JP2001520720A - 直接制御式噴射弁、特に燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、噴射弁、特に燃料噴射弁に関する。この噴射弁はケーシング（２）を具備し、このケーシング内に圧力室（３）が配置され、液体供給装置（１０）に接続された、圧力下で噴射すべき液体のための供給管路（９）が前記圧力室に開口し、圧力室が噴射ノズルとして形成された少なくとも１つの流出口（７）を備え、ピストン（４）に連結されかつ戻しばね（６）の力に抗して摺動可能に案内された弁ニードル（５）が圧力室内に配置され、圧力室（３）が無圧になったときに、弁ニードルが流出口（７）を閉鎖し、更に、液体用供給管路（９）内に配置された圧力付勢されていない制御弁（１３）を具備し、この制御弁がアクチュエータ（１４）に連結されている。

Description

【発明の詳細な説明】 直接制御式噴射弁、特に燃料噴射弁 いわゆるコモンレール技術の燃料噴射装置を備えたピストン式内燃機関の場合 には、噴射すべき燃料がポンプによって手前に接続された圧力系内で所定の圧力 下で一定に保持されている。個々のシリンダの噴射弁はこの圧力系に直接接続さ れているので、噴射弁が開放する度に、圧力下にある燃料は実質的に遅延するこ となく圧力系からシリンダに直接噴射可能である。噴射弁の制御は従来はそれぞ れサーボ弁を介して行われた。サーボ弁が一部の流れだけを切換えるので、サー ボ弁は非常に小さく採寸可能であり、それによって切換え時間が非常に短くなる 。そして、弁ニードルは噴射すべき燃料流を切換える。この弁ニードルはサーボ 回路によって制御される。この装置の場合、噴射弁の動的挙動は全体として、迅 速なサーボ弁よりはサーボ回路の動的挙動によって決まる。このサーボ回路は一 般的に、サーボ弁よりも遅い。 噴射弁の動的特性は、アクチュエータに連結された弁によって噴射すべき燃料 流を切り換えることによって大幅に改善することができる。噴射を直接制御する ために、例えば圧電式アクチュエータによって弁ニードルを直接操作することが 提案された（ドイツ連邦共和国特許出願公開第３６２１５４１号公報、Rumph-or st著“ディーゼルエンジン用の新しい電子式高圧噴射装置(Ein neues elekt-ron isches Hochdruckeinspritzsystem fuer Dieselmotoren)”ＭＴＺ５６、Haft 3: 1995年）。この解決策の場合には、圧力付勢され弁ニードルの面が大きいので、 高い噴射圧力の際に、対応する力を準備する非常に大きなアクチュエータが必要 であるという欠点がある。このアクチュエータは高価であるだけでなく、動作が 緩慢であり、そして電気的に操作される普通のアクチュエータの場合には切換え のために大きな電気エネルギーを必要とする。 本発明の根底をなす課題は、噴射すべき燃料流の直接的な切換えを可能にし、 かつアクチュエータ、特に具現化可能なエネルギーコストによる運転を許容する 電気式アクチュエータの使用を可能にする、噴射弁を提供することである。 この課題は、ケーシングを具備し、このケーシング内に圧力室が配置され、液 体供給装置に接続された、圧力下で噴射すべき液体のための供給管路が前記圧力 室に開口し、圧力室が噴射ノズルとして形成された少なくとも１つの流出口を備 え、ピストンに連結されかつ戻しばねの力に抗して摺動可能に案内された弁ニー ドルが圧力室内に配置され、圧力室が無圧でなったときに、弁ニードルが流出口 を閉鎖し、更に、液体用供給管路内に配置された圧力付勢されていない制御弁を 具備し、この制御弁がアクチュエータに連結されている、噴射弁、特に燃料噴射 弁によって解決される。この構造は、制御弁を介して、噴射すべき燃料流が直接 的に、すなわち流れ全体を切換え可能であるという利点がある。制御弁が開放さ れると、圧力室は圧力下の液体供給装置、自動車の場合にはコモンレールに直接 接続される。この場合、高い燃料圧力は戻しばねの力に抗してピストンを介して 弁ニードルを持ち上げるので、燃料は噴射ノズルとして形成された流出開口を経 て再び圧力室に流出可能である。制御弁が閉じると、圧力室は無圧になるので、 戻しばねは弁ニードルを再び閉鎖位置に摺動させることができる。