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JP4335544B2 - 特に内燃機関に用いられる燃料噴射装置の高圧液体システム内の接続部を制御するための弁 - Google Patents

特に内燃機関に用いられる燃料噴射装置の高圧液体システム内の接続部を制御するための弁 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に内燃機関に用いられる燃料噴射装置の高圧液体システム内の接続部を制御するための弁であって、弁部材が設けられており、該弁部材が、その長手方向軸線の方向で移動可能に案内されていて、弁圧力室内に突入しており、該弁圧力室内に少なくとも時間的に高圧が形成されるようになっており、弁部材が、弁圧力室内で弁部材の長手方向軸線に対して横方向に延びる端面にシール面を有しており、該シール弁が、弁部材の長手方向軸線に対して横方向に延びる弁座と、該弁座によって取り囲まれた開口を弁圧力室に対して少なくとも十分に閉鎖するために協働するようになっている形式のものに関する。
【0002】
【従来の技術】
このような弁は、ヨーロッパ特許出願公開第0840003号明細書に基づき公知である。この公知の弁は、内燃機関に用いられる燃料噴射装置内の接続部を制御するために働く。公知の弁は弁部材を有している。この弁部材はその長手方向軸線の方向で移動可能に案内されていて、圧力室内に突入している。また、弁部材は、圧力室で弁部材の長手方向軸線に対して横方向に配置された端面にシール面を有している。弁部材はそのシール面で、弁部材の長手方向軸線に対して横方向に配置された弁座と、この弁座によって取り囲まれた開口を圧力室に対して閉鎖するために協働する。この場合、圧力室内には高圧が形成されており、開口は放圧室に通じている。この場合、弁部材によって、圧力室と放圧室との間の接続部ひいては圧力室内の圧力が制御される。圧力室に対する開口の確実なシールを達成するためには、弁座でのシール面の高い面プレスが必要となる。弁座に対する弁部材の、必要となる圧着力を、支配可能な大きさに制限するためには、シール面を可能な限り小さな面で形成することが必要となる。この場合、弁部材がそのシール面で弁座に衝突する場合に生ぜしめられる衝撃負荷に基づき、僅かにシール面の損傷が生ぜしめられるので、このシール面は欠損部を有している。この欠損部によって、液体が圧力室から開口を介して流出する恐れがある。この場合、高い圧力差に基づき、極めて高い流速が生ぜしめられる。この流速によって、侵食、すなわち、弁部材における材料損失ひいては欠損部の拡大が生ぜしめられる。これによって、弁の使用期間が増加するにつれて、シール作用が一層悪化し、最終的には、弁の機能はもはや付与されていない。弁部材のかつ/または弁座の製造誤差に基づいてもシール面と弁座との間に小さな貫通開口が存在する恐れがある。この貫通開口は、前述したように、弁の使用期間にわたって拡大し、機能故障を生ぜしめる。
【0003】
【特許文献1】
ヨーロッパ特許出願公開第0840003号明細書
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の課題は、冒頭で述べた形式の弁を改良して、弁の使用期間にわたって弁の機能性が十分に保証されているようにすることである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の構成では、シール面が、弁部材の端面で環状面によって取り囲まれており、該環状面が、シール面での弁座への弁部材の接触時に該弁部材の長手方向軸線の方向で弁座から僅かな間隔を置いて配置されており、弁部材が、その全周にわたって分配された複数の通流部を有しており、該通流部によって、開口が、シール面での弁座への弁部材の接触時に弁圧力室に接続されているようにした。
【0006】
【発明の効果】
請求項1記載の特徴を備えた本発明による弁は従来のものに比べて、弁の機能性が弁の長い使用期間にわたっても保証されているという利点を有している。この場合、弁部材に設けられた通流部によって、適切に僅かな漏れが生ぜしめられるものの、この漏れは弁の機能のためには取るに足らないものである。また、環状面によって、圧力室からの液体の流出時には低い流速しか生ぜしめられず、これによって、弁部材または弁座に侵食が生ぜしめられないことが達成される。したがって、弁は全体的に僅かな漏れを有しているものの、この漏れは使用期間にわたって少なくともほぼコンスタントなままとなる。
