JP5627656B2 - 内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するためのインジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式のインジェクタ、すなわち内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するためのインジェクタ、特にコモンレールインジェクタであって、高圧範囲が設けられており、さらに閉鎖位置と、燃料流を解放する開放位置との間で軸方向に調節可能な弁エレメントが設けられている形式のものに関する。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１００２４７０３号明細書に基づき、コモンレールインジェクタが公知である。このコモンレールインジェクタを用いると、内燃機関の、当該コモンレールインジェクタに対応配置された燃焼室内に燃料を直接に噴射することができる。このためには、ハウジング内に単一部分から成る弁エレメントが配置されている。この弁エレメントは、全体的に弁エレメントの開放方向に作用する受圧面を有している。弁エレメントの反対の側の端部には、閉鎖方向に作用する制御面が設けられており、この制御面は制御室を画定している。閉鎖方向に作用する制御面は、弁エレメントが開放された状態で開放方向に作用する受圧面よりも全体的に大きく形成されている。この公知のインジェクタにおいて不都合となるのは、弁エレメントが単一部分から形成されていることに基づいて、狭い製作誤差が維持されなければならず、かつ１つの構成部分につき種々異なる直径区分が実現されなければならないことである。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０７２２７号明細書に基づき公知のコモンレールインジェクタの弁エレメントは２つの部分から形成されている。両構成部分（制御ロッドおよびノズルニードル）はインジェクタの低圧範囲に常時接続されている低圧室内で互いに接触している。この低圧室の内部では、ハイドロリック的な閉鎖力を高めるために、弁エレメントの直径段部が実現されている。この公知のインジェクタにおいて不都合となるのは、高い漏れ損失である。この高い漏れ損失は不可避に発生する。なぜならば、低圧室が２つの軸方向で案内ギャップを介してインジェクタの高圧範囲に接続されているので、燃料が低圧室（インジェクタ低圧範囲の一部）に流入しかつ低圧室から戻し管路へ流入し得るからである。

本願の出願後に公開されたドイツ連邦共和国特許出願第１０２０５０３４５９９号明細書に基づき公知のインジェクタでは、弁エレメントが２つの部分から形成されている。両構成部分（制御ロッドおよびノズルニードル）は１つのカップラ室を介してハイドロリック的に互いに接続されている。カップラ室はインジェクタの低圧範囲に接続されていないので、カップラ室の内部には同じく高い燃料圧が生ぜしめられる。ハイドロリック的なカップリングにより、ノズルニードルは制御ロッドの制御された運動に従動するようになる。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１００２４７０３号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０７２２７号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願第１０２０５０３４５９９号明細書

本発明の根底を成す課題は、構造的に単純に形成されていて、しかも廉価に製造可能となるようなインジェクタを提案することである。

この課題は、請求項１の特徴部に記載の特徴を有するインジェクタ、すなわち弁エレメントが、第１の部分エレメントと、少なくとも１つの別個の第２の部分エレメントとを有しており、第１第２の両部分エレメントが、カップラ室を介してハイドロリック的に互いにカップリングされており、該カップラ室が、一方の軸方向でのみ、当該インジェクタの高圧範囲にハイドロリック的に接続されていることを特徴とする、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するためのインジェクタにより解決される。請求項２以下には、有利な改良形が記載されている。さらに、発明の詳細な説明、図面および／または特許請求の範囲に記載の特徴のうちの少なくとも２つの特徴から成るあらゆる組合せが本発明の枠内にある。

