(57)【要約】【課題】高速の磁歪作動によって燃料噴射率を変調するための改良されたデバイス、システム、および/または方法を提供すること。【解決手段】流体力学的カップラは、流体を使用して磁歪要素とニードル要素を作動可能に連結する。流体力学的カップラは、磁歪要素が初期長さから拡張された長さに作動されるときにニードル要素が閉位置から開位置に移動することを可能にする。流体力学的カップラは、力入力を、その力入力とは反対の方向の出力応答に変換するように構成される。流体力学的カップラは、入力孔各々内の、磁歪要素に隣接して配置された入力シャフトと、出力孔内の、ニードル要素に隣接して配置された移動可能な出力シャフトと、入力孔および出力孔を連結する流体通路とを含む。入力孔と出力孔の間の流体の移動が、力を出力シャフト上に加え、または取り除く。【選択図】図1
2017008941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料インジェクタであって、
ソレノイドコイルに作動可能に連結され、初期長さおよび拡張された長さを有する磁歪要素と、
前記燃料インジェクタの末端部に配設されたノズルと、
前記燃料インジェクタの前記末端部の近位に配設され、閉位置と開位置の間で移動可能であるニードル要素と、
流体を用いる流体力学的カップラであって、前記磁歪要素と前記ニードル要素を作動可能に連結し、前記磁歪要素が前記初期長さから前記拡張された長さに作動されるときに前記ニードル要素が前記閉位置から前記開位置に移動することを可能にするように構成された、流体力学的カップラとを備える、燃料インジェクタ。
【請求項２】
前記ニードル要素に作動可能に連結され、前記ニードル要素を前記閉位置に付勢するように構成された付勢要素をさらに備える、請求項1に記載の燃料インジェクタ。
【請求項３】
前記ニードル要素は、少なくとも部分的には、高圧燃料によって生成された前記ニードル要素上の力によって、前記閉位置から前記開位置に移動される、請求項1に記載の燃料インジェクタ。
【請求項４】
前記流体力学的カップラは、力入力および動作を、前記力入力とは反対の方向の出力応答に変換するように構成される、請求項1に記載の燃料インジェクタ。
【請求項５】
前記流体力学的カップラは、前記ニードル要素に対して同軸である出力シャフトを含む、請求項1に記載の燃料インジェクタ。
【請求項６】
前記流体力学的カップラは、前記出力シャフトに平行に配向され、前記出力シャフトに対して同軸の軸から径方向に配置される少なくとも1本の入力シャフトをさらに含む、請求項5に記載の燃料インジェクタ。
【請求項７】
前記少なくとも1本の入力シャフトは、2本の入力シャフトを備える、請求項6に記載の燃料インジェクタ。
【請求項８】
前記流体力学的カップラは、前記出力シャフトおよび前記少なくとも1本の入力シャフトを作動可能に連結する少なくとも一つの流体チャネルをさらに含み、前記少なくとも1本の入力シャフトによる前記流体の移動の結果、前記出力シャフトの運動を生じさせる、請求項6に記載の燃料インジェクタ。
【請求項９】
前記流体力学的カップラ内の前記流体は、燃料である、請求項1に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１０】
前記流体力学的カップラ内で加圧された前記流体は、前記磁歪要素に予圧負荷をかける、請求項1に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１１】
前記磁歪要素の長さは、前記初期長さと拡張された長さとの間で選択的に可変であり、それによって前記ニードル要素を前記閉位置と前記開位置の間の任意の位置に選択的に配置する、請求項1に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１２】
燃料インジェクタであって、
ソレノイドコイルに電磁的に連結された磁歪要素と、
ノズルを選択的に開放するように構成されたニードル要素と、
流体を用いて、前記磁歪要素と前記ニードル要素を作動可能に連結する流体力学的カップラであって、
(a)入力孔内に摺動可能に配設され、前記磁歪要素に作動可能に連結された入力シャフトと、
(b)出力孔内に摺動可能に配設され、前記ニードル要素に作動可能に連結された出力シャフトと、
(c)前記入力孔および前記出力孔に連結する流体通路とを有する、流体力学的カップラとを備える、燃料インジェクタ。
【請求項１３】
前記ニードル要素に作動可能に連結され、前記ニードル要素を閉位置に付勢するように構成された付勢要素をさらに備え、
前記出力孔内の前記流体は、前記出力シャフトを移動させて、高圧燃料が前記付勢要素に打ち勝ち、前記ニードル要素を開位置に押し出すことを可能にする、請求項12に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１４】
