JP5355791B2 - 弁装置 - Google Patents

Description

背景技術
本発明は、燃料高圧噴射、特に２０ＭＰａを上回る圧力を用いたガソリン直接噴射のための弁装置に関する。

ガソリン直接噴射のための弁では、高い切換動作特性および高い噴射圧においても、噴射された燃料量の正確な調量が保証されていなければならない。公知先行技術の電磁弁装置では、弁ニードルを駆動するために使用されるアクチュエータが高い力を付与しなければならず、このことは切換動作特性の悪化を招く。２０ＭＰａを超える圧力においても噴射を可能にするためには、弁座直径が一般にできるだけ小さく設定される。しかし、このことは、液圧的、つまりハイドロリック的な有効面の減少や、噴射ノズルに噴射孔を配置するために残された構成スペースが極めて小さくなるという不都合を招く。その結果、開放された弁の弁座における流過横断面が小さくなり、このことはさらに、噴射圧の望ましくない減少もしくは絞りを招く。

したがって、公知先行技術のこのような解決手段は、たとえば排ガス中のパティキュレートエミッションを低減するために必要となるような、一層高められた噴射圧において使用するためには十分に適していない。

発明の開示
請求項１に記載の本発明による弁装置、すなわち
−パイロット弁ニードルとパイロット弁座と圧力室とを備えたパイロット弁が設けられており、
−パイロット弁ニードルを操作するための電磁式のアクチュエータが設けられており、
−少なくとも１つの噴射孔と閉鎖部材と支持ピストンと圧力補償室とを備えた主弁が設けられており、閉鎖部材が、支持ピストンを収容するために収容室を有しており、閉鎖部材の該収容室内に圧力補償室が形成されており、
−パイロット弁座が前記閉鎖部材に形成されており、主弁の開放のために必要となる開放力を減少させるために、パイロット弁が、前記圧力室と前記圧力補償室との間の接続を形成する
ことを特徴とする、燃料高圧噴射のための弁装置には、従来のものに比べて次のような利点がある。本発明による弁装置では、高圧使用の場合でも、弁を開放するために小さな力しか必要とされず、この力は廉価な電磁式のアクチュエータによって提供され得る。さらに、本発明による弁装置により、２０ＭＰａを大きく上回る噴射圧と高い切換動作特性とを用いた運転のためにも、十分に大きな流過横断面を提供することができるので、噴射段階の間、噴射したい燃料の内部絞りが生じなくなる。このことは本発明によれば、主弁の開放前に前置弁であるパイロット弁を開放することにより、電磁式のアクチュエータによって弁の開放時に克服されなければならないハイドロリック的な力が劇的に減じられることにより達成される。このパイロット弁は小さな弁座直径しか有しておらず、したがって、小さなハイドロリック閉鎖力にしかさらされていない。パイロット弁の開放により、圧力補償室内の圧力は増大し、主弁は、ほとんど力を使わずに開放することができる。この場合、主弁は大きな弁座直径を有していてよい。これにより、弁座の範囲における絞り作用に基づいた噴射圧の望ましくない減少は生じなくなる。

請求項２以下には、本発明の有利な改良形が記載されている。

本発明の別の有利な構成では、当該弁の可動の構成部分、すなわちパイロット弁と主弁と電磁式のアクチュエータの磁気アーマチュアとを、１つの別個の構成アッセンブリにまとめることができる。この構成アッセンブリはその他の弁コンポーネントとは別個に簡単に組み立てられ、位置調整され、そして引き続き弁ハウジング内に組み込まれるようになっている。このことは、このような構成アッセンブリを複数個、並列に製造することを可能にする。

パイロット弁の閉鎖部材に連動部分が配置されていると有利である。この連動部分は、パイロット弁の開放後に、主弁を開放するためにパイロット弁ニードルと接触可能である。したがって、本発明による弁装置は減じられた部品点数や、構成部品の簡単なジオメトリ（幾何学的形状）に基づいて、一層廉価にかつ一層迅速に製造され得る。

