JPH03505769A - 電磁式の高圧噴射弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 電磁式の高圧噴射弁 本発明は、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための電磁式の高圧噴射弁に関 する。噴射弁は主としてシリンダ当たり３００立方ｃｍ乃至７００立方ｃｍの行 程容積を有する小型及び中型のディーゼル機関のばあいに使用される。弁の一般 的な流通量は１０立方ｍｍ　／　ｍ　ｓ乃至２５立方ｍｍ／ｍｓである。噴射弁 はほぼ１０００パール燃料圧力まで使用可能である。弁はニードル状の弁閉鎖体 を有し、この弁閉鎖体は電磁石の可動子に結合されている。公知の低圧噴射弁の ばあいのように可動子が引き寄せられたばあい噴射ノズルに対する燃料供給路が 開放される。噴射弁は機関によって機械的に駆動される高圧ピストンポンプによ って燃料を供給される。

課題及び従来技術 ディーゼル機関のばあい、燃料調製を改善しかつ有害物質形成を減少、させるた めに、１０００パール以上までの極めて高い噴射圧が所望される。一般に噴射始 めに急勾配の噴射特性曲線がかつシャープに制限された噴射路わりが要求される 。噴射始め及び噴射期間は機関特性領域の条件に適合されねばならない。

高圧噴射のために通常完全に機械的に作業する噴射システムが使用される。この ばあい燃料は噴射過程の始めにポンプ部材内で圧縮されかつポンプエネルギは圧 力波として噴射ノズルに伝達される。噴射ノズルはノズルニードルを備えていて 、このノズルニードルは燃料圧力によってばねの力に抗して弁座から持ち上げら れる。自動車機関用の小さな噴射ノズルのばあいノズルニードルの質量は５ｇ乃 至１０ｇである。ばねの戻し力はノズルの開放圧力に応じて４０ＯＮ乃至２００ ＯＮである。噴射弁の弁座直径は通常はぼ２ｍｍである。高い戻し力によって及 びノズルニードルの比較的大きい質量によって弁閉鎖時に弁座は強い衝撃負荷を 受ける。

噴射過程中及び噴射過程後ポンプとノズルとの間で著しい圧力波が反射する。こ の圧力波の振幅は数１００バールまでである。圧力波が生じたばあい噴射ノズル 閉鎖後、燃料の蒸気圧を下回る零ラインの接触が生ずる。これによって著しい衝 撃的な負荷と共に噴射装置の構成部材においてキャビテーション及び空洞形成が 生ずる。更に反射する圧力波はニードルの新たな開放過程をレリーズする。この ばあい圧力波の伝播時間だけ遅らされた後だれが生じ、このばあい燃料は不十分 にのみ霧化されかつ不完全にのみ燃焼に関与させられるに過ぎない、付加的な後 だれは弁閉鎖時の常時生ずるニードル跳ね返りによって生ぜしぬられる。

ポンプ過程は機械的に作業する噴射システムのばあい所定の回転角に不動に関連 している。このばあい噴射ポンプの高い衝撃的な機械的な負荷が生ずる。それと いうもの全圧力形成はわずかな回転角範囲内で極めて短時間で行われるからであ る。前記角度を通過するための時間は機関回転数が増大するにつれてますます短 縮され、しかも他面ノズル孔の横断面はコンスタントに維持されるので、燃料調 製に際して著しい問題を生ぜしめる回転数に関連した著しい圧力上昇が生ずる。

回転数が低いぼあい圧力は大抵、ノズルニードルを完全に持ち上げるのには不十 分である。

ニードルが部分的に開放されたばあい燃料圧力の大部分は弁座内で速度に変換さ れかつ次いでノズルの袋孔内で渦流を生ぜしめる。このばあい速度変換のために ノズル孔の手前でわずかな燃料圧力のみが与えられるので、極めて不十分な霧化 が生ずる。

回転数に関連した圧力上昇は機関の要求に対する噴射ノズルの適合を困難にする ので、機械的に作業する噴射システムのばあい狭く制限された回転数及び負荷範 囲でのみ最良の状態が得られるに過ぎない。

圧力波による燃料搬送に基づき生せしめられる問題点を回避するために、電磁式 に操作される噴射弁が使用される。電磁式の噴射弁のばあい、十分な調量精度を 得るために、迅速で跳ね返りのない調節運動が必要である。このことは機械的な 強度の高い極めてわずかな質量の可動子によってのみ得られねばならない、引き 寄せ時間及び落下時間は１．５ｍｓ以下である。所要の短い引き寄せ時間はでき るだけわずかな電力によって得られねばならない。機関特性領域の条件に電磁式 の噴射弁を適合させることは公知の電子制御装置によって藺単に実現できる。

内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための公知の電磁式の噴射弁は大きな磁力 を必要とし、この磁力は弁ニードルに作用する液力式の力を克服するために必要 である。許容できるエネルギ消費で高い液力式の力を克服できる十分迅速な電磁 石を構成するのに著しい困難性が生ずる。直接操作される弁ニードルを有する公 知の電磁式の噴射弁は、同時に励磁される多数の磁気コイルを備えた極めて強力 な電磁石を有している。

このような電磁石によって十分迅速な調節運動を得るために、短時間で法外な電 力が使用されねばならない。

更にこのような電磁石の可動子は、わずかな可動子質量を得るために、かつ磁気 コア内での渦電流発生を減少させるために、できるだけ肉薄に構成される。肉薄 の構成に基づいて可動子は迅速な調節運動のばあいに著しい機械的な振動を受け 、この振動によって不都合な跳ね返り運動及び外乱力が生ぜしめられる。

本発明の目的は、わずかなエネルギ出力で十分迅速でしかも跳ね返りのない調節 運動が可能にされるような電磁式の高圧噴射弁を提供することにある。噴射弁は 冒頭に述べた形式の公知の構成に比して比較的簡単な製作を可能にする。