本発明の根底を成す思想は、弁エレメントを複数の部分から形成すること、特に制御室と協働する制御ロッドと、ニードルシートと密に協働する、軸方向で隣接したノズルニードルとを備えた弁エレメントを形成することであり、この場合、弁エレメントの両部分エレメントは互いに固く結合されているのではなく、ハイドロリック式のカップラを介して互いにカップリングされている。カップラ室は、このカップラ室が、唯一つの軸方向の案内ギャップもしくはシールギャップを介してしかインジェクタの高圧範囲にハイドロリック的に接続されないように形成されている。「高圧範囲」とはこの場合、少なくとも一時的に少なくともほぼレール圧に相当する圧力が生ぜしめられる全ての範囲、すなわちインジェクタの室および通路を意味する。カップラ室は燃料で充填されており、この場合、カップラ室の内部には有利には同じく少なくともほぼレール圧に相当する圧力が加えられている。漏れ損失を最小限に抑えるためには、必要に応じて、低圧段を完全に不要にすることができる。カップラ室が２つの軸方向ではなく、一方の軸方向でのみ、インジェクタの高圧範囲に案内ギャップを介してハイドロリック的に接続されていることにより、製作コストを減少させることができる。なぜならば、狭い許容誤差を有する２つの協働し合う案内面を２回製作しなくても済むからである。本発明による構成のさらに別の利点は、１つの軸方向ギャップしか設けられていないので、弁エレメントの制御時における、特に高圧下にあるカップラ室内への漏れ損失が減じられることにある。

弁エレメントを複数の部分から形成することにより、インジェクタを設計する際の自由度は著しく高められる。なぜならば、各部分エレメントがインジェクタ内部の各個所に最適に適合されるからである。たとえば、使用される材料および寸法を適宜に設定することにより、弁エレメントの弾性特性を、規定された使用範囲に最適に適合させることができる。さらに、弁エレメントの製作は全体的に著しく簡単となる。なぜならば、一定の直径を有する部分をも使用することができるからである。このことは、一層単純な部分を備えたインジェクタの単純な構造を可能にし、このことは一方では製作を容易に、他方では小さな構造を可能にする。ハイドロリック式のカップラのさらに別の利点は、許容誤差の補償である。このことは製作および組付けを簡単にする。さらに、ハイドロリック式のカップリングにより、ある程度の運動減衰が実現される。

本発明の改良形では、有利にはカップラ室がスリーブによって実現されている。このスリーブは、カップラ室によって互いにカップリングされた両部分エレメントのうちの一方の部分エレメントに案内されていて、それぞれ他方の部分エレメントの方向でばね力負荷されている。この部分エレメントと、この部分エレメントを案内するスリーブとの間には、軸方向で唯一つの軸方向のシールギャップもしくはガイドギャップが形成されている。このシールギャップもしくはガイドギャップを介して、カップラ室はインジェクタの圧力範囲にハイドロリック的に接続されている。スリーブの端面はそれぞれ他方の部分エレメントもしくはこの部分エレメントに設けられた当付け面に接触しているので、スリーブと当付け面との間には、シール範囲が形成される。唯一つの軸方向ギャップしか設けられておらず、これにより制御時にカップラ室に流入する燃料量は減じられていることに基づき、シールスリーブの開放を不要にすることができる。すなわち両部分エレメントのうちの一方の部分エレメントに設けられた当付け面からのシールスリーブ端面の持ち上がりを不要にすることができる。これにより、インジェクタの機能安全性は高められる。

スリーブに軸方向で作用するばねは、該ばねが、開放方向で、燃焼室から遠い方の部分エレメント、特に制御ロッドに作用するように配置されていると有利である。このばねに抗して閉鎖ばねが作用する。この場合、閉鎖ばねのばね力は、スリーブばねのばね力よりも大きく形成されているので、差ばね力だけが閉鎖位置に作用し、このことはインジェクタの制御に好都合に作用する。

本発明のさらに別の有利な改良形では、スリーブが別個の構成部分として形成されているのではなく、第１の部分エレメントまたは第２の部分エレメントにワンピースに、つまり一体に形成されている。したがって、端面側のシール面ならびに１つの別個の構成部分が不要となり、このことはやはり組付け性および製造コストに好都合に作用する。スリーブが第１の部分エレメントまたは第２の部分エレメントに一体に形成されていることにより、カップラ室は第１の部分エレメントおよび／または第２の部分エレメントの内部に位置している。言い換えれば、両部分エレメントは軸方向で互いに内外に移動可能に案内されており、この場合、この実施態様では、両部分エレメントの間に唯一つの軸方向ギャップが形成されている。この構造により、軸方向で両部分エレメントの間に、それぞれ向かい合って位置する端面に支持されるばねを配置することが可能となる。このばねのばね力は、該ばね力が、両部分エレメントのうちのいずれか一方の部分エレメントに作用する閉鎖ばねのばね力よりも小さくなるように設定されている。

