JP6265884B2 - 燃料インジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念部の特徴を備えた、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための、燃料噴射システム、特にコモンレール型噴射システムに用いられる燃料インジェクタに関する。

前述した燃料インジェクタは、高圧孔内に往復運動可能に案内されたノズルニードルを有している。このノズルニードルの往復運動によって、少なくとも１つの噴射開口が開閉可能となる。ノズルニードルの開放ストロークは、このノズルニードルを閉鎖方向に作用する力で押圧する制御圧が加えられた制御室の放圧により生じる。その際、噴射される燃料量は、噴射圧とノズルニードルの開放期間とに関連している。しかしながら、摩耗に基づき、燃料インジェクタの運転特性が寿命にわたって変化してしまうので、制御パラメータを適合させることが必要となる。

背景技術
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００７０６３１０３号明細書に基づき、内燃機関の噴射装置に設けられた噴射弁の運転特性を検知するための装置が公知である。この公知の装置は、噴射弁の閉鎖時点を検知するために、この噴射弁内に挿入可能であるピエゾフィルムセンサを有している。このピエゾフィルムセンサによって、好適には、弁座に対する弁ニードルの当接が検知される。こうして、予測した時点が、弁座に対する弁ニードルの当接の実際の時点に対応しているか否かを検出することができる。偏差が認められると、噴射装置に設けられた制御装置の制御パラメータが相応に適合されるようになっている。弁座に対する弁ニードルの当接は、特にピエゾフィルムセンサへの外的な力作用によって認められる。この外的な力作用は、圧電材料の変形と、これに伴って、圧電材料の電荷密度の変化とを引き起こし、これによって、圧電材料に配置された２つの電極の間に発生させられた電圧が信号として取出し可能となる。ピエゾフィルムセンサは、信号形成のために供給電圧を必要とせず、したがって、電荷増幅器なしでも信号を直接的に取り出すことができるので、信号の取出しのためには、アース線路および信号線路しか必要とならない。その後、信号は、好適には、ピエゾフィルムセンサに接続された評価ユニットに伝送される。

前述した公知先行技術を起点として、本発明の課題は、簡単に形成されていて、廉価に製造可能である、ニードル閉鎖時点を検出するための力／圧力センサを備えた燃料インジェクタを提供することである。特に本発明の目的は、燃料インジェクタにおいて、力／圧力センサが少ない手間で電気的に接続されているようにすることである。

この課題は、請求項１の特徴を備えた燃料インジェクタによって解決される。本発明の好適な改良態様は、従属請求項に記載されている。

発明の開示
本発明に係る燃料インジェクタは、この燃料インジェクタに設けられた高圧孔内に往復運動可能に案内されたノズルニードルと、圧電性の材料から成る少なくとも１つのセンサ素子を備えた力／圧力センサとを有しており、ノズルニードルの往復運動を介して、少なくとも１つの噴射開口が開閉可能であり、力／圧力センサによって、ノズルニードルの開閉時の特徴的な圧力変化が検出されるようになっている。本発明によれば、力／圧力センサが、燃料インジェクタの低圧領域に配置されていて、ノズルニードルの開閉時に、制御室内の制御室圧に比例した軸方向力Ｆ_Ａで直接的にまたは間接的に押圧可能である。さらに、力／圧力センサのセンサ素子が、アース接続部を形成するために、少なくとも１つの接触面を介してまたは少なくとも１つの接触面に形成された電極を介して、燃料インジェクタのハウジング部材に直接的にまたは間接的に電気的に接続されている。

