JP2007500304A - 直接制御式の噴射弁部材を備えた燃料インジェクタ - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関の燃料室内に燃料の噴射をするための、インジェクタボディ（２）とノズルホルダ（３）を備えた燃料インジェクタであって、このノズルホルダ（３）内に噴射弁部材（５）が可動的に収容されていて、噴射弁部材（５）は噴射弁開口（２９）を開放し、または閉鎖する座部（２８）を有しており、かつ噴射弁部材（５）はアクチュエータ（９）によって操作されるようになっている形式のものに関する。本発明によれば、アクチュエータ（９）が第１の伝達ピストン（１１）を操作し、この第１の伝達ピストン（１１）内で噴射弁部材（５）と結合されている第２の伝達ピストン（１９）がガイドされていることを特徴としている。

Description

今日では、内燃機関において噴射圧を回転数および負荷に依存しないで調整することができる畜圧噴射システム（コモンレールシステム）が、ますます使用されている。コモンレールシステムでは圧力発生および噴射動作は、時間的に、かつ場所的に互いに分離している。噴射圧は独立した高圧ポンプによって作り出される。この高圧ポンプは必ずしも噴射と同期して駆動される必要はない。圧力はエンジン回転数および噴射量から独立して調整される。コモンレールシステムでは、圧力制御式の噴射弁の代わりに、電気的に操作されるインジェクタが使用され、このインジェクタによって制御時点、制御時間、噴射開始および噴射量が規定される。この噴射システムでは、複数回噴射または分割噴射の構成に関して、大きな自由度がある。

背景技術
畜圧噴射システム（コモンレールシステム）のための燃料インジェクタは、通常、電磁弁と圧電アクチュエータとによって制御される。電磁弁若しくは圧電アクチュエータによって、制御室の圧力負荷が生じせしめられる。そのために、制御室は、通常、流出絞りが設けられた負荷軽減通路を有している。噴射弁部材を操作するために制御室への充てんは、普通は高圧側から、流入絞り通路エレメントが組み込まれている流入部を介して行われる。制御室に対応配置された電磁弁または圧電アクチュエータによって、流出通路を閉鎖する弁閉鎖部材が操作される。電磁弁若しくは圧電アクチュエータを操作すると、たとえば球体または円錐体であってよい弁閉鎖部材が流出通路を開放し、その結果、制御容積が制御室から流出することができる。これによって制御室の圧力が低下し、制御室によって負荷された、一般的にニードル状に形成された噴射弁部材が垂直方向に持ち上がる。噴射弁部材の上昇運動によって燃料インジェクタの燃焼室側の端部に設けられた噴射開口が開放され、燃料が内燃機関の燃焼室に噴射される。

背景技術により公知の、電磁弁若しくは圧電アクチュエータによって操作可能な燃料インジェクタは、通常、気密かつ堅固に構成されているインジェクタボディを包囲している。このインジェクタボディの外に電磁弁若しくは圧電アクチュエータが受容されている。これらによって、制御室の圧力レベルは供給通路の開放を介して低下せしめられる。この原理によれば、ニードル状に形成可能な噴射弁部材は間接的に操作される。バルブボディの外に配置された圧電アクチュエータに、一般的に液圧式の伝達装置が対応配置されるので、圧電アクチュエータのストローク量が延長される。何故ならば、積層形式で配置された圧電結晶は給電されると長さ変化するだけだからである。これに対して電磁弁によって燃料インジェクタが操作されると、特に内燃機関の高い回転数範囲内で制御室の流出通路を閉鎖している噴射弁部材を相応に精確に制御するために、電磁弁の残留エアギャップと可動子ストローク量の正確な調整が必要となる。

インジェクタボディの外側に配置されている制御装置、つまり電磁弁若しくは圧電アクチュエータに基づいて、背景技術により公知の燃料インジェクタは比較的高い構造を有しており、それゆえ、より大きい組み込みスペースが内燃機関のシリンダーヘッド領域に必要となる。しかし最近の内燃機関の傾向によれば、シリンダーヘッド領域に提供される取り付けスペースはますます小さくなっている。これは、単位排気量あたりの高い出力（１リッターあたりの出力）を有する内燃機関が、シリンダーヘッド領域で高価な冷却を必要とすることに関係している。この冷却は通常、種々の通路を介して行われ、これらの通路は内燃機関のシリンダーヘッドを貫通し、熱的な理由および熱伝導率の理由により所定の延在形状を有している。これにより燃料インジェクタの取り付けのために必要とされる取り付けスペースは減少するので、別の解決策を開発する必要がある。

