JP5656385B2 - 噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、媒体を噴射するための噴射装置に関する。

さらに、本発明は、噴射装置によって媒体を噴射するための方法に関する。

噴射装置は、公知先行技術に基づき種々異なる構成で公知である。この場合、噴射装置による、燃焼室内での燃焼に対して最適な燃料・空気混合物（通常、噴霧と呼ばれる）の形成が特に重要となる。しかし、このような形式の噴射装置は極めて手間を要し、特に高価である。なぜならば、噴霧調整のために、ハイドロリック圧エネルギを運動エネルギに変換するための高いシステム圧が形成されるかまたは、択一的な方法では、噴霧形成が高周波の衝撃波によって行われるからである。

したがって、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００６０２６１５３号明細書には、ピエゾアクチュエータを介して発生させられる高周波の衝撃波による噴霧形成が記載されている。この場合、アクチュエータは、噴射したい媒体内に位置している。規定された火花放電を介した衝撃波発生時にも、衝撃波励起手段が、噴射したい媒体内に位置している。さらに、この場合、噴射したい媒体の一部が、極端に高い温度にさらされる。衝撃波発生のために使用されるアクチュエータと、噴射したい媒体との接触は、この媒体とアクチュエータとの間の相互作用に繋がり得る。この相互作用は、噴射したい媒体だけでなくアクチュエータにも化学的にまたは物理的に損害を与え得る。さらに、噴霧の品質が、火花放電のためのアクチュエータの場合だけでなく、ピエゾアクチュエータの場合にも、噴霧フロントの液滴サイズ分配および速度に関して満足のいくものとならない。

したがって、前述した解決手段は、たとえば最近のディーゼルエンジンで使用することができるようにするために不十分にしか適していない。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００６０２６１５３号明細書

したがって、本発明の課題は、冒頭で述べた形式の噴射装置を改良して、噴射装置を簡単にかつ廉価に製作し、媒体とアクチュエータとの間の相互作用を阻止し、噴霧品質を向上させるようにすることである。

この課題を解決するために本発明の噴射装置では、弁座でシーリングする弁部材を備えた弁アッセンブリが設けられており、該弁アッセンブリが、噴射したい媒体内に配置されており、アクチュエータと、ピストンと、戻しエレメントとを備えたアクチュエータ装置が設けられており、衝撃伝達装置が設けられており、該衝撃伝達装置が、弁アッセンブリとアクチュエータ装置との間に配置されていて、弁アッセンブリをアクチュエータ装置から流体密に分離していて、該アクチュエータ装置によって発生させられた衝撃を、噴射したい媒体に伝達するようになっており、これによって、弁アッセンブリが開放され、媒体が噴射されるようになっているようにした。

本発明の噴射装置の有利な実施態様によれば、アクチュエータ装置が、さらに、伝達室を有しており、該伝達室が、ピストンと衝撃伝達装置との間に配置されている。

本発明の噴射装置の有利な実施態様によれば、伝達室が、真空を有しているかまたは液体で充填されている。

本発明の噴射装置の有利な実施態様によれば、弁アッセンブリが、支承装置を有しており、該支承装置が、噴射したい媒体内に配置されていて、弁部材を支承している。

本発明の噴射装置の有利な実施態様によれば、弁部材が、可逆的に変形可能であり、発生させられた衝撃によって変形させられ、これによって、弁座から持ち上げられ、媒体が噴射されるようになっている。

