JP5542879B2 - 内燃機関用の燃料噴射弁の弁ニードルにおける絞り - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用の燃料噴射弁であって、弁本体が設けられていて、該弁本体内に圧力室が形成されていて、該圧力室内に弁ニードルが長手方向摺動可能に配置されており、弁ニードルが、該弁ニードルに形成されたシール面で、圧力室を画成する弁座と共働するようになっており、弁ニードルと弁座との共働によって、少なくとも１つの噴射孔への燃料流が通流・遮断可能であり、燃料流が弁ニードルと圧力室の壁との間を通って噴射孔に流れる形式のものに関する。

本発明は、有利には、内燃機関用の燃料噴射弁、有利には、内燃機関の燃焼室に高圧下の燃料を直接噴射するための燃料噴射弁に関する。この場合特に、自己点火式の内燃機関の燃料噴射時における使用が有利である。

有害物質限界値を維持することは、内燃機関の開発時に高い優先順位を有している。まさにコモンレール噴射系は、有害物質を減じるために大きく寄与しており、この場合決定的なポイントは、コモンレール噴射系が噴射圧及び機関の回転数並びに負荷とは無関係に、各時点において正確な噴射を実施できることにある。燃料を噴射するために、行程制御されたコモンレールインジェクタが公知であり、この場合インジェクタの弁ニードルはサーボ運転されている。そして相応な制御弁が、ピエゾアクチュエータ又は電磁アクチュエータによって制御され、これらのアクチュエータは、迅速な切換えを可能にし、ひいては弁ニードルの迅速な開放を可能にする。

種々様々な部分噴射を実施するため、特に燃料量の極めて僅かな予備噴射及び後噴射を実施するためには、しかしながらまた、ノズルニードルが相応に迅速に閉鎖することが必要である。そのために種々の設計が開発され、例えば、常に閉鎖力を加えていて、これにより弁ニードルの閉鎖運動を加速する、ノズルニードルにおける永久的な低圧段が挙げられる。このような低圧段にはしかしながら、この構成が大きな漏れを伴い、ひいては高いポンプ出力を必要とし、その結果系の効果を損ない、ひいては燃費が悪くなる、という欠点がある。このような状態は、特に、さらに高い圧力を導入した場合に問題になることがある。

このような理由から、極めて高い噴射圧のための最新のインジェクタは漏れなしに構成されており、この場合低圧段は放棄される。しかしながらこれによって弁ニードルの閉鎖のためには小さな力しか利用することができず、このことは、極めて少量の噴射に対する能力を減じてしまう。このような欠点は、例えば相応に迅速に切り換わる制御弁の使用によってしか、補償することができず、極めて困難であり、しかもこのような制御弁は高価かつ複雑である。

例えばドイツ連邦共和国特許公開第１００２４７０３号明細書に基づいて公知の弁ニードルは、噴射弁の圧力室内における中間の案内区分において案内され、この場合燃料は、弁ニードルに設けられた２つ、３つ又は４つの面取り部もしくは研磨部を通して案内される。このような研磨部によって生じる絞り箇所は当該領域において圧力降下を生ぜしめ、その結果圧力室における圧力は、案内区分の上流において、案内区分の下流におけるよりも高くなり、このことは、弁ニードルに対して常に作用する閉鎖力を生ぜしめることになるので、上記欠点を部分的には補償することができない。しかもこの場合絞り作用は、圧力及び温度の関数でもある、燃料の粘性に関連しているという問題がある。これによって圧力降下ひいてはニードル閉鎖力は燃料噴射弁の大きな運転範囲において温度及び圧力に関連し、これによって個々の噴射における燃料調量量にばらつきが生じる。このことに基づく、燃料量調量時における不正確さは、内燃機関の有害物質エミッションに対して不都合な影響を及ぼす。

ドイツ連邦共和国特許公開第１００２４７０３号明細書

ゆえに本発明の課題は、冒頭に述べた形式の燃料噴射弁を改良して、内燃機関の有害物質エミッションに対して不都合な影響を及ぼす、個々の噴射における燃料調量量のばらつきを回避することである。

この課題を解決するために本発明の構成では、冒頭に述べた形式の燃料噴射弁において、弁ニードルと圧力室の壁との間に、鋭い縁部を有する間隙絞りが形成されており、弁ニードルにカラーが形成されており、該カラーがその外縁部に鋭い縁部を有していて、鋭い縁部を有する間隙絞りが、カラーと圧力室の壁との間に形成されており、カラーがその外面に、単数又は複数の研磨部を有しており、カラーの縁部が研磨部の領域において鋭い縁部をもって形成されていて、研磨部の間における領域が、圧力室の壁と密に接触していて、燃料が事実上研磨部の領域においてしかカラーを通過しないようになっている。

