JP4869346B2 - 内燃機関用燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文に記載された内燃機関用燃料噴射装置に関する。

前記種類の燃料噴射装置は特許文献１により公知である。この装置に設けられている外部エネルギー制御式２ポート２位置切換弁は下流側に設けられる噴射インゼクタに供給される容積流を限定し、付加的に流量制限弁として、差圧に依存しても作動し、また遮断弁としても作動する。弁に付設された調節機構は磁気式に作動し、可変電磁場によって形成される復帰力を介して弁体はその開放位置の方向へと付勢可能である。こうして可能とされる弁の作動様式では、内燃機関の動作パラメータに依存して、特に下流側に設けられた燃料インゼクタのその都度許容された最大噴射容積に依存して弁が制御される。このような構成は、高い制御支出を必要とし、差圧に依存して高い調節力を前提とする。
独国特許出願公開第１９５４８６１０号明細書

本発明の課題は、制御支出も調節機構のエネルギー需要も低減し、またそれらが、構成に起因して、全体として低減されたエネルギー支出において低減するように、冒頭に指摘した種類の噴射装置を構成することである。

噴射インゼクタと上流側に設けられた弁が同じ時間範囲内に通電され開放される本発明に係る解決では、弁のエネルギー需要の上限が、相連続する噴射の間の各段階で生じる差力を正常動作時に克服するのに必要な値に実質限定されている。噴射インゼクタが漏れなしにまたは少なくとも漏れなしに作動する場合、僅かな圧力差が生じるにすぎず、圧力差から、つまり差圧から開放方向で帰結する調節力は僅かなものにすぎない。比較的大きな圧力差は弁から下流側のインゼクタに至る移行部における許容外の漏れまたはその他の障害の指標であり、本発明に係る解決においてこのような圧力差に相応する力は意識的に克服できないようにされ、相応する調節力も加えることができない。

それに加えて、本発明に係る解決において好ましくは、噴射インゼクタの流入側で上流側に設けられた弁の弁体の溢流も好ましくは実質絞られることがなく、このような絞りから帰結する調節力はやはり克服することができず、それに加えて燃料インゼクタの供給部において相応する絞り損失も避けることができ、そのことでエネルギー需要が全体として低下する。

ところで、確実な作動のため調節機構の調節力は、噴射インゼクタの動作に故障がなくかつ噴射インゼクタが停止されるとき弁体で有効な圧力差に一致した閉鎖力よりも、比較的小さな安全閾値だけ上でなければならないだけであるので、調節機構の設計にとって高い安全帯域も必要でなく、構造が単純で軽量の調節機構も使用可能であり、こうして特に磁気式調節機構が使用可能である。

本発明に係る教示の応用は噴射インゼクタの流入側で上流側に設けられる弁の弁体の調節方向に溢流可能な弁に限定されておらず、その弁体が調節方向を横切って溢流しかつそのガイド内で差圧に依存して付勢された弁と合せても実現することができる。差圧に依存したこの付勢から、その都度の変位に対抗する摩擦力が生じ、調節機構の設計時にこの摩擦力を考慮しなければならない。

噴射インゼクタの流入側で上流側に設けられる本発明に係る弁は、本発明の枠内でさらに、構造に起因して比較的大きな漏れをもって作動する噴射インゼクタと合せて利用することもできる。弁体の溢流を絞ってもまたは絞らなくても弁が同様に作動することができ、しかし構造上好ましくは特に未絞りまたは実質未絞りの溢流を考慮して弁が形成されているこのような解決と合せて、許容された漏れの枠内でその都度の漏れ容積を動作圧力に予圧して補償する蓄積ユニットを弁に至るバイパス中に設けると望ましいことが判明した。

本発明によりこのような蓄積ユニットにとって適している構造では、ハウジング側受容室内に弁ピストンが摺動可能、かつ密封され、ばね力に抗して圧力に依存して変位可能に設けられており、漏れ容積を補償するためにピストンは摺動させることができる。