本発明の噴射弁 実験により、所定の弁行程及び所定の流過量のばあい所要の開放作業及び所要の 磁力レベルがほぼ噴射圧とは無関係であることが明かとなった。従って所要のわ ずかな流過量のばあい、極めて高い噴射圧力のばあいでも、わずかな開放作業を 必要とするに過ぎず、この開放作業は質量のわずかな極めて小さな可動子による だけで得られる。しかしながらこのために弁座の直径を非常に小さくする必要が ある。弁座の直径は本発明による噴射弁のばあい有利には０．５ｍｍ乃至０゜８ ｍｍである。このように小さな弁座直径のばおいてすら小型のディーゼル機関を 運転するための所要の流過量は０．０５ｍｍ乃至０．１５ｍｍのわずかな行程に よって得られる。

噴射弁の本発明による設計では所定の行程での所要の最大の開放力は所望の流過 量にのみ関連している。

弁の行程はほぼ０．０５ｍｍ乃至０．１５ｍｍである。

噴射弁は０．４ｍｍ以下まで弁の外径を適当に減少させることによって高い燃料 圧力に適合される。最大の開放力は燃料圧力と弁座の圧力補償しない面積との積 によって得られる。弁座の圧力補償しない面積は常時１平方ｍｍ以下である。

通常の高圧噴射弁のばあい、有利には０．５ｍｍ乃至０．８ｍｍのこのようにわ ずかな弁座直径では確実な運転は不可能である。このようなわずかな直径のばあ い弁座は高い衝撃負荷に基づいて迅速に破壊される。

従って当業者はまず、本発明による弁の弁座直径がわずかであるため、弁座範囲 の許容し得ない摩耗に基づき確実な運転を行うことができないと想像するだろう 。

しかしながら弁座のわずかな直径に基づき最大の補償されない液力的な力はほぼ ５Ｎ乃至２ＯＮになるに過ぎず、このわずかな液力的な対抗力は極めて小さな電 磁石によるだけ克服できる。本発明による噴射弁の確実な運転は通常の高圧噴射 弁に比して著しく減少された力レベル及び有利にはほぼＩｇ乃至２ｇの特にわず かな可動子質量によって可能にされる。わずかな力レベル及びわずかな可動子質 量によって弁座範囲内で発生する衝撃負荷は許容限界内に維持される。

更に噴射弁の可動子は圧力をかけられた燃料によって完全に取り囲まれている。

可動子室は従来提案された多（の構成とは異なって密なニードルガイドによって システム圧力から分離されていない、圧力をかけられた燃料によって完全に可動 子を取り囲むことは本発明による噴射弁のばあい、補償されない外乱力の発生を 申し分なく阻止するために、絶対必要である。

わずかな磁力にもかかわらず噴射弁の確実な運転を可能にする別の有利な所要の 措置を実施例に基づき説明する。

第１図では、はぼ２０ｍｍに過ぎない外径を有する本発明による高圧噴射弁を図 示している。弁の設定圧力はほぼ２００バール乃至３００バールである。弁の可 動子行程は０．０５ｍｍ乃至０．１’ｍｍであり、弁座の外径は０．８ｍｍであ る。弁の磁気回路は可動子１１２と、磁極１０８と、ケーシング１０１と、支持 体１１６とから形成される。磁気回路のすべての構成部材は軟磁性の材料から形 成されている。磁気回路は、コイル体１０６上に巻かれた磁気コイル１０５によ って励磁される。磁気コイル１０５は有利にはほぼ１００の巻条を有している。

磁極１０８と可動子１１２とは、できるだけ高い磁力を得るために、高い飽和誘 導を有する材料から形成される。材料としては５０パーセントまでのコバルト含 有量を有する鉄材料が特に適している。可動子１１２の外径は有利にはほぼ７ｍ ｍ乃至８ｍｍであり、壁厚さは有利にはほぼ１ｍｍ乃至１．２ｍｍである。電磁 石の最大の磁力は磁気コアが飽和したばあいほぼ２５Ｎ乃至４ＯＮである。

管状の可動子１１２は弁ニードル１１３にプレス嵌めされていて、この弁ニード ルは中央のストッパビン１２５によって直接ストッパ部材１２６に接触する。

可動子１１２は付加的なレーザ溶接によって又はろう接によって軸方向移動に抗 して弁ニードル１１３に確保される。可動子は、可動子及び磁極１０８の内部に 配置された戻しばね１１０によって戻される。

ストッパビン１２５のストッパ面は可動子１１２の端面からほぼ５０マイクロメ ートルだけ突出しているので、可動子が引き寄せられたばあいにも磁極と可動子 との間で残余空隙が残される。残余空隙によって励磁電流遮断後進速に磁界が消 滅させられる。更に残余空隙によって可動子の引き寄せ運動の許容できない強い 緩衝が回避される。

弁ニードルの下端には弁座１２０を閉鎖するニードル状の閉鎖体１１９が加工さ れている。ニードル状の閉鎖体の直径はほぼ２ｍｍである０円錐形の弁座１２０ 及びノズル１１８は直接ノズル支持体１１７内に加工されている。ノズル１１８ は従来設けられた袋孔を間拝することなしに直接弁座１２０の下側に配置されて いる。これによって燃料圧力の渦流なしの変換を伴う極めて良好な流れ質が得ら れる。

