JP5193299B2 - 圧力バランス式の制御弁を有する燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のための燃料噴射弁であって、弁ニードルを含んでおり、該弁ニードルは該弁ニードルの軸線方向運動によって少なくとも１つの噴射孔の開口部を制御するようになっており、高圧側に接続された制御室を含んでおり、該制御室の圧力は直接又は間接的に前記弁ニードルに作用するようになっており、制御弁を含んでおり、該制御弁は、半径方向で、前記制御室に接続された高圧側の弁室と低圧側の弁室との間に設けられた弁座と、摺動自在に案内された制御弁部材とを備えており、該制御弁部材は前記高圧側の弁室の半径方向を画定し、つまり半径方向の画定部をなしていて、かつ前記弁座と協働（接触）するようになっている形式のものに関する。

前記形式の燃料噴射弁は、例えば欧州特許出願公開第１６１２４０３Ａ１号明細書に開示されている。

前記公知の燃料噴射弁においては、１つ若しくは複数の噴射孔がノズルニードルの軸線方向運動（長手方向運動）により開閉制御されるようになっている。制御室内の圧力に基づき、閉鎖力は間接的に弁ピストンを介してノズルニードルに生ぜしめられ、その結果、ノズルニードルは、制御室内に相応に高い燃料圧を作用させてある場合に、閉鎖位置に保たれている。噴射を行う場合には、制御室は、電磁弁として形成された制御弁を用いて逃がし室に接続される。制御弁は、制御弁部材（制御弁構成要素）として弁スリーブを有しており、弁スリーブは環状室の外側を画定しており、環状室は流出絞りを介して制御室に接続されている。弁スリーブは、力から解放された状態若しくは圧力バランスした状態で作動され、つまり、弁スリーブには、環状室内の燃料圧により発生して弁スリーブをその運動方向で移動させるような力は作用していない。弁スリーブは、閉鎖ばねによって弁座に向けて押圧されていて、その結果、環状室を外側に対して閉鎖している。噴射を行う場合には、弁スリーブは電磁石と用いて弁座から持ち上げられ、つまり離間され、このような離間運動は、液力の力成分が生じていないことに基づき、閉鎖ばねの比較的小さい閉鎖力を克服することにより極めて迅速に行われる。これにより、制御室は逃がし室に接続されて、放圧される。

弁スリーブは圧力バランスされており、それというのは、弁スリーブを摺動自在（摺動可能）に案内している案内部の直径と、静止状態で弁スリーブによって密閉又はシールされる弁座の座直径とが互いに同じ大きさであるからである。このような構成により、静止状態では軸線方向（開放方向若しくは閉鎖方向）での圧力又は押圧力は生じておらず、半径方向の圧力が生じているだけである。座直径を案内直径（案内部の直径）と異ならせると、軸線方向の液力（圧力又は押圧力）が生じることになる。案内部と弁座とを多くの場合にそうであるように１つの構成要素内に組み込んであり場合には、座直径を案内直径と異ならせることは、液力が開放方向で生じるように行われている。逆の場合には弁スリーブをもはや弁本体に装着することができなくなる。シール座において面積をバランスしてある場合には欠点として、作動中に開放方向の液力が常に生じており、該液力は極端な場合には弁の不都合な開放、つまり漏れを生ぜしめてしまうことになる。

さらに知られている構成においては、案内部は弁座から独立して別（第２）の構成部分（構成要素）内に形成されており、該構成部分は、不動の構成部分に支えられている。この場合には座直径は、静止状態で閉鎖方向の液力を生ぜしめるように、案内直径から異ならせて形成されている。このような構成においては面積バランスの場合に、漏れの発生しない程度に面積バランスを高め、ひいては面圧を低下させることができることになる。しかしながら欠点として、閉鎖方向に作用する液力は、アクチュエータによる開放に際して付加的にアクチュエータによって克服されねばならないものであり、したがって高い出力のアクチュエータを必要とすることになり、このことは殊に電磁式のアクチュエータにとって欠点である。