本発明の噴射装置の有利な実施態様によれば、弁部材が、変形可能な多数のアームを有している。

本発明の噴射装置の有利な実施態様によれば、弁部材が、アームによって、支承装置に設けられた支承エレメントに支承されている。

本発明の噴射装置の有利な実施態様によれば、弁部材が、正確に４つのアームを有しており、該アームが、９０゜の角度間隔を置いて配置されている。

本発明の噴射装置の有利な実施態様によれば、支承装置に設けられた支承エレメントが、調節可能に形成されている。

本発明の噴射装置の有利な実施態様によれば、弁部材が、外向きに開放する弁部材である。

本発明の噴射装置の有利な実施態様によれば、弁部材が、円錐面を有している。

本発明の噴射装置の有利な実施態様によれば、衝撃伝達装置が、特にケブラーから成るダイヤフラムを有しているかまたは伝達ピストンを有している。

本発明の噴射装置の有利な実施態様によれば、アクチュエータが、電磁石である。

さらに、前記課題を解決するために本発明の方法では、噴射装置が、噴射したい媒体内に配置された弁アッセンブリと、アクチュエータ装置と、弁アッセンブリとアクチュエータ装置との間に配置された衝撃伝達装置とを有しており、該衝撃伝達装置が、弁アッセンブリをアクチュエータ装置から流体密に分離しており、該アクチュエータ装置によって発生させられた衝撃を衝撃伝達装置を介して媒体に伝達し、その後、弁アッセンブリに伝達し、これによって、媒体の噴射を実施するようにした。

請求項１の特徴を備えた本発明による噴射装置は従来のものに比べて、この噴射装置が、より簡単なジオメトリおよび構造を有していて、これに相応して、簡単にかつ廉価に製作され得るだけでなく、より均質な改善された噴霧も発生させるという利点を有している。これは、本発明によれば、噴射装置が衝撃伝達装置を有しており、この衝撃伝達装置が、弁アッセンブリとアクチュエータ装置との間に配置されていて、媒体に接触している弁アッセンブリをアクチュエータ装置から流体密に分離していることによって達成される。媒体内に配置されていないアクチュエータ装置の簡単な構造は、媒体とアクチュエータとの間の万が一の相互作用を阻止し、衝撃伝達装置による最適化された衝撃伝達を可能にする。このことは、噴射したい一層均質な噴霧に繋がり、ひいては、より低い燃料消費率および削減されたエミッションを伴う改善された燃焼に繋がる。

従属請求項には、本発明の有利な改良態様が示してある。

アクチュエータ装置が、さらに、伝達室を有しており、この伝達室が、ピストンと衝撃伝達装置との間に配置されていると特に有利である。これによって、衝撃伝達装置への特に簡単で廉価なかつ機能安全な衝撃伝達を達成することができる。

本発明の別の有利な構成によれば、伝達室が、真空を有しているかまたは液体で充填されている。こうして、アクチュエータ装置のピストンの可能な限り低損失のかつ迅速な運動および衝撃伝達が実現される。

噴射装置が、弁座でシーリングする弁部材を備えた弁アッセンブリ、支承エレメントならびにアクチュエータと、ピストンと、戻しエレメントとを備えたアクチュエータ装置を有していると有利である。衝撃伝達装置は、アクチュエータ装置によって発生させられた衝撃を、噴射したい媒体に伝達する。この噴射したい媒体内に配置された弁アッセンブリに対するアクチュエータ装置の流体密な配置によって、噴射のために必要となる衝撃の、相互作用なしのかつ運転安全な発生が保証される。

弁部材が、可逆的に変形可能に形成されていて、発生させられた衝撃によって変形させられ、弁座から持ち上げられ、これによって、媒体が噴射されると特に有利である。選択された構造によって、構成部材最小化および更なるコスト節約が実現可能となる。さらに、弁部材に用いられる別個の戻しエレメントを省略することができる。

弁部材が、変形可能な多数のアームを有していると有利である。これによって、弁部材の均一なかつ終始不変の機能が確保される。アームは弁部材の再現可能な可逆的な変形を引き受けることができる。

弁部材が、アームによって支承エレメントに支承されていると特に有利である。このことは、支承エレメントでの多重のかつより均一な支持が達成されるという利点を有している。