力／圧力センサを低圧領域に配置することによって、センサにかかる負荷が減少させられる。なぜならば、センサが、高い圧力下にある燃料にさらされていないからである。より少ない負荷によって、燃料を導く領域に対するセンサアッセンブリのシーリングに課せられる要求も減少させられる。さらに提案された電気的な接続によって、アース接続部の形成が簡単になる。このアース接続部は、アース電位、好適には燃料インジェクタのハウジング部材またはハウジング部材に結合された構成部材へのセンサ素子の載着によって自動的に形成される。線路への合目的的なコンタクトおよび／または接続は不要となる。したがって、燃料インジェクタを通して線路を導くこともほとんど不要となる。力／圧力センサのセンサ素子が、燃料インジェクタのアース電位として働くハウジング部材に直接接触しているのではなく、ハウジング部材に結合された別の構成部材に接触しているならば、この別の構成部材は導電性の材料から成っている。接続は、センサ素子の接触面または接触面に形成された電極を介して行うことができる。この電極は接触面を、好適には完全に覆っている。電極は、たとえば被覆層として形成されていてよい。この場合には、電極がアース電位に対する本来の接触面を形成している。好適には、接触面もしくは接触面として働く電極が、センサ素子の、ノズルニードルに向けられた端面に形成されており、これによって、燃料インジェクタ内の深いところに線路を導くことが回避される。

本発明の有利な態様によれば、センサ素子が、合目的的なコンタクトを介して信号線路に接続されていることが提案されている。合目的的なコンタクトは、好適には、センサ素子を周辺に対して電気的に絶縁する電気的な絶縁体の領域で行われている。この場合、燃料インジェクタ内に導かれる線路は、好適には、この１つの信号線路に制限されている。

本発明の別の有利な態様によれば、力／圧力センサが、少なくとも２つのセンサ素子を有しており、これらのセンサ素子は、好適には、同じ極性が付与された接触面が互いに向かい合って位置するように、互いに当て付けられている。接触面は、やはり、この場合に互いに電気的に絶縁することが必要となる電極を有していてもよい。しかし、同じ極性が付与された接触面が互いに直接載置され合い、こうして融着されて、１つの電極が形成される場合には、電気的な絶縁体を省略することができる。第２のセンサ素子は、好適には第１のセンサ素子に相応に形成されていて、アース接続部を形成するために、ハウジング部材に向けられた接触面または接触面に形成された電極を有している。これによって、２つのセンサ素子を有する力／圧力センサを両側でアース接続することが可能となる。このアース接続によって、周辺に対するセンサ素子の手間のかかる電気的な絶縁が不要となる。さらに、２つのセンサ素子の相互接続は、センサの感度が高められるという利点を有している。

本発明の択一的な態様によれば、センサ素子が多層に形成されていて、好適には互いに逆向きに極性が付与された少なくとも１つの第１の層と第２の層とを有している。これは、同じ極性が付与された接触面が、両層の接触領域において互いに向かい合って位置していることを意味している。多層の構成によって、力／圧力センサの製造が簡単になる。なぜならば、もはや個々のセンサ素子同士の接続が不要となるからである。さらに、センサ素子同士の間の電気的な絶縁が完全に省略される。

さらに、１つよりも多くのセンサ素子および／または多層の１つのセンサ素子を備えた態様において、信号線路に接続するための合目的的なコンタクトが、２つのセンサ素子の接触領域でまたは２つの層の接触領域で行われていることが提案される。これによって、信号線路に対する案内距離を短縮することができる。

好適には、力／圧力センサが、ノズルニードルを制御するために作動する電磁弁に設けられた往復運動可能なアーマチュアピンを介して直接的に、または間接的に力分配プレートを介して、制御室内の制御室圧に比例した軸方向力Ｆ_Ａで押圧可能である。アーマチュアピンはその下側の端面において、電磁弁の閉鎖時に制御室圧に相当する弁室圧で押圧されている。ノズルニードルが連結されており、これによって、このノズルニードルの往復運動がアーマチュアピンの往復運動に繋がる。このアーマチュアピンから力／圧力センサに加えられる軸方向力を十分に均質な面圧でセンサ素子に導入するために、力／圧力センサとアーマチュアピンとの間に、好適には力分配プレートが配置されている。こうして、該当期間中、力／圧力センサに力ｐ_ｓｔ×π×ｄ^２／４で予荷重が加えられる。ここで、ｐ_ｓｔは、制御室内の制御圧であり、ｄは、アーマチュアピンの直径である。制御圧はニードル閉鎖の時点で著しい最小値を有しているので、力／圧力センサにより送出される信号も大きな特徴を有することになる。

