JP5841154B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、独立請求項に記載の種類の燃料噴射弁に関するものである。

特許文献１から、マグネットコイルと、内側磁極と、外側の磁気回路構成部材と、バルブシート本体に付設されるバルブシートと協働する閉弁体とを備えた電磁操作エレメントを含んでいる燃料噴射弁がすでに知られている。燃料噴射弁はプラスチック射出成形部によって取り囲まれ、この場合プラスチック射出成形部は、とりわけ軸線方向において、内側磁極として用いられる接続部材とマグネットコイルとを取り囲むように延在している。このプラスチック被覆部には、少なくともマグネットコイルを取り囲んでいる領域に、磁力線を誘導する強磁性充填物が挿入されている。この限りでは、充填物はマグネットコイルを周方向に取り囲んでいる。充填物は、微粒子状に粉砕した、軟磁性特性をもつ金属部材である。磁性をもつようにプラスチック内に埋設された微小な金属粒子は多かれ少なかれ球状形状を有し、それ自体磁気絶縁されており、従って相互に金属接触がなく、その結果有効な磁場形成に至らない。この場合、非常に大きな電気抵抗が生じるという利点があるものの、逆に磁気抵抗が極端に大きくなる。磁気抵抗が大きいことは著しいパワーロスに表れており、従って全体的には負の機能特性を決定している。

さらに、特許文献２から、比較的コンパクトな構成を特徴としている燃料噴射弁が知られている。この燃料噴射弁の場合、磁気回路はマグネットコイルと、固定された内側磁極と、可動なマグネットアーマチュアと、マグネットポットの形態の外側の磁気回路構成部材とによって形成される。燃料噴射弁のスマートでコンパクトな構成のため、薄壁の複数個のバルブスリーブが使用され、これらバルブスリーブは接続部材としても、バルブシート支持部材としても、そしてマグネットアーマチュア用のガイド部分としても用いられる。磁気回路の内部に延在している薄壁の非金属製前記スリーブはエアギャップを形成しており、該エアギャップを介して磁力線が外側の磁気回路構成部材からマグネットアーマチュアおよび内側磁極へ移行している。これに比肩しうる構成の燃料噴射弁を図１に図示したが、本発明をよりよく理解するために後で詳細に説明する。

さらに、特許文献３から、同様に薄壁のスリーブを解決手段としたことを特徴とする燃料噴射弁がすでに知られている。この場合、深絞りした（ｔｉｅｆｇｅｚｏｇｅｎｅ）バルブスリーブは、燃料噴射弁の全長にわたって延在し、磁気回路の領域に磁気分離個所を有し、該磁気分離個所においてマルテンサイト組織が中断されている。この非金属製の中間部分は、可能な限り有効な磁気回路が提供されるようにマグネットアーマチュアと内側磁極との間の作用エアギャップの領域の高さでマグネットコイルに対応させて配置されている。このような磁気分離部は、従来の電磁回路を備えた公知の燃料噴射弁に比べてＤＦＲ（ｄｙｎａｍｉｃ ｆｌｏｗ ｒａｎｇｅ）を向上させるためにも使用される。しかしながら、このような構造も製造にかなりの付加コストがかかる。加えて、非金属製のスリーブ部分を備えたこのような磁気分離部を取り込むと、磁気分離部のない燃料噴射弁とは別の幾何学的構成になる。

独国特許出願公開第３８２５１３４Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０３３２３４８Ａ１号明細書 特開２００２−４８０３１号公報

請求項１の特徴ある構成を備えた本発明による燃料噴射弁には、特にコンパクトな構成であるという利点がある。この燃料噴射弁は、内燃機関のマニホールドインジェクションバルブの分野の当業者にとっては従来高機能性を維持しつつ製造不可能と見なされていたような極端に小さい外径を有している。この非常に小さな寸法設計により、燃料噴射弁の組み込みを従来よりもかなり自在に考えて構成することが可能である。従って本発明による燃料噴射弁は、豊富なバリエーションの”Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｔｉｐ”をもつ、すなわち長さが異なるバリエーションの燃料噴射弁をもつ種々の車両製造業者の種々の取付孔に非常にコンパチブルに組み込むことができ、しかもモジュール状に構成された弁のためにバルブニードルの長さまたはバルブスリーブの長さを変える必要がない。この場合、外側の磁気回路構成部材に着座してインテイクマニホールドに設けた取付孔の壁に対し密封を行うパッキンリングは、わずかに変位可能である。

