(57)【要約】本発明は、ケーシング（５３）内を案内される制御ピストン（４４）が第１の切換え位置で、インジェクタ（７）と燃料戻し路（４２）との間の液圧連通路を解放し、第２切換え位置で前記制御ピストン（４４）がインジェクタ（７）と燃料高圧蓄圧器（３）との間の液圧連通路を解放する形式の、内燃機関のコモンレール式噴射システムにおける燃料噴射を制御するための３ポート２位置方向切換え弁に関する。燃料噴射の機能および品質を改良するために、３ポート２位置方向切換え弁は、力を補償された制御ピストン（４４）を有し、しかも該制御ピストン（４４）の制御エッジは、盲穴（５０）によって圧力を補償されている。
2004518875.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のコモンレール式噴射システムにおける燃料噴射を制御するための３ポート２位置方向切換え弁であって、ケーシング（５３）内を案内される制御ピストン（４４）が第１の切換え位置で、インジェクタ（７）と燃料戻し路（４２）との間の液圧連通路を解放し、第２切換え位置で前記制御ピストン（４４）がインジェクタ（７）と燃料高圧蓄圧器（３）との間の液圧連通路を解放する形式のものおいて、
制御ピストン（４４，７０）が力を補償されていることを特徴とする、内燃機関のコモンレール式噴射システムにおける燃料噴射を制御するための３ポート２位置方向切換え弁。
【請求項２】
制御ピストン（４４，７０）が、大きい方の案内直径を有する１つの案内と小さい方の案内直径を有する１つの案内とを備え、前記制御ピストン（４４，７０）が、小さい方の案内直径と協働する制御エッジを有し、該制御エッジから離反した方の、前記制御ピストン（４４，７０）の端部に１つの盲穴（５０，６２）が形成されており、該盲穴（５０，６２）が１つの孔（５１）を介して圧力で負荷可能であり、かつ前記孔（５１）内に絞りが設けられている、請求項１記載の３ポート２位置方向切換え弁。
【請求項３】
盲穴（５０，６２）内で１つの付加的なピストン（５２）が案内されている、請求項２記載の３ポート２位置方向切換え弁。
【請求項４】
制御ピストン（７０）に１つの周溝（７３）が形成されており、該周溝が、３ポート２位置方向切換え弁を組立てた状態で、少なくとも１つの燃料戻し口（６８）の領域に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の３ポート２位置方向切換え弁。
【請求項５】
制御ピストン（４４，７０）が、大きい方の案内直径を有する１つの案内と小さい方の案内直径を有する１つの案内とを備え、前記制御ピストン（４４，７０）が、大きい方の案内直径に等しい直径を有する弁座（４６）を備えている、請求項１から４までのいずれか１項記載の３ポート２位置方向切換え弁。
【請求項６】
制御ピストン（４４，７０）が閉鎖ばね（４５）によって予荷重をかけられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の３ポート２位置方向切換え弁。
【請求項７】
制御ピストン（４４，７０）がピエゾアクチュエータを介して作動される、請求項１から６までのいずれか１項記載の３ポート２位置方向切換え弁。
【請求項８】
１つの噴射ノズルまたはノズルホルダーコンビネーションと併用するために設けられた、請求項１から７までのいずれか１項記載の３ポート２位置方向切換え弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野：
本発明は、ケーシング内を案内される制御ピストンが第１の切換え位置で、インジェクタと燃料戻し路との間の流体連通路を解放し、第２切換え位置で前記制御ピストンがインジェクタと燃料高圧蓄圧器との間の液圧連通路を解放する形式の、内燃機関のコモンレール式噴射システムにおける燃料噴射を制御するための３ポート２位置方向切換え弁に関する。
【０００２】
背景技術：
前記形式の３ポート２位置方向切換え弁は、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９７２４６３７号明細書に基づいて公知である。コモンレール式噴射システムでは高圧ポンプが燃料を、コモンレールと呼ばれる集中式高圧蓄圧器内へ圧送する。前記コモンレールを起点とする複数本の高圧導管が、機関シリンダに対応配設された個々のインジェクタに達している。各インジェクタは個別に機関電子制御回路によって作動制御される。制御弁が開くと、高圧で負荷された燃料が、ノズルばねの予荷重力に抗して離間されるノズルニードルを擦過して燃焼室へ到達する。
