JP2008516136A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

本発明による燃料噴射弁は、不動の弁座（２９）を有する弁座体（１６）の下流側に、多数の噴射開口（２４）を有する孔付きディスク（２３）が配置されていることによって特徴付けられている。噴射開口（２４）のすぐ下流側には、環状の流入中空室（２６）を備えた流入開口（１９）が設けられている。弁座体（１６）は流入中空室（２６）を、孔付きディスク（２３）の下流側の噴射開口（２４）がカバーされているようにカバーしている。噴射開口（２４）は、それぞれ１つの流入領域（３３）を有している。この流入領域（３３）の直径Ｄ１は、鋭い縁部を備えてすぐ下流側で流入領域（３３）に続く領域の直径Ｄ２よりも著しく大きく寸法設定されている。前記領域は、噴射開口（２４）の最も狭幅の横断面を形成している。また、前記領域から、噴射開口（２４）が、流れ方向で直径Ｄ３にまでトランペット状に拡幅している。
燃料噴射弁は、特に混合気圧縮型の火花点火式の内燃機関の燃料噴射装置に使用するために適している。

Description

背景技術
本発明は、独立請求項の上位概念部に記載した形式の燃料噴射弁から出発する。

すでにドイツ連邦共和国特許出願公開第４２２１１８５号明細書に基づき、不動の弁座の下流側に、複数の噴射開口を備えた孔付きディスクを有する燃料噴射弁が公知である。孔付きディスクには、まず、打抜き加工によって少なくとも１つの噴射開口が設けられる。この噴射開口は弁長手方向軸線に対して平行に延びている。その後、孔付きディスクが、噴射開口を有する中間の領域で深絞り加工によって塑性変形させられ、これによって、噴射開口が弁長手方向軸線に対して傾けられて延びていて、流れ方向で円錐台形にもしくは円錐形に拡幅している。こうして、それまで公知であった噴射弁に比べて、噴射開口を通して放出される媒体の良好な調整と良好な噴流安定性とが得られる。しかし、孔付きディスクの噴射開口の製作プロセスには極めて手間がかかる。噴射開口は、弁座体に設けられた流出開口のすぐ下流側に設けられており、この限りにおいて、噴射開口には、流体が直接供給される。

特開２００１−０４６９１９号公報に基づき、すでに弁座の下流側に、複数の噴射開口を備えた孔付きディスクが設けられた燃料噴射弁が公知である。この場合、弁座体に設けられた流出開口と、孔付きディスクとの間には、より大きな直径を備えた流入開口が形成されている。この流入開口は、噴射開口のための環状の流入中空室を形成している。孔付きディスクの噴射開口は、流入開口と環状の流入中空室とに直接流れ接続されていて、この場合、流入開口の上側の制限部によってカバーされる。別の言葉で表現するならば、流入開口の入口を規定する流出開口と、噴射開口との完全なずれが付与されている。弁座体に設けられた流出開口に対する噴射開口の半径方向のずれに基づき、燃料のＳ字形の流れ経過が生ぜしめられる。この流れ経過は噴霧促進手段を成している。流れのＳ字形の経過を規定する流入開口は、一貫してコンスタントな高さを有している。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６０７２７７号明細書に基づき、すでに孔付きディスクを備えた燃料噴射弁が公知である。孔付きディスクは、種々異なる開口ジオメトリを有する複数の機能平面を有している。孔付きディスクの個々の機能平面は、電気めっきによる金属析出（多層電気めっき）によって重なり合って形成される。この噴射弁では、弁座体が、孔付きディスクの上側の機能平面に設けられた流入開口を決して制限していないかもしくはカバーしていないことが望ましい。

発明の利点
独立請求項の特徴部に記載の特徴を備えた本発明による燃料噴射弁は、燃料の均一な極微細噴霧が簡単に得られるという利点を有している。この場合、極めて小さな燃料液滴による特に高い調整品質と噴霧品質とが得られる。このことは、有利には、弁座の下流側に、噴射開口の特殊なジオメトリを備えた噴霧器ディスクとしての孔付きディスクが設けられていることによって達成される。本発明による孔付きディスクによって、噴霧品質の主要な量としての燃料液滴のＳＭＤ、いわゆる「ザウタ平均粒径」に対して約２０μｍである噴霧品質を備えた燃料スプレーを噴射することができる。