前記入力孔と前記出力孔の間の前記流体の移動は、力を前記出力シャフト上に加え、または取り除く、請求項12に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１５】
前記出力シャフトによる出力応答は、前記磁歪要素によってもたらされた流体力学的カップラへの力入力とは反対の方向である、請求項12に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１６】
前記入力孔内の前記流体は、前記入力シャフトを移動させて予圧負荷力を前記磁歪要素上にもたらす、請求項12に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１７】
高圧燃料を噴射するための方法であって、
ソレノイドコイルに電磁的に連結された磁歪要素と、流体力学的カップラと、ニードル要素と、ノズルとを有する燃料インジェクタを提供するステップと、
前記ソレノイドコイルを励起して前記磁歪要素の拡張を引き起こし、または前記ソレノイドコイルを励起解除して前記磁歪要素の収縮を引き起こす、ステップと、
前記流体力学的カップラ内の流体を前記磁歪要素の前記拡張または前記収縮によって移動させるステップとを含み、
前記移動した流体は、前記流体力学的カップラによって、前記磁歪要素の前記拡張または前記収縮とは反対の方向の出力応答を引き起こす、方法。
【請求項１８】
前記磁歪要素の前記拡張とは反対の方向の前記流体力学的カップラの前記出力応答は、前記高圧燃料が前記ニードル要素を移動させて前記ノズルを開放することを可能にする、請求項17に記載の方法。
【請求項１９】
前記磁歪要素の前記拡張または前記収縮を選択的に制御して流体移動の大きさおよび前記流体力学的カップラの前記出力応答を可変式に制御し、それによって燃料噴射率を制御するステップをさらに含む、請求項17に記載の方法。
【請求項２０】
前記流体力学的カップラ内の前記流体は、前記磁歪要素に予圧負荷をかける、請求項17に記載の方法。
【請求項２１】
前記流体力学的カップラ内の前記流体は、前記高圧燃料である、請求項17に記載の方法。
【請求項２２】
前記燃料インジェクタは、ディーゼル燃料エンジンに設置される、請求項17に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照によって本明細書に全体的に組み込まれる、2015年6月24日出願の米国特許仮出願第62/184,115号の利益を主張するものである。
【０００２】
本開示は、一般に、内燃機関内の燃料噴射に関する。より詳細には、ただし限定的ではないが、本開示は、高速かつ連続的に制御可能な磁歪作動および流体力学的カップラによって燃料噴射率を連続的に変調するための、改良されたデバイス、システムおよび/または方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ほぼすべてのディーゼル燃料エンジンを含む、ほとんどの現代の内燃機関は、燃料インジェクタを使用して燃焼の前に燃料および空気を混合する。火花点火エンジンは、通常、圧縮の前に燃料および空気を混合する。それとは対照的に、ディーゼル燃料エンジンは、空気を最初に圧縮し、その後、燃料がエンジンシリンダ内に直接的に噴射される。ディーゼルエンジンは、点火プラグを使用するのではなく、高度に圧縮された空気に関連する高い温度を利用して空気-燃料混合物を点火する。その結果、空気-燃料混合物に関連する特性(たとえば、燃料調節、燃料霧化など)は、ディーゼルエンジンの性能を規定し、燃料インジェクタを特に重要なものにする。さらに、高噴射圧力は、より長期間実施し、エンジンの耐久性目標に合致させるために、より高い応力に耐えることができるシステムの構成要素の設計および材料を必要とする。当技術分野では、耐久性を犠牲にすることなくシリンダ内の燃料噴射の流量、分散およびタイミングをより正確に制御する改良された燃料インジェクタが必要とされている。
【０００４】
長年にわたり、多くの革新が直接燃料噴射の制御を改良することに注がれてきた。二つの技術、すなわち電磁ソレノイドおよび圧電セラミックが、研究開発の主要な分野を占めている。電磁ソレノイドは、電機子の周りに巻き付けられた電磁性誘導コイルからなる。コイルは、電機子が中心を出入りするように移動されて、燃料インジェクタを開閉する機械力をもたらすことができるように成形される。ソレノイドは、強化された耐久性および信頼性を提供するが、連続的な制御には適さない。特に、ソレノイドによって生成された機械的運動は、電気入力に比例し得ない。したがって、ソレノイドは、理想的な燃料比形状または最小遅延での高速な噴射を効果的に生み出すことはできない。それどころか、その作動原理により、閾値を上回る磁束が空隙を交差するとき、ソレノイドの二つの極は、互いに向かって加速する。二つの極は、空隙を閉じ、互いに影響を与え、しばしば反発する。二つの極を加速させる電磁力は、二つの極間の空隙距離の平方に反比例し、速度および位置の制御を困難にしている。したがって、ソレノイドは、事実上制御不能な速さで開かれ、閉じられ、反発し、またはこれらの状態間を移行する。
