JP6806897B2 - ３つの構成要素から成る弁座を含む噴射器 - Google Patents

Description

本発明は、３つの構成要素から成る弁座を含む、流体、特に燃料を噴射するための噴射器、及び、内燃機関に関する。

燃料を噴射するための噴射器は、従来技術では様々な構成により知られている。例えば、単体の基体に複数の噴射孔が設けられた所謂多孔ノズルが公知である。代替的に、例えば独国特許出願公開第１０２０１５２０１１０９号明細書には、噴射孔付きディスクが固定された基体を含む噴射器が開示されている。ここで、上記の固定は溶接によって行われる。これにより、基体と噴射孔付きディスクとの間には材料結合による結合が生じる。しかしながら、この材料結合による結合によって、駆動時に、噴射器の閉鎖時のニードル落下及び内圧により、噴射孔領域に引張応力が導入される。これにより、噴射孔領域は、噴霧混合気形成（Ｓｐｒａｙａｕｆｂｅｒｅｉｔｕｎｇ）の機能の他に、耐荷機能も担う必要がある。特に噴射孔の領域では、以下のような引張応力、即ち、それにより噴射孔に亀裂が生じる可能性があり、従って噴霧混合気形成と噴射器の液密性とに対してマイナスの影響を与えうる上記引張応力が発生する。このことを回避するために、噴射孔付きディスクは、従来では、例えば、噴射孔領域の必要な肉厚又は噴射孔の幾何学形状的な形状に関して大きな制限が課せられてしか設計され得なかった。従って、このような制限が噴射孔の設計時に課せらない噴射器であって、噴射孔が様々な内燃機関のために個別に最適な噴霧混合気形成のために、特に燃料消費及び排気量を最適化するために設計可能である上記噴射器を有することが望ましい。

これに対して、流体を噴射するため、特に内燃機関に燃料を噴射するための本発明に係る噴射器には以下の利点があり、即ち、例えばニードルの衝突等に定義される制限を考慮する必要なく、噴射孔付きディスク、及び、特に、噴射孔付きディスクの噴射孔の形状を任意に設計することが可能である。このことは本発明に基づいて、噴射器が３つの構成要素から成る弁座を有することで、達成される。ここでは、噴射器は、開口部及びシール座を含む基体と、噴射孔付きディスクと、締付リングと、を含む。少なくとも１つの噴射孔が、噴射孔付きディスクの内部に配置されている。噴射孔付きディスクは、基体の開口部に配置されており、噴射孔付きディスクと基体との間には、摩擦結合による第１の結合が存在し、この第１の結合では材料結合による結合は存在していない。さらに、基体と締付リングとの間には、摩擦結合による第２の結合が存在し、その際に、締付リングと基体との間には材料結合による結合は存在しない。従って、噴射孔付きディスクを個々に設計することが可能であり、固定が、従来技術のような、例えば溶接結合等を用いた材料結合によってではなく、摩擦結合による結合によって行われる。このことは、基体と締付リングとの間の摩擦結合による第２の結合についても同様に当てはまる。従って、基体は、噴射孔付きディスクと締付リングとの双方のための支持体として機能する。この場合基体自身は、例えば材料結合による結合によって、噴射器の他の構成要素、特に弁スリーブ等と結合されうる。シール座が基体に配置されており、かつ噴射孔付きディスクと基体との間に材料結合による結合が存在しないため、シール座でのニードルの衝突によって噴射孔付きディスクの内部で引張応力が引き起こされることが排除される。従って、本発明に係る構成原理によって、噴射孔付きディスクと基体との間の構造機械的な分離が達成されうる。これにより、噴射孔付きディスクは、流体の内圧、特に燃料の内圧による負荷にのみ晒されており、圧縮応力にのみ支配される。締付リングと基体との間の摩擦結合による第２の結合によって、締付リングは、径方向に内部に向かう力を及ぼし、この力はさらに、基体と噴射孔付きディスクとの間の第１の結合にも作用する。従って、基体と噴射孔付きディスクとの間の特に圧密で、材料結合によらない結合が実現されうる。従来技術での噴射孔付きディスクと基体との間の材料結合による結合の場合のような、引張応力による噴射孔付きディスクの振動応力が、著しく低減され、又は同様に完全に防止されうる。