この場合、制 御弁が圧力付勢解除された弁として形成されているので、制御弁を介して高圧下 の流れ全体を直接切り換えるという事実にもかかわらず、弁の圧力付勢解除部を 介して小さな操作力を加えるだけでよいことが重要である。この場合、制御弁は 滑り弁としてまたはシート弁として形成可能である。最も簡単な実施の形態では 、制御弁は２／２方向制御弁として形成可能である。しかし、制御弁が３／２方 向制御弁として形成されていると、特に有利である。この３／２方向制御弁は制 御位置に応じて、供給管路を液体供給装置の高圧側または低圧側に接続する。こ れにより、弁ニードルの閉鎖位置で、圧力室が低圧側に接続されるので、圧力室 から圧力を迅速に逃がすことができ、それによって弁ニードルの迅速な閉鎖が可 能であり、噴射の後引きが回避される。 本発明の特に有利な実施の形態では、制御弁が溢流室を備え、この溢流室がノ ズル供給管路を介して圧力室に接続され、アクチュエータに接続されたスライド 体が溢流室内で往復運動可能に案内され、スライド体が一方の端位置において供 給管路を溢流室に対して遮断し、他端位置において供給管路を開放し、供給管路 が環状室に開口し、この環状室がスライド体に対して間隔をおいて、このスライ ド体に連結されたピストン体によって画成され、スライド体とピストン体の圧力 作用面積が同じであるか少なくともほぼ同じである。この構造により、圧力付勢 時に切換えられる液体流によって外側に作用する力を生じ得る圧力付勢される面 が回避される。スライド体に付加的なピストン体を付設することにより、圧力付 勢される面の力のつり合いが生じるので、スライド体を動かすためには操作力を 加えるだけでよく、しかも開放位置へに動かすためにも遮断位置に戻すためにも 操作力を加えるだけでよく、この操作力は打ち勝たなければならない流れの力、 慣性力および摩擦力だけによって決まる。スライド体に加えてピストン体を配置 することは、制御弁を滑り弁として形成する場合にも、制御弁をシート弁として 形成する場合にも行うことができる。滑り弁との場合には、スライド体自体がピ ストンとして形成されているので、同じピストン直径によって要求を満たすこと ができる。シート弁として形成する場合には、弁座のシールエッジがピストンと 同じ直径を有するので、圧力で付勢される有効面積は非常に小さい。 ３／２方向制御弁として制御弁を形成する場合には、本発明に従って、供給管 路の開口部と反対の溢流室の側でドレン管路が溢流室に付設され、スライド体の 遮断位置でドレン管路がノズル供給管路に接続されている。これにより、制御弁 の閉鎖時に、圧力室内にある液体は、弁ニードルに連結されたピストンによって もはや流出口から押し出す必要はなく、制御弁の閉鎖直後ドルン管路を経て排出 可能である。それにより、戻しばねの戻し力によって弁ニードルを非常に迅速に かつ噴射の後引きなしに閉鎖位置に摺動させることができる。 本発明の合目的な実施の形態では、ドレン管路内に流れの絞りが配置されてい る。切換え中、すなわちスライド体がその遮断位置から開放位置に移動する時間 内に、高圧側に接続された供給管路は溢流室を経てドレン管路に接続され、この ドルン管路自体は低圧側に接続されているので、高圧液体の直接的な流出が可能 である。ドルン管路内に流れの絞りを配置したことにより、液体流出の遅れが生 じ、妨げになる圧力降下が充分に回避される。 本発明の有利な実施形では、制御弁のアクチュエータが軸方向、すなわち流れ 方向において圧力室の手前で、ケーシングに付設されている。この配置により、 流出口と制御弁の間の管路の長さが短縮されて最小となり、無駄時間が実質的に 回避される。 アクチュエータとしては、電磁アクチュエータ、磁歪アクチュエータまたは圧 電式アクチュエータを使用することができる。なぜなら、これらのアクチュエー タの必要スペースが小さく、従ってこれらのアクチュエータを制御弁のケーシン グに一体化可能であるからである。この場合、アクチュエータがスライド体に液 圧式に作用連結されていると合目的である。これにより、アクチュエータ側の小 さな操作変位で、スライド体側に比較的な大きな操作変位を生じることができる 。 実施の形態の概略図に基づいて本発明を詳しく説明する。 