噴射弁は可動子が引き寄せられるばあいの液力的な戻し力が可動子が落下するば あいの液力式の戻し力を上回る液力的な特性曲線の適合性を有している。このよ うな特性曲線適合性によって可動子の戻り時間が著しく短縮される。このために 弁ニードルの下端は１００分の数ｍｍのわずかな半径方向遊びをもって案内孔１ ２２内で案内されている。案内孔の直径はほぼ２ｍｍである。弁ニードル１１３ と案内孔１２２との間の環状ギャップ内では圧力勾配が生じ、この圧力勾配は流 通量が増大するにつれてひいては可動子行程が増大するにつれて増大する。この 圧力勾配によって可動子行程が増大するにつれて増大する液力的な力が生ぜしめ られ、この力は磁力に抗して作用する。案内孔内部の弁ニードルの半径方向の遊 びは、可動子が引き寄せられるばあい環状ギャップの後方で静的な燃料圧力のほ ぼ１０パーセント乃至２０パーセントの不変な圧力勾配が生ずるように、設計さ れている。環状ギャップの直径は弁座の直径よりもほぼ２倍乃至３倍大きいよう に選ばれている。所定の設計においては、可動子の戻り時間を不都合に延長する ことなしに、閉鎖体の液力式の定心及び弁座に対する閉鎖体の衝撃運動の緩衝作 用が得られる。戻り運動の緩衝によって閉鎖跳ね返りが著しく減少される。弁ニ ードル内には溝１２１が配置されている。溝１２１は不変な圧力勾配を拡大する ためにかつ環状ギャップの周方向に亘って圧力勾配を均一に分配するために用い られる。

磁極１０８は、下端につば１２９を支持する磁化不能なスリーブ１０７によって 支持されている。スリーブ１０７はつば１２９によって中央のケーシング部分１ １６とノズル支持体１１７どの間に締め付けられている。弁ケーシング１０１は 中央のケーシング部分１１６にねじ固定されている。スリーブ１０７内での磁極 １０８の固定は有利にはプレス嵌めによってかつ次いで行われるレーザ溶接又は 硬ろう接によって行われる。スリーブ１０７は、スリーブ内での渦電流発生をで きるだけわずかにするために、できるだけ高い電気的な抵抗を有するオーステナ イト系鋼から形成される。

磁極１０８内には、磁化不能な材料からなるストッパ部材１２６が圧入されてい てる。ストッパ部材１２６は磁極１０ｇに不動に結合されていてかつ、燃料流過 を可能にする溝１３０を備えている。ストッパ部材１２６の端面及び磁極１０８ の端面は共通の平面内に配置されている。

燃料は図示されてない供給導管を介して弁ケーシング内に達する。供給導管は上 側のケーシング部分１０１にねじ固定されている。ケーシング部分１０１からは 燃料は上側のストッパ部材１２６内の側方の溝及び弁ニードル１１３内の側方の 溝１２３を介して弁座１２０に達する。磁極１０８はシールリング１０９によっ てケーシング１０１に対してシールされている。

可動子戻りの始めにはストッパビン１２５とストッパ部材１２６との間の真空形 成に基づき液力的な膠着力が生ずる。液力的な膠着力は戻しばね１１０の力に抗 して作用しかつ可動子戻りの不都合な減速を生ゼしぬる。過度の大きなストッパ 面のばあい弁のロックひいては機能障害が生ずる。従って、液力的な膠着力をで きるだけわずかにすることが絶対必要である。ストッパビン１２５とストッパ部 材１２６との間の接触面の大きさは弁座の大きさを上回ってはならない。従って ストッパビン１２５の直径は弁座の直径よりも小さくなければならない。ストッ パビンの直径は有利には０．５ｍｍ乃至１ｍｍである。更に磁極１０８と可動子 との直接的な接触は、可動子の液力的なロックを阻止するために、絶対回避され ねばならない。

ストッパビン１２５とストッパ部材１２６との間の極めてわずかなストッパ面に 基づき可動子が衝突したばあい高い衝撃負荷が生ぜしめられる。この高い衝撃負 荷は可動子の引き寄せ運動の緩衝によって許容値に制限されねばならない、この ために弁ニードルの端面に、環状のポケット１２８によって形成される緩衝室が 設けられている。緩衝室は幅狭なつば１２４によって取り囲まれている。環状の つば１２４の端面はストッパビン１２５の端面に対してほぼ５マイクロメートル 乃至１０マイクロメートルずらされている。これによって可動子が引き寄せられ たばあいでも狭い圧縮ギャップが生じ、この圧縮ギャップを介して可動子引き寄 せ中燃料が押し出される。圧縮流によって衝撃運動の緩衝作用が得られる。付加 的な緩衝作用は残余空隙１２７の範囲の圧縮流によって行われる。前述の措置に よって最小の液力的な膠着力で可動子衝撃運動の有利な緩衝作用が得られる。緩 衝措置が講じられなければ、ストッパビンの面積を極めてわずかにして安定した 摩耗のない運転を得ることはできない。緩衝室及びストッパビン１２５を製作す るために有利にはまず可動子の極面１２７が弁ニードルの端面と共に平に研削さ れる６次いで引き込まれた緩衝室及び残余空隙が端面のスタンピング又はエレク トロ二ロージョンによって製作される。

ストッパビン１２５の直径が極めてわずかであるばあい弁の自己安定性は摩耗に よって得られる。ストッパ面の範囲で摩耗が生じたばあいつば１２４とストッパ 部材１２６との間の自由な流れ横断面が減少される。

これによって可動子引き寄せ時の衝撃負荷を著しく減少させる著しく増大した緩 衝力が生ずる。摩耗が増大するにつれて衝撃負荷が減少するため短いならし運転 段階後すでに摩耗の停止が得られる。しかしながら摩耗によって弁行程ひいては 弁の流通量が増大する。しかしながら適当に狭い許容誤差の構成部材のばあいこ の行程変化は数マイクロメートルに制限されている。