本発明においては、静止状態で軸線方向の液力が弁スリーブに作用せず、このような力バランスの状態が弁スリーブと弁座との間の面積バランスの場合にも十分に保たれるようにするために、本発明の構成によれば、制御弁部材は、半径方向で高圧側の弁室内へ突出する環状突出部を有しており、該環状突出部の、弁座に向いている段部面は、弁座と協働（接触）するシール面を形成（画定）している。このような構成により、作動時間の経過に伴って生じるような開放方向の液力の発生を避けることができ、閉鎖ばね力を小さくすることができ、ひいては摩耗を減少させることができるようになっている。

制御弁と概略的に示す供給構成要素とを有する本発明に基づく燃料噴射弁の縦断面図である。 弁スリーブにトロイド状の輪郭を有しかつ弁座に円錐座を有する制御弁の第１の変化例の、図１のＩＩの部位の詳細図である。 弁スリーブにトロイダル状の輪郭を有しかつ弁座に円錐座を有する制御弁の第３の変化例の、図２のＩＩの部位の詳細図である。 弁スリーブにトロイド状の輪郭を有しかつ弁座に円錐座を有する制御弁の第３の変化例の、図１のＩＩの部位の詳細図である。 弁ニードルを有する制御弁の実施形態を示す図である。

図１には、本発明に基づく燃料噴射弁を縦断面図で示してあり、該燃料噴射弁は、複数の構成部分から成る、つまり複数構造（ここでは簡略的に一体として示す）の保持本体１及びノズル本体２を含んでおり、この場合に、保持本体（ホルダー部材）１とノズル本体２とは、締め付けナット３によって相互に圧着されている。ノズル本体２内には、ノズルニードル（弁ニードル）４を縦方向移動可能（長手方向移動可能）に配置してあり、該ノズルニードルは該ノズルニードルの縦方向運動（長手方向運動）によって少なくとも１つの噴射孔５の開口部を制御するようになっている。燃料は、１つの圧力室６を介して図示の実施形態で複数の噴射孔５に供給されるようになっており、前記圧力室は、ノズルニードル４を取り囲んでいて、つまりノズルニードル４の周囲に画成されていて、供給通路７を介して高圧の燃料で満たされるようになっている。ノズルニードル４を噴射孔５から離間する方向に運動させて、噴射孔５の開放のための位置、つまり開放位置へ移すと、燃料は圧力室６から噴射孔５を介して、図示省略の内燃機関の燃焼室内へ噴射される。逆に、ノズルニードル４を噴射孔５の閉鎖のための位置、つまり閉鎖位置へ移す、つまり弁座に接触又は当接させると、噴射孔５はノズルニードル４によって閉じられる。

保持本体１内には、ノズルニードル４に対して同軸にかつ該保持本体の縦軸方向（長手方向）に延びる縦軸孔８を画成してあり、該縦軸孔内には制御ピストン９を縦軸方向移動可能に配置してある。制御ピストン９は、押圧片１０を介してノズルニードル４に接続されていて、したがってノズルニードル４と同期して縦軸線方向に運動させられるようになっている。制御ピストン９は、ノズル本体２に向いている側の端部をばね１１によって取り囲まれており、該ばねは、一方で保持本体１内の段部に支えられ、かつ他方で押圧片１０に支えられており、その結果、ばね１１のばね力によって押圧片１０がノズル本体２に向けて押圧され、ひいてはノズルニードル４が閉鎖位置へ押圧される。

燃料を高圧で供給するために、高圧ポンプ１２を設けてあり、該高圧ポンプは燃料タンク１３から燃料を圧縮して、蓄圧室１４へ送り、該蓄圧室内に燃料は高圧下で蓄えられるようになっている。高圧の燃料は、高圧管路１５を介して、かつ燃料噴射弁に形成された高圧接続部１６を介して燃料噴射弁に供給されて、噴射孔５から内燃機関の燃焼室内に噴射される。