有利な態様では、燃料噴射弁の新規な幾何学的形態は、とりわけ量ｑ_ｍｉｎ，Ｆ_Ｆ，Ｆ_ｍａｘに関する境界条件のもとで決定された。機能性を満足しつつ磁気回路の外寸を極めて小さく実現できるようにするため、本発明によれば、アーマチュアの外寸Ｄ_Ａは４．０ｍｍ＜Ｄ_Ａ＜５．０ｍｍに決定され、アーマチュアの著しい短縮が行われた。小さな外径Ｄ_Ａとアーマチュアの軸線方向における短い延在長さとにより、本発明によれば特に軽量なバルブニードルが得られ、その結果燃料噴射弁作動中の騒音が公知のマニホールドインジェクションバルブに比べて著しく低減されるに至った。

特に有利なことは、燃料噴射弁の本発明による寸法設計により、ＤＦＲ（ｄｙｎａｍｉｃ ｆｌｏｗ ｒａｎｇｅ）も公知の燃料噴射弁の場合に比べて１７以上になり、よって著しく向上させることができる点である。このような最適化された燃料噴射弁を使用することの大きな適応性は、バルブスリーブにおける作用エアギャップの領域に、磁束密度Ｂ＜０．０１Ｔのゾーンを磁気分離部として設けるか、或いは、磁束密度０．０１Ｔ＜Ｂ＜０．１５Ｔのゾーンを磁気絞りとして設けてよいことでも明らかである。

従属請求項に記載された手段により、請求項１に記載の燃料噴射弁の有利な他の構成および改良が可能である。

本発明のいくつかの実施形態が図面に簡略に図示されており、以下の記載で詳細に説明する。
技術水準による燃料噴射弁の形態の電磁駆動燃料噴射弁を示す図である。 本発明による燃料噴射弁の第１実施形態を示す図である。 本発明による燃料噴射弁の第２実施形態を示す図である。

図１には、本発明をよりよく理解するために、混合気圧縮型火花点火式内燃機関の燃料噴射装置用燃料噴射弁の形態で、技術水準による電磁操作可能な燃料噴射弁が例示されている。

燃料噴射弁は、マグネットコイル１によって取り囲まれ且つ内側磁極としておよび一部が燃料貫流部として用いられるほぼ管状のコア２を有している。マグネットコイル１は、段状に実施されている外側のスリーブ状の、たとえば強磁性のバルブシェル５によって周方向にて完全に取り囲まれ、該バルブシェルは外側磁極として用いられる外側の磁気回路構成部材である。マグネットコイル１とコア２とバルブシェル５とは、協働して、電気で励磁可能な操作要素を形成している。

コイル本体３内に埋設されているマグネットコイル１は巻回部４でもってバルブスリーブ６を外側から取り囲んでいるのに対し、コア２は、バルブスリーブ６の、バルブ長手軸線１０に対し同心に延在している内側の開口部１１に挿入されている。バルブスリーブ６は長尺に且つ薄壁に実施されている。開口部１１は、とりわけ、バルブ長手軸線１０に沿って軸線方向に可動なバルブニードル１４のための案内開口部として用いられる。バルブニードル６は軸線方向においてたとえば燃料噴射弁の軸線方向全延在距離のほぼ半分にわたって延在している。