このようなわずかな行程変化は本発明による噴射弁のばあい許容できる。

戻しばね１１０と弁ニードル１１３との間には、跳ね返り振動を減少するのに用 いられる振動ダンパ１１１が配置されている。振動ダンパ１１１はビン状の延長 部によってわずかな半径方向遊びをもって軸方向に可動に案内されている。不作 用位置では振動ダンパｌＬｌは戻しばね１１０の力によって不動に弁ニードル１ １３の肩に押し付けられる。可動子衝撃により振動ダンパは内在する運動エネル ギによって弁ニードルの肩から解離され、これによって支承範囲で狭いギャップ が生ずる。このばあいまず弁ニードルが戻しばねの力を受けなくなる。更に、形 成されるギャップ内での真空形成に基づき生ぜしぬられる極めて強い液力的な力 が開放運動方向で生ずる。この力は跳ね返り運動に抗して作用し、これによって 跳ね返り運動は短時間で停止する。振動ダンパ１１１によって極めて短い開放時 間のばあいでも跳ね返りのない安定した運動状態が得られる。振動ダンパの質量 は本発明による高圧噴射弁のばあい広範囲に限定できる。動的に有利な状態は可 動子及び弁ニードルの質量のほぼ１０パーセントの振動ダンパの質量のばあいに 得られる。

可動子の下側には別の振動ダンパ１１４が配置されていて、この振動ダンパは弁 閉鎖時に跳ね返り振動を別に緩衝するのに用いられる。振動ダンパ１１４は弱い ばね１１５によって弁ニードルの下側の肩に押し付けられる。ばね１１５の力は 戻しばねの力よりも著しくわずかである。閉鎖はね返りの緩衝は上側の振動ダン パと同じ形式で行われる。閉鎖跳ね返りの緩衝作用は下側の振動ダンパ１１４の 支承肩範囲でのばね力軽減及び真空形成によって行われる。このような振動ダン パは公知の機械的な噴射ノズルのばあいにも閉鎖跳ね返りを減少させるのに使用 される。

弁は互いに適合する構成部材を選択することによって公知の形式で校正される。

弁は公知の電子的な回路によって直接はぼ１２Ｖの電源網電圧で制御される。こ のばあい引き寄せ過程の最後までほぼＩＯＡに達するまでのピーク電流によって 過剰励磁が行われ、このピーク電流は次いで行われる保持段階でほぼ２人乃至３ Ａに減少される。このような制御では全体として０．５ｍｓ以下の引き寄せ時間 が得られる。引き寄せ時間は可動子の開放運動時間と引と寄せ遅延時間とから形 成される。引き寄せ運動時間はほぼＯ，ｊ５ｍｓ乃至０．２ｍｓである。弁の落 下時間は通常はぼ０．３ｍｓである。

公知の弁構成に比して高圧噴射弁の本発明による構成及び寸法法めによって多く の利点が得られる。

弁を安価に製作することができる。それというのも可動子及び弁ニードルのガイ ドを比較的わずかな精度で製作できるからである。磁極１０８及びスリーブ１０ ７はほぼ完全に軸方向力から軽減される。これによって軽量で肉薄で渦電流の生 じない構造形式が得られる。公知の弁のばあい弁ニードルのガイドは極めて高い 精度で製作されねばならない、それというのもガイドは圧力室をシールするため に用いられるからである。

更に公知の弁は漏れ燃料を戻すための付加的な戻し導管を必要とする０本発明に よる弁のばあいニードルガイド内でのシールは不要である。弁はできるだけわず かな漏れ通路を有するに過ぎない、戻し導管は省（ことができる。

個々の操作過程においては極めてわずかな圧力振動のみが生ずる。それというも の弁内部には比較的多量の燃料量が貯蔵されるからである。圧力振動は高い運転 圧力に基づいて弁内に貯蔵された燃料量の弾性によって申し分なく緩衝される。

更に燃料供給のために、圧力波発生を阻止する比較的大きな横断面が与えられる 。圧力振動の振幅は燃料供給導管の横断面が増大するにつれて減少する。燃料供 給導管の内径は少なくとも２ｍｍ乃至３ｍｍである。圧力振動の最大の振幅は通 常はぼ２０パール乃至５０バールを上回らない。

わずかな圧力振動に基づき極めて不都合な運転状態のばあいでも弁内部で常時高 い燃料圧力が生ずる。圧力波に基づ（燃料内での空洞形成は完全に遮断される。

導管内部でのキャビテーションの発生及び零ラインの接触は恐れる必要はない１ 機関から弁内へのブローバックは常時存在する高い燃料圧力によって不可能にな る。

弁は著しく減少された力レベル及びわずかな可動子質量に基づき極めてわずかな 電気的なエネルギを必要とする。弁は極めてわずかな寸法を有しかつ迅速な調節 運動を可能にする。緩衝措置に基づき跳ね返りのない運動経過が得られる。可動 子跳ね返りは０．０５ｍ５乃至０．１ｍｓ以下で停止する。場合によって閉鎖跳 ね返りが生じたばおいてすら燃料圧力は直接弁座内で高い速度に変換され、この 速度によって良好に霧化されて調量された全燃料量が完全に噴射されるようにな る。場合によって後だれが生じたばあいでも極めて良好な霧化が得られる。極め てわずかな弁座直径に基づいて弁座の下側で著しい燃料量が貯えられることはな い。

高い作業速度に基づいて燃料のわずかな部分量は早い時点にすでに別個の噴射過 程中機間に供給される。

このような作業形式は薄い基本混合気を形成するのに用いられかつパイロット噴 射と呼ばれる。パイロット噴射によってディーゼル機関の点火遅れ及び有害物質 放出を減少させるのは公知である。

以下に別の実施例に基づき本発明による弁の若干の変化実施例を詳述する。

第２図では第１図の高圧噴射弁に類似して構成された高圧噴射弁を図示している 。このばあい右側及び左側で多少異なる２つの構成を図示している。このばあい 磁極を固定するための別の可能性及び可動子行程を調節するための特に有利な構 成を図示している。このばあい第１図とは異なる部分について説明する。