【０００３】
発明の開示：
本発明の課題は、燃料噴射の機能および品質を改善するばかりでなく、本発明の制御弁の構造を単純にしかつその製造を低廉にしようとする。
【０００４】
ケーシング内を案内される制御ピストンが第１の切換え位置で、インジェクタと燃料戻し路との間の流体連通路を解放し、第２切換え位置で前記制御ピストンがインジェクタと燃料高圧蓄圧器との間の液圧連通路を解放する形式の、内燃機関のコモンレール式噴射システムにおける燃料噴射を制御するための３ポート２位置方向切換え弁における前記課題を解決する本発明の構成手段は、制御ピストンが力補償されている点にある。
【０００５】
発明の利点：
制御ピストンの完全な圧力補償または部分的な圧力補償に基づいて、相当制御ピストンを制御運動させるためには最小限の力で充分であるので、制御ピストンは直接に作動制御することができる。噴射ノズルに直接接続している全ての弁面は、不都合な圧力衝撃を制御ピストンに及ぼすことのあり得ないように設計されている。運転中に制御ピストンに作用する応力は、ばねに起因するか、或いは、制御ピストンの運動位相中にいかなる力飛躍もまたは制御不能な圧力変動も受けることのない受圧面に起因するものにすぎない。配量横断面もしくは抑制制御横断面の大きさは、任意の大きさに構成することができる。
【０００６】
本発明の提案する１実施形態では、制御ピストンが、大きい方の案内直径を有する１つの案内と小さい方の案内直径を有する１つの案内とを備え、前記制御ピストンが、小さい方の案内直径と協働する制御エッジを有し、該制御エッジから離反した方の、前記制御ピストンの端部に１つの盲穴が形成されており、該盲穴が１つの孔を介して圧力で負荷可能であり、かつ前記孔内に絞りが設けられている。前記盲穴内に支配する圧力は、制御ピストンの閉鎖方向に作用する力を発生する。この力は開放後には制御ピストンの圧力平衡のために働く。前記力の大きさは、前記盲穴の直径に関連している。盲穴の有効横断面積が、大きい方の案内直径と小さい方の案内直径とによって画定される円環面に等しい場合には、制御ピストンは、単純な形式で完全に圧力を補償されている。
【０００７】
本発明の更なる実施形態では、盲穴内で１つの付加的なピストンが案内されており、従って漏れ流が減少され、かつ圧力補償（圧力平衡）が迅速になる。
【０００８】
本発明の別の実施形態では、制御ピストンに１つの周溝が形成されており、該周溝は、３ポート２位置方向切換え弁を組立てた状態で、少なくとも１つの燃料戻し口の領域に配置されているので、制御ピストンの下面は無圧のままであり、かつ抑制制御時に制御ピストンに対して圧力ピークが発生する不都合が回避されるので、特に開放位相および閉鎖位相において制御ピストンの運動に有利に作用することになる。前記周溝は、運転中に制御ピストンの運動に所期の影響を及ぼすために、外部圧力源の任意の圧力で負荷することも可能である。また周溝は絞り作用を減少するので、放圧が迅速になる。
【０００９】
本発明の特に有利な実施形態によれば、制御ピストンが、大きい方の案内直径を有する１つの案内と小さい方の案内直径を有する１つの案内とを備え、前記制御ピストンが、大きい方の案内直径に等しい直径を有する弁座エッジを備えている。その結果、制御ピストンは開放時に完全に圧力を補償されている。制御ピストンの作動は、例えば給電される電磁石を介して行うことができる。電磁石に給電する際、制御ピストンを離間させるためには、閉鎖ばねのばね予荷重力だけを克服すればよい。
【００１０】
本発明の特別の実施形態によれば、制御ピストンの一方の端面は、圧縮ばねの予荷重力で負荷されている。圧縮ばねの予荷重力は、所属の制御ピストンの弁座エッジを、３ポート２位置方向切換え弁の１つの切換え位置において、所属の弁座面に接触状態に保つように働く。
【００１１】
本発明の更に別の実施形態では、制御ピストンはピエゾアクチュエータを介して作動される。ピエゾアクチュエータの使用は、従来慣用の弁の場合よりも迅速な切換え時間を可能にする。