コア２およびバルブニードル１４の近傍には、開口部１１内に、さらにバルブシート本体１５が配置され、該バルブシート本体はたとえば溶接継目８によりバルブスリーブ６に固定されている。バルブシート本体１５はバルブシートとしての固定のバルブシート面１６を有している。バルブニードル１４はたとえば管状のアーマチュア１７と、同様に管状のニードル部分１８と、球状の閉弁体１９とによって形成され、この場合閉弁体１９はたとえば溶接継目によりニードル部分１８と固定結合されている。バルブシート本体１５の下流側端面には、たとえば鍋状の噴射孔付きオリフィスプレート２１が配置され、その湾曲した、周方向に周回するように延在している保持エッジ２０は、流動方向とは逆方向に上方へ向けられている。バルブシート本体１５と噴射孔付きオリフィスプレート２１との固定結合は、たとえば周回するように延在する密な溶接継目によって実現されている。バルブニードル１４のニードル部分１８には１個または複数個の横穴２２が設けられ、その結果内側の縦穴２３内を貫流する燃料はアーマチュア１７を外側へ貫通して、閉弁体１９に沿って、たとえば斜面２４に沿ってバルブシート面１６まで流動することができる。

燃料噴射弁の操作は、公知の態様で電磁方式で行う。バルブニードル１４を軸線方向に移動させるため、よってバルブニードル１４に係合している復帰ばね２５のばね力に抗して燃料噴射弁を開弁させるため、或いは、燃料噴射弁を閉弁させるため、マグネットコイル１と、内側のコア２と、外側のバルブシェル５と、アーマチュア１７とを備えた電磁回路が用いられる。アーマチュア１７は閉弁体１９とは逆の側の端部でもってコア２へ向けられている。コア２の代わりに、たとえば内側磁極として用いられ、磁気回路を閉じるカバー部材を設けてもよい。

球状の閉弁体１９は、バルブシート本体１５の、流動方向に切頭円錐状に先細りになっているバルブシート面１６と協働し、該バルブシート面は、軸線方向において、バルブシート本体１５に設けた案内穴の下流側に形成されている。噴射孔付きオリフィスプレート２１は、少なくとも１つの、たとえば４つの、放電加工、レーザー穿孔または打ち抜きによって成形された噴射孔２７を有している。

燃料噴射弁内でのコア２の挿入深さは特にバルブニードル１４のストロークにとって重要である。この場合、マグネットコイル１が励磁されていない場合のバルブニードル１４の終端位置は、閉弁体１９がバルブシート本体１５のバルブシート面１６に当接することによって決定され、他方マグネットコイル１が励磁されている場合のバルブニードル１４の他の終端位置は、アーマチュア１７が下流側のコア端に当接することによって生じる。ストローク調整はコア２を軸線方向へ変位させることによって行い、以後コア２は所望の位置に対応してバルブスリーブ６と固定結合される。

バルブ長手軸線１０に対し同心に延在し、バルブシート面１６の方向への燃料の供給に用いるコア２の流動孔２８内には、調整スリーブ２９の形態の調整要素が復帰ばね２５の外側に位置するように挿入されている。調整スリーブ２９は該調整スリーブ２９に当接している復帰ばね２５の弾性予付勢力の調整に用いられ、復帰ばねはその反対側でもってアーマチュア１７の領域に設けたバルブニードル１４で支持されている。この場合、動的噴出量の調整も調整スリーブ２９を用いて行う。燃料フィルタ３２は調整スリーブ２９の上方に位置するようにバルブスリーブ６内に配置されている。

燃料噴射弁の供給側端部は金属製の燃料供給用接続部４１によって形成され、該燃料供給用接続部はこれを安定化させ、保護し、取り囲んでいるプラスチック射出成形部４２によって取り囲まれている。燃料供給用接続部４１の管４４の、バルブ長手軸線１０に対し同心に延在している流動孔４３は、燃料供給部として用いる。プラスチック射出成形部４２は、プラスチックがバルブスリーブ６の一部とバルブシェル５の一部とを直接に取り囲むように射出成形される。この場合の確実な密封は、たとえばバルブシェル５の周に設けたラビリンスパッキン４６を介して得られる。プラスチック成形部４２には、一緒に射出成形される電気接続プラグ５６も属している。

