JP6542405B2 - 電磁切換弁および高圧燃料ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射システム用の電磁切換弁ならびにそのような電磁切換弁を有する高圧燃料ポンプに関する。

内燃機関の燃料噴射システムにおける高圧燃料ポンプは、燃料に高い圧力を加える目的で使用される。圧力は、例えばガソリン機関の場合は、１５０ｂａｒ〜４００ｂａｒの範囲であり、ディーゼル機関の場合は、１５００ｂａｒ〜２５００ｂａｒの範囲である。燃焼室内での燃料の燃焼中に生じる排気ガスは、各燃料に対して形成され得る圧力が高ければ高いほど僅かになり、このことは、とりわけ排気ガスの低減が益々強く望まれるバックグランドでは有利となる。

燃料噴射システムでは、タンクから各燃焼室までの燃料経路の様々な位置に、例えば燃料に圧力を加える高圧燃料ポンプの流入弁または流出弁として弁装置を設けてもよいし、あるいはまた、例えば燃料噴射システムの様々な位置に、例えば燃焼室内への噴射前の加圧された燃料を蓄積するコモンレールに、逃し弁としてそのような弁装置を設けてもよい。

この目的のために、体積流量および／または圧力制御のための迅速に切換わる電磁弁が頻繁に用いられる。吐出量と種類とに応じて、戻しばねが、そのような電磁切換弁の弁領域の閉鎖要素を、体積流量毎に開放状態または閉鎖状態に維持する。これに関連するアクチュエータ領域、すなわち閉鎖要素を開閉する磁気アクチュエータは、戻しばねが、所定の期間、磁気アクチュエータのアクチュエータ力を超えて圧することができるように構成されており、その結果、切換弁を切換えることが可能になる。

したがって、これらの切換弁は、磁気アクチュエータを動作させる切換マグネットと、アクチュエータによって切換わる弁領域の液圧との組み合わせとして構成される。そのため、動作中は、液圧の２つの切換状態、すなわち開放状態と閉鎖状態とが達成される。

切換マグネットは、アクチュエータ領域において、磁力を発生する空隙によって分離される複数の部品、詳細には可動アーマチュアと固定磁極コアとを有している。これらは戻しばねによって相互に間隔を維持している。電流の印加による切換マグネット内のソレノイドの作動により、ソレノイド巻線内で磁場が構築される。この磁場は、周囲の金属部品内で、特にアーマチュアおよび磁極コア内で磁束を誘起し、これによって、アーマチュアと磁極コアとの間で、磁力が構築される。この磁力により、戻しばねの復元力が克服されると、連結された液圧が制御される。電流の消去により磁力は低下するので、復元力によって液圧は初期状態に制御される。

これまでは、切換弁の動特性は、動作中に最速のスイッチング特性を必要とする動作状態に基づいて設計されてきた。しかしながら、これによって切換わる磁気部品の間の衝撃力、詳細にはアーマチュアと磁極コアとの間の衝撃力は非常に高くなる。

切換弁は、アーマチュアと磁極コアとの間で最大空隙が存在し、かつ戻しばねとソレノイド磁力との間で力の釣り合いが生じる動作点において、アーマチュアと磁極コアとの間の空隙にできるだけ高い磁束密度を生じさせ、これによって可動部品が励起されてできるだけ速く動くように、これまでは設計されてきた。そのため、移動過程において可動部品は磁力によりさらに加速され、空隙は減少する。そのときの最小空隙の状態では、磁力が最大となる。

衝撃力は、可動部品の質量とその速度とに依存する。衝撃力が大きい場合には、結果として可動部品間で高い摩耗が生じる可能性があり、動作中の騒音も非常に大きくなる。というのも、騒音は、切換状態のあらゆる変更に伴って、ソレノイド自体によっても液圧系によっても発生するからである。それぞれにおいて少なくとも２つの部品が相互に衝突し、騒音が発生する。

例えばそのような切換弁は、内燃機関の燃料噴射システムにおける高圧燃料ポンプのデジタル制御式の流入弁として使用される。そのような切換弁の切換時間は、内燃機関のエンジン回転数が最大になっても、迅速な切換状態がとれるように設計されている。しかしながら、この設計は、内燃機関の他の動作状態、詳細にはエンジンアイドリング状態における、なるべく騒音は発生させるべきでないという目的には反している。