１つの改良態様によれば、力／圧力センサに軸方向力Ｆ_Ａを導入するために、力分配プレートに力／圧力センサに向かって予荷重エレメントによって軸方向で予荷重が加えられている。これによって、力分配プレートの望ましくない位置変化を阻止することができる。

前述した単独の手段または任意に組み合わせた手段によって、燃料インジェクタへの力／圧力センサの電気的な接続を顕著に簡単にすることができる。したがって、ニードル閉鎖時点を検知するための装置を備えた燃料インジェクタが簡単にかつ廉価に製造可能となる。

公知先行技術に基づき公知の燃料インジェクタの縦断面図である。 図１ａの燃料インジェクタの制御弁の縦断面図である。 電磁弁として形成された制御弁の領域における本発明に係る燃料インジェクタの縦断面図である。 本発明における第１の力／圧力センサの縦断面図である。 本発明における第１の力／圧力センサのセンサ素子の縦断面図である。 本発明における第２の力／圧力センサの縦断面図である。 本発明における第２の力／圧力センサのセンサ素子の縦断面図である。 図４ａおよび図４ｂの実施の形態の変化形態の縦断面図である。 本発明における第３の力／圧力センサの縦断面図である。 本発明における第３の力／圧力センサのセンサ素子の縦断面図である。

図面の詳細な説明
本発明の有利な実施の形態を以下に図面につき詳しく説明する。

図１ａおよび図１ｂに示した公知の燃料インジェクタは、ノズルボディ２１に設けられた高圧孔１内に往復運動可能に案内されたノズルニードル２を有している。このノズルニードル２は、弁ピストン２７を介した閉鎖力で押圧可能である。この弁ピストン２７は、ノズルニードル２と反対の側の端部で弁ピース２６内に収容されていて、この弁ピース２６内に往復運動可能に案内されている。そして、この弁ピース２６はインジェクタボディ２２内に収容されている。弁ピース２６の内部には、弁ピストン２７によって制御室７が仕切られる。この制御室７内には、弁ピストン２７とノズルニードル２とを閉鎖方向に作用する力で押圧する液圧が形成される。制御室７は、流入絞り２８を介して燃料供給管路２３に接続可能であり、そして、流出絞り２９を介して低圧領域６に接続可能であり、これによって、電磁弁１６の切換位置に応じて、液圧と弁ピストン運動とが可変となる。燃料供給管路２３を介して供給される高い圧力下にある燃料が、高圧蓄圧器２４から取り出される。その後、ノズルボディ２１内に形成された高圧孔１を介して、燃料がノズルニードル２の開放時に少なくとも１つの噴射開口３に供給される。

図１ａに示した燃料インジェクタに設けられた、図１ｂに詳細に示した電磁弁１６は、コイル２０と協働する、つまり、相互作用する往復運動可能なアーマチュア１９と、このアーマチュア１９内に少なくとも部分的に収容されたアーマチュアピン１５とを有している。このアーマチュアピン１５の下側の端面は、弁室３２内に形成された圧力で押圧される。この圧力は、電磁弁１６の閉鎖状態で制御室７内の圧力に相当している。アーマチュアピン１５の上側の端面は、燃料インジェクタのハウジング部材１２に支持されている。（通電されていない）休止状態でアーマチュア１９はその弁座３４に圧縮ばね３０によって押圧される。

電磁弁１６の領域を一部抜粋して図２に示した本発明に係る燃料インジェクタは、図１ａおよび図１ｂに示した燃料インジェクタと異なり、低圧領域６に配置された、ニードル閉鎖時点を検知するための力／圧力センサ４を有している。さらに、アーマチュアピン１５が、ハウジング部材１２の代わりに、間接的に力分配プレート１７を介して力／圧力センサ４に支持されている。電磁弁１６の閉鎖に際して、制御室７内の圧力が変化すると、アーマチュアピン１５ひいては力／圧力センサ４に作用する軸方向力Ｆ_Ａが変化する。さらに、電磁弁１６のソレノイドコア３１を位置決めするための予荷重エレメント２５が設けられている。

