JP6802931B2 - 燃料インジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提項に記載されている燃料インジェクタに関する。

内燃機関の燃焼室へ燃料を噴射するための燃料インジェクタが特許文献１より公知である。この公知の燃料インジェクタは、インジェクタ本体とノズル本体とを含んでいる。インジェクタ本体とノズル本体は、ノズルクランプナットによって相互に応力固定される。ノズル本体には、圧力のもとにある燃料を流入穴を介して供給可能である圧力室が構成されている。少なくとも１つの噴射開口部を開放または閉止する長手方向運動可能なノズルニードルが、圧力室の中で長手方向運動可能に配置されている。

さらに公知の燃料インジェクタは、ノズル本体に構成された冷却通路ないし流動通路を有している。これらの冷却通路は、ノズル本体とノズルニードルを、特に燃焼室のほうを向く領域で冷却する役目を果たす。

ノズル本体における冷却通路の構成は、ノズル本体の強度およびこれに伴ってその耐用寿命の低下につながる。さらに、能動的冷却がなされない既存の燃料インジェクタを、冷却通路を有する施工形態へと容易に設備変更することが可能ではない。

さらに、特に１つの燃料室について複数の燃料インジェクタが使用される場合、比較的少ない燃料量だけが噴射され、それに応じて噴射された燃料量による低い自己冷却だけが行われる動作点が存在する。このことは、たとえば、主燃料であるガスの初期点火を開始するために、たとえばディーゼルなどの少ない燃料量だけが噴射される、いわゆるデュアルフューエルエンジンについても該当する。

欧州特許第１７８１９３１号明細書

それに対して、内燃機関の燃焼室へ燃料を噴射するための本発明による燃料インジェクタの冷却通路ないし流動通路は、ノズル本体の強度を低下させることがない。しかも従来式の燃料インジェクタにおいて、能動的冷却を容易に後付けすることができる。さらに、有効な冷却面積が比較的広いので、ノズル本体の冷却が非常に効果的に実行される。また、噴射される燃料量に依存することのない冷却量を利用することができる。

そのために、この燃料インジェクタはノズル本体を有する。ノズル本体に、圧力のもとにある燃料を流入穴を介して供給可能である圧力室が構成されている。少なくとも１つの噴射開口部を開放または閉止する長手方向運動可能なノズルニードルが、圧力室に配置されている。冷却群が、ノズル本体を少なくとも部分的に取り囲むように配置される。冷却群は、ノズル本体の冷却のために多数の、好ましくは２０超の、貫流可能な流動通路を区切る冷却リングを含んでいる。

多数の流動通路に基づき、冷却群の有効な冷却面積全体が比較的広くなっており、そのようにして、非常に効率的な冷却群が創出される。冷却群は、ノズル本体を半径方向でその燃焼室近傍の端部に含んでいる。ノズル本体にある冷却通路によるノズル本体の脆弱化が、このようにして必須ではなくなる。

さらに、能動的冷却がなされない従来式の燃料インジェクタに、相応の冷却群を後付けするという選択肢があり、それにより能動的冷却が後付けされる。その際に、燃料インジェクタのその他の設計を変更しなくてよく、ないしは本質的に変更しなくてよい。

好ましい発展例では、冷却群に長手方向通路と分配溝が構成される。分配溝は燃焼室近傍で、冷却群のほぼ円周全体にわたって延びる。長手方向通路は、分配溝に冷却剤を供給する役目を果たす。このとき冷却剤は燃料、内燃機関のエンジンオイル、内燃機関の冷却剤、燃料インジェクタの別個の冷却剤のいずれであっても構わない。冷却剤は、長手方向通路を通って冷却群へ入るときに分配溝の中まで、およびこれに伴って冷却群の先端まで案内される。そこには冷却群のもっとも有効な領域がある。そこはノズル本体のもっとも高温の領域だからである。