【0007】
従属請求項には、本発明による弁の有利な構成および改良形が記載してある。請求項3記載の構成によって、通流部の単純な構成が可能となる。請求項4記載の構成によって、圧力室から流出する液体の低い流速が可能となる。請求項6記載の構成によって、流出する液体の流速が少なくともほぼコンスタントとなることが達成される。請求項7記載の構成によって、弁部材の簡単な製作が可能となる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面につき詳しく説明する。
【0009】
図1には、自動車の内燃機関に用いられる燃料噴射装置が示してある。内燃機関は、有利には、自己着火式の内燃機関である。燃料噴射装置は、有利には、いわゆる「ユニットインジェクタ」とも呼ばれるポンプ・ノズルユニットとして形成されていて、内燃機関の各シリンダに対して、それぞれ1つの燃料高圧ポンプ10と、この燃料高圧ポンプ10に接続された1つの燃料噴射弁12とを有している。燃料高圧ポンプ10と燃料噴射弁12とは共通の構成ユニットを形成している。択一的には、燃料噴射装置が、いわゆる「ユニットポンプ」とも呼ばれるポンプ・ライン・ノズルシステムとして形成されていてもよい。このポンプ・ライン・ノズルシステムでは、各シリンダの燃料高圧ポンプと燃料噴射弁とが互いに分離されて配置されていて、1つのライン(管路)を介して互いに接続されている。燃料高圧ポンプ10はポンプボディ14を有している。このポンプボディ14はシリンダ孔16を備えている。このシリンダ孔16内にはポンプピストン18が密に案内されている。このポンプピストン18は少なくとも間接的に内燃機関のカムシャフトのカム20によって戻しばね19の力に抗して行程運動で駆動される。ポンプピストン18はシリンダ孔16内にポンプ作業室22を仕切っている。このポンプ作業室22内では、ポンプピストン18の圧送行程時に燃料が高圧下に圧縮される。ポンプ作業室22には、自動車の燃料蓄え容器24から燃料が供給される。
【0010】
燃料噴射弁12は、ポンプボディ14に結合された弁ボディ26を有している。この弁ボディ26は複数の部分から形成することができる。また、弁ボディ26内では、噴射弁部材28が孔30内に長手方向で移動可能に案内されている。弁ボディ26は、内燃機関のシリンダの燃焼室に面した側の端部領域に少なくとも1つ、有利には複数の噴射開口32を有している。噴射弁部材28は、燃焼室に面した側の端部領域に、たとえばほぼ円錐形のシール面34を有している。このシール面34は、弁ボディ26の、燃焼室に面した側の端部領域に形成された弁座36と協働する。この弁座36からまたは弁座36の後方で噴射開口32が導出している。弁ボディ26内では噴射弁部材28と孔30との間に弁座36に向かって環状室38が設けられている。この環状室38は、弁座36とは反対の側の端部領域で孔30の半径方向の拡張によって、噴射弁部材28を取り囲む圧力室40に移行している。噴射弁部材28は圧力室40の高さに横断面減少によって受圧肩部42を有している。噴射弁部材28の、燃焼室とは反対の側の端部には、予荷重もしくはプレロードがかけられた閉鎖ばね44が作用している。この閉鎖ばね44によって、噴射弁部材28が弁座36に向かって押圧される。閉鎖ばね44は弁ボディ26のばね室46内に配置されている。このばね室46は孔30に続いている。
【0011】
弁ボディ26内では、ばね室46の、孔30とは反対の側の端部に別の孔48が続いている。この孔48内には制御ピストン50が密に案内されている。この制御ピストン50は噴射弁部材28に結合されている。孔48は制御圧室52を形成している。この制御圧室52は、可動な壁としての制御ピストン50によって仕切られる。制御ピストン50は、この制御ピストン50に比べて小さな直径を備えたピストンロッド51を介して噴射弁部材28に支持されていて、この噴射弁部材28に結合することができる。制御ピストン50は噴射弁部材28と一体に形成されていてもよいが、しかし、組付けの理由に基づき、有利には、別個の部材として噴射弁部材28に結合されている。
【0012】