別の有利な構成によれば、弁部材が、正確に４つのアームを有しており、これらのアームが、９０゜の角度間隔を置いて配置されている。これに相応して、弁開放を弁部材と支承エレメントとの間の４つの接触点を介して対称的にもしくは軸方向に精密に調整することができる。さらに、アームの均一な変形を得ることができる。

弁部材が、外向きに開放する弁部材であると有利である。このことは、この構成によって、改善された開放特性、閉鎖特性およびシーリング特性を実現することができるという利点を有している。

弁部材が、円錐面を有していると特に有利である。この幾何学的な構成は、衝突する衝撃波に対して特に有利であり、これによって、改善された噴霧が形成される。

別の有利な構成によれば、衝撃伝達装置が、ダイヤフラムまたは伝達ピストンを有している。ダイヤフラムは、特に弁アッセンブリとアクチュエータ装置との間の廉価で運転安全なかつ永続的なシーリングを行うことができるという利点を有している。ダイヤフラムは、有利にはケブラーから製作されている。

アクチュエータが、電磁石から形成されていると特に有利である。この電磁石は、公知先行技術で使用される圧電素子よりも著しく簡単であると共に廉価である。

本発明は、噴射したい媒体内に配置された弁アッセンブリと、アクチュエータ装置と、弁アッセンブリとアクチュエータ装置との間に配置された衝撃伝達装置とを有する噴射装置によって媒体を噴射するための方法に関する。アクチュエータ装置によって発生させられた衝撃は、衝撃伝達装置を介して媒体に伝達され、その後、弁アッセンブリに伝達され、これによって、媒体の噴射が実施される。この方法は、簡単にかつ廉価に実施可能であり、噴射装置の極めて簡単な構造を可能にする。衝撃伝達装置によって、衝撃伝達のほかに、同時にアクチュエータ装置と弁アッセンブリとの流体密な分離も可能となる。

閉鎖された状態における本発明による噴射装置の構造の概略的な断面図である。 開放された状態における本発明による噴射装置の構造の概略的な断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った弁エレメント（１０）の断面図である。

以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。

以下に、図１〜図３に相俟って第１の実施例による本発明による噴射装置を詳しく説明する。

図１には、閉鎖された状態における噴射装置１の概略的な断面図が示してある。この噴射装置１は、第１のハウジング部材２６内に、シーリングする弁部材１１を備えた弁アッセンブリ１０と、４つの支承エレメントを備えた支承装置１２とを有している。図１から明らかであるように、弁アッセンブリ１０は、調量室１６内で、噴射したい媒体Ｍ内に配置されている。この媒体Ｍは供給通路２８を通して供給される。

弁部材１１は弁座１３に配置されていて、円錐面１５を有している。さらに、弁部材は、丸み付けられた後方の端部１１ａと、複数のアーム１４とを有している。これらのアーム１４のうち、この断面図には、ただ２つのアーム１４しか可視に示していない。

図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った弁アッセンブリ１０の断面図である図３から明らかであるように、弁部材１１は、この実施例では、有利には４つのアーム１４を有している。これらのアーム１４は周方向側に９０゜の角度間隔を置いて配置されている。

支承装置１２は弁部材１１をアーム１４で支承していて、調整可能に形成されている。支承装置１２の各支承エレメントの調整可能性によって、弁部材１１の閉鎖された状態でのアーム１４に対するプリロードの変更が可能となる。このことは、可逆的に弾性的なアーム１４の反返りにすら繋がり得る。

さらに、噴射装置１は、第２のハウジング部材２７内に、アクチュエータ２１と、ピストン２２と、戻しエレメント２３と、伝達室２５とを備えたアクチュエータ装置２０を有している。電磁式のコイルであるアクチュエータ２１の操作時もしくは作動時には、磁気的なまたは磁化可能な材料から製作されたプランジャであるピストン２２が、アクチュエータ２１との相互作用によって矢印Ｄの方向に運動させられる。戻しエレメント２３はピストン２２を、アクチュエータ２１が作動させられていない場合に再びその出発位置に戻す。