【００１２】
請求項１から７までのいずれか１項記載の３ポート２位置方向切換え弁は、１つの噴射ノズルまたはノズルホルダーコンビネーションと併用するために設けられているので、本発明の３ポート２位置方向切換え弁の利点は、コモンレール式噴射システムのみに役立つだけではない。
【００１３】
本発明のその他の利点、構成手段および細部は、図面に基づく本発明の種々の実施例についての以下の詳細な説明から明らかである。その場合、請求項および図面の詳細な説明において述べた構成手段は、それぞれ単独でも、或いは任意に組合せた形でも発明の新規性および進歩性を具備するものである。
【００１４】
基本的に本発明の３ポート２位置方向切換え弁は、一体的に或いは２部分から構成することができる。その制御は、電磁弁を介して、或いはピエゾアクチュエータを介して直接に、或いはサーボ回路を介して行うことができる。本発明の構成手段の可能な組合せについては、図２〜図５において例示した実施例から明らかである。
【００１５】
発明を実施するための最良の形態：
次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。
【００１６】
図１には、コモンレール式噴射システムが概略的に図示されている。燃料タンク１から燃料が、ポンプユニット２によって燃料高圧蓄圧器３内へ圧送され、かつ高圧で負荷される。高圧で負荷された燃料は、次いで必要に応じて、供給すべき内燃機関の個々のシリンダに配分される。高圧で負荷された燃料の噴射は、インジェクタ４，５，６，７によって行われる。
【００１７】
図１では、概観図の理由からインジェクタ７だけが具体的に図示されている。インジェクタ７への燃料供給は配量弁８を介して行われる。該配量弁８は、選択した実施形態には関わり無く、独立した構成群として構成することができる。これによって燃料高圧蓄圧器３と１つのインジェクタ７との間に弁を任意に組付けることが可能であり、ひいては燃料高圧蓄圧器３と配量弁８との間の導管長および配量弁８とインジェクタ７との間の導管長の自由選択が可能になる。
【００１８】
配量弁８は、電磁式に作動される３ポート２位置方向切換え弁である。図１に示した切換え位置では、燃料高圧蓄圧器３とインジェクタ７の高圧接続部１０との間の連通は断たれている。インジェクタ７の高圧接続部１０は、図１に示した配量弁８の切換え位置では、燃料戻し路９に接続されている。
【００１９】
配量弁８は作動時に、図１では図示を省いた第２の切換え位置へ切換わる。第２切換え位置では、インジェクタ７の高圧接続部１０は燃料高圧蓄圧器３に直接接続されている。この切換え位置では、高圧によって負荷された燃料は、燃料高圧蓄圧器３から高圧接続部１０を介して圧力室１１内へ到達し、該圧力室はインジェクタ７内に形成されている。圧力室１１内の圧力が所定値を超えると、ノズルばね１３に抗して予荷重のかけられたノズルニードル１２はその弁座から離間し、かつ、高圧で負荷された燃料が、供給すべき内燃機関の燃焼室１４内へ噴射される。
【００２０】
配量弁８は、いわゆる弁座−滑り式−弁として構成することができる。弁座−滑り式−弁の場合、一方の封止面は線パッキンとして、また他方の封止面は、スライドパッキンとして構成されている。しかし配量弁８は、２つの弁座を有する弁座−弁座式−弁として構成することもできる。
【００２１】
公知の弁座−弁座式−弁の場合、制御ピストンを著しく高い加圧力で負荷することは好ましいことではないことが本発明の範囲内で判った。受圧面の大きさが僅かに変化しても、制御ピストンの速度に強い影響を及ぼし、従って３ポート２位置方向切換え弁の機能に対して顕著な影響を及ぼすことになる。
【００２２】
図２では、弁座／滑り式−弁として構成されたただ１つの制御ピストン４４を有する配量弁８が図示されている。制御ピストン４４の運動は電磁石によって直接制御される。しかしながら制御ピストンの運動の直接制御は、所要の磁気力が特定の限度内に保持される場合にだけ可能である。この目的のために制御ピストン４４は開放位相および閉鎖位相において、可能な限り完全に圧力補償されていなければならない。
【００２３】
