JP5059030B2 - 改良制御バルブ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、制御チャンバ内の流体圧力の制御に使用するための制御バルブ装置に関する。詳細には、本発明は、内燃チャンバの燃焼空間への燃料の送出に使用するための燃料インジェクターの一部を形成する制御チャンバ内の流体圧力の制御に使用するための制御バルブ装置に関する。
燃料インジェクターのバルブニードルの座に対する移動を制御し、インジェクターからの燃料の送出を制御するように構成された制御バルブ装置を持つ燃料インジェクターを提供することは周知である。バルブニードルが座から離れる方向に移動することにより、燃料を、インジェクターの送出チャンバから、インジェクターの出口を通してエンジンのシリンダ又は他の燃焼空間に流入できる。
制御バルブ装置は、高圧燃料を制御チャンバに流入させることができる第1位置と、制御チャンバが低圧燃料ドレン等の低圧燃料リザーバと連通した第2位置との間で移動自在の制御バルブ部材を含む。バルブニードルと関連した表面は制御チャンバ内の燃料圧力に露呈されており、制御チャンバ内の燃料の圧力がバルブニードルに力を加え、バルブニードルをその座に押し付ける。
噴射を開始するため、バルブ装置を作動して制御バルブ部材を第2位置に移動することによって、制御チャンバ内の燃料圧力を低下する。従って、バルブニードルをその座に押し付ける力が低下し、送出チャンバ内の燃料圧力によりバルブニードルをその座から持ち上げ、インジェクターの出口を通して燃料を流すことができる。噴射を終了するため、バルブ装置を作動して制御バルブ部材を第1位置に移動することにより、高圧燃料を制御チャンバに流入させることができる。従って、制御チャンバ内の燃料圧力によりバルブニードルに作用する力が上昇し、これによりバルブニードルをその座に押し付け、噴射を終了する。
インジェクターの性能を最適にするため、噴射量を制御下で増大するようにインジェクターのバルブニードルのリフト速度を制御するのが望ましい。しかしながら、噴射を急速に停止することもまた望ましい。
このような非対称制御は、制御バルブ装置に制流通路を設け、高圧燃料源と制御チャンバとの間の燃料の流量を制限することによって行われる。しかしながら、この種の制御バルブ装置では、燃料が弁座を通って流れるため、液圧力が非対称に発生する。これらの不均衡な力が制御バルブ部材に作用し、制御バルブ部材を第1非噴射位置と第2噴射位置との間で「ストール」させてしまう場合がある。これは、インジェクターの性能に有害な影響を及ぼす。しかしながら、この制流通路を使用することにより、制御チャンバの加圧速度を低下し、従って、インジェクターのバルブニードルをニードル座に押し付ける速度を低下し、噴射を終了する。更に、制御チャンバの減圧が急速に発生し、これによりニードルのリフトが比較的急速になる。こうした特徴は、最適のインジェクター性能を提供するものとは考えられない。
欧州特許第EP1604104A号には、非対称制御を行う制流通路装置が記載されている。制流通路は、第1位置から第2位置までの制御バルブ部材の移行中に制御チャンバから低圧ドレンまでの燃料の流量を制限するため、制御バルブ装置に設けられている。この装置により、制御チャンバ内の圧力の上昇が緩慢になり、及び従って、インジェクターのバルブニードルがニードル座から持ち上がって離れる速度が低下する。これと同時に、噴射を迅速に終了する利点が得られる。これは、噴射を終了するための流量が、制流通路装置によって妨げられないためである。従って、バルブの移動は、その開放移動速度と閉鎖移動速度との間で非対称である。従って、この制御バルブ装置は、噴射速度の制御された増大に対して移動の減衰を提供する。制御バルブ装置は、更に、第1及び第2の位置の両方で圧力の均衡をとる。
欧州特許第EP1604104A号に開示の制御バルブ装置の一つは、制御バルブ部材の外面と制御バルブ部材が内部で移動するボアの内面との間に制流通路を有する。説明した様々な制御バルブ装置のうち、この実施例が最も簡単であり且つ製造が安価である。これは、制流通路を形成するスリーブやバランスピストン等の、制御バルブ部材を通した追加のドリル穴もハウジングのボアの挿入体のいずれも備えていないためである。しかしながらこの制御バルブ装置と関連した一つの問題点は、上文中に説明したように、第1及び第2の位置間の移行中に不均衡な力が加わり、その結果、性能が低下するということである。弁座の幅を大きくすると、不均衡な力は更に顕著になり、制御バルブ装置の性能を低下し、これに対し弁座の幅の小さくすると、耐久性が低下するということがわかっている。
英国特許第GB2041170A号は、低圧燃料ドレンに繋がる通路に制流部を持つバルブ部材を含む制御バルブ装置を使用することを教示している。しかしながら、制御バルブ装置のスリーブバルブはポートを二つしか備えておらず、制御バルブ装置が第1位置にあるとき、噴射ポンプと連通し、制御バルブが第2位置にあるとき、低圧ドレンと連通する。
欧州特許第EP1604104A号 英国特許第GB2041170A号
本発明の目的は、燃料インジェクターで使用するのに適した、製造が比較的容易であり、第1及び第2の位置間の移行時の特性を改善できる制御バルブ装置を提供することである。
本発明の第1の特徴によれば、制御チャンバ内の燃料圧力を制御するのに使用するための制御バルブ装置において、i)制御チャンバが高圧燃料源と連通した第1位置と、制御チャンバが低圧燃料ドレンと連通し、制御チャンバと高圧燃料源との間の連通を断つ第2位置との間で移動自在の制御バルブ部材と、制御バルブ部材が第1位置と第2位置との間で移行状態にある場合に、第1制流手段の上流に第1圧力を維持するように構成された第1制流手段と、第1制流手段の下流に配置された第2制流手段であって、該第2制流手段の上流に第2圧力を維持するように構成された第2制流手段とを含み、第2制流手段は、第1位置と第2位置との間で移行状態にある場合、第1圧力によって制御バルブ部材に及ぼされる正味力が、第2圧力によって制御バルブ部材に及ぼされる正味力と均衡するように第1制流手段に対して寸法及び位置が定められている、制御バルブ装置が提供される。