【０００５】
電磁ソレノイドとは対照的に、圧電セラミックは、印加された電場からの機械的ひずみの内部生成の原理を利用する。特定の結晶材料は、外部電場が材料に印加されたときにその静的寸法から変化を生成する。この技術に対する重要な特徴は、機械的拡張が、印加された電圧に全体的に比例することである。その結果、圧電セラミックは、速度およびその拡張範囲内での無限に調整可能な変位を提供して、燃料噴射に対する連続的な制御を可能にする。特に、圧電セラミックは、より高速かつより小さいパルス噴射をもたらし、ディーゼル排気のシリンダ内形成を低減することができる。しかし、圧電セラミックの固有の欠点は、性能劣化および作動寿命の限定を受けやすいことである。これは、軽負荷の場合、それほど懸念するものではないが、ディーゼル燃料噴射に関連する要求(すなわち、上昇した温度および圧力)により、圧電セラミックが燃料噴射率形状の整形には理想的とは言えないものになる。さらに、圧電セラミックは、不利なことに、印加された電圧が元の極性とは反対である場合、脱分極によって作動不能になり得る。
【０００６】
1970年代、米国海軍は、鉄ならびに希土類元素であるテルビウムおよびジスプロシウムの金属間化合物合金である、ターフェノールD(Terfenol-D)を開発した。この材料は、磁気ひずみの特性を示す最も知られているもの一つである。この特性は、強磁性材料が、磁化のプロセス中にその形状または寸法を変化させることに起因する。換言すれば、磁歪材料は、磁気入力を機械的出力に連結する。機械的拡張は、循環電流の方向に関わらず、磁歪要素の周りを循環する電流シースの大きさに比例する。磁歪材料の挙動は、電磁ソレノイドおよび圧電セラミックの両方の利点をいずれの欠点も有さずに組み合わせる。特に、磁歪材料は、速度、およびその作動範囲内での無限に調整可能な変位とともに、ディーゼル燃料噴射環境の要求を耐え抜く耐久性を提供する。磁歪に関連する拡張は、材料を疲労させず、いかなる温度の影響も合金を恒久的に劣化させることはない。
【０００７】
正確な燃料噴射は、燃料噴射イベント全体を通じてニードル位置の正確な制御を必要とする。磁歪アクチュエータを使用する燃料インジェクタは、一般的に、狭い範囲の作動状態に限定される。したがって、当技術分野には、あらゆる内燃機関の負荷および速度のあらゆる組み合わせにおいて、燃料噴射イベント全体を通じてニードル位置を正確に制御することができる燃料インジェクタに対する必要性が存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本開示の主な目的、特徴および/または利点は、当技術分野において欠陥を改良し、またはこれを克服することである。
【０００９】
本開示の別の目的、特徴および/または利点は、あらゆる内燃機関の負荷および速度のあらゆる組み合わせにおいて燃料噴射イベント全体を通じてニードル位置を正確に制御することができる燃料インジェクタを提供することである。磁歪アクチュエータおよび流体力学的カップラは、製品燃料インジェクタ上のソレノイドアクチュエータおよび油圧機械式弁構成要素と置き換わる。磁歪アクチュエータは、電圧および電流の入力を、精密に制御され得る変位および力出力に変換する。
【００１０】
本開示のさらに別の目的、特徴および/または利点は、磁歪アクチュエータおよびニードルを流体、好ましくは燃料を介して連結する構成要素である。流体力学的カップラは、磁歪アクチュエータの拡張をニードルの後退に変換し、これは、一方の方向の力入力を反対方向の出力応答に変換することを必要とし得る。燃料圧力からの流体力学的カップラ上の力は、磁歪アクチュエータに関連する力と実質的にバランスがとられ、したがって力比における最小限の変化によって燃料噴射率の正確な制御をもたらす。
【００１１】
本開示のさらに別の目的、特徴および/または利点は、磁歪アクチュエータへの電気入力を連続的かつ可変式に制御し、それにより、流体力学的カップラは、ニードルが高速にまたはゆっくりと開閉することを可能にし、それによって噴射イベント中、任意の所望の可変の速度で少量または大量を噴射することである。
【００１２】
本開示の別の目的、特徴および/または利点は、流体力学的アダプタを用いて磁歪要素に予圧負荷をかけ、作動中の引っ張り応力破壊を防止することである。流体力学的アダプタは、燃料をその媒体として使用してアクチュエータ組立体内の磁歪要素に対して必要な圧縮予圧負荷を供給することができる。
【００１３】