弁と蓄積容積との間の流出側バイパス結合は蓄積容積を経由して実施しておくことができ、受容室内で摺動可能に案内されて蓄積容積を限定する弁ピストンを備えた蓄積ユニットの前記構造の場合、密封案内された弁ピストンはインゼクタとの流出側結合に抗して蓄積容積を遮断するのにも利用することができ、インゼクタの誤機能時にインゼクタを介して燃料が未制御に流出するとき蓄積ユニットを介して遮断機能は引き受けることもできる。

さらに本発明の枠内で、噴射インゼクタの流入側で上流側に設けられる弁のやはり上流側に流量制限弁が配置され、この流量制限弁が絞り溢流可能な流量制限弁として構成され、インゼクタの機能不全によって、例えばそのノズルキャップの脱落によって、および／または弁の機能不全時、特に弁がその開放位置に付着したままのとき、内燃機関への燃料の流入継続を中断する機能がこの流量制限弁に帰属すると望ましいことがある。

本発明のその他の詳細および特徴は特許請求の範囲から明らかとなる。本発明はさらに以下で１実施例に基づいて説明される。

ディーゼルエンジンとして作動する内燃機関１用の燃料噴射装置２が図１に示してある。多気筒内燃機関１の１シリンダについて図に示したように噴射はそれぞれ噴射インゼクタ７の噴射ノズル１２を介して燃焼室３に向けて行われ、噴射インゼクタは燃料供給管路１１に接続されており、この燃料供給管路中に、燃料タンク１０から出発して低圧燃料ポンプ９、その下流側に高圧源として高圧燃料ポンプ５、その下流側に高圧蓄積器６が配置されている。高圧蓄積器６から、分岐して、個々のシリンダに付設された噴射インゼクタ７への供給が行われ、各インゼクタ７の上流側にそれぞれ１つの弁装置８が設けられている。インゼクタ７の駆動は、概略示唆したように制御兼調節ユニット４を介して行われる。

図１に概略示唆しただけの弁装置８は、図３、図４に認められるように、本発明により外部エネルギーで駆動される弁１４によって形成されており、またはそのような弁１４を含む。本発明に係る好ましい１構成として図２に示された弁１４はその流入方向が矢印３１で示してある。

弁１４は調節可能な遮断要素として弁体２３を有し、燃料供給管路１１の流入区域１５と流出区域１６との間にあってこれらに接続された端部材２７、２８を含む。端部材は軸線方向締付結合部２９を介して互いに密封結合されており、締付結合部２９は帽子状締付筒体３６、３７として形成されるハウジング半片によって実現されており、ハウジング半片は端部材２７、２８の半径方向段部に被さる。

図２の実施例において、区域１６に付設された流出側端部材２８は弁体２３用受容部として構成されており、燃料供給管路１１の区域１６の横断面に比べて直径を拡大された相応する穴３０を有する。穴３０のなかで案内された弁体２３は弁円錐体３３でもって、区域１６への穴３０の移行部で座面３２となって成端している。弁円錐体３３はそれ自体、弁体２３の柄部と結合されており、この柄部は中空柄として構成され、磁気式調節器２６のアーマチャ３４を形成する。磁気式調節器２６が含むソレノイドコイル３５は端部材２８を取り囲んで締付筒体３７の半径方向凹部内に配置され、締付筒体３６のねじ首部の軸線方向延長上にある。このねじ首部は締付筒体３７を延長させて設けられた鍔部で覆われかつこの鍔部に対して螺合されている。

弁円錐体３３と、ソレノイドコイル３５の囲繞領域内にある領域４５における端部材２８は、破線で示すように非磁性材料からなり、この領域（４５）は穴３０のなかでアーマチャ３４を柄部として受容する。

中空柄として構成されるアーマチャ３４の領域において弁体２３は中心で流通させ、弁円錐体３３の領域では周面側で溢流させる。そしてその都度自由な流通横断面は弁体２３が開放位置のとき区域１５、１６における流通横断面に実質一致しており、弁体２３の開放位置のとき少なくとも殆ど未絞りの流通もしくは溢流が与えられており、そのことから、せいぜい、図２に示すように弁体２３の閉鎖位置の方向に僅かな調節力が帰結する。閉鎖方向におけるこのような調節力は代替的におよび／または補足的に支持ばね４６を介して加えることもでき、このような支持ばねは好ましくは、端部材２７で支えられて、アーマチャ３４を形成する中空柄の延長上に配置される。少なくとも殆ど未絞りの流通もしくは溢流が望ましいのは、噴射段階の間に弁１４が開放されており、噴射圧力の低下が絞りと結び付いているであろうからである。それゆえに、弁体２３をばね力で付勢するのが特別である。