制御バルブは燃料インジェクターに特定の用途があり、噴射を制御する目的で、制御チャンバ内の燃料圧力を、インジェクターバルブニードルと関連して制御し、バルブニードル座に向かう及びこれから遠ざかるニードルの移動を制御するように構成されていてもよい。
第1制流手段の上流に維持された第1圧力によって制御バルブ部材に及ぼされた力と、第2制流手段の上流に維持された第2圧力によって制御バルブ部材に及ぼされた力とを均衡することによって、制御バルブ装置の性能が低下しないようにするという利点が得られる。
第1制流手段は第1有効流れ断面積を有してもよい。第2制流手段は第2有効流れ断面積を有してもよい。第1有効流れ断面積は、第2有効流れ断面積よりも小さくてもよい。有利には、第1制流手段は、第2制流手段よりも制限がかなり大きい。
制御バルブ部材は、第1位置にあるときに第1座と係合してもよく、第2位置にあるときに第2座と係合してもよい。第2座は、バルブハウジングに設けられたボアの表面によって形成されていてもよく、ボア内で制御バルブ部材が移動自在である。制御バルブ部材は外面を備えていてもよい。外面は、円筒形であってもよい。本発明の別の利点は、弁座の幅が大きくなるに従って制御バルブ装置の耐久性が向上するということである。弁座は、制御バルブ部材が第2位置にあるときに係合する。
好ましくは、制御バルブ部材の主面は、第1直径を形成する表面であり、主面は、周囲に亘ってボアの表面と摺動自在に接触する。ボアの表面及び主面は、直径がほぼ同じであってもよい。主面と第2座との間のボアの第2領域の表面は、第2直径を形成してもよい。第1直径は第2直径と実質的に等しくてもよい。有利には、制御バルブ部材が第2位置にある場合に制御バルブ部材に加わる不均等な力は顕著でなく、そのため、制御バルブ部材に及ぼされる力は実質的に均衡している。
第1座の直径は第3直径を形成してもよい。第3直径は第1直径と実質的に等しくてもよい。第1座は、制御バルブ装置を低圧ドレンと連通するポートを形成する穴の周囲に位置決めされていてもよい。有利には、制御バルブ部材に作用する力は、制御バルブ部材が第1位置にある場合には均衡している。
制御バルブ部材の外面は第4直径を形成してもよい。好ましくは、第4直径は第1直径よりも大きい。
外面は、制流手段を少なくとも部分的に形成する。例えば、外面は、バルブハウジングの対応する表面とともに、第1制流手段を形成する。
好ましくは、外面での制御バルブ部材の断面積と主面での制御バルブ部材の断面積との間の差を有効面積差(effective differential area) と呼ぶ。有効面積差は、円筒形外面のところでの制御バルブ部材の断面積と比例してもよい。
第3圧力は、制御チャンバ内の燃料によって及ぼされる圧力であってもよい。好ましくは、第1位置と第2位置との間で移行状態にある場合、外面での制御バルブ部材の断面積は、第2圧力の第3圧力に対する比に比例する。第1圧力は、第3圧力と実質的に等しくてもよい。更に、外面のところでの有効面積差の制御バルブ部材の断面積に対する比は、第2圧力と第3圧力との比に等しくてもよい。
好ましくは、有効面積比の、外面での制御バルブ部材の断面積に対する比が面積比である。第2制流手段の有効流れ断面積は、実質的に、面積比の平方根で除した第1制流手段の有効流れ断面積である。有利には、第1位置から第2位置までの移行時に制御バルブ部材に及ぼされる力を均衡させるのに必要な第2制流手段の大きさは、制御バルブ装置の周知の寸法に対して決定できる。
第1制流手段は、制御バルブ部材の外面及びバルブハウジングのボアの表面が形成する制流通路を含んでいてもよい。有利には、制流通路を軸線方向下方に通る制御下での燃料の漏洩は、ボア及び制御バルブ部材の表面間の隙間で決まる。制御バルブ部材は、更に、制御バルブ部材の外面に設けられた制御平坦部によって制流通路を少なくとも部分的に形成するように賦形されていてもよい。その代りに、制流通路を、制御バルブ部材の外面に形成した制御平坦部のみによって形成してもよい。別の変形例では、制流通路は、バルブハウジングの別のドリル穴によって形成されてもよい。
第1制流手段は、第1座と第2座との間に配置されていてもよい。第1制流手段は、第1座の上流に、及び第2座の下流に配置されていてもよい。
第2制流手段は、低圧燃料ドレンに繋がる通路のオリフィスであってもよい。好ましくは、通路はハウジングに形成されており、ハウジングのドリル穴がオリフィスを形成する。
好ましくは、第1制流手段は、制御チャンバから低圧ドレンに流出する燃料の流量が、制御チャンバに流入する燃料の流量に比べて少なく、これによってバルブニードルの作動を対称に制御するように構成されている。
好ましくは、第1制流手段は、更に、制御バルブ部材が第2位置と第1位置との間で移動しているとき、高圧燃料源から低圧ドレンへの燃料の流量を制限するように作動でき、これによって高圧燃料の低圧に対する損失を減少する。有利には、高圧燃料の無駄が少なくなる。
本発明の第2の特徴では、燃料を内燃エンジンに送出するのに使用するための燃料インジェクターにおいて、出口開口部を通した燃料の送出を制御するため、使用時にバルブニードル座と係合できるバルブニードルと、制御チャンバ内の燃料圧力に露呈された、バルブニードルと関連した表面と、制御チャンバ内の燃料圧力を制御するための、本発明の第1の特徴による制御バルブ装置とを含む、燃料インジェクターが提供される。
本発明の第3の特徴では、本発明の第2の特徴による燃料インジェクターを含む、内燃エンジン用燃料インジェクターシステムが提供される。
本発明の第1の特徴の好ましい及び/又は随意の特徴を、本発明の他の特徴に組み込んでもよいということは理解されよう。
上及び下という用語、及びこのような方向に関する同様の用語は、説明の範囲を限定しようとするものではない。これらの用語は、添付図面に示す制御バルブ装置の様々な特徴の関係及び相対的な位置を、制御バルブ装置を通る燃料の流れ方向に対して示すのに使用したものである。