これまで切換弁は、切換時間に基づき、最大切換動特性が伴う動作点のために設計されてきた。また、切換マグネットの切換方向に反する向きの移動に対する騒音および摩耗を、磁力増加のための短時間の電流インパルスによって阻止することも試みられてきた。しかしながら、切換弁の切換え方向の動きを減衰させることはいずれにせよ困難である。

それゆえ、本発明の課題は、すべての動作点において騒音の発生を最小限に抑えることができる電磁切換弁を提供することにある。

この課題は、請求項１の特徴の組み合わせを有する電磁切換弁によって解決される。

そのような電磁切換弁を有する高圧燃料ポンプは、対等関係にある独立請求項の対象である。

本発明の好ましい実施形態は、従属請求項の対象である。

内燃機関の燃料噴射システム用の電磁切換弁は、切換弁を閉鎖する閉鎖要素を有する弁領域と、閉鎖要素を移動軸線に沿って移動させるアクチュエータ領域とを備えている。アクチュエータ領域は、閉鎖要素の移動のために当該閉鎖要素に結合された、移動軸線に沿って可動なアーマチュアと、固定の磁極片と、アーマチュアおよび磁極片内で磁束を発生させるソレノイドとを有している。アーマチュアは磁束集中領域を有している。

好ましくは、磁束集中領域は、アーマチュア外周が段部を有することによって形成されており、このため、アーマチュアは、第１のアーマチュア外周と第２のアーマチュア外周とを有し、それらは異なっている。

第１のアーマチュア外周は、第２のアーマチュア外周よりも小さく、第１のアーマチュア外周は、特に第２のアーマチュア外周の最大で３／４である。

これによって段部のアーマチュア外周が減少し、アーマチュアを貫通する磁力線がこの狭窄した領域内の空間を共有しなければならなくなる。これにより、アーマチュアのこの領域において、磁力線の集中、ひいては磁束の集中が起こる。したがって、この狭窄部により、磁気の絞られた状況（以下では単に磁気絞りとも称する）が上述のように形成される。

移動軸線に沿った第１のアーマチュア外周は、実質的にアーマチュアの全長の半部（すなわち１／２）に相応している。

アーマチュアと磁極片は相互に隣接して配置されており、第１のアーマチュア外周を有するアーマチュアの領域は、磁極片に面して配置されている。

したがって、アーマチュア内の段部は、所定の高さに、所定の直径および所定の長さで配置され、これによって所定の磁束集中をアーマチュア内で達成することができる。

この狭窄部により、全体的な効果は以下の通りである。すなわち、狭窄部により、アーマチュア内での磁束集中が達成されるだけでなく、アーマチュアの質量全体も減少する。その他にも所望の磁力がこれまでよりも早く達成され、このことは切換弁の切換時間の短縮に関係する。同時に、移動フェーズにおけるアーマチュアはそれほど強く加速されるわけではなく、それどころか、これまでに公知の速度に相応するものである。全体的に、総切換時間が短縮され、ひいては改善が見られる。

好ましくは、アーマチュア面と磁極片面とは、直接相対向して配置されており、第１のアーマチュア外周の領域におけるアーマチュアのアーマチュア面は、磁極片面のほぼ半部に相応する。

特に好ましい実施形態では、磁極片は、磁束集中領域を形成するために磁極片外周に狭窄部を有する。

これにより、磁極片において、磁束集中も達成することができ、このことも切換弁の切換時間の改善につながる。

狭窄部は、磁極片の、アーマチュアに面した半部内に配置され、この狭窄部は、特に、移動軸線に沿った磁極片の全長の少なくとも１／５である。

好ましくは、磁極片外周は、狭窄部の領域において少なくとも１／４だけ減少する。

したがって、この狭窄部は、磁極片の所定の高さに、所定の直径および所定の長さで配置され、これによって所定の磁束集中を磁極片内で達成することができる。

特に好ましくは、移動軸線に沿った磁極片の狭窄部は、磁極片とアーマチュアとの間の戻しばねのばね凹部の高さに存在する。

さらに好ましくは、移動軸線に沿った狭窄部は、ソレノイドの高さに存在する。

内燃機関の燃料噴射システム用の高圧燃料ポンプは、好ましくは上述した電磁切換弁を有する。

この切換弁は、例えば高圧燃料ポンプ用の流入弁として、あるいはまた流出弁として構成されていてもよい。しかしながら、前述の切換弁を、例えば燃料噴射システムのコモンレールに配置される圧力制御弁として設けることも可能である。