図２は、本発明による燃料噴射弁の第１実施形態を示している。図１と図２または図３とは同じ縮尺でないので直接にはわからないが、本発明による燃料噴射弁は、構成が非常にスリムなことと、外径が非常に小さいことと、全体的に幾何学的構成が極めて小型であることとを特徴としている。以下では、本発明による寸法設計について詳細に説明する。本実施形態では、バルブスリーブ６は燃料噴射弁の全長にわたって延在するように形成されている。外側の磁気回路構成部材５はグラス状に実施され、マグネットポットとも呼ぶことができる。この場合、磁気回路構成部材５はシェル部分６０と底部部分６１とを有している。外側の磁気回路構成部材５のシェル部分６０の上流側端部には、たとえばラビリンスパッキン４６が設けられ、該ラビリンスパッキンにより、磁気回路構成部材５を取り囲んでいるプラスチック射出成形部４２に対する密封が得られる。磁気回路構成部材５の底部部分６１はたとえば折りたたみ部６２を有することを特徴としており、その結果マグネットコイル１の下方で折り返された磁気回路構成部材５の二重層が生じる。バルブスリーブ６上に装着されている支持リング６４により、一方では、磁気回路構成部材５の折りたたまれた底部部分６１が所定位置で保持される。他方では、支持リング６４により、パッキンリング６６が挿入されている環状溝６５の下端が決定される。環状溝６５の上端はプラスチック射出成形部４２の下稜によって決定される。磁気回路の適当な寸法設計により、マグネットコイル１の周領域における外側の磁気回路構成部材５の外径Ｄ_Ｍはわずか１０．５＜Ｄ_Ｍ＜１３．５ｍｍである。磁気回路構成部材５の本実施形態では、シェル部分６０は筒状に延在しているので、磁気回路構成部材５はどの個所においても前記領域の外径よりも大きな外径を有していない。外側の磁気回路構成部材５の外周には、シェル部分６０の領域に直接パッキンリング６６が装着され、その結果燃料噴射弁は、磁気回路上に半径方向外側に取り付けられるそのパッキンリング６６でもって、１４ｍｍの内径をもつインテイクマニホールドの取付孔にも挿入可能である。パッキンリング６６は外側の磁気回路構成部材５の周領域においてその最大外径部に設けられていてよい。

磁気回路の可能な限り小さな外径を実現できるようにするには、適切に、とりわけ内側磁極として用いられるコア２およびアーマチュア１７のような内側にある構成要素が非常に小さく寸法設計されねばならない。このため、磁気回路の新規な寸法設計では、コア２およびアーマチュア１７の内径に対し最低限必要なサイズとして２ｍｍを決定した。これら両部材、すなわちコア２とアーマチュア１７との内径は内側貫流横断面積を決定するが、内径が２ｍｍの場合、動的噴射量の調整は内側にある復帰ばね２５によっても可能であり、しかも復帰ばね２５の内径の公差が静的貫流量に影響しないことが明らかになった。磁気回路の設計の際には、種々のサイズおよびパラメータが重要な役割を果たす。たとえば、最少噴出量ｑ_ｍｉｎを可能な限り小さくさせるのが最適である。ただしこの場合注意すべきことは、今日通常行われていて将来も要求されると考えられる＜１．０ｍｍ^３／ｍｉｎの密封性を保証するには、Ｆ_Ｆ＞３Ｎのばね力を保持せねばならないことである。本構成においては、Ｆ_Ｆ＞３Ｎのばね力は、密封径ｄ＝２．８ｍｍの場合、電圧Ｕ_ｍｉｎでの静的磁力Ｆ_ｓｍ＞５．５Ｎに相当している。

最大磁力Ｆ_ｍａｘは、電磁駆動型燃料噴射弁の構成に対しては同様に重要な量である。Ｆ_ｍａｘが小さすぎると、すなわちたとえば＜１０Ｎであると、これはいわゆる”ｃｌｏｓｅｄ ｓｔｕｃｋ”を生じさせることがある。このことは、閉弁体１９とバルブシート面１６との間の液圧当接力に打ち勝つためには最大磁力Ｆｍａｘが小さすぎることを意味している。このケースでは、燃料噴射弁は通電されているにもかかわらず開弁できない。

