(57)【要約】燃料流量が噴射器ストロークにより設定される燃料噴射器。この燃料噴射器（１０）は、中空の通路（３２）と、通路の一端にある弁座（５２）とを備えたハウジング（２０）を有する。中空の通路にはニードル（９０）が摺動自在に装着されている。ニードルは、弁座と係合する第１の位置と、弁座から離隔した第２の位置との間で作動可能である。ニードルが弁座から離隔すると、弁座とニードルとの間の最小の円錐台形領域により第１の流れ領域が形成される。燃料噴射器は、中空通路一端の弁座に近い所に開口（５４）を有する。開口は、第１の流れ領域よりも大きい第２の流れ領域（Ａ１）を有する。噴射器ストロークにより気体燃料の噴射器流量を設定する方法も開示されている。
2004510099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空の通路を有するハウジングと、
中空の通路を貫通する縦方向軸と、
中空の通路の一端に位置する弁座と、
中空の通路に摺動自在に装着されたニードルとより成り、ニードルは、弁座と係合する第１の位置と、弁座から離隔した第２の位置との間で作動可能であり、第１の流れ領域がニードルが弁座から離隔している時の弁座とニードルとの間の最小の円錐台形領域により形成され、
中空の通路の前記一端の弁座に近い所に位置し、第１の流れ領域よりも大きい第２の流れ領域を有する開口とをさらに有する燃料噴射器。
【請求項２】
第２の流れ領域は第１の流れ領域の約２倍の大きさを有する請求項１の燃料噴射器。
【請求項３】
開口は弁座に設けられている請求項１の燃料噴射器。
【請求項４】
第１の流れ領域は円錐台形の領域である請求項１の燃料噴射器。
【請求項５】
第１の流れ領域は第１の圧力降下を発生させ、第２の流れ領域は第２の圧力降下を発生させ、第２の圧力降下は第１の圧力降下よりも小さい請求項１の燃料噴射器。
【請求項６】
ハウジングと、ハウジング内の弁とより成り、弁が開口を有する弁座とニードルとを有する燃料噴射器の組立て方法であって、
噴射器の所望の燃料流量を決定し、
所望の燃料流量より大きい燃料流量が得られるように弁座に開口を設け、
所望の燃料流量を与えるに必要なニードルの噴射器ストロークを設定するステップより成る燃料噴射器の組立方法。
【請求項７】
複数の燃料噴射器の各々によりそれぞれ異なる流量を発生させる方法であって、
複数の燃料噴射器の各々についてほぼ均一な寸法のコンポーネントを用意し、
複数の燃料噴射器の各々についてそれぞれ所望の気体流量を決定し、
それぞれの流量を与えるために複数の燃料噴射器の各々について噴射器ストロークを求め、
複数の燃料噴射器のうち第１の噴射器のコンポーネントを第１の噴射器ストロークが得られる位置に固定し、複数の燃料噴射器のうち第２の噴射器のコンポーネントを第２の噴射器ストロークが得られる第２の位置に固定するステップより成る方法。
【請求項８】
第１の噴射器ストロークは第２の噴射器ストロークとは異なる請求項７の方法。
【請求項９】
第１及び第２の噴射器ストロークは第１の圧力降下を発生させる請求項８の方法。
【請求項１０】
ほぼ均一な寸法のコンポーネントを用意するステップは、それぞれ第２の圧力降下を与える開口を設けるステップより成る請求項９の方法。
【請求項１１】
それぞれの第２の圧力降下は第１の圧力降下より小さい請求項１０の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は、流体弁に関し、さらに詳細には、噴射器のストロークにより燃料を計量する内燃機関用燃料噴射器に関する。
【０００２】
【発明の背景】
燃料噴射器は、エンジン速度、エンジン負荷及び燃料密度のような幾つかのパラメータに基づきエンジン燃焼室への燃料流量を精密且つ正確に調整するために使用される。電子式燃料噴射システムは、通常、燃焼室へ燃料を導入させるためのニードルと弁座とより成るソレノイド作動型ニードル弁を用いている。ニードル弁は、オリフィスと協働して噴射器へ送られる燃料の流量を調整する。
【０００３】
公知の噴射器では、電子制御のソレノイド（図示せず）がニードルを弁座から持ち上げると、オリフィスが開く。ニードルが表面から持ち上げられて離隔する大きさ、即ち、距離を噴射器リフトまたはストロークと呼ぶ。通路を介する最大静的流量は、流体が噴射器を通過する際に経験する全ての圧力降下の合計により決まる。従来型燃料噴射器には、流体の流れが有意な圧力降下を経験する領域が通常２つある。これら２つの領域における圧力降下は、最終的に最大静的流量を制御することができる。
