JP6553803B2 - 流体を調量するための弁 - Google Patents

Description

本発明は、流体を調量するための弁、特に、内燃機関の燃料噴射弁に関する。特に、本発明は、好適に内燃機関の燃料室へと燃料が直接的に噴射される、自動車の燃料噴射装置のインジェクタ分野に関する。

独国特許出願公開第１０３６０３３０号明細書には、特に内燃機関の燃料噴射装置のために役立つ燃料噴射弁が開示されている。公知の燃料噴射弁は、弁座面と協働してシール座を成す弁ニードルと、弁ニードルと結合されたアーマチャであって、戻しばねによって閉鎖方向に負荷を加えられており電磁コイルと協働する上記アーマチャと、を備える。アーマチャは、磁気回路の外極の凹設部内に配置されており、アーマチャの周面に形成された鍔部を有する。この鍔部は、三角形の横断面を有する。鍔部の形状によって、アーマチャの、方向に依存した液圧的な減衰が可能となる。その際には、開放運動の減衰が得られる。これに対して、閉鎖運動においては、燃料がほぼ妨げられることなく流入し、従って、アーマチャは可能な限り僅かに内極にくっ付き、燃料噴射弁が迅速に閉鎖されうる。

請求項１の特徴を備えた本発明に係る弁には、改良された構成及び機能形態が可能となるという利点がある。特に、アーマチャ自由経路を設けた構成では、短い休止時間での改良された多点点火性能が達成されうる。

従属請求項で記載された措置によって、請求項１に示された弁の有利な発展形態が可能である。

流体を調量するための弁では、ソレノイドアーマチャとして機能するアーマチャが、弁ニードルに固定的には結合されておらず、ストッパの間に浮動状態で支承されている。このようなストッパは、ストッパスリーブ及び／又はストッパリングにより実現されうる。戻しばねを介して、アーマチャの位置が、静止状態において、弁ニードルに対して固定されたストッパのところに調整され、従って、アーマチャはそこでストッパに当接している。弁が作動された際には、アーマチャ自由経路全体が加速区間として提供される。

これにより、アーマチャが弁ニードルに固定的に結合されるのに対して、以下のような利点が生じ、即ち、同じ磁気力での開放の際に生じるアーマチャのインパルスによって、弁ニードルがより高度の圧力下でも、特により高度な燃料圧下でも確実に開放されうる。このことは、動的機械的増幅と称される。更なる利点は、関与する質量物の切り離しが行われ、シール座で結果的に生じる衝突力が２つのインパルスに分けられることである。

但し、アーマチャが弁ニードルで浮動状態で支承されていることに関連した固有の問題が発生する。弁の閉鎖時には以下のような問題が生じ、即ち、アーマチャがこれに関するストッパにぶつかった後で、その構造に因り再び跳ね返る可能性があり、極端な場合にはアーマチャ自由経路全体をもう一度通過し、これに続いてアーマチャが、対向するストッパにぶつかった際には、弁ニードルがもう一度短時間その座部から引き上げられるほど大きなエネルギーを有するという問題が発生する。これにより、望まれぬアフター噴射が起きる可能性があり、結果的に、燃料消費量が増大し、場合によっては有害物質の排出量が増大することになる。アーマチャが、跳ね返った際にアーマチャ自由経路を完全には通過しないとしても、再び沈静化して初期ポジションに達するまで幾分時間を要する。最終的に沈静化する前に新たな作動が行われた場合、このことは特に、噴射間の休止時間が短い多点点火においては重要なことだが、弁は堅牢には機能しえない。このことは例えば、衝突インパルスが対応して増大又は減少し、最悪の場合、このことによって結果的に弁がもはや全く開かない可能性があるということでありうる。なぜならば、衝突インパルスが開弁のためには、もはや十分に大きくないからである。

絞り要素によって有利に、アーマチャの強い衝撃が防止され又は少なくとも低減されることが達成される。これにより、短い休止時間でのより堅牢な多点点火性能が獲得されうる。さらに、閉鎖時のより小さな衝突インパルスが実現され、このことにより、アーマチャ及びストッパ並びに弁座での摩耗が低減される。これにより、弁の寿命にわたる機能の変化もより小さくなる。さらに、騒音の低減も達成されうる。

