JP2011506849A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

本発明に係る燃料噴射弁は、弁スリーブ（３５）の内壁に設けられた不動の弁座（２９）の下流側で、弁スリーブ（３５）自体に多重扇形噴流ノズルが直接に形成されていることを特徴としている。多重扇形噴流ノズルは、弁スリーブ（３５）の下流側の端部に形成された湾曲部（３７）の領域に直接に組み込まれている。霧化装置として用いられる多重扇形噴流ノズルは、複数のスリット状の噴射開口部（３０）を有しており、噴射開口部（３０）から流出する各液体層は、層パケットを形成して、該層パケット内で互いに末広がりに延びている。深絞り成形された弁スリーブ（３５）における噴射開口部（３０）の形成は、超短パルスレーザーを用いて行われる。燃料噴射弁は特に、混合気圧縮外部点火式の内燃機関の燃料噴射装置への使用に適している。

Description

本発明は請求項１の上位概念に記載の形式の燃料噴射弁に関する。

独国特許出願公開第１９６３６３９６Ａ１号明細書に記載の燃料噴射弁においては、弁座面の下流側に穴開きプレートが設けられており、穴開きプレートは複数の噴射開口部を有している。望ましくは１０〜２０個の噴射開口部は、穴開きプレートの、弁縦軸線に対して垂直に延びる１つの平面内に設けられている。噴射開口部の大部分は、穴開きプレート内に斜めに若しくは傾けて形成され、つまり、噴射開口部の開口部軸線は弁縦軸線に対して平行ではない。噴射開口部の傾きは種々に選ばれるものであるので、噴射すべき各噴流の末広がりを容易に規定することができる。噴射開口部は、例えばレーザービーム穿孔によってプレート内にほぼ同一の大きさで形成されている。このような燃料噴射弁は、特に混合気圧縮外部点火式の内燃機関の燃料噴射装置のために適している。

独国特許出願公開第１９８４７６２５Ａ１号明細書に記載の燃料噴射弁においては、下流側の端部にスリット状の１つの流出開口部が設けられている。流出開口部は１つのプレートに形成されるか、或いは直接にノズル本体に形成されている。スリット状の流出開口部は、常に中央で弁縦軸線に沿って形成されており、したがって燃料噴射弁からの燃料の噴射は弁縦軸線に対して平行に行われている。弁座の上流側に渦溝が設けられており、渦溝は、弁座に向かって流れる燃料に円形の回転運動を与えるようになっている。フラットな流出開口部は、燃料を扇形に噴射するようになっている。

さらに、内燃機関の燃焼室内に燃料を直接に噴射するための燃料噴射弁が、米国特許第６０１９２９６号明細書により公知であり、この場合には下流側の端部にスリット状の１つの流出開口部が設けられており、流出開口部から燃料が弁縦軸線に対して角度をなして流出するようになっている。

独国特許出願公開第１０２００５０００６２０Ａ１号明細書には、燃料噴射弁のための多重扇形噴流ノズルが開示されており、多重扇形噴流ノズル（マルチファンジェットノズル）は中央の領域に球冠状の湾曲部を有しており、湾曲部には、平行配列のスリット状の複数の噴射開口部が形成されている。該公知の多重扇形噴流ノズルを図１及び図２に基づき説明する。

本発明に係る、請求項１に記載の構成を有する燃料噴射弁においては、利点として、本発明に係る弁スリーブ内への極めて多くの機能の組み込みを高い精度で達成している。この場合に弁スリーブは、多重機能スリーブとして形成され、つまり、弁座を保持し、かつ弁ニードルの軸線方向運動時に該弁ニードルを弁スリーブの内壁に沿って案内するようになっている。ニードル案内、燃料流過通路及びシールの機能の他に、混合形成の機能も多重機能スリーブ内に組み込まれている。高精度で深絞り成形された弁スリーブの下流側の端部には、湾曲された底部領域に複数の噴射開口部が直接に形成されている。数の多い噴射開口部、特に平行配列の噴射開口部において、隣接の各２つの噴射開口部間の条片状材料部分（ウエブ）の裂断のおそれは著しく減少されている。本発明においては、薄い穴開きプレートが省略され、ひいては、薄い穴開きプレートの、噴射開口部を形成した後での変形加工が省略されている。本発明において噴射開口部の形成は、基本的に弁スリーブを変形加工した後に始めて行われる。このような構成により、噴射開口部間の条片状材料部分の裂断のおそれは著しく減少されている。

