランジャ８の剛性は、燃料圧に起因した第１スリーブ４の長さ変化を、アクチュエータ５及び作動プランジャ８の長さ変化によって補償するように設計され、つまり全ての長さ変化の和が零になり、従って弁ニードル１９のストロークに影響を及ぼすことが無いように設計されている。この場合ΣΔｌ＝０が当て嵌まる。但し長さ変化量Δｌは作用力に正比例しているので、Δｌ＝Ｆ／ｃとなる。式中、Ｆは作用力を表し、ｃは圧縮力に対する負荷材料の剛性を表わす。従って次式が得られる。
Ｆ _スリーブ ／ｃ _スリーブ ＝Ｆ _{アクチュエータ、プランジャ} ／ｃ _{アクチュエータ、プランジャ}
燃料が絞りなく封止座の方向に流れるように燃料通路１３の直径が設計されているものと仮定すれば、第２スリーブ９の流入側と流出側の圧力差は同じく零であるので、Ｆ＝ｐ・Ａ（ｐは圧力、Ａは面積を表す）を代入すれば
Ａ _スリーブ ／ｃ _スリーブ ＝Ａ _{アクチュエータ、プランジャ} ／ｃ _{アクチュエータ、プランジャ}
ｃ _スリーブ >>ｃ _ベローズ であるので、上記等式を、圧力にとって重要な面に更に制限すれば、全体として次式が得られる。
Ａ _スリーブ −Ａ _ベローズ ／ ｃ _スリーブ ＝ Ａ _ベローズ ／ ｃ _{アクチュエータ、プランジャ}
ところで面積Ａ _スリーブ と面積Ａ _ベローズ 及び剛性ｃ _スリーブ と剛性ｃ _{アクチュエータ、プランジャ} は、相当の形状と材料選択とによって、アクチュエータ５を封入する第１スリーブ４が襞付きベローズ１５と相俟って圧力を補償するように簡単に適合させることができる。

弁ニードル１９は、アクチュエータ５に電圧が導電線７を介して供給される場合に始めて作動プランジャ８によって作動される。この手段によって燃料の圧力振動及びアクチュエータ５の振動が減結合されるので、不都合な開弁インパルスが発生することはない。従って例えば油圧結合器のような、割高になるその他の圧力補償技術は省くことができる。更に又その場合ギャップ１７は、アクチュエータの熱的な長さ変化が燃料噴射弁１の誤作動を惹起させることがないように設計されている。

図２の部分断面図では、本発明により構成された燃料噴射弁１の第２実施例が図示されている。同等の構成部分はこの場合、図１と同一の符号を付して図示されている。すでに説明した構成部分の反復説明はここでは省かれる。特に弁群１４は、図１で説明した弁群１４と合致していてもよい。

図２に示した第２実施例は、本発明の燃料噴射弁１の格別単純な変化態様である。この場合第１スリーブ４内のアクチュエータ５は、引張りばねのように作用する付加的なばねスリーブ２６を有している。これによってアクチュエータ５は予荷重をかけられ、かつ同じくその作動前に既に予荷重で負荷されている。第１実施例におけるような別のばねは省くことができる。機能態様はその他の点では、図１で説明した実施例に合致している。

図３の概略的な断面図には、本発明により構成した燃料噴射弁１の第３実施例が図示されている。同等の構成部分はこの場合、同一符号を付して図示されている。既に説明した構成部分の反復説明は省かれる。特に弁群１４は、図１において説明した弁群１４と合致することができる。

図１及び図２に示した実施例では、燃料噴射弁１を通流する燃料の力が、第１スリーブ４の流入側端面２９のみに専ら作用するのではないので、横方向力の作用による第１スリーブ４の伸長化を避けることはできず、この伸長化は第１スリーブ４の据込み作用に拮抗して長さ変化の補償を困難にする。

このような事態を防止するために、図３に示した実施例では、第１スリーブ４を管３０内に封入することが提案され、この封入によって、第１スリーブ４の流入側端面２９は依然として該端面に作用する力を吸収するが、第１スリーブ４の側面３１は、前記管３０と支持構造部分６との間にパッキン３２を装備することによって遮蔽される。パッキン３２はこの場合、例えばＯリングとして構成することができる。

この第３実施例では単純な方式で溶接継手３４を介して支持構造部分６と結合されている第１スリーブ４と管３０との間には、従って、第１スリーブ４の伸長化を阻止し、ひいては長さ補償を容易化する無応力空間３３が形成されている。