図1によれば、ポンプ作業室22からは、ポンプボディ14と弁ボディ26とを通って通路60が燃料噴射弁12の圧力室40に通じている。ポンプ作業室22または通路60からは通路62が制御圧室52に通じている。さらに、この制御圧室52には通路64が接続可能である。この通路64は、放圧室に通じる接続部を形成している。放圧室としては、少なくとも間接的に燃料蓄え容器24または低い圧力が形成される別の領域を使用することができる。ポンプ作業室22または通路60からは、放圧室に通じる接続部66が導出している。この接続部66は、電気的に操作される第1の制御弁68によって制御される。放圧室としては、少なくとも間接的に燃料蓄え容器24または別の低圧領域を使用することができる。制御弁68は、図1に示したように、2ポート2位置弁として形成することができる。両切換位置の間での制御弁68の切換は、たとえば電磁石であってよいアクチュエータ69によって戻しばねに抗して行われる。
【0013】
制御圧室52内の圧力を制御するためには、電気的に操作される第2の制御弁70が設けられている。この第2の制御弁70は3ポート2位置弁として形成されている。この3ポート2位置弁は2つの切換位置の間で切換可能である。制御弁70の第1の切換位置では、この制御弁70によって、制御圧室52がポンプ作業室22に接続されていて、放圧室24から分離されており、制御弁70の第2の切換位置では、この制御弁70によって、制御圧室52がポンプ作業室22から分離されていて、放圧室24に接続されている。制御圧室52とポンプ作業室22との接続部62には絞り箇所63が設けられており、制御圧室52と放圧室24との接続部64には絞り箇所65が設けられている。絞り箇所63は接続部62に制御弁70の手前で上流側に配置されていてもよいし、図1に示したように、接続部62に制御弁70の後方で下流側に配置されていてもよい。制御弁70は、電磁石であってよいアクチュエータ71を有している。このアクチュエータ71によって、制御弁70を戻しばねに抗して両切換位置の間で切り換えることができる。両制御弁68,70は電子的な制御装置67によって制御される。
【0014】
以下に、第2の制御弁70を図2および図3につき詳しく説明する。この第2の制御弁70は弁部材72を有している。この弁部材72はその長手方向軸線73の方向で軸部74にわたって移動可能に案内されていて、この軸部74に比べて拡径された端部領域75で弁圧力室77内に突入している。この弁圧力室77には、一方では、ポンプ作業室22に通じる接続部62が開口していて、他方では、放圧室24に通じる接続部64が開口している。この場合、接続部62は、軸部74と、この軸部74を取り囲む孔76との間に形成された環状ギャップとして延びている。孔76は弁圧力室77よりも小さな直径を備えて形成されている。接続部64は開口78で弁圧力室77に開口していて、面79によって取り囲まれている。この面79は弁部材72の長手方向軸線73に対して横方向、有利には、少なくともほぼ垂直に延びていて、弁座を形成している。弁部材72は弁座79に向かって少なくともほぼ円筒形の付設部80を有している。この付設部80の端面はシール面81を形成している。このシール面81は弁部材72の長手方向軸線73に対して横方向、有利には、少なくともほぼ垂直に延びている。付設部80は弁部材72の端部領域75よりも小さな直径を有している。しかし、この場合、付設部80の直径は開口78の直径よりも大きく寸法設定されている。付設部80の内部では端面側に凹設部82が形成されており、これによって、シール面81が環状に形成されている。
【0015】
弁部材72の内側の付設部80は、より大きな直径を備えた、少なくともほぼ円筒形の別の外側の付設部83によって取り囲まれている。この外側の付設部83の端面には、シール面81を取り囲む環状面84が形成されている。この環状面84は弁部材72の長手方向軸線73の方向でシール面81に対してずらされて配置されているので、このシール面81は環状面84に比べて寸法Aだけ弁座79に向かって張り出している。環状面84は弁部材72の長手方向軸線73に対して横方向、有利には、長手方向軸線73に対して少なくともほぼ垂直に延びている。内側の付設部80と外側の付設部83との間の端面側には、環状面84に比べて窪められた環状溝85が形成されている。内側の付設部80の周壁には、この周壁の全周にわたって分配されて複数の貫通孔86が設けられている。これらの貫通孔86は、有利には、弁部材72の長手方向軸線73に対して少なくともほぼ半径方向に延びている。貫通孔86は、内側の付設部80の周壁を取り囲む弁圧力室77と、付設部80の内部の凹設部82との間の接続部を形成している。貫通孔86は、有利には、シール面81から出発する、付設部80に加工成形された溝として形成されている。
