JP6498292B2 - 改良された熱的特性を有するガスインジェクタ - Google Patents

Description

背景技術
本発明は、内燃機関の燃焼室に気体燃料を直接に噴射するためのガスインジェクタに関する。更に本発明は、ガスインジェクタを備えるインジェクタユニットに関する。本発明の別の態様は、ガスインジェクタ又は前記のようなインジェクタユニットを有する内燃機関に関する。

液体燃料の他に、自動車分野では昨今、例えば天然ガス又は水素等の気体燃料も使用されることが増えている。周知の直接噴射式のガスインジェクタにおける問題点は、ガスインジェクタ、特にガスインジェクタの弁ボディの高い熱的負荷にある。高い熱的負荷に基づき、この場合は例えば耐熱性が限定されたエラストマをシール材料として用いることはできない。エラストマの良好なシール特性の他に、閉鎖過程中の際立った緩衝特性も有利である。後者は、ガスインジェクタにおいては負荷を低減する液体緩衝作用が欠落しているため、特に重要である。

発明の開示
これに対して、請求項１記載の特徴を有する、内燃機関の燃焼室に気体燃料を直接に噴射するための、本発明による直接噴射式のガスインジェクタは、ガスインジェクタの燃焼室側の領域の温度を大幅に低下させることができる、という利点を有している。このことは、本発明に基づき弁ボディに設けられた熱防護装置により達成される。これにより、ガスインジェクタの他の構成部材、特にシール座及び弁閉鎖部材の熱的負荷が大幅に低減される。更に熱防護装置により、ガスインジェクタの極度に高温の領域において望ましくないグロー点火が生じる、ということが回避される。このために、燃焼室に気体燃料を直接に噴射するための本発明によるガスインジェクタは、通流開口開閉用の弁閉鎖部材と、弁ボディと、弁ボディと弁閉鎖部材との間のシール座とを有している。本発明に基づき弁ボディは、この弁ボディの燃焼室側の端部に、熱防護装置を有している。これにより、特に外側に向かって開くガスインジェクタの場合は、シール座を柔軟な材料、例えばエラストマから製造する可能性も生じることになる。このような材料の、小さな弾性変形力における高い弾性撓み性に基づき、幾何学形状的に不完全な場合でも、ガスインジェクタを所定の耐用年数にわたって気密にすることができる。

本発明の有利な改良は、各従属請求項に記載されている。

本発明の好適な構成では、熱防護装置は、第１の熱伝導率を有する熱導出キャップを有しており、第１の熱伝導率は、弁ボディの熱伝導率よりも大きい。これにより、ガスインジェクタの燃焼側の領域にもたらされた熱は効率的に、例えばシリンダヘッドへ導出されることになる。特に好適には、熱導出キャップは金属、特にアルミニウムから製造されている。これにより、より軽量に構成することが可能である。更に、好適には熱導出キャップは、溶接結合部又はかしめ結合部により、弁ボディに固定されていてもよい。更に、熱導出キャップを設けることと、熱導出キャップの形状とによって、流れ案内部及びガス混合部を、個々の顧客に適合させることができる。

択一的又は付加的に、熱防護装置は、第２の熱伝導率を有する第１の熱防護層を有しており、第２の熱伝導率は、弁ボディの熱伝導率よりも小さく且つ／又は熱導出キャップの第１の熱伝導率よりも小さい。このことは、燃焼室から弁ボディ及び／又は熱導出キャップへの熱伝達を低減する若しくはなくすために役立つ。但し熱が伝達された場合には、熱導出キャップによりこの熱を導出することができるようになっている。このようにして、弁ボディの熱的負荷が低減される。

特に好適には、第１の熱防護層は、セラミックから製造されている。

有利には、第１の熱防護層は熱導出キャップに配置されている。特に第１の熱防護層は、燃焼室の方を向いた端面の側に配置されていてもよい。択一的又は付加的に、通流開口の内側も、流れ案内部に沿って第１の熱防護層を備えていてもよい。

更に好適には、熱導出キャップは、板状の領域を有している、又は板状の基部領域と、この板状の基部領域に配置された壁領域とを有している。これにより、例えば熱導出キャップを様々な弁ボディ形状に適合させることができる。更に、用途に応じて熱伝導距離も適合させられる。

シリンダヘッドに対する熱導出キャップの良好な熱的な結合を保証するために、好適には熱導出キャップは、接触面に表面構造を有しており、この場合、接触面は熱導出キャップとシリンダヘッドとの間の接触用に設けられていて、熱導出キャップに配置されている。