本開示のこれらおよび/または他の目的、特徴および利点は、当業者に明らかになろう。本開示は、これらの目的、特徴および/または利点に、またはこれによって限定されるものではない。単一の実施形態が、目的、特徴、または利点の各々すべてを提供する必要はない。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本開示の態様によれば、改良された燃料インジェクタが提供される。燃料インジェクタは、ソレノイドコイルに作動可能に連結された磁歪要素を含む。磁歪要素は、初期長さと、拡張された長さと、これらの二つの間の任意の数の長さとを有する。ノズルが、燃料インジェクタの末端部に配設される。ニードル要素が、燃料インジェクタの末端部の近位に配設され、閉位置と開位置との間で移動可能である。流体力学的カップラが提供される。流体力学的カップラは、流体を使用して磁歪要素とニードル要素を作動可能に連結する。流体力学的カップラは、磁歪要素が初期長さから拡張された長さに作動されるときにニードル要素が閉位置から開位置に移動することを可能にするように構成される。
【００１５】
ニードル要素は、少なくとも部分的には、高圧燃料によって生成されたニードル要素上の力によって、閉位置から開位置に移動され得る。流体力学的カップラは、力入力をその力入力の反対の方向の出力応答に変換するように構成される。流体力学的カップラ内の流体は、燃料であることができる。流体力学的カップラ内で加圧された流体は、磁歪要素に予圧負荷をかけることができる。磁歪要素の長さは、初期長さと拡張された長さの間で選択的に可変であり、それによってニードル要素を閉位置と開位置の間の任意の位置に選択的に配置する。
【００１６】
本開示の別の態様によれば、燃料インジェクタは、ソレノイドコイルに電磁的に連結された磁歪要素と、ノズルを選択的に開放するように構成されたニードル要素と、流体を使用して磁歪要素とニードル要素を作動可能に連結する流体力学的カップラとを含む。流体力学的カップラは、入力孔内に摺動可能に配設された入力シャフトを含む。入力シャフトは、磁歪要素に隣接して配置される。流体力学的カップラは、出力孔内に摺動可能に配設され、ニードル要素に隣接して配置された出力シャフトを含む。流体通路は、入力孔および出力孔と連結する。
【００１７】
付勢要素は、ニードル要素に作動可能に連結され、ニードル要素を閉位置に付勢するように構成され得る。出力孔内の流体は、出力シャフトを移動させて高圧燃料が付勢要素(および出力シャフトに隣接する高圧燃料)に打ち勝ち、ニードル要素を開位置に押し出すことを可能にする。入力孔と出力孔の間の流体の移動は、出力シャフト上に力を加え、または取り除く。
【００１８】
本開示のさらに別の態様によれば、高圧燃料を噴射するための方法が提供される。ソレノイドコイルに電磁的に連結された磁歪要素と、流体力学的カップラと、ニードル要素と、ノズルとを有する燃料インジェクタが提供される。ソレノイドコイルは、励起されて磁歪要素の拡張を引き起こし、または励起解除されて磁歪要素の(拡張長さからの)収縮を引き起こす。流体は、磁歪要素の拡張または収縮によって流体力学的カップラ内で移動させられる。移動した流体は、流体力学的カップラによって、磁歪要素の拡張または収縮とは反対方向の出力応答を引き起こす。
【００１９】
流体力学的カップラの出力応答は、磁歪要素の拡張の反対方向であることができ、高圧燃料がニードル要素を移動させてノズルを開放することを可能にする。磁歪要素の拡張または収縮は、流体移動の大きさおよび流体力学的カップラの出力応答を可変式に制御するように選択的に制御することができ、それによって燃料噴射率を制御する。燃料インジェクタは、ディーゼル燃料エンジンに設置され得る。
【００２０】
本開示の例示される実施形態が、参照によって本明細書に組み込まれる添付の図を参照して以下において詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本開示の例示的な実施形態による燃料インジェクタの斜視図である。
【図２】断面線2-2に沿って切り取られた、図1の燃料インジェクタの断面図である。
【図３】本開示の例示的な実施形態による、磁歪要素、エンドキャップ、および流体力学的カップラの斜視図である。
【図４】本開示の例示的な実施形態による流体力学的カップラの斜視図である。
【図５】図3の円5-5内の流体力学的カップラの詳細図である。
【図６】本開示の例示的な実施形態による燃料インジェクタの駆動列の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図1は、本開示の例示的な実施形態による燃料インジェクタ10を示す。燃料インジェクタ10は、アクチュエータ組立体12と、保持ハウジング14と、流体力学的カップラ16と、インジェクタハウジング18とを含む。少なくともアクチュエータ組立体12、保持ハウジング14、および/またはインジェクタハウジング18は、図1に示すように互いにねじ込み式に連結され、または当技術分野において一般的に知られている他の手段によって固定され得る。さらに、アクチュエータ組立体12、保持ハウジング14、流体力学的カップラ16、およびインジェクタハウジング18は、通常、ノズル端部24と連結端部26の間の燃料インジェクタ10の主要軸20に沿って互いに同軸に配設され得る。保持ハウジング14は、通常、アクチュエータ組立体12とインジェクタハウジング18の間に配置され、一つ以上の位置合わせ表面22を含んで適切な設置を確実にし、内燃機関(図示せず)、好ましくはディーゼルエンジン内の燃料インジェクタ10の回転を防止する。