上述のように形成された噴射開口部を用いることにより、燃料の均一な微粒噴霧を容易に達成することができ、この場合に、著しく小さい液滴による高い品質の噴流形成及び霧化が行われている。有利な実施の形態によれば、弁スリーブは、該弁スリーブから三次元的にずらされた複数の扇形噴流が流出して層パケットを形成できるように、複数の噴射開口部を有しており、この場合に、各液体層は互いに末広がりに流れて、扇形噴流間への空気吸込を可能にしている。このような構成により、約２０μｍのザウター平均粒径（ＳＭＤ）の極めて小さな燃料液滴から成る燃料スプレーが噴射可能である。特に内燃機関のＨＣエミッションを極めて効果的に減少させることができる。

従属請求項に記載の構成により、請求項１に記載の燃料噴射弁の有利な改良を可能にしている。

本発明に係る弁スリーブの、従属請求項に記載の構成は、各扇形噴流の、実施の形態に適合する方向及び広がりの制御のための必要な幾何学形状の自由度を提供するものである。従属請求項に記載の幾何学形状のパラメータを用いることにより、噴流を極めて最適に制御することができる。

深絞りにより成形される構成部分の高い精度を確実に得るために、深絞りプロセスは、精度要求の高い領域と隣接する領域に、加工の行われない非加工成形面が設けられるように構成されており、非加工成形面は、深絞りによる材料表面流れを受容するようになっており、これによって、プロセスに起因する誤差を補償することができる。精度を高めるための別の手段は、深絞りプロセス中における弁スリーブの局所的な加熱（レーザー加熱、誘導加熱、抵抗加熱、摩擦、化学反応）である。弁スリーブの材料を高価の材料で被覆することにより、硬度、強度、硬化性、摩耗性及び弾性等に関する局所的な特性改良を達成することができる。

最も高い密閉性及び特に強度要求のため、或いは摩耗の理由から、意図的に適合された後処理手段を用いることができる。弁座面は例えばホーニング加工により所望の表面品質に仕上げられ、かつレーザーを用いて硬化される。弁座面は、弁スリーブ全周にわたって***部状に内側へ突出しているので、シール座として用いられる***部先端は正確に加工されねばならない。

適切な絞り段階での相応の型押し工程によって、材料厚さを局所的に適合することができ、かつ最適な混合形成部の経済的な成形を可能にすることができる。

噴射開口部は弁スリーブの深絞り加工の後に特に超短パルスレーザーを用いて形成される。このようなレーザー加工技術は、多重扇形噴流の形成のために必要な極めて正確な断面形状の噴射開口部のレーザー加工を可能にするものである。

次に、本発明を図示の実施の形態に基づき詳細に説明する。

燃料噴射弁として形成されかつ公知の多重扇形噴流ノズルを備える弁の一部分の断面図である。 図１に示す多重扇形噴流ノズルを含むノズル端部を図１に対して９０°回動した位置で示す断面図である。 本発明に係る第１の燃料噴射弁の弁端部を示す図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 弁スリーブのスリット状の噴射開口部を拡大して示す図である。 本発明に係る第２の燃料噴射弁の弁端部を示す図である。

図１には、混合気圧縮外部点火式の内燃機関の燃料噴射装置のための噴射弁として形成された弁が、１つの例として部分的に示してある。該燃料噴射弁は、弁ケーシングの構成部分を成す筒状の弁座支持体１を有しており、該弁座支持体内には、弁縦軸線２に対して同軸に縦孔３が形成されている。縦孔３内には、例えば筒状の弁ニードル５が配置してあり、該弁ニードルは、下流側の端部６に固着された例えば球形の弁閉鎖体７を備えており、該弁閉鎖体の周囲には、燃料の流過のための例えば５つの面取り部８が設けられている。