さらに、主弁の支持ピストンが、ノズルの噴射孔に向けられたクラウニング状もしくは凸状球面状の面を有していると有利である。これにより、自動的な誤差補償が達成される。なぜならば、支持ピストンが閉鎖部材の内部でその角度位置に関して自由に位置決めされ得るからである。

主弁の閉鎖部材の閉鎖直径が、支持ピストンの外径よりも少しだけ大きく形成されていると特に有利である。この小さな直径差に基づいて閉鎖部材における、高い圧力を有する燃料が作用する作用面が極めて小さくなることに基づき、主弁の開放のためには小さな開放力しか必要とならない。閉鎖直径は、支持ピストンの外径よりも有利には０．３ｍｍ〜０．７ｍｍだけ大きく、特に最大０．５ｍｍだけ大きく形成されている。

本発明の別の有利な構成では、電磁式のアクチュエータが、インナポール、すなわち内側磁極を有しており、該内側磁極が、当該弁装置のハウジング内にプレス嵌めによって配置されている。内側磁極内には、さらにプレス嵌めによって調節スリーブが配置されており、この調節スリーブは、第１の閉鎖ばねと接触していて、その位置により閉鎖ばねの閉鎖力を規定している。こうして、閉鎖ばねのばね力の調節もしくは組立て時に組み付けたい構成部分の誤差補償が可能になる。なぜならば、プレス嵌めの位置はある程度の規模で可変であるからである。

さらに、本発明による弁装置では、支持ピストンと前記閉鎖部材との間にギャップシールが設けられていると有利である。これにより、噴射孔に対する圧力補償室の、漏れの少ないシールが達成されると同時に、小さな摩擦および構成部分の簡単な組立ても達成される。

さらに、支持ピストンは、噴射孔に向けられた側に、広幅の面取り部を有している。これにより、噴射孔への抵抗の少ない燃料流が可能になる。

前記連動部分が、前記閉鎖部材に結合されたスリーブとして形成されていると特に有利である。これにより、当該弁装置のルーズな構成部分の点数が減じられ、構成アッセンブリの一層迅速でかつ簡単化された予組立てが可能になる。

さらに、パイロット弁ニードルにスリーブを介して支持された第２の閉鎖ばねが設けられており、該第２の閉鎖ばねが、前記閉鎖部材に力を加えていると有利である。これにより、パイロット弁座における接触力が減じられるので、パイロット弁を、ひいては主弁をも、一層迅速に開放することができる。弁の迅速な閉鎖は、第１の閉鎖ばねにより行われる。

以下に、本発明の実施形態を図面につき詳しく説明する。

本発明による弁装置を閉鎖された状態で示す概略的な断面図である。 図１に示した本発明による弁装置のパイロット弁および主弁を示す拡大断面図である。 弁ニードル装置の予め組立てられた構成アッセンブリを示す斜視図である。 予め組立てられた構成アッセンブリを収容するハウジングを示す斜視図である。

以下に、図１〜図４につき、燃料噴射システムの弁装置１の本発明の有利な実施形態を詳しく説明する。

図１に示した概略的な断面図から判るように、弁装置１は前置弁であるパイロット弁３と、主弁４と、電磁式（ソレノイド式）のアクチュエータ２１と、ハウジング２０とを有している。

パイロット弁３はパイロット弁ニードル５と、パイロット弁座９と、圧力室１８とを有している。パイロット弁ニードル５の噴射側の端部には、圧力室１８内に配置されたパイロット弁ボール９ａが、たとえば溶接シームによって固定されている。パイロット弁ボール９ａは閉鎖部材７内に配置されており、この閉鎖部材７は、閉鎖部材７の内部に配置されたパイロット弁行程調節スリーブ１２に溶接シームＡによって固く結合されている。