弁アッセンブリ１０とアクチュエータ装置２０との間には、衝撃伝達装置２４が配置されている。この衝撃伝達装置２４は、弁アッセンブリ１０をアクチュエータ装置２０からダイヤフラム３０によって流体密に分離していて、アクチュエータ装置２０によって発生させられた衝撃を、噴射したい媒体Ｍに伝達し、これによって、弁アッセンブリ１０が開放され、媒体Ｍが噴射される。

ピストン２２と衝撃伝達装置２４との間に配置された伝達室２５は、高い圧力下にある液体またはガスで充填されている。この代わりに、択一的には、真空が使用されてもよい。アクチュエータ２１の通電によって、ピストン２２が矢印Ｄの方向で伝達室２５内に移動させられ、ダイヤフラム３０に矢印Ｅの方向で伝達される衝撃を発生させる。ダイヤフラム３０が湾曲させられ、衝撃を、噴射したい媒体Ｍに伝達する。ダイヤフラム３０の衝撃が衝撃波を、噴射したい媒体Ｍに誘導する。

図２には、開放された状態における噴射装置１の、第１のハウジング部材２６内に収納された弁アッセンブリ１０の概略図が示してある。開放された状態では、伝達装置２４によって矢印Ｅの方向に誘導された衝撃波が弁部材１１に作用する。この衝撃作用によって、弁部材１１が矢印Ｂの方向に移動させられる。この場合、支承装置１２によって支持されたアーム１４が可逆的に弾性変形させられ、これによって、円錐面１５が弁座１３から持ち上げられ、矢印Ｃの方向への、外向きに開放した弁部材１１を通る媒体Ｍの流出が生ぜしめられる。弁部材１１に対する可能な限り均質な衝撃作用を可能にするためには、弁部材１１の、衝突する衝撃波に向けられた面、つまり、弁部材１１の後方の端部１１ａと、アーム１４の下面とが、有利には丸み付けられているかまたは円錐形に先細りになるように形成されている。これによって、供給通路２８を通って流入する媒体Ｍの可能な限り低損失の流れを達成することができる。さらに、弁部材１１は対称的に形成されている。噴射の終了後、供給通路２８を介して再び調量室１６の充填が行われる。

この場合、本実施例による本発明による噴射装置の機能は以下の通りである。アクチュエータ２１のコイルが噴射過程のために作動させられ、ピストン２２を高い速度で矢印Ｄの方向で伝達室２５内に移動させるかもしくは加速させる。この伝達室２５によって、ピストン２２の低損失のかつ迅速な移動が可能となる。この場合、ピストン２２は１００ｍ／ｓを上回る速度を達成する。ピストン２２がダイヤフラムを変形させることができるかまたはピストン２２の移動が、弁アッセンブリ１０とアクチュエータ装置２０とを流体密に分離する衝撃伝達装置２４のダイヤフラム３０に加えられた衝撃を伝達室２５内の媒体に誘導する。発生させられた衝撃に基づき、有利にはケブラー（登録商標）、つまり、芳香族ポリアミド繊維から形成されたダイヤフラム３０が急激に矢印Ｅの方向に変形させられるかもしくは湾曲させられ、衝撃波を、弁アッセンブリ１０内にしか位置していない媒体Ｍに伝達する。この場合、この媒体Ｍを通して進行する衝撃波が超音波速度で、衝撃方向に向けられた表面、つまり、後方の端部１１ａと、アーム１４の下面と、弁部材１１の円錐面１５とに衝突し、これらの表面に生ぜしめられた力作用によって弁部材１１を外向きに開放する。この場合、弁部材１１の４つの弾性的なアーム１４が可逆的に変形させられる。開放力のオーダは、（衝撃波のレベルにおける）効果的に有効な円錐面１５と、衝撃波の最大の圧力とから算出することができる。弁エレメント１１の円錐面１５と弁座１３との間には、噴射時に環状ギャップが開放される。この環状ギャップは、改善されたかもしくは最適化された噴霧発生を助成する。衝撃波が弁部材１１を持ち上げた後、衝撃波の正圧に続く、衝撃波の後方の負圧の領域が、弁部材１１の迅速な閉鎖を生ぜしめる。この場合、弁部材１１の、支承エレメント１２によって支承されたアーム１４も再び弛緩されるかもしくは弾性的に可逆的に逆変形させられる。コイルの通電が終了された後、次の噴射衝撃のために、ダイヤフラム３０がその材料特性に基づき再びその出発形状をとり、ピストン２２が、戻しエレメント２０によって再びその出発位置に戻される。その後、噴射された量の媒体Ｍが供給通路２８を介して補充される。

