JP2004506137A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料噴射弁、特に内燃機関の燃焼室に直接に突入する燃料噴射弁であって、励磁可能なアクチュエータ（１０，１１，１２）と、アクチュエータ（１０，１１，１２）によって運動可能な弁閉鎖体（７）と、弁の開閉のために弁閉鎖体（７）と協働する定置の弁座（２２）と、該弁座（２２）の下流に配置された少なくとも１つの流出開口（２３）によって形成されている、下流側の噴射領域に形成された燃料流出部と、弁座（２２）の下流側かつ、少なくとも１つの流出開口（２３）を有した噴射領域の上流側に形成されたデッドボリューム（２５）とを有した形式のものに関する。デッドボリューム（２５）を制限する、弁閉鎖体（７）の表面（３３）が、少なくとも２５μｍの粗さを有する、燃焼室ガスを貯えるための少なくともいくつかの孔が設けられた表面構造を有している。

Description

【０００１】
背景技術
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から出発している。
【０００２】
エンジンを運転する際に、一般に燃料を内燃機関の燃焼室に直接噴射する場合、特にガソリン直接噴射もしくはディーゼル燃料噴射の場合に問題が生じる。即ち、燃焼室内に突入する、噴射弁の下流側の先端が燃料の堆積により炭化される、もしくは、火花前方に形成される煤粒子が弁先端に堆積するという問題が生じる。従ってこれまで公知の燃焼室内に突入する噴射弁では、その耐用期間中にわたって噴霧パラメータ（例えば静的な流量、噴射角度、液滴サイズ、束特性）に悪影響を及ぼす危険がある。これにより内燃機関の運転障害、ひいては噴射弁の故障に到る恐れがある。
【０００３】
発明の効果
請求項１の特徴部に記載の特徴を有する本発明による燃料噴射弁は、特に燃焼室内に突入する弁先端の流出開口にカーボン堆積（煤堆積）するという前述の欠点を制限し排除するという利点を有している。弁ニードル端部と流出開口を有する噴射領域との間に位置するデッドボリューム（死容積）への通路を備えた燃焼室ガスを貯えるための粗い表面構造を本発明により形成することにより、流出開口におけるカーボン堆積をほぼ回避することができる。液相に対して気相が上昇し、かつ表面張力が大きいことによりガスは、燃焼室ガスを貯えるための粗い表面構造体の孔内に留まる。
【０００４】
このようにして噴霧パラメータと弁機能は、燃料を燃焼室に直接噴射する際にも燃料噴射弁において長い耐用期間にわたって安定的に維持することができる。
【０００５】
請求項２以下に記載された手段により、請求項１に記載された燃料噴射弁の有利な別の構成および改良形が得られる。
【０００６】
粗く多孔質の表面構造を、流出開口に面した弁ニードル端部もしくは弁閉鎖体の、デッドボリュームに面した表面に設けると有利である。有利には表面構造は粗面化（浸食加工、エッチング、粗い粒子による研磨、工具きずまたは旋削溝の加工成形などによる）または、相応する構成部分を焼結形成することにより形成することができる。
【０００７】
粗い表面のガスを貯える孔が蒸気形成核としても働くとさらに有利である。これにより蒸気圧が下回られると孔において燃料の蒸気が形成される。
【０００８】
実施例の説明
図１には混合気圧縮型の火花点火式内燃機関の燃料噴射装置のための噴射弁としての弁の実施例が部分的に示されている。この噴射弁は管状の弁座支持体１を有している。この弁座支持体１には、弁長手方向軸線２に同心的に長手方向孔３が形成されている。この長手方向孔３には、例えば管状の弁ニードル５が配置されている。この弁ニードル５は下流側の端部６で例えばボール状の弁閉鎖体７に堅固に結合されている。この弁閉鎖体７の周面には、燃料の流過のために例えば５つの面取り部８が設けられている。
【０００９】
噴射弁の操作は公知のように例えば電磁式に行われる。弁ニードル５の軸方向の運動、ひいては戻しばね（図示せず）のばね力に抗した噴射弁の開放もしくは閉鎖のために、電磁コイル１０、可動子１１、コア１２を備えた電磁回路（概略的に示した）が働く。可動子１１は、弁ニードル５の、弁閉鎖体７とは反対側の端部に、例えばレーザにより形成された溶接シームによって結合されていて、コア１２に向けられている。
【００１０】
軸方向運動中に弁閉鎖体７をガイドするために、弁座体１６のガイド開口１５が働いている。この弁座体１６は、弁座支持体１の、コア１２とは反対側の下流側に位置する端部の、弁長手方向軸線２に対して同心的に延びる長手方向孔３に溶接によって密に組み付けられている。弁座体１６は例えばコップ状に形成されており、弁座体１６の周面部分１７は可動子１１の方向で、弁座支持体１に当接しているカラー１８に移行している。弁座体１６は、カラー１８とは反対側で底面部分１９を有している。この底面部分１９は例えば凸状に湾曲されている。
【００１１】