特に好適には、表面構造は刻み目を有している。これにより、シリンダヘッドにインジェクタを組み込むための接合力も低減される。

更に好適には、熱導出キャップは、熱導出キャップの表面に被着された熱伝導体ペーストを有している。特に熱伝導体ペーストは、熱導出キャップの刻み目の凹部に入れられている。これにより、熱導出キャップとシリンダヘッドとの間の熱伝達が強化される。

熱導出キャップとシリンダヘッドとの間のギャップの減少及び／又は金属接触により、有利には、シリンダヘッドに対する熱導出キャップの熱的な結合が可能になる。

更に、弁閉鎖部材が、第３の熱伝導率を有する第２の熱防護層を有しており、第３の熱伝導率は、弁ボディの熱伝導率よりも小さく且つ／又は熱導出キャップの第１の熱伝導率よりも小さいと、有利であってもよい。これにより、ガスインジェクタの燃焼側の空間、特に弁閉鎖部材への熱入力をなくす若しくは低減することができる。

特に好適には、第１の防護層と第２の熱防護層とは、同一材料から形成されている。これにより、ガスインジェクタの燃焼側の端部において一様な、１つの熱防護層が可能である。これにより更に、廉価な製造法が生じる。

有利には、弁閉鎖部材の行程が最大のとき、弁ボディと弁閉鎖部材との間の流れ横断面は、弁閉鎖部材とシール座との間の流れ横断面よりも小さくなっている。弁閉鎖部材と弁ボディとは両方共、極めて精密に製造可能なので、流れ横断面は正確に形成され得る。シール座に形成される流量決定絞りとは異なり（この場合、総累積誤差（複数の幾何学形状誤差、行程調整誤差、熱膨張による行程変化）が噴射される燃料量に影響する）、本発明では弁ボディ及び弁閉鎖部材の直径製造誤差のみが重要である。更に、シール座の流量決定絞り箇所をガスインジェクタの内部空間内へ移動させたことにより、絞り箇所がストッパ又はガイドにより機械的に負荷が与えられることはなく、延いては摩耗することもない。これにより、耐用年数にわたって体積流量の変化は一切生じなくなる。更に、熱膨張と、熱膨張により生ぜしめられた行程変化とが、体積流量に影響を及ぼすことはない、又は極僅かであるに過ぎない。絞り箇所の上流側と下流側とにおける弁ボディ及び弁閉鎖部材の詳細な幾何学形状は、ガス超音速流が得られるように流れを最適化して設計可能である。

シール座が、弁ボディのストッパ領域から所定の間隔を置いて弁ボディに配置されていると、更に有利である。これにより、機械的に高負荷が与えられる弁ボディのストッパ領域が、幾何学形状的にシール箇所から隔離されることになる。これにより、ガスインジェクタが漏れによって故障すること無しに、ストッパ領域における少ない摩耗が可能になる。ストッパ領域の材料は、高い機械的負荷に耐えるために、好適には焼入れ及び／又はコーティングされている。

更に本発明はインジェクタユニットに関し、該インジェクタユニットは、燃焼室に気体燃料を噴射するためのガスインジェクタと、ガスインジェクタが配置されたシリンダヘッド開口を備えたシリンダヘッドとを有しており、ガスインジェクタの、燃焼室の方を向いた端部は、シリンダヘッド開口の燃焼室側の端部からガスインジェクタの軸方向に所定の間隔を置いて配置されている。この間隔は、最大でシリンダヘッド開口の直径の３倍までであってもよい。ガスインジェクタを噴射方向とは逆の方向にずらしたことにより死体積が生じ、この死体積内では流速が小さくなる。これにより、高温の燃焼ガスから弁ボディとシール座とに対する熱伝達が最小限に抑えられる。死体積では、好適には燃焼も行われるので、未燃焼の燃料成分が集合して、排気中の炭化水素エミッションを増大させる恐れは全くない。

特に好適には、インジェクタユニットは上述したように、本発明によるガスインジェクタを有している。

本発明の別の態様は、燃焼室と、本発明による直接噴射式のガスインジェクタ又は本発明によるインジェクタユニットとを有する内燃機関に関する。よって、本発明によるガスインジェクタと、本発明によるインジェクタユニットとに関して記載された各利点は、互いに関連するものである。

以下に、本発明の実施例を添付の図面につき詳しく説明する。この場合、同一の若しくは機能が同一の部材には、それぞれ同一の符号を付してある。
本発明の第１の実施例によるガスインジェクタを備えたインジェクタユニットを閉鎖状態で示す、大幅に簡略化された概略断面図である。 図１に示した本発明によるインジェクタユニットの大幅に簡略化された概略断面図であって、この場合、本発明によるガスインジェクタは開放状態にある。 本発明の第２の実施例によるガスインジェクタを備えたインジェクタユニットを閉鎖状態で示す、大幅に簡略化された概略断面図である。