発明の開示
本発明に従って提案された解決方法によって、特にコンパクトに構成された燃料インジェクタが提供され、この燃料インジェクタによってニードル状の噴射弁部材の直接的操作が可能となる。このために圧電結晶スタックを有するアクチュエータが、システム圧によって負荷された圧力室内に受容されている。アクチュエータは、端面側が第１の伝達ピストンと結合されており、この第１の伝達ピストンが第２の伝達ピストンを包囲している。第２の伝達ピストンは噴射弁部材に形成されている。第１の伝達ピストンと第２の伝達ピストンとはテレスコープ式にガイドされ、これにより噴射弁部材のガイド区分と共に噴射弁部材をノズルホルダ内でさらにガイドすることが可能となる。従って噴射弁部材のさらなるガイド区分は必要とされない。

第１の伝達ピストンは、圧縮コイルばねに負荷されてノズルホルダの平坦面に当て付けられている制御室スリーブによって、包囲されている。制御室スリーブの食いつきエッジは、圧縮コイルばねにより絶えずノズルホルダコンビネーションの平坦面に当接保持されており、これによって制御室の気密性が保証される。

システム圧下にある圧力室から燃料が、ノズル室燃料流入部を介して、噴射弁部材を包囲しているノズル室に流入し、かつ該圧力室から環状ギャップを介して噴射弁部材の座部へと流入する。本発明に従って提案された解決策によって、圧電アクチュエータの給電時間は短縮される。何故ならば、圧電アクチュエータは噴射弁部材を、給電状態ではなく、給電されていない状態でその閉鎖位置に保持するからである。アクチュエータに給電されると、制御室内で圧力が上昇し、それによって噴射弁部材と結合された第２の伝達ピストンを開放する。次いで噴射弁部材が燃料室側の噴射開口を開放する。これに対してアクチュエータに給電されないと噴射弁部材は、液圧室内で第１の伝達ピストンと第２の伝達ピストンとの間に取り付けられた圧縮コイルばねによって、閉鎖位置へと押しつけられる。従って燃料インジェクタのために提案された圧力伝達器は、方向転換を伴う圧力伝達器として働き、この圧力伝達器はアクチュエータに給電されると噴射弁部材を開放し、給電されていない状態では噴射弁部材を閉鎖する。

図面
以下に本発明を図面に基づいて詳細に説明する。

唯一の図面には、本発明に従って提案された直接制御式の噴射弁部材を備えた燃料インジェクタの断面図が示されている。

実施例
図面は、インジェクタボディ２を包囲する燃料インジェクタ１を示している。インジェクタボディ２は、ノズル緊締ナット４を介してノズルホルダ３に結合されている。このような構成はノズルホルダのコンビネーションとも呼称される。インジェクタボディ２とノズルホルダ３との結合のために、インジェクタボディに雄ねじ山区分３４が設けられている。この雄ねじ山区分３４に、雌ねじ山３５を備えたノズル緊締ナット４が所定のトルクで締結される。ノズル緊締ナット４はノズルホルダ３を環状の当接面で囲んでいる。

インジェクタボディ２内には、図示されていない高圧の畜圧容積部（コモンレール）と接続している高圧燃料供給部６が設けられている。この高圧の畜圧容積部（コモンレール）は、図示されていない高圧ポンプで負荷されている。高圧の畜圧容積部内の圧力レベル（システム圧）は、１４００bar〜１６００barの間の範囲内である。インジェクタボディ内に形成されている圧力室７は、高圧燃料供給部６を介してシステム圧下にある燃料８で負荷される。インジェクタボディ２内の圧力室７からノズル室燃料流入部２４が分岐しており、このノズル室燃料流入部２４を介してノズルホルダ３内のノズル室２５に、システム圧下にある燃料が供給される。