弁座体１６の押し込み深さは、弁ニードル１５の行程の大きさを規定している。何故ならば磁石コイル１０が励磁されていない状態での弁ニードル５の終端位置は、弁閉鎖体７が、下流方向で円錐状に減径する、もしくは僅かに湾曲されて形成されている弁座面２２で、弁座体１６の底面部分１９に当接することにより規定されているからである。弁ニードル５の他方の終端位置は、磁石コイル１０が励磁された状態で、例えば可動子１１がコア１２に当接することにより規定されている。従って、弁ニードル５のこれら両終端位置の間の距離が行程を成している。球状の弁閉鎖体７は、弁座体１６の、円錐台形状のもしくは湾曲された弁座面２２と協働する。この弁座面２２は、ガイド開口１５と、弁座体１６の底面部分１９の中央の領域加工成形された複数の流出開口２３との間に形成されている。底面部分１９は燃料噴射弁の噴射領域を形成している。
【００１２】
燃料噴射弁は特にいわゆる多孔弁として形成されている。この多孔弁は特に、燃焼室（図示せず）に燃料を直接噴射するのに適している。この場合、弁座体１６の底面部分１９には少なくとも２つの、または４つの、または多数の流出開口２３が、例えば浸食加工またはレーザ穿孔または打ち抜きによって加工成形されている。燃焼室に燃料を所望のように充填するために、流出開口２３は、弁長手方向軸線２に対して例えば種々様々な角度に向けられている。この場合、例えば全ての流出開口２３が下流方向で弁長手方向軸線２に対して所定の角度を成して離れている。
【００１３】
燃焼室に燃料を直接噴射するためのこのような形式の多孔弁は、その流出開口が燃焼室の雰囲気に直接にさらされており極めて炭化し易い。不都合なことに、このような流出開口の周りはカーボン堆積により塞がれる恐れがあり、これにより所望の噴射量が許容誤差内で調量されなくなり、分配できなくなる。
【００１４】
本発明による燃料噴射弁によれば、流出開口２３の領域における燃焼室のカーボン堆積により流出開口２３が塞がれ、これにより弁の耐用期間にわたって噴射量が著しく変化してしまうことが大幅に回避される。
【００１５】
弁閉鎖体７と、弁座体１６の湾曲された底面部分１９とは異なる曲率半径を有するように成形されているので、燃料噴射弁が閉鎖された状態で、弁閉鎖体７と底面部分１９との間の流出開口２３の領域におけるリング状に延びる弁座面２２の内側で閉じられた中間室が形成されていて、この中間室はデッドボリューム２５を成している。本発明によれば、流出開口２３におけるカーボン堆積を防止するために、デッドボリューム２５内にガスが貯えられる。このガスリザーブの作用原理を説明する前に次にカーボン堆積の生成について簡単に説明する。
【００１６】
流出開口２３を概略的に示した図２により貫流とカーボン堆積の過程を次に説明する。弁閉鎖体７が、噴射過程の終了時に弁座面２２に押し戻されると、流出開口２３を通る貫流は突然止められる。即ち燃料はもはや、シール面領域を通って弁座面２２を流過してデッドボリューム２５に到らない。
【００１７】
弁の閉鎖の直前に流出開口２３から流出した液柱２７はその質量に基づき所定の慣性を有している。弁の閉鎖およびこれに関連したシール面領域における貫流の停止に基づき生じる液柱２７における負圧は、流出開口２３の流出平面２８から、上流方向に向かって流出開口２３の内側で慣性に基づき大きくなる。液柱２７の内側の所定の個所２９では、液体の蒸気圧が下回られる。この個所では突然、蒸気相が形成され、これにより、液柱２７の、この個所２９よりも下流側にある部分３０が、慣性力によりその他の液体から引き離される。
【００１８】
流出開口２３の内側には液体のメニスカスが形成される。このメニスカスには液体と、弁をとりまく気体との間の界面が存在する。燃料を燃焼室に直接に噴射する際に、全ての構成部分が燃焼室において直接に極端な熱作用下に置かれる。従って直接噴射弁も、特に燃焼室内に突入する噴射開口２３も極端な熱作用を受ける。燃焼中には、特に上述の界面においてカーボン残滓が形成される。これは流出開口２３の壁に堆積し、既に説明したような克服すべき欠点となる。従って公知の弁では、所定の深さで流出開口２３にリング状のカーボン堆積が生じ、これは貫流に不都合に作用する。
【００１９】
燃料噴射弁の本発明による構成により、流出開口２３は完全に空にされる。これにより流出開口２３の内側にはカーボン堆積は生じ得ない。従って本発明によれば、デッドボリューム２５を制限する構成部分、この場合、弁閉鎖体７または弁座体１６に直接に表面処理が行われる。この表面処理により、ガスリザーブのための表面３３の粗さが得らる。
【００２０】
デッドボリューム２５を制限する、下流側の弁ニードル端部もしくは弁閉鎖体７の表面３３および下流側の噴射領域を有する弁座体１６の表面３３の少なくとも１つは多孔性の構造体を有している。この多孔性の表面３３は例えば粗面化（放電加工によるキャビティ形成、エッチング、粗い粒子による研磨、工具きずまたは旋削溝の加工成形、サンドブラスと、金属球の吹き付けなど）により、または相応の構成部分を焼結することにより形成される。表面３３はこのような表面処理により、ガスリザーブのために、少なくとも２５μｍの粗さを有する少なくとも幾つかの孔が設けられた表面構造を有す。
【００２１】