噴射開口に流入する流れの水平方向の速度成分は、各噴射開口の壁によって流入平面で妨害されず、これによって、燃料噴流が、噴射開口からの流出時に、流入中空室内に発生させられた水平方向成分の十分な強度を有していて、したがって、最大の噴霧で扇状に拡散する。

従属請求項に記載した手段によって、独立請求項に記載した燃料噴射弁の有利な構成および改良形が可能となる。

有利には、弁座体に噴射開口の上流側で、環状の流入中空室を備えた流入開口が設けられている。この流入開口は、弁座の下流側の流出開口よりも大きく寸法設定されている。こうして、弁座体がすでに孔付きディスクにおける流れ影響の機能を引き受けている。特に有利には、流入開口の形成によって、燃料の噴霧改善のための流れにおけるＳ衝撃が達成される。なぜならば、弁座体が流入開口の上側の制限部で孔付きディスクの噴射開口をカバーしているからである。

電気めっきによる金属析出によって、有利には、孔付きディスクを再現可能に極端に精密にかつ廉価に極めて大きな個数で同時に製作することができる。さらに、この製作形式によって、極めて大きな構成自由度が可能となる。なぜならば、孔付きディスクに設けられた開口の輪郭が自由に選択可能であるからである。

実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１には、１つの実施例として、混合気圧縮型の火花点火式の内燃機関の燃料噴射装置に用いられる噴射弁の形の弁が部分的に示してある。この噴射弁は、概略的にしか図示していない、弁ハウジングの一部を形成する管状の弁座支持体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に対して同心的に長手方向開口３が形成されている。この長手方向開口３内には、たと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はその下流側の端部６で、たとえば球形の弁閉鎖体７に固く結合されている。この弁閉鎖体７の周面には、燃料を流過させるための、たとえば５つの扁平加工部８が設けられている。

噴射弁の操作は公知の形式で、たと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）のばね力に抗した開放もしくは噴射弁の閉鎖のためには、ソレノイドコイル１０と、プランジャ１１と、コア１２とを備えた、概略的に図示した電磁回路が働く。プランジャ１１は、弁ニードル５の、弁閉鎖体７と反対の側の端部に、たとえばレーザを用いて形成された溶接シームによって結合されていて、コア１２に方向付けられている。

弁座支持体１の、下流側に位置する端部には、弁座体１６が、たとえば溶接によって密に組み付けられている。この弁座体１６は、弁閉鎖体７と反対の側の下側の端面１７で段付けられて形成されている。この場合、中間の領域には、弁長手方向軸線２を環状に取り囲んで凹部２０が設けられている。この凹部２０内には、平らな一層の孔付きディスク２３が挿入されている。この孔付きディスク２３は多数の噴射開口２４、理想的には、僅かな開口幅に基づき最大４００個の噴射開口２４を有している。凹部２０ひいては孔付きディスク２３の噴射開口２４の上流側では、弁座体１６に流入開口１９が設けられている。この流入開口１９を介して、個々の噴射開口２４に流体が供給される。この場合、流入開口１９は、弁座体１６に設けられた流出開口２７の開口幅よりも大きい直径を有している。この流出開口２７から、燃料が到来して流入開口１９内に流入し、最終的に噴射開口２４内に流入する。

流入開口１９は、噴射開口２４の直接的な流入領域に特別なジオメトリを備えて形成されている。流入開口１９の、流出開口２７に比べて大きな直径の環状領域が図２に拡大して示してあり、以下、この環状領域を流入中空室２６と呼ぶ。

弁座体１６と孔付きディスク２３との結合は、たとえばレーザを用いて形成された、全周にわたって延びる密な溶接シーム２５によって行われる。この溶接シーム２５は流入開口１９の外側に配置されている。孔付きディスク２３の固定後、この孔付きディスク２３は、端面１７に対して引っ込められて凹部２０内に位置している。