磁気式調節器２６は全体に符号２５とした調節機構の一部として結線３８を介して、しかも、その燃料供給管路１１中に弁装置８、すなわち特に本発明に係る弁１４が設けられている噴射インゼクタ７の噴射の時間範囲内に通電される。そのことは図１に破線で示唆したように、制御兼調節ユニット４を介してインゼクタ７および磁気式調節器２６のほぼ同時間的通電を行うことによって簡単に達成することができる。従って弁１４を介して噴射の時間範囲内でインゼクタ７への燃料流入が解放されており、各噴射の終了でもって弁円錐体３３を介して噴射インゼクタ７の方向への燃料貫流も遮断される。

噴射インゼクタ７が漏れなしにまたはほぼ漏れなしに作動し、つまりその限りで噴射インゼクタ７がその都度の構造様式に応じて故障のない動作挙動を示す場合、それぞれ相連続する噴射の間にある動作段階のとき燃料供給管路１１の流出側区域１６内で圧力降下は実質的に生じない。従って、正常な動作に合せてその調節力が設計された磁気式調節器２６を介して弁体２３の変位による弁１４の開放を妨げるような圧力差が流入側管路区域１５と流出側管路区域１６との間に生じることはない。相連続する噴射の間の段階において噴射インゼクタ７または噴射インゼクタ７への流入部での漏れによって管路結合部１１の区域１６内で圧力降下が生じると、差圧が強まり、従って弁体２３をその閉鎖位置の方向へと付勢する力が強まる。この閉鎖力が、支持ばね４６の力を考慮しても、磁気式調節器２６を介して加えられるべき弁１４の開放方向で働く調節力よりも大きい場合、弁１４は磁気式調節器２６を介してもはや開放することができず、弁１４から供給される噴射インゼクタは燃料供給から切り離され、シリンダへの未制御な燃料流入、従ってそれに起因した未制御な燃焼プロセスによる内燃機関の漏れに起因した損傷は防止される。

誤りに起因した望ましくない燃焼プロセスは、弁１４が誤機能を有し、例えば膠着によって例えば開放位置に付着したままとなることに、または噴射ノズル１２の側からそのノズルキャップが脱落し、噴孔の絞り作用が生じなくなることに、それらの原因を持つことがある。このような誤りは燃料が燃焼室に過剰に流入することを生じよう。これらに対しても前記種類の噴射装置を守るために、図３は弁装置の一部として弁１４の上流側に設けられる流量制限弁５０を示している。この流量制限弁はハウジング５１と燃料供給管路１１の流通経路中に設けられる受容室５２とを含み、ハウジング側管路部分のうち流入側管路部分は符号５４、流出側管路部分は符号５５とされている。これらの管路部分の間で受容室５２の内部に設けられる弁ピストン５３は流入方向（矢印３１）とは逆にばね５６を介して支えられ、ばね力に抗してその流入側止め位置から流出側止め位置へと変位可能である。これに関連した行程は符号Ｈとされている。

図３に示す流入側止め位置のとき弁ピストン５３を介して行程Ｈに相当する行程容積が限定されており、この行程容積は噴射インゼクタ７の最大噴射容積に少なくとも等しく、しかし好ましくはそれよりも大きい。

開放された弁１４を前提として、弁ピストン５３は特定の流入側圧力付加に基づいてばね５６の力に抗して、噴射容積に一致した行程容積に相関した行程だけ変位される。最大許容噴射容積を公差値だけ上回る流出容積が生じると、弁ピストン５３はその遮断位置に進む。