以下では、本発明の好ましい実施形態を、添付の図面に基づいてより詳細に説明する。

様々な位置に電磁切換弁を有することが可能な、内燃機関の燃料噴射システムを概略的に示した全体図 図１からの切換弁のうちの１つを高圧燃料ポンプの流入弁として示した第１の実施形態の縦断面図 図２からの切換弁を動作中に作用する磁力線と共に示した縦断面図 図１からの切換弁のうちの１つを高圧燃料ポンプの流入弁として示した第２の実施形態の縦断面図 図４からの切換弁を動作中に作用する磁力線と共に示した縦断面図 図２および図４からの切換弁の動作中に作用する磁力をソレノイドによる励磁に対して示した線図

図１は、内燃機関の燃料噴射システム１０の概略的全体図を示す。この燃料噴射システム１０は、燃料１２を、タンク１４から予備吐出ポンプ１６、高圧燃料ポンプ１８および高圧燃料アキュムレータ２０を介してインジェクタ２２まで搬送し、その後、インジェクタ２２は、内燃機関の燃焼室内へ燃料１２を噴射する。

燃料１２は、流入弁２４を介して高圧燃料ポンプ１８に吸入され、流出弁２６を介して高圧燃料ポンプ１８から吐出され、その後で高圧燃料アキュムレータ２０に供給される。高圧燃料アキュムレータ２０には、高圧燃料アキュムレータ２０内の燃料１２の圧力を制御するための圧力制御弁２８が配置されている。

流入弁２４も流出弁２６も圧力制御弁２８も、電磁切換弁３０として構成されていてもよく、それゆえ能動的に動作させることができる。

図２は、そのような電磁切換弁３０の第１の実施形態を、高圧燃料ポンプ１８の流入弁２４として構成された電磁切換弁３０の縦断面図で示す。

電磁切換弁３０は、高圧燃料ポンプ１８のハウジング３４のハウジング孔部３２内に配置されている。電磁切換弁３０は、弁領域３６とアクチュエータ領域３８とを有し、アクチュエータ領域３８は、固定の磁極片４０と、移動軸線４２に沿って可動なアーマチュア４４とを有する。弁領域３６は、電磁切換弁３０の閉鎖のために協働する弁座４６および閉鎖要素４８を含む。

図２に示されている実施形態では、磁極片４０およびアーマチュア４４は、一緒にスリーブ５０内に収容されているが、必ずしもそうである必要はない。

ソレノイド５２は、スリーブ５０上で摺動され、そのため電磁切換弁３０内において、磁極片４０およびアーマチュア４４の周りに配置される。

アーマチュア４４および磁極片４０は、相互に直接隣接して配置され、そのためアーマチュア面５４および磁極片面５６は直接相対向する。

戻しばね５８は、アーマチュア４４および磁極片４０を間隔をあけて保持して空隙６０を形成するために、アーマチュア４４と磁極片４０との間に配置される。

アーマチュア４４は、動作中に移動軸線４２に沿ってアーマチュア４４と共に移動する操作ピン６２に連結されている。

切換状態と共に移動軸線４２に沿ったアーマチュア４４の位置に応じて、操作ピン６２は、閉鎖要素４８を弁座４６から押し外すか、または閉鎖要素４８との接触を持たない。そのため、この閉鎖要素４８は、反対側から力が作用する場合には、弁座４６の方へ移動することができ、それと共に切換弁３０を閉鎖することができる。