圧力振動を減衰するか、若しくは完全解消することができる液圧式の補助容積部として用いられる圧力室７内には、有利には圧電アクチュエータとして形成され、かつ圧電結晶スタック１０を有しているアクチュエータ９が収容されている。図示されていない接点を介して圧電結晶スタック１０に給電されると、積層形式で配置されている圧電結晶は長さが変化し、この長さ変化によって噴射弁部材が操作され得る。

圧電式アクチュエータ９は、第１の伝達ピストン１１の端面側に位置している。第１の伝達ピストン１１の壁部は補償孔１３を備えており、この補償孔を介して圧力室７は液圧室４１に連通している。第１の伝達ピストン１１は、噴射弁部材５に取り付けられている第２の伝達ピストン１９を包囲している。第２の伝達ピストン１９はさらに切欠３２を有しており、この切欠３２内にスプリングエレメント１７が収容されていて、このスプリングエレメント１７は第１の伝達ピストン１１の内面の当接面３７で支えられている。第２の伝達ピストン１９と噴射弁部材５は互いに堅固に結合されている。第２の伝達ピストン１９の第１の環状面３８は液圧室４１を仕切り、これに対して第２の伝達ピストン１９の下側面にある第２の環状面３９は制御室１８を仕切っている。この制御室１８は同様に第１の伝達ピストン１１の下側面にある環状面２０によっても仕切られ、さらに制御室スリーブ２１の内側面４０および、インジェクタボディ２に当接しているノズルホルダ３の環状の平坦面区分２３によって仕切られている。

第１の伝達ピストン１１の外周面に、支持リング１４が組み込まれており、この支持リング１４に当接リング１５が支持されている。当接リング１５は、ノズルホルダ３の平坦面２３に制御室スリーブ２１を当て付けている圧縮コイルばね１６のための当接面を形成している。第１の伝達ピストン１１を包囲している制御室スリーブ２１は食いつきエッジ２２を有している。圧縮コイルばね１６によって制御室スリーブ２１を押圧負荷することによって、食いつきエッジ２２はノズルホルダ３の平坦面２３の上側面に気密に当て付けられる。これによって噴射弁部材５を操作するために、圧力室７内のシステム圧とは異なる圧力が必要とされる制御室１８は、システム圧下にある燃料８で負荷された圧力室７に対して効果的にシールされる。

噴射弁部材５は、ノズルホルダ３ではガイド区分３１内に受容されている。ガイド区分３１の下に、圧力室７から前記ノズル室燃料流入部２４を通ってシステム圧下にある燃料８によって負荷されるノズル室２５がある。ノズル室２５から環状ギャップ２７がノズルホルダ３の燃料室側の端部にある、噴射弁部材５の座部２８へ延在している。噴射弁部材５が座部２８に当て付けられている時には、内燃機関の燃料室への噴射開口２９は閉じられている。これに対して、座部２８が開放されている時には、ノズル室燃料流入部２４、ノズル室２５、環状ギャップ２７、および開放されている噴射開口２９を介して、燃料が内燃機関の燃焼室３０内に噴射される。

制御室スリーブ２１を確実に押圧負荷するために、制御室スリーブ２１は、圧縮コイルばね１６に向いた側で圧縮コイルばね１６のための当接面を有している。インジェクタボディ２の端面側とノズルホルダ３の平坦面２３とは、ノズル緊締ナット４によって取り囲まれていて、突き合わせ部３６を形成しており、この突合せ部３６は、インジェクタボディ２とノズルホルダ３とがねじ結合されると、制御室１８の気密なシールを形成する。

図示の燃料インジェクタの作動形式を以下に説明する。

アクチュエータ９の圧電結晶スタック１０に給電されていない状態では、圧力室７と液圧室４１との間で流入孔１３を介した圧力補償に基づいて、第１の伝達ピストン１１はその非作用位置にとどまる。当接面３７に当接しているスプリングエレメント１７が第２の伝達ピストン１９を閉鎖方向へと負荷すると、第２の伝達ピストン１９と堅固に結合された噴射弁部材５は座部２８に当接された状態になる。それによってノズルホルダ３の燃焼室側の端部に形成された噴射開口２９が閉じられた状態になる。燃料が内燃機関の燃料室３０に達することはない。スプリングエレメント１７は、噴射弁部材５の閉鎖状態において、ノズル室２５が押圧負荷される際にノズル室２５内の圧力段２６に開放方向に作用する液圧的な開放力を上回る高い閉鎖力を生じせしめるように、設計されている。