燃料噴射弁の操作は、公知の方法で、例えば電磁式に行われる。更に、圧電式若しくは磁気ひずみ式のアクチュエータによって燃料噴射弁を操作することも考えられる。図示省略の戻しばねのばね力に抗した弁ニードル５の軸線方向の移動のため、ひいては燃料噴射弁の開放若しくは閉鎖のために、磁気コイル１０、接極子１１及びコア１２から成る磁気回路が用いられている。接極子１１は、弁ニードル５の、弁閉鎖体７と逆の側の端部に、例えばレーザーを用いて溶接により結合されていて、かつコア１２に向けられている。

弁座支持体１の下流側の端部には、弁座本体１６が、例えば溶接継ぎ目により密に組み付けられている。弁座本体１６の、弁閉鎖体７とは逆の側の下方の端面１７には、多重扇形噴流ノズルの形の穴開きプレート２３が噴霧形成装置として結合されている。弁座本体１６と穴開きプレート２３との間の結合は、本例では、レーザーを用いて環状に形成される密な溶接継ぎ目２６によって行われており、該溶接継ぎ目は、弁座本体１６の端面１７若しくは外周縁部及び穴開きプレート２３に設けられている。極めて薄い穴開きプレート２３を弁座本体１６に確実に固定するために、穴開きプレート２３の下面に支持プレート２５が取り付けてある。この場合に支持プレート２５は、リング状に形成されていて、穴開きプレート２３の中央の球冠状若しくは円蓋状のノズル領域２８を支持プレート自体の内側の開口部内に受容している。

弁座本体１６内には、弁座面２９の下流側に流出開口部２７が設けられており、該流出開口部から、噴射すべき燃料は、穴開きプレート２３の、下流側へ球冠状若しくは円蓋状に湾曲されたノズル領域２８によって画成された流れ中空室２４内に流入する。穴開きプレート２３は、例えば弁縦軸線２の領域で端面１７に対して最大の距離を有しているのに対して、溶接継ぎ目２６の領域では穴開きプレート２３は、湾曲することのないプレートの状態で弁座本体１６に直接に接触していて、支持プレート２５によって形状を安定化されている。

穴開きプレート２３に、特にノズル領域２８に著しく小さい複数の噴射開口部３０が設けられており、該噴射開口部は、互いに平行に延びるスリットとして形成されている。噴射開口部３０は約２０〜５０μｍのスリット幅を有しており、スリット長さは１５０μｍまでであり、その結果、約２０μｍのザウター平均粒径（ＳＭＤ）の極めて小さな燃料液滴から成る燃料スプレーが噴射可能である。このような構成により、内燃機関のＨＣエミッションが公知の燃料噴射装置に比べて極めて効果的に減少される。穴開きプレート２３当たり、２〜６０個の噴射開口部３０が設けられており、この場合に８〜４０個の噴射開口部３０によって最適な噴霧効果が得られる。

図２は、図１に基づく穴開きプレート２３を備える燃料噴射弁の下流側の弁端部を、図１の断面位置に対して９０°にわたって回動した位置において断面して示す図である。中央のノズル領域２８は断面Ｕ字形若しくは断面楕円の形状を有していることが明確にしめしてある。噴射された燃料スプレーは図１に示す広がり方向で例えば約１５°の広がり角を有しているのに対して、燃料スプレーの、図２に示す断面位置での広がり角は約３０°である。

