JP5345612B2 - 燃料インジェクタに用いられる制御弁および該制御弁を有する、内燃機関に用いられる燃料インジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、燃料を高い圧力下で内燃機関の燃料室内に噴射するために使用され得る燃料インジェクタに用いられる制御弁に関する。

従来技術
公知先行技術、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００６０２１７４１号明細書から、有利には高速回転型の自己着火式の内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するために使用され得るような燃料インジェクタが公知である。この燃料インジェクタには、高い圧力下の燃料が高圧ポンプにより供給される。この燃料インジェクタは、１つの弁ニードルを有している。弁ニードルは、該弁ニードルの長手方向の運動によって、１つまたは複数の噴射開口を交互に開閉させる。これによって、燃料を内燃機関の作業タイミングの正確に規定された時点で燃焼室内に噴射することができ、このことは、燃料の良好な噴霧を達成するために、極めて高い圧力で行われる。弁ニードルの運動は、一方では、弁ニードルを開放方向に負荷する燃料の液圧的な圧力により達成される。この液圧的な圧力とは逆向きに、制御室内の燃料圧により生ぜしめられる閉鎖力が作用している。制御室内の交番する燃料圧によって、弁ニードルに作用する合成力の方向を変化させることができるので、弁ニードルは開放位置か、または閉鎖位置へ移動する。

制御室内の燃料圧は、制御弁を介して調節される。ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００６０２１７４１号明細書から公知の制御弁は、このために、制御スリーブを有している。この制御スリーブは、磁石アーマチュアに結合されていて、電磁石の通電時または非通電時に、その長手方向に運動させられる。この場合、制御スリーブは、制御室に接続された圧力室を半径方向外側に向かって画定する弁座に載着されており、この場合、制御スリーブが弁座から持ち上がると、圧力室、ひいては制御室が漏れオイル室に接続されるのに対して、制御スリーブが弁座に載着されていると、圧力室、ひいては制御室が漏れオイル室から分離される。制御室を、インジェクタに供給される燃料高圧に接続することにより、制御弁の作動によって制御室内の燃料圧を上降させることができる。このことは弁ニードルを運動させる力を生ぜしめる。

制御スリーブの、弁座に面した側の端面は、ほぼ円環状に形成されたシール面を有している。線接触を得るために、シール面の軽度に円錐形の形状が設けられていてもよい。このことはシール作用を高めるので、弁スリーブを弁座に押圧する比較的に小さなばね力を用いるだけで良好なシールが達成される。

燃料が高圧ポンプによってインジェクタ内に導入されるときの噴射圧は、自己着火式の高速回転型の内燃機関のために使用されるような最近の高圧噴射システムでは、最大１８００バールであり、将来的にはさらに上昇する。この高い燃料圧は、制御室内にも、ひいては圧力室にも形成されて、制御スリーブを半径方向に拡開させる。制御弁が開放されると、この圧力は低下し、制御弁が閉鎖されると再び上昇するので、圧力室内の圧力変動、ひいては弁座に対するシール面の相対運動が生じる。このことはこの個所において、特に、弁座に載置されたシール面における線状の載着面が設けられている場合に摩耗を生ぜしめるので、弁座に載着される有効なシール面はますます大きくなる。このシール面が一定の値を上回ると、制御弁を閉鎖するための面圧はもはや十分でなくなり、圧力室からの漏れ損失、ひいては制御室からの燃料の連続的な流出とが生じる。このことは、制御弁の機能、ひいてはこのような制御弁により制御される燃料インジェクタの機能に影響を与える。

発明の開示
燃料インジェクタに用いられる本発明による制御弁は従来のものに比べて、弁座の領域における摩耗が公知の弁と比べて著しく減じられているので、制御弁の全寿命にわたって信頼性の良い機能が保証されているという利点を有している。このためには、弁ボディの、弁座が位置している側に切欠きが形成されていて、該切欠きが圧力室に液圧的に接続されている。圧力室内の圧力が変動すると、一方では制御スリーブが、他方では弁ボディに設けられた切欠きがそれぞれ半径方向に拡開される。この場合、切欠きは、弁座とシール面との相対運動が、少なくともほぼ等しくなるように形成されている。このことはこの領域での摩耗を著しく減少させる。