本発明に係る燃料インジェクタもしくは燃料インジェクタ内に配置された力／圧力センサ４の有利な実施の形態を示した図３ａ、図３ｂ、図４ａ〜図４ｃ、図５ａおよび図５ｂから認めることができるように、力／圧力センサ４は、圧電性の材料から成る少なくとも１つのセンサ素子５を有している。このセンサ素子５は、第１のアース接続部１１を形成するために、接触面９または接触面９に形成された電極１０で力分配プレート１７に接触している。そして、この力分配プレート１７は、これを取り囲むハウジング部材１２に電気的に接続されている（図３ａ、図４ａおよび図５ａ参照）。さらに、ソレノイドコア３１もしくはコイル２０および圧縮ばね３０を位置決めするための予荷重エレメント２５が、本実施の形態では、力分配プレート１７に軸方向で予荷重を加えるために使用される。しかしながら、予荷重エレメント２５は、本発明に必ずしも必要な構成要素ではない。予荷重は、圧縮ばね３０、ソレノイドコア３１に対する予荷重エレメント２５、図示していない付加的な予荷重エレメントまたはこれらを任意に組み合わせたものを介して加えることができる。択一的には、力分配プレート１７に予荷重を加えることが省略されてもよい。

図３ａおよび図３ｂに示した実施の形態では、力／圧力センサ４が、単一のセンサ素子５しか有していない。単一のセンサ素子５の場合には、アース接続部１１を形成するために、接触面９もしくは接触面９に形成された電極１０が、力分配プレート１７に直接接触している。これに対して、接触面９と反対の側に位置する接触面もしくは当該接触面に形成された電極１０は、ハウジング部材１２に対して接続を有してはならない。なぜならば、さもないと、センサ素子５が電気的に短絡してしまうからである。このことを回避するために、電極１０とハウジング部材１２との間に電気的な絶縁体８が設けられている。この電気的な絶縁体８の領域に設けられた合目的的なコンタクト１３を介して、信号線路１４への接続が行われている。この信号線路１４以外、燃料インジェクタへの力／圧力センサ４の電気的な接続には、線路が必要とならない。これによって、電気的な接続が著しく簡単になる。電気的なコンタクト１３は、電磁弁１６に設けられた両コイルピンのうちの一方との接続のために使用されてもよく、これによって、力／圧力センサ４と制御装置（図示せず）との間の別個の接続が不要となる。したがって、全ての接続が燃料インジェクタ内部で行われる。

図４ａおよび図４ｂから、２つのセンサ素子５を有する力／圧力センサ４を備えた実施の形態を認めることができる。両センサ素子５は、同じ極性の接触面９もしくは接触面９に形成された同じ極性の電極１０が互いに向かい合って位置するように、互いに接触し合っている。合目的的なコンタクト１３は、互いに向き合わされた両電極１０の間に配置された中間電極３３の領域で行われている。両センサ素子５の分極１８は、矢印によって図示してある（図４ｂ参照）。

製造の手間を減少させるために、１つの改良形態（図示せず）によれば、内側に位置する電極１０の構成を省略することが提案される。その代わりに、両センサ素子５がその接触面９で中間電極３３に載置される。この改良態様では、この中間電極３３が、互いに向き合わされる両電極１０の機能を一緒に引き受けている。

択一的には、図４ｃに示したように、センサ素子５が多層に形成されていてもよい。このセンサ素子５では、図４ｂに示した実施の形態における第１のセンサ素子５および第２のセンサ素子５の代わりに、それぞれ第１の層５．１および第２の層５．２が使用されている。この実施の形態では、互いに向き合わされた両電極１０が融着されて、センサ素子５に一体的に含まれた、中間に位置する１つの電極１０が形成されている。合目的的なコンタクト１３を介して、信号線路１４への接続が行われている。