電磁切換弁３０の通常状態において、ソレノイド５２は、電磁切換弁３０内で磁場を発生させ、この磁場は、図３内の磁力線６４によって示されている。図３に見られるように、磁力線６４の磁束は、すべてソレノイド５２に直接隣接する金属／磁気要素内に配置され、特に磁極片４０およびアーマチュア４４内に配置される。これにより、磁極片４０とアーマチュア４４との間で磁気的吸引力が生じ、さらにアーマチュア４４は、そのアーマチュア面５４が、磁極片４０の磁極片面５６の方向に吸引される。その際、アーマチュア４４は操作ピン６２と連動し、これによって操作ピン６２は閉鎖要素４８との接触を失い、したがって閉鎖要素４８は弁座４６に戻ることができる。

アーマチュア４４は、ソレノイド５２がスイッチオンされた場合に磁極片４０に向かって移動するので、スイッチオン状態の空隙６０は最小である。

これに対してスイッチオフ状態では、戻しばね５８が、アーマチュア４４を再び磁極片４０から押し外す。なぜなら戻しばね５８の復元力が磁力に反作用するからである。空隙６０は最大となり、操作ピン６２は再び閉鎖要素４８に押し付けられ、これによって閉鎖要素４８は弁座４６から持ち上げられ、電磁切換弁３０が開放される。

図２および図３に示す実施形態では、アーマチュア４４が磁束集中領域６６を有すること、すなわち、磁力線がアーマチュア４４によって減少した断面に誘導され、これによって磁力線が集中せざるを得ない領域を有することが見て取れる。

磁束集中領域６６は、アーマチュア外周Ｕ_Ａが段部６８を有することによって形成されており、これにより第１のアーマチュア外周Ｕ_Ａ１と第２のアーマチュア外周Ｕ_Ａ２とが形成される。これらは相互に異なっており、この場合は第１のアーマチュア外周Ｕ_Ａ１が、第２のアーマチュア外周Ｕ_Ａ２よりも小さい。

アーマチュア４４は、アーマチュア４４が磁極片４０に直接隣接して対応付けられている領域、すなわちアーマチュアの上方の端部領域７０に対応付けられている領域に、第１のアーマチュア外周Ｕ_Ａ１を有していることが見て取れる。

この場合、第１のアーマチュア外周Ｕ_Ａ１は、第２アーマチュア外周Ｕ_Ａ２の最大で３／４である。その他に、第１のアーマチュア外周Ｕ_Ａ１の移動軸線４２に沿った長さは、実質的にアーマチュア４４の全長Ｌ_Ａの実質的に半部（すなわち１／２）に相応する。

この減少した第１のアーマチュア外周Ｕ_Ａ１の配置構成により、アーマチュア４４内に、上述の利点を達成することができる所期の磁気絞りを形成することができる。この場合の磁力線６４の経路が、図３に示されている。磁力線６４は、アーマチュア外周Ｕ_Ａが減少している領域で集中しており、これによって磁束の集中全体が見て取れる。

図２からはさらに、磁極片４０に面するアーマチュア面５４が、上方の端部領域７０において、アーマチュア４４の方向に配向され配置された磁極片面５６よりも小さいことが明らかである。この場合は、アーマチュア面５４は、磁極片面５６のほぼ半部を構成する。

２つの相対向する面、すなわちアーマチュア面５４と磁極片面５６は、アーマチュア４４と磁極片４０との間に磁力を発生させる面である。

従来の設計の場合には、すなわちアーマチュア４４が一定のアーマチュア外周Ｕ_Ａを有する場合には、アーマチュア面５４および磁極片面５６には、価値的にほぼ等しい領域に存在する磁束密度が生じる。しかしながら、本願では、アーマチュア面５４と磁極片面５６とが異なった大きさに構成されており、そのため磁束は、ソレノイド５２の磁力が戻しばね５８の復元力を超えて圧した直後に飽和に達する。これについては以下で図６に基づいて説明する。

図４および図５は、電磁切換弁３０の第２の実施形態を示しており、この第２の実施形態では、磁気絞りが、第１の実施形態のようにアーマチュア４４内ではなく、磁極片４０内で磁束集中領域６６を設けることによって実施されている。

しかしながら、これらの２つの実施形態を組み合わせることも可能であり、これによれば、アーマチュア４４も磁極片４０も、それぞれ１つの磁束集中領域６６を形成し、ひいては磁気絞りを形成している。

