JP6000460B2 - 電磁式のアクチュエータ、弁および噴射ポンプ - Google Patents

電磁式のアクチュエータ、弁および噴射ポンプ Download PDF

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Description

本発明は、電磁式のアクチュエータ、このようなアクチュエータを備えた弁、特に燃料噴射ポンプに用いられる流入弁ならびにこのような弁を備えた噴射ポンプに関する。
電磁式のアクチュエータと、燃料噴射ポンプの内部に設けられた弁とは、特に国際公開第2013098249号に基づき公知である。
冒頭で述べた電磁式のアクチュエータおよび弁では、この弁の操作時に、電磁式のアクチュエータのソレノイドアーマチュアと磁極コアとの、互いに向かい合った面同士が衝突する。このことは、場合により、大きな運転騒音を引き起こすだけでなく、特に閉鎖速度が急速な弁の場合には、互いに衝突し合う表面に損傷を与えてしまう。結果として、場合により、弁の寿命もしくは使用期間が制限され、弁が比較的短いインターバルで検査または交換されなければならなくなってしまう。公知先行技術では、電磁弁において、この問題に電磁石の制御の最適化によって対処することが試みられている。
本発明の課題は、公知の弁よりも騒音放出が少ないと共に使用期間が長く、同時に廉価に製造することができる電磁式のアクチュエータを提供することである。さらに、本発明の課題は、このようなアクチュエータを備えた弁と、このような弁を備えた噴射ポンプとを提供することである。
これらの課題は、請求項1記載の電磁式のアクチュエータ、請求項8記載の弁ならびに請求項9記載の噴射ポンプによって解決される。
第1の態様によれば、電磁式のアクチュエータが、特に磁極コアを取り囲むコイルを有する電磁石と、この電磁石によって磁極コアの方向に運動可能である(ソレノイド)アーマチュアとを有しており、このソレノイドアーマチュアが、磁極コアに向けられた載着面を有しており、磁極コアが、相応に向かい合って位置する対応載着面を有している。
載着面および/または対応載着面は、対応載着面への載着面の直接的な接触を阻止しかつ接近運動を減衰する層を有している。
この層は、たとえば金属、複合材、たとえば炭素繊維、またはプラスチックから成っていてよい。「プラスチック」という概念には、固形の粒子の混加の有無にかかわらず、たとえば載着面および/または対応載着面に吹付け塗布されてもよいし、印刷されてもよい塗料、樹脂、着色剤等も含まれている。層は、種々異なる材料から成る複数の層または構成要素から形成されていてもよい。層は少なくとも部分的に、弾性変形可能な材料から形成されていてもよいし、このような材料を含んでいてもよい。
層は、所定の材料から成っていて、所定の形状を有しており、これによって、弁の閉鎖運動が層によって少なくとも液圧的、特に空圧的に減衰される。したがって、たとえば載着面への対応載着面の衝突時に発生する騒音も同時に有効に減衰することができる。これによって、弁騒音が低減される。層は、載着面への対応載着面の機械的な衝突の衝撃を減衰するので、弁における機械的な損傷が生じることはほとんどあり得なくなる。したがって、コスト節約的なより長い弁の使用期間を達成することができる。
減衰する層(以下、「減衰層」と呼ぶ)は、載着面および/または対応載着面に固く結合されていて、たとえば載着、接着または溶接されている。好適には、減衰層は、全体において均一な厚さを有している。減衰層が載着面および対応載着面に形成されている場合、両減衰層は、好適には、最大の接近時に重なり合わないように配置されている。
しかし、載着面および/または対応載着面は、表面に、減衰層が少なくとも部分的に挿入され、たとえば形状接続または付着によって保持される切欠きを有していてもよい。この切欠きの範囲内に減衰層は、切欠きの深さよりも大きい厚さを有していてよく、これによって、減衰層が、載着面および/または対応載着面の上面を越えて突出している。
減衰層の幾何学形状または形状は自由に選択可能であり、弁の使用に基づく必要性、たとえば所望の減衰特性および/または所望の剛性に適合させることができる。幾何学形状は、たとえば減衰層の形状が、弁の閉鎖時にこの弁を通って流れる媒体の流出をアシストするように選択されてよい。同時に、この媒体の流出は、設定された幾何学形状によって、閉鎖運動を液圧的に減衰することができる。