【0016】
孔76から弁圧力室77への移行部には円錐形の移行面87が設けられている。この移行面87は第2の弁座を形成している。端部領域75から軸部74への移行部では、弁部材72に円錐形の第2のシール面88が配置されている。このシール面88は接続部62を制御するために弁座87と協働する。制御弁70の第1の切換位置では、弁部材72がその第2のシール面88で第2の弁座87に接触しているので、ポンプ作業室22に通じる接続部62が分離されている。制御弁70の第2の切換位置では、弁部材72がその第2のシール面88で第2の弁座87から間隔を置いて配置されているので、ポンプ作業室22に通じる接続部62が開放されている。弁圧力室77内の弁部材72の端部領域75は、有利には、少なくともほぼ圧力補償されており、これによって、弁部材72には、主として、生ぜしめられる押圧力が弁部材72の長手方向軸線73の方向で加えられない。
【0017】
制御弁70の第2の切換位置では、弁部材72がそのシール面81で弁座79に接触している。この場合、環状面84は弁座79から間隔Aを置いて配置されているので、環状面84と弁座79との間には環状ギャップ状の通流横断面が開放されたままとなる。弁部材72の第2のシール面88は第2の切換位置で第2の弁座87から間隔を置いて配置されているので、弁圧力室77内に高圧が形成される。この場合、この弁圧力室77から燃料が通流横断面と貫通孔86とを通って弁部材72内で凹設部82内に流入することができ、この凹設部82から開口78と接続部64とを介して放圧室24内に流出することができる。したがって、制御弁70は、規定された漏れを有している。この場合、この漏れは貫通孔86の数と横断面との適宜な選択によって少なく保たれる。この場合、弁圧力室77から流出した、環状面84と弁座79との間の通流横断面を通る燃料の流れは低い流速を伴って生ぜしめられる。この場合、有利には、層流が形成される。この場合、貫通孔86における流速も同じく低いので、弁部材72または弁座79における侵食は生ぜしめられない。
【0018】
図4には、変更された制御弁70の構成が示してある。この制御弁70では、弁部材72の環状面84が弁部材72の長手方向軸線73に対して垂直に延びておらず、環状面84がその半径方向内側の縁部から出発して半径方向外側の縁部に向かって弁座79に接近し、したがって、間隔Aが減少するように延びている。この場合、環状面84は少なくともほぼ円錐形に形成することができる。この場合、弁部材72がそのシール面81で弁座79に接触している場合に環状面84と弁座79との間の通流横断面が環状面84の半径方向の経過にわたって少なくともほぼコンスタントであるように、環状面84が円錐形に形成されていると有利である。この場合、通流横断面は柱面によって形成されている。この柱面は、2倍の半径とπとの積である全周の長さと間隔Aとの積として得られる。これによって、燃料の流速が少なくともほぼコンスタントとなり、流れの加速が生ぜしめられないことが達成される。択一的には、環状面84が湾曲させられて形成されていてもよい。
【0019】
以下に、燃料噴射装置の機能を詳しく説明する。ポンプピストン18の吸込み行程時には、ポンプ作業室22に燃料蓄え容器24から燃料が供給される。ポンプピストン18の圧送行程時には、パイロット噴射を伴った燃料噴射が開始される。この場合、第1の制御弁68が制御装置67によって閉鎖されるので、ポンプ作業室22は放圧室24から分離されている。さらに、制御装置67によって第2の制御弁70がその第2の切換位置にもたらされ、これによって、制御圧室52が放圧室24に接続されていて、ポンプ作業室22から分離されている。この事例では、制御圧室52内に高圧を形成することはできない。ポンプ作業室22内の圧力ひいては燃料噴射弁12の圧力室40内の圧力によって受圧肩部42を介して噴射弁部材28に加えられる押圧力が、閉鎖ばね44の力と、制御圧室52内に作用している残圧によって制御ピストン50に作用する押圧力との総和よりも大きくなるように、ポンプ作業室22内の圧力ひいては燃料噴射弁12の圧力室40内の圧力が大きくなると、噴射弁部材12が開放方向29で運動させられ、少なくとも1つの噴射開口32を開放する。