第２の実施形態の磁束集中領域６６は、磁極片４０内の狭窄部７２によって形成されており、これによって（本来なら移動軸線４２にわたって一定である）磁極片外周Ｕ_Ｐは狭窄部７２の領域で減少する。

狭窄部７２は、アーマチュア４４に面して配置されている、磁極片４０の半部７４内に配置されているが、ただし第１の実施形態のアーマチュア４４の場合のように端部領域ではなく、磁極片端部領域７６からは離間されている。これにより、磁極片面５６がアーマチュア面５４に隣接している箇所では、磁極片４０からアーマチュア４４に最大磁力が作用可能となり、これによってアーマチュア４４を磁極片４０への方向に引っ張ることが達成される。

狭窄部７２は、移動軸線４２に沿って磁極片４０の長さＬ_Ｐの少なくとも１／５に相応する長さを有する。磁極片外周Ｕ_Ｐは、狭窄部７２の領域において、狭窄部７２外の一定の磁極片外周Ｕ_Ｐと比較して、少なくとも１／４だけ減少する。

図４，５において、また図２および図３においても見られるように、戻しばね５８は、自身が磁極片４０の内部で支持されるように配置されている。この目的のために、磁極片４０は、貫通孔７８を有し、この貫通孔７８は、アーマチュア４４の方へ向けて配置されている下方の磁極片端部領域７６内でばね凹部８２を形成すべく拡張されている。ばね凹部８２は、貫通孔７８の側壁８４と、磁極片端部領域７６内の貫通孔７８の拡張によって形成される支持壁部６８と、によって画定される。この支持壁部６８には、戻しばね５８が支持されている。

図４に見られるように、狭窄部７２は、移動軸線４２に沿ってばね凹部８２の高さに形成されており、すなわち特に、狭窄部７２がばね凹部８２を越えて突出しないように形成されている。これにより特に、戻しばね５８の領域において、すなわち戻しばね５８の復元力も作用する箇所において、磁束集中を達成することができる。

さらに、狭窄部７２が有利には、移動軸線４２に沿ったソレノイド５２の高さにも存在することが見て取れる。

図５には、磁極片４０内の磁力線６４の経路が示されている。磁力線６４が狭窄部７２の領域において集中しており、これによって磁極片４０内で磁束集中を生成できることが見て取れる。これにより、第１の実施形態に基づいてアーマチュア４４内で生成される磁気絞りを、磁極片４０内に生成することができる。

以下では、アーマチュア４４内および／または磁極片４０内の磁気絞りの作用を、図６に基づいて説明する。

図６は、ソレノイド５２によって生成される磁力またはアーマチュア４４内または磁極片４０内で作用する磁束を、ソレノイド５２による磁気励起に対して示す線図である。

破線は、アーマチュア４４または磁極片４０が磁束集中領域６６を有さない公知の配置構成において作用する磁力に相応している。これに対して実線は、磁束集中を伴うアーマチュア４４または磁極片４０の構成において作用する磁力を示す。

この線図の横線は、戻しばね５８の復元力を超えて圧するために必要とされ、これによってアーマチュア４４が移動を開始する、ソレノイド５２によって生成すべき磁力を示している。

切換弁３０のスイッチオン過程を示す２つの線には、「ＯＮ」が付されている。

切換弁３０のスイッチオフ過程を示す２つの線には、「ＯＦＦ」が付されている。

それゆえ、この線図は全体的に、切換弁３０の動作中に生じるヒステリシスのそれぞれ一部領域を示している。

この線図からは、アーマチュア４４／磁極片４０内に磁気絞りがない場合のスイッチオフでは、復元力を超えて圧した後の磁力が引き続き強く上昇し、ほとんど飽和領域には至らないことが引き出せる。これに対して、アーマチュア４４／磁極片４０内に磁気絞りが存在する場合には、戻しばね５８の復元力を超えて圧した直後に、磁力が飽和領域に達し、それ以上は上昇しないことが見て取れる。これにより、移動フェーズにおけるアーマチュア４４の加速の減少が引き起こされるので、その後のアーマチュア４４が磁極片４０に衝突する際の衝撃が減少する。したがって、切換弁３０のスイッチオンの際の騒音発生を大幅に減少させることができる。