【００２３】
図1および2を参照すれば、アクチュエータ組立体12は、燃料インジェクタ10の連結端部26の近位に配置される。アクチュエータ組立体12は、通常、アクチュエータ組立体12の磁歪要素28を作動させるための電気入力を受けるために必要とされる構成要素を含む。この目的を達成するために、アクチュエータ組立体12は、テール部32にねじ込み式に連結された継手30を含む。テール部32は、一つ以上のワイヤリード(図示せず)をソレノイドコイル34に固定するように構成される。当技術分野において一般的に知られているように、ソレノイドコイル34は、ワイヤリードを介して励起される。テール部保持器38は、テール部32をアクチュエータ組立体ハウジング40に固定することができる。
【００２４】
ソレノイドコイル34は、一つ以上の巻き線の導線を含むことができる。図2に示される例示的な実施形態では、ソレノイドコイル34は、二つの巻き線を有する。ソレノイドコイル34は、非導電性材料からなるボビン36の周りに巻き付けられ得る。したがって、ボビン36は、ソレノイドコイル34と磁歪要素28の間に同軸に配設される。
【００２５】
磁歪要素28は、一つ以上の希土類元素および/または遷移元素を含む合金からなることができる。より詳細には、合金は、式TbxDyx-1Fe2-wの方向性多結晶質希土類元素および/または遷移金属材料から形成されてもよく、式中、0.20≦x≦1.00かつ0≦w≦0.20である。材料の結晶粒は、実質的に材料の成長軸に沿ってその共通の主要軸を有する。合金が軸方向に配向された結晶粒を有するとき、磁歪要素28の磁歪応答の好適な方向は、互いにほぼ平行であり、磁歪応答の好適な方向にほぼ垂直である端部を備えた形状になるように形成される。磁歪要素28は、装置の電気機械的共振周波数において4分の1波長より実質的に小さい、磁歪応答の方向に垂直な横断方向寸法を有することができる。磁歪要素28は、装置の電気機械的共振周波数において4分の1波長以下の、磁歪応答の方向の長さを有することができる。磁歪要素28は、初期長さを有し、拡張された長さに拡張するように構成され、および/または初期長さと拡張された長さの間の任意の長さに選択的に拡張可能であり、それによって燃料噴射率を選択的に制御する。
【００２６】
例示的な実施形態では、磁歪要素28は、細長いまたはロッド形状である。好ましい実施形態では、磁歪要素28は円筒状であるが、本開示は、この形状が、楕円体、平行六面体、角柱、または他の類似のもしくは適切な形状になることができることを企図する。磁歪要素28を破砕から保護するために、エンドキャップ42が、磁歪要素28の各々の端部に固定され得る。好ましくは、エンドキャップ42は、硬化された、強磁性材料から作製されてロッド端部における磁束発散を最小限に抑える。エポキシ樹脂が、エンドキャップ42の外径縁を接合してチッピングを防止することができる。エンドキャップ42は、接合に使用される適合エポキシ樹脂によって磁歪要素28の面にわたって負荷を分散させる。
【００２７】
磁歪要素28を励磁するのに十分な電界強度を生成するのに必要とされるエネルギーを最小限に抑えるために、好ましくは強磁性材料の磁束戻り路44が設けられて、ソレノイドコイル34の外側周りの磁気力のラインを磁歪要素28の一方の端部から他方に案内する。
【００２８】
磁歪要素28の技術的作動は、同時係属であり、共有の、2014年2月6日出願の米国特許出願第14/174,560号および2014年12月14日出願の米国特許出願第14/577,240号に説明され、この特許文献のいずれも参照によって全体的に本明細書に組み込まれる。簡潔に言えば、一つの極性の電圧波形が印加され、合致する極性の電流波形を誘発してソレノイドコイル34内に流す。ソレノイドコイル34内の電流は、合致する極性の磁場を確立する。この磁場は、磁力線を生成し、この磁力線は、磁歪要素28内に交差し、合致する極性の対応する磁束密度を有する。磁束線は、磁束戻り路44を通ってそれ自体に戻り、この磁束戻り路44は、磁歪要素28と一緒になって、完全な磁気回路を形成する。極性に関わらず、磁歪要素28内の磁束波形は、対応する軸方向拡張を引き起こす。ソレノイドコイル34内への電流の連続的な制御は、磁歪要素28の軸方向の拡張または収縮を連続的に制御する。電流が増大するまたは低減する速度、およびその最大の大きさは、いずれも、磁歪要素28によって、対応する機械的変位に変換される。本明細書に使用されるように、「収縮する」または「収縮」は、初期長さより大きい長さからの磁歪要素28の短縮を指す。