【０００４】
従来型噴射器の１つの領域は、オリフィスの断面領域である。オリフィスは通常、弁座に設けた精密な孔部として、または弁座の下流に位置する薄い端縁オリフィスプレートにより構成される。もう一方の領域は、弁座の表面とニードルの端面との間に延びる環状の円錐台形領域で表される。この環状の円錐台形領域は、噴射器のストロークと直接関係がある。
【０００５】
オリフィスが最大流量の調整に使用される場合、所与のオリフィスサイズにおける噴射器ストロークと流量との関係を、リフト感度と呼ぶ。流量は、噴射器ストロークが小さい場合（約０．１４０ミリメートル未満）有意に変化する。流量は、ストロークが大きければ（通常は約０．２００ミリメートル以上）噴射器ストロークとは実質的に無関係である。遷移領域（０．１４０乃至０．２００ミリメートル）では、流量はオリフィスと噴射器ストロークとの両方により決まる。
【０００６】
噴射器ストロークが小さい場合、ニードルを弁座に対して組立てる際の製造公差にわずかなばらつきがあっても流量に劇的な影響が発生する。ニードルの摩耗または弁座の摩耗のような他のファクターが、この状況をさらに悪化させる可能性がある。静的流量のこのばらつきは、燃焼室へ正確且つ精密に燃料を供給するという燃料噴射器の目的に反するものである。公知の燃料噴射器の設計は、まず第１に所望の出力流量を決定することにより始まる。次にオリフィスのサイズを流量が所望の値に制限されるように決定する。その後、オリフィスにより許容されるよりも大きい流量が得られる値にストロークが設定される。
【０００７】
最近に至るまで、内燃機関には液体燃料だけが用いられてきた。しかしながら、環境や天然資源に対する関心の高まりにより、内燃機関へ気体燃料が使用されるようになっている。気体燃料は、一般的に、液体燃料よりも低密度である。従って、液体燃料システムと比較すると、同量の燃料を供給するには流量を大きくしなければならない。流量を増加させるためには、伝統的に、オリフィスのサイズを液体燃料噴射器と比べて増加する。ニードルと弁座との間の円錐台形領域が流量に影響を与えないようにするためには、噴射器ストロークをそれに応じて実質的に増加させる必要がある。ストロークを実質的に増加させると、燃料噴射器の設計に融通性、性能、耐久性及びノイズに関する懸念が生じる。
【０００８】
しかしながら、ストロークだけにより燃料流量が決定される燃料噴射器を設計することが望ましい。また、種々のストロークにより種々の燃料流量が決まる種々の動作特性を有するように、しかしながら普通のコンポーネントで燃料噴射器を設計製造できることが望ましい。特定の噴射器の動作特性は、コンポーネントが噴射器に取付けられる態様及びコンポーネントの相互関係により決まる。かかる設計は、大量生産による組立てを容易にし、コストを低下させる。
【０００９】
【発明の概要】
簡単に述べると、本発明は、中空の通路を有するハウジングと、中空の通路を貫通する縦方向軸と、中空の通路の一端に位置する弁座とを有する燃料噴射器を提供する。中空の通路に摺動自在に装着されたニードルは、弁座と係合する第１の位置と、弁座から離隔した第２の位置との間で作動可能である。第１の流れ領域がニードルが弁座から離隔している時の弁座とニードルとの間の最小の円錐台形領域により形成される。燃料噴射器はまた、中空の通路の前記一端の弁座に近い所に位置し、第１の流れ領域よりも大きい第２の流れ領域を有する開口を有する。
【００１０】
本発明はまた、ハウジングと、ハウジング内の弁とより成り、弁が開口を有する弁座とニードルとを有する燃料噴射器の組立て方法を提供する。この方法は、噴射器の所望の燃料流量を決定し、所望の燃料流量より大きい燃料流量が得られるように弁座に開口を設け、所望の燃料流量を与えるに必要なニードルの噴射器ストロークを設定するステップより成る。
【００１１】