弁の磁気回路は磁極２０４と、ケーシング２０１と、可動子２１５とから形成さ れている。更に磁気的な戻りは第２図右側で、支持スリーブ２０８にねじねじ結 合された支持体２１４によって行われる。磁極２０４１は直接磁化不能な支持ス リーブ２０８にねじ結合されている。第２の左側では磁極２０４は磁化不能なス リーブ２０６によって支持されていて、このスリーブは磁化可能な材料から成る 下側の支持スリーブ２０７の内部に固定されている。このばあい固定は有利には 硬ろう接又はレーザー溶接によって行われる。可動子２１５用の案内孔及び磁極 ２０４の端面の加工は共に一作業で行われ、これによって正確な直角位置の維持 が容易に得られる。更に磁極及び可動子は第２図の左側でそれぞれ２つの同心的 な構成部材から構成される。

このばあい可動子２１５はスリーブ２１６を支持しかつ磁極２０４はスリーブを 支持する。このような構成の利点は渦電流発生が減少されるということにある。

それというのも個々の構成部材を全体的に肉薄に構成できるからである。

可動子行程の調節は弁座支持体２０９の回動によって行われる。このために弁座 支持体２０９は弁頚部２０８に対して遊びな（緊定されている。この緊定はシー ルリング溝２２０の上側の肩２１３のばね作用によって行われる。緊定可能な弁 座支持体２０９によって弁の特にわずかな構造高さで高い緊定力が得られる。

弁頚部２０８の肩と肩２１３との間には嵌合いリング２１１が配置されている。

嵌合いリングは弁行程の粗調節のために用いられる。更に精密な校正は弁のテス ト運転後弁座支持体２０９の適当な回動によって行われる。選択的に緊定可能な 肩を弁座支持体の外周に配置することができ、この肩は弁頚部２０８の端部に接 触する。所要のばね弾性は同様に弁座支持体内のアンダーカットされた溝によっ て得られる。緊定可能な弁座支持体は弁の特に間車で確実な静的な校正を可能に する。別個のばね部材では調節の長時間安定性は確実に保証されない。緊定可能 な弁座支持体は低圧噴射弁のばあいにも有利に使用可能である。

第３図では、磁気回路が２重の作業空隙を有する別の高圧噴射弁を図示している 。弁の外径はほぼ２０ｍｍである。

弁の磁気回路は可動子３０７と、中央磁極３０２と、ケーシング３０１と、側部 磁極３０６とから形成されている。磁気回路は２つの作業空隙３１５，３１６を 有している。中央の作業空隙３１５は磁気コイル３０３の内部に配置されている 。中央磁極の外径はほぼ６ｍｍ乃至８ｍｍである。中央磁極３０２の壁厚さはほ ぼ０．８ｍｍ乃至１．２ｍｍである８両磁極の面積はそれぞれほぼ１５平方ｍｍ 乃至２０平方ｍｍである。

可動子が引き寄せられたばあい作業空１１１３１５．３１６の範囲にそれぞれほ ぼ０．０５ｍｍの残余空隙が残される。弁行程は有利にはほぼ０．０５ｍｍ乃至 ０゜１ｍｍである。磁気コイル３０３は磁化不能な材料から成るコイル体３０４ に巻かれている。コイル体はコイル室をシールするのに用いられかつ例えばオー ステナイト系鋼又は高い強度のセラミックから形成される。

コイル室はシールのために及び機械的な安定性を改善するために注造材料によっ て充填されている。更に磁気コイル３０３は薄いフォイルからも製作できる。こ のようなフォイルコイルは極めて高い機械的及び電気的な安定性を有しているの で、システム圧力に対するコイル室のシールも省くことができる。弁ニードル３ ０８は、可動子３０７が固定される側方のっば３２２を有している。可動子及び 弁ニードルの全移動質量はほぼＩｇである。弁ニードル３０８の直径はほぼ２ｍ ｍ乃至２．５ｍｍである。弁ニードルには弁座を閉鎖する球形のビン３１７が設 けられている。このビンの直径はほぼ０．８ｍｍである。弁座の圧力補償しない 面積はほぼ０．３平方ｍｍである。弁の設定圧力はほぼ５００バールである。弁 ニードルの上側には直径はぼ０．５ｍｍ乃至０．８ｍｍのストッパビン３１９が 設けられている。ストッパビンは緩衝室３２０によって取り囲まれている。スト ッパビンは可動子が引き寄せられたばあい中央のストッパ３１２に接触する。中 央のストッパ３１２は磁化不能な材料から形成されがつ中央磁極３０２の内部で 例えば硬ろう接によって固定されている。弁ニードルは２つのダイヤフラムばね ３０５．３１０の間に締付けられていてかっこのダイヤフラムばねによってわず かな遊びをもって半径方向で案内されている。ダイヤフラムばねは燃料流過を可 能にするために開口を備えている。可動子３０７と上側のダイヤフラムばね３０ ５との間には振動ダンパ３１３が配置されている。振動ダンパの適当な厚さを選 択することによって戻しばねカの調節が可能にされる。

図示されてない別の振動ダンパは下側のダイヤフラムばね３１０と弁ニードル３ ０８との間に配置されている。コイル体３０４と、ダイヤフラムばね３０５と、 側部磁極３０６とは弁座支持体３０９によってケーシング３０１の内部に不動に 固定されている。弁座支持体３０９はシールリング溝３１１の範囲で弾性的に構 成されていて、これによって弁行程は弁座支持体３０９の適当な深さのねじ込み によって校正される。弁座３１８に対する燃料供給はケーシング３０１の中央の 管片３２５、中央のストッパ３１２及び弁ニードルのつば内の側方の溝、ダイヤ フラムばね内の開口を介して行われる。