長手方向開口３内の、孔付きディスク２３を備えた弁座体１６の押込み深さが、弁ニードル５のストロークの量を規定している。なぜならば、ソレノイドコイル１０が励磁されていない場合に、弁ニードル５の一方の終端位置が、弁座体１６の、下流側で円錐形に先細りにされた弁座面２９への弁閉鎖体７の当付けによって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、ソレノイドコイル１０の励磁時に、たとえばコア１２へのプランジャ１１の当付けによって規定される。したがって、弁ニードル５の両終端位置の間の距離がストロークを成している。

孔付きディスク２３の噴射開口２４は流入開口１９と環状の流入中空室２６とに直接流れ接続されていて、この場合、流入開口１９の上側の制限部によってカバーされる。別の言葉で表現するならば、流入開口１９の入口を規定する流出開口２７と、噴射開口２４との完全なずれが付与されている。流出開口２７に対する噴射開口２４の半径方向のずれに基づき、媒体、ここでは燃料のＳ字形の流れ経過が生ぜしめられる。

複数回の激しい流れ変向による孔付きディスク２３の前方のかつ内部の、いわゆる「Ｓ衝撃」によって、流れに、強い噴霧促進乱流が付与される。これによって、流れに対して横方向の速度勾配が特に強く特徴付けられている。この速度勾配は、流れに対して横方向の速度の変化に対する表現である。この場合、流れの中間における速度は、壁の近くにおける速度よりも著しく大きい。速度差から生ぜしめられる、流体における高められた剪断応力は、噴射開口２４の近くでの微細な液滴への崩壊を助成する。本発明によれば、噴射開口２４の特殊なジオメトリによって、流体にさらに付加的にその噴霧において有利な影響が与えられ、これによって、さらに一層改善された、極微細な液滴への崩壊が獲得可能となる。

孔付きディスク２３は、電気めっきによる金属析出によって製作されている。この場合、特にいわゆる「ラテラルオーバグロース」の技術による一層の孔付きディスク２３の製作が有利である。この技術に関しては、図５Ａ〜図５Ｃにつき詳しく説明する。

図２には、弁座体１６の制限面３０と孔付きディスク２３との間の流入中空室２６のジオメトリと、孔付きディスク２３に設けられた噴射開口２４のジオメトリとを明瞭にするために、図１に示した部分ＩＩが拡大して示してある。弁座体１６は、たとえば制限面３０が、流出開口２７から出発して、半径方向外向きで孔付きディスク２３に向かってなだらかに傾斜して延びるように形成されている。これによって、噴射開口２４の、弁長手方向軸線２に対して垂直に延びる流入平面３１の上方に、流入中空室２６のますます僅かな高さが付与され（たとえば１００μｍから３０μｍへの流入中空室２６の高さの減少）、流れが、半径方向外側の噴射開口２４への途中でなだらかに加速させられる。最大４００個の噴射開口２４は、たとえば同心的な複数の円軌道で孔付きディスク２３に配置されている。個々の噴射開口２４の間の間隔は、たとえば約１２０〜１５０μｍである。

噴射開口２４は、理想的な形式では、トランペット状の輪郭を有している。この場合、上流側の流入領域３３が円筒状の横断面を有している。この流入領域３３は、本来のトランペット状の噴射開口２４の、円筒状の横断面に直接続く開口領域よりも著しく大きな直径を有している。図３および図４には、本発明により成形された噴射開口２４の２つの実施例が示してある。

噴射開口２４の個々の区分の絶対的なサイズとサイズ比とを理解するために、以下に、図３につき噴射開口２４の幾つかの寸法を例示することにする。孔付きディスク２３全体の厚さＨ１は、約５０〜１００μｍである。しかし、この場合、噴射開口２４の流入領域３３は、約３〜５μｍの高さＨ２しか有していない。噴射開口２４の流入領域３３の直径Ｄ１は、たとえば約１００〜１５０μｍのサイズオーダ内にあり、これによって、孔付きディスク２３の厚さＨ１よりも大きく寸法設定されている。すなわち、この大きな直径の流入領域３３には、噴射開口２４の約３〜５μｍの軸方向の長さの後、鋭い縁部を備えて著しく小さな直径の区分が下流側に続いている。この区分は、約３０〜１００μｍの直径Ｄ２しか有していない。これによって、このＤ２が噴射開口２４全体の最も狭幅の直径を成している。直径Ｄ２から出発して、噴射開口２４は、たとえばなだらかに湾曲させられて、特に下流側の方向への壁の湾曲のコンスタントな曲率半径Ｒを備えてトランペット状に拡幅している。こうして、噴射開口２４の流出平面３４に直径Ｄ３が得られる。この直径Ｄ３は流入平面３１の直径Ｄ１ひいては流入領域３３にほぼ相当していて、すなわち、約１００〜１５０μｍでもある。