これに対して、アクチュエータ９の圧電結晶スタック１０に給電されると、圧電結晶スタック１０の個々の圧電結晶が伸長し、その結果、第１の伝達ピストン１１の端面側１２に、第１の伝達ピストン１１を垂直方向で下方に押しやる力が生ぜしめられる。その際、制御室１８に進入してくる第１の伝達ピストン１１の環状面２０が制御室１８内の圧力を上昇させる。この圧力上昇は第２の伝達ピストン１９の下側面の環状面３９に伝達される。第２の伝達ピストン１９の第２の環状面３９に作用する液圧力ならびノズル室２５内の圧力段２６に作用する液圧力が、スプリングエレメント１７によって生ぜしめられた閉鎖力を上回ると、噴射弁部材５が第２の伝達ピストン１９と共に油圧室４１に進入する。その際、油圧室４１から押しのけられた燃料容積は、孔１３を経由して圧力室７に流入する。

開放されている噴射弁部材５はノズルホルダ３の燃料室側の端部に形成されている座部２８から持ち上がり、その結果、噴射開口２９が解放され、環状ギャップ２７を介して噴射開口２９に流れ込むシステム圧下にある燃料は、ノズル室２５から燃焼室３０へと噴射される。

これに対して、アクチュエータ９の圧電結晶スタック１０への給電が中断されると、第１の伝達ピストン１１は非作用位置に移動し、それによって制御室１８内の圧力は低下する。制御室１８内の圧力低下に基づいて、第２の伝達ピストン１９の下側面の第２の環状面３９に作用する開放方向に働く液圧力が低下し、その結果、閉鎖方向に作用する力が圧力段２６に作用する液圧力を上回るのと同時に、液圧室４１に組み込まれているスプリングエレメント１７によって閉鎖運動が生じる。これにより第２の伝達ピストン１９と堅固に結合されている噴射弁部材５が、燃料室側の座部２８に当て付けられる。従って噴射開口２９は閉鎖され、燃料は内燃機関の燃料室３０にもはや噴射されなくなる。

第１の伝達ピストン１１と第２の伝達ピストン１９とは方向転換を伴う圧力伝達器を形成している。この方向転換の際にアクチュエータに給電されると、噴射弁部材５は開放せしめられ、これに対してアクチュエータに給電されないと噴射弁部材はその閉鎖位置に移動せしめられる。互いにテレスコープ式にガイドされる伝達ピストン１１と１９とは、ケーシング内に形成される必要のない、噴射弁部材の別のガイドを形成する。噴射弁部材５は、有利な形式でノズルホルダ３のガイド区分３１内でのみ可動的にガイドされる。

アクチュエータ９はシステム圧で負荷された圧力室７内に配置されているので、本発明による燃料インジェクタは非常にコンパクトに構成されている。伝達ピストン１１と１９の配置、ならびに第１の伝達ピストン１１の外周面に受容された制御室スリーブ２１よって、有利な形式で、制御スリーブ２１ならびにインジェクタボディ２の、ノズルホルダ３の平坦面２３に対して相対的な支承公差を簡単に補償することができる。本発明による燃料インジェクタ１の構成のその他の利点は、アクチュエータ９への給電時間が短縮され、ひいてはアクチュエータ９の耐用年数に好都合な影響を及ぼす、という点にある。