燃焼室から遠い方の部分エレメント、特に制御ロッドのための軸方向ストッパが設けられていると有利である。これにより、休止状態においてノズルシートにノズルニードルが載置されている場合に両部分エレメントの間にはギャップが生じる。これにより、ニードルシートにおける当接質量は減じられる。なぜならば、全ての弁エレメントがニードルシートに押圧されるのではなく、ノズルニードルだけがニードルシートに押圧されるに過ぎないからである。

本発明のさらに別の利点、特徴および詳細は、以下に図面につき説明する有利な実施例に記載されている。

スリーブによって画定されたカップラ室を介してハイドロリック的に互いにカップリングされている制御ロッドとノズルニードルとを有する弁エレメントを備えたインジェクタであって、スリーブが軸方向で制御ロッドの当付け面に支持されている実施例を示す縦断面図である。 制御ロッドと、該制御ロッドにハイドロリック的にカップリングされたノズルニードルとを有する弁エレメントを備えたインジェクタであって、カップラ室を画定するスリーブが軸方向でノズルニードルの当付け面にばね力負荷されている実施例を示す縦断面図である。 制御ロッドとノズルニードルとを有する弁エレメントを備えたインジェクタであって、ハイドロリック式のカップラ室が制御ロッドの内部に形成されていて、ノズルニードルが軸方向で制御ロッドの内部に案内されている実施例を示す縦断面図である。 制御ロッドとノズルニードルとを有する弁エレメントを備えたインジェクタであって、ノズルニードルが制御ロッドの内部に案内されていて、制御ロッドに比べて著しく小さな質量を有している実施例を示す縦断面図である。

図面中、同一の構成部分および同一機能を有する構成部分は同じ符号で示されている。

図１には、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するためのコモンレールインジェクタ１が図示されている。コモンレールインジェクタ１には、高圧供給管路２を介して燃料高圧アキュムレータ３（レール）から高い圧力（約１８００〜２０００バール）下にある燃料、特にディーゼルオイルまたはガソリンが供給される。燃料高圧アキュムレータ３には、特にラジアルピストンポンプとして形成された高圧ポンプ４から、低圧レベルにあるリザーバタンク５から燃料が供給される。コモンレールインジェクタ１は低圧範囲６を有しており、この低圧範囲６は戻し管路７を介してリザーバタンク５にハイドロリック的に接続されている。コモンレールインジェクタ１の低圧範囲６内の圧力は運転状態に応じて約０〜１０バールである。コモンレールインジェクタ１は制御室８を有しており、この制御室８からは戻し管路７を介して燃料制御量が導出されて、高圧ポンプ４を介して高圧循環路に再び供給される。

コモンレールインジェクタ１はインジェクタボディ９とノズルボディ１０とを有している。この場合、インジェクタボディ９とノズルボディ１０とは、インジェクタボディ９と螺合可能となるノズル緊締ナット（図示しない）を介して互いに緊締可能である。図示されていないノズル緊締ナットはノズルボディ１０によって軸方向に貫通されている。

ノズルボディ１０の内部には、段付き孔１１が設けられている。この段付き孔１１は軸方向においてインジェクタボディ９に設けられた孔１２に続いている。段付き孔１１と孔１２との内部には、コモンレールインジェクタ１の高圧範囲に属する圧力室１３が形成されている。この圧力室１３内には、軸方向で弁エレメント１４が長手方向に移動可能に案内されている。弁エレメント１４は、端面１５によって制御室８を仕切る制御ロッド１６と、軸方向で燃焼室に向かって隣接したノズルニードル１７とを有している。ノズルニードル１７のニードル先端部１８は閉鎖面１９を有しており、この閉鎖面１９によってノズルニードル１７はノズルボディ１０の内部に形成されたニードルシート２０に密に当付け可能となる。