ドリル穴やボアといった用語は、相互に入れ替えて使用してもよく、チャンネルや通路等を含む任意の他の同様の用語を含もうとするものであって、必ずしもドリル穿孔やボーリングによって形成されてものでなくてもよく、型成形又は他の成形技術によって形成されたものであってもよい。
本発明を添付図面を参照して例として説明する。
図1を参照すると、燃料をエンジンシリンダ又は内燃エンジンの他の燃焼空間に送出するのに使用するための燃料インジェクターは、ニードル本体14に設けられた第1ボア12内で摺動自在のバルブニードル10を含む。バルブニードル10は、ノズル本体14に設けられた一組の出口開口部18を通した燃料の送出を制御するように、第1ボア12が形成するバルブニードル座16と係合できる。ボア12は、使用時に高圧供給通路22を通して高圧燃料が送出される環状チャンバ20をノズル本体14内に形成するように賦形されている。環状チャンバ20に送出された燃料は、バルブニードル10の表面に設けられた平坦部、溝、又は段部24を通って、バルブニードル10と第1ボア12との間に形成された送出チャンバ26に流入できる。高圧通路は、コモンレール又はポンプチャンバ(図示せず)等の高圧燃料源から燃料を受け取る。
出口開口部18から遠方のバルブニードル10の端部のところで、バルブニードル10の端面10aは制御チャンバ30内の燃料圧力に露呈されている。制御チャンバ30内の燃料圧力がバルブニードル10に力を加える。この力は、バルブニードル10をバルブニードル座16に押し付け、燃料が出口開口部18を通って噴射されないようにする。使用に当たっては、高圧供給通路22を通って環状チャンバ20に、及び従って、送出チャンバ26に供給された高圧燃料により、バルブニードル10のスラスト面10b、10cに力が加わる。この力は、バルブニードル10をバルブニードル座16から遠ざかる方向に押圧するのに役立つ。制御チャンバ30内の燃料圧力が大幅に低下した場合には、送出チャンバ26内の燃料圧力によりスラスト面10b、10cに作用する力は、バルブニードル10の端面10aに作用する力に打ち勝つのに十分であり、バルブニードル10がバルブニードル座16持ち上げられて離され、燃料の噴射を開始する。かくして、制御チャンバ30内の燃料圧力を制御することによって、燃料噴射の開始及び終了を制御できる。
制御チャンバ30内の燃料の圧力は、図2に示す制御バルブ装置によって制御してもよい。この制御バルブ装置は、バルブハウジング36内に形成された第2ボア34内で摺動自在の制御バルブ部材32を含む。バルブハウジング36は、制御チャンバ30の少なくとも一部を形成する別のハウジング40と衝合している。別のハウジング40には、低圧燃料リザーバ又はドレンと連通した燃料通路42を形成するドリル穴が設けられている。別のハウジング40の端面は第1座38を形成する。この第1座38は、制御バルブ部材32が第1位置に移動したとき、この制御バルブ32の端部と係合する。第1座38の表面に設けられた穴はポートを形成し、このポートを通って燃料が流れ通路42に流入する。
第2ボア34は、第2座44を形成するように賦形されており、制御バルブ部材32の表面が第2座44と係合できる係合領域33を形成するように賦形されている。制御バルブ部材32が第2位置に移動すると、係合領域33が第2座44と係合する。制御バルブ部材32には、第1座38と第2座44との間に配置された、円筒形外面52(外面)を持つ下部分50が設けられている。バルブハウジング36の第2ボア34の第1座38と第2座44との間の一部は、内部円筒形表面54を形成する。制御バルブ部材32の円筒形外面52及び第2ボア34の円筒形内面54は、互いに、第1制流手段を形成する。この制流手段は、第1座38と第2座44との間の制流通路55の形体をなしている。第2ボア34の一領域が制流通路55を部分的に形成し、制流通路55から第2ボア34がハウジング40と出会う場所まで第2ボア34の端部の表面を形成するということに着目すべきである。第2ボア34のこの領域は、第1座38と直径が同じである。制御チャンバ30は、ハウジング36、40に設けられた延長通路58を介して、第2ボア34に形成された環状ギャラリー56と連通している。
従来、制御バルブ部材32は、ばねによって、従来の方法で押圧されており、第1座38と係合する。アクチュエータ装置(図示せず)を作動することにより、制御バルブ部材32を、ばねの力に抗して、第1位置における第1座38から遠ざかる方向に、第2位置における第2座44まで移動できる。アクチュエータ装置は、電磁アクチュエータ装置又は圧電アクチュエータ装置である。
第2ボア34は、制御バルブ部材32を取り囲む環状チャンバ68を形成するように賦形されている。環状チャンバ68は、第1壁即ち下壁66及び第2壁即ち上壁70を有する。第1壁66及び第2壁70は互いに向き合っている。第1壁即ち下壁66には第1穴78が形成されており、第2壁即ち上壁70には第2穴80が形成されている。
燃料を高圧燃料源から供給する高圧供給通路22は、様々なハウジング部品(例えば図1の14、図2の40)にドリル加工によって形成されている。高圧供給通路22は、バルブハウジング36に形成された中間流れ通路46によって環状チャンバ68と連通している。
使用では、制御バルブ部材32がその第1位置にあり、制御バルブ部材32の端部が第1座38と係合した状態で、高圧燃料を、高圧供給通路22から中間流れ通路46を通して、第2座44を通過して、制御チャンバ30に流入できる。このような場合には、制御チャンバ30内の燃料圧力は比較的高く、そのためバルブニードル10がバルブニードル座16に押し付けられる。かくして、出口開口部18を通る燃料噴射は生じない。制御バルブ部材32は、この制御バルブ部材32が第1座38に着座したとき、燃料を、中間流れ通路46を通して、第2座44を通過して制御チャンバ30に流入するための比較的大径の流路が存在するように形成されている。