このためには、減衰層が、たとえば、複数のウェブと、それぞれ2つの隣り合ったウェブの間に設けられた自由室とを有していてよい。減衰層のウェブおよび自由室は、それぞれ同一のまたは異なる形状を有していてよい。好適には、1つの減衰層の全てのウェブおよび全ての自由室が同一に成形されている。自由室は、その内部に保たれている媒体が、載着面と対応載着面との接近運動による自由室からの流出時に圧縮されかつ/または加速させられるように成形されていてよい。たとえば、自由室は、流出の方向への、媒体を押し退けなければならない狭幅部を備えてポケット状に形成されていてよい。これによって、狭幅部ないし狭幅部付近での媒体の停滞による所望の液圧的な減衰が達成される。これによって、この領域での媒体の圧縮が可能となる。狭幅部内では、同時に、出口に向かって媒体が加速させられる。これによって、自由室からの媒体の完全な流出がアシストされる。
減衰層は、ウェブの領域に、閉じられた表面または構造化された表面、たとえば多数の突起を有していてよい。この表面は波形であってもよいし、歯形であってもよい。減衰層の表面が、閉じられた表面を有していない場合には、この表面の幾何学形状は、好適には、表面構造内に存在する材料、特に空気が、載着面と対応載着面との接近時に自由室内に押し退けられるように選択される。
ウェブ同士の間の自由室に減衰層の材料が存在することはできない。すなわち、この領域では、載着面および/または対応載着面に減衰層が設けられていない。減衰層は、択一的には、この減衰層に複数の凹部として形成されたにすぎない自由室を有していてよく、これによって、減衰層が、ウェブと自由室との合計に等しい大きさの底面積を有している。この大きな底面積は、載着面および/または対応載着面の面積との減衰層の載着・結合面積を成している。自由室の底部は、減衰層の表面に対して平行に延びていてよく、これによって、自由室が全体において等しい深さを有している。しかし、底部は、自由室のハウジング側の端部における最小の深さと、反対の側に位置する弁中心側の端部における最大の深さとを備えて、少なくとも部分的に傾いていてもよい。自由室の別の構成、たとえば、自由室の長手方向軸線に対して横方向の付加的な傾き成分を備えた底部、階段状の底部等も可能である。
すなわち、載着面と対応載着面との接近時に主として有効な減衰層を成すウェブの幾何学形状を介して、アクチュエータの機械的な減衰特性を調整することができる。ウェブの幾何学形状のパラメータは、たとえばウェブの厚さおよび形状であってよい。自由室の幾何学形状を介して、アクチュエータの液圧的なまたは空圧的な減衰特性を調整することができる。自由室のパラメータは、たとえば自由室の深さおよび形状であってよい。
第2の態様によれば、弁が、所定のばね力を有するばねと、ばね力に抗して作用可能なアクチュエータ力を有する、第1の態様に係るアクチュエータと、このアクチュエータによって操作可能である弁部材と、この弁部材に連接可能であるシールエレメントと、シール座とを有していて、シールエレメントがシール座に接触している場合に弁が閉鎖されている。
弁部材は、アクチュエータとばねとに関して、第1の変化態様によれば、弁がアクチュエータ力によってばね力に抗して開放することができるように配置されているかまたは、第2の変化態様によれば、弁がアクチュエータの作動時にアクチュエータ力によってばね力に抗して開放することができるように配置されている。第1の変化態様は、「通電されていない状態で閉鎖されている変化態様」とも呼ばれる。このような変化態様は、たとえば国際公開第2013098249号に図示されている。第2の変化態様は、相応して、「通電されていない状態で開放されている変化態様」と呼ばれる。第2の変化態様では、通電されていない状態で閉鎖されている変化態様と比較して、ソレノイドアーマチュアの配置が、弁部材の運動方向を基準として、磁極コアの配置と入れ換えられている。
特に複数の可能な実施の形態、特に減衰層の可能な幾何学形状を図面に基づき以下に示す。これらは、好適な複数の実施の形態のうちの1つの選択にすぎない。本発明は、図示の実施の形態に限定されるものではない。図面からしか認めることができない特徴または組み合わされた特徴も本発明の範囲に含まれており、個別でまたは示した組合せで本発明を有利に改良することができる。