ノズルニードル１７がニードルシート２０に接触していると、すなわちノズルニードル１７が閉鎖位置に位置していると、ノズル孔配列２１からの燃料流出は遮断されている。それに対してノズルニードル１７がニードルシート２０から持ち上げられていると、燃料は環状室として形成された圧力室１３からニードルシート２０の傍らを通ってノズル孔配列２１へ流入して、ほぼ高圧（レール圧）を維持したまま燃焼室（図示しない）内に噴射され得る。

ノズルニードル１７は軸方向区分２２において多角形に輪郭付けされていて、ノズルボディ１０の円形に輪郭付けされた段付き孔壁に案内されているので、全周にわたって均一に分配された複数の軸方向通路２３が形成されている。弁エレメント１４が開放された状態において燃料は圧力室１３内で高圧供給管路２の開口範囲から軸方向で前記軸方向通路２３を通ってノズル孔配列２１にまで流れることができる。

軸方向区分２２の下端部には、ほぼ円錐状に加工成形された受圧面２４が形成されている。この受圧面２４には開放方向で押圧力が作用する。

この開放力に抗して、制御室８内部の端面１５には一時的に閉鎖力が作用する。制御室８はスリーブ状の構成部分２６内部の流入絞り２５を介して圧力室１３にハイドロリック的に接続されている。スリーブ状の構成部分２６により半径方向で仕切られた制御室８は流出絞り２７を介して低圧範囲６に接続可能である。流出絞り２７を有する流出通路２８を通じて燃料は一時的に低圧室６内に流出することができる。流出通路２８はこの場合、円筒状プレート２９を貫いて貫通案内されている。スリーブ状の構成部分２６は閉鎖ばね３０によって軸方向でプレロードもしくは予荷重をかけられて、コモンレールインジェクタ１の内部に締付け固定された円筒状プレート２９に押圧されている。このためには、閉鎖ばね３０が、制御ロッド１６に設けられた周方向つば３１に軸方向で支持されており、これにより制御ロッド１６には常時、閉鎖力が作用している。

燃料が制御室８から低圧範囲６へ流出するようにし、これによって制御ロッド１６の端面１５に作用する押圧力が減じられるようにするためには、制御弁３２が設けられている。この制御弁３２は電磁式のアクチュエータ３３を有しており、このアクチュエータ３３はアーマチュアプレート３４と協働する。このアーマチュアプレート３４は弁体３５に固く結合されている。この弁体３５は軸方向で弁ボール３６に力負荷作用を加えている。アクチュエータ３３が通電されると、弁体３５、ひいては弁ボール３６が、円筒状プレート２９に形成された弁座から持ち上げられるので、燃料は流出絞り２７を介して制御室８から低圧範囲６へ流出し、さらに低圧範囲６から戻し管路７を介して流出することができる。流入絞り２５の通流横断面と、流出絞り２７の通流横断面とは、圧力室１３から制御室８内への流入が、制御室８から低圧範囲６への流出よりも弱くなるように、ひいては制御弁３２が開放された状態で制御室８からの燃料の正味流出量（Nettoabfluss）が生ぜしめられるように互いに調和されている。その結果生ぜしめられる、制御室８内の圧力降下に基づき、閉鎖力の値は開放力の値よりも下へ低下し、弁エレメント１４はニードルシート２０から持ち上げられる。

制御ロッド１６とノズルニードル１７とは、ハイドロリック式のカップラ室３８を介してハイドロリック的にのみ互いにカップリングされている。これにより、ノズルニードル１７は制御ロッド１６の開放運動および閉鎖運動に従動する。カップラ室３８を画定しているスリーブ３９の内部でのノズルニードル１７の直径Ｄ１は、制御ロッド１６の、スリーブ状の構成部分２６内に案内された直径Ｄ２よりも小さく形成されている。コモンレールインジェクタ１の低圧範囲６に対する接続を有していないカップラ室３８は燃料で満たされていて、圧力室１３の半径方向内側に配置されているので、カップラ室３８の内部にもほぼレール圧が形成される。カップラ室３８は半径方向でスリーブ３９によって画定されている。このスリーブ３９の内部には、軸方向摺動可能にノズルニードル１７が案内されている。ノズルニードル１７とスリーブ３９との間には、円形に輪郭付与された軸方向ギャップ４０（案内ギャップもしくはシールギャップ）が形成されている。この軸方向ギャップ４０は唯一つの案内ギャップであり、この案内ギャップを介して、カップラ室３８は高圧範囲、特に圧力室１３に接続されている。