【0020】
パイロット噴射を終了させるためには、制御装置67によって第2の制御弁70がその第1の切換位置にもたらされ、これによって、制御圧室52が放圧室24から分離されていて、ポンプ作業室22に接続されている。第1の制御弁68は、閉鎖された位置のままである。この場合、制御圧室52内にポンプ作業室22内と同様に高圧が形成されるので、制御ピストン50に大きな押圧力が閉鎖方向で作用し、噴射弁部材28がその閉鎖位置に運動させられる。
【0021】
後続のメイン噴射のためには、第2の制御弁70が制御装置67によってその第2の切換位置にもたらされ、これによって、制御圧室52が放圧室24に接続されていて、ポンプ作業室22から分離されている。この場合、燃料噴射弁12が、制御ピストン50に対する減少させられた押圧力に基づき開放し、噴射弁部材28がその開放位置に運動させられる。
【0022】
メイン噴射を終了させるためには、第2の制御弁70が制御装置67によってその第1の切換位置にもたらされ、これによって、制御圧室52が放圧室24から分離されていて、ポンプ作業室22に接続されており、制御圧室52内に高圧が形成され、制御ピストン50に作用する力を介して燃料噴射弁12が閉鎖される。さらに、メイン噴射後にポスト噴射を行うことができる。このポスト噴射のためには、第2の制御弁70がその第2の切換位置にもたらされる。ポスト噴射を終了させるためには、第2の制御弁70が再びその第1の切換位置にもたらされかつ/または第1の制御弁68が開放される。
【0023】
前述したように形成された制御弁70は、別の燃料噴射装置または高圧液体システムで接続部を制御するために使用することもできる。制御弁70は、2ポート2位置弁、2ポート3位置弁または3ポート3位置弁として形成されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】弁を備えた、内燃機関に用いられる燃料噴射弁の概略的な縦断面図である。
【図2】拡大した弁の縦断面図である。
【図3】図2に示したIII−III線に沿った弁の横断面図である。
【図4】弁の変化実施例を示す図である。
【符号の説明】
10 燃料高圧ポンプ、 12 燃料噴射弁、 14 ポンプボディ、 16シリンダ孔、 18 ポンプピストン、 19 戻しばね、 20 カム、 22 ポンプ作業室、 24 放圧室、 26 弁ボディ、 28 噴射弁部材、 29 開放方向、 30 孔、 32 噴射開口、 34 シール面、 36 弁座、 38 環状室、 40 圧力室、 42 受圧肩部、 44 閉鎖ばね、 46 ばね室、 48 孔、 50 制御ピストン、 51 ピストンロッド、 52 制御圧室、 60 通路、 62 接続部、 63 絞り箇所、 64 接続部、 65 絞り箇所、 66 接続部、 67 制御装置、 68 制御弁、 69 アクチュエータ、 70 制御弁、 71 アクチュエータ、 72 弁部材、 73 長手方向軸線、 74 軸部、 75 端部領域、 76 孔、 77 弁圧力室、 78 開口、 79 弁座、 80 付設部、 81 シール面、 82 凹設部、 83 付設部、 84 環状面、85 環状溝、 86 貫通孔、 87 弁座、 88 シール面、 A 間隔

Claims (9)

  1. 特に内燃機関に用いられる燃料噴射装置の高圧液体システム内の接続部を制御するための弁であって、弁部材(72)が設けられており、該弁部材(72)が、その長手方向軸線(73)の方向で移動可能に案内されていて、弁圧力室(77)内に突入しており、該弁圧力室(77)内に高圧が形成されるようになっており、弁部材(72)が、弁圧力室(77)内で弁部材(72)の長手方向軸線(73)に対して横方向に延びる端面にシール面(81)を有しており、該シール面(81)が、弁部材(72)の長手方向軸線(73)に対して横方向に延びる弁座(79)と協働するようになっている形式のものにおいて、シール面(81)が、弁部材(72)