本発明の第2の態様に係る弁の内部に設けられた本発明の第1の態様に係るアクチュエータを示す図である。 第1の例示的な幾何学形状を有する層を示す図である。 第2の例示的な幾何学形状を有する層を示す図である。 第3の例示的な幾何学形状を有する層を示す図である。 第4の例示的な幾何学形状を有する層を示す図である。 第5の例示的な幾何学形状を有する層を示す図である。 第6の例示的な幾何学形状を有する層を示す図である。
図1には、弁100が示してある。この弁100は、特にポンプの流入弁である。ポンプは、特に高圧ポンプ、好ましくはラジアルピストンポンプとして形成されている。ポンプ内には、ポンプピストンが運動可能に支承されている。このポンプピストンの一端には、圧力室が位置している。この圧力室に流体を充填することができるようにするために、この圧力室は流入管路を有していて、この流入管路内に、好ましくは流入弁として形成された弁100が配置されている。この弁100は、好ましくはデジタル切換式の弁として形成されている。弁100は、圧力室への流体充填を容易にし、弁100が閉鎖されている場合には、流体の吐出の際に、流入管路内への流体の逆流を阻止するために調整されている。流体は圧力室から、たとえば流出管路を介して吐出することができる。
弁100は、ばね101と、ピン102と、シールエレメント103とを有している。ばね101は、弁100のアクチュエータ200の磁極コア6に支持されていることにより、ピン102にシールエレメント103から離れる方向で予荷重を加える。ばね101はその第2の端部でソレノイドアーマチュアエレメント209に支持されている。このソレノイドアーマチュアエレメント209は、別のソレノイドアーマチュアエレメント210と共通して、ソレノイドアーマチュア5の一部である。
ピン102は長手方向に延ばされていて、磁極コア6を通る長手方向軸線Lに沿って延在している。ピン102は磁極コア6の一方の側でソレノイドアーマチュアエレメント209に連結されている。特にこのソレノイドアーマチュアエレメント209は溶接結合部111によってピン102に連結されている。ピン102は、磁極コア6の、長手方向軸線Lに沿った反対の側に張出し領域105を有している。ピン102は、弁100のシール座104に近い方の別の張出し領域107も有している。
アクチュエータ200は電磁石201を有している。この電磁石201は、特に磁極コア6を取り囲むように環状に配置されたコイル214を有している。このコイル214は長手方向軸線Lを同軸的に取り囲んでいる。この長手方向軸線Lに沿って、ソレノイドアーマチュア5と、これに続いて磁極コア6と、これに続いてシール座104とが配置されている。このシール座104の、アクチュエータ200と反対の側に、シールエレメント103が配置されている。シール座104は少なくとも1つの貫通孔110を取り囲んでいる。シールエレメント103がシール座104に接触していない場合には、この貫通孔110を介して流体が流れることができる。特にこの流体は流体流入路108から貫通孔110を通って流体流出路109内に流れることができる。
電磁石201、特にコイル214に電流が流されるかもしくは電圧が印加されると、電磁石201が、ソレノイドアーマチュア5にシールエレメント103に向かって磁力の影響を与える。このアクチュエータ力Faはピン102に伝達される。なぜならば、ソレノイドアーマチュアエレメント209と別のソレノイドアーマチュアエレメント210とが溶接結合部112を介して互いに相対的に運動不能に連結されているだけでなく、ソレノイドアーマチュア5も溶接結合部111を介してピン102に互いに相対的に運動不能に連結されているからである。したがって、ピン102がアクチュエータ力Faによってシールエレメント103の方向に運動させられる。ピン102がシールエレメント103に連接し、更なる運動経過において、このシールエレメント103をシール座104から離れる方向に押圧する。したがって、弁100が開放される。
弁100は、ピン102が運動させられなくても、ピン102とシールエレメント103とが互いに接触させられなくても、単にシールエレメント103の上流側と下流側との圧力差に基づき開放される。シールエレメント103は、流入路108の側における圧力が流出路109の側における圧力よりも高い場合にシール座104から離反する。