本発明の実施形態
以下に、本発明の第１の実施例によるインジェクタユニット８を、図１及び図２につき詳しく説明する。

インジェクタユニット８は、内燃機関（図示せず）の燃焼室９と、シリンダヘッド開口５０を備えたシリンダヘッド５とに気体燃料を噴射するためのガスインジェクタ１を有している。ガスインジェクタ１はシリンダヘッド開口５０内に配置されており、この場合、ガスインジェクタ１の、燃焼室９の方を向いた端部１０は、シリンダヘッド開口５０の燃焼室側の端部５１から所定の第１の間隔１００を置いて配置されている。

更にガスインジェクタ１は、弁閉鎖部材２と、弁閉鎖部材２により開閉される通流開口３７を備えた弁ボディ３と、弁ボディ３と弁閉鎖部材２との間に配置されたシール座４とを有している。図１では、ガスインジェクタ１は閉鎖状態にあり、この場合、通流開口３７は弁閉鎖部材２により閉じられている。図２には、ガスインジェクタ１が完全に開放された状態、即ち弁閉鎖部材２の行程が最大の状態で示されている。

本発明では、弁ボディ３は、この弁ボディ３の燃焼室側の端部３０に、熱防護装置３１を有している。

特にこの熱防護装置３１は、第１の熱伝導率を有する熱導出キャップ３２を有している。付加的に、熱防護装置３１は、第２の熱伝導率を有する第１の熱防護層３３を有している。更に熱導出キャップ３２は、弁ボディ３に溶接結合部３８により固定された、板状の領域３４を有している。

更に、弁閉鎖部材２は、第３の熱伝導率を有する第２の熱防護層２０を備えている。

熱導出キャップ３２の第１の熱伝導率は、弁ボディ３の熱伝導率よりも大きい。更に、第１の熱防護層３３の第２の熱伝導率は、弁ボディ３の熱伝導率よりも小さく、熱導出キャップ３２の第１の熱伝導率よりも小さい。有利には、弁閉鎖部材２の第２の熱防護層２０の第３の熱伝導率は、第２の熱伝導率と等しい。

これにより第１に、第１の熱防護層３３と第２の熱防護層２０の熱伝導特性が弁ボディ３に比べ劣っていることに基づき、燃焼室内に生じる熱の、弁ボディ３に対する伝達が防がれる。第２に、この防護手段にもかかわらず、熱の一部が第１の熱防護層３３と第２の熱防護層２０とを通って伝導された場合には、熱は第２に、熱導出キャップ３２を介してシリンダヘッド５へ導出されるようになっている。これにより、弁ボディ３及びシール座４に熱的な負荷が与えられることはない、ということが保証され得る。

熱導出キャップ３２は、接触面３６に表面構造（図示せず）を有しており、この場合、接触面３６は、熱導出キャップ３２とシリンダヘッド５との間の接触用に設けられていて、熱導出キャップ３２に配置されている。特に表面構造は、刻み目として形成されている。刻み目の凹部（図示せず）は、熱伝導体ペーストを備えており、これにより、熱導出キャップ３２とシリンダヘッド５との間の熱伝達が高められる。

更にシール座４は、弁ボディ３のストッパ領域１１からガスインジェクタ１の軸方向Ｘ−Ｘに所定の第２の間隔２００を置いて、弁ボディ３に配置されている。これにより、弁ボディ３のストッパ領域１１からの、シール座４の構造上の分離が行われることになる。

図２には、ガスインジェクタ１が開放状態で示されており、この場合、通流開口３７は弁閉鎖部材２により完全に開放されている。この状態は、弁閉鎖部材２の最大行程に相当する。この場合、弁ボディ３と弁閉鎖部材２との間の流れ横断面６は、弁閉鎖部材２とシール座４との間の流れ横断面７よりも小さくなっている。つまり、噴射する燃料量は、流れ横断面７によってではなく、流れ横断面６によって決定される。

本発明によるガスインジェクタ１によって、多数の利点が生じる。特に、弁ボディ３の熱防護装置３１並びに弁閉鎖部材２の第２の熱防護層２０により、ガスインジェクタ１の、とりわけ燃焼側の領域の温度を低下させることができる。これにより、弁ボディ３及びシール座４の熱的負荷が回避され得る。シリンダヘッド開口５０内でガスインジェクタ１を後退させることもやはり、弁ボディ３及びシール座４の熱的負荷の減少に寄与する。このことと、シール座４の後退とが相まって、結果的にシール座４は柔軟な材料から形成されてもよいことになる。これは特に有利である。それというのも、柔軟な材料は極めて良好なシール特性と緩衝特性とを有しているからである。本発明によるガスインジェクタ１及び本発明によるインジェクタユニットでは更に、首尾一貫した機能分離が可能である。つまり例えば、シール、静的流量の決定、機械的負荷の吸収、噴流若しくは混合物形成並びに熱的負荷の吸収及び導出は、ガスインジェクタ１の異なる各構成部材により提供されている。このことは、ガスインジェクタ１のより廉価な構成と、故障しない作動形式とをもたらす。