図１は２／２方向制御弁を備えた装置を回路図の形で示す図、 図２は３／２方向制御弁を備えた装置を回路図の形で示す図、 図３は噴射弁の縦断面図、 図４は図３の弁範囲Ｘの拡大図、 図５は他の実施の形態の図３の弁範囲Ｘの拡大図である。 概略的な図１は、ケーシング２を備えた噴射弁１を示している。このケーシン グは圧力室３を備え、この圧力室内では、ピストン４に連結された弁ニードル５ が戻しばね６の力に抗して往復運動可能に案内されている。 圧力室３は噴射ノズルを形成する少なくとも１つのノズル開口７を備えている 。このノズル開口は戻しばね６を介して弁ニードル５の尖端８によって閉鎖可能 である。 圧力室３には、噴射すべき液体のためのノズル供給管路９．１が開口している 。このノズル供給管路は圧力付勢解除された制御弁１３に接続されている。この 制御弁は供給管路９を介して液体供給装置１０に接続されている。液体供給装置 １０は実質的に、アキュムレータ１１と高圧ポンプ１２によって形成されている 。高圧ポンプ１２はアキュムレータ１１内の液体を、設定された予圧下で一定に 保持する。 制御弁１３はアクチュエータ１４によって操作可能である。図示した実施の形 態の場合、制御弁１３は２／２（２ウェイ２位置）方向制御弁として形成されて いる。 ノズルニードル５と反対側のケーシング２の室１５は、還流管路１６を介して 液体供給装置の低圧側１７に接続されているので、圧力室３から室１５に流れる 漏洩液は流出可能である。 制御弁13が図１に示した位置にあるときには、圧力室３は無圧であるので、戻 しばね６の力によって弁ニードル５の尖端８はそのシート部に押付けられ、ノズ ル開口７を閉鎖している。 制御弁１３が切換えられると、圧力室３がアキュムレータ１１に直接接続され るので、ピストン４は戻しばね６の力に抗して液圧で持上げられ、ノズル開口７ を開放する。従って、ノズル開口の開放時間だけ、液量が供給すべき室、例えば ピストン式内燃機関のシリンダ内に噴射される。制御弁１３が再び閉鎖位置に戻 るや否や、圧力室３内の液圧は低下し、弁ニードル５の尖端はノズル開口７を再 び閉鎖する。 図２に示した回路図は、３／２方向制御弁として形成された制御弁１３を備え た、図１に基づいて説明した装置を示している。その他の構造は図１の構造と一 致している。従って、同じ構成要素には同じ参照符号が付けてある。違いは単に 、圧力室３が還流管路１６．１を介して液体供給装置１０の低圧側１７に接続さ れていることにある。制御弁１３が切換えられると、還流管１６．１は閉鎖され 、そして前述のように供給管路９がアキュムレータ１１に接続されるので、噴射 を行うことができる。続いて、制御弁１３が元の位置に切換えられると、図２に 示すように、圧力室３が供給管路９と還流管路１６．１を介して低圧側１７に接 続されるので、これにより、圧力室３はこの切換えによって無圧となり、弁ニー ドル５は急速に閉じることができ、噴射や滴下の後引きが回避される。 液体流れの直接的な切換えを生じるという利点を完全に利用できるようにする ために、制御弁１３と圧力室３の間の供給管路９．１の長さをできるだけ短くす ると合目的である。図３には、制御弁を一体化した燃料噴射弁の実施の形態が示 してある。制御弁が２／２方向制御弁として形成されているので、構造と機能に 関して図１の回路図を参照することができる。図１で用いた参照符号は同じ部品 を示している。 噴射弁の構造は図１の概略図の構造に一致しているので、同じ部品にはここで も同じ参照符号が付けてある。 ケーシング２内で、ピストン４を備えた弁ニードル５が軸方向に摺動可能に案 内されている。この弁ニードルは圧力室３を通過している。弁ニードル５は戻し ばね６の力によって閉鎖位置に保持される。圧力室３には供給管路９．１が開口 している。 図示した実施の形態の場合には、制御弁１３が噴射弁に一体化され、軸方向、 すなわち流れ方向において圧力室３の手前で、ケーシング２に付設されている。 次に、図４の拡大図に基づいて、構造の細部を詳細に説明する。 制御弁１３は溢流室１８を備えている。この溢流室はノズル供給管路９．１を 介して圧力室３に接続され、溢流室内ではスライド体１９が往復運動可能に案内 されている。このスライド体はアクチュエータ１４に連結されている。 