従属請求項によって、本発明の好適な発展形態が示される。

好適に、締付リングと噴射孔付きディスクとは、噴射器の中央軸Ｘ‐Ｘに直交する平面が噴射孔付きディスクと締付リングとの双方を横断するように、配置される。

基体は好適に、外周面に設けられた付設部を有し、この付設部に締付リングが配置される。

さらに好適に、締付リングの厚さは、噴射孔付きディスクの厚さと等しい。ここでは好適に、締付リングと噴射孔付きディスクとは、噴射器の軸方向Ｘ‐Ｘに同じ高さに配置されており、従って、締付リングの締め付け力が丸ごと径方向に、噴射孔付きディスクと基体との間の第１の結合に対しても作用する。

好適に、追加的に、ニードル案内のためのガイド領域が基体に配置される場合に、噴射器の構成要素の数が減らされうる。上記ニードル案内は、基体のシール座でシールし噴射孔付きディスクの内部の噴射孔を開閉する弁ニードル等を案内するために役立つ。

好適に、基体に設けられた開口部であって、噴射孔付きディスクがそこに配置される上記開口部は、先細り形状に形成され、特に円錐形状に形成される。ここでは、噴射孔付きディスクの外側の周面の輪郭は、基体に設けられた開口部の形状に対して相補的に形成される。代替的に、基体に設けられた開口部は円筒形状に形成され、噴射孔付きディスクの外周面も同様に円筒形状に形成される。

さらに好適に、噴射孔付きディスクの外面形状であって、噴射器の外側の上記外面形状が、凸状又は凹状により設けられる。このことには、以下のような特別な利点があり、即ち、例えば、直接的に燃焼室内、又は、吸気管路内、又は、内燃機関内の他の位置など、内燃機関内での噴射器の位置に従って、噴射孔付きディスクの最適な外面形状が選択可能であり、その際に、従来技術での噴射孔付きディスクと基体との間の材料結合による結合の場合のような剛性に対する要請に注意を払う必要がない。

本発明の他の大きな利点は、３つの構成要素から成る弁座について、構成要素ごとにそれぞれ異なる材料が設けられることである。これにより、各要請に対する材料の最適な調整が可能となり、その際に、材料同士が材料結合により、例えば溶接等により結合が可能か否かを考慮する必要がない。

さらに好適に、基体と、噴射器の他の構成要素、特に弁スリーブとを結合するために、基体に溶接領域が設けられる。

本発明の他の好適な構成によれば、噴射孔付きディスクは、吐出側の外周面に付設部を有する。この付設部を設けることによって、噴射孔付きディスクの肉厚に依存せずに、接触面及びこれにより接触圧を設計／調整することが可能である。代替的又は追加的に、噴射孔付きディスク又は基体に設けられた面取り部（Ｆａｓｅ）も可能であろう。

好適に、噴射孔付きディスクの内部の噴射孔は、円筒形状に設けられ、又は、前段部を備えて設けられ、又は、先細り形状に伸びている。ここで、噴射孔の形状は任意に選択可能であることに注意されたい。

さらに、本発明は、本発明に係る噴射器を備えた内燃機関に関する。噴射器は、特に好適に、燃料、特にガソリンの噴射のために設計される。

以下では、本発明の好適な実施例が、添付の図面を参照して詳細に記載される。図面では、同じ又は機能的に同じ構成要素には同じ符号が付される。
本発明の第１の実施例に係る噴射器の概略的な断面図を示す。 ３つの構成要素から成る弁座での力の分散を明らかにする概略的な断面図を示す。 基体と噴射孔付きディスクとの間の摩擦結合による結合の一実施例を示す。 基体と噴射孔付きディスクとの間の摩擦結合による結合の一実施例を示す。 基体と噴射孔付きディスクとの間の摩擦結合による結合の一実施例を示す。 基体と噴射孔付きディスクとの間の摩擦結合による結合の一実施例を示す。

以下では、図１及び図２を参照して、本発明の第１の好適な実施例に係る噴射器１を詳細に記載する。

図１から分かるように、噴射器１は、３つの構成要素からなる弁座を有し、即ち、弁座は、基体２と、噴射孔付きディスク３と、締付リング４と、を含む。

さらに、噴射器は、弁ニードル７と、弁スリーブ８と、を含む。基体２は、溶接結合９によって弁スリーブ８と結合されている。

基体２は、中央の開口部２１をさらに有し、この開口部２１に噴射孔付きディスク３が収容されている。

基体２と噴射孔付きディスク３との間には、摩擦結合による第１の結合５が設けられている。さらに、基体２と締付リング４との間には、摩擦結合の結合による第２の結合６が設けられている。