さらに、弁装置１は主弁４を有しており、この主弁４は前記閉鎖部材７と、主弁座１０と、円筒状の支持ピストン２０ａと、圧力補償室１３（図２参照）と、複数の噴射孔１１ａとを備えている。これらの噴射孔１１ａはノズル１１に配置されている。閉鎖部材７は収容室７ａを有しており、この収容室７ａ内には、軸方向に移動可能な支持ピストン２０ａが配置されており、この場合、閉鎖部材７と支持ピストン２０ａとの間には、小さなギャップ高さを有するギャップシール１６が形成されている。

閉鎖部材７に設けられたパイロット弁座９と、支持ピストン２０ａの収容室７ａとの間では、主弁４を開放するための開放力を減少させるために、閉鎖部材７に圧力補償孔１９が設けられている。収容室７ａ内では、支持ピストン２０ａと圧力補償孔１９との間に前記圧力補償室１３が形成されている。

弁装置１のハウジング２０の内部には、電磁式のアクチュエータ２１のインナポール、つまり内側磁極２５と磁気アーマチュア２４とが配置されている。ハウジング２０の外周面には、電磁式のアクチュエータ２１の磁気カバー２１ａと磁気ポット２１ｂとが設けられており、この磁気ポット２１ｂ内には、コイル２１ｃが配置されている。内側磁極２５の内部には、第１の閉鎖ばね８が配置されている。この第１の閉鎖ばね８は、パイロット弁ニードル５の一方の端範囲に固定されている磁気アーマチュア２４のアーマチュアガイド２４ａと接触している。第１の閉鎖ばね８は、内側磁極２５内に圧入されてプレス嵌めされている第１の閉鎖ばね調節スリーブ２６によってプリロード（予荷重）をかけられている。磁気アーマチュア２４の外周面とハウジング２０の内周面との間には、ギャップＳが形成されているので、磁気アーマチュア２４はハウジング２０内で摺動可能となる。さらに、磁気アーマチュア２４とアーマチュアガイド２４ａとには、多数の軸方向の開口２４ｂ；２４ｃが設けられており、これにより噴射側へのスムーズな燃料流が可能になる。磁気アーマチュア２４と、パイロット弁ニードル５に固定されたアーマチュアばね調節スリーブ２２との間には、アーマチュアばね２３がプリロードをかけられて配置されており、これにより電磁式のアクチュエータ２１が作動停止された状態では、磁気アーマチュア２４が再び初期位置へ戻される。

パイロット弁行程調節スリーブ１２と、パイロット弁ニードル５にたとえば溶接シームによって固定された第２の閉鎖ばね調節スリーブ１２ａとの間には、第２の閉鎖ばね６が配置されている。

図２に示した概略的な拡大断面図には、本発明による弁装置１のパイロット弁３と主弁４とが詳細に図示されている。図２から判るように、支持ピストン２０ａは噴射側の端部に、直径Ｄ１を有する真ん中の凸状球面状もしくはクラウニング状の面２０ｂを有しており、それに対して、クラウニング状の面２０ｂの直径Ｄ１と、支持ピストン２０ａの外径Ｄ２との間には、環状の範囲が広幅の面取り部２０ｃとして形成されている。閉鎖部材７は、支持ピストン２０ａの外径Ｄ２よりも少しだけ大きく形成された閉鎖直径のところで、ノズル１１に対するシール部を形成しており、この場合、閉鎖部材７は主弁座１０のところでノズル１１の内側表面に接触している。スムーズな燃料流を保証するためには、閉鎖部材７の噴射側の端部に位置する１つまたは複数の範囲が平坦部７ｂの形に形成されている。さらに、ノズル１１の内側表面に沿った閉鎖部材７のガイドを提供するために、閉鎖部材７の１つまたは複数の範囲がガイド面７ｃの形に形成されている（図２参照）。択一的には、閉鎖部材７のガイドはノズル１１に設けられた、相応する押込み成形部を介して行うこともできる。