それ故、燃料噴射弁の新規な幾何学的形態は、とりわけ量ｑ_ｍｉｎ，Ｆ_Ｆ，Ｆ_ｍａｘに関する境界条件のもとで決定した。本発明によれば、磁気回路の幾何学的形態を最適化する際、アーマチュア１７の外径Ｄ_Ａが重要な量であることが見出された。アーマチュア１７の最適な外径は４．０ｍｍ＜Ｄ_Ａ＜５．９ｍｍである。これから外側の磁気回路構成部材５の寸法設計を導き出すことができ、この場合磁気回路構成部材５の外径Ｄ_Ｍが１０．５ないし１３．５ｍｍであれば、磁気回路の完璧な機能性を保証し、しかも公知の燃料噴射弁に比べて著しく高いＤＦＲ（ｄｙｎａｍｉｃ ｆｌｏｗ ｒａｎｇｅ）において、保証する。磁気回路の特別な寸法設計により可能になるｑ_ｍｉｎの更なる低減によって、１７よりも大きいＤＦＲを得ることができた。この場合、ＤＦＲは商ｑ_ｍａｘ／ｑ_ｍｉｎとして算出する。

アーマチュア１７の最適な外径Ｄ_Ａを決定した後、本発明に従って磁気回路の満足し得る機能性を維持しながらアーマチュア１７の軸線方向の延在長さを縮小させた。バルブニードル１４の最適な構成および寸法設計による材料節減により、アーマチュア１７および閉弁体１９を含む、軸線方向に移動可能なバルブニードル１４全体は、有利にもｍ＜＝０．８ｇの質量のみを有するに至った。この場合バルブニードル１４は、バルブ長手軸線１０に沿って、該バルブニードル１４の半径方向最大拡がりよりも大きな長手方向延在長さを有する。好ましくは、バルブニードル１４は０．６ｇないし０．７５ｇの質量を有する。このように、移動するバルブ構成部材の質量が小さいことで、今日公知のマニホールドインジェクションバルブから発生する騒音に比べて燃料噴射弁作動時の騒音が減少することは特に有利である。

連続した薄壁のバルブスリーブ６を備えている図２の実施形態の場合、最適化した寸法設計は、バルブスリーブ６の壁厚ｔを少なくとも作用エアギャップの領域で、すなわちコア下部領域とアーマチュア上部領域との間の領域で０．１５＜ｔ＜０．３５ｍｍとして設定する。この実施形態では、バルブスリーブ６における作用エアギャップの領域に、磁束密度０．０１Ｔ＜Ｂ＜０．１５Ｔを備えたゾーンを磁気絞りとして設けてよい。バルブスリーブ６の上記実施形態を備えた燃料噴射弁の構成により、バルブスリーブ６内部でのコア２の変位を介してストローク調整が可能になる。

上記の幾何学的形態および寸法設計に関する考察は、図３に示したような他の実施形態における燃料噴射弁に対しても対応的に適用される。この図３の燃料噴射弁は、バルブスリーブ６およびコア２並びに外側の磁気回路構成部材５の領域で図２のものとは実質的に異なっている。ここではバルブスリーブ６はより短く形成され、燃料噴射弁の噴出側端部からマグネットコイル１の領域までしか達していない。アーマチュア１７を備えた可動なバルブニードル１４の上流側で、バルブスリーブ６は管状のコア２と固定結合されている。これは、バルブスリーブ６内でのコア２の変位を介してのストローク調整がここでは可能でないことを意味している。コア２は、軸線方向において反対側の端部においても、バルブ長手軸線１０に対し同心に延在している燃料供給用接続部材４１の管４４に固定されている。この限りでは、この実施形態の場合、燃料噴射弁の全長にわたって連続している薄壁のバルブスリーブ６は設けられていない。こうしてバルブスリーブ６は、作用エアギャップの領域に、磁気分離部としてＢ＜０．０１Ｔの磁束密度を備えたゾーンを備えている。外側の磁気回路構成部材５を構成する際、底部部分は省略した。その結果該構成部材５は管形状を有するに至った。これが可能であるのは、バルブスリーブ６が半径方向外側へ位置しているフランジ状のカラー６８を有し、その外周に磁気回路構成部材５が当接してこれにたとえば周回するように延在する溶接継目を用いて固定されているからである。支持リング６４は平坦な円板状フランジとして実施されている。燃料噴射弁のこの変形実施形態でも、アーマチュア１７および閉弁体１９を含む、軸線方向に移動可能なバルブニードル１４全体は、わずかにｍ＜＝０．８ｇの質量を有しているにすぎない。