本発明はまた、複数の燃料噴射器の各々によりそれぞれ異なる流量を発生させる方法を提供する。この方法は、複数の燃料噴射器の各々についてほぼ均一な寸法のコンポーネントを用意し、複数の燃料噴射器の各々についてそれぞれ所望の気体流量を決定し、それぞれの流量を与えるために複数の燃料噴射器の各々について噴射器ストロークを求め、複数の燃料噴射器のうち第１の噴射器のコンポーネントを第１の噴射器ストロークが得られる位置に固定し、複数の燃料噴射器のうち第２の噴射器のコンポーネントを第２の噴射器ストロークが得られる第２の位置に固定するステップより成る。
【００１２】
【好ましい実施例の詳細な説明】
添付図面に例示する本発明の好ましい実施例を参照して、本発明を詳細に説明する。図１は、本発明による第１の気体燃料噴射器１０の部分図である。使用する気体は圧縮された状態の天然ガスであるのが好ましいが、他の種類の気体燃料も使用可能であることが当業者に明らかであろう。燃料噴射器１０は、通路３２と、該通路３２内に摺動自在に配設された弁４０とを有するハウジング２０を備えている。弁４０は、第１の端部５１を有するニードル５０と、通路３２の一端に位置する弁座５２と、断面積Ａ１を有する開口５４とより成る。ニードル５０は、弁座５２と係合する第１の閉位置と、弁座５２から離隔した第２の開位置との間で作動可能である。この実施例では、開口５４が弁座５２に形成されている。
【００１３】
燃料噴射器はまた、ニードル５０に連結されたアーマチャー６０と、アーマチャー６０の上流に位置する入口管６２とを有する。アーマチャー６０と入口管６２とは、ギャップ６４により分離している。ニードル５０及びアーマチャー６０は、噴射器１０の縦方向軸に沿って往復運動可能である。通常、リフトまたはストロークＬ１の設定は、噴射器ソレノイド（図示せず）が作動されると、アーマチャー６０がギャップ６４を介して引き上げられて入口管６２と衝突するように、入口管６２とアーマチャー６０との間のギャップ６４を設定することにより行われる。噴射器ストロークＬ１を減少させるには、ニードル５０が弁座５２と係合状態にある時入口管６２をアーマチャー６０の方へ移動させて、ギャップ６４を減少させる。逆に、噴射器ストロークＬ１を増加させるには、ニードル５０が弁座５２と係合している時に入口管６２をアーマチャー６０からさらに離れる方向に移動させて、ギャップ６４を拡大する。その結果、種々の噴射器ストロークを有する噴射器を、ほぼ均一な寸法の部品を用い、ただギャップ６４のサイズを調整するだけで製造することができる。
【００１４】
図２は、開位置にある弁４０の拡大図である。弁４０が開位置にある時、ニードル５０の端部５１と弁座５２との間には円錐台形の断面領域Ａ２が形成される。円錐台形の断面領域Ａ２は、ニードル５０の端部５１と弁座５２との間に最小の面積を提供する線の軌跡として定義される。この円錐台形の領域Ａ２は、開口５４の断面領域Ａ１よりも実質的に小さい。円錐台形の領域Ａ２は、開口５４の断面領域Ａ１の約２分の１である。それに応じて、円錐台形の領域Ａ２により発生する圧力降下は、開口５４の領域Ａ１により発生する圧力降下よりも有意に大きい。このため、円錐台形の領域Ａ２が噴射器１０を介する最大流量を決定する。
【００１５】
円錐台形の領域Ａ２の流量は、下式により決定される。
【００１６】
Ａ２＝（ｒ＋ｒ´）Ｂｓ　　　　　　　　　　式１
上式において、ｓ＝ニードル５０が開位置にある時のニードル５０と弁座５２との間の距離、
ｒ＝縦方向軸７０と、弁座５２と線ｓとの交差部との間の最小距離、及び
ｒ´＝縦方向軸７０と、ニードル５０と線ｓとの交差部と間の最小距離、
ｓ＝Θ（ｒ−ｒ´）２＋ｈ２　　　　　　　　　式２
上式において、ｈ＝縦方向軸７０に沿うｓの投影である。
【００１７】
式１にｓを代入すると、下式が得られる。
Ａ２＝（ｒ＋ｒ´）ＢΘ（ｒ−ｒ´）２＋ｈ２　　式３
【００１８】
図３は、パラメータｒ、ｒ´、ｓ及びｈの間の関係を示す。図３に示すように、線ｓは、線Ｔと線Ｂとの間で弁座５２と交差する。最小流量領域Ａ２は、反復プロセスにより決定するのが好ましい。当業者であれば、上式及び図３からわかるように、ニードル５０の幅、弁座５２の傾斜及びニードル端部５１の形状の全てにより最小流量領域Ａ２が決まる。
【００１９】
引き続き図３を参照して、開口５４の流れ面積Ａ１は下式の通りである。
Ａ１＝ＢＲ２　　　　　　　　　　　　　　　　　式４
上式において、
Ｒ＝開口５４の半径である。
【００２０】
噴射器リフトを燃料流量に影響を与えるようにするには、