本発明の１実施例による燃料インジェクタの断面図である。

符号の説明

１ 燃料インジェクタ、 ２ インジェクタボディ、 ３ ノズルホルダ、 ４ ノズル緊締ナット、 ５ 噴射弁部材、 ６ 高圧燃料供給部、 ７ 圧力室、 ８ システム圧下にある燃料、 ９ アクチュエータ、 １０ 圧電結晶スタック、 １１ 第１の伝達ピストン、 １２ 端面側、 １３ 補償孔、 １４ 支持リング、 １５ 当接リング、 １６ 圧縮ばねコイル、 １７ スプリングエレメント、 １８ 制御室、 １９ 第２の伝達ピストン、 ２０ 第１の伝達ピストン１１の環状面、 ２１ 制御室スリーブ、 ２２ 食いつきエッジ、 ２３ ノズルホルダ３の平坦面、 ２４ ノズル室燃料流入部、 ２５ ノズル室、 ２６ 圧力段、 ２７ 環状ギャップ、 ２８ 座部、 ２９ 噴射開口、 ３０ 燃料室、 ３１ ガイド区分、 ３２ 第２の伝達ピストン１９の切欠、 ３３ 制御室スリーブ２１の環状面、 ３４ 雄ねじ山、 ３５ 雌ねじ山、 ３６ 突き合わせ部、 ３７ スプリングエレメント１７の当接面、 ３８ 第２の伝達ピストン１９の第１の環状面、 ３９ 第２の伝達ピストン１９の第２の環状面、 ４０ 制御室スリーブの内側、 ４１ 液圧室

Claims (10)

1. 内燃機関の燃焼室（３０）内に燃料を噴射するための燃料インジェクタであって、インジェクタボディ（２）とノズルホルダ（３）を有していて、該ノズルホルダ（３）内に噴射弁部材（５）が可動に受容されており、該噴射弁部材（５）が、噴射開口（２９）を開放又は閉鎖する座部（２８）を有していて、前記噴射弁部材（５）が圧電アクチュエータ（９）を介して操作されるようになっている形式のものにおいて、
   圧電アクチュエータ（９）が第１の伝達ピストン（１１）を直接操作するようになっていて、この第１の伝達ピストン（１１）内で、制御室（１８）内の圧力を変えるための、噴射弁部材（５）に結合された第２の伝達ピストン（１９）がガイドされていることを特徴とする、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための燃料インジェクタ。
2. アクチュエータ（９）が、インジェクタボディ（２）に形成された圧力室（７）内に受容されていて、該圧力室（７）が高圧燃料供給部（６）を介してシステム圧下にある燃料（８）で負荷されている、請求項１記載の燃料インジェクタ。
3. 制御室（１８）が、制御室スリーブ（２１）、第１の伝達ピストン（１１）の環状面（２０）、第２の伝達ピストン（１９）の環状面（３９）ならびにノズルホルダ（３）の平坦面（２３）によって仕切られている、請求項２記載の燃料インジェクタ。
4. 制御室スリーブ（２１）が、第１の伝達ピストン（１１）でガイドされていて、かつ圧縮コイルばね（１６）によって負荷されている、請求項３記載の燃料インジェクタ。
5. 制御室（１８）が、ノズルホルダ（３）の平坦面（２３）と協働する食いつきエッジ（２２）を介して圧力室（７）に対してシールされている、請求項３記載の燃料インジェクタ。
6. 第１の伝達ピストン（１１）と第２の伝達ピストン（１９）との間に液圧室（４１）が形成されており、補償孔（１３）を介してインジェクタボディ（２）内の圧力室（７）に液圧的に接続されている、請求項１記載の燃料インジェクタ。
7. 液圧室（４１）内に、噴射弁部材（５）を閉鎖方向に負荷する当接面（３７）に当接しているスプリングエレメント（１７）が受容されている、請求項６記載の燃料インジェクタ。
8. 圧力室（７）からノズル室燃料流入部が分岐しており、該ノズル室燃料流入部（２４）が圧力室（７）をノズル室（２５）に接続している、請求項１記載の燃料インジェクタ。
9. ノズルホルダ（３）内ではガイド区分（３１）で、およびインジェクタボディ（２）内では伝達ピストン（１１，１９）によって噴射弁部材（５）のガイドが行われる、請求項１記載の燃料インジェクタ。
10. 補償孔（１３）を介して圧力室（７）と接続されている液圧室（４１）が、スプリングエレメント（１７）のための当接面（３７）を有しており、このスプリングエレメント（１７）は、液圧室（４１）を仕切っている第１の環状面（３８）を有する第２の伝達ピストン（１９）の切欠（３２）内に支えられている、請求項１記載の燃料インジェクタ。

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