の端面で環状面(84)によって取り囲まれており、該環状面(84)が、シール面(81)での弁座(79)への弁部材(72)の接触時に該弁部材(72)の長手方向軸線(73)の方向で弁座(79)から僅かな間隔(A)を置いて配置されており、弁部材(72)が、その全周にわたって分配された複数の通流部(86)を有しており、該通流部(86)によって、シール面(81)での弁座(79)への弁部材(72)の接触時に弁の機能のためには取るに足らない僅かな漏れが生ぜしめられるように、開口(78)が、弁圧力室(77)に接続されており、通流部(86)が、弁部材(72)の長手方向軸線(73)に対して少なくともほぼ半径方向に延びており、通流部(86)が、シール面(81)に配置された、弁座(79)に向かって開いた溝によって形成されていることを特徴とする、特に内燃機関に用いられる燃料噴射装置の高圧液体システム内の接続部を制御するための弁。
  2. 環状面(84)が、その半径方向の経過にわたって半径方向内側の縁部から出発して半径方向外側の縁部に向かって弁座(79)に接近するように形成されている、請求項1記載の弁。
  3. 環状面(84)が、少なくともほぼ円錐形に形成されている、請求項2記載の弁。
  4. 環状面(84)と弁座(79)との間に存在する自由通流横断面の大きさが、環状面(84)の半径方向の経過にわたって少なくともほぼコンスタントであるように、環状面(84)が形成されている、請求項2または3記載の弁。
  5. 弁部材(72)の端面でシール面(81)と環状面(84)との間に、該環状面(84)に比べて窪められた環状溝(85)が配置されている、請求項1から4までのいずれか1項記載の弁。
  6. シール面(81)が、弁部材(72)の、少なくともほぼ円筒形の内側の付設部(80)に形成されており、環状面(84)が、内側の付設部(80)に比べて大きな直径を備えた、弁部材(72)の、少なくともほぼ円筒形の外側の付設部(83)に形成されている、請求項1から5までのいずれか1項記載の弁。
  7. 弁部材(72)が、弁圧力室(77)内で少なくともほぼ圧力補償されており、これによって、弁部材(72)に少なくともほぼ、生ぜしめられる押圧力が、弁部材(72)の長手方向軸線(73)の方向で作用しないようになっている、請求項1から6までのいずれか1項記載の弁。
  8. シール面(81)での弁座(79)への弁部材(72)の接触時に環状面(84)と弁座(79)との間に、低い流速を伴った少なくともほぼ層流が形成されるようになっている、請求項1から7までのいずれか1項記載の弁。
  9. 内燃機関に用いられる燃料噴射装置であって、内燃機関の各シリンダに対して、1つの燃料高圧ポンプ(10)と、該燃料高圧ポンプ(10)に接続された1つの燃料噴射弁(12)とが設けられており、燃料高圧ポンプ(10)が、内燃機関によって行程運動で駆動されるポンプピストン(18)を有しており、該ポンプピストン(18)が、ポンプ作業室(22)を仕切っており、該ポンプ作業室(22)が、燃料噴射弁(12)の圧力室(40)に接続されており、燃料噴射弁(12)が、噴射弁部材(28)を有しており、該噴射弁部材(12)によって、少なくとも1つの噴射開口(32)が制御されるようになっており、噴射弁部材(28)が、圧力室(40)内に形成された圧力によって閉鎖力(44)に抗して、少なくとも1つの噴射開口(32)を開放するために開放方向(29)で運動可能であり、さらに、電気的に操作される第1の制御弁(68)と、電気的に操作される第2の制御弁(70)とが設けられており、第1の制御弁(68)によって、少なくとも間接的にポンプ作業室(22)と放圧室(24)との接続部(66)が制御されるようになっており、第2の制御弁(70)によって、少なくとも制御圧室(52)と放圧室(24)との接続部(64)が制御されるようになっており、噴射弁部材(28)が、制御圧室(52)内に形成された圧力によって少なくとも間接的に閉鎖方向で負荷されている形式のものにおいて、第1の制御弁(68)および/または第2の制御弁(70)として、請求項1から8までのいずれか1項記載の弁が使用されるようになっていることを特徴とする、内燃機関に用いられる燃料噴射装置。
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