第１の有利な実施形態では、制御スリーブがガイドピンに案内されている。このガイドピンは、ガイドスリーブの、弁ボディとは反対の側からガイドスリーブ内に突入している。これによって、ガイドスリーブは弁ボディとは別個に独立して案内されるので、弁座に載着された弁スリーブの、正確な位置調整が可能である。この場合、ガイドピンが、弁ボディの切欠きに突入する突出部を有していると特に有利である。これによって、圧力室の容積を減少させることができる。このことは制御弁の動的特性を向上させる。なぜならば、圧力室、ひいては制御室内の圧力変化を、より迅速に行うことができるからである。この場合、弁ボディに設けられた切欠きの機能は維持される。

別の有利な実施形態では、弁座が円錐形に形成されていて、つまり円錐台の形状を有している。この場合、弁座は、前記切欠きを巡るように形成されている。円錐台の開き角度の適当な設定により、圧力拡開による摩耗だけでなく、制御スリーブの載着による摩耗も最小にすることができる。

さらに別の有利な実施形態では、ガイドスリーブの内径と、前記切欠きの直径とが、等しい直径を有している。弁ボディのこのような形状付与により、制御スリーブ内でも、弁ボディの切欠きの領域でも同じ弾性特性を達成することができるので、圧力室内の内圧による両構成部分の同一の変形が保証されている。

前記制御弁は、制御室内の燃料圧が制御弁により調節されるような内燃機関に用いられる燃料インジェクタにおいて使用されると特に有利である。制御室内の交番圧力により、弁ニードルをその長手方向に運動させることができ、この弁ニードルは内燃機関の燃焼室内への燃料インジェクタの燃料噴射を制御する。

以下に本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

本発明による制御弁の相応する使用を示す、燃料インジェクタの主要部分の縦断面図である。 制御弁の、弁座もしくはシール面の領域の拡大図である。 制御弁の別の実施形態を図２に示した実施形態と同様の断面で示す図である。 さらに別の実施例を示す図である。 ガイドピンが弁ボディに突入している、第４の実施例を示す図である。

実施例の説明
図１には、本発明による制御弁が挿入されている燃料インジェクタの縦断面図が示されている。この燃料インジェクタはハウジング１を有している。このハウジング１内には、弁ニードル１０の運動を制御する制御弁３が形成されている。この場合、弁ニードル１０はピストン形に形成されており、該弁ニードル１０の、制御弁３とは反対側の端部は噴射開口を制御する。この噴射開口を通じて燃料は内燃機関の燃焼室内に噴射可能である。弁ニードル１０は弁ボディ５内に案内されている。弁ボディ５はハウジング１内に配置されていて、孔１２を有している。この孔１２内に弁ニードル１０が案内されている。弁ボディ５の孔１２と、弁ニードル１０とにより制御室７が画定される。制御室７の燃料圧は、弁ニードル１０の、制御弁３に面した側に作用し、こうして弁ニードル１０に作用する閉鎖力を生ぜしめる。制御室７には、常時、高い圧力下の燃料が供給される。このことは、環状室１４を介して行われる。この環状室１４は、弁ボディ５を取り囲みかつ１つの孔（図示せず）を介して燃料接続部に接続されている。この燃料接続部を介して、高圧ポンプにより圧縮された燃料が供給される。環状室１４は絞り穴１５を通じて制御室７に接続されているので、ある程度の時間的な遅延を伴って、制御室７内にも環状室１４内にも常に同じ燃料圧が形成される。この場合、環状室１４はシール部材１７を介して、燃料インジェクタの低圧領域に対してシールされている。