スリーブ３９は、ノズルボディ１０内部の段付き孔１１に設けられた環状肩部４２に軸方向で支持されたコイルばね４１によって、軸方向において制御ロッド１６の、端面１５とは反対の側に位置する端面４４に設けられた当付け面４３へばね力負荷されている。当付け面４３はこの場合、制御ロッド１６に設けられた、半径方向に拡幅された段部４５に形成されている。コイルばね４１のばね力に基づき、スリーブ３９は当付け面４３に密に接触している。コイルばね４１はスリーブ３９を介して制御ロッド１６を開放方向に、閉鎖ばね３０のばね力に抗して作用するばね力で負荷している。この場合、コイルばね４１は閉鎖ばね３０よりも弱く設計されているので、全体的には閉鎖方向において弁エレメント１４への小さな合成ばね力が常時作用している。閉鎖ばね３０はコイルばね４１よりも強力に設計されているので、噴射過程の後に閉鎖ばね３０の大きなばね力を介して制御ロッド１６の戻しが行われ、これによりスリーブ３９の開放なしに、すなわち当付け面２３からのスリーブ３９の引き離れなしに、制御ロッド１６が戻されることが保証されている。ノズルニードル１７の閉鎖速度を最適化するためには、たとえば軸方向区分２２の範囲に小さな燃料絞りを設けることができる。

次に、図２に示した実施例を詳しく説明する。ただし、図１に示した実施例に対する相違点についてのみ説明する。重複を避けるために、共通の事項については前述した説明を参照するものとする。

図２には、図面を見易くするという理由から燃料循環路が部分的にしか図示されていない。図示の実施例では、カップラ室３８がやはりスリーブ３９によって画定されている。しかし、コイルばね４１は段付き孔１１に設けられた環状肩部に支持されているのではなく、制御ロッド１６の半径方向に拡幅された区分４６に支持されている。これにより、スリーブ３９は軸方向でノズルニードル１７に設けられた、燃焼室とは反対の側の当付け面４７へばね力負荷される。この当付け面４７は弁ニードル１７の、半径方向に拡幅された区分４８に形成されている。

制御ロッド１６の区分４６はノズルボディ１０に対する制御ロッド１６のための軸方向ストッパを形成しているので、図示の休止状態（ノズルニードル１７はニードルシート２０に載着されており、制御室８は制御弁３２の閉鎖状態で高圧によって負荷されている）では、ノズルニードル１７と制御ロッド１６との間にはギャップ４９が形成されている。圧力室１３内部で軸方向においてニードルシート２０にまでの燃料の通流を保証するために、前記区分４６の内部には複数の軸方向の貫通孔５０が設けられている。ストッパ（区分４６）を設けることにより、ニードルシート２０における弁エレメントの当接質量は減じられる。なぜならば、閉鎖運動の終了時に弁エレメント１４全体がニードルシート２０に当接するわけではないからである。このことから、低減された摩耗が得られる。

カップラ室３８をハイドロリック的に圧力室１３に接続する唯一つの軸方向ギャップ４０は、制御ロッド１６と、この制御ロッド１６に案内されたスリーブ３９との間に形成されている。

図３に示した実施例では、カップラ室３８を画定する別個のスリーブが設けられていない。カップラ室３８は制御ロッド１６の内部に形成されている。ノズルニードル１７は制御ロッド１６に設けられたスリーブ状の突出部５１内に案内されている。コイルばね４１は軸方向において一方ではノズルボディ１０に設けられた環状肩部４２に支持されており、他方ではスリーブ状の突出部５１の端面側に支持されており、これにより制御ロッド１６は開放方向でばね力負荷される。この場合にも、コイルばね４１は、同じく制御ロッド１６に作用する閉鎖ばね３０よりも弱く設計されている。カップラ室３８を高圧範囲に接続する唯一つの軸方向ギャップ４０は、図示の実施例ではノズルニードル１７の外面と、スリーブ状の突出部５１の内周面との間に形成されている。