本発明は、図示の実施例に限定されるものではなく、例えば内向開弁式の燃料噴射弁１又は磁歪式のアクチュエータ５の場合にも適用することができる。

本発明により構成された燃料噴射弁の第１実施例の概略断面図である。

本発明により構成された燃料噴射弁の第２実施例の概略断面図である。

本発明により構成された燃料噴射弁の第３実施例の概略断面図である。

符号の説明

１ 燃料噴射弁、 ２ ケーシング、 ３ 液圧接続部、 ４ 第１スリーブ、 ５ アクチュエータ、 ６ 支持構造部分、 ７ 導電線、 ８ 作動プランジャ、 ９ 第２スリーブ、 １０ 開口、 １１ 溶接継手、 １２ ばね、 １３ 燃料通路、 １４ 弁群、 １５ 襞付きベローズ、 １６ フランジ、 １７ ギャップ、 １８ 溶接継手、 １９ 弁ニードル、 ２０ ノズル基体、 ２１ 溶接継手、 ２２ 閉鎖ばね、 ２３ 弁閉鎖体、 ２４ 弁座面、 ２５ 内室、 ２６ ばねスリーブ、 ２７ 作動プランジャの肩、 ２８ 第２スリーブの肩、 ２９ 流入側端面、 ３０ 管、 ３１ 側面、 ３２ パッキン、 ３３ 無応力空間、 ３４ 溶接継手

Claims (14)

1. 第１スリーブ（４）内に封入されて燃料噴射弁（１）の内室（２５）に対して封止されたアクチュエータ（５）と、該アクチュエータ（５）によって作動可能であって弁座面（２４）と協働して封止座を形成する弁閉鎖体（２３）を有する弁ニードル（１９）と、前記アクチュエータ（５）の非励磁状態において前記弁閉鎖体（２３）を前記弁座面（２４）に当接させて封止状態に保つように前記弁ニードル（１９）を負荷している閉鎖ばね（２２）とを備えた形式の、燃料を内燃機関の燃焼室内へ直接噴射するための燃料噴射弁（１）において、
   アクチュエータ（５）が作動プランジャ（８）を介して、ギャップ（１７）を閉鎖した後に弁ニードル（１９）を作動させ、かつ、第１スリーブ（４）の流入側端面（２９）の面積Ａ _スリーブ に作用する燃料圧によって惹起される前記第１スリーブ（４）の長さ変化を、前記のアクチュエータ（５）及び作動プランジャ（８）の長さ変化によって補償して、前記ギャップ（１７）の軸方向幅を燃料圧の変動によって変化させないように、第１スリーブ（４）の元の長さと関係する第１スリーブ（４）の剛性ｃ _スリーブ 、アクチュエータ（５）及び作動プランジャ（８）の元の長さと関係するアクチュエータ（５）及び作動プランジャ（８）の剛性ｃ _{アクチュエータ、プランジャ} と作動プランジャ（８）及び襞付きベローズ（１５）の流出側端部面積Ａ _ベローズ が、
   （Ａ _スリーブ −Ａ _ベローズ ）／ ｃ _スリーブ ＝ Ａ _ベローズ ／ ｃ _{アクチュエータ、プランジャ}
   を満たすよう設計されており、作動プランジャ（８）が、第２スリーブ（９）に結合された襞付きベローズ（１５）によって、燃料噴射弁（１）の内室（２５）に対して封止されていることを特徴とする、燃料噴射弁。
2. アクチュエータ（５）が流入側で、第１スリーブ（４）に当接している支持構造部分（６）に支持されている、請求項１記載の燃料噴射弁。
3. アクチュエータ（５）が、第２スリーブ（９）を開口（１０）を介して貫通する作動プランジャ（８）に作用結合している、請求項１又は２記載の燃料噴射弁。
4. 第２スリーブ（９）が溶接継手（１１）を介して、第１スリーブ（４）及び燃料噴射弁（１）のケーシング（２）に接合されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
5. 第１スリーブ（４）の剛性が、襞付きベローズ（１５）の剛性よりも著しく大である、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
6. アクチュエータ（５）が、ばね（１２）によって予荷重をかけて負荷されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
7. ばね（１２）が、アクチュエータ（５）の下流側に配置されている、請求項６記載の燃料噴射弁。
8. ばね（１２）が、作動プランジャ（８）の肩（２７）と第２スリーブ（９）の肩（２８）との間に張設されている、請求項７記載の燃料噴射弁。
9. アクチュエータ（５）がばねスリーブ（２６）によって予荷重をかけて負荷されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
10. ばねスリーブ（２６）が一端を作動プランジャ（８）の肩（２７）に、かつ他端を支持構造部分（６）に結合されており、前記支持構造部分が第１スリーブ（４）に当接しかつアクチュエータ（５）を支持している、請求項９記載の燃料噴射弁。
11. 第１スリーブ（４）が、燃料によって及ぼされる力を流入側端面（２９）のみに作用させるように、管（３０）内に封入されている、請求項１記載の燃料噴射弁。
12. 第１スリーブ（４）がパッキン（３２）によって、燃料噴射弁（１）の内室（２５）に対して封止されている、請求項１１記載の燃料噴射弁。
13. パッキン（３２）がＯリングの形に構成されている、請求項１２記載の燃料噴射弁。
14. 管（３０）と第１スリーブ（４）との間に、無応力空間（３３）が形成されている、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。

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