JP2009503353A - 燃料噴射弁および噴射開口を加工成形するための方法 - Google Patents

Abstract

内燃機関の燃料噴射装置に用いられる本発明による燃料噴射弁（１）は、弁閉鎖体（４）を操作するための励磁可能なアクチュエータ（１０）を有しており、該弁閉鎖体（４）は弁座体（５）に形成された弁座面（６）と共に１つのシールシートを形成している。該弁座面（６）の下流側では、弁座体（５）に複数の噴射開口（７）が形成されている。当該燃料噴射弁（１）は、噴射開口（７）が、互いに異なる開口径を有する少なくとも１つの上流側の第１の噴射開口区分（７´）と下流側の第２の噴射開口区分（７´´）とを有しており、１つの部分円に沿って配置された全ての噴射開口（７）の第２の噴射開口区分（７´´）の壁範囲（４２，４３）が、該噴射開口（７）を有する弁構成部分の長手方向軸線（４０）に対して平行に延びているか、または該長手方向軸線（４０）に対して直角に延びていることを特徴としている。弁座体（５）はメタルインジェクションモールディング法によって製造される。

Description

背景技術
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式の、内燃機関の燃料噴射装置に用いられる燃料噴射弁、すなわち弁閉鎖体を操作するための励磁可能なアクチュエータが設けられており、弁閉鎖体が、弁座体に形成された弁座面と共に１つのシールシートを形成しており、該弁座面の下流側に複数の噴射開口が形成されている形式のものに関する。

さらに本発明は、請求項１５の上位概念部に記載の形式の、燃料噴射弁の、複数の噴射開口を有する弁構成部分に該噴射開口を加工成形するための方法に関する。

英国特許出願公開第１０８８６６６号明細書に基づき、段付けされた噴射開口を有する燃料噴射弁が公知である。この公知の燃料噴射弁では、噴射開口が、チャンバ状の弁内室を起点として、通流量を決定する極めて小さな開口幅もしくは開口径を有する第１の開口区分として形成されており、この第１の開口区分に続いた第２の開口区分は著しく拡開されている。第２の開口区分は円筒状に形成されているか、または円錐状に拡張するように形成されていてよい。噴射開口は穿孔加工、フライス加工、押込み加工または浸食加工のようなコンベンショナルな技術によって導入されている。

ドイツ連邦共和国特許第４２３０３７６号明細書に基づき、いわゆる「メタルインジェクションモールディング法（ＭＩＭ法）」と呼ばれる金属射出成形法を用いて製造された弁ニードルを備えた燃料噴射弁が既に公知である。この弁ニードルでは、アーマチュア区分と弁スリーブ区分とから成る管状の操作部分が、射出成形と、これに続く焼結とによって製造される。引き続き、この操作部分は溶接結合によって弁閉鎖部材区分に結合されるので、弁ニードルは２つの個別構成部分からしか構成されていない。アーマチュア区分と弁スリーブ区分とには、一貫して延びる内側の長手方向開口が設けられている。この長手方向開口内で燃料は弁閉鎖部材区分の方向へ流れることができる。次いでこの燃料は弁閉鎖部材区分の近傍で横方向開口を通じて弁スリーブ区分から流出する。すなわち、ＭＩＭ法を用いて弁ニードルを製作する場合、横方向開口を形成するためにゲート成形工具が必要となる。

ドイツ連邦共和国特許第４０３３９５２号明細書に基づき、メタルインジェクションモールディングの技術のためのソリッド・ポリマ・ソリューション（Solid-Polymer-Solutions）のタイプの２成分バインダ系が既に公知である。この２成分バインダ系は生理学的に懸念のない低分子量のバインダ成分を使用することと、湿潤剤を不要にしたことによりすぐれている。こうして、金属粉末から密な成形部品を射出成形により問題なく製造することができ、そして収縮または歪みが生じることなしに成形部品からバインダを除去することができる。