図２からさらに判るように、パイロット弁ボール９ａは閉鎖部材７に形成されたパイロット弁座９を介してシール部を形成しており、この場合、燃料は半径方向の複数の接続孔１４を介して圧力室１８に供給される。

さらに、パイロット弁行程調節スリーブ１２の噴射側の端部には、連動部分１５が形成されている。パイロット弁ニードル５に固定されたパイロット弁ボール９ａが、パイロット弁座９から持ち上げられると、予め規定された行程の後に、このパイロット弁ボール９ａが前記連動部分１５に接触し、これによりパイロット弁行程調節スリーブ１２と、このパイロット弁行程調節スリーブ１２に固定された閉鎖部材７とが第２の閉鎖ばね６の方向に運動させられ、ひいては主弁が開放される。

以下に、図１および図２につき、本発明による弁装置１の機能を説明する。

電磁式のアクチュエータ２１のコイル２１ｃが通電されると、磁気アーマチュア２４を内側磁極２５の方向に運動させる磁力が形成される。磁気アーマチュア２４により実施可能な行程は、ハウジング２０内への内側磁極２５の相応して調整された圧入により調節され得る。磁力が、第１の閉鎖ばね８のばね力Ｆ１と、第２の閉鎖ばね６のばね力Ｆ２とからの差にパイロット弁３のハイドロリック的な閉鎖力Ｆ_ｈｙｄを加算した値を上回るやいなや、パイロット弁ニードル５は、このパイロット弁ニードル５に固定されたパイロット弁ボール９ａと共に軸方向Ｘ−Ｘに移動する。すなわち、たとえばばね力Ｆ１が４０Ｎであり、ばね力Ｆ２が３０Ｎであり、ハイドロリック的な力Ｆ_ｈｙｄが２０Ｎである（このことは、パイロット弁の０．８ｍｍの弁座直径および４０ＭＰａの噴射圧におけるハイドロリック的な力に相当する）場合に、パイロット弁３は４０Ｎ−３０Ｎ＋２０Ｎ＝３０Ｎの磁力において開放される。パイロット弁ボール９ａがパイロット弁座９から持ち上げられるやいなや、高圧下にある燃料が、支持ピストン２０ａと接続孔１９との間に形成された圧力補償室１３内に流入し、この圧力補償室１３内にはその直後に高圧が形成される。これにより、閉鎖部材７は、ほとんど力を使わずに主弁座１０から持ち上げることができる。パイロット弁ボール９ａが、パイロット弁行程調節スリーブ１２の、パイロット弁ボール９ａ寄りの端部に形成されている連動部分１５に接触するまで、このパイロット弁ボール９ａは上側に向かって運動させられる。これにより、閉鎖部材７は持ち上げられて、主弁座１０を開放するので、燃料はノズル１１の噴射孔１１ａを通って流れることができる。

閉鎖部材７は、磁気アーマチュア２４が、内側磁極２５に設けられた上側のストッパに到達するまで軸方向Ｘ−Ｘに運動する。電磁式のアクチュエータ２１のコイル２１ｃが作動停止され、形成された磁力が消滅すると、パイロット弁ニードル５は第１の閉鎖ばね８の力Ｆ１によって噴射側の方向に、つまり下側へ向かって運動させられる。第２の閉鎖ばね６のばね力Ｆ２がまだ働いていることに基づき、パイロット弁３は開放されたままとなるので、燃料は閉鎖部材７に設けられた圧力補償孔１９と側方の接続孔１４とから再びハウジング２０の内室へ戻ることができる。閉鎖部材７がその後に再び主弁座１０に載着したあとではじめてパイロット弁３は再び閉鎖し始める。ばね力Ｆ１がばね力Ｆ２よりも大きく設定されることにより、パイロット弁３の信頼性の良い閉鎖が可能となる。パイロット弁ボール９ａが再びパイロット弁座９に載着されると、この噴射弁は再び完全にシールされている。