本発明による燃料噴射弁によって、規定された絞り箇所が得られ、この絞り箇所は圧力降下を、燃料のレイノルズ数とは無関係に生ぜしめるので、絞り作用は燃料の温度とは無関係になる。これによって弁ニードルに対して、持続的でコンスタントな閉鎖力が得られ、このような閉鎖力によって、迅速なニードル閉鎖、ひいては燃料噴射弁の良好な少量噴射特性が得られる。そのために上記のように本発明の構成では、弁ニードルと圧力室の壁との間に、鋭い縁部を有する間隙絞りが形成されており、このような間隙絞りは、適宜な寸法設定時に、燃料のレイノルズ数とは無関係に圧力降下を生ぜしめる。レイノルズ数は特に、主として燃料の温度によって決定される密度と粘性に関連している。レイノルズ数とは無関係になることによって、間隙絞りの緩衝作用は、温度とは無関係になり、ひいてはコンスタントになり、その結果弁ニードルに対する等しいままの閉鎖力が得られる。

間隙絞りは、本発明の構成では、カラーによって形成されており、この場合カラーはその外縁部に鋭い縁部を有していて、その結果カラーの縁部と圧力室の壁との間に、鋭い縁部を有する間隙絞りが形成される。カラーはこの場合、弁ニードルに案内区分が設けられている場合には、案内区分の上流に形成されていても下流に形成されていてもよい。

燃料を貫流させるために本発明の有利な構成では、カラーに単数又は複数の研磨部が形成されていて、該研磨部が鋭い縁部を有しており、その結果レイノルズ数との無関係性が保証される。面取り部もしくは研磨部の大きさによって、貫流量、ひいては間隙絞りの絞り作用及び閉鎖力を規定することができる。カラーの安定性を変えることなく絞り作用を最適化するためには、３つの研磨部によって形成されるほぼ三角形の横断面を、カラーが有していると有利である。この場合カラーは弁ニードルと一体に形成されても、又は弁ニードルの製造後に弁ニードルに溶接又は締まり嵌めされてもよい。

次に図面を参照しながら本発明による燃料噴射弁の実施例を説明する。

本発明による噴射弁を備えた燃料インジェクタを示す縦断面図である。 図１に示された噴射弁の、燃焼室側の部分だけを拡大して示す図である。 カラーひいては絞り間隙の１実施形態を示す断面図である。 カラーひいては絞り間隙の別の実施形態を示す断面図である。 カラーひいては絞り間隙のさらに別の実施形態を示す断面図である。

図１には、燃料インジェクタが縦断面図で示されている。このような形式の噴射弁の基本原理は、従来技術に基づいて以前から公知であるので、公知の構成部材についての詳しい説明は省き、以下においてはその機能についてだけ簡単に触れる。燃料インジェクタは燃料噴射弁１とインジェクタボディ１００とを有しており、このインジェクタボディ１００は、噴射を制御するための制御弁３０を内蔵している。インジェクタボディ１００は燃料噴射弁１と結合されており、燃料噴射弁１は弁本体２を有していて、弁本体２には噴射孔８が設けられ、これらの噴射孔８を介して燃料が噴射される。弁本体２内には弁ニードル３が配置されていて、この弁ニードル３はピストンロッド３２と結合されており、このピストンロッド３２はその端面で、スリーブ３８内に形成された制御室３６を画成している。弁４０によってピストンロッド３２、ひいては弁ニードル３は弁座７に押し付けられ、これによって噴射孔８は閉鎖される。

制御室３６は、制御弁３０によって開閉可能な流出絞り４２を介して、無圧の漏れ油室に接続可能である。そのために制御弁の可動子３１は電磁石３３によって引き付けられ、その結果流出絞り４２は開放され、燃料は制御室３６から漏れ油室に流出することができる。噴射を終了させるためには、電磁石３３への給電が遮断され、可動子３１はばね負荷されてその出発位置に戻り、流出絞り４２を閉鎖する。供給絞り４４を介して、圧力室３６における流出した燃料は交換される。圧縮された燃料はこの場合高圧アキュムレータ、いわゆるレールにおいて利用され、高圧管路３５を介して燃料噴射弁に導かれる。