制御ピストン９は、ノズル本体２と逆の側の端部でもって制御室１７を画定しており、該制御室は流入孔１８を用いて、該流入孔内の流入絞り１９を介して供給通路７に接続されている。さらに制御室１７は、保持本体１及び制御弁本体２１内に設けられている縦軸孔２０を介して、高圧側の弁室２２に接続されており、該弁室は制御弁２３を介して低圧側の弁室（逃がし室）２４に接続されるようになっている。制御弁２３は制御室１７内の燃料圧力の降下のために用いられ、制御スリーブ若しくは弁スリーブ２５として形成された制御部材（制御構成要素）を有しており、該制御部材、つまり制御スリーブ若しくは弁スリーブ２５は、プランジャー状のケーシングピン３３に沿って案内されており、該ケーシングピンは所定の案内直径ｄ_F を有している。この場合に弁スリーブ２５は縦軸方向運動可能であり、閉鎖位置で、所定の座直径ｄ_ｓの弁座２６に接触しており、したがって、弁スリーブ２５により半径方向外側を画定された高圧側の弁室２２は、逃がし室２４に対して密閉されている。弁スリーブ２５は、案内直径ｄ_F と座直径（シール直径又は接触線直径）ｄ_ｓとが互いに同じ大きさであるので、圧力をバランスされており、つまり、静止状態では開放方向の圧力も閉鎖方向の圧力も弁スリーブ２５には作用しないようになっている。弁スリーブ２５は閉鎖ばね２７によって負荷（付勢）されており、該閉鎖ばねは弁スリーブ２５に閉鎖力を生ぜしめ、つまり弁スリーブ２５を弁座２６に向けて押圧している。電磁石２８によって弁スリーブ２５は弁座２６から持ち上げられるようになっており、これによって高圧側の弁室２２は逃がし室２４に接続され、ひいては縦軸孔２０を介して制御室１７も逃がし室２４に接続される。

燃料噴射弁の機能は従来技術により十分に知られており、ここでは簡単に述べるにとどめる。噴射のためには、電磁石２８は給電され、その結果、弁スリーブ２５を弁座２６から引き離すことになる。これによって、高圧側の弁室２２が、常に低い燃料圧力の作用している逃がし室２４に接続される。縦軸孔２０を介して制御室１７が放圧（圧力降下）され、結果として、制御ピストン９に作用する液力（圧力）は低下し、したがって、ノズルニードル４は、圧力室６内の燃料圧によって開放方向の圧力を受けているので、弁座から離されて、噴射孔５を開放するようになっている。噴射の終了のためには、電磁石２８は無電流状態に切り換えられ、その結果、弁スリーブ２５は閉鎖ばね２７の押圧力（付勢力）に基づき再び弁座１６に接触せしめられる。流入孔１８を介した燃料の流入により、制御室１７内の圧力は再び増大し、ひいては、制御ピストン９に作用する液力が増大し、結果として、最終的に制御ピストン９が再びノズル本体２に向けて運動させられ、ひいてはノズルニードル４を閉鎖位置へ押圧して戻すようになっている。

図２に示してあるように、高圧側の弁室２２は、弁座近傍の領域で弁スリーブ２５の内側の環状突出部（環状段部）２９によって狭くされている。しかしながら、弁スリーブ２５と制御弁本体２１との間の接触線は、内側へ移動しておらず、つまり、ｄ_ｓ≒ｄ_F である。したがって、制御弁２３は中立状態でやはり力、つまり圧力をバランス（圧力バランス）されており、それというのは、環状突出部（環状段部）２９の両方の段部面２９ａ，２９ｂに作用する液力は、互いに相殺されるからである。換言すれば、環状突出部２９は、軸方向の液力を弁スリーブ２５に生ぜしめるものではない。弁スリーブ２５と弁座２６との間の面積バランスに際して、面積は半径方向外側にも、半径方向内側にも適切に増大される。このような構成により、制御弁２３は閉鎖状態でも著しく圧力バランスされており、バランスに有効な面積は増大され、かつ弁座２６における摩耗の原因となる面圧は著しく減少される。