制御バルブ部材32をアクチュエータ装置によって第2位置に移動し、制御バルブ部材32を第2座44と係合させ、第1座38から離間したとき、高圧供給通路22内の燃料は、もはや、第2座44を通って流れることができない。その代わり、制御チャンバ30が低圧ドレンと連通し、高圧燃料は、延長通路58を通ってギャラリー56に流入し、制流通路55及び流れ通路42を通って低圧ドレンに流入する。バルブニードルのスラスト面10b、10cに作用する送出チャンバ26内の燃料圧力の力により、制御チャンバ30内の圧力が、バルブニードル10をバルブニードル座16から遠ざけることができるのに十分に解放される点に達したとき、燃料圧力の力は、バルブニードル10の端面10aに作用する低下した閉鎖力に打ち勝つのに十分である。バルブニードルのリフト中に制流通路55を通る燃料の流れを制限することにより、制御チャンバ30内の圧力をゆっくりと低下させ、これによりバルブニードル10をゆっくりと開放する。
アクチュエータ装置によって制御バルブ部材32を、第1座38と係合した状態に戻したとき、制御チャンバ30内の燃料の圧力が急速に上昇する(制御チャンバ30内への高圧燃料の流れは制限されず、制御バルブ部材32が第1座38と係合することにより、燃料は制流通路55を通過しない)。制御チャンバ30内の圧力の上昇により、インジェクターのバルブニードルをその座に押し付け、これにより噴射を迅速に終了する。
第1位置から第2位置への移行時の低圧ドレンへの高圧燃料の流量は、制流通路55を通る流量で決まるが、同じ装置により噴射が急速に終了される。従って、バルブニードルは、その開放速度及び閉鎖速度における移動が非対称である。これは、望ましい特徴である。
ニードルリフトの値が小さい場合(即ち制御バルブ部材32が第1座38のところにあるか或いはその近くにある場合)及びニードルリフトの値が大きい場合(即ち、制御バルブ部材32が第2座44のところにあるか或いはその近くにある場合)、制御バルブ部材32に作用する液圧力は実質的に均衡している。第1位置から第2位置への移行時のニードルリフトの中間値について、制御バルブ部材32がその第1座38とその第2座44との間で移動しているため、制御バルブ部材32に作用する力の不均衡が生じる。力の不均衡は、制御チャンバ30からの燃料の流れによる制御チャンバ圧力Pcが比較的高い場合この制御チャンバ圧力即ち第1圧力Pcが制御バルブ部材32に作用することにより生じる。制御バルブ部材32に作用する力の不均衡が流れで決まるため、制御バルブ部材32の移動は、第2座44に近づくに従ってゆっくりになる。逆に、制御バルブ部材32が第1位置に戻るに従って第1座38に近づき、噴射を停止するとき、制御バルブ部材32の移動速度が上昇する。
更に、図2に示すこの制御バルブ装置では、制流通路は、高圧燃料源から低圧ドレンへの燃料の流量を制限するように作動できるように構成されており、そのため、制御バルブ部材32が第2位置と第1位置との間で移動するとき、高圧燃料が低圧ドレンに失われる量が最少になる。
図3を参照すると、改良制御バルブ装置は、図2の制御バルブ装置と同じ特徴を有し、等価の特徴には同じ参照番号が付してある。図3では、特徴の寸法は、所望の実施例の特徴とぴったりと同じであるように選択してある。第2ボア34内での制御バルブ部材32の移動の最大の程度は、図3に縮尺通りに示すには小さ過ぎるということに着目されたい。制流通路55の特徴、及び制御バルブ部材32と第2チャンバ34との間の第1座38及び第2座44のところでの間隔もまた、図3に縮尺通りに示すには小さ過ぎる。図3の制御バルブ装置は、更に、細いドリル穴又はオリフィス74の形態の第2制流手段を含む。これは、ハウジング40の流れ通路42を含む。細いドリル穴74は、使用時に、理想的なオリフィスとして挙動するものと仮定する。細いドリル穴74は、オリフィス圧力Poとして周知の第2圧力を、燃料の流れで細いドリル穴74の上流に維持するのに役立つ。これによって、流れ通路42を通る燃料の流れを制限する。オリフィス圧力Poを第1座38と係合できる制御バルブ部材32の端部分の表面に亘って加え、これによって制御バルブ部材32に力を加え、この力が、図2に示す制御バルブ部材32に作用する力の不均衡に対抗する作用を加えて均衡させる。更に、制流手段55の領域の第2ボア34の直径は、第1座38の直径よりも大きい(図4参照)。
第2ボア34には、図3に示す多くの領域がある。制御バルブ部材32は多くの領域を有し、各領域は、第2ボア34の領域のうちの一つと対応する。第2ボア34の第1領域60は、第1座38と隣接した第2ボア34の表面と、第2座44の表面との間に形成される。図4は、第1領域60の特徴を詳細に示す。第2ボア34の第2領域62は、第2座44と環状チャンバ68の第1下壁66との間の第2ボア34の表面によって形成される。第2ボア34の第3領域64は、第1下壁66の第1穴78と第2壁即ち上壁70の第2穴80との間に形成される。第2ボア34の第4領域72は、第2壁即ち上壁70の第2穴80の下境界のところに形成される。
図4には、制御バルブ部装置を、係合領域33が第2座44と係合した第2位置で示す。制流通路55は、制御バルブ部材32の円筒形外面52の平坦部によって形成される。下部分50のベースには、制御バルブ部材32の円筒形外面52よりも小径のアンダーカット57が設けられている。アンダーカット57の下には、下面を持つ細い円筒形エレメント59が設けられている。この下面は、制御バルブ部材32の端部を形成する縁部を有する。制御バルブ部材32の端部は第1座38と協働し、シールを形成する。制流通路55、及び細い円筒形エレメント59と第1座38と細い円筒形エレメント59と隣接した第2ボア34の円筒形の内面54との間の隙間が図4に概略に示してある。これらは、縮尺通りには示してない。