ノズルニードル１７に作用する横方向力を減少させるためには、図３に図示した構成とは異なり、制御ロッド１６をノズルボディ１０の内部で軸方向に案内することが考えられる。

図４に示した実施例では、カップラ室３８が、図３に示した実施例と同様に、制御ロッド１６に設けられたスリーブ状の突出部５１の内部に形成されている。この場合、制御ロッド１６の多角形に輪郭付与された軸方向区分２２は、ノズルボディ１０の内部で軸方向に案内されており、これによりノズルニードル１７に作用する横方向力が回避される。ノズルニードル１７は制御ロッド１６よりも著しく小さく形成されており、これによりニードルシート２０には小さな質量しか生ぜしめられない。コイルばね４１は一方では制御ロッド１６に、他方ではノズルニードル１７にそれぞれ支持されている。図示の休止状態では、制御ロッド１６とノズルニードル１７との間にギャップ４９が設けられている。

１ コモンレールインジェクタ
２ 高圧供給管路
３ 燃料高圧アキュムレータ
４ 高圧ポンプ
５ リザーバタンク
６ 低圧範囲
７ 戻し管路
８ 制御室
９ インジェクタボディ
１０ ノズルボディ
１１ 段付き孔
１２ 孔
１３ 圧力室
１４ 弁エレメント
１５ 端面
１６ 制御ロッド
１７ ノズルニードル
１８ ノズル先端部
１９ 閉鎖面
２０ ニードルシート
２１ ノズル孔配列
２２ 軸方向区分
２３ 軸方向通路
２４ 受圧面
２５ 流入絞り
２６ スリーブ状の構成部分
２７ 流出絞り
２８ 流出通路
２９ 円筒状プレート
３０ 閉鎖ばね
３１ 周方向つば
３２ 制御弁
３３ アクチュエータ
３４ アーマチュアプレート
３５ 弁体
３６ 弁ボール
３８ カップラ室
３９ スリーブ
４０ 軸方向ギャップ
４１ コイルばね
４２ 環状肩部
４３ 当付け面
４４ 端面
４５ 段部
４６ 半径方向に拡幅された区分
４７ 当付け面
４８ 半径方向に拡幅された区分
４９ ギャップ
５０ 貫通孔
５１ 突出部

Claims (3)

1. 内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するためのインジェクタ（１）であって、高圧範囲が設けられており、さらに閉鎖位置と、燃料流を解放する開放位置との間で軸方向に調節可能な弁エレメント（１４）が設けられている形式のものにおいて、弁エレメント（１４）が、第１の部分エレメント（１６）と、少なくとも１つの別個の第２の部分エレメント（１７）とを有しており、第１第２の両部分エレメントが、カップラ室（３８）を介してハイドロリック的に互いにカップリングされており、該カップラ室（３８）が、一方の軸方向でのみ、当該インジェクタ（１）の高圧範囲にハイドロリック的に接続されており、カップラ室（３８）が、当該インジェクタ（１）の高圧範囲にのみ接続されており、第１の部分エレメント（１６）が、制御室に作用接続された制御ロッド（１６）として形成されており、第２の部分エレメント（１７）が、ニードルシート（２０）と密に協働するノズルニードル（１７）として形成されており、カップラ室（３８）が、制御ロッド（１６）の内部に形成されており、ノズルニードル（１７）が、制御ロッド（１６）に設けられたスリーブ状の突出部（５１）内に案内されており、第１の部分エレメント（１６）のための軸方向ストッパ（４６）が設けられており、休止状態で両部分エレメント（１６，１７）の互いに向かい合わされた端面の間にギャップが設けられていることを特徴とする、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するためのインジェクタ。
2. カップラ室（３８）を高圧範囲に接続する唯一つの軸方向ギャップ（４０）が、ノズルニードル（１７）の外面と、スリーブ状の突出部（５１）の内周面との間に形成されている、請求項１記載のインジェクタ。
3. 休止状態で、制御ロッド（１６）とノズルニードル（１７）との間にギャップ（４９）が設けられている、請求項１または２記載のインジェクタ。

Images