好ましい構成では、分配溝は円周方向で、冷却群に配置された長手方向ウェブによって区切られる。このとき長手方向ウェブは冷却リングに構成されていてよい。それにより、冷却剤流動における不都合な滞留容積ないし死容積が回避される。冷却剤は長手方向通路から来て分配溝の両方向へ均等に分配され、たとえば両方の円周方向へそれぞれおよそ１７０°にわたって分配されるのが好ましい。

好ましい発展例では、流動通路は分配溝から分岐して、燃焼室から離れていく方向へと延びる。このとき、個々の流動通路が互いに平行に配置されるのが好ましい。流動通路が長手方向通路に対しても平行に配置されるが、反対向きの流動方向を有するのが好ましい。それにより全体の流動ジオメトリーは、圧力損失が最小化されるとともに、すべての流動通路が同じ方向に、かつほぼ等しい冷却剤量をもって貫流されるように構成される。それと同時に、そのようにして冷却群の広い有効冷却面積が、ノズル本体のもっとも高温の領域の燃焼室近傍ですでに作用する。

好ましい実施形態では、冷却群に、それぞれの流動通路が連通する集合溝が構成される。それによって流動通路が再び狭くなり、その結果、ただ１つの排出通路によって冷却剤を冷却群から導出することが可能である。このとき集合溝は、分配溝と反対を向くほうの冷却リングの端部に配置されるのが好ましい。

好ましい実施形態では、ノズル本体はノズルクランプナットによって燃料インジェクタに応力固定される。ノズルクランプナットには、冷却群への冷却剤の供給およびこれからの排出のための供給通路が構成される。第１の供給通路が長手方向通路と液圧的に接続され、第２の供給通路が集合溝と液圧的に接続される。そのようにして、冷却剤供給がノズル本体から分離され、その結果、ノズル本体がその強度に関して脆弱になることがない。それと同時に、ノズルクランプナットが複数の機能すなわち冷却と、応力固定のための機能とを兼ね備える。ノズルクランプナットはノズル本体を燃料インジェクタの他のコンポーネントと、たとえばとインジェクタ本体と、場合によりその他のコンポーネントを介在させたうえで応力固定する。

好ましい実施形態では、それぞれの流動通路は冷却群の軸方向で平行に延びる。それにより、すべての流動通路が同じ方向で、かつほぼ等しい冷却剤量をもって貫流される。それに伴い、流動通路での圧力損失が最小化される。

別の好ましい実施形態では、流動通路はメアンダ状に、すなわち蛇行して延びる。流動通路による圧力損失がそれによって上昇するものの、いっそう高い流動速度が流動通路への熱移行を増大させる。

好ましい発展例では、冷却群は、内側の伝達面が構成された冷却体を含んでいる。伝達面はノズル本体の外面と協同作用する。理想的には伝達面は、良好な熱伝導を保証するために、ノズル本体と広い面積で接触する。

このとき長手方向通路は、冷却リングと冷却体の間に構成されるのが好ましい。それにより、長手方向通路を容易に製作することができ、冷却リングと冷却体の壁厚を最小化することができる。

好ましい実施形態では、冷却群は、周囲に対して冷却群を媒体密閉式に閉止する冷却スリーブを含んでいる。このとき冷却スリーブは、冷却リングを半径方向で取り囲むように配置されるのが好ましく、理想的には、燃焼室に対する端面をさらに有する。

このとき流動通路は、冷却リングと冷却スリーブの間に構成されるのが好ましい。それにより、流動通路のほぼ任意のジオメトリーを製作することができる。さらに、そのようにして冷却リングと冷却スリーブの壁厚を最小化することができる。

好ましい実施形態では、冷却群は一体的に施工される。冷却群をそのためにラピッドプロトタイピングまたは３Ｄ印刷法によって製作することができる。このような施工は部品数を最小化するとともに、非常に良好な流動通路の封止を有する。