発明の利点
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、すなわち噴射開口が、互いに異なる開口径を有する少なくとも１つの上流側の第１の噴射開口区分と下流側の第２の噴射開口区分とを有しており、１つの部分円に沿って配置された全ての噴射開口の第２の噴射開口区分の壁範囲が、該噴射開口を有する弁構成部分の長手方向軸線に対して平行に延びているか、または該長手方向軸線に対して直角に延び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には、当該燃料噴射弁が特に簡単かつ廉価に製造可能となるという利点がある。理想的には、複数の噴射開口を有する弁構成部分、特に弁座体が、メタルインジェクションモールディング法（ＭＩＭ法）によって製造される。本発明は、段付けされた噴射開口が大きな個数で、ＭＩＭ法により製造された成形部分の形で、高い精度を持って、成形型拘束されて（werkzeuggebunden）、つまり型内一括に加工成形可能であることによりすぐれている。弁構成部分における噴射開口の本発明による配置構成は、再現可能な多数の噴射開口を同時に加工成形することを可能にする。

請求項２以下に記載の手段により、請求項１に記載の燃料噴射弁の有利な改良および改善が可能となる。

１つの部分円に設けられた全ての噴射開口の下流側の噴射開口区分が、１回限りだけ製作するだけで済む成形工具もしくは成形型を用いて軸方向または半径方向で離型可能もしくは型抜き可能であることが特に有利である。

複数の第１の噴射開口区分が、周方向で環状または部分環状に延びる１つの第２の噴射開口区分に開口していると有利になり得る。

請求項１５の特徴部に記載の特徴を有する、噴射開口を加工成形するための本発明による方法、つまり以下の方法ステップ；
−金属粉末とバインダとを混合しかつ均質化し、
−その後に射出成形し、
−バインダを除去し、
−金属粉末骨格を焼結させる
より成るメタルインジェクションモールディング法によって弁構成部分を製造し、噴射開口が、互いに異なる開口径を有する少なくとも１つの上流側の第１の噴射開口区分と、下流側の第２の噴射開口区分とを有しかつ１つの部分円に沿って設けられた全ての噴射開口の第２の噴射開口区分の壁範囲が、前記噴射開口を有する弁構成部分の長手方向軸線に対して平行に延びるか、または該長手方向軸線に対して直角に延びるように前記噴射開口を加工成形することを特徴とする、噴射開口を加工成形するための方法には、次のような利点がある。すなわち、噴射開口の下流側の第２の噴射開口区分の軸方向もしくは半径方向の加工成形可能性により、これら第２の噴射開口区分の輪郭を極めて高い分散度（Varianz）で１つの射出成形工具もしくは射出成形工具に組み込むことが可能となる。公知の解決手段に比べて著しいコスト利点が得られる。なぜならば、噴射開口の噴射開口区分を成形型拘束して、つまり型内一括に製造することができるからである。噴射開口区分を製造するための公知の別個の作業工程、たとえば打抜き加工、穿孔、浸食加工またはレーザ穿孔を不要にすることができる。全ての寸法公差、形状公差および位置公差の維持下での高い品質特徴を用いて、噴射開口の第２の噴射開口区分を本発明によれば高い再現可能性を持って製造することができる。

図面
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は、本発明により弁座体に加工成形された複数の噴射開口を備えた燃料噴射弁の１実施例を示す断面図であり、
図２は、図１に示した噴射開口の範囲における部分ＩＩを拡大して示す拡大断面図であり、この場合、噴射開口は第１の構成で形成されており、
図３は、第２の構成による噴射開口を備えた弁座体を示す、図２と比較可能な部分断面図であり、
図４は、第３の構成による噴射開口を備えた弁座体を示す、図２と比較可能な部分断面図である。

実施例の説明
図１に示した燃料噴射弁１の実施例は、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燃料噴射弁１の形に形成されている。この燃料噴射弁１は特に内燃機関の燃焼室（図示しない）内に燃料を直接に噴射するために適している。