【００２９】
燃料インジェクタの磁歪作動の利点を達成するために、磁歪要素28の拡張および収縮は、燃料噴射に対する正確かつ可変の制御をもたらす対応する出力に変えられなければならない。この目的を達成するために、流体力学的カップラ16が提供される。流体力学的カップラ16は、図2に示すように、保持器ハウジング14および/またはインジェクタハウジング18内に少なくとも部分的に、アクチュエータ組立体12の端部の近位に配設され得る。より正確には、流体力学的カップラ16は、図3に示すように、磁歪要素28の一方の端部に関係付けられたエンドキャップ42に隣接して配置される。本明細書において詳細に開示するように、磁歪要素28の拡張および収縮の結果、力入力および／または流体力学的カップラ16からの出力応答を生じさせる。
【００３０】
図4は、本開示の例示的な実施形態による流体力学的カップラ16を示す。流体力学的カップラ16は、流体力学的カップラ16の構成要素が中に配設される配管ブロック46またはハウジングを含む。図4は、配管ブロック46を透明として示しているが、これは、例示的目的にすぎない。配管ブロック46は、金属および/または流体力学的カップラ16および燃料インジェクタ10の作動に全体的に関連する温度および/または圧力を扱うことができる他の適切な材料から構築される。
【００３１】
少なくとも1本の入力シャフト48が、配管ブロック46の入力孔49内に移動可能に配設され、アクチュエータ組立体12、特に磁歪要素28から力入力を受けるように構成される。好ましい実施形態では、流体力学的カップラ16は、2本の入力シャフト48を有する。入力シャフト48は、図4に示すように、細長い円筒、または本開示の目的から逸脱することなく任意の適切なサイズおよび/または形状のものとすることができる。入力ニードル止め具53が、入力シャフト48の端部に関連付けられて配管ブロック46内の入力シャフト48の適切な軸方向の位置決めを確実にすることができる。同様に、出力シャフト50は、配管ブロック46の出力孔51内に移動可能に配設され、入力シャフト48への力入力に少なくとも部分的に基づいて出力応答を提供するように構成される。出力シャフト50は、図4に示すように段付きの細長い円筒でよく、または本開示の目的から逸脱することなく任意の適切なサイズおよび/または形状のものとすることができる。出力シャフト50は、中空軸52および/またはニードル要素54(図6を参照)に対して全体的に同軸になることができ、実質的にインジェクタ10の主要軸20に沿って配置される。出力ニードル止め具56が、出力シャフト50の端部57に連結されて出力シャフト50と中空軸52の間の適切な界接をもたらし、配管ブロック46内の出力シャフト50の適切な軸方向の位置決めを確実にすることができる。図3に示すように、入力シャフト48は、出力シャフト50に平行に配向され、出力シャフト50に対して主要軸20から径方向に配管ブロック46内に配置され得る。
【００３２】
流体力学的カップラ16は、配管ブロック46内に配設されたキャップ58を含む。キャップ58は、図4に示すように、配管ブロック46の内部にねじ込み式に係合され、ニードル止め具56とは反対の出力シャフト50の端部59の近位に配置され得る。キャップ58は、キャップ58と出力シャフト50の端部59の間に隙間60を提供するように寸法設定され配置される。隙間60は、主要燃料レール62を介して高圧燃料供給部(図示せず)と流体連通する。その結果、隙間60は、高圧燃料によって全体的に充填され、高圧燃料は、出力シャフト50上に、矢印64によって全体的に表す方向に力をかける。真ちゅう製リングなどのシール66が、キャップ58に関係付けられて、配管ブロック46からの高圧燃料の漏出を防止することができる。出力シャフト50上の(矢印64の方向の)力は、矢印68によって全体的に表された方向の、中空軸52およびニードル54による出力シャフト50上の力によって実質的に対抗され、これは、以下で詳細に論じられる。
【００３３】
図4および5を参照すれば、流体力学的カップラ16は、流体が入力孔49および/または出力孔51の一部分内に配設されるように設計される。特に、流体は、入力シャフト48の端部に隣接する入力孔49内の空隙70内に、および/または出力シャフト50の周りに延びるフランジ付き表面74に隣接する出力孔51内の空隙72内に配設される。入力シャフト48および出力シャフト50は、入力孔49と出力孔51の間を延びるチャネル76または流体通路によって作動可能に連結される。チャネル76は、流体力学的カップラ16の作動中、入力孔49と出力孔51の間の流体の移動を可能にするように構成される。好ましい実施形態では、流体は、隙間60内の高圧燃料の一部分であり、この一部分は、圧力および/または入力シャフト48と入力孔49の間および/または出力シャフト50と出力孔51の間の公差に基づいて空隙70、72内に効果的に漏出する。