第１図及び第２図による弁構成に比して上記弁構成の利点は、渦電流発生がわず かであるということにある。それというのも所定の最大の磁力のために磁気回路 を肉薄に構成できるからである。更に可動子質量がわずかであり、これによって 一層迅速な可動子運動が可能にされる。弁は自己定心性を有し、これによってわ ずかな製作不精度を補償できる。しかしながら不都合には第１図及び第２図の実 施例に比して多数の漏れ電流路が生ずる。

第４図では極性を与えられる磁気回路を有する高圧噴射弁を図示している。極性 を与えられる磁気回路の原則的な構成は公知である。弁の設定圧力はほぼ１Ｏ０ ０パールである。弁の外径はほぼ２２ｍｍである。

弁は第１図乃至第３図の弁構成に比して迅速な調節運動を可能にする。しかしな がら不都合には著しく構成費用が増大する。

第４図では左側で単安定的な弁構成をかつ右側で双安定的な弁構成を図示してい る。このばあい単安定的な構成とは、励磁電流遮断後自体閉鎖位置に達する弁の ことである。単安定的な構成の利点は、電気的な制御回路が場合によって機能障 害を起こしたばあいでも高い安全性が得られるということにある。双安定的な構 成では弁を閉鎖するために電気的な対抗パルスが必要である。双安定的な構成の 利点は、改善された効率ひいては大きな作業速度にある。図示の弁は極めて急勾 配のばね特性曲線を有する２つのダイヤフラムばねの間で特に摩擦のない可動子 懸架形式を有する。弁の半開放位置ではばね力は零である。ばね力の最大値は弁 のそれぞれの終端位置において開放位置並びに閉鎖位置で得られる。できるだけ 高い効率を得るために、弁閉鎖位置でばね力はほぼ磁気回路の永久磁気的な力と 安全性の理由から必要とされる閉鎖力との和に等しくなければならない。急勾配 のばね特性曲線によって極性を与えられる磁気回路を有する噴射弁のばあい、通 常のフラットなばね特性曲線を有する噴射弁のばあいよりも著しく迅速な調節運 動が得られる。フラットなばね特性曲線はコイルばねを使用したばあいに生ずる 。弁はほぼ１０００バールに達するまでの燃料圧力のために適している。

第４図の極性を与えられる電磁弁は弁ニードル４１６に不動に結合された管状の 可動子４１５を有している。可動子４１５の外径は有利には７ｍｍ乃至８ｍｍで あり、可動子の壁厚さは有利にはほぼ０．８ｍｍ乃至１．２ｍｍである。可動子 及び弁ニードルの全質量はほぼ１．５ｇである。弁ニードル４１６は上面及び下 面でダイヤフラムばね４１３，４１４内に懸架されている。ダイヤフラムばね４ １３，４１４の特性曲線の校正はばねの平らな側の適当な研削によって行われる 。ダイヤフラムばねと弁ニードルとの間には振動ダンパ４１７，４１８が配置さ れている。ダイヤフラムばね４１３，４１４は燃料の流通を可能にする開口を備 えている。可動子行程は上側のストッパ４１１によって制限されていて、このス トッパには弁が開放されたばあい弁ニードル４１６が接触する。

弁の両磁極は磁化不能なスリーブの内部に配置されている。第４図右側の双安定 的な弁は磁気技術的に対称的な構造を有している。このばあい可動子４１５と両 磁極４０９，４１０との間には空隙４２３，４２４が配置されている。第４図左 側の単安定的な弁構成では磁化可能なスリーブ４２０によって上側の磁極４１９ と閉鎖栓体２６との間に付加的な空隙が形成される。

この付加的な空隙によって上側の作業空隙４２４内の磁界が弱められる。これに よって下側の作業空［４２３範囲内の強い磁界によって休止位置への可動子の自 動的な戻りが保証される。可動子４１５と磁極との間にはそれぞれの終端位置で 有利にはそれぞれほぼ０゜０５ｍｍの残余空隙が残る。残余空隙は、液力的な膠 着を回避するために必要である。更に残余空隙の範囲では調節運動の所望の液力 的な緩衝作用が得られる。

単安定的な作業形式は残余空隙４２３，４２４の非対称的な配置によっても得ら れる。このために上側の残余空隙は下側の残余空隙よりの著しく長く形成される ので、下側の残余空隙の範囲で適当に強い永久磁気的な磁界が形成され、この永 久磁気的な磁界は自動的な戻しを生ぜしめる。しかしながら磁極４１９と閉鎖栓 体４２６との間に付加的な磁気的な空隙を有する、第４図左側で図示の単安定的 な配置形式が磁気技術的に有利である。

永久磁気的な磁界は永久磁石４０２によって生ぜしめられ、この永久磁石は多数 の別個のセグメントがら構成されている。可動子４１５に対する内側の磁気的な 戻し路は中央磁極４０３によって生ぜしめられる。

両磁極４０９，４１０に対する外側の磁気的な戻し路は弁ケーシング４０１と、 上側の閉鎖栓体４１２と、弁座支持体４０８とによって生ぜしめられる。中央磁 極４０３は磁化不能なスリーブ４０４，４０５もしくは４２０に不動に結合され ている。結合は有利にはレーザー溶接又は硬ろう接によって行われる。電気的な 励磁は両磁気コイル４０６，４０７によって行われる。

弁の内側部分は弁ケーシング４０１内で上側の閉鎖栓体４１２に共通に締付は固 定されている。弁の内室は全システム圧力によって負荷される。磁気コイル４０ ６．４０７の組み込み室はシステム圧力に対してシールされている。