噴射容積が所定の動作限界内にある場合、弁ピストン５３はその都度その最大行程Ｈの部分範囲にわたってのみ動き、その限りで押しのけられた行程容積は下流側に設けられた噴射インゼクタ７の噴射休止のとき、つまり燃焼室３への燃料流入が遮断されているとき、弁ピストン５３が受容部５２内で「非密封式」に案内されていることによって補償される。このような非密封式案内は弁ピストン５３と受容部５２との間に相応する隙間を定めることによって、または別の仕方で設けられる絞り溢流経路によっても、達成することができる。図３に示した実施例では、弁ピストン５３が環状鍔部５７を介して受容部５２内で密封案内されており、これらの環状鍔部５７に絞り溢流経路５８が付設されている。

溢流経路５８が逆摺動バイパスを形成するこのような流量制限弁と弁１４との直列接続‐弁１４と流量制限弁１５が弁装置８を形成すること‐によって示される解決では、非噴射段階のとき漏れが生じないかまたは比較的僅かな漏れが生じる噴射インゼクタ７用に、単純な構造において、敏感に応答する保護装置が達成される。詳細には溢流経路５８、つまり逆摺動バイパスによって、弁要素の狭い公差とすることのできる［非密封式］案内が行われる。過剰の漏れ等により、噴射容積を補足してそれぞれ漏れ容積が流出することになり、単に噴射容積が再び満たされるとき結局弁ピストン５３が止めに進む。別の理由から流量制限弁５０と噴射インゼクタ７との間の結合を介して許容外に高い燃料量が流出する場合も同様である。

図３による基本装置では噴射インゼクタについて弁１４と流量制限弁５０とからのみなる弁装置８を介した漏れおよび別の許容外に高い流出損失を検出でき、故障のない動作挙動を前提として非噴射時に小さな流出損失または漏れが現れるだけである態様に燃料インゼクタ７が構成されているとき、弁装置８を介して同時に噴射インゼクタへの燃料供給を中断できるのに対して、図４の実施例が関係しているインゼクタ７は、非噴射時に比較的大きな漏れが生じるように構造上設計されている。このため、この実施例では図３による実施例を補足して並列接続において、つまり弁１４に対するバイパス中に、予圧された貯蔵容積または緩衝容積が蓄積ユニット６０に具体化して設けられ、この蓄積ユニットは流量制限弁５０と構造上同様に形成されており、但しそれとは異なり、ハウジング６１の受容室６２内で密封案内された弁ピストン６３を有する。この弁ピストンも軸線方向で流入部６４と流出部６５との間にあり、流入側は弁１４の流入側接続口１５に接続され、流出側は流出側接続口１６に接続されている。弁ピストン６３はやはりばね６６を介してその流入側止め位置に付勢されており、またばね６６の力に抗して、流入側と流出側との間の圧力差に依存してその流出側止め位置へと摺動させることができる。弁ピストン６３を介して遮断される行程容積は弁の流出側接続口１６、もしくは弁１４と噴射インゼクタ７との間にある燃料供給管路１１の区域と結合されているだけである。

弁１４が閉じると、インゼクタ側漏れによって流出損失が生じ、この流出損失は、蓄積要素６０内に貯蔵されかつ圧力を受けた燃料容積によってそれが補償されないとき流出側圧力低下をもたらすであろう。各非噴射段階のとき生じるこの流出損失は、それが許容外に大きいとき、蓄積ユニット６０の容積を介してもはや補償することができない。同様に、弁１４の流入側と流出側との間に圧力差が生じ、この圧力差によって弁が閉鎖保持される。これらの損失が許容限界の内部に留まる場合、蓄積容積は噴射段階のときそれぞれ再び充填される。

図４では補足的に、図３と同様に、弁１４に対する流入側で上流側に流量制限弁５０が設けられており、この流量制限弁は構造および機能が図３のものに一致している。これに関連して前記実施を参照するように指示する。

その蓄積容積を限定され系統圧力に依存して予圧されかつ構造上流量制限弁の態様に形成された蓄積ユニット６０を弁１４との並列接続で個別に配置し、流量制限弁５０を弁１４の上流側に配置することによって、漏れおよび／または流出損失を個別に、従って各感度に合せて検出することが可能となり、好ましい構成であるのではあるが蓄積ユニット６０の流入側接続口６４は流量制限弁５０を介して延設する必要がない。