アキュムレータ１１（ここには図示していない）に接続されている供給管路９ は一端が溢流室１８に開口している。スライド体は、一端位置で、図示のように 供給管路９を溢流室１８に対して遮断し、そして他方の端位置で開放するように 形成されている。スライド体がアクチュエータ１４を介して他方の位置に摺動す るや否や、スライド体は供給管路９を溢流室に対して開放し、それによって供給 管路９とノズル供給管路９．１とが直接的に接続され、噴射が可能となる。アク チュエータ１４が作動停止すると、スライド体１９は戻しばね２１を介して再び その遮断位置に滑動して戻る。 スライド体１９が供給管路９を経て全液圧にさらされるので、圧力付勢解除の ために環状室２２が設けられている。この環状室はスライド体に対して間隔をお いて、このスライド体に連結されたピストン体２３によって画成されている。こ の場合、スライド体１９の圧力作用面とピストン体２３の圧力作用面は同じであ るか少なくともほぼ同じにある。この手段により、スライド体の圧力付勢解除が 生じるので、アキュムレータ１１を経て作用する液圧は、スライド体に対して開 放方向または閉鎖方向に力を加えないかあるいは実質的に加えない。従って、ス ライド体を開放位置に動かすためにはアクチュエータ１４の力で充分であり、戻 すためには戻しばね２１の力で充分である。噴射弁はスライド弁としてあるいは シート弁として形成可能である。 図示した実施の形態の場合には、アクチュエータ１４として、圧電式アクチュ エータが設けられている。このアクチュエータの端面２４はダイヤフラム２５に よって閉鎖されている。このダイヤフラムは圧力室２６を画成している。圧力室 ２６は液体管路２７を介してスライド体１９のピストン２３に接続されている。 従って、アクチュエータおよびそれに連結された長さ変更部を作動させると、液 体は圧力室２３から管路２７を経て押圧される。そして、この液体はスライド体 １９をその開放位置に摺動させる。漏洩管路２８により、スライド体１９の摺動 のために必要な圧力室２６内の液量が常に調整される。 図４の拡大図には、２／２方向制御弁としての制御弁１３の細部が示してある 。図から判るように、溢流室１８は閉鎖位置を決定するその端位置に、シート面 １８．１を備えている。閉鎖体１９はこれに付設されたシート面１９．１を備え ている。シート面１８．１の内側エッジは同時に、スライド体のためのガイド２ ９を画成しているので、環状室２２を画成するピストン２３は、シート面の内側 にあるエッジと同じ直径を有する。それによって、ここで図示した閉鎖位置にお いて、供給管路９を経て環状室に作用する高い圧力を介して、スライド体１９は 開放位置に付勢され、ピストン２３が閉鎖位置に付勢され、それによって所望の 圧力付勢解除が生じ、従ってスライド体１９を閉鎖位置に保持するためにあるい は閉鎖位置に戻すために戻しばね２１の力で充分である。圧電式アクチュエータ は弁ストロークひいては開口横断面積を可変にすることができる。それによって 流量ひいては噴射速度に影響を与えることができる。 図５は、３／２方向制御弁として形成された制御弁の拡大図である。基本構造 が図４に基づいて説明した構造に一致しているので、前述の説明を参照すること ができる。違いは単に、環状室２２と反対のスライド体１９の側に、他の環状室 ３０が付設され、この環状室に還流管路１６．１が開口していることにある。こ れにより、図示した遮断位置で圧力室３はノズル管路９．１と溢流室１８を介し て還流管路１６．１ひいては液体供給装置１０の低圧側１７に接続される。アク チュエータによってスライド体１９がその他方の端位置に摺動すると、還流管路 １６．１が溢流室１８に対して閉鎖されるので、液体は供給管路９とノズル供給 管路９．１との間の直接的な接続部を経てのみ、圧力室３に流れることができる 。 切換えの間、高圧下にある供給管路９と低圧側１７に接続された還流管路１６ ．１とが短時間だけ流れ的に直接接続され、圧力ヘッドに基づいてここでも圧力 降下と共に液体流出が短時間だけ行われるので、絞り３１が流出管路１６．１に 設けられていると合目的である。それによって、装置の高圧側と低圧側の間の“ 短絡”が回避される。 図３，４，５から判るように、調節弁１３は構造的に簡単に噴射弁に一体化可 能であるので、圧力室３と弁の間に短い流路を有する狭く構成された噴射弁が形 成される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラウメン・ヘルマン・ヨーゼフ ドイツ連邦共和国、Ｄ―52525 ハインス ベルク、ニューゲン、21 (72)発明者 シュミュッカー・カール・ヨーアヒム ベルギー国、Ｂ―4731 アイナッテン、ヨ ーベルクストラート、12