図２ａに示してある実施形態において、弁座２６は、所定の円錐角α_K の１つの円錐面によって形成（画成又は画定）されている。弁スリーブ２５はシール縁部３０を有しており、該シール縁部（シールエッジ）は、所定の円錐角α_V1（α_V1＞α_K ）の低圧側の円錐面３０ａと所定の円錐角α_V2（α_V2＜α_K ）の高圧側の円錐面３０ｂ、つまり環状突出部２９の段部面２９ｂとによって画成（規定）されている。換言すれば、両方の円錐面３０ａ，３０ｂの交差部位に所定の直径ｄ_ｓのシール縁部３０が生じ、つまり形成されている。弁座２６における円錐輪郭及び弁スリーブにおける二重円錐輪郭（ダブル円錐輪郭）に基づき、面積バランス（面圧バランス）は、シール縁部３０から出発して半径方向内側でも半径方向外側でも同様に行われている。面積バランスの限界は、半径方向外側では制御弁本体２１の外径ｄ_ａによって画定され、かつ半径方向内側では弁スリーブ２５の内径ｄ_ｉによって画定されている。別の実施形態では、面積バランスの半径方向外側における限界は、弁スリーブ２５における直径ｄ_ａの座境界縁部又は座画定縁部によって画定されるようになっている。ｄ_ｉとｄ_ａとの間の弁座境界は、小さい行程で生じる弁座力、ひいては実施形態毎のばらつきを小さくするものである。

図２ｂに示してある実施形態において、シール面、並びに弁スリーブ３０の段部面２９ｂは、所定の円錐角α_V の１つの円錐面によって形成（画定）されている。弁座２６は、座シール縁部３１を有しており、該座シール縁部は、所定の円錐角α_V1（α_V1＜α_V ）の低圧側の円錐面２６ａと所定の円錐角α_V2（α_V2＞α_V ）の高圧側の円錐面２６ｂとによって画成（規定）されている。換言すれば、両方の円錐面２６ａ，２６ｂの交差部位に所定の直径ｄ_ｓの座シール縁部３１が生じている。弁座２６における二重円錐輪郭及び弁スリーブにおける円錐輪郭に基づき、面積バランスは、座シール縁部３１から出発して半径方向内側でも半径方向外側でも同様に行われている。半径方向外側における面積バランスの画定は、制御弁本体２１の外径ｄ_ａによって行われ、かつ半径方向内側における面積バランスの画定は、弁スリーブ２５の内径ｄ_ｉによって行われている。

図２ｃに示してある実施形態において、弁座２６は、所定の円錐角α_K の１つの円錐面によって形成（画定）されている。シール面、並びに弁スリーブ２５の段部面２９ｂは、環状に延びる、つまり全周にわたって延びるトーラス（半径Ｒ）として形成されており、この場合に所定の直径ｄ_ｓで弁座線（接触線）３２が生じており、弁座線（線状接触部）において環状のトーラス（回転円弧面）に対する接線は所定の円錐角α_K を有している。弁座２６の円錐輪郭及び弁スリーブ２５のトロイダル状の輪郭に基づき、面積バランスは、弁座線３２から出発して半径方向内側でも半径方向外側でも同様に行われている。半径方向外側における面積バランスの画定は、制御弁本体２１の外径ｄ_ａによって行われ、かつ半径方向内側における面積バランスの画定は、弁スリーブ２５の内径ｄ_ｉによって行われている。図示を省略してあるものの、別の実施形態では逆の配置形式で、つまり弁スリーブのシール面が１つの円錐面によって形成（画定）され、かつ弁座が環状のトーラスによって形成（画定）されていてよいものである。

図３には、制御弁２３の別の実施形態を示してあり、この場合に同じ若しくは同一機能の構成部分には、図２の符号と同じ符号を付してある。図３に示す制御弁２３は、ここでは弁ニードル２５として形成された弁部材、及び二部構造の弁ケーシング（案内部分３４と座部分３５）を有している。弁ニードル２５は、案内部分３４の軸線方向孔３６内に摺動自在に案内されている。座部分３５は弁座２６を有しており、該弁座は、半径方向で、ここでは環状に形成された高圧側の弁室２２と低圧側の弁室２４との間に設けられている。高圧側の弁室２２には、制御室から到来する高圧管路２０を開口させてある。弁ニードル２５は、高圧側の弁室２２の半径方向内側を画定しており、かつ半径方向で高圧側の弁室２２内へ突出する環状突出部（張り出す環状突出部）を有しており、該環状突出部の、弁座２６に向いている段部面２９ａは、弁座２６と協働（接触）するシール面を画定している。弁座２６の座直径ｄ_ｓと弁ニードル２５の案内直径ｄ_F とは、有利には互いに同じ大きさである。弁ニードル２５のシール面は、図２ｂの場合と同じように、１つの円錐面によって画定されており、かつ弁座２６は、１つの座シール縁部３１を有しており、該座シール縁部は、低圧側の円錐面２６ａと高圧側の円錐面２６ｂとによって画成（規定）されており、低圧側の円錐面２６ａの円錐角は、弁ニードル２５のシール面の円錐角よりも小さくなっており、かつ高圧側の円錐面２６ｂの円錐角は、弁ニードル２５のシール面の円錐角よりも大きくなっている。