本発明のその他の利点、構成要件、および具体的事項は、好ましい実施例についての以下の説明ならびに図面から明らかとなる。

従来技術に基づく燃料インジェクタを示す縦断面図である。 本発明による燃料インジェクタを模式的に示す断面図であり、主要な領域だけが図示されている。 本発明による冷却群を示す断面図であり、主要な領域だけが図示されている。 本発明による冷却リングの一実施例を示す斜視図であり、主要な領域だけが図示されている。

同じ部材または同じ機能をもつ部材は、図面では同じ符号が付されている。

図１には、従来技術から知られているような、内燃機関の燃焼室へ燃料を噴射するための燃料インジェクタ１が縦断面図として示されている。

公知の燃料インジェクタ１は、インジェクタ本体２と、バルブ本体３と、中間プレート４と、ノズル本体５とを含んでいる。これらすべてのコンポーネントがノズルクランプナット６によって結合される。ここではノズル本体５は、ノズル本体５に構成された圧力室８の中で長手方向スライド可能に配置されたノズルニードル７を含んでいる。ノズルニードル７が開放運動をすると、ノズル本体５に構成された複数の噴射開口部９を介して、燃料が内燃機関の燃焼室へ噴射される。

ノズルニードル７には鍔部が見えていて、これに圧縮ばね１０が支持されている。圧縮ばね１０の他方の端部は制御スリーブ１１に支持され、さらにこの制御スリーブ自体が中間プレート４の下面に当接している。制御スリーブ１１は、噴射開口部９に向かい合うノズルニードル７の上側の端面と、中間プレート４の下面とによって制御室１２を定義する。制御室１２の中で生じる圧力が、ノズルニードル７の長手方向運動の制御のための基準となる。

燃料インジェクタ１には流入穴１３が構成されている。流入穴１３を介して、燃料圧力が一方では圧力室８の中で有効となり、そこでこの燃料圧力がノズルニードル７の圧力肩部を介して、ノズルニードル７の開放方向へと力を及ぼす。他方では、この燃料圧力は制御スリーブ１１に構成された流入絞り１５を介して制御室１２の中で作用し、圧縮ばね１０の力で補助されながら、ノズルニードル７をその閉止位置に保つ。

その後に電磁石１６が励起されると、マグネットアーマチュア１７ならびにマグネットアーマチュア１７と結合されたバルブニードル１８が、バルブ本体３に構成されたバルブシート１９から持ち上げられる。このようにして制御室１２に由来する燃料が、中間プレート４に構成された排出絞り２０を通って、バルブシート１９を介して排出通路２１へと流出することができる。このようにして惹起される、ノズルニードル７の上側の端面に対する液圧力の低下が、ノズルニードル７の開放につながる。こうして圧力室８からの燃料が、噴射開口部９を通って燃焼室の中に入る。

電磁石１６がオフになるとただちに、マグネットアーマチュア１７が別の圧縮ばね２２の力によってバルブシート１９の方向へ押圧され、その結果、バルブニードル１８がバルブシート１９に圧着される。このようにして、流出絞り２０とバルブシート１９を介しての燃料の流出経路が遮断される。流入絞り１５を介して、制御室１２の中で再び燃料圧力が生成され、それによって液圧による閉止力が高まる。それにより、ノズルニードル７が噴射開口部９の方向へ変位して、これを閉止する。こうして噴射プロセスが終了する。

燃焼室の領域にあるコンポーネントを冷却するために、公知の燃料インジェクタ１にはバルブ本体３、中間プレート４、およびノズル本体５に冷却通路３０が構成されている。たとえば特にノズルニードル７の先端やノズル本体５を冷却することができる。図１の断面図では、冷却通路３０は部分的に供給穴１３に位置している。しかしそれは断面図に原因があるにすぎず、実施形態においては冷却通路３０は供給穴１３から分離されている。

しかし、公知の燃料インジェクタ１の冷却通路３０はノズル本体５の強度を低下させるので、本発明では冷却通路３０がノズル本体５の外部に構成される。そのうえ、これらの冷却通路３０は比較的小さい総冷却面を有する。