スイッチオフの際には、アーマチュア４４／磁極片４０内に磁気絞りが存在する場合の磁力が、戻しばね５８の復元力との力の釣り合いが生じる時点まで、磁気絞りが存在しない場合のケースよりも早期に戻ってくることが認識できる。

このことは、切換弁３０のスイッチオフ過程がこれまでのケースの場合よりも速いことを意味する。これにより、切換弁３０の総切換時間は大幅に短縮され、ひいては従来技術に比べて改善される。

全体的に、図６の線図からも見て取れるように、磁力は磁気絞りによって減少するが、ただしこれは、必要性が生じた場合に、ソレノイド５２内の相応の巻線パラメータによって補償することが可能である。また、これを、ソレノイド５２内の電流に影響を及ぼす電気抵抗を介して調整することも可能であろう。

Claims (7)

1. 内燃機関の燃料噴射システム（１０）用の電磁切換弁（３０）であって、
   前記切換弁（３０）を閉鎖する閉鎖要素（４８）を有する弁領域（３６）と、
   前記閉鎖要素（４８）を移動軸線（４２）に沿って移動させるアクチュエータ領域（３８）と、を備え、
   前記アクチュエータ領域（３８）は、
   前記閉鎖要素（４８）の移動のために当該閉鎖要素（４８）に結合された、前記移動軸線（４２）に沿って可動なアーマチュア（４４）と、
   固定の磁極片（４０）と、
   前記アーマチュア（４４）および前記磁極片（４０）内で磁束を発生させるソレノイド（５２）と、を有し、
   前記アーマチュア（４４）は、磁束集中領域（６６）を有しており、前記磁束集中領域（６６）において磁束が飽和可能であり、前記磁束集中領域（６６）は、アーマチュア外周（Ｕ _Ａ ）が段部（６８）を有していることにより、前記アーマチュア（４４）が、第１のアーマチュア外周（Ｕ _Ａ１ ）と第２のアーマチュア外周（Ｕ _Ａ２ ）とを有することによって構成されており、前記第１のアーマチュア外周（Ｕ _Ａ１ ）は、前記第２のアーマチュア外周（Ｕ _Ａ２ ）よりも小さく、前記第２のアーマチュア外周（Ｕ _Ａ２ ）の最大で３／４である、電磁切換弁（３０）。
2. 前記移動軸線（４２）に沿った前記第１のアーマチュア外周（Ｕ_Ａ１ ）は、実質的に前記アーマチュア（４４）の全長（Ｌ_Ａ）の半部（７４）に相応する、請求項１記載の電磁切換弁（３０）。
3. 前記アーマチュア（４４）および前記磁極片（４０）は、相互に隣接して配置されており、前記第１のアーマチュア外周（Ｕ_Ａ１ ）を有する前記アーマチュア（４４）の領域は、前記磁極片（４０）に面して配置されている、請求項１または２記載の電磁切換弁（３０）。
4. アーマチュア面（５４）および磁極片面（５６）は、直接相対向しており、前記第１のアーマチュア外周（Ｕ_Ａ１ ）の領域における前記アーマチュア（４４）の前記アーマチュア面（５４）は、前記磁極片面（５６）のほぼ半部（７４）に相応する、請求項３記載の電磁切換弁（３０）。
5. 前記磁極片（４０）は、磁束集中領域（６６）を形成するために磁極片外周（Ｕ_Ｐ）に狭窄部（７２）を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載の電磁切換弁（３０）。
6. 前記狭窄部（７２）は、前記磁極片（４０）の、前記アーマチュア（４４）に面した前記半部（７４）内に配置され、前記狭窄部（７２）は、特に、前記移動軸線（４２）に沿った前記磁極片（４０）の全長（Ｌ_Ｐ）の少なくとも１／５であり、前記磁極片外周（Ｕ_Ｐ）は、前記狭窄部（７２）の領域において特に少なくとも１／４だけ減少している、請求項５記載の電磁切換弁（３０）。
7. 請求項１から６までのいずれか１項記載の電磁切換弁（３０）を備えている、内燃機関の燃料噴射システム（１０）用の高圧燃料ポンプ（１８）。

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