Ａ１＞Ａ２　　　　　　　　　　　　　　　　　式５
好ましくは、
Ａ１＞２Ａ２　　　　　　　　　　　　　　　　式６
式３及び４を式６に代入すると、
ＢＲ２＞（ｒ＋ｒ´）２ＢΘ（ｒ−ｒ´）２＋ｈ２　　式７
【００２１】
所定のニードル及び弁座サイズと形状を有する所与の噴射器について、円錐台形の領域Ａ２のサイズは噴射器ストロークＬ１の大きさによる影響を受ける。噴射器１０を流れる最大流量は、噴射器ストロークの距離Ｌ１だけにより制限される。従って、噴射器ストロークＬ１を変化させると、噴射器１０の流量がそれに比例して変化するが、開口５４のサイズを変化する必要はない。
【００２２】
図４は、第１の燃料噴射器１０とほぼ均一なコンポーネント及び寸法を有する第２の噴射器１０´を示す。図示の第２の噴射器１０´は開位置にあり、閉位置を破線で示す。燃料噴射器１０´の噴射器ストロークＬ２は、噴射器ストロークＬ１よりも大きい。その結果、円錐台形の領域Ａ２´は第１の噴射器１０の円錐台形の領域Ａ２よりも大きい。
【００２３】
図５は、実質的に均一な寸法のコンポーネントを備えた燃料噴射器について噴射器ストロークと流量とを比較したグラフである。図５の曲線Ｃは、種々の噴射器ストロークＬ１、Ｌ２を有する燃料噴射器１０、１０´だけでなく他の燃料噴射器（図示せず）に９．２９バール（ａｂｓ）で窒素を流し、噴射器１０、１０´の燃料流量を測定して求めたものである。所望の流量を得るには、その流量に対応する曲線Ｃ上の点を選択し、噴射器リフトを曲線Ｃ上の同じ点に対応する噴射器ストロークＬ１、Ｌ２に応じて設定する。図５からわかるように、曲線Ｃは実際は決して平坦でなく、一般的に特定の噴射器ストロークＬ１、Ｌ２がそれに対応する流量を与え、逆も成り立つ。
【００２４】
本発明の別の長所として、流量が種々の値の噴射器間において部品を融通できるという特性がある。本発明の燃料噴射器１０では流量は噴射器リフトＬ１だけで決まるため、図１に示す第１の燃料噴射器１０は、例えば０．１５０ミリメートルの第１の噴射器リフトＬ１を、また図４に示す第２の燃料噴射器１０´は、例えば０．２００ミリメートルの第２の噴射器リフトＬ２を有することが可能である。図１と図４とを比較するとわかるように、燃料噴射器１０及び１０´は共に、共通のニードル５０、弁座５２及び断面積がＡ１の開口だけでなく全て同じの他のコンポーネント（図示せず）を備えている。噴射器１０と１０´との間の唯一の相違点は噴射器リフトＬ１、Ｌ２である。円錐台形の領域Ａ２、Ａ２´のサイズはそれぞれ噴射器リフトの大きさの関数である。図５のグラフからわかるように、０．１５０ミリメートルの第１のリフトＬ１は気体燃料の毎秒約１．７グラムの流量に対応し、一方、０．２００ミリメートルの第１のリフトＬ２は気体燃料の毎秒約２．２グラムの流量に対応する。逆に、気体燃料について毎秒２．０グラムの所望の流量を得るためには、曲線Ｃに従って、約０．１８０ミリメートルの噴射器ストロークが望ましく、毎秒２．５グラムの所望の流量を得るためには、曲線Ｃによると、約０．２３０ミリメートルの噴射器ストロークが望ましい。
【００２５】
当業者にとって、本発明の燃料噴射器は、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変形及び設計変更が可能であることが明らかである。従って、本発明は、頭書の特許請求の範囲及びそれらの均等物の範囲内に含まれる限り種々の変形例及び設計変更を包含するものと意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明による第１の燃料噴射器の部分断面図である。
【図２】
図２は、開位置にある第１の燃料噴射器の放出端部の拡大断面図である。
【図３】
図３は、第１の燃料噴射器の放出端部の拡大断面図であり、第１の燃料噴射器の流量を決定するためのパラメータを示す。
【図４】
図４は、本発明による第２の燃料噴射器の部分断面図である。
【図５】
図５は、噴射器リフト対噴射器流量の関係を示すグラフである。
【図５】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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