図２に示した配量弁８の切換え位置では、燃料流入口４０とインジェクタ７（図示せず）用の接続口４１との間の連通は断たれている。同時に該接続口４１と燃料戻し路４２との間の接続は開かれている。図２に示した切換え位置では制御ピストン４４は、閉鎖ばね４５によって弁座４６に押圧される。この切換え位置ではインジェクタにおける圧力は、扁平面取り部４８を介して、開かれた滑りパッキン内へ放出され、該滑りパッキンは、制御ピストン４４の円周に沿って形成されている。制御ピストン４４の閉鎖ばね４５寄り端部中央には、１つの盲穴５０が穿穴されている。該盲穴５０は孔５１を介して縦孔４９と連通しており、該縦孔内には制御ピストン４４が往復動可能に収容されている。前記盲穴５０内には１つのピストン５２が往復動可能に収容されている。該ピストン５２は弁ケーシングに支持されている。孔５１の直径を介して所期の絞り作用を調整することが可能であり、該絞り作用によって圧力補償の時間的な遅延が生じる。
【００２４】
制御ピストン４４は２つの案内を有している。弁座４６の直径は制御ピストン４４の上部直径に等しいので制御ピストン４４は、開放時には完全に圧力補償されている。制御ピストン４４を離間するために電磁弁に給電する場合、閉鎖ばね４５のばね力だけを克服すればよい。制御ピストン４４を離間させ、従って弁座４６を開放した後、弁は燃料流入口４０を介して、高圧下の燃料で充填される。圧力波が音速で接続口４１を通ってインジェクタへ走行し、かつ噴射が始まる。
【００２５】
制御ピストン４４は２つの案内を有しているので、該制御ピストンは開放後にはもはや圧力補償されない。制御ピストンの下位案内と上位案内との間に結果的に生じる円環面に作用する付加的な液力が開放方向に作用する。この付加的な液力は、閉鎖ばね４５に抗して作用しかつ制御ピストン４４の閉鎖を阻止するので、補償されねばならない。圧力補償は盲穴５０によって可能になる。盲穴５０内に液圧が作用しかつ制御ピストン４４の閉鎖方向の力を発生することが、孔５１を介して保証されている。この力は、盲穴５０の直径に関連しており、その場合連通孔５１の面積は差引かれねばならない。盲穴５０における受圧面が、上位案内と下位案内との間の円環面に等しい場合には、制御ピストン４４は完全に圧力補償されている。しかし盲穴５０の直径は、制御ピストン４４の受圧面よりも大であってもよい。これによって、加速された閉鎖を可能にする付加的な力を発生することができる。しかしながら付加的な閉鎖力は、力の平衡を過度にシフトしない程度に僅かでなければならない。
【００２６】
盲穴５０内を案内されるピストン５２は、圧力で負荷された燃料が永続的に補償空間から漏れオイル戻り路内へ流れるのを防止する。ピストン５２から解放された盲穴５０の空間が補償空間と呼ばれる。補償空間の容積は、弁座４６の開放後に圧力平衡が生じるまでの時間にとって決定的である。容積が大であると、流入および圧力増成のための時間も長くなる。おおむね少量のパイロット噴射量が実現されかつパイロット噴射後に弁は再び閉鎖せねばならないので、前記容積はできるだけ僅かにされねばならない。
【００２７】
図１に示した圧力制御式コモンレールシステムの場合、噴射すべき時点にだけ燃料圧がインジェクタ（図示せず）にかけられる。
【００２８】
図３には、制御ピストン５６をピエゾセラミックによって能動化する形式の配量弁８が図示されている。
【００２９】
図３に示した配量弁は弁基体５３を有し、該弁基体内には、閉鎖ばね６４によって予荷重をかけられた制御ピストン５６が、往復動可能に収蔵されている。前記制御ピストン５６は２つの位置間を、液圧伝達ピストン６０を介して往復動可能であり、該液圧伝達ピストンはピエゾアクチュエータを介して作動される。図３に示した制御ピストン５６の位置では封止座５７は閉じられている。封止座５７が閉じている場合には、燃料流入口５４と、インジェクタ（図示せず）へ接続するための接続口５５との間の連通は断たれている。それと同時に接続口５５と燃料戻し路５８との間の連通路は開かれている。このようにして、図示を省いたインジェクタは、噴射を行わない限り放圧することができる。制御ピストン５６が封止座５７から離間すると同時に、接続口５５と燃料戻し路５８との間の連通は断たれる。制御ピストン５６のこの第２位置（図３では図示せず）において、高圧で負荷された燃料が、燃料流入口５４から接続口５５を経てインジェクタへ達し、そこから燃料噴射が行われる。
【００３０】