図４に示した実施例は、図３に示した噴射開口２４と、特にトランペット状の開口領域が２つの区分に分割されている点で異なっている。この場合、上流側の第１の区分３５はほぼ円筒状の輪郭を有しているのに対して、下流側の第２の区分３６は漏斗状の輪郭を有している。約５０〜１００μｍの孔付きディスク２３の厚さＨ１では、円筒状の第１の区分３５が約２０〜５０μｍの長さＨ３を有している。噴射開口２４の両実施例の壁の湾曲の曲率半径Ｒは、理想的にはコンスタントであり、その中心点を正確に流入領域３３の下側の制限角部に有している。

図５Ａ〜図５Ｃにつき、特に噴射開口２４の領域における本発明による孔付きディスク２３の製作の製作ステップを説明する。基板体３７に２つのフォトレジスト層３８，３９が重なり合って析出される。この場合、第２のレジスト層３９は、第１のレジスト層３８のマスキング、露光および構造化後に初めて被着される。第２のレジスト層３９のマスキング、露光および構造化後、両レジスト層３８，３９が１回のステップで現像される。すなわち、レジスト層３８，３９の、露光されていない箇所が湿式化学的に除去される。基板体３７で、露光された箇所に、段付けられたレジストタワー４０がレジスト層３８，３９の残分として残され、しかも、孔付きディスク２３の噴射開口２４を形成したい箇所に正確に残される。第１のレジスト層３８には、レジストタワー４０が、第２のレジスト層３９よりも著しく大きな直径を有している。しかし、このためには、第２のレジスト層３９が著しく大きな高さで被着されている。

後続のプロセスステップ（図５Ｂ参照）では、金属が基板体３７にレジストタワー４０を取り囲むように一段階のプロセスで電気めっきにより析出される。電気めっき層４１は、まず、基板体３７から第１のレジスト層３８に高さ方向で成長し、電気めっき層４１が第２のレジスト層３９の周面に完全に接触するまで、第１のレジスト層３８の上面にわたって成長する。電気めっきは、第２のレジスト層３９の周面に僅かな電気めっき層厚さが存在した瞬間に停止される。第１のレジスト層３８にわたる成長によって、第２のレジスト層３９を取り囲んで各レジストタワー４０の領域に、電気めっき層４１への所望の漏斗状のまたはトランペット状の引込み部が生ぜしめられる（「ラテラルオーバグロース」）。各レジストタワー４０における引込み部は、最終的に、孔付きディスク２３に設けられた各噴射開口２４の、強く発散する部分を形成している。

レジストタワー４０と基板体３７との除去（「ストリッピング」）後、多数の噴射開口２４を備えた一層の孔付きディスク２３が付与される（図５Ｃ参照）。図５Ｃに示した矢印が示すように、孔付きディスク２３の噴射開口２４は、組み付けられた状態で電気めっき成長方向で通流される。図４に示した、最も狭幅の横断面を備えた噴射開口２４の円筒状の区分３５は、高い精度での第２のレジスト層３９の成形によって形成される。

噴射弁を部分的に示す図である。 弁座体に設けられた流入中空室と、多数の噴射開口を有する孔付きディスクとを備えた、図１に示した部分ＩＩの拡大図である。 本発明により成形された噴射開口の第１の実施例を示す図である。 本発明により成形された噴射開口の第２の実施例を示す図である。 噴射開口の領域における本発明による孔付きディスクの製作の第１の製作ステップを示す図である。 噴射開口の領域における本発明による孔付きディスクの製作の第２の製作ステップを示す図である。 噴射開口の領域における本発明による孔付きディスクの製作の第３の製作ステップを示す図である。