基体２には、シール座２０がさらに設けられており、このシール座２０で、弁ニードル７がシールし、又は噴射孔付きディスク３の内部に配置された噴射孔３０を開放し、従って、燃料が噴射孔３０を介して燃焼室１０へと噴射されうる。

基体２には、噴射器の軸方向Ｘ‐Ｘに対して平行に方向付けられたガイド領域２２がさらに設けられている。ガイド領域２２は、弁ニードル７を案内するために役立つ。このために、弁ニードル７は、複数のガイド要素７０を有する。燃料は、個々のガイド要素７０の間を通って、噴射孔付きディスク３まで流れうる。代替的に、ガイド要素が無い円筒形状のニードルが利用されてもよい。この場合はガイド要素が基体に存在する必要がある。

図１に示されるように、基体２は、締付リング４を収容するために役立つ付設部２３をさらに有する。付設部２３は、締付リング４が突出せずに完全に基体２に配置されうるように、形成される。

基体２の溶接領域２４は、弁スリーブ８での固定のために役立つ。

図１及び図２から分かるように、締付リング４と基体２との間の摩擦結合による第２の結合６によって、径方向に内部に向けられた締付力Ｆ１が加えられる。これにより、噴射孔付きディスク３と基体２との間の摩擦結合による第１の結合５で、反力Ｆ２が生成される。摩擦結合による第１及び第２の結合５、６は、プレス結合によって実現される。第１の締付力Ｆ１によって、基体２は、径方向に、締付リング４の内部で弾性的に圧縮され、従って、噴射孔付きディスク３が圧密に、基体２に設けられた開口部２１に収まる。

噴射孔付きディスク３と基体２との間に摩擦結合による結合が存在しないため、弁ニードル７によるニードル衝突によって噴射孔付きディスク３で引張応力が引き起こされることが排除される。このことの詳細が図２から分かる。弁ニードル７は、閉鎖過程において、基体２のシール座２０に当たる。これにより、噴射孔付きディスク３には負荷が掛からない。図２に概略的に示すように、基体２では、ニードルの衝突によって比較的小さな引張応力Ｚが発生するが、この引張応力Ｚは噴射孔付きディスク３の内部には存在しない。噴射孔付きディスク３に対しては、径方向に内部に向けられた力によって、引張応力Ｚによってではなく圧縮応力Ｄによってのみ、負荷が掛けられる。このことが、図２に概略的に示されている。

インジェクタが開放された状態では、燃料圧力Ｐの力のみ噴射孔付きディスク３に対して作用する。閉鎖された状態では、燃料圧力Ｐは噴射孔付きディスク３に対して作用しない。

この点において、本発明は、従来技術とは根本的にかつ非常に有利に異なっている。摩擦結合による結合５、６のみによって結合された、３つの構成要素から成る部品を設けるという構成原理によって、噴射孔付きディスク３のための構造機械的な分離が実現される。弁ニードル７のニードル衝突による力は、肉厚に実現された基体２を介して完全に吸収される。従って開弁時には、噴射孔付きディスク３は、燃料圧力Ｐによってのみ支配される。ニードル衝突により噴射孔付きディスク３で引張応力を引き起こし場合によっては強い衝撃等を引き起こす振動応力が、決定的に最小化され又は解消される。

これにより、噴射孔付きディスク３の設計時には、非常に有利に、例えば、隣合う噴射孔３０間に従来技術よりも薄い肉厚部を設けることが可能である。このことにより、より短い噴射孔と、これにより、消費燃料及び排気量に関する利点を備える更に改善された混合気形成と、が可能となる。

さらに本発明によって、寿命に対する要求が高まる中での、次世代の内燃機関のために必要なより高度なシステム圧力も可能である。これにより、噴射孔の設計は、従来では剛性面の理由から未だ存在していた制限から解放される。

さらに、噴射孔付きディスク３の材料も、基体２の材料とは異なって、及び締付リング４の材料とは異なって選択されてもよい。例えば基体２のために、３つの構成要素から成る弁座と弁スリーブ８又はハウジング等との結合を可能とする良好な溶接傾向を有する材料が選択されうる。噴射孔付きディスク３については、例えば、良好に機械加工が可能な材料が選択されうる。弁座の必要な耐振性、及び噴射孔付きディスクの耐食性に関して、材料選択の際に従来技術ではこれまで存在したトレードオフが回避される。