図3を再度参照すると、第4領域72での第2ボア34の直径及び制御バルブ部材32の対応する領域の外面(主面として周知である)が形成する直径は実質的に同じであり、そのため部分32と34との間(即ち、第4領域72における、第2ボア34と制御バルブ部材32との間)にぴったりとした滑り嵌めを形成する。これらの二つの部分32、34の表面は、かくして、周囲に亘って摺動自在に接触している。制御バルブ部材32の主面によって形成された、この領域での制御バルブ部材32の直径は第1直径D1であり、断面積はA1である。
第2領域62における第2ボア34の表面は、第2直径D2を形成し、断面積はA2である。高圧流路76が第2領域62の第2ボア34の表面と制御バルブ部材32の対応する領域の表面との間に形成される。
第2ボア34の第1領域60の下境界の第1座38は第3直径D3及び断面積A3を有する。第1座38の直径D3は、第2ボア34の円筒形内面54の直径よりも小さい。第1直径D1、第2直径D2、及び第3直径D3は、全て、実質的に等しい。
第2ボア34の第1領域60と対応する制御バルブ部材32の領域での、制御バルブ部材32の円筒形外面52の直径は第4直径D4であり、断面積はA4である。制流通路55が形成されるのは第2ボア34のこの領域である。第4直径D4は、第3直径D3よりも大きく、更に、第1直径D1よりも大きい。細い円筒形エレメント59の直径はD3に等しい。これは、細い円筒形エレメント59の直径が、第1座38と同じ直径を持つように第1座38を形成することによって定められるためである。更に、制御バルブ部材32の係合領域33は、第2座44と係合してこれと協働し、シールを形成するように形成されている。
制御バルブ部材32の係合領域33は、第5直径D5及び断面積A5を有する。第5直径D5は第2ボア34の第2直径D2よりも大きい。
使用では、制御バルブ部材32が第1位置にあるとき、制御バルブ部材32は第1座38と係合状態にあり且つ第2座44から間隔が隔てられており、低圧ドレンに繋がる流れ通路42が閉鎖されている。高圧供給通路22内の高圧燃料は、高圧流路76、第2座44、ギャラリー56、及び制御チャンバ30と連通している。制御バルブ部材32に及ぼされた全ての大きな力は均衡する。これは、前記大きな圧力に露呈された、制御バルブ部材32の全ての関連した断面積A1及びA3が等しいためである。
制御バルブ部材32が第2位置にあるとき、制御バルブ部材32は第1座38から間隔が隔てられており、第2座44と係合している。制御チャンバ30内の燃料は、もはや、高圧供給通路22と連通していない。しかし、制御チャンバ30内の燃料は、第1座38のいずれかの側の制御バルブアッセンブリの特徴と連通している。これらの特徴には、ギャラリー56、制流通路55、流路42、細いドリル穴74、及び低圧ドレンが含まれる。この位置では、制御チャンバ30内の高圧は、ドレンとの連通により経時的に解放されるが、制流通路55(制流部55としても周知である)は、制流部55の上流に高圧を維持するのに役立ち、細いドリル穴74(ドリル穴74としても周知である)は、ドリル穴74の上流にオリフィス圧力Poを維持するのに役立つ。
バルブ部材32が第2位置にあるとき、環状チャンバ68内の高圧燃料は、環状チャンバ68の壁及び環状チャンバ68内の制御バルブ部材32の表面82にだけ露呈される。この表面82は、第1及び第2の有効面84、86を含む。制御部材32のこれらの有効面84、86は互いに向き合っており、高圧燃料が適用される有効断面積が同じである。従って、高圧燃料が有効面84、86の各々に加える有効力は、等しいが方向が逆である。その結果、及び制御バルブ部材32が第2位置にあるとき、制御バルブ部材32のこの他の全ての関連した領域に慣用圧力(trivial pressure)だけが加わるため、制御バルブ部材32に作用する全ての大きな力が均衡する。
制御バルブ部材32の第1位置から第2位置への移行中、環状チャンバ68内の高圧燃料は、開放した第2座44、ギャラリー56、制御チャンバ30、及び制流通路55と連通している。制流通路55内の燃料は、流れ通路42、細いドリル穴74、及びドレンと連通しているが低圧である。これは、制流通路55が、その上流に高圧を背圧として維持するためである。高圧燃料は、制御バルブ部材32の表面の、第2ボア34の第1領域60と対応する制御バルブ部材32の領域に作用する。その領域では、制御バルブ部材32の最大直径はD4である。
第2位置から第1位置への制御バルブ部材32の移行中、環状チャンバ68内の高圧燃料は、開放状態の第2座44、ギャラリー56、制御チャンバ30、及び制流通路55と連通している。しかしながら、第2座44が開放されているとき、ギャラリー56及び制御チャンバ30内の圧力は、環状チャンバ68内の高圧燃料の圧力よりも低い。これは、流れ通路55とドレンとの連通により予め解放されるためである。第2座44の開放直後、制御チャンバ30内の圧力は、環状チャンバ68内の高圧燃料の圧力と実質的に等しい圧力まで上昇する。制流通路55内の燃料は、流れ通路42及び細いドリル穴74と連通している。流れ通路42及び細いドリル穴74では燃料は低圧であり、そのため、第2座44の開放時に制御チャンバ30及びギャラリー56内の燃料圧力程迅速には上昇しない。燃料通路42での圧力上昇は、余り迅速でない。これは、制流通路55が圧力を背圧として制流通路55の上流に保持するためである。第2ボア34の第1領域60と対応する、制御バルブ部材32の最大直径がD4の、制御バルブ部材32の領域の表面に高圧が作用する。
制流通路55の上流の制御バルブ部材32の表面に及ぼされた圧力が、制御バルブ部材32に有効力(即ち正味力)を加える。有効力の方向は、軸線方向移動方向(即ち、第1位置又は第2位置に向かう)に関する制御バルブ部材32の有効断面積差の成分の方向によって決定される。断面積差(面積差)は、第2ボア34の第4領域72(ここでは、制御バルブ部材32の直径はD1である)と対応する領域での制御バルブ部材32の断面積A1と、制流通路55(制御バルブ部材32の最大直径がD4である)の上流の、第2ボア34の第1領域60での制御バルブ部材32の円筒形外面52の断面積A4との間の面積の差ADである。
Figure 0005059030