図２には、図１に示された燃料噴射弁が拡大されて縦断面図で示されており、この場合、取付け位置において燃料室に向けられた燃料噴射弁の部分だけが示されている。燃料噴射弁１は圧力室５を有しており、この圧力室５は高圧下の燃料を充填可能であり、燃焼室に対して弁座７によって画成され、この弁座７はほぼ円錐形に形成されていて、弁座７からは複数の噴射孔８が延びている。圧力室５内において弁ニードル３は長手方向摺動可能に配置されており、この弁ニードル３は軸線９を備えてピストン形状に形成されている。弁ニードル３は圧力室５内においてガイド区分１０で案内されており、その結果弁ニードル３は円錐形の弁座７に対して常に正確に中心で方向付けられている。噴射孔８に流入する燃料は、弁ニードル３と圧力室５の壁との間に残っているリング間隙を通って流れ、ガイド区分１０の領域において、十分に大きな流過横断面を提供する複数の面取り部もしくは研磨部１２によって導かれる。弁ニードル３には弁座に向けられた端部にシール面１１が形成されており、このシール面１１で弁ニードル３は弁座７と共働する。これによって弁座７との弁ニードル３の接触時には、圧力室５から噴射孔８への燃料流は中断され、弁ニードル３が弁座７から持ち上がった場合に初めて開放制御される。

ガイド区分１０の上流において弁ニードル３にはカラー１７が形成されており、このカラー１７は弁ニードル３の全周にわたってリング状に延在している。カラー１７はその外周面において角張ったもしくは鋭い形状をもって形成されており、このように形成された縁部２０は長さＬを有している。これによって、鋭いもしくは角張った間隙絞り１５が圧力室５の壁と縁部２０との間に生ぜしめられる。

燃料噴射弁の作用形式は下記の通りである：噴射サイクルの開始時に弁ニードル３はその閉鎖位置を占めており、つまり弁座７と接触している。弁ニードル３は、制御室３６における液圧によって生ぜしめられる閉鎖力によって、弁座７に押し付けられる。圧力室５内には高圧下の燃料が存在しているが、この燃料は閉鎖力に基づいて長手方向において弁ニードル３に対して作用する合力を生ぜしめない。噴射を行いたい場合には、閉鎖力が減じられ、弁ニードル３は弁座７から持ち上がり、圧力室５から噴射孔８への燃料流を開放する。弁ニードル３を閉鎖するためには閉鎖力が再び高められ、その結果弁ニードル３は弁座７に向かっての合力を受け、滑動してその閉鎖位置へ戻る。

この閉鎖運動を加速するために、カラー１７は以下に記載のように作用する：間隙絞り１５によってそこで圧力降下は発生し、その結果圧力室５の、カラー１７の上流側の部分には、下流側に比べて高い圧力が生じる。これによってカラー１７の、上流側に向けられた第１の受圧面２２に対して、液圧力が作用するが、この液圧力は、カラー１７において反対側に形成された第２の受圧面２３に対して作用する液圧力に比べて、大きい。弁座７の方向に向けられた、カラー１７に対して作用するこの合力は、弁ニードル３の弁座とは反対側の端部に対して閉鎖力が純粋に上昇するような場合に比べて、速く弁ニードル３を閉鎖することに寄与する。

このような閉鎖力の高さは、決定的に、間隙絞り１５における圧力降下の大きさに関連している。圧力降下の高さはまた、間隙絞り１５の横断面と燃料の粘性とに関連しており、燃料の粘性は、圧力室５における温度及び圧力の関数である。縁部２０が鋭く形成されていることによって、間隙絞り１５における圧力降下ひいては減衰作用は、レイノルズ数とは無関係であり、ひいては燃料の粘性及び温度とも無関係である。これによって、弁ニードル３に対しては常に等しい閉鎖力が生じ、運転ポイントとは無関係でかつ燃料の温度とも無関係な再現可能な閉鎖特性が得られる。

上述の効果は、ガイド区分１０もしくは研磨部１２においても得られるが、しかしながらそこにおける圧力降下は明らかにレイノルズ数に関連している。図示の実施例では従って研磨部１２が、ガイド区分１０においては相応な付加的な閉鎖力を伴う圧力降下がまったく又は極めて僅かしか生じないように、大きく形成されていることを、考慮する必要がある。

図３ａにはカラー１７及び間隙絞り１５が平面図で示されている。機能のために重要なことは、間隙絞り１５が鋭い縁部２０によって形成されることである。この場合、貫流される横断面積と貫流される縁部長さとによって決定される水力直径D_Hydの大きさが重要であり、縁部長さは、内側の縁部長さと外側の縁部長さとの総和である。この場合一般的に次の式が成り立つ。

図３ａを参照しながら説明すると、間隙絞り１５は、外径D_aと内径D_iとを備えたリング間隙であり、この場合外径D_aは圧力室５の外径に相当し、内径D_iはカラー１７の直径に相当する。従って水力直径D_Hydは、式D_Hyd＝D_a−D_iによって近似値が得られる。

D_oがカラー１７の直前における弁ニードル３の直径である場合、次の条件

が満たされた場合に、最適な機能が得られる。図２及び図３ａの場合にこのことは、次の条件

と同じことを意味する。

図３ｂに示されたカラー１７の択一的な構成では、側部の研磨部２５が設けられており、これらの研磨部２５によってカラー１７には、横断面で見てほぼ三角形の形状が与えられている。図３ｂに示されているような３つの研磨部２５の代わりに、それよりも多くの、例えば４つ、５つ又は６つの研磨部２５を設けることも可能である。