【００３４】
入力シャフト48に対する(矢印64の方向の)力入力により、入力シャフト48は、入力孔49内で同じ方向に移動する。空隙70内の流体は、チャネル76を通して、出力シャフト50のフランジ付き表面74の近位の出力孔51内の空隙72内に移動させられる。流体は、フランジ付き表面74上に、したがって出力シャフト50上に、全体的に矢印68の方向の力を生成する。以下で詳細に論じられる、燃料インジェクタ10の独自の力バランスに基づき、力は、出力シャフト50を矢印68の方向に移動させる。反対に、力入力が、入力シャフト48から取り除かれたとき、燃料インジェクタ10の独自の力バランスの結果、出力シャフト50は矢印64の方向に移動する。出力シャフト50のフランジ付き表面74は、流体を空隙72から、チャネル76を通して、入力孔49の空隙70内に移動させる。入力シャフト48は、矢印68の方向に押し出される。総合すれば、流体力学的カップラ16は、力入力を、力入力とは反対の方向の出力応答に変換するように構成される。
【００３５】
開発された流体力学的カップラ16の機能の有利な構造に関して、図6に参照がなされる。図6は、燃料インジェクタ10のいわゆる駆動列77を示す。駆動列77は、(エンドキャップ42付きまたはエンドキャップ42無しの)磁歪アクチュエータ28と、入力シャフト48と、出力シャフト50と、ニードル止め具56と、中空軸52と、付勢要素78と、ニードル要素54とを含むことができる。駆動列77は、本明細書において開示し、図1および2に部分的に示すように、燃料インジェクタ10のさまざまなハウジング内に配設される。図1および2を参照すれば、中空軸52、付勢要素78およびニードル要素54は示されないが、中空軸52が、出力シャフト50に隣接して配置されることが理解され得る。中空軸52、付勢要素78、およびニードル要素54は、インジェクタハウジング18内に配設される。ノズル80は、ノズル端部24において燃料インジェクタ10に関係付けられる。ニードル要素54は、ノズル端部24の近位に配置され、閉位置と開位置の間で移動可能である。閉位置では、ニードル要素54は、ノズル80を塞ぎ、それにより、一切の燃料は、燃料インジェクタ10から噴出させられない。開位置では、ニードル要素54は、(矢印68の方向に)移動され、それにより、高圧燃料は、燃料インジェクタ10から内燃機関(図示せず)に噴射される。
【００３６】
付勢要素78は、ニードル要素54に作動可能に連結され、ニードル要素54を閉位置に付勢するように構成される。付勢要素78は、圧縮ばねおよび/またはシムを含むことができる。図6に示す実施形態では、付勢要素78は、ニードル要素54と中空軸52の間に配設される。
【００３７】
図6に示すように、ニードル要素54は、ネック部分82とヘッド部分84とを有する。インジェクタハウジング18内に設置されたとき、ネック部分82は、主要燃料供給部に流体的に連結された主要燃料レール入口(図1を参照)の近位に配置される。ネック部分82とヘッド部分84の間の外径の相違に基づき、主要燃料レール入口86を通って燃料インジェクタに入る高圧燃料は、力をニードル要素54上に矢印68の方向に負荷する。溝85が、通常、ニードル要素54および/または中空軸52(および/または他の移動構造体)をそのそれぞれの孔内に中心揃えして保つ。より具体的には、溝85は、高圧燃料に関連する圧力が、ニードル要素54および/または中空軸52の円周周りに均等にそれ自体再分散することを可能にし、それによって構造体とその孔との間の摩擦を防止する。それほど大きくはないが、溝85内の高圧燃料は、さらに、駆動列77の一部分(すなわちニードル要素54、中空軸52、および出力シャフト50)を矢印68の方向に差し向けて、ニードル要素54を開位置に移動させる力を提供することができる。
【００３８】
本明細書において述べた独自の力バランスは、次の通りに説明される。以下の構造が、通常、ニードル要素54を閉位置に差し向ける(「閉鎖力」)(すなわち矢印64の方向):(a)力を出力シャフト50上に負荷する、隙間60内の燃料からの燃料レール圧力および(b)付勢要素78。ニードル要素54および/または中空軸52上に作用する燃料レール圧力は、通常、ニードル要素を開位置に差し向ける(「開放力」)(すなわち矢印68の方向)。力は、実質的にバランスがとられるが、閉鎖力は、開放力をわずかに超え、それにより、燃料インジェクタ10は、初期設定によって、より具体的には、磁歪要素28が初期長さにあるときに閉じられる。
【００３９】