本発明による噴射装置１は、衝撃伝達装置２４によってダイヤフラム３０で液体密に互いに分離されたユニット（弁アッセンブリおよびアクチュエータ装置）に基づき、廉価な製作を可能にする極めて簡単なジオメトリおよび構造を有している。噴射したい媒体からシーリングされたアクチュエータ装置２０によって、このアクチュエータ装置２０と、噴射したい媒体との間の、公知先行技術の装置において生ぜしめられ得る相互作用が回避される。この設計に基づき、本発明による噴射装置１は、制御可能な電磁石と、加速させられるプランジャ（ピストン２２）とをアクチュエータ装置２０内に使用することができ、ピストン２２を伝達室２５内で、１００ｍ／ｓを上回る高い最終速度に加速させることができ、これによって、十分な衝撃がダイヤフラム３０に誘導される。さらに、本発明による噴射装置の弁アッセンブリ１０では、弁座１３と弁部材１１の円錐面１５との間の精密なかつ高価なシーリングが不要となる。可逆的に弾性変形可能なアーム１４は、規定されたばねエレメントとして働き、これによって、弁アッセンブリ１０が付加的な戻しエレメントなしで十分となる。噴射量を調量するためには、支承エレメント１２を無段式に調整することができる。この場合、二種類の方策をとることができる。受動的な方策では、支承エレメント１２がコンスタントな閉鎖力に調整される。しかし、この場合、より長い運転時には、アーム１４の塑性変形および閉鎖力の減少が生ぜしめられ得る。能動的な方策では、支承エレメント１２を、たとえば圧電素子によって各噴射時に個々に操作することができる。これによって、たとえば長期効果を調整することができるかもしくは補償することができ、噴射量を閉鎖力の調整によって調整することができる。この方策は別個に使用されてもよいし、アクチュエータ装置２０のアクチュエータ２１の通電期間または通電高さと組み合わせて使用されてもよい。これによって、噴射量の調整と、噴射期間と、噴霧特性の最適化とを達成することができる。このことは、減少させられた排ガスエミッションと、より僅かな燃料消費率とを結果的に招く。

１ 噴射装置
１０ 弁アッセンブリ
１１ 弁部材
１１ａ 端部
１２ 支承装置
１３ 弁座
１４ アーム
１５ 円錐面
１６ 調量室
２０ アクチュエータ装置
２１ アクチュエータ
２２ ピストン
２３ 戻しエレメント
２４ 衝撃伝達装置
２５ 伝達室
２６ 第１のハウジング部材
２７ 第２のハウジング部材
２８ 供給通路
３０ ダイヤフラム
Ｂ 矢印
Ｃ 矢印
Ｄ 矢印
Ｅ 矢印
Ｍ 媒体

Claims (14)