制御室７内の圧力は制御弁３により制御される。このためには、弁ボディ５が流出通路２０を有している。この流出通路２０は弁ニードル１０に対して同心的かつ同軸的に延びている。流出通路２０内には、絞り２２が形成されているので、流出する燃料の量は絞られてしか流出通路２０を通じて流出することができない。流出通路２０は切欠き２４に開口している。この切欠き２４は圧力室２６の一部であり、この場合、圧力室２６は制御スリーブ２５と、ガイドピン３０と、弁ボディ５の切欠き２４とにより画定される。制御スリーブ２５は、ガイドピン３０に沿って摺動可能に案内されていて、磁石アーマチュア３４に結合されている。この磁石アーマチュア３４は、電磁石３５により運動され得る。それと同時に、閉鎖ばね３２が制御スリーブ２５と環状ディスク２９との間に支持されており、この環状ディスク２９はガイドピンに固く結合されている。圧縮プリロード（Druckvorspannung）をかけられてハウジング１内に配置されている閉鎖ばね３２の力により、一方では制御スリーブ２５が弁ボディ５に押し当てられ、他方ではガイドピン３０が環状ディスク２９を介してハウジング１に押し当てられるので、案内ピン３０は、ハウジング１内に位置固定されて留まる。

噴射を行いたい場合、電磁石３５が通電されて、制御スリーブ２５が磁石アーマチュア３４により上方に引っ張られる、つまり弁座２８から離れる方向に引っ張られる。これによって、圧力室２６が漏れオイル室３８に接続される。この漏れオイル室３８は無圧状態である。なぜならば、この漏れオイル室３８は流出部４０を介して低圧システムに接続されているからである。その後に、圧力室２６内および制御室７内の圧力は低下し、弁ニードルに加えられる閉鎖力が減少し、この場合、弁ニードル１０は制御室７の方向に運動し、それによって噴射開口を開放し、この噴射開口を通じて、燃料が、たとえば燃焼室内に噴射される。噴射を終了させるためには、電磁石３５が無電流状態に切り換えられるので、制御スリーブ２５は閉鎖ばね３２によって、再び弁座２８に押し当てられる。このことは圧力室２６を漏れオイル室３８に対して閉鎖する。環状室１４から絞り穴１５を通って後流入する燃料は、再び制御室７内の燃料圧、ひいては圧力室２６内の燃料圧をも高める。このことは、弁ニードル１０を閉鎖位置に押圧し、これによって燃料噴射は終了させられる。

図２には、圧力室２６の領域が拡大されて示されている。制御スリーブ２５にはシール面２７が形成されている。このシール面２７はほぼ円環状に形成されていて、弁ボディ５に形成された平坦な弁座２８に載着されている。閉鎖ばね３２の力によって、制御スリーブ２５は、十分な面圧で弁座２８に押し当てられるので、圧力室２６は無圧の漏れオイル室３８に対してシールされている。弁ボディ５は弁座２８の領域の領域において、切欠き２４によりほぼ中空円筒状の形状を有している。この場合、切欠き２４は、圧力室２６内の圧力によって制御スリーブ２５が半径方向に拡開されるのと同じように、圧力室２６内の圧力によって切欠き２４の領域において弁ボディ５が半径方向外側に拡開されるように寸法設計されている。切欠き２４の適当な設計と制御スリーブ２５の形状付与とにより、制御弁３が閉じられた状態ではシール面２７と弁座２８との間に相対運動が生じないか、または極めて小さな相対運動しか生じないことを達成することができる。これによって弁シール面と弁座２８との間の摩耗は決定的に減じられ、このことは制御弁３の寿命、ひいては燃料インジェクタ全体の寿命を著しく高める。

図３には、本発明による制御弁３の別の実施例が示されている。弁座２８’はこの実施例では円錐形に形成されており、これに対応してシール面２７’も、同じく円錐形の形状を有している。制御スリーブ２５と、弁座２８’とのこのような形状付与により、スリーブは弁座２８’に対して常にセンタリングされるので、制御スリーブ２５’の開放運動時に、燃料の、圧力室２６からの流出は対称的に行われる。