図３には、本発明による弁装置１の弁ニードル装置２の、予め組み立てられた構成アッセンブリの斜視図が示されている。

弁ニードル装置２を組み立てるためには、パイロット弁ニードル５が、このパイロット弁ニードル５に溶接されたパイロット弁ボール９ａと共に閉鎖部材７内に導入され、そしてパイロット弁行程調節スリーブ１２を介して、たとえば閉鎖部材７との溶接または択一的には圧入または螺合によってパイロット弁行程が調節されかつ固定される。その後に、第２の閉鎖ばね６がパイロット弁ニードル５に被せ嵌められ、この第２の閉鎖ばね６は第２の閉鎖ばね調節スリーブ１２ａを相応して位置固定することにより、所望のプリロード力Ｆ２でプリロードをかけられる。その後に、磁気アーマチュア２４がパイロット弁ニードル５に被せ嵌められる。磁気アーマチュア２４はこの場合、パイロット弁ニードル５に固く結合されているか、あるいは選択的に、図３に図示したように、パイロット弁ニードル５に沿って軸方向移動可能に支承されていてもよい。磁気アーマチュア２４がパイロット弁ニードル５に沿って軸方向移動可能に支承されている場合には、アーマチュアばね２３が、パイロット弁ニードル５に固く結合されたアーマチュアガイド２４ａに対して磁気アーマチュア２４にプリロードをかける。これにより、磁気アーマチュア２４が噴射弁の閉鎖後に噴射側に向かって振動し得ることが実現され、これにより跳ね返りもしくはバウンス衝撃の低減が達成される。閉鎖部材７内に支持ピストン２０ａを押し込んだ後に、弁ニードル装置２は完全に組み立てられており、そして図４に図示したように、弁ニードル装置２全体をハウジング２０内に挿入することができる。最後に、内側磁極２５と第１の閉鎖ばね８と第１の閉鎖ばね調節スリーブ２６とがハウジング２０内に圧入される。

図示の弁ニードル装置２は少数の付加的な構成部分を用いるだけで、すなわち閉鎖部材７とパイロット弁行程調節スリーブ１２と支持ピストン２０ａと第２の閉鎖ばね６と第２の閉鎖ばね調節スリーブ１２ａとを用いるだけで、制御可能な圧力補償を行う本発明による弁装置１を提供する。この場合、パイロット弁ニードル５は、このパイロット弁ニードル５に固定されたパイロット弁ボール９ａを含めて、公知先行技術の既存の弁から転用することができる。ノズル１１は主弁座１０の範囲において円錐状に形成されているか、または平坦状に形成されていてよい。主弁座１０が円錐状に形成されている場合、閉鎖部材７の弁座範囲に、ある程度の曲率半径を付与することが有利である。この半径は、主弁座１０が、曲率により生ぜしめられる球セグメントに対する接線を成すような大きさに形成されている。これにより、閉鎖部材７が軽度に傾倒した場合でも、主弁座１０における信頼性の良いシールを達成することができる。

本発明による弁装置１は、特に少数の、ジオメトリ的（幾何学的）に単純に製造され得る構成部分を有している。本発明による弁装置１の可動の構成部分は、別個の構成アッセンブリにまとめることができる。この構成アッセンブリはその他の弁コンポーネントとは別個に組み立てられて、引き続きハウジング２０内に挿入される。この場合、特に弁行程の簡単な調整ならびにばねのプリロード力の簡単な調整が実現されるので有利である。

極めて小さなハイドロリック的な力と、極めて小さな運動質量とにより、本発明による弁装置１は高い噴射圧においても高い切換動作特性を提供することができる。

弁装置１のモジュール構造に基づき、特に、さらに高められた噴射圧を用いる将来的な使用目的に対しても、簡単な適応化が可能となる。したがって、個々の構成部分、たとえばノズルを、弁座直径の変更および／または噴射孔の個数の変更および／または噴射孔の幾何学的形状の変更によって、固有の要求に応じて極めて廉価に適合させかつ交換することができる。