作動においては、流体力学的カップラ16は、磁歪要素28をニードル要素54に作動可能に連結する。流体力学的カップラ16は、磁歪要素28が初期長さから拡張された長さに作動されるときにニードル要素54が閉位置から開位置に移動することを可能にするように構成される。ソレノイド34が励起され、磁歪要素28が拡張するとき、エンドキャップ42は、入力孔49内の入力シャフト48を矢印64の方向に移動させる。入力孔49の各々の空隙70(および/または出力孔51の空隙72)内の流体は、出力孔51内に移動させられる。出力孔51内の増加した流体は、隙間60内の燃料レール圧力および付勢要素78に関連する力に打ち勝つのに十分な力を、出力シャフト50のフランジ付き表面74にもたらす(すなわち開放力は閉鎖力を超える)。その結果、出力シャフト50は、出力シャフト50の端部57を含めて、矢印68の方向に差し向けられる。出力シャフト50の端部57に隣接して配置され、これに直接接触して保持される中空軸52は、中空軸52、より具体的には中空軸52の溝と流体接触する主要燃料レール62内の高圧燃料によって矢印68の方向に差し向けられる。同様に、中空軸52に隣接して配置され、これに直接接触して保持されるニードル要素54は、ニードル要素54、より具体的にはニードル要素54のヘッド部分84および溝と流体接触する主要燃料レール62内の高圧燃料によって矢印68の方向に差し向けられる。ニードル要素54は、閉位置から開位置に移動し、その後、主要燃料ライン62内の高圧燃料は、ノズル80を通して内燃機関に噴射される。
【００４０】
噴射イベントの完了後、ソレノイド34は励起解除され、磁歪要素28は(すなわち拡張された長さから)収縮し、および/または初期長さに戻る。磁歪要素28の収縮により、磁歪要素28は、もはや、入力シャフト48を押し出して流体をチャネル76を通して出力孔51内に変位させない。それどころか、(付勢要素78とともに)隙間60内の高圧燃料からの出力シャフト50の端部59上の力は、ニードル要素54および/または中空軸52と流体接触する主要燃料レール62内の高圧燃料に関連する力に打ち勝つ(すなわち閉鎖力は開放力を超える)。その結果、ニードル要素54は開位置から閉位置に戻る。さらに、出力シャフト50の矢印64の方向の移動により、フランジ付き表面74は、出力孔51内の流体の少なくとも一部分を移動させてチャネル76および入力孔49内に入れる。入力孔49内の流体の圧力は、入力シャフト48を矢印68の方向に押し、それにより、入力シャフト48は、磁歪要素28のエンドキャップ42に隣接したままおよび/またはこれに直接接触したままである。総合すれば、入力孔49と出力孔51の間の流体の移動は、力を出力シャフト50上に加え、または取り除く。
【００４１】
磁歪要素28のエンドキャップ42に隣接したままおよび/またはこれに直接接触したままである入力シャフト48はまた、一定の圧縮力を磁歪要素28上にもたらす。流体力学的カップラ16のこの有利な特徴の結果、磁歪要素28上に圧縮予圧負荷を生じさせ、作動中の引っ張り破壊を防止する。さらに、磁歪要素28は、初期長さを有し、拡張された長さに拡張するように構成され、および/または初期長さと拡張された長さの間の任意の長さに選択的に拡張可能であり、それによって燃料噴射率を選択的に制御する。磁歪要素28の拡張または収縮を選択的に制御することは、入力孔49と出力孔51の間の流体移動の大きさを可変式に制御し、それによって燃料噴射率を選択的に制御する。
【００４２】
本開示は、本明細書において説明する特定の実施形態に限定されるものではない。特に、本開示は、流体力学的カップラが、磁歪アクチュエータからの力入力を出力応答に変えて燃料噴射に対する正確な制御をもたらすことができる数多くの変形例を企図する。前述の説明は、例示および説明の目的のために提示された。限定的なリストであること、または開示する正にその形態に本開示のいかなるものも限定することは意図されない。他の代替策または例示的な態様が、本開示に含められて考えられることが企図される。説明は、本開示の実施形態、プロセス、または方法の例にすぎない。本開示の意図された趣旨および範囲内である任意の他の改変、代用、および/または追加がなされ得ることが理解される。前述のために、本開示は、意図する少なくともすべてを達成することを確認することができる。
【００４３】
前述の詳細な説明は、本開示を実施するための少数の実施形態であり、範囲を限定することは意図されない。特許請求の範囲は、本開示の実施形態のいくつかをより多くの特異点を伴って記載する。
【符号の説明】
【００４４】
10  燃料インジェクタ
16  流体力学的カップラ
28  磁歪要素
34  ソレノイドコイル
48  入力シャフト
49  入力孔
50  出力シャフト
51  出力孔
52  中空軸
53  入力ニードル止め具
54  ニードル要素
76  チャネル
78  付勢要素
80  ノズル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
2017008941000001.pdf