これにより、弁の構成に従って、１つ以上の以下の利点が実現されうる。アーマチャの全移動段階の間の改良された減衰が実現され、このことは、ニードルストローク及びアーマチャ自由経路に関連しうる。これにより、弁閉鎖体が弁座面にぶつかった場合には、低減された衝突インパルスが閉弁時に発生する。さらに、跳ね返る高さをより低くすることができ、アーマチャの強い衝撃が回避される。特に、これにより、望まれぬアフター噴射が防止されうる。さらに、アーマチャのより迅速な沈静化が達成され、このことにより、多点点火時の改良された挙動が可能となる。

弁ニードルにより操作される弁閉鎖体は、弁ニードルと一体に形成されうる。弁閉鎖体は、球形状の弁閉鎖体として、又は他の形態により形成されうる。

請求項２に係る構成には、絞り要素とアーマチャとの形状結合式の結合が実現されうるという利点がある。選択された絞り要素を介して、アーマチャを取り囲む流れに対して合目的的に影響を与えることが可能である。対応するやり方で、請求項３に基づいて、絞り要素とハウジング部分との間の形状結合式の結合が実現されうる。絞り要素の選択によって、ここでも同様に、アーマチャの周囲の流れに対して、有利な影響を与えることが可能である。請求項４に係る発展形態には、堅牢な構成の他に、アーマチャ周囲で均一な流れが実現されるという利点もある。

請求項５に係る発展形態には、各適用ケースに関して、十分に堅牢で場合によっては安価な構成が可能であるという利点がある。特に、絞り要素が別体のリングとして、特にピストンリングとして構成される場合には、アーマチャの製造が安価に、絞り要素にほぼ完全に依存せずに行われうる。絞り要素の選択を介して、各適用ケースへの適合が可能である。これにより、低い総コストで、改良された特性が得られる。

請求項６に係る構成には、摩耗及び騒音に対して最適化された減衰が可能であるという利点がある。

請求項７に係る発展形態には、減衰効果を特に大きく予め設定することが可能であり、減衰が場合によっては、対応する大きさの摩擦力によって増幅されるという利点がある。

請求項８に係る発展形態には、大きな減衰効果が獲得され、この減衰効果がさらに方向に依存して制御されるという利点がある。なぜならば、弾性膜が移動方向に従って遮断しながら又は開放しながら作用しうるからである。その際に、請求項９の発展形態に基づいて、開放方向とは逆向きにアーマチャの周囲の流れを遮断することを実現することで、特に大きな減衰が得られるという利点がある。その際に、アーマチャを貫通する絞り孔の構成を介して、流量調整された貫流の調整、及びこれにより減衰の調整が可能である。

請求項１０に係る発展形態には、各適用ケースに関して、特に所望の多点点火に関して調整が可能であり、この調整によって堅牢な機能形態が可能となるという利点がある。

本発明の好適な実施例が、以下の明細書において、添付の図面を参照して詳細に解説される。図面では、対応する構成要素には一致した符号が付される。
本発明の第１の実施例に対応した弁の、抜粋による概略的な断面図を示す。 第１の実施例に係る弁の、図１にＩＩで示された部分を示す。 本発明の第２の実施例に係る弁の、図２に示された部分を示す。 本発明の第３の実施例に係る弁の、図２に示された部分を示す。

図１は、第１の実施例に対応した流体を調量するための弁１の、抜粋による概略的な断面図を示している。弁１は、特に、燃料噴射弁１として構成されうる。好適な適用ケースは、このような燃料噴射弁１が高圧噴射弁１として構成され、内燃機関の対応付けられた燃料室へと燃料を直接噴射するために用いられる燃料噴射装置である。その際に、燃料として液体又は気体の燃料が使用されうる。

弁１は、電磁コイル３とアーマチャ４とを備えるアクチュエータ２を有する。電磁コイル３に通電することによって磁気回路が閉鎖され、これにより、アーマチャ４の操作が行われる。その際に、アーマチャ４を介しては、ノズル本体６の中に延びておりノズル本体６の長手方向軸線７に沿って通されている弁ニードル５の操作が可能である。その際に、アーマチャ４と弁ニードル５との協働は、ストッパ８、９の間で弁ニードル５に対するアーマチャ４の相対運動が可能となるように、行われる。本実施例では、ストッパ８は、弁ニードル５の鍔１０に形成されている。ストッパ９は、弁ニードル５に取り付けられたストッパリング１１に形成されている。本実施例において弁１の開放に関わるストッパ８は、弁ニードル５に対して固定して実現されている。

弁１は、弁ニードル５により操作可能な弁閉鎖体１２を有する。弁閉鎖体１２は、本実施例では、球形状の弁閉鎖体１２として構成される。弁閉鎖体１２と弁座面１４との間には、シール座が形成される。