図３ｂに示された実施例では水力直径D_Hydは、図３ａに示された実施例とは異なった計算が使用されねばならない。Ｓが研磨部２５の円弧長さ、Ｋが研磨部２５の縁部長さ、Ａが研磨部２５と圧力室５の壁との間において研磨部２５によって形成される面積をある場合、D_Hydは次の式、

で求められる。

図３ｃに示されたさらに別のカラー１７の構成では、間隙絞り１５はカラー１７に設けられた複数の溝２７によって形成されており、この場合カラー１７の最大の長さＬは、溝２７の寸法に関連している。弁ニードル３と圧力室５の壁との間に残る間隙は、この場合溝２７の間において次のように、すなわち事実上シールが行われ、これによって燃料がもっぱら溝２７を通って流れるように、寸法設定されている。この場合溝２７の縁部は鋭く形成されているので、レイノルズ数とは無関係な特性が得られる。

図３ｃに示された実施例は以下のように計算される：ｂが溝２７の幅であり、ｈが深さの場合、次の式、

が成り立つ。

間隙絞り１５はこの場合ガイド区分１０の内部に配置されていても又は外部に配置されていてもよい。

間隙絞りにおける、レイノルズ数とは無関係な絞り作用は、間隙絞りが上述のように鋭い縁部をもって形成されている場合に、得ることができる。この場合間隙絞り１５を形成する部材の一方の側に、鋭い縁部が設けられていて、他方の側に、上に述べた実施例における圧力室５の壁のように、滑らかな壁が設けられていることができる。また、間隙絞り１５が両側において鋭い縁部によって形成されるような構成も可能であり、この場合には、図３ａに示された上記実施例における鋭い縁部を備えたカラー１７に、圧力室５の内壁における同様に鋭い縁部を備えたリブ（Grat）が向かい合って位置している。弁ニードル３のあまり大きくない開放行程時に、作用は全開放行程中に維持される。しかしながらまた、カラー及びリブは互いに次のように、すなわち最大の緩衝作用がノズルニードル３の開放された状態において初めて作用し、つまりカラーとリブとが互いに正確に対向して位置し、これに対して開放行程運動の開始時には間隙絞りにおいては僅かな緩衝作用しか作用せず、このことは、噴射孔８における圧力形成を促進する。

１ 燃料噴射弁、 ２ 弁本体、 ３ 弁ニードル、 ５ 圧力室、 ７ 弁座、 ８ 噴射孔、 ９ 軸線、 １０ ガイド区分、 １１ シール面、 １２ 面取り部もしくは研磨部、 １５ 間隙絞り、 １７ カラー、 ２０ 縁部、 ２２ 第１の受圧面、 ２５ 研磨部、 ３０ 制御弁、 ３１ 可動子、 ３２ ピストンロッド、 ３３ 電磁石、 ３５ 高圧管路、 ３６ 制御室、 ３８ スリーブ、 ４０ 弁、 ４２ 流出絞り、 ４４ 供給絞り、 １００ インジェクタボディ

Claims (1)

1. 弁本体（２）が設けられていて、該弁本体（２）内に圧力室（５）が形成されていて、該圧力室（５）内に弁ニードル（３）が長手方向摺動可能に配置されており、弁ニードル（３）が、該弁ニードル（３）に形成されたシール面（１１）で、圧力室（５）を画成する弁座（７）と共働するようになっており、弁ニードル（３）と弁座（７）との共働によって、少なくとも１つの噴射孔（８）への燃料流が通流・遮断可能であり、燃料流が弁ニードル（３）と圧力室（５）の壁との間を通って噴射孔（８）に流れる、内燃機関用の燃料噴射弁であって、
   弁ニードル（３）にカラー（１７）が形成されており、カラー（１７）がその外面に、単数又は複数の研磨部（２５）を有しており、カラー（１７）の縁部が研磨部（２５）の領域において鋭い縁部をもって形成されていて、且つカラー（１７）の縁部のうち研磨部（２５）の間における領域が、圧力室（５）の壁と密に接触していて、燃料が事実上研磨部（２５）の領域においてしかカラー（１７）を通過しないようになっていることにより、研磨部（２５）と圧力室（５）の壁との間に、燃料のレイノルズ数とは無関係に圧力降下を生ぜしめる間隙絞り（１５）が形成されており、
   弁ニードル（３）が圧力室（５）のガイド区分（１０）で、圧力室（５）の壁によって案内されていて、間隙絞り（１５）がガイド区分（１０）の近傍に配置されていることを特徴とする、内燃機関用の燃料噴射弁。

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