粗面化された表面３３では、極めて小さな気泡を個々の孔に保持することができる。場合によっては焼結された構成部分では、気相は材料構造体の多数の中空室に、直接的な表面から離れて位置する材料領域でも貯えられる。粗面化された表面３３の孔に貯えられれた気泡は極めて小さく、これにより気泡は、その高い表面張力により、従って良好な付着性により、液体流によって孔から流出され得ない。
【００２２】
弁閉鎖体７が弁座面２２から持ち上がることにより弁が開放される際に、デッドボリューム２５内の液圧は上昇し、これにより表面３３の孔内のガス体積は圧縮される。弁が閉鎖する際に液圧は再び下がり、ガス体積は孔内部で再び膨張する。弁の閉鎖時に液体のデッドボリューム２５へのさらなる流入が遮断されるので、さらに流出する液体の慣性により液層に負圧が生じる。これにより表面３３の孔のガス体積はさらに膨張し、その一部はデッドボリューム２５内に到る。このようにして押しのけられた液体体積は流出開口２３から流出する。
【００２３】
デッドボリューム２５内の圧力が再び均衡に調節されている間に、残っている液体体積は気相の収縮により再び流出開口２３からデッドボリューム２５へと戻される。流出開口２３は完全に燃焼室のガスで満たされる。液柱は流出開口２３から完全になくなる。このようにして流出開口２３において液柱２７のメニスカスはもはや存在しなくなる。従って流出開口２３には、不都合な環状のカーボン堆積も形成され得ない。
【００２４】
粗面化された表面３３の別の機能は、ガスを貯える孔が蒸気形成の核として働くことにある。燃料における、弁の閉鎖により生じる蒸気減圧の際に、孔内の蒸気圧が下回られて燃料の蒸気泡が形成される。この気泡の増大により、液体の燃料がデッドボリューム２５から押しのけられる。デッドボリューム２５における圧力の均衡の調節後に、気相の収縮により残された液体体積は再び流出開口２３からデッドボリューム２５内に戻される。
【００２５】
弁ニードル先端もしくは弁閉鎖体７は、本発明による粗表面が設けることができる燃料噴射弁の構成部分に限られるものではない。むしろ、所望の粗さを有する表面３３がデッドボリューム２５を部分的に制限することが保証されていればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料噴射弁を部分的に示した図である。
【図２】流出開口を、内部に形成され、分断された液柱とともに概略的に示す断面図である。

Claims (11)

1. 燃料噴射弁、特に内燃機関の燃焼室に直接に突入する燃料噴射弁であって、励磁可能なアクチュエータ（１０，１１，１２）と、アクチュエータ（１０，１１，１２）によって運動可能な弁閉鎖体（７）と、弁の開閉のために弁閉鎖体（７）と協働する定置の弁座（２２）と、該弁座（２２）の下流に配置された少なくとも１つの流出開口（２３）によって形成されている、下流側の噴射領域に形成された燃料流出部と、弁座（２２）の下流側かつ、少なくとも１つの流出開口（２３）を有した噴射領域の上流側に形成されたデッドボリューム（２５）とを有した形式のものにおいて、
   デッドボリューム（２５）を制限する構成部分の少なくとも１つの表面（３３）が、デッドボリューム（２５）への直接的な通路を備えた表面構造を有しており、該表面構造には、少なくとも２５μｍの粗さを有する、燃焼室ガスを貯えるための少なくともいくつかの孔が設けられていることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記表面（３３）が多孔質である、請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 前記表面（３３）の表面構造体が、浸食加工によって粗面化されている、請求項１または２記載の燃料噴射弁。
4. 前記表面（３３）の表面構造体がエッチングによって粗面化されている、請求項１または２記載の燃料噴射弁。
5. 前記表面（３３）の表面構造体が粗い粒子による研磨によって粗面化されている、請求項１または２記載の燃料噴射弁。
6. 前記表面（３３）の表面構造体が工具きずまたは旋削溝を加工成形することによって粗面化されている、請求項１または２記載の燃料噴射弁。
7. 前記表面（３３）の表面構造体が、前記表面（３３）を有する構成部分を焼結することによって形成されている、請求項１または２記載の燃料噴射弁。
8. 流出開口（２３）に面した下流側の弁ニードルもしくは弁閉鎖体（７）の、デッドボリューム（２５）に面した表面（３３）に前記表面構造体が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
9. ガスを貯える、前記表面（３３）に設けられた孔が、蒸気形成核としても働く、請求項１から８までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
10. 燃料噴射弁が、火花点火式の内燃機関の燃焼室内に突入している、請求項１から９までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
11. 燃料噴射弁が、自己着火式内燃機関の燃焼室内に突入している、請求項１から９までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。