弁ばね１５を介して、弁ニードル５に対して開放方向１６と逆向きに負荷が加えられる。さらに、ストッパリング１１で支えられた戻しばね１７が設けられ、この戻しばね１７は、アーマチャ４の位置を初期ポジションに調整するために、アーマチャ４に連結されたアーマチャスリーブ１８に対して作用し、電磁コイル３に通電されていない場合には、アーマチャ４は、初期ポジションにおいてストッパ９に当接する。

これにより、初期ポジションにおいて、アーマチャ４と鍔１０のストッパ８との間に、アーマチャ自由経路１９を可能とする或る程度の間隔１９が得られる。

弁１を操作するために、電磁コイル３に通電される。その際に、ハウジング部分２０、ノズル本体６、アーマチャ４、及び、極片２１を介して磁気回路が閉じられ、これにより、アーマチャ４の位置が、極片２１の方向へと調整される。弁閉鎖体１２と弁座面１４との間のシール座が開放される前に、アーマチャ４は最初に、アーマチャ自由経路１９を通過する。これにより、動的な増幅が可能となり、弁ニードル５に対して固定されたストッパ８にアーマチャ４が当たってその際に弁ニードル５を操作する場合には、結果的により大きな機械的開放力となる。従って、アーマチャ４の位置が、弁１の開放のために開放方向１６へと調整される。

弁１が閉鎖される際には、アーマチャ４は、開放方向１６と逆向きに位置が調整される。その際にアーマチャ４は、シール座の閉鎖後にさらにアーマチャ自由経路１９を逆に、即ち、開放方向１６と逆向きに通過する。少なくとも、アーマチャ４がこのように移動した際には、この移動が減衰される。これにより、ストッパリング１１に衝突した際にアーマチャ４が跳ね返ってアーマチャ自由経路１９を再度開放方向１６に通過することが防止される。

アーマチャ４の移動を減衰させるために、絞り要素３０が設けられる。第１の実施例に係る絞り要素３０を備えた弁１の構成が、以下では図２を用いてさらに説明される。変更された構成が、図３及び図４を用いて説明される。

図２は、第１の実施例に係る弁１の、図１にＩＩで示された部分を示している。ノズル本体６は、内壁３１を有する。ノズル本体６は、ここでは、内壁３１が形成されたハウジング部分６のための可能な実現である。アーマチャ４は、内壁３１の領域に存在し、弁ニードル５に可動的に配置されている。このためにアーマチャ４は、弁ニードル５がそこを通って延びる貫通孔３２を有する。さらに、アーマチャ４は、貫通する複数の絞り孔３３、３４を有し、適切な数の絞り孔３３、３４が、例えば長手方向軸線７の周りの円周に分散されて、アーマチャ４の内部に形成されうる。

ノズル本体６の内壁３１とアーマチャ４の外面３５との間には、環状空隙３６が形成される。環状空隙３６を介して、アーマチャ４が移動した際には貫流Ｑ１が可能となる。対応して、絞り孔３３、３４を介して、アーマチャ４を通る貫流Ｑ２が可能となる。

絞り要素３０が、環状空隙３６における狭窄３７又は狭窄箇所３７を生じさせ、これにより、貫流Ｑ１が流量調整される。さらに、絞り孔３３、３４が、貫流Ｑ２が流量調整されるように、形成される。これにより、アーマチャ４の移動が減衰される。特に、開放方向１と逆向きのアーマチャ４の移動が減衰される。好適な方向へのより強い減衰、即ち開放方向１６と逆向きのより強い減衰が、例えば図４を用いて説明するように、適切な構成によって実現可能である。これにより、場合により片側の所望の作用方向に対する適合が行われうる。

絞り要素３０は、本実施例では、例えばプラスチック製又は金属製でありうるピストンリング３０として構成される。その際に本実施例では、アーマチャ４の外面３５に環状の空所３８が形成され、この空所３８に絞り要素３０が挿入される。その際に、絞り要素３０の外面３９は、ノズル本体６の内壁３１から間隔が置かれている。変更された構成において、絞り要素３０は、その外面３９が内壁３１に当たっていてもよく、従って、アーマチャ４が移動した際には、摩擦が生じる相対運動が起きる。これにより、操作された際に生じる摩擦力も、アーマチャ４の移動を減衰させる。