図４には、さらに別の実施例が示されている。この場合、案内ピン３０’には、切欠き２４内に突入する突出部３１が形成されている。これによって、圧力室２６の容積を著しく減少させることができる。このことは制御弁３の応答時間を著しく短縮する。圧力室２６の領域における容積、ひいては制御室７の領域における容積が小さければ小さいほど、圧力室２６内の圧力、ひいては制御室７内の圧力をますます迅速に増減させることができる。突出部３１の形状付与によって、漏れオイル室３８への燃料の流出時の流れ特性が最適化され、そして燃料流の渦流形成による僅かな損失だけしか生じなくなると同時に、圧力室２６の最小容積が得られることを達成することができる。

弁座２８’は、この実施例でも同じく円錐形に形成されているが、円錐頂角は、図３に示した実施例に比べて著しく増大されている。この円錐頂角αによって、シール面２７’と弁座２８’との間の摩耗を一層減少させることができる。図３に示した実施例では、シール面２７’は、円錐形の弁座２８’への載着時に僅かに外側に向かってずれ滑る。それと同時に弁座２８’は制御スリーブ２５’により内側に向かって押圧されるので、制御スリーブ２５’の各閉鎖運動時には弁座２８’とシール面２７’との間で相対運動が生じる。それに対して弁座２８’が、大きな開き角度を有する円錐面として形成されると、制御スリーブの載着時におけるこのようなずれ滑りを阻止することができる。それと同時に、圧力室２６内の変動する圧力による弁座２８’とシール面２７’との相対運動が抑制されている。弁座２８’のための円錐頂角α、すなわち対応する円錐体の開き角度としては、１５５°〜１７５°の値、特に約１６０°の角度が特に有利であることが判った。この場合、シール面（２７’）は、少なくともほぼ弁座２８’と等しい円錐頂角を有している。

図５には、制御スリーブのさらに別の実施例が示されている。この実施例では、ほぼ盲孔の形状を有する切欠き２４の代わりに、弁ボディ５全体を貫通して、制御室７にまで達する１つの孔が設けられている。この場合、孔１２’の直径は、制御スリーブ２５’の内径に相当する。ガイドピン３０’’は、このガイドピンが一方では制御スリーブ２５を案内し、他方では弁ボディ５内に大きく突入するように形成されている。ガイドピン３０’’の、弁ボディ５の領域には、研削加工部３３が形成されているので、圧力室２６’と制御室７との液圧的な接続が保証されている。弁ボディ５は弁座２８’’の領域において、制御スリーブ２５と正確に同じ形状を有している、すなわち制御スリーブ２５のような中空円筒形状を有しているので、同一の弾性特性が生ぜしめられ、それによって圧力室２６’内の交番する圧力による弁座２８とシール面２７’との間の相対運動が排除されている。

Claims (13)