すなわち、弁100は2つのモードで開放することができる。弁100は、アクチュエータ200によって強制的に開放することができるかまたは流出路109からの圧力に抗して開いた状態に保つことができる。しかし、弁100は、ポンプが吸入段階にあって、その吸入行程を実施し、流体を圧力室内に吸い込む場合には、電気的に制御される必要なしに、受動的に開放されてもよい。
アクチュエータ200への通電が行われていない休止位置では、ばね101がピン102をシールエレメント103から離れる方向に押圧している。ばね101のばね力Ffはピン102を、シールエレメント103がシール座104に接触することができるように保持している。ばね力Ffとアクチュエータ力Faとは、互いに逆方向に向けられている。ばね力Ffとアクチュエータ力Faとは、長手方向軸線Lに対して整合させられている。弁100を閉鎖するためには、シールエレメント103がその上流側と下流側との圧力状況によってシール座104に向かって押圧され、したがって、流出路109から流入路108内への流体流れを阻止している。
すなわち、弁100の運転状態では、シール座104に対して相対的なシールエレメント103の運動が、ピン102の運動に左右されない。ピン102によって、弁100の開放をアシストすることができ、かつ/またはポンプの圧縮段階における圧送行程の間でも、弁100をその開放位置に保つことができる。したがって、吸い込まれた流体の設定された割合分を圧力室から再び流入路108内に送り戻す、ポンプの部分圧送を達成することができる。このためには、シールエレメント103がピン102によってシール座104に対して間隔を置いて保持される。アクチュエータ200がアクチュエータ力Faをピン102に加え、これによって、このピン102がシールエレメント103を圧力室からの流体圧に抗して保持し、ひいては、流体を貫通孔110を通して流入路108内に逆流させることができるようになっている。
ポンプの完全圧送は、アクチュエータ200に左右されずに実現可能である。ポンプの吸入段階では、アクチュエータ200が、シールエレメント103をシール座104に向かって押圧するばね力Ffに抗して作業する必要はない。圧縮段階では、閉鎖動作の際にシールエレメント103がばね101をアシストする。なぜならば、シールエレメント103がピン102を運動させるからである。したがって、弁100の短い閉鎖時間が実現可能となる。休止状態では、別のソレノイドアーマチュアエレメント210と磁極コア6との間のエアギャップ213は一定である。
電磁石201への通電時には、ソレノイドアーマチュア5が、連結されたピン102と共に磁極コア6の方向に吸い寄せられる。ピン102がシールエレメント103を開放する。電磁石201への通電が行われなくなると、ソレノイドアーマチュア5が、ピン102と共にばね101によって出発位置に押圧される。これによって、流入弁がロック解除される。
シールエレメント103から離れる方向へのピン102の運動は、当接エレメント204によって制限される。特にピン102の張出し領域105が、面状に拡げられた当接エレメント204に当接する。ピン102は、ばね弾性的なシールエレメント103から切り離されている。このシールエレメント103は、電磁石201がオフに切り換えられた場合に、ピン102によるシールエレメント103への加圧が存在しないように形成されている。弁100は、電磁石201およびピン102に左右されずに作業することができ、特に電磁石201に左右されずに吸入段階で開放することができる。圧縮段階では、シールエレメント103のばね力が、ばね101に対して付加的に作用し、これによって、流入弁が閉鎖される。
当接エレメント204は、ピン102の運動の制限部材として働く。張出し領域105が当接エレメント204に接触すると、シールエレメント103からさらに離れる方向へのピン102の運動はもはや不可能となる。これによって、休止位置でのピン102とシールエレメント103との間の間隔106も設定されている。シールエレメント103の方向へのピン102の運動は、別の張出し領域107とシール座104とによって制限される。当接エレメント204は、ピン102を案内する孔206を有している。当接エレメント204は、磁極コア6の、ソレノイドアーマチュア5と反対の側に配置されている。特に当接エレメント204は溶接結合部208を介して磁極コア6に連結されている。当接エレメント204は、特に硬化させられたディスクである。このディスクは、より軟質の磁極コア6を保護している。