図１及び図２は、独国特許出願公開第１０２００５０００６２０Ａ１号明細書に添付の図面と同じものであり、公知の多重扇形噴流ノズル２３を示している。噴射開口部３０を備える中央のノズル領域２８は、プレートの電着成形の後に型押し加工によって成形される。この場合に、穴開きプレート２３のノズル領域２８の成形のために用いられる型押し工具は、円環体状若しくは部分円環体状に形成されているか、或いは楕円環体状（断面楕円の環体の形状）若しくは部分楕円環体状に形成されている（独国特許出願公開第１０２００５０００６２０Ａ１号明細書に添付の図１０及び図１１）。この場合に、ノズル領域２８の湾曲は、噴射方向に凸状に構成されている。楕円形に湾曲されたノズル領域２８の上述の公知の構成においては、不都合な問題が発生しており、つまり、スリット状の隣接の各２つの噴射開口部３０間の条片状材料部分は機械的な変形に際して、つまりノズル領域２８を凸状に湾曲成形する際に裂断してしまうことがある。その結果、所望の噴流形状若しくは噴射すべき燃料量からの著しい偏差が発生することになり不都合である。スリット間隔は、特に、大きな流過量及び多くの数の噴射開口部３０が望まれるような穴開きプレート２３を形成する場合に、狭められて危険を伴うことになる。

図３は、本発明に係る燃料噴射弁の弁端部を示しており、この場合には、穴開きプレート２３は完全に省略されている。本発明の実施の形態によれば、裂断のおそれは、スリット状の噴射開口部３０が弁スリーブ３５の変形加工、特に深絞り加工の後に始めて、弁スリーブ３５に設けられるので、著しく減少されている。弁スリーブ３５は、図１に示す燃料噴射弁に対応して、弁座支持体１及び弁座本体１６の構成部分を含んでおり、この場合に弁座面２９は直接に弁スリーブ３５の内壁に形成されている。弁座面２９にはホーニングによって所望の表面品質が施され、若しくは弁座面はレーザーにより硬化される。

弁スリーブ３５は多重機能スリーブとして形成され、つまり、弁座２９を保持し、かつ弁ニードル５の軸線方向運動時に該弁ニードル５を弁スリーブの内壁に沿って案内している。弁ニードル５の、弁閉鎖体７として機能する下流側の端部には、燃料の流過のための公知の面取り部８（図１）は設けられておらず、該端部は円筒状に延びている。公知の構成とは異なり、弁ニードル５は下流側の周壁領域に条片状の複数の案内部分３６を有しており、該案内部分は、弁スリーブ３５の円筒状の輪郭に対して半径方向内側へ変位されていて、弁ニードル５の案内のために用いられている。弁スリーブ３５における案内部分３６は、有利な実施の形態によれば、奇数で形成され、つまり例えば３つの個数で、若しくは、弁スリーブ３５の下方の端部の断面図である図４に示してあるように、５つの個数で型押し加工により成形されている。弁スリーブ３５の外周壁には、半径方向内側へ変位された案内部分３６の領域に、該領域の部位で弁スリーブ３５の材料を内側へ押圧する、つまり型押しするので、凹み４１が生じている。周囲に分配された案内部分３６を設けることにより、該案内部分間には同数の流れ通路４０が形成されており、該流れ通路は弁座面２９へ向かう燃料送り通路として用いられている。弁ニードル５は、例えば弁スリーブ３５と同様に深絞りによって成形されている。

深絞り成形された弁スリーブ３５は、該弁スリーブ内に一体に組み込まれた機能構成部分として下流側の端部に湾曲部３７を有しており、該湾曲部には特にスリット状の噴射開口部３０が直接に形成されている。弁スリーブ３５の湾曲部３７は、１つの実施の形態によれば、回転対称にかつ球冠状に形成されているものの、これとは異なって湾曲部は、放物線状に、しかも該湾曲部のベース面が円形にではなく、楕円形に形成されていてもよいものである。噴射開口部３０は深絞り加工の後に超短パルスレーザーを用いて形成される。このようなレーザーは、多重扇形噴流（図１、参照）の形成のために必要な極めて正確な断面形状の噴射開口部３０のレーザー加工を可能にするものである。スリット状の噴射開口部３０はレーザーを用いて、弁スリーブ３５の湾曲部の表面又は接線に対して垂直に形成されてよく、若しくは湾曲部の表面の法線に対して斜めに形成されてよい。相対する両方のスリット長手方向側面が斜めにかつ互いに平行に形成されている場合に、扇形噴流の中心軸線は、湾曲部３７の形状に依存することなく、湾曲部３７の表面の法線に対して傾けられる。