図３に示す制御弁２３の図示省略の実施形態においては、弁座２６と弁ニードル２５のシール面は図２ａ及び図２ｃに示すように形成されている。

１ 保持本体、 ２ ノズル本体、 ３ 締め付けナット、 ４ ノズルニードル、 ５ 噴射孔、 ６ 圧力室、 ７ 供給通路、 ８ 縦軸孔、 ９ 制御ピストン、 １０ 押圧片、 １１ ばね、 １２ 高圧ポンプ、 １３ 燃料タンク、 １４ 蓄圧室、 １５ 高圧管路、 １６ 高圧接続部、 １７ 制御室、 １８ 流入孔、 １９ 流入絞り、 ２０ 縦軸孔、 ２１ 制御弁本体、 ２２ 弁室、 ２３ 制御弁、 ２４ 弁室、 ２５ 弁スリーブ、 ２６ 弁座、 ２７ 閉鎖ばね、 ２８ 電磁石、 ２９ 環状突出部、 ３０，３１ シール縁部、 ３３ ケーシングピン、 ３４ 案内部分、 ３５ 座部分

Claims (5)

1. 内燃機関のための燃料噴射弁であって、
   弁ニードル（４）を含んでおり、該弁ニードルは該弁ニードルの軸線方向運動によって少なくとも１つの噴射孔（５）の開口部を制御するようになっており、
   高圧側（１４）に接続された制御室（１７）を含んでおり、該制御室の圧力は少なくとも間接的に前記弁ニードル（４）に作用するようになっており、
   制御弁（２３）を含んでおり、該制御弁は、半径方向で、前記制御室（１７）に接続された高圧側の弁室（２２）と低圧側の弁室（２４）との間に設けられた１つの弁座（２６）と、摺動自在に案内された１つの制御弁部材（２５）とを備えており、該制御弁部材は前記高圧側の弁室（２２）を半径方向で画定していて、かつ前記弁座（２６）と協働するようになっている形式のものにおいて、
   前記制御弁部材（２５）は、半径方向で前記高圧側の弁室（２２）内へ突出する環状突出部（２９）を有しており、該環状突出部の、前記弁座（２６）に向いている段部面（２９ａ）は、弁座（２６）と協働するシール面を形成しており、
   前記弁座（２６）は、１つの円錐面によって形成されており、前記制御弁部材（２５）の前記シール面はシール縁部（３０）を有しており、該シール縁部は、低圧側の円錐面（３０ａ）と高圧側の円錐面（３０ｂ）とによって画定されており、前記低圧側の円錐面（３０ａ）の円錐角（α_V1）は、前記弁座（２６）の円錐角（α_K ）よりも大きくなっており、前記高圧側の円錐面（３０ｂ）の円錐角（α_V2）は、前記弁座（２６）の円錐角（α_K ）よりも小さくなっていることを特徴とする、内燃機関のための燃料噴射弁。
2. 前記制御弁部材（２５）は、弁スリーブとして形成されている請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 前記高圧側の弁室（２２）は前記弁スリーブ（２５）内に設けられている請求項２に記載の燃料噴射弁。
4. 前記弁座（２６）の座直径（ｄ_ｓ）と前記制御弁部材（２５）の案内直径（ｄ_F ）とは互いに同じ大きさである請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
5. 前記弁座（２６）の座直径（ｄ_ｓ）は、前記制御弁部材（２５）の案内直径（ｄ_F ）よりも小さくなっており、又は前記制御弁部材（２５）の案内直径（ｄ_F ）よりも大きくなっている請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。

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