当接エレメント204は、本実施の形態によれば、少なくとも1つの別の孔207を有している。この孔207は、磁極コア6の、この磁極コア6を通してピン102を案内している孔に液圧的に接続されている。さらに、ソレノイドアーマチュアエレメント209は、磁極コア6の孔に液圧的に接続されているソレノイドアーマチュア孔205を有している。したがって、ソレノイドアーマチュア5の、シールエレメント103とは反対の側と、当接エレメント204の、シールエレメント103に向けられた側とが、互いに液圧的に接続されている。これによって、流体流入路108における流体案内領域とソレノイドアーマチュア5の領域との間で圧力補償を行うことができる。したがって、圧力不平衡に基づくピン102の運動が回避される。
磁極コア6は溶接結合部212を介してハウジング4に連結されている。このハウジング4内には、ソレノイドアーマチュア5および部分的にピン102も配置されている。ハウジング4は、ピン102と、ソレノイドアーマチュア5と、磁極コア6とを流体密に取り囲んでいる。
当接エレメント204によって、ばね力Ffの方向へのピン102の運動が制限され、このピン102の運動の制動時の力が、当接エレメント204によって受け止められる。さらに、ピン102の運動の制限によって、エアギャップ213の正確な調整が可能となる。したがって、ピン102がシールエレメント103に固く連結されていないにもかかわらず、当接エレメント204によって、ピン102の運動に対する制限が与えられている。
ソレノイドアーマチュア5の載着面11には、層1が固定されているかまたは載着されている。この層1は、磁極コア6の対応載着面12に取り付けられていてもよい。択一的には、載着面11と対応載着面12とに層1が被着されていてよい。
図2には、(弁)ハウジング4と、ソレノイドアーマチュア5と、磁極コア6とを備えた電磁弁の一部の平面図が示してある。ソレノイドアーマチュア5に層1が固定されているかまたは載着されている。この層1は、複数のウェブ2と、それぞれ2つの隣り合ったウェブ2の間に自由室3とを有している。この自由室3の幾何学形状は、ウェブ2の形状によって規定される。図2では、自由室3が、たとえば圧送ポンプの歯を有していてよいような形状を有している。
層1はハウジング側の外縁部1aを有している。この外縁部1aは、図示の実施の形態では、全周にわたって閉じられている。自由室3はその磁極コア側の端部3aで僅かに狭められている。これによって、弁の閉鎖運動時に、自由室3内に存在する媒体が、この狭幅箇所を通って押し退けられなければならない。したがって、弁の閉鎖運動が減衰される。
同時に、ウェブ2によって、電磁弁の図示の部分と、図示していない対応部分との間の直接的な機械的な接触が生じないようになっている。これによって、付加的に、弁の閉鎖時の消音を達成することができ、弁の磁気的なかつ/または液圧的な貼付きが阻止される。
図3にも同じく、電磁弁の一部の平面図が示してある。この電磁弁は磁極コア6とばね受け7とを有している。このばね受け7には、通電されていない弁を閉鎖位置に保つことができるばね(図示せず)が支持されている。層1の内側の端部は磁極コア6に対して、図2に示した形態よりも大きな間隔を有している。同時に、自由室3は、より狭い出口3aを有しており、これによって、両形態の液圧的な減衰が、恐らくほぼ同じ大きさとなる。
図4には、層1の別の形態が示してある。この形態では、ウェブ2の面積が自由室3の面積に勝っている。これによって、弁の閉鎖運動のより良好な機械的な減衰が行われると同時に液圧的な減衰は低下させられる。
図5には、第1の室3bと、第2の室3cと、両室3b,3cの間の通路接続部3dとを有する自由室3を備えた層1が示してある。この幾何学形状によって、媒体が第1の室3bから押し出されるまで、閉鎖運動が良好に液圧的に減衰され、これに続く最終閉鎖運動のむらが取り除かれる。