図３に示す第２の実施例のガスインジェクタ１は、第１の実施例のガスインジェクタ１と基本的に、熱導出キャップ３２が板状の基部領域３４と、この板状の基部領域３４に配置された壁領域３５とを有している、という点において相違している。つまり、熱導出キャップ３２とシリンダヘッド５との間の接触面３６がより大きく形成されており、これにより、シリンダヘッドに対する熱伝達が高められることになる。更に、熱導出キャップ３２は、かしめ結合部３９により弁ボディ３に固定されている。

指摘しておくと、前記各実施形態は、本発明を図示する目的のみに用いられたものであるに過ぎず、本発明を限定する目的に用いられたものではない。本発明の枠内で、本発明の範囲並びに均等論から逸脱することなく、様々な変更及び修正が可能である。

Claims (8)

1. 内燃機関の燃焼室（９）に気体燃料を直接に噴射するためのガスインジェクタであって、
   通流開口（３７）の開閉用の弁閉鎖部材（２）と、
   弁ボディ（３）と、
   前記弁ボディ（３）と前記弁閉鎖部材（２）との間のシール座（４）と、
   を有するガスインジェクタにおいて、
   前記弁ボディ（３）は、該弁ボディ（３）の燃焼室側の端部（３０）に、熱防護装置（３１）を有しており、
   前記熱防護装置（３１）は、第１の熱伝導率を有する熱導出キャップ（３２）を有し、前記第１の熱伝導率は、前記弁ボディ（３）の熱伝導率よりも大きく、
   前記弁閉鎖部材（２）は、第３の熱伝導率を有する第２の熱防護層（２０）を有し、前記第３の熱伝導率は、前記弁ボディ（３）の熱伝導率よりも小さく且つ／又は前記熱導出キャップ（３２）の第１の熱伝導率よりも小さく、
   前記シール座（４）は、前記第２の熱防護層（２０）が前記弁ボディ（３）と接触する領域である、前記弁ボディ（３）のストッパ領域（１１）から、前記ガスインジェクタの軸方向（Ｘ−Ｘ）に沿って前記燃焼室（９）から離れる方向に、所定の第２の間隔（２００）を置いて、前記弁ボディ（３）に配置されていることを特徴とする、ガスインジェクタ。
2. 前記熱防護装置（３１）は、第２の熱伝導率を有する第１の熱防護層（３３）を有し、前記第２の熱伝導率は、前記弁ボディ（３）の熱伝導率よりも小さく且つ／又は前記熱導出キャップ（３２）の第１の熱伝導率よりも小さい、請求項１記載のガスインジェクタ。
3. 前記第１の熱防護層（３３）は、前記熱導出キャップ（３２）に配置されている、請求項２記載のガスインジェクタ。
4. 前記熱導出キャップ（３２）は、板状の領域（３４）を有する、又は板状の基部領域（３４）と、該板状の基部領域（３４）に配置された壁領域（３５）と、を有する、請求項１から３までのいずれか１項記載のガスインジェクタ。
5. 前記熱導出キャップ（３２）は、接触面（３６）に表面構造を有し、前記接触面（３６）は、前記熱導出キャップ（３２）とシリンダヘッド（５）との間の接触用に設けられていて、前記熱導出キャップ（３２）に配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のガスインジェクタ。
6. 前記弁閉鎖部材（２）の行程が最大のとき、前記弁ボディ（３）と前記弁閉鎖部材（２）との間の流れ横断面（６）は、前記弁閉鎖部材（２）と前記シール座（４）との間の流れ横断面（７）よりも小さくなっている、請求項１から５までのいずれか１項記載のガスインジェクタ。
7. 請求項１から６までのいずれか１項記載のガスインジェクタ（１）と、該ガスインジェクタ（１）が配置されたシリンダヘッド開口（５０）を備えたシリンダヘッド（５）と、を有するインジェクタユニットであって、
   前記ガスインジェクタ（１）の、前記燃焼室（９）の方を向いた端部（１０）は、前記シリンダヘッド開口（５０）の燃焼室側の端部（５１）から軸方向（Ｘ−Ｘ）に所定の間隔（１００）を置いて配置されていることを特徴とする、インジェクタユニット。
8. 燃焼室（９）と、請求項１から６までのいずれか１項記載のガスインジェクタ（１）あるいは請求項７記載のインジェクタユニット（８）と、を有することを特徴とする、内燃機関。

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