これにより各適用ケースに関して、アーマチャ４とノズル本体６との間での、ほぼ完全に摩擦が生じない相対運動が絞り要素３０を介して実現され、又は、摩擦が生じる相対運動も、絞り要素３０によって実現されうる。その際に、絞り孔３３、３４の数及び構成を介して、液圧的な調整が可能である。

ハウジング部分６の内部のアーマチャ４の領域に存在する媒体であって、環状空隙３６及び絞り孔３３、３４を介して案内される上記媒体は、噴射される流体と必ずしも同じではないことに注意されたい。適用ケースに応じて、適切な別の油圧油等を使用することも原則的に可能である。この原則的に可能な構成は、アーマチャ４の領域で燃料の貫流が生じる先に示した実現を、構造的に適切に変更することによって可能である。

アーマチャ４が開放方向１６に移動した際及びアーマチャ４が開放方向１６と逆向きに移動した際には、特に、これに関する流体又は媒体の循環（Ｕｍｐｕｍｐｅｎ）が、貫流Ｑ１、Ｑ２に対応して起きる。これにより、選択された寸法を介して設定可能な液圧的な減衰が可能である。これにより、アーマチャ４の移動が合目的的に減衰され、弁座面１４に弁閉鎖体１２が衝突した際及び／又はアーマチャ４が自身のストッパ８、９に衝突した際に発生しうるような衝突インパルスが低減され、アーマチャ４が、駆動後に迅速に自身の初期ポジション（静止状態）に置かれる。

図３は、第２の実施例に係る弁１の、図２に示された部分を示す。本実施例では、ノズル本体６の内壁３１に環状の凹所４０が形成され、この凹所４０に、ピストンリング３０として構成された絞り要素３０が挿入されている。従って本実施例では、絞り要素３０の内面４１とアーマチャ４の外面３５との間で環状空隙３６の狭窄３７が生じる。これにより、絞り要素３０とアーマチャ４の外面３５との間での、摩擦が生じない相対運動が可能である。

変更された構成において、絞り要素３０の内面４１をアーマチャ４の外面３５まで案内することが可能であり、従って、アーマチャ４とノズル本体６との間での、摩擦が生じる相対運動が絞り要素３０によって得られる。アーマチャ４が操作される際に生じる摩擦力を介して、追加的な減衰が得られる。

図４は、第３の実施例に係る弁１の、図２に示された部分を示す。本実施例では、絞り要素３０は、弾性的に変形可能な膜３０として構成される。膜３０は、本実施例では、アーマチャ４０に結合されている。このために、絞り要素３０は、例えばアーマチャ４の外面３５の凹所３８に挿入されうる。但し、他の結合形態も構想されうる。さらに、膜３０として構成された絞り要素３０は、変形された構成において、ノズル本体６とも結合されうる。

本実施例では、絞り要素３０は、流れ方向４２においては、当該流れ方向４２と逆向きよりも弱い強さで流量調整しながら作用する。なぜならば、流れ方向４２の流れでは、膜３０が長手方向軸線７の方向に径方向に押し潰され、従って、膜３０の近傍の貫流横断面が拡大するからである。反対に、流れ方向４２と逆向きの流れでは、膜３０が径方向に押し開かれ、これにより流れ横断面が縮小し、又は、実現に応じて、この流れ横断面が場合によっては完全に消える。流れ方向４２に対して、開放方向１６へのアーマチャ４の移動が対応する。

従って絞り要素３０は、本構成では以下のような機能形態を有し、即ち、開放方向１６へのアーマチャ４の移動の際には、開放方向１６と逆向きのアーマチャ４の対応した移動の際よりも、環状空隙３６を通るより大きな貫流Ｑ１が可能となるという機能形態を有する。これにより、膜３０が移動方向に従って遮断しながら又は開放しながら作用するため、方向に依存して減衰効果を制御することが可能である。貫通孔３２によって方向に依存せずに可能となった貫流横断面を介して、適用ケースに対応して、流量調整されるＱ２を調整することが可能である。

弁１の上記構成では、アーマチャ４の凹所３８又はハウジング６の凹所４０は、環状にぐるりと取り囲む溝４０の形態により構成されうる。但し、他の構成も構想可能である。さらに、他の可能性による、絞り要素３０とアーマチャ４又はハウジング部分６との結合も可能である。さらに、貫流Ｑ１の流量調整を達成するために、環状空隙３６に配置された２つ以上の絞り要素３０を備えた弁の構成も可能である。さらに、適用ケースに応じて、アーマチャ４の内部の絞り孔３３、３４を場合によっては設けないことも可能である。