図6および図7には、層1が一体型に形成されているのではなく、複数の部分層1から成る形態が示してある。両形態も、複数のウェブ2と、それぞれ2つの隣り合ったウェブ2の間に形成された自由室3とを有している。この自由室3は、図2〜図5に示した自由室3と同様に形成されていてもよいし、あらゆる別の任意の形状を有していてもよい。この任意の形状によって、アクチュエータ200の載着面11と対応載着面12との接近運動時に、液圧的、特に空圧的な減衰効果が達成され、媒体を自由室3から弁出口内に確実に可能な限り完全に押し退けることができるようになっている。

Claims (7)

  1. 電磁式のアクチュエータ(200)であって、該アクチュエータ(200)が、
    磁極コア(6)を取り囲むコイル(214)を有する電磁石(201)と、
    該電磁石(201)によって磁極コア(6)の方向に運動可能であるソレノイドアーマチュア(5)と
    を有しており、
    該ソレノイドアーマチュア(5)が、磁極コア(6)に向けられた載着面(11)を有しており、
    磁極コア(6)が、相応に向かい合って位置する対応載着面(12)を有しているアクチュエータにおいて、
    載着面(11)および/または対応載着面(12)が、対応載着面(12)への載着面(11)の直接的な接触を阻止しかつ接近運動を減衰する層(1)を有しており、
    層(1)が、複数のウェブ(2)と、それぞれ2つの隣り合ったウェブ(2)の間に設けられた自由室(3)とを有しており、
    自由室(3)は、該自由室(3)内に存在する媒体が、載着面(11)と対応載着面(12)との接近運動時に各自由室(3)の少なくとも一部領域で堰き止められて、対応載着面(12)への載着面(11)の接近運動を液圧的に減衰するように、ウェブ(2)によって成形されていることを特徴とする、電磁式のアクチュエータ。
  2. 層(1)が、載着面(11)および/または対応載着面(12)に結合されている、請求項1記載の電磁式のアクチュエータ。
  3. 層(1)が、均一な厚さを有している、請求項1または2記載の電磁式のアクチュエータ。
  4. 層(1)が、載着面(11)および/または対応載着面(12)の表面に形成された凹部内に少なくとも部分的に挿入されていて、該凹部内に固定されており、層(1)の少なくとも一部が、対応載着面(12)もしくは載着面(11)の方向に突出している、請求項1から3までのいずれか1項記載の電磁式のアクチュエータ。
  5. 層(1)が、少なくとも部分的に金属、複合材またはプラスチックから成っている、請求項1からまでのいずれか1項記載の電磁式のアクチュエータ。
  6. 弁において、該弁が、
    所定のばね力(Ff)を有するばね(101)と、
    ばね力(Ff)に抗して作用可能なアクチュエータ力(Fa)を有する、請求項1からまでのいずれか1項記載の電磁式のアクチュエータ(200)と、
    該アクチュエータ(200)によって操作可能である弁部材(102,107)と、
    該弁部材(102,107)に連接可能であるシールエレメント(103)と、
    シール座(104)と
    を有していて、シールエレメント(103)がシール座(104)に接触している場合に弁が閉鎖されており、
    弁部材(102,107)は、アクチュエータ(200)とばね(101)とに関して、弁がアクチュエータ力(Fa)によってばね力(Ff)に抗して開放されるように配置されているかまたは弁がアクチュエータ(200)の作動時にアクチュエータ力(Fa)によってばね力(Ff)に抗して閉鎖されるように配置されており、
    アクチュエータ(200)が、
    磁極コア(6)を取り囲むコイル(214)を有する電磁石(201)と、
    該電磁石(201)によって磁極コア(6)の方向に運動可能であるソレノイドアーマチュア(5)と
    を有しており、
    該ソレノイドアーマチュア(5)が、磁極コア(6)に向けられた載着面(11)を有しており、
    磁極コア(6)が、相応に向かい合って位置する対応載着面(12)を有していることを特徴とする、弁。
  7. 請求項記載の少なくとも1つの弁を備えた、内燃機関に用いられる噴射ポンプ。
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