図２は、本発明による燃料インジェクタ１をノズル本体５の領域で断面図として示しており、主要な領域だけが図示されている。冷却群１００が、ノズルクランプナット６に対して隣接して燃焼室の方向に配置されている。冷却群１００はここではノズル本体５を少なくとも部分的に取り囲む。ノズル本体５の中で長手方向可動に配置されたノズルニードル７は、図２の図面には見ることができない。さらに、インジェクタ本体２、バルブ本体３、および中間プレート４もブラックボックスとして模式的にのみ図示されている。

ノズルクランプナット６には、冷却群１００への冷却剤の供給ないし冷却群１００からの冷却剤排出の役目を果たす２つの供給通路３０が構成されている：第１の供給通路３０ａは供給の役目を果たし、第２の供給通路３０ｂは排出の役目を果たす。このとき冷却剤は、専用の冷却剤、内燃機関の燃料、内燃機関のエンジンオイルのいずれであっても構わない。

冷却群１００は、冷却体１０２と、冷却リング１０１と冷却スリーブ１０３とを含んでいる。冷却体１０２はノズルクランプナット６に軸方向で接続し、そのようにして両方の供給通路３０に液圧的に接続される。冷却体１０２はその内側直径部で、良好な熱伝導を得るためにノズル本体５と接触している。冷却リング１０１は、冷却体１０２の燃焼室近傍の部分を取り囲むとともに、多数の冷却通路ないし流動通路を有している。冷却スリーブ１０３は周囲に対して冷却群１００ないし冷却リング１０１を封止し、その結果、冷却剤が漏れだすことがあり得ない。それに応じて冷却スリーブ１０３は、冷却リング１０１を半径方向で取り囲むように配置される。

冷却群１００は種々の固定部材１０４，１０５によって、ノズルクランプナット６および／またはノズル本体５に結合される。その際には種々の態様と結合技術が可能である。

図３は、本発明による冷却群１００の一実施形態の断面図を示している。冷却体１０２は、軸方向でノズルクランプナット６に隣接するフランジ領域１０２ａを有している。さらに冷却体１０２は、中央の配管領域１０２ｂと、燃焼室にもっとも近く位置する冷却体１０２の領域である冷却領域１０２ｃとを有している。このときフランジ領域１０２ａは比較的に最大の直径を有しており、冷却領域１０２ｃは比較的に冷却体１０２の最小の直径を有している。冷却体１０２の内面には、ノズル本体５と協同作用する、特に半径方向でノズル本体５から冷却リング１０１への熱伝導のために構成された伝達面１０２ｄが構成されている。このとき伝達面１０２ｄは、図３に示すように、冷却群１００の燃焼室近傍の円周にわたってのみ延びることができるが、冷却群１００の長さ全体にわたって延びることもできる。

冷却リング１０１は軸方向で配管領域１０２ｂに接続しており、冷却領域１０２ｃを半径方向に取り囲む。入口通路３１が冷却体１０２に構成されて、冷却リング１０１により区切られる長手方向通路１１１に連通しており、長手方向通路１１１は冷却リング１０１と冷却領域１０２ｃにより区切られるのが好ましい。このとき入口通路３１は、フランジ領域１０２ａと配管領域１０２ｂを貫通する。長手方向通路１１１は、冷却リング１０１と冷却スリーブ１０３の間に構成された分配溝１１２に連通する。このとき分配溝１１２は、燃焼室にもっとも近く位置する冷却通路の領域をなす。分配溝１１２は冷却剤を、冷却群１００のほぼ円周全体にわたって分配する。

冷却リング１０１を通る冷却剤の詳細な流動案内については、あとで図４で詳細に説明する。冷却リング１０１を貫流した後、冷却剤は、配管領域１０２ｂと冷却リング１０１の間に構成された集合溝１１３に到達する。集合溝１１３からは、冷却体１０２に構成された出口通路３２が分岐しており、そこから冷却剤が冷却群１００を出てノズルクランプナット６へと再び戻るように案内される。