制御ピストン５６の開放運動時、結合室５９内に収容された液圧媒体、例えば燃料は、液圧伝達ピストン６０によって押し退けられる。液圧伝達ピストン６０はピエゾアクチュエータ６９によって作動される。
【００３１】
結合室５９から離反した方の、制御ピストン５６の端部中心には１つの盲穴６２が穿穴されており、該盲穴内には、圧力補償ピストン６１が往復動可能に収蔵されている。圧力補償ピストン６１はケーシング寄りで閉鎖ねじに支持されている。盲穴６２は１つの孔６３を介して弁基体５３の内部と連通している。
【００３２】
制御ピストン５６は２つの案内を有している。高圧用の封止座５７の直径は制御ピストン５６の上位案内の直径に等しいので、制御ピストン５６は開放時には圧力補償されており、従って僅かな力で開放される。制御ピストン５６が封止座５７から離間された場合、付加的な力が開放方向に作用する。それというのは制御ピストン５６の下位案内が封止座５７よりも小さな直径を有しているからである。この付加的な力は、制御ピストン５６の閉鎖ばね６４に抗して作用し、かつ補償されねばならない。
【００３３】
付加的な力を補償するために必要な圧力補償は、盲穴６２によって可能になる。制御ピストン５６が高圧用の封止座５７から離間された場合には、盲穴６２は孔６３を介して高圧に接続されている。盲穴６２の圧力負荷は、制御ピストン５６の閉鎖方向の力を発生する。この力の大きさは、盲穴６２の横断面積によって決定される。盲穴６２の受圧面が、制御ピストン５６の上位案内と下位案内との間の円環面に等しい場合には、制御ピストン５６は完全に圧力を補償されておりかつ閉鎖ばね６４によって簡単に閉鎖することができる。盲穴６２の直径は、制御ピストン５６の受圧面よりも大であってもよい。このように設計すれば、制御ピストン５６の閉鎖を加速するための付加的な力が発生される。盲穴６２内を案内される圧力補償ピストン６１は、盲穴６２の圧力補償室から燃料を持続的に燃料戻し路へ流出させる不都合を防止する。
【００３４】
ピエゾセラミックによって、従来慣用の弁よりも、より迅速な切換え時間が可能になる。また使用構成部品の個数も減少される。更なる利点は、アクチュエータユニットをコンパクトにかつ短く構成できることさである。更にまたピエゾアクチュエータのストローク曲線を制御することが可能である。煩雑なサーボ回路を省くことによって、製作費および検査費が著しく削減される。
【００３５】
図４および図５では放圧の特別の方式が図示されている。この放圧方式は、本発明の全ての実施形態において使用可能であり、一体的な制御ピストンに基づいて次にその１例を説明する。
【００３６】
図４および図５に示した本発明の実施形態では弁ケーシング６５は燃料流入口６６を備えている。また弁ケーシング６５内には、インジェクタ（図示せず）への接続口６７が設けられている。そればかりでなく弁ケーシング６５は燃料戻し路６８を有している。弁ケーシング６５内には、制御ピストン７０が往復動可能に収蔵されている。
【００３７】
図５の区分的な拡大図から最も良く判るように、制御ピストン７０には拡径部７１が形成されている。該拡径部７１は、より大きな外径をもって円筒形区分７２へ移行している。制御ピストン７０の円筒形区分７２には、燃料戻し路６８の領域で１つの周溝７３が形成されている。制御ピストン７０の放圧ストロークは符号７４で示されている。
【００３８】
周溝７３によって、制御ピストン７０の下面に圧力を負荷することが防止される。このような圧力負荷は、制御ピストン７０の閉鎖力に対抗作用することになるので、望ましいことではない。しかも特に開放位相および閉鎖位相において、万一圧力衝撃波が生じると、該圧力衝撃波は制御ピストンの運動に不都合な作用を及ぼすことになる。更にまた前記周溝７３によって絞り作用が回避されるので、一層迅速な放圧が得られる。抑制制御量は放圧ストローク時に周溝７３によって直接集められて燃料戻し路６８に供給される。これによって制御ピストン７０の背面側の圧力は、放圧ストローク７４の後方の圧力から減結合される。これによって抑制制御時に制御ピストン７０にかかる圧力ピークが回避される。
【００３９】
電磁弁（図示せず）への給電によって、制御ピストン７０の上位に設けられた制御室は放圧される。制御ピストン７０はこのようにしてストローク運動を行い、かつ燃料蓄圧器と噴射ノズルとの間の接続が形成される。その時点までなお開かれていた燃料戻し路への連通路は、更なるストローク運動によって断たれる。それというのは制御ピストン７０における抑制制御エッジが、弁ケーシング６５内へ潜入するからである。