符号の説明

１ 弁座支持体、 ２ 弁長手方向軸線、 ３ 長手方向開口、 ５ 弁ニードル、 ６ 端部、 ７ 弁閉鎖体、 ８ 扁平加工部、 １０ ソレノイドコイル、 １１ プランジャ、 １２ コア、 １６ 弁座体、 １７ 端面、 １９ 流入開口、 ２０ 凹部、 ２３ 孔付きディスク、 ２４ 噴射開口、 ２５ 溶接シーム、 ２６ 流入中空室、 ２７ 流出開口、 ２９ 弁座面、 ３０ 制限面、 ３１ 流入平面、 ３３ 流入領域、 ３４ 流出平面、 ３５ 区分、 ３６ 区分、 ３７ 基板体、 ３８ レジスト層、 ３９ レジスト層、 ４０ レジストタワー、 ４１ 電気めっき層、 Ｄ１ 直径、 Ｄ２ 直径、 Ｄ３ 直径、 Ｈ１ 厚さ、 Ｈ２ 高さ、 Ｈ３ 長さ、 Ｒ 曲率半径

Claims (13)

1. 内燃機関の燃料噴射装置に用いられる燃料噴射弁であって、弁長手方向軸線（２）と、不動の弁座（２９）を有する弁座体（１６）と、弁座（２９）と協働する、弁長手方向軸線（２）に沿って軸方向に運動可能である弁閉鎖体（７）と、弁座（２９）の下流側に配置された、多数の噴射開口（２４）を有する孔付きディスク（２３）とが設けられている形式のものにおいて、噴射開口（２４）が、流入領域（３３）を有しており、該流入領域（３３）の直径Ｄ１が、鋭い縁部を備えてすぐ下流側で流入領域（３３）に続く領域の直径Ｄ２よりも著しく大きく寸法設定されており、前記領域が、噴射開口（２４）の最も狭幅の横断面を形成しており、前記領域から、噴射開口（２４）が、流れ方向で直径Ｄ３にまで拡幅していることを特徴とする、内燃機関の燃料噴射装置に用いられる燃料噴射弁。
2. 孔付きディスク（２３）が、約５０〜１００μｍの厚さＨ１を有している、請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 流入領域（３３）が、約３〜５μｍの高さＨ２を有している、請求項１または２記載の燃料噴射弁。
4. 流入領域（３３）が、約１００〜１５０μｍの直径Ｄ１を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
5. 噴射開口（２４）が、流入領域（３３）からの、鋭い縁部を備えた移行部に最小の直径Ｄ２を有しており、該直径Ｄ２が、約３０〜１００μｍに寸法設定されている、請求項４記載の燃料噴射弁。
6. 噴射開口（２４）が、約１００〜１５０μｍの直径Ｄ３にまで拡幅している、請求項４または５記載の燃料噴射弁。
7. 流入領域（３３）の、鋭い縁部を備えた移行部から、噴射開口（２４）が、トランペット状のまたは漏斗状の輪郭を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
8. 噴射開口（２４）の壁の湾曲が、コンスタントな曲率半径Ｒを備えて延びている、請求項７記載の燃料噴射弁。
9. 壁の湾曲の曲率半径Ｒが、その中心点を流入領域（３３）の下側の制限角部に有している、請求項８記載の燃料噴射弁。
10. 流入領域（３３）に続く開口領域が、２つの区分（３５，３６）、つまり、円筒状の輪郭を備えた上流側の第１の区分（３５）と、漏斗状の輪郭を備えた下流側の第２の区分（３６）とに分割されている、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. 孔付きディスク（２３）が、最大４００個の噴射開口（２４）を有している、請求項１から１０までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
12. 孔付きディスク（２３）の上流側に形成された流入中空室（２６）が、斜めに傾けられて形成されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
13. 孔付きディスク（２３）が、電気めっきによる金属析出によって一層で製作可能である、請求項１から１２までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。

Images