冷却リング１０１には、分配溝１１２を円周方向で区切る分離ウェブ１１６が長手方向に構成されている。このとき分離ウェブ１１６は、長手方向通路１１１に対して直径上で向き合うように配置されるのが好ましい。このような配置によって、分配溝１１２は、長手方向通路１１１から両方の円周方向へそれぞれおよそ１７０°まで分岐する。

図４は、本発明による冷却リング１０１の好ましい実施形態を、燃焼室の領域から見た斜視図として示している。冷却リング１０１は、冷却体１０２の冷却領域１０２ｃに押し付けられる内壁１１０を有する。このとき内壁１１０は長手方向通路１１１によってのみ中断され、その結果、長手方向通路は冷却領域１０２ｃと冷却リング１０１によって区切られる。

冷却リング１０１は軸方向に多数の長手方向ウェブ１１５を有しており、これらの間に多数の冷却通路ないし流動通路２００を有している。流動通路２００は軸方向で、冷却リング１０１の燃焼室側の端部にある分配溝１１２から、配管領域１０２ｂに接続する冷却リング１０１の端部にある集合溝１１３まで延びている。それに応じて流動通路２００は半径方向で内壁１１０と冷却スリーブ１０３とによって区切られ、円周方向で２つの長手方向ウェブ１１５によって、ないしは長手方向ウェブ１１５と分離ウェブ１１６とによって区切られる。

冷却群１００を通る冷却剤の流動経路は次のとおりである：

冷却剤は、たとえばノズルクランプナット６の供給通路３０から来て入口通路３１に流れ込み、そこからさらに長手方向通路１１１を介して、燃料インジェクタ１の先端部で燃焼室に隣接して配置された分配溝１１２に流れ込む。分配溝１１２は長手方向通路１１１から来て第１の分配溝１１２ａと第２の分配溝１１２ｂに分かれ、これら両方が互いに反対向きの円周方向で長手方向溝１１１から離れていく。長手方向ウェブ１１６は長手方向通路１１１に対して直径上で向き合うように、両方の分配溝１１２ａ，１１２ｂが再合流するのを妨げる。その代わりに両方の分配溝１１２ａ，１１２ｂからは、多数の流動通路２０が上方に向かって、すなわち軸方向で燃焼室から離れるように通じている。多数の流動通路２００は、冷却群１００の円周全体にわたって延びることができる集合溝１１３で再びひとつになる。集合溝１１３から出口通路３２が外に出ていき、これが冷却剤を再び冷却群１００から、たとえばノズルクランプナット６へ戻るように導出する。

このように、燃料インジェクタ１の本件の構成はノズル本体５を冷却するために、非常に広い有効冷却面積を有し、それに伴ってノズル本体５から冷却剤への熱流を明らかに改善する冷却リング１０１を有する冷却群１００を利用する。冷却群１００は、ノズル本体５の外側円周に伝達面１０２ｄをもって当接する冷却体１０２と、多数の流動通路２００を通じて熱交換のための広い冷却面積を提供する冷却リング１０１と、外方に向かって媒体密閉式の封止を担う冷却スリーブ１０３とで構成される。

図４に示す解決法では、冷却リング１０１の流動通路２００は平行に貫流されるが、構成によってはシーケンシャルな貫流も可能であり、それは、たとえば流動通路２００が蛇行して互いに並んでいることによる。そのために流動通路２００は、たとえばメアンダ状の形状を有することもできる。

燃料インジェクタの構造を簡素化するために、本発明の発展例では冷却群１００の部品の個数を減らすことができ、それは、冷却リング１０１のジオメトリーが冷却スリーブ１０３または冷却体１０２に統合されることによる。このとき必要な冷却作用に応じて、流動通路２００の複雑性を適合化することができる。一体的な冷却群１００でさえ、冷却群１００の製造方法として３Ｄ印刷法を利用すれば可能である。貫流は、このような態様の場合にも平行またはシーケンシャルに行うことができる。それに伴い、流動通路ジオメトリーの構成をほぼ任意に選択可能である。