それが本発明の枠内で好ましい解決ではあるが、そして特別敏感な応答を考慮しても図２の構成が望ましいのではあるが、本発明に係る解決が調節方向で溢流する図２に示す構造様式の弁１４に縛られているのでないことを説明するために、調節方向を横切って溢流可能な滑り弁７０の構造態様の弁１４の解決が図５に示してある。符号７１は調節方向を横切って溢流可能な滑り子であり、溢流方向はやはり矢印３１で示してある。図中、滑り子７１はその遮断位置にあり、調節機構７２はやはり磁気式調節機構として示してある。滑り子７１は破線で示唆した溢流孔７３を備えている。

図示した状況は閉鎖位置に一致しており、流入側と流出側との間に圧力差があるとき滑り子７１はその調節方向を横切って力を付加されており、そのことから滑り子７１にとって、捕捉されるべき横力に一致した摩擦力が滑り子ハウジング７４に対して生じる。滑り子７１とハウジング７４との間のこのような圧力差に起因した支持力は滑り子の調節方向に対する横力として矢印７５で示してある。

前記圧力差から、例えば漏れが過剰のとき、インゼクタがその噴射位置に付着したままとなる等のとき圧力差の大きさに相応してかなりの支持力、従って滑り子７１の変位に対抗して働く摩擦力が帰結することがあるので、これらの摩擦力に相応して状況によってはかなりの調節力も必要である。

相応する調節力提供は、既に述べたように、本発明によれば限定されていることがあり、圧力差が相応に高いとき、滑り子７１を変位させるのに必要な相応する調節力需要はカバーすることができず、その結果、相応する限界値を上回る圧力差のとき滑り子７１がその遮断位置に留まり、従って相応する付加にもかかわらず調節機構７２を介してその開放位置に変位できないことになり、調節力需要に関して、場合によっては閉鎖位置の方向に作用するばね４６の力も克服されねばならないことを考慮しなければならない。

インゼクタの通電時間範囲内に変位するために‐噴射のためのインゼクタの開放と弁１４の開放とを同じ時間範囲内に行うために‐調節機構７２の通電が行われるので、他の制御支出なしに、図２による実施例について同様にあてはまることであるが、ばね４６の代わりにおよび／またはばねを補足して、弁の閉鎖位置の方向に弁を変位させるのに調節機構７２の利用も可能である。

内燃機関とその燃料噴射装置との略図である。 燃料噴射装置の噴射インゼクタに至る高圧源の管路結合部中に設けられる本発明に係る弁を、調節方向に溢流を有する本発明に係る好ましい構成態様の略図で示す。 溢流可能な流量制限弁が弁装置の構成要素として弁の流入側で上流側に設けられた他の略図である。 溢流可能でない流量制限弁に至るバイパス中に、弁の流入側で上流側に、溢流可能な流量制限弁が設けられている弁装置を図３に相応する図で示す。 本発明の枠内で利用可能な弁の他の構造態様を略図で示しており、弁は調節方向を横切って溢流させる。

Claims (19)