図５ａおよび図５ｂに示した実施の形態の力／圧力センサ４は、互いに逆方向に分極される２つの圧電性の層５．１，５．２から成る１つのセンサ素子５を有している。両層５．１，５．２の接触領域には、内側に位置する第１の電極が形成される。外側に位置する２つの別の電極は、力分配プレート１７およびハウジング部材１２の、接触面９に接触する表面にわたって形成され、これによって、センサ素子５の端面への電極１０の別個の形成が省略可能となる。このためには、第１の層５．１の、外方に向けられた接触面９が、ハウジング部材１２に直接接触していて、第２の層５．２の相応の接触面９が、力分配プレート１７に直接接触している。したがって、センサ素子５を電気的に接続するための線路が不要となる。さらに、センサ素子５を信号線路１４に接続するためには、合目的的なコンタクト１３しか必要とならない。したがって、コンタクトと絶縁とに要する手間を最小限に抑えることができる。

Claims (9)

1. 燃料噴射システムに用いられる燃料インジェクタであって、
   該燃料インジェクタに設けられた高圧孔（１）内に往復運動可能に案内されたノズルニードル（２）であって、ノズルニードル（２）の往復運動によって、少なくとも１つの噴射開口（３）が開閉可能なノズルニードル（２）と、
   圧電性の材料から成る少なくとも１つのセンサ素子（５）を備え、ノズルニードル（２）の開閉時の特徴的な圧力変化を検出する力／圧力センサ（４）と、
   を含む燃料インジェクタにおいて、
   力／圧力センサ（４）は、燃料インジェクタの低圧領域（６）に配置されていて、ノズルニードル（２）の開閉時に、制御室（７）内の制御室圧に比例した軸方向力（Ｆ_Ａ）で、力分配プレート（１７）を介して間接的に押圧可能であり、
   力／圧力センサ（４）のセンサ素子（５）は、アース接続部（１１）を形成するために、少なくとも１つの接触面（９）に形成された電極（１０）を介して、燃料インジェクタのハウジング部材（１２）に電気的に接続されており、
   センサ素子（５）は、第１のアース接続部（１１）を形成するために、接触面（９）全体に形成された電極（１０）で力分配プレート（１７）の一面全体に接触しており、
   力分配プレート（１７）は、力分配プレート（１７）を取り囲むハウジング部材（１２）に電気的に接続されており、
   センサ素子（５）は、別の電極（１０）とハウジング部材（１２）との間の電気的な絶縁体（８）の領域に設けられたコンタクト（１３）を介して信号線路（１４）に接続されており、
   前記コンタクト（１３）は、前記ノズルニードル（２）を制御するために作動する電磁弁（１６）に設けられた両コイルピンのうちの一方との電気的な接続のために使用されることを特徴とする、燃料噴射システムに用いられる燃料インジェクタ。
2. 力／圧力センサ（４）は、少なくとも２つのセンサ素子（５）を有している、請求項１記載の燃料インジェクタ。
3. 少なくとも２つのセンサ素子（５）は、同じ極性が付与された接触面が互いに向かい合って位置するように、互いに当て付けられている、請求項２記載の燃料インジェクタ。
4. センサ素子（５）は多層に形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃料インジェクタ。
5. センサ素子（５）は、互いに逆向きに極性が付与された少なくとも１つの第１の層（５．１）と第２の層（５．２）とを有している、請求項４記載の燃料インジェクタ。
6. 信号線路（１４）に接続するためのコンタクト（１３）が、２つのセンサ素子（５）の接触領域にまたは２つの層（５．１，５．２）の接触領域に設けられている、請求項２から５までのいずれか１項記載の燃料インジェクタ。
7. 力／圧力センサ（４）は、前記電磁弁（１６）に設けられた往復運動可能なアーマチュアピン（１５）によって、力分配プレート（１７）を介して間接的に、制御室（７）内の制御室圧に比例した軸方向力（Ｆ_Ａ）で押圧可能である、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃料インジェクタ。
8. 力分配プレート（１７）に力／圧力センサ（４）に向かって予荷重エレメント（２５）によって軸方向で予荷重が加えられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃料インジェクタ。
9. 燃料噴射システムは、コモンレール型燃料噴射システムである、請求項１から８までのいずれか１項記載の燃料インジェクタ。

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