本発明による弁装置１はさらに、公知先行技術のシリーズ型の噴射弁を製造する場合とほぼ同様の組立てプロセスを可能にするので、相応して噴射弁のシリーズ生産のために適している。さらに、本発明による弁装置１は、現在入手可能な既存の高圧噴射弁に対する取付け適合性の点ですぐれている。

Claims (12)

1. 燃料高圧噴射のための弁装置において、
   −パイロット弁ニードル（５）とパイロット弁座（９）と圧力室（１８）とを備えたパイロット弁（３）が設けられており、
   −パイロット弁ニードル（５）を操作するための電磁式のアクチュエータ（２１）が設けられており、
   −少なくとも１つの噴射孔（１１ａ）と閉鎖部材（７）と支持ピストン（２０ａ）と圧力補償室（１３）とを備えた主弁（４）が設けられており、閉鎖部材（７）が、支持ピストン（２０ａ）を収容するために収容室（７ａ）を有しており、閉鎖部材（７）の該収容室（７ａ）内に圧力補償室（１３）が形成されており、
   −パイロット弁座（９）が前記閉鎖部材（７）に形成されており、主弁（４）の開放のために必要となる開放力を減少させるために、パイロット弁（３）が、前記圧力室（１８）と前記圧力補償室（１３）との間の接続を形成する
   ことを特徴とする、燃料高圧噴射のための弁装置。
2. パイロット弁（３）と主弁（４）と電磁式のアクチュエータ（２１）の磁気アーマチュア（２４）とが、予め組立て可能な１つの構成アッセンブリを形成している、請求項１記載の燃料高圧噴射のための弁装置。
3. 前記閉鎖部材（７）に連動部分（１５）が配置されており、該連動部分（１５）が、パイロット弁（３）の開放後に、主弁（４）を開放するためにパイロット弁ニードル（５）と接触させられるようになっている、請求項１または２記載の燃料高圧噴射のための弁装置。
4. 支持ピストン（２０ａ）が、噴射孔（１１ａ）に向けられたクラウニング状の面（２０ｂ）を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃料高圧噴射のための弁装置。
5. 前記閉鎖部材（７）の閉鎖直径が、支持ピストン（２０ａ）の外径よりも０．３ｍｍ〜０．７ｍｍだけ大きく形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料高圧噴射のための弁装置。
6. 前記閉鎖部材（７）の閉鎖直径が、支持ピストン（２０ａ）の外径よりも最大０．５ｍｍだけ大きく形成されている、請求項５記載の燃料高圧噴射のための弁装置。
7. 電磁式のアクチュエータ（２１）が、内側磁極（２５）を有しており、該内側磁極（２５）が、当該弁装置のハウジング（２０）内にプレス嵌めによって配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃料高圧噴射のための弁装置。
8. 内側磁極（２５）内にプレス嵌めによって調節スリーブ（２６）が配置されており、該調節スリーブ（２６）が、閉鎖ばね（８）と接触しており、内側磁極（２５）内での該調節スリーブ（２６）の位置が、前記閉鎖ばね（８）の閉鎖力を規定している、請求項７記載の燃料高圧噴射のための弁装置。
9. 支持ピストン（２０ａ）と前記閉鎖部材（７）との間にギャップシール（１６）が設けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載の燃料高圧噴射のための弁装置。
10. 支持ピストン（２０ａ）が、噴射孔（１１ａ）に向けられた側に、広幅の面取り部（２０ｃ）を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の燃料高圧噴射のための弁装置。
11. 前記連動部分（１５）が、前記閉鎖部材（７）に結合されたスリーブである、請求項１から１０までのいずれか１項記載の燃料高圧噴射のための弁装置。
12. パイロット弁ニードル（５）にスリーブ（１２ａ）を介して支持された第２の閉鎖ばね（６）が設けられており、該第２の閉鎖ばね（６）が、前記閉鎖部材（７）を主弁座（１０）に押圧するために、前記閉鎖部材（７）に力を加えている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の燃料高圧噴射のための弁装置。

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