【００４０】
燃料噴射終期は、電磁弁への給電を終結することによって開始され、それに続いて電磁弁は流出絞りを閉鎖する。これによって制御室内には、制御ピストン内の流入絞りによって再び圧力が増成される。この圧力によって制御ピストンは再びその弁座へ押し戻される。これによって放圧横断面が開く。噴射ノズルおよび圧力導管は、こうして燃料戻し路と接続される。噴射圧は急速に低下し、かつ制御ピストンは閉鎖する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
コモンレール式噴射システムの概略構成図である。
【図２】
電磁弁を介して直接制御される一体的な制御ピストンを備えた本発明による３ポート２位置方向切換え弁の第１実施形態の縦断面図である。
【図３】
ピエゾアクチュエータを介して直接制御される一体的な制御ピストンを備えた本発明による３ポート２位置方向切換え弁の第２実施形態の縦断面図である。
【図４】
本発明による３ポート２位置方向切換え弁の特に有利な放圧方式の縦断面図である。
【図５】
図４に示した一点鎖線円区分ＶＩＩの拡大図である。
【符号の説明】
１  燃料タンク、  ２  ポンプユニット、  ３  燃料高圧蓄圧器、  ４，５，６，７  インジェクタ、  ８  配量弁、  ９  燃料戻し路、  １０  高圧接続部、  １１  圧力室、  １２  ノズルニードル、  １３  ノズルばね、  １４  燃焼室、  ４０  燃料流入口、  ４１  インジェクタ用の接続口、  ４２  燃料戻し路、  ４４  制御ピストン、  ４５  閉鎖ばね、  ４６  弁座、  ４８  扁平面取り部、  ４９  縦孔、  ５０  盲穴、  ５１  孔、  ５２  ピストン、  ５３  弁基体、  ５４  燃料流入口、  ５５  接続口、  ５６  制御ピストン、  ５７  高圧用の封止座、  ５８  燃料戻し路、  ５９  結合室、  ６０  液圧伝達ピストン、  ６１  圧力補償ピストン、  ６２  盲穴、  ６３  孔、  ６４  閉鎖ばね、  ６５  弁ケーシング、  ６６  燃料流入口、  ６７  接続口、  ６８  燃料戻し路、  ６９  ピエゾアクチュエータ、  ７０  制御ピストン、  ７１  拡径部、  ７２  円筒形区分、  ７３  周溝、  ７４  放圧ストローク
【国際公開パンフレット】
2004518875.tif 000003
2004518875.tif 000004
2004518875.tif 000005
2004518875.tif 000006
2004518875.tif 000007
2004518875.tif 000008
2004518875.tif 000009
2004518875.tif 000010
2004518875.tif 000011
2004518875.tif 000012
2004518875.tif 000013
2004518875.tif 000014
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2004518875.tif 000017
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2004518875.tif 000019
2004518875.tif 000020
2004518875.tif 000021
2004518875.tif 000022
2004518875.tif 000023
2004518875.tif 000024
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004518875.tif 000025
2004518875.tif 000026
【国際調査報告】
2004518875.tif 000027
2004518875.tif 000028
2004518875.tif 000029
2004518875.tif 000030
2004518875.tif 000031
2004518875.tif 000032