１ マグネットコイル
２ 内側磁極
５ 外側の磁気回路構成部材
６ バルブスリーブ
１０ バルブ長手軸線
１４ バルブニードル
１５ バルブシート本体
１６ バルブシート面
１７ アーマチュア
１９ 閉弁体
６０ シェル部分
６１ 底部部分
６２ 折りたたみ部
６６ パッキンリング
６８ カラー

Claims (9)

1. バルブ長手軸線（１０）と、マグネットコイル（１）を備えた電磁回路の形態の励磁可能なアクチュエータと、内側磁極（２）と、外側磁極（５）と、バルブシート本体（１５）に設けられるバルブシート面（１６）と協働する閉弁体（１９）を操作するためにバルブニードル（１４）とともに可動なアーマチュア（１７）とを備え、前記バルブニードル（１４）が、前記バルブ長手軸線（１０）に沿って、該バルブニードル（１４）の半径方向最大拡がりよりも大きな長手方向延在長さを有している、内燃機関の燃料噴射装置用燃料噴射弁において、
   前記アーマチュア（１７）および前記閉弁体（１９）を含めた、軸線方向に移動可能な前記バルブニードル（１４）全体が、ｍ≦０．８ｇの質量を有し、
   前記外側磁極（５）がグラス状に構成され、シェル部分（６０）と底部部分（６１）とを有し、
   前記底部部分（６１）が、折りたたみ部（６２）によって二重層に形成され、かつ、前記マグネットコイル（１）が埋設されているコイル本体（３）の下側に隣接し、
   前記シェル部分（６０）は、前記バルブ長手軸線（１０）を中心とする円筒形状をなし、
   前記二重層は、一層が前記シェル部分（６０）から内側に向かって伸び、内周部で外側に向かって折りたたまれて残りの層を形成する
   ことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記マグネットコイル（１）の周領域での前記外部磁極（５）の外径が１０．５＜Ｄ_Ｍ＜１３．５ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 前記アーマチュア（１７）の外径Ｄ_Ａが４．０ｍｍ＜Ｄ_Ａ＜５．９ｍｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料噴射弁。
4. 前記バルブスリーブ（６）の壁厚ｔが、少なくとも作用エアギャップの領域で、すなわちコア下部領域とアーマチュア上部領域との間の領域で０．１５＜ｔ＜０．３５ｍｍであることを特徴とする、請求項１または２または３に記載の燃料噴射弁。
5. 前記外部磁極（５）の外周に直接パッキンリング（６６）が装着されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１つに記載の燃料噴射弁。
6. 前記パッキンリング（６６）が前記外部磁極（５）の周領域においてその最大外径部に設けられていることを特徴とする、請求項５に記載の燃料噴射弁。
7. 前記薄壁のバルブスリーブ（６）が前記燃料噴射弁の軸線方向の全長にわたって延在し、前記内側磁極（２）が前記バルブスリーブ（６）内部でのストローク調整可能であり、前記バルブスリーブ（６）における前記作用エアギャップの領域に、０．０１Ｔ＜Ｂ＜０．１５Ｔの磁束密度をもつゾーンが磁気絞りとして設けられていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１つに記載の燃料噴射弁。
8. 前記薄壁のバルブスリーブ（６）が前記燃料噴射弁の噴出側端部から前記マグネットコイル（１）の領域まで延在し、前記内側磁極（２）が前記バルブスリーブ（６）に固定結合され、前記バルブスリーブ（６）における前記作用エアギャップの領域に、Ｂ＜０．０１Ｔの磁束密度をもつゾーンが磁気分離部として設けられていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料噴射弁。
9. 前記バルブスリーブ（６）が半径方向外側へ位置しているフランジ状のカラー（６８）を有し、その外周に前記外部磁極（５）が当接してこれに固定されていることを特徴とする、請求項８に記載の燃料噴射弁。

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