更に、本発明による弁は図示の簡単なノズル形状とは異なるノズル形状を装備す ることができる。このような異なるノズル形状は通常の機械的な噴射ノズルから 公知である。自体公知のこのノズル形状は小型化された形状で難なく本発明によ る弁のばあいに使用できる。例えば弁は霧化を改善するために小型化されたビン トルノズルを備えることができる。このばあいビン直径はほぼ０．５ｍｍ乃至０ ．７ｍｍである。更に０゜５ｍｍよりも短い長さの極めて短いノズルによって霧 化を改善することができる。このようなノズルの開口部は機械的な強度を改善す るために埋め込まれている。

このような短いノズルは本発明の弁のばあい弁座範囲の機械的な負荷がわずかで あるため使用可能である。

更にノズルは燃焼室側で１００分の数ｍｍの半径を賽する円形面取り部又はテー パ状の流出部を備えることができ、これによって同様に霧化が改善されかつ大き な噴霧円錐が得られる。噴射ノズルの範囲には又は弁ニードルには燃料旋流を生 ぜしめるための渦流発生部材を配置することができる。更に弁座の下側に袋孔を 配置でき、この袋孔は斜めに配置された単数又は複数のノズルに燃料を供給する 。これによって噴流方向を変えることができる。いずれにせよノズルの流入範囲 の流れ質は袋孔によって著しく悪化され、これによって全体的に弁の動的な特性 が著しく悪化するようになる。従って本発明の弁では弁座の下側の袋孔はなるべ く省かれる。

記述の設計事項及び結合方法は有利には本発明の範囲を占めるものではあるが、 本発明はこれに制限されるものではない。例えばプレス嵌めをねじ結合に代える ことができる。記述の寸法法めにおいては設定圧力が異なるばあいしばしば多少 異なる寸法が必要になる。

特別な組み込み条件によって異なるケーシング形状が必要になる。このような簡 単な修正は容易に実施できる。

更に本発明による弁は理論的に、弁ニードルを部分的に取り囲むつば状のストッ パを備えることもできる。

つば状のストッパは半径方向で均一に分配された単−又は複数の別個のストッパ 範囲を有している。安定的な機能を保証するためにこのようなストッパのストッ パ面は十分小さく構成されねばならない、このようなストッパ形状は低圧噴射ポ ンプ分野から一般的に公知である。しかしながらつば状のストッパはストッパ面 の正確な平行性を維持しなければならないという著しく重大な困難性を生ぜしめ る。所要の平行性を維持することは精密な加工法を用いてすらほとんど不可能で ある。従って実地においてはっは状のストッパを有するこのような高圧噴射弁の ばあいしばしば時間的に著しく変動する液力的な膠着力が生ぜしめられ、この膠 着力によって許容し得ない著しく変動する弁閉鎖時間が生ずるようになる。この ような構成によって製作不良品が増大するようになる。従って本発明による高圧 噴射弁では単一の中央のストッパを有する提案された構造形式が望まれる。