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ケーシング（２）を具備し、このケーシング内に圧力室（３）が配置され、 液体供給装置（１０）に接続された、圧力下で噴射すべき液体のための供給管 路（９）が前記圧力室に開口し、圧力室が噴射ノズルとして形成された少なく とも１つの流出口（７）を備え、ピストン（４）に連結されかつ戻しばね（６ ）の力に抗して摺動可能に案内された弁ニードル（５）が圧力室内に配置され 、圧力室（３）が無圧になったときに、弁ニードルが流出口（７）を閉鎖し、 更に、液体用供給管路（９）内に配置された圧力付勢されていない制御弁（１ ３）を具備し、この制御弁がアクチュエータ（１４）に連結されていることを 特徴とする噴射弁、特に燃料噴射弁。 ２．制御弁（１３）が滑り弁として形成されていることを特徴とする請求項１記 載の噴射弁。 ３．制御弁がシート弁として形成されていることを特徴とする請求項１記載の噴 射弁。 ４．制御弁（１３）が２／２方向制御弁として形成されていることを特徴とする 請求項１〜３のいずれか一つに記載の噴射弁。 ５．制御弁（１３）が３／２方向制御弁として形成され、供給管路（９）か制御 位置に応じて液体供給装置（１０）の高圧側（１１）または低圧側（１７）に 接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の噴射弁 。 ６．制御弁（１３）が溢流室（１８）を備え、この溢流室がノズル供給管路（９ ．１）を介して圧力室（３）に接続され、アクチュエータ（１４）に接続され たスライド体（１９）が溢流室内で往復運動可能に案内され、スライド体（１ ９）が一方の端位置において供給管路（９）を溢流室（１８）に対して遮断し 、他端位置において供給管路（９）を開放し、供給管路（９）が環状室（２２ ）に開口し、この環状室がスライド体（１９）に対して間隔をおいて、このス ライド体に連結されたピストン体（２３）によって画成され、スライド体（１ ９）とピストン体（２３）の圧力作用面積が同じであるか少なくともほぼ同じ であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の噴射弁。 ７．供給管路（９）の開口部と反対の溢流室（１８）の側でドレン管路（１６． １）が溢流室に付設され、スライド体（１９）の遮断位置でトルン管路がノズ ル供給管路（９．１）に接続されていることを特徴とする請求項１〜６のいず れか一つに記載の噴射弁。 ８．還流管路（１６）内に流れの絞り（３１）が配置されていることを特徴とす る請求項１〜７のいずれか一つに記載の噴射弁。 ９．制御弁（１３）のアクチュエータ（１４）が軸方向、すなわち流れ方向で圧 力室（３）の手前において、ケーシング（２）に付設されていることを特徴と する請求項１〜８のいずれか一つに記載の噴射弁。 10．アクチュエータ（１４）が電磁アクチュエータによって形成されていること を特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の噴射弁。 11．アクチュエータ（１４）が磁歪アクチュエータによって形成されていること を特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の噴射弁。 12．アクチュエータ（１４）が圧電式アクチュエータによって形成されているこ とを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の噴射弁。 13．アクチュエータ（１４）がスライド体（１９）に液圧式に作用連結されてい ることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一つに記載の噴射弁。