1. 媒体を噴射するための噴射装置であって、
   −弁座（１３）でシーリングする弁部材（１１）を備えた弁アッセンブリ（１０）が設けられており、該弁アッセンブリ（１０）が、噴射したい媒体（Ｍ）内に配置されており、
   −アクチュエータ（２１）と、ピストン（２２）と、戻しエレメント（２３）とを備えたアクチュエータ装置（２０）が設けられており、
   −衝撃伝達装置（２４）が設けられており、該衝撃伝達装置（２４）が、弁アッセンブリ（１０）とアクチュエータ装置（２０）との間に配置されていて、弁アッセンブリ（１０）をアクチュエータ装置（２０）から流体密に分離していて、該アクチュエータ装置（２０）によって発生させられた衝撃を、噴射したい媒体（Ｍ）に伝達するようになっており、これによって、弁アッセンブリ（１０）が開放され、媒体（Ｍ）が噴射されるようになっている、媒体を噴射するための噴射装置において、
   弁部材（１１）が、可逆的に変形可能であり、発生させられた衝撃によって変形させられ、これによって、弁座（１３）から持ち上げられ、媒体（Ｍ）が噴射されるようになっていることを特徴とする、媒体を噴射するための噴射装置。
2. アクチュエータ装置（２０）が、さらに、伝達室（２５）を有しており、該伝達室（２５）が、ピストン（２２）と衝撃伝達装置（２４）との間に配置されている、請求項１記載の噴射装置。
3. 伝達室（２５）が、真空を有しているかまたは液体で充填されている、請求項２記載の噴射装置。
4. 弁アッセンブリ（１０）が、支承装置（１２）を有しており、該支承装置（１２）が、噴射したい媒体（Ｍ）内に配置されていて、弁部材（１１）を支承している、請求項１から３までのいずれか１項記載の噴射装置。
5. 弁部材（１１）が、変形可能な多数のアーム（１４）を有している、請求項４記載の噴射装置。
6. 弁部材（１１）が、アーム（１４）によって、支承装置（１２）に設けられた支承エレメントに支承されている、請求項５記載の噴射装置。
7. 弁部材（１１）が、４つのアーム（１４）を有しており、該アーム（１４）が、９０゜の角度間隔を置いて配置されている、請求項５または６記載の噴射装置。
8. 支承装置（１２）に設けられた支承エレメントが、調節可能に形成されている、請求項４から７までのいずれか１項記載の噴射装置。
9. 弁部材（１１）が、外向きに開放する弁部材である、請求項１から８までのいずれか１項記載の噴射装置。
10. 弁部材（１１）が、円錐面（１５）を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の噴射装置。
11. 衝撃伝達装置（２４）が、ダイヤフラム（３０）を有しているかまたは伝達ピストンを有している、請求項１から１０までのいずれか１項記載の噴射装置。
12. ダイヤフラム（３０）が、ケブラーから成っている、請求項１１記載の噴射装置。
13. アクチュエータ（２１）が、電磁石である、請求項１から１２までのいずれか１項記載の噴射装置。
14. 噴射装置によって媒体を噴射するための方法であって、噴射装置が、噴射したい媒体内に配置された、弁座（１３）でシーリングする弁部材（１１）を備えた弁アッセンブリ（１０）と、アクチュエータ装置（２０）と、弁アッセンブリ（１０）とアクチュエータ装置（２０）との間に配置された衝撃伝達装置（２４）とを有しており、該衝撃伝達装置（２４）が、弁アッセンブリ（１０）をアクチュエータ装置（２０）から流体密に分離しており、該アクチュエータ装置（２０）によって発生させられた衝撃を衝撃伝達装置（２４）を介して媒体に伝達し、その後、弁アッセンブリ（１０）に伝達し、これによって、媒体の噴射を実施する、噴射装置によって媒体を噴射するための方法において、
    弁部材（１１）が、可逆的に変形可能であり、該弁部材（１１）を、発生させられた衝撃によって変形させ、これによって、弁座（１３）から持ち上げ、媒体（Ｍ）を噴射することを特徴とする、噴射装置によって媒体を噴射するための方法。

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