本発明による燃料噴射弁の別の有利な構成はその他の請求項に記載されている。

手続補正書く自発） 平成　３年　８月２３日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射するために用いられる電磁式の高圧噴 射弁であって、亀磁石の可動子に不動に結合された二一ドル状の弁閉鎖体を備え 、前記可動子が高圧をかけられた燃料によって完全に取り囲まれていて、このば あい燃料が内燃機関によって機械的に駆動されるポンプによって供給されるよう になっている形式のものにおいて、 弁の可動な構成部材の全質量が５ｇよりも著しくわずかで、有利には１ｇ乃至２ ．５ｇであり、可動子の行程が中央のストッパ部材（１２６，３１２，４１１） によって制限されていて、このストッパ部材のストッパ面が弁の中央軸線内を占 めていて、ストッパの範囲の接触面並びに弁座（１２０，２１９，３１８，４２ ５）の範囲の圧力補償しない横断面がそれぞれ１平方ｍｍよりわずかで、有利に は０．２平方ｍｍ乃至０．５平方ｍｍであることを特徴とする、電磁式の高圧噴 射弁。 ２．電磁式の燃料噴射弁の弁座支持体であって、弁座支持体が噴射弁にねじ結合 によって結合されていてかっ噴射弁に対して緊定されていて、このばあい可動子 行程が弁座支持体の適当な深さのねじ込みによって調整される形式のものにおい て、 弁座支持体（２０９，３０９）がねじ山の内径よりも小さい内径を有する環状溝 （２２０）を備えていて、環状溝（２２０）が弁座支持体の変形可能なつば状の 範囲を制限していて、 変形可能なつば状の範囲（２１３，３２３）が噴射弁に対して機械的に緊定され ていることを特徴とする、電磁式の燃料噴射弁の弁座支持体。 ３．戻しばねの力によって弁座に押し付けられるニードル状の弁閉鎖体を有する 高圧噴射弁において閉鎖跳ね返りを緩衝するための振動ダンバであって、振動ダ ンパが完全な燃料圧力を受けている形式のものにおいて、 振動ダンパ（１１４）が弁ニードル（１１３）取り囲みかつ付加的なばね（１１ ５）によって弁ニードルに押し付けられていて、前記ばねのばね力が戻しばね（ １１０）の力に抗して作用していて、付加的なばね（１１５）のばね力が戻しば ね（２１７）の力の一部、有利にはほぼ１０パーセントであるに過ぎず、 振動ダンバの質量が弁のその他の可動な構成部材の質量の一部、有利にはほぼ１ ０パーセント乃至２０パーセントであるに過ぎないことを特徴とする、振動ダン バ。 ４．内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射するために用いられる電磁式の弁を迅 速に操作するための極性を与えられる磁気回路であって、前記弁の可動子行程が ０．３ｍｍ以下、有利にはほぼ０．１ｍｍでありかつ弁がニードル状の弁閉鎖体 を有していて、この弁閉鎖体が極性を与えられる磁気回路の管状の可動子に不動 に結合されている形式のものにおいて、磁気回路の可動子（４１５）が極めて急 勾配のばね特性曲線を有する少なくとも２つのばね（４１３，４１４）の間に懸 架されていて、このばねのばね力が互いに逆向きに作用していて、 ばね（４１３，４１４）の合成のばね力がそれぞれの終端位置で永久磁気的な力 に抗して作用していて、ダイヤフラム（４１３，４１４）ばねの合成のばね力が 可動子の中間位置で零でありかつ可動子のそれぞれの終端位置で最大値であるこ とを特徴とする、極性を与えられる磁気回路。 ５．弁の磁極（１０８，２０５）が、可動子（１１２，２１５）を半径方向で案 内するのに用いられる磁化不能なスリーブ（１０７，２０８）によって支持され ていることを特徴とする、請求項１記載の高圧噴射弁。 ６．弁の可動子（１１２）が管状に形成されていて、このばあい磁気コイル（１ ０５）の内部に磁気回路の作業空隙（１２７）が配置されていることを特徴とす る、請求項１記載の高圧噴射弁。 ７．弁の可動子（３０７）がキャップ状に形成されていて、このばあい磁気コイ ル（３０３）の内部に磁気回路の作業空隙（３１５）が配置されていることを特 徴とする、請求項１記載の高圧噴射弁。 ８．可動子が少なくとも１つのダイヤフラムばね（３０５）によって半径方向で 案内されていることを特徴とする、請求項７記載の高圧噴射弁。 ９．磁気コイル（１０５，２０２，３０３，４０６，４０７）が薄いフォイルか ら製作されていることを特徴とする、請求項１及び所属の従属項に記載の高圧噴 射弁。 １０．磁気コイル（１０５，２０２，３０３，４０６，４０７）の組み込み室が 注造材料によって充填されていることを特徴とする、請求項１及び所属の従属項 に記載の高圧噴射弁。 １１．弁ニードル（１１３，２１０，３０８）が、可動子（１１２，２１５，３ ０７）の極面からほぼ３０マイクロメートル乃至１００マイクロメートルだけ突 出するピン状のストッパ（１２５，３１９）を支持していることを特徴とする、 請求項１及び所属の従属項に記載の高圧噴射弁。 １２．弁ニードル（１１３，２１０，３０８）が、可動子（１１２，２１５，３ ０７）の極面からほぼ３０マイクロメートル乃至１００マイクロメートルだけ突 出する球形のストッパを支持していることを特徴とする、請求項１及び所属の従 属項に記載の高圧噴射弁。 １３．戻しばね（１１０）と弁ニードルとの間に、弁ニードルによって支持され た振動ダンパが配置されているいることを特徴とする、請求項１及び所属の従属 項に記載の高圧噴射弁。 １４．弁ニードル（１１３）がピンを支持していて、このピンが噴射ノズル（１ １８）を貫通しかつピンの直径がほぼ０．４ｍｍ乃至０．７ｍｍであることを特 徴とする、請求項１及び所属の従属項に記載の高圧噴射弁。 １５．弁が短い噴射ノズル（１１８）を備えていて、このノズルの流出部が燃焼 室側で円形面取り部又はテーパ状の拡大部を有していることを特徴とする、請求 項１及び所属の従属項に記載の高圧噴射弁。 １６．噴射弁（１１８）の流出部が燃焼室側で噴射ノズルを支持する構成部材（ １１７）の内部に埋め込まれて配置されていることを特徴とする、請求項１及び 所属の従属項に記載の高圧噴射弁。 １７．噴射弁の内部又は弁ニードルに、燃料旋流を発生させるために渦流発生体 、溝又は孔が配置されていることを特徴とする、請求項１及び所属の従属項に記 載の高圧噴射弁。 １８．弁座支持体のっぼ状の範囲（２１３，３２３）がねじ山の直径よりもわず かな直径を有していてかつ噴射弁内部で肩に接触していることを特徴とする、請 求項２記載の高圧噴射弁。 １９．弁座支持体のつば状の範囲がねじ山の直径より大きな直径を有していてか つ噴射弁の頚部（２０８）の端部に設けられた肩に接触していることを特徴とす る、請求項２記載の高圧噴射弁。 ２０．弁座支持体の環状溝（２２０）内にシールリング（２１２，３１１）が配 置されていることを特徴とする、請求項１８及び１９記載の高圧噴射弁。 ２１．つばと支承肩との間に弁行程を粗調節するための嵌合いリング（２１１） が配置されていることを特徴とする、請求項１８から２０までのいずれか１項記 載の高圧噴射弁。 ２２．弁座支持体（２０９）が磁化不能なスリーブ（２０８）によって支持され ていて、このスリーブが他端で磁気回路の磁極（２０４）を支持していることを 特徴とする、請求項１８から２１までのいずれか１項記載の高圧噴射弁。 ２３．弁座支持体内にわずかな半径方向の遊びをもって弁ニードル（１１３）が 案内されていて、これにより案内部材（１１２）内で有利には静的な燃料圧力の ほぼ１０パーセント乃至２０パーセントの圧力勾配を生ぜしめる液力的な特性曲 線適合が生ぜしめられることを特徴とする、請求項１８から２２までのいずれか １項記載の高圧噴射弁。 ２４．案内孔（１１２）の直径がほぼ２ｍｍ乃至２．５ｍｍであることを特徴と する、請求項２３記載の高圧噴射弁。 ２５．極性を与えられる磁気回路の動的な校正が、励磁コイル（４０６，４０７ ）にかけられる電気的な交番磁界によって行われることを特徴とする、請求項４ 記載の高圧噴射弁。 ２６．弁が個々のメインフレームの多数の組み合わされた特徴を有することを特 徴とする、請求項１から２５までのいずれか１項記載の高圧噴射弁。