さらに、冷却群１００およびこれに構成される流動通路２００は、能動的冷却がなされない既存の燃料インジェクタ１のための後付けセットとしても好適である。

１ 燃料インジェクタ
５ ノズル本体
６ ノズルクランプナット
７ ノズルニードル
８ 圧力室
９ 噴射開口部
１３ 流入穴
３０ 供給通路
３０ａ 第１の供給通路
３０ｂ 第２の供給通路
１００ 冷却群
１０１ 冷却リング
１０２ 冷却体
１０２ｄ 伝達面
１０３ 冷却スリーブ
１１１ 長手方向通路
１１２ 分配溝
１１３ 集合溝
１１６ 長手方向ウェブ
２００ 流動通路

Claims (11)

1. 内燃機関の燃焼室へ燃料を噴射するための燃料インジェクタ（１）であって、前記燃料インジェクタ（１）はノズル本体（５）を含んでおり、前記ノズル本体（５）に、圧力のもとにある燃料を流入穴（１３）を介して供給可能である圧力室（８）が構成されており、少なくとも１つの噴射開口部（９）を開放または閉止する長手方向運動可能なノズルニードル（７）が前記圧力室（８）に配置されており、冷却群（１００）が前記ノズル本体（５）を少なくとも部分的に取り囲むように配置されている、そのような燃料インジェクタにおいて、
   前記冷却群（１００）が、前記ノズル本体（５）の冷却のための多数の、好ましくは２０超の、貫流可能な流動通路（２００）を区切る冷却リング（１０１）を含んでいて、
   前記冷却群（１００）には長手方向通路（１１１）と分配溝（１１２）が構成されており、前記分配溝（１１２）が燃焼室近傍で前記冷却群（１００）のほぼ円周全体にわたって延びており、前記長手方向通路（１１１）が前記分配溝（１１２）へ冷却剤を供給する役目を果たし、
   前記分配溝（１１２）が前記冷却群（１００）に配置された長手方向ウェブ（１１６）によって円周方向で区切られることを特徴とする燃料インジェクタ。
2. 前記流動通路（２００）が前記分配溝（１１２）から分岐し、燃焼室から離れていく方向に延びることを特徴とする、請求項１に記載の燃料インジェクタ（１）。
3. 前記冷却群（１００）には前記流動通路（２００）が連通する集合溝（１１３）が構成されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料インジェクタ（１）。
4. 前記ノズル本体（５）がノズルクランプナット（６）により前記燃料インジェクタ（１）に応力固定され、前記ノズルクランプナット（６）には前記冷却群（１００）への冷却剤の供給および該冷却群（１００）からの冷却剤排出のための供給通路（３０）が構成され、第１の供給通路（３０ａ）が前記長手方向通路（１１１）と液圧的に接続され、第２の供給通路（３０ｂ）が前記集合溝（１１３）と液圧的に接続されることを特徴とする、請求項３に記載の燃料インジェクタ（１）。
5. 前記流動通路（２００）が前記冷却群（１００）の軸方向で平行に延びることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料インジェクタ（１）。
6. 前記流動通路（２００）がメアンダ状に延びることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料インジェクタ（１）。
7. 前記冷却群（１００）が、前記ノズル本体（５）の外面と協同作用する内側の伝達面（１０２ｄ）が構成された冷却体（１０２）を含むことを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料インジェクタ（１）。
8. 前記長手方向通路（１１１）が前記冷却リング（１０１）と前記冷却体（１０２）の間に構成されることを特徴とする、請求項７に記載の燃料インジェクタ（１）。
9. 前記冷却群（１００）が周囲に対して前記冷却群（１００）を媒体密閉式に閉止する冷却スリーブ（１０３）を含むことを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料インジェクタ（１）。
10. 前記流動通路（２００）が前記冷却リング（１０１）と前記冷却スリーブ（１０３）の間に構成されることを特徴とする、請求項９に記載の燃料インジェクタ（１）。
11. 前記冷却群（１００）が３Ｄ印刷法により一体的に構成されることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の燃料インジェクタ（１）。

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