1. 燃料インジェクタに用いられる制御弁であって、制御スリーブ（２５）が設けられており、該制御スリーブ（２５）が、圧力室（２６；２６’）を画定しており、かつ制御スリーブ（２５）が、該制御スリーブ（２５）の長手方向に可動に支承されており、制御スリーブ（２５）が、一方の端面にシール面（２７；２７’；２７’’）を有していて、該シール面（２７；２７’；２７’’）で、制御スリーブ（２５）が、弁ボディ（５）に形成された弁座（２８；２８’；２８’’）と協働する形式のものにおいて、
   弁ボディ（５）が、弁座（２８；２８’；２８’’）の領域において、制御スリーブ（２５）に向かって隆起しており、弁ボディ（５）の、圧力室（２６；２６’）に面した側に１つの切欠き（２４；２４’）が形成されており、該切欠き（２４；２４’）により、弁ボディ（５）が、弁座（２８；２８’；２８’’）の領域において中空円筒状の形状を有しており、圧力室（２６；２６’）内の圧力による制御スリーブ（２５）と弁ボディ（５）の中空円筒状の部分との半径方向の変形が、弁座（２８；２８’；２８’’）と、制御スリーブ（２５）のシール面（２７；２７’；２７’’）との間の相対運動を生ぜしめないか、または極めて僅かな相対運動しか生ぜしめないように、つまり、圧力室（２６）内の圧力によって制御スリーブ（２５）が半径方向に拡開されるのと同じように、圧力室（２６）内の圧力によって、切欠き（２４）の領域において弁ボディ（５）の中空円筒状の部分が半径方向外側に拡開されるように、前記制御スリーブ（２５）と、弁ボディ（５）に設けられた前記切欠き（２４；２４’）とが形成されていることを特徴とする、燃料インジェクタに用いられる制御弁。
2. 制御スリーブ（２５）が、ガイドピン（３０；３０’；３０’’）に案内されており、該ガイドピン（３０；３０’；３０’’）が、制御スリーブ（２５）の、弁ボディ（５）とは反対の側から該制御スリーブ（２５）内に突入していて、圧力室（２６；２６’）が、制御スリーブ（２５）と、ガイドピン（３０；３０’；３０’’）と、弁ボディ（５）とにより画定されている、請求項１記載の制御弁。
3. ガイドピン（３０；３０’；３０’’）が、制御スリーブ（２５）の内径に比べて減径された突出部（３１）を有しており、該突出部（３１）が、弁ボディ（５）の切欠き（２４）内に突入している、請求項２記載の制御弁。
4. 弁ボディ（５）に設けられた切欠き（２４）が、盲孔として形成されている、請求項１記載の制御弁。
5. 盲孔の形の前記切欠き（２４）の開いた端部が、制御スリーブ（２５）の内径よりも小さな直径を有している、請求項４記載の制御弁。
6. 弁座（２８；２８’；２８’’）が、前記切欠き（２４）を巡るように形成された平坦な円環状面である、請求項１記載の制御弁。
7. 弁座（２８；２８’；２８’’）が、円錐形に形成されている、つまり円錐台の形状を有しており、該弁座（２８；２８’；２８’’）が、前記切欠き（２４）を巡るように形成されている、請求項１記載の制御弁。
8. 円錐形の弁座（２８；２８’；２８’’）の円錐頂角（α）が、１５５°〜１７５°、有利には約１６０°である、請求項７記載の制御弁。
9. シール面（２７；２７’）が、同じく円錐形に形成されている、請求項８記載の制御弁。
10. シール面（２７；２７’）の円錐頂角と、弁座（２８；２８’；２８’’）の円錐頂角（α）とが、等しい大きさに形成されている、請求項９記載の制御弁。
11. 前記切欠き（２４）が、弁ボディ（５）に設けられた孔（１２’）として形成されており、該孔が、制御スリーブ（２５）の内径と同じ直径を有している、請求項１記載の制御弁。
12. 制御スリーブ（２５）のシール面（２７；２７’；２７’’）も、弁ボディ（５）に設けられた弁座（２８；２８’；２８’’）も、円環状面として形成されている、請求項１１記載の制御弁。
13. 請求項１から１２までのいずれか1項に記載の制御弁（３）を有する、内燃機関に用いられる燃料インジェクタであって、制御弁（３）が、制御室（７）内の燃料圧を調節するようになっており、ピストン形の弁ニードル（１０）が設けられていて、該弁ニードル（１０）が、ハウジング（１）に設けられたボディ座と協働して、噴射開口を開閉し、弁ニードル（１０）の位置に応じて、燃料が噴射開口から噴射されるようになっており、制御室（７）内の圧力により、弁座の方向で弁ニードル（１０）に作用する閉鎖力が少なくとも間接的に加えられるようになっており、制御室（７）が、圧力室（２６；２６’）に、液圧的に接続されていることを特徴とする、内燃機関に用いられる燃料インジェクタ。

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