本発明は、上記の実施例及び変形例には限定されない。

Claims (11)

1. 流体を調量するための弁（１）であって、電磁アクチュエータ（２）と、前記アクチュエータ（２）により操作可能な弁ニードル（５）であって、弁座面（１４）と協働してシール座を成す弁閉鎖体（１２）を操作するために用いられる前記弁ニードル（５）と、を備え、前記アクチュエータ（２）のアーマチャ（４）は、前記弁ニードル（５）がその中を通って延びている貫通孔（３２）を有し、ハウジング部分（６）の内壁（３１）と前記アーマチャ（４）の外面（３５）との間には環状空隙（３６）が形成される、前記弁（１）において、
   前記アーマチャ（４）は、弁ニードル（５）に可動的に通されており、前記弁ニードル（５）には、当該弁ニードル（５）に対して固定されたストッパ（８）が設けられ、前記アーマチャ（４）が、前記シール座を開放するために役立つ操作であって開放方向（１６）に行われる前記操作の際には前記ストッパ（８）に当たり、前記環状空隙（３６）には、前記アーマチャ（４）又は前記ハウジング部分（６）と結合された少なくとも１つの絞り要素（３０）が配置され、前記絞り要素（３０）によって、前記アーマチャ（４）の少なくとも１つの移動が、前記開放方向（１６）と逆向きに減衰され、
   前記絞り要素（３０）は少なくとも部分的に、弾性的に変形可能な膜（３０）として形成されることを特徴とする、弁（１）。
2. 前記アーマチャ（４）の前記外面（３５）には、環状の凹所（３８）が形成され、前記凹所（３８）に前記絞り要素（３０）が挿入されることを特徴とする、請求項１に記載の弁。
3. 前記ハウジング部分（６）の前記内壁（３１）には、環状の凹所（４０）が形成され、前記凹所（４０）に前記絞り要素（３０）が挿入されることを特徴とする、請求項１に記載の弁。
4. 前記絞り要素（３０）は、ピストンリング（３０）として構成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の弁。
5. 前記絞り要素（３０）は、少なくとも部分的に金属材料で形成され、及び／又は、少なくとも部分的にプラスチックで形成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の弁。
6. 前記絞り要素（３０）は、前記ハウジング部分（６）の前記内壁（３１）又は前記アーマチャ（４）の前記外面（３５）に関して、以下のように形成され、即ち、前記絞り要素（３０）と前記ハウジング部分（６）の前記内壁（３１）との間又は前記絞り要素（３０）と前記アーマチャ（４）の前記外面（３５）との間での、摩擦が生じない相対運動が保証されるように形成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の弁。
7. 前記絞り要素（３０）は、前記ハウジング部分（６）の前記内壁（３１）又は前記アーマチャ（４）の前記外面（３５）に関して、以下のように形成され、即ち、少なくとも、前記開放方向（１６）と逆向きに前記アーマチャ（４）が操作された際には、前記絞り要素（３０）と前記ハウジング部分（６）の前記内壁（３１）との間又は前記絞り要素（３０）と前記アーマチャ（４）の前記外面（３５）との間に、摩擦力が発生するように形成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の弁。
8. 前記膜（３０）によって、前記開放方向（１６）への前記アーマチャ（４）の移動の際には、前記開放方向（１６）と逆向きの前記アーマチャ（４）の対応する移動の際よりも、前記環状空隙（３６）を通るより大きな貫流（Ｑ１）が可能となることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の弁。
9. 前記絞り要素（３０）は、前記開放方向（１６）と逆向きに前記アーマチャ（４）が移動した際には、前記環状空隙（３６）を通る前記貫流（Ｑ１）を遮断し、及び／又は、前記アーマチャ（４）には、貫通する少なくとも１つの絞り孔（３３、３４）が形成され、前記絞り孔（３３、３４）によって、前記アーマチャ（４）を通る流量調整された貫流（Ｑ２）が可能となることを特徴とする、請求項８に記載の弁。
10. 前記弁ニードル（５）に関して前記開放方向（１６）と逆向きに初期ポジションへと前記アーマチャ（４）に負荷を加える戻しばね（１７）が設けられ、前記絞り要素（３０）と前記戻しばね（１７）とは、連続して行われる２回の操作の間に前記アーマチャ（４）が少なくともほぼ前記初期ポジションに戻るように、調整されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の弁。
11. 内燃機関の燃料噴射弁である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の弁。

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