かくして、制御バルブ部材32が第1位置と第2位置との間の移行状態にある移動の任意の時点で、制御チャンバ圧力によって制御バルブ部材に加えられた有効力は、第1直径D1及び第4直径D4のところでの制御バルブ部材32の断面積の差による。他の所定の直径、例えば第1座38の第3直径D3は、上文中に説明した装置の機能を容易にするため、第1直径D1とほぼ等しく、第2直径D2及び第5直径D5は、制御バルブ部材32と第2ボア34との間に第2座44を提供するということに着目されるべきである。
第2バルブ部材32が第1位置から第2位置への移行状態にある場合、面積差ADに加わる圧力は、制御チャンバ圧力Pcとほぼ等しい。第2位置に向かう移行中に亘り、制御チャンバ圧力Pcは、第2位置に達するまで、環状チャンバ68内の高圧燃料の圧力と同じである。面積差ADが高圧燃料の圧力に露呈されている場合でも、有効力が制御バルブ部材32に加わり、制御バルブ部材32の関連した断面積に及ぼされるこれらの力は均衡する。制御バルブ部材32に及ぼされる力のこの均衡は、オリフィス圧力Poが制御バルブ部材32に加わることにより、制御バルブ部材32に力が及ぼされることによって達成される。即ち、細いドリル穴74が提供する制限により、オリフィス圧力Poが制御バルブ装置を通る燃料流中でドリル穴74の上流に維持される。かくして、オリフィス圧力Poは第1座38の近くの制御バルブ部材32の端部の露呈面に亘って及ぼされる。制御バルブ部材32の露呈面は、直径がD3の細い円筒形エレメント59の表面、及び直径がD4の下部分50の露呈された下面を含む。かくして、オリフィス圧力Poが加わる制御バルブ部材32の有効断面積は、面積A4である。
逆に、制御バルブ部材32が第2位置から第1位置への移行状態にある場合、制御チャンバ圧力Pcが急速に上昇し、次いで実質的に中間流れ通路46内の高圧燃料の圧力に維持される。面積差ADが制御チャンバ30内の圧力と実質的に同じ圧力に露呈され、有効力が制御バルブ部材32に加わっても、制御バルブ部材32の関連した断面積に及ぼされる力は均衡している(第1位置から第2位置への移行状態にある場合と同様に)。
図2に示す装置等の周知の装置について、制御バルブ部材32が第1位置と第2位置との間で移行状態にある場合、制御チャンバ内の燃料の高圧が面積差ADに加わることによって制御バルブ部材32に不均衡な力が及ぼされ、これにより性能の低下が生じる。本装置ではこの性能の低下が生じない。これは、細いドリル穴74の上流に及ぼされた、制御バルブ部材32の端部に作用する圧力Poにより制御バルブ部材32に及ぼされた力Foが、面積差ADに及ぼされた力FDと実質的に相殺し、制御バルブ部材32に加わる不均衡な力を大幅に小さくするためである。
本発明により、この他の利点が得られる。これは、第2弁座44の幅を大きくすると、不均衡な力が更に大きくなり、制御バルブ部材32に加わる力を均衡させ、これにより制御バルブ装置の性能を、幅が比較的大きい第2弁座44について向上できるためである。これは、第2座44の幅を増大すると、制御バルブ装置の耐久性が向上するため、特に有利である。
制御バルブ部材32に作用する力を実質的に均衡させるため、制御バルブ部材32の円筒形外面52の面積A4に亘ってオリフィス圧力Poによって制御バルブ部材32に及ぼされた力Foは、従って、面積差ADに亘って制御チャンバ圧力Pcによって制御バルブ部材32に及ぼされた力FDと実質的に同じでなければならない。
Figure 0005059030
従って、
Figure 0005059030
Figure 0005059030
かくして、オリフィス圧力Poと制御チャンバ圧力Pcとの間の所与の比について、面積差ADは、制御バルブ部材32の円筒形外面52の断面積A4と比例する。周知の面積差ADについて、断面積A4は、制御チャンバ圧力Pcのオリフィス圧力Poに対する比と比例する。勿論、第1位置と第2位置との間の移行時に、制御バルブ部材32に均衡した力が作用した状態で、燃料が、それでも、制流通路55を通過し、第1座38を通過し、次いでドレンに繋がる流れ通路42及び細いドリル穴74を通過する。更に、細いドリル穴74を通る燃料の流量即ち制御された漏洩は、制流通路55を通る燃料の流れと同じでなければならない。制流通路55を通る燃料流の有効流れ断面積AC1(第1有効断面積)の、細いドリル穴74を通る燃料流の有効流れ断面積AO(第2有効流れ断面積)に対する相対的な大きさは、以下の式から算出できる。
Figure 0005059030
これは、制御バルブ部材32の円筒形外面52の断面積A4、及び制御バルブ部材の主表面の断面積A1を知ることにより算出できる。面積差ADの制御バルブ部材32の断面積A4に対する比を面積比と呼ぶ。
制流通路55及び細いドリル穴74を通る燃料流の有効流れ断面積間の上述の関係は、制流通路55を通る燃料流に対する制御された漏洩の抵抗が、細いドリル穴74を通る燃料流に対する抵抗よりも大きいと仮定したものである。即ち、細いドリル穴74を通る燃料流の方向に対して垂直な有効流れ断面積は、制流通路55を通る燃料流の方向に対して垂直な有効流れ断面積よりも大きいと仮定したものである。更に、制流通路55は、理想的オリフィスとして作用するものと仮定する。制流通路55、及び細いドリル穴74が理想的オリフィスとして作用しない場合(例えば燃料の粘性のため)には、好ましくは、オリフィスの大きさを変化させることによって、制御バルブ装置に対してオフセットを行ってもよい。更に、制流通路55がその上流に維持する圧力は、細いドリル穴74がその上流に維持する圧力よりも少なくとも一桁大きいものと仮定される。
僅かな変更として(図示せず)、制御バルブ部材32の外面には、ニードルリフト中に制御チャンバと低圧ドレンとの間に燃料用制流通路55を全体として又は部分的に形成するため、平坦部、スロット、又は溝が設けられていてもよい。別の態様では、制流通路55は、ギャラリー56を、第1座38と係合できる制御部材32の端部と第1座38を形成する表面との間の隙間に全体として又は部分的に連結する別のドリル穴によって形成される。