図５には、弁スリーブ３５のスリット状の噴射開口部３０が拡大して示されている。この場合に有利には、スリットの長手方向に延びていて噴射開口部３０を画成するスリット長手方向側面は、噴射方向で互いに平行に形成されているのではなく、扇形噴流の広がり角に応じて噴射方向で互いに末広がりに発散している。

噴射開口部３０は、長方形、楕円形若しくはレンズ形或いは類似の形の横断面形状を有していてよい。隣接の２つの噴射開口部３０は、例えば約４０〜６０μｍの間隔を有している。

深絞り成形された弁ニードル５には、弁スリーブ３５の噴射開口部３０に対して追加的に、弁座２９の上流側に同じくスリット状のパターン成形部が設けられていてよく、該スリット状のパターン成形部は例えばレーザーを用いて成形されていて、フィルター３８として用いられている。

図６は、穴開きプレート２３が完全に省略される本発明に係る第２の燃料噴射弁の弁端部を示している。該実施の形態は、特に弁ニードル５若しくは弁閉鎖体７の構成並びに噴射開口部３０の構成が、図３に示す実施の形態に対して異なっている。図６に示す実施の形態によれば、特に深絞りにより成形される弁スリーブ３５は、球状の弁閉鎖体７を備えるそれ自体公知の弁ニードル５を受容できるようになっている。高精度の弁スリーブ３５と、変形加工により成形された弁座２９に適合する軟質及び高弾性の弁閉鎖体７との組み合わせにより、改良された安価なシール座を得ることができる。弁スリーブ３５は、弁座支持体の機能並びに弁座本体の機能を有しており、この場合に弁座面２９が直接に弁スリーブ３５の内壁に形成されている。

弁スリーブ３５は、多重機能スリーブとして形成され、つまり、弁座２９を保持し、かつ弁ニードル５の軸線方向運動時に該弁ニードル５を内壁に沿って案内するようになっている。ニードル案内、燃料流過通路及びシールの機能の他に、混合形成の機能も多重機能スリーブ内に組み込まれている。高精度で深絞り成形された弁スリーブ３５の下流側の端部には、例えば湾曲された底部領域に噴射開口部３０が直接に形成されている。この場合に、噴射開口部３０は、前に述べたスリット状の形状の他に、円形若しくは多角形に形成されてもよい。噴射開口部３０は、深絞り工程の後に超短パルスレーザーを用いて形成される。

深絞り成形部分の高い精度を確実に得るためには、精度要求の高い領域と隣接する領域に、加工の行われない非加工成形面が設けられ、該非加工成形面は、深絞りによる材料表面流れを受容するようになっており、このような構成により、加工工程に起因する誤差を補償することができる。精度を高めるための別の手段は、深絞り工程中における弁スリーブ３５の局所的な加熱（レーザー加熱、誘導加熱、抵抗加熱、摩擦、化学反応）である。さらに、適切な材料選択及び意図的な加工熱処理によって内部応力及び優先配向の影響は著しく減少される。このことは、焼きなましとこれに続くキャリブレーション及び／又は優先配向のない薄板若しくは回転対称的な優先配向の薄板の使用によって行われてよい。弁スリーブ３５の材料を追加材料若しくは高価の材料で被覆することにより、硬度、強度、硬化性、摩耗性及び弾性等に関する局所的な特性改良を達成することができる。

高い密閉性及び特に強度要求のため、或いは摩耗の理由から、意図的に適合された後処理手段を用いることができる。弁座面２９は例えばホーニング加工により所望の表面品質に仕上げられ、かつレーザーを用いて硬化される。研削ピンは、弁座２９及びニードル案内領域が一回の作業過程で加工され、その結果、弁座２９とニードル案内領域とが滑らかにつながるように形成されている。このような精密な前処理により、慣用の仕上げ処理手段（研削、ラップ仕上げ、型押し加工、ＥＤＭ、ＥＣＭ、レーザー加工、電子ビーム処理等）を用いた経済的な後処理が可能である。弁スリーブ３５の内周輪郭は、電極で内周輪郭を走査してＥＣＭ・工程を実施するμ−ＥＣＭによって精密に加工される。弁座面２９は、図３〜図５に示してあるように、***部状に内側へ突出しているので、シール座として用いられる***部先端は正確に加工されねばならない。弁スリーブ３５のフレキシブルな緊定により、弁スリーブ３５の内周輪郭は研削ピンに整合され、その結果、内周輪郭と外周輪郭との間の、深絞りに起因する位置誤差が補償される。弁スリーブ３５は、燃料噴射弁への正確な位置での弁スリーブ３５の組み付けを可能にするために、有利には内周輪郭に形成された圧入結合のための直径を有している。