図１で分かるように、噴射孔付きディスクの第１の厚さＤ１は、締付リング４の第２の厚さＤ２と等しい。これにより、噴射孔付きディスク３の外周面全体が、締付リング４の締付力により径方向に内部に向かって作用する力の導入のために役立つということが可能となる。図１に更に示されるように、噴射孔付きディスク３と締付リング４とは、軸方向Ｘ‐Ｘに対して直交する共通の平面Ｅ上に配置されている。

図３〜図６は、本発明の更なる別の好適な構成を示している。

図３では、先細りする幾何学的形状をした、摩擦結合による第１の結合５が設けられている。ここでは、摩擦結合による結合による第１の結合５は、噴射孔付きディスク３を貫通する貫流方向１２に先細りしている。噴射孔３０は、円筒形状に形成されている。しかしながら、噴射孔は、円錐形状にも形成されていてよい。さらに、噴射孔と前段階穿孔との組み合わせが可能である。

図４に示す構成では、摩擦結合による第１の結合５が円筒形状に実現されている。ここでは、噴射孔付きディスク３は、燃焼室１０を向いた端面に凹所３１を有する。これにより、組立時の締付リング４による、摩擦結合による結合の力の導入が、より小さな面へと分散される。

図５は、噴射孔付きディスク３の、燃焼室１０を向いた面１１が凹状に形成された構成を示している。

図６は、噴射孔付きディスク３の、燃焼室１０を向いた面１１が凸状に形成された構成を示している。これにより、全ての実施例で示されたように、基体２と、噴射孔付きディスク３と、締付リング４と、を含む３つの構成要素から成る弁座が提供されうる。ここでは、噴射器の駆動時に噴射孔付きディスクの内部では圧縮応力Ｄのみ生成され、引張応力Ｚは生成されない。基体２の外周面に配置された締付リング４によって、摩擦結合による第１の結合５で追加的な締め付け力が生成され、基体２の内部に噴射孔付きディスク３を圧密に配置することが可能となる。

Claims (10)

1. 流体を噴射するための噴射器であって、
   ‐開口部（２１）及びシール座（２０）を含む基体（２）と、
   ‐少なくとも１つの噴射孔（３０）を含む噴射孔付きディスク（３）と、
   ‐締付リング（４）と、
   を含み、
   前記噴射孔付きディスク（３）は、前記基体（２）の前記開口部（２１）に配置され、
   前記噴射孔付きディスク（３）と前記基体（２）との間には、摩擦結合による第１の結合（５）が存在し、
   前記基体（２）と前記締付リング（４）との間には、摩擦結合による第２の結合（６）が存在し、
   前記基体（２）に設けられた前記開口部（２１）は先細り形状に設けられ、従って、先細り形状をした摩擦結合による第１の結合（５）が提供される、噴射器。
2. 前記噴射孔付きディスク（３）と前記締付リング（４）とは、前記噴射器の中央軸（Ｘ‐Ｘ）に直交する平面（Ｅ）が前記噴射孔付きディスク（３）及び前記締付リング（４）を横断するように、配置される、請求項１に記載の噴射器。
3. 前記基体（２）は、前記締付リング（４）を収容するための付設部（２３）を有する、請求項１〜２のいずれか一項に記載の噴射器。
4. 前記噴射孔付きディスク（３）の第１の厚さ（Ｄ１）は、前記締付リング（４）の第２の厚さ（Ｄ２）と等しい、請求項１〜３のいずれか一項に記載の噴射器。
5. 前記基体（２）には、弁ニードル（７）を案内するよう構成されたガイド領域（２２）がさらに配置される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の噴射器。
6. 前記基体（２）に設けられた前記開口部（２１）は円筒形状に設けられ、従って、基体（２）と噴射孔付きディスク（３）との間に円筒形状をした摩擦結合による第１の結合（５）が提供される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の噴射器。
7. 前記噴射孔付きディスク（３）の、燃焼室（１０）の方を向いた面が、凸状又は凹状に形成される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の噴射器。
8. 前記基体（２）と前記噴射孔付きディスク（３）とは異なる材料で製造される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の噴射器。
9. 前記基体（２）は、前記噴射器の他の構成要素との溶接結合を提供するよう構成された溶接領域（２４）を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の噴射器。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の噴射器を備えた内燃機関。

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