別の変形例(図示せず)では、挿入体が制流通路55を全体として又は部分的に形成する。挿入体の表面は、バルブハウジング36の第2ボア34内に配置されて第1座38を形成してもよい。第2ボア34の第1領域60と隣接した制御バルブ部材32の表面は、第1座38と係合するように形成されていてもよい。更に、制御バルブ部材32に設けられたオリフィスは、制流通路55を全体として又は部分的に形成してもよい。このオリフィスは、ドリル穴であってもよい。
図1乃至図4に示す上述の実施例では、制流通路55は、第1座38に関し、制御バルブ装置を通る燃料流の方向で上流に配置されている。ここに説明した制御バルブ装置の変形例では、制流通路は、第1座38と低圧ドレンとの間の燃料流の方向で第1座38の下流に配置されていてもよい。このような制御バルブ装置では、第2制流手段が、制流通路55の下流に、好ましくは低圧ドレンに繋がる流れ通路42の細いドリル穴74として配置されていてもよい。
別の変形例では、制御バルブ装置は、制流通路55によって維持された圧力又は細いドリル穴74によって維持された圧力のいずれも、制御チャンバ内の燃料圧力とは大きく異なるように構成されている。例えば、制流通路55によって維持された圧力は、高圧供給通路22内の燃料圧力と実質的に同じであるが、制御チャンバ圧力とは異なる。
別の変形例では、制御バルブ部材32は、第1位置と第2位置との間を移動するとき、その移動方向を変更できるように形成されている。第1位置から第2位置に向かって移動するとき、例えば、制御バルブ部材を作動して方向を変え、第2位置に達することなく、第1位置に向かって戻るようにできる。
別の変形例では、制御バルブ装置は、制御チャンバ30内の燃料圧力に応じて作動できるバイパス流路装置を制御チャンバ30内に追加に含む。バイパス流路装置には、制御オリフィスが貫通したプレートバルブ部材を含むプレートバルブ装置が設けられている。制御チャンバ30の壁は、プレートバルブ座を形成してもよい。かくして、プレートバルブ部材は、プレートバルブ部材がプレートバルブ座と係合しているとき、制御チャンバ30からの燃料の流れが制御オリフィスを通過するように、制御チャンバ30内の燃料圧力によって、プレートバルブ座に対して移動できる。更に、制御チャンバ30は、プレートバルブ部材の周囲にバイパス流通路を形成するように賦形されていてもよく、これによって、プレートバルブ部材がプレートバルブ座から遠ざかる方向に押圧されているとき、実質的に制限されていない燃料の流れが制御チャンバ30に進入できる。制御チャンバ内のバイパス流装置の特徴の更に詳細な説明は、欧州特許第EP1604104A号に記載されている。
図1は、本発明の制御バルブ装置が設けられた燃料インジェクターの噴射ノズルの部分断面概略図である。 図2は、図1に示す噴射ノズルで使用するための周知の制御バルブ装置の概略断面図であり、幾つかの特徴の寸法が誇張してある。 図3は、制御バルブ装置の様々な領域の位置、特徴の位置、及び特定の特徴の相対的寸法を示す、本発明を具体化した制御バルブ装置の部分断面概略図であり、特徴の相対的寸法は、本明細書中に説明した実施例の特徴を示すように選択してある。 図4は、図3の制御バルブ装置の一つの領域の特徴の詳細断面図である。
符号の説明
10 バルブニードル
10a バルブニードル端面
10b、10c スラスト面
12 第1ボア
14 ニードル本体
16 バルブニードル座
18 出口開口部
20 環状チャンバ
22 高圧供給通路
24 段部
26 送出チャンバ
30 制御チャンバ
32 制御バルブ
33 係合領域
34 第2ボア
36 バルブハウジング
38 第1座
40 別のハウジング
42 燃料通路
44 第2座
50 下部分
52 円筒形外面
54 内部円筒形表面
55 制流通路
56 環状ギャラリー
58 延長通路

Claims (24)

  1. 制御チャンバ(30)内の燃料圧力を制御するのに使用するための制御バルブ装置において、
    i)アクチュエータの作動によって、前記制御チャンバ(30)が高圧燃料源と連通した第1位置と、前記制御チャンバ(30)が低圧燃料ドレンと連通し、前記制御チャンバ(30)と前記高圧燃料源との間の連通を断つ第2位置との間で移動自在の制御バルブ部材(32)と、
    ii)第1制流手段(55)と、
    iii)前記第1制流手段(55)の下流に配置された第2制流手段(74)とを含み、
    前記第1制流手段(55)は、前記制御バルブ部材(32)が前記第1位置と前記第2位置との間で移行状態にある場合に前記第1制流手段(55)の上流に燃料の第1圧力を維持するように構成され、
    前記第2制流手段(74)は、該第2制流手段(74)の上流に燃料の第2圧力を維持するように構成され、
    前記制御バルブ部材(32)が前記第1位置と前記第2位置との間で移行状態にある場合に、前記制御チャンバ(30)及び前記高圧燃料源は、前記第1及び第2制流手段(55、74)を介して前記低圧燃料ドレンと連通し、
    前記第2制流手段(74)は、前記第1位置と前記第2位置との間で移行状態にある場合、前記第1圧力によって前記制御バルブ部材(32)に及ぼされる正味力が、前記第2圧力によって前記制御バルブ部材(32)に及ぼされる正味力と均衡するように前記第1制流手段(55)に対して寸法及び位置が定められている、制御バルブ装置。
  2. 請求項1に記載の制御バルブ装置において、
    前記第1制流手段(55)は第1有効流れ断面積を有し、前記第2制流手段(74)は第2有効流れ断面積を有し、前記第1有効流れ断面積は、前記第2有効流れ断面積よりも小さい、制御バルブ装置。
  3. 請求項1又は2に記載の制御バルブ装置において、
    前記制御バルブ部材(32)は、前記第1位置にあるときに第1座(38)と係合でき、前記第2位置にあるときに第2座(44)と係合できる、制御バルブ装置。
  4. 請求項3に記載の制御バルブ装置において、
    前記第2座(44)は、バルブハウジング(36)に設けられたボア(34)の表面によって形成され、前記ボア内で前記制御バルブ部材(32)が移動自在である、制御バルブ装置。