適切な絞り段階での相応の型押し工程によって、材料厚さを局所的に適合することができ、このような構成により混合形成部の経済的な成形を可能にすることができる。噴射開口部３０の形成は、慣用のすべての手段、例えば穿孔、打ち抜き、レーザー穴開け、ＥＤＭ、ＥＣＭ、ＥＤＣＭ、イオンビーム、電子ビーム等を用いて行われてよいものである。

１ 弁座支持体、 ２ 弁縦軸線、 ３ 縦孔、 ５ 弁ニードル、 ６ 端部、 ７ 弁閉鎖体、 ８ 面取り部、 １０ 磁気コイル、 １１ 接極子、 １２ コア、 １６ 弁座本体、 ２３ 穴開きプレート、 ２４ 流れ中空室、 ２６ 溶接継ぎ目、 ２７ 流出開口部、 ２８ ノズル領域、 ２９ 弁座面、 ３５ 弁スリーブ、 ３６ 案内部分、 ３７ 湾曲部、 ４０ 流れ通路、 ４１ 凹み

Claims (13)

1. 内燃機関の燃料噴射装置のための燃料噴射弁であって、不動の弁座（２９）と、該燃料噴射弁の弁縦軸線（２）に沿って軸線方向に運動可能で前記弁座（２９）と協働する弁閉鎖体（７）と、前記弁座（２９）の下流側に配置された噴射開口部（３０）とを備えている形式のものにおいて、該燃料噴射弁は弁スリーブ（３５）を含んでおり、該弁スリーブは該弁スリーブの下流側の端部に湾曲部（３７）を有しており、該湾曲部に前記噴射開口部（３０）が直接に形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記弁座（２９）は、前記弁スリーブ（３５）の内壁に一体に成形されている請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 前記湾曲部（３７）は、回転対称で球冠状に若しくは放物線状に形成されている請求項１又は２に記載の燃料噴射弁。
4. 前記噴射開口部（３０）はスリット状に形成されている請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
5. 前記噴射開口部（３０）の、スリット長手方向に延びるスリット壁面は噴射方向で互いに末広がりに発散している請求項４に記載の燃料噴射弁。
6. 前記噴射開口部（３０）は垂直に形成され、若しくは前記弁スリーブ（３５）の前記湾曲部（３７）の表面の法線に対して斜めに形成されている請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
7. 前記弁スリーブ（３５）は深絞りによって加工成形されており、該加工成形の後に前記噴射開口部（３０）の形成が行われている請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
8. 前記噴射開口部（３０）の開口輪郭は、超短パルスレーザーを用いて形成されている請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
9. 前記弁閉鎖体（７）は、弁ニードル（５）に成形されており、該弁ニードルは深絞りによって形成されている請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
10. 前記弁スリーブ（３５）は、該弁スリーブの周囲にわたって分配されかつ内側に向けて形成された複数の案内部分（３６）を備えており、該案内部分は弁ニードル（５）の案内のために用いられている請求項１から９のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
11. 前記案内部分（３６）は奇数で設けられている請求項１０に記載の燃料噴射弁。
12. 前記弁スリーブ（３５）の外周には、内側へ向けられた前記案内部分（３６）の領域に凹み（４１）が生じており、該凹みは、内側に形成される流れ通路（４０）の寸法を規定している請求項１０又は１１に記載の燃料噴射弁。
13. 前記弁ニードル（５）に、フィルター（３８）として用いられるスリット状のパターン成形部が形成されている請求項９又は１０に記載の燃料噴射弁。

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