1. 内燃機関用燃料噴射装置であって、燃料高圧源と内燃機関のシリンダ燃焼室に向けて噴射する噴射インゼクタと高圧源から噴射インゼクタに至る燃料供給管路中に設けられる弁とを有し、この弁がインゼクタの噴射時間範囲内に調節機構を介して開放に切り換えられており、弁の流出側で故障に起因して圧力降下が現れると弁の弁体が閉鎖位置を占め、かつこの閉鎖位置のとき、弁の弁体（２３）は、弁の流入側と流出側との間に生じた差圧に相応する力によって押圧されているものにおいて、弁体（２３）の開放方向における調節機構（２５）の調節力は、弁（１４）の閉鎖位置において、故障に起因する差圧に依存して弁体が付勢されるとき弁体を開放方向に変位させるのに必要な力よりも小さいことを特徴とする燃料噴射装置。
2. 調節機構（２５）の調節力は、噴射インゼクタ（７）の動作に故障がなくかつ噴射インゼクタ（７）が停止されるとき弁（１４）の弁体（２３）で有効な圧力差に一致した閉鎖力よりも安全閾値だけ大きいことを特徴とする、請求項１記載の燃料噴射装置。
3. 弁体（２３）が閉鎖位置の方向にばねで付勢されていることを特徴とする、請求項１記載の燃料噴射装置。
4. 弁（１４）の弁体（２３）はその開放位置のとき流れに起因した力でその閉鎖位置の方向に付勢されていることを特徴とする、請求項１記載の燃料噴射装置。
5. 開放位置にある弁体（２３）が調節機構（２５）の調節力を介してその閉鎖位置の方向に変位可能であることを特徴とする、請求項１記載の燃料噴射装置。
6. 弁（１４）用調節機構（２５）が電気操作式調節機構として構成されていることを特徴とする、請求項１記載の燃料噴射装置。
7. 弁（１４）用調節機構（２５）が磁気式調節機構として構成されていることを特徴とする、請求項６記載の燃料噴射装置。
8. ハウジング穴（３０）で案内された弁体（２３）が、アーマチャ（３４）として構成される長手領域を有し、この長手領域が、ハウジング側で取り囲むソレノイドコイル（３５）に対する部分的重なり領域にあり、ソレノイドコイル（３５）とアーマチャ（３４）との間の領域（４５）ではハウジングが非磁性材料からなることを特徴とする、請求項７記載の燃料噴射装置。
9. ハウジング穴（３０）が流通方向において座面（３２）となって成端し、アーマチャ（３４）は座面（３２）に付設された弁円錐体（３３）を担持しており、この弁円錐体が非磁性材料からなることを特徴とする、請求項８記載の燃料噴射装置。
10. アーマチャ（３４）が中空柄として構成されていることを特徴とする、請求項８記載の燃料噴射装置。
11. アーマチャ（３４）が中心で流通させ、弁円錐体（３３）が外側で溢流させることを特徴とする、請求項９または１０記載の燃料噴射装置。
12. 燃料インゼクタ（７）と、このインゼクタ（７）に至る燃料供給管路（１１）中に設けられる弁（１４）の調節機構（２５）が、同じ時間範囲内で、通電され、故障のない動作のとき開放に切り換えられていることを特徴とする、請求項１記載の燃料噴射装置。
13. 前記燃料インゼクタ（７）及び前記調節機構（２５）が同時に通電される請求項１２記載の燃料噴射装置。
14. 燃料インゼクタ（７）に通じる側の上流側の弁に、絞り溢流可能な流量制限弁（５０）が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の燃料噴射装置。
15. 漏れのある作動様式に合せて構造上設計された燃料インゼクタ（７）の場合、このインゼクタ（７）の流入側で上流側に設けられた弁（１４）に至るパイパス中に蓄積ユニット（６０）が設けられており、この蓄積ユニットの貯蔵容積が弁（１４）の流出側に向かって開放され、かつ蓄積ユニット（６０）の接続口を介して、弁（１４）に至る流入側へと圧力付加されていることを特徴とする、請求項１記載の燃料噴射装置。
16. 蓄積ユニット（６０）が、密封案内されて蓄積容積を流入側に対して摺動可能に限定する弁ピストン（６３）用の受容室を有することを特徴とする、請求項１５記載の燃料噴射装置。
17. 弁ピストン（６３）が流入側接続口（６４）の方向にばねで付勢され、また反対側の遮断する止め位置の方向に圧力付加されて摺動可能であることを特徴とする、請求項１６記載の燃料噴射装置。
18. 蓄積容積（６０）が安全マージンをもって噴射インゼクタ（７）の最大噴射容積に一致していることを特徴とする、請求項１６または１７記載の燃料噴射装置。
19. 弁（１４）に対する流入側でこの弁と蓄積機構（６０）へのバイパス分岐との上流側に、絞り溢流可能な流量制限弁（５０）が設けられていることを特徴とする、請求項１５記載の燃料噴射装置。

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