  5. 請求項4に記載の制御バルブ装置において、
    i)前記制御バルブ部材(32)の主面は、第1直径を形成する表面であり、前記主面は、周囲に亘って前記ボア(34)の表面と摺動自在に接触し、前記ボア(34)の表面及び前記主面は、ほぼ同じ直径を有し、
    ii)前記主面と前記第2座(44)との間の前記ボア(34)の第2領域の表面は第2直径を形成し、
    iii)前記第1直径は前記第2直径と実質的に等しい、制御バルブ装置。
  6. 請求項5に記載の制御バルブ装置において、
    前記第1座(38)の直径は第3直径を形成し、該第3直径は前記第1直径と実質的に等しく、前記第1座(38)は、前記制御バルブ装置を前記低圧ドレンと連通するポートを形成する穴の周囲に位置決めされている、制御バルブ装置。
  7. 請求項5又は6に記載の制御バルブ装置において、
    前記制御バルブ部材(32)の外面(52)は第4直径を形成する、制御バルブ装置。
  8. 請求項7に記載の制御バルブ装置において、
    前記第4直径は前記第1直径よりも大きく、前記外面(52)での前記制御バルブ部材(32)の断面積と前記主面での前記制御バルブ部材(32)の断面積との間の差が有効面積差である、制御バルブ装置。
  9. 請求項8に記載の制御バルブ装置において、
    前記有効面積差は、前記外面(52)のところでの前記制御バルブ部材(32)の断面積と比例する、制御バルブ装置。
  10. 請求項8又は9に記載の制御バルブ装置において、
    第3圧力は、前記制御チャンバ(30)内の燃料によって及ぼされる圧力であり、前記第1位置と前記第2位置との間で移行状態にある場合、前記外面(52)での前記制御バルブ部材(32)の断面積は、前記第2圧力の前記第3圧力に対する比に比例する、制御バルブ装置。
  11. 請求項10に記載の制御バルブ装置において、
    前記外面(52)のところでの前記有効面積差の前記制御バルブ部材(32)の断面積に対する比は、前記第2圧力と前記第3圧力との比に等しい、制御バルブ装置。
  12. 請求項10又は11に記載の制御バルブ装置において、
    前記第3圧力は、前記第1圧力と実質的に同じである、制御バルブ装置。
  13. 請求項8乃至12のうちのいずれか一項に記載の制御バルブ装置において、
    前記有効面積比の、前記外面(52)での前記制御バルブ部材(32)の前記断面積に対する比が面積比であり、
    前記第2制流手段(74)の前記有効流れ断面積は、実質的に、前記面積比の平方根で除した前記第1制流手段(55)の前記有効流れ断面積である、制御バルブ装置。
  14. 請求項5乃至13のうちのいずれか一項に記載の制御バルブ装置において、
    前記第1制流手段(55)は、前記制御バルブ部材(32)の前記外面(52)及び前記バルブハウジング(36)の前記ボア(34)の表面(54)が形成する制流通路を含む、制御バルブ装置。
  15. 請求項14に記載の制御バルブ装置において、
    前記制御バルブ部材(32)は、前記制御バルブ部材(32)の前記外面(52)に設けられた制御平坦部によって前記制流通路(55)を少なくとも部分的に形成するように賦形されている、制御バルブ装置。
  16. 請求項4乃至13のうちのいずれか一項に記載の制御バルブ装置において、
    前記制流通路(55)は、前記バルブハウジング(36)の別のドリル穴によって形成される、制御バルブ装置。
  17. 請求項3乃至16のうちのいずれか一項に記載の制御バルブ装置において、
    前記第1制流手段(55)は、前記第1座(38)と前記第2座(44)との間に配置される、制御バルブ装置。
  18. 請求項3乃至17のうちのいずれか一項に記載の制御バルブ装置において、
    前記第1制流手段(55)は、前記第1座(38)の上流に、及び前記第2座(44)の下流に配置されている、制御バルブ装置。
  19. 請求項1乃至18のうちのいずれか一項に記載の制御バルブ装置において、
    前記第2制流手段(74)は、前記低圧燃料ドレンに繋がる通路(42)のオリフィス(72)である、制御バルブ装置。
  20. 請求項19に記載の制御バルブ装置において、
    前記通路(42)はハウジング(40)に形成されており、前記ハウジング(40)のドリル穴が前記オリフィス(72)を形成する、制御バルブ装置。
  21. 請求項1乃至20のうちのいずれか一項に記載の制御バルブ装置において、
    前記第1制流手段(55)は、更に、前記制御バルブ部材(32)が前記第2位置と前記第1位置との間で移動しているとき、前記高圧燃料源から低圧ドレンへの燃料の流量を制限するように作動でき、これによって高圧燃料の低圧に対する損失を減少する、制御バルブ装置。
  22. 請求項1乃至21のうちのいずれか一項に記載の制御バルブ装置において、
    前記第1制流手段(55)は、前記制御チャンバ(30)から前記低圧ドレンに流出する燃料の流量が、前記制御チャンバ(30)に流入する燃料の流量に比べて少なく、これによってバルブニードルの作動を非対称に制御するように構成されている、制御バルブ装置。
  23. 燃料を内燃エンジンに送出するのに使用するための燃料インジェクターにおいて、
    出口開口部(18)を通した燃料の送出を制御するため、使用時にバルブニードル座(16)と係合できるバルブニードル(10)と、
    制御チャンバ(30)内の燃料圧力に露呈された、前記バルブニードル(10)と関連した表面(10a)と、
    前記制御チャンバ(30)内の燃料圧力を制御するための請求項1乃至22のうちのいずれか一項に記載の制御バルブ装置とを含む、燃料インジェクター。
  24. 請求項1に記載の燃料インジェクターを含む、内燃エンジン用燃料インジェクターシステム。
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