燃料噴射弁１はノズルボディ２を有している。このノズルボディ２内には弁ニードル３が配置されている。この弁ニードル３は弁閉鎖体４に作用結合されており、この弁閉鎖体４は弁座体５に配置された弁座面６と協働してシールシートを形成する。燃料噴射弁１は本実施例では、少なくとも２つの噴孔もしくは噴射開口７を有する、内方へ向かって開くタイプの燃料噴射弁１である。しかし燃料噴射弁１は理想的には多孔式噴射弁として形成されており、それにゆえに４〜３０個の噴射開口７を有している。ノズルボディ２はシ―ル部材８によって弁ハウジング９に対してシールされている。駆動装置としては、たとえば電磁回路が働く。この電磁回路はアクチュエータとして電磁コイル１０を有しており、この電磁コイル１０はコイルハウジング１１内にカプセル封入されていて、コイル枠体１２に巻き付けられている。このコイル枠体１２は電磁コイル１０のインナポールもしくは内側磁極１３に接触している。内側磁極１３と弁ハウジング９とは、減径部２６により互いに分離されていて、非強磁性の結合構成部材２９によって互いに結合されている。電磁コイル１０は線路１９を介して、電気的な差込みコンタクト１７を介して供給可能な電流により励磁される。差込みコンタクト１７はプラスチック被覆体１８により取り囲まれており、このプラスチック被覆体１８は内側磁極１３に固着してこの内側磁極１３を埋め込むように射出成形されていてよい。

弁ニードル３は弁ニードルガイド１４内に案内されている。この弁ニードルガイド１４はディスク状に形成されている。ストローク調節のためには、この弁ニードルガイド１４とペアを成す対応する調節ディスク１５が働く。この調節ディスク１５の他方の側には、アーマチュア２０が設けられている。このアーマチュア２０は第１のフランジ２１を介して弁ニードル３に、動力が伝達されるように（kraftschluessig）結合されている。弁ニードル３は溶接シーム２２によって第１のフランジ２１に結合されている。この第１のフランジ２１には戻しばね２３が支持されている。この戻しばね２３は燃料噴射弁１の本構成においては調節スリーブ２４によってプリロードもしくは予荷重をかけられる。

弁ニードルガイド１４とアーマチュア２０とガイドボディ４１とには、それぞれ燃料通路３０，３１，３２が延びている。燃料は中央の燃料供給部１６を介して供給されて、フィルタエレメント２５により濾過される。燃料噴射弁１はシール部材２８によって燃料分配管路（図示しない）に対してシールされていて、別のシール部材３６によってシリンダヘッド（図示しない）に対してシールされている。

アーマチュア２０の下流側には、エラストマ材料から成る環状の緩衝エレメント３３が配置されている。この緩衝エレメント３３は第２のフランジ３４に載置されており、この第２のフランジ３４は溶接シーム３５を介して、動力が伝達されるように弁ニードル３に結合されている。

燃料噴射弁１の休止状態では、アーマチュア２０が戻しばね２３によってそのストローク方向とは反対の方向に負荷され、この場合、弁閉鎖体４は弁座面６に密に当て付けられた状態に保持される。電磁コイル１０が励磁されると、この電磁コイル１０は磁界を形成し、この磁界はアーマチュア２０を戻しばね２３のばね力に抗してストローク方向に運動させ、この場合、ストロークは、休止位置において内側磁極１２とアーマチュア２０との間に位置する作業ギャップ２７によって予め設定されている。アーマチュア２０は、弁ニードル３に溶接されている第１のフランジ２１を同じくストローク方向へ連行する。弁ニードル３に結合されている弁閉鎖体４は弁座面６から持ち上がり、燃料は噴射開口７を通じて噴射される。

コイル電流が遮断されると、アーマチュア２０は磁界が十分に崩壊した後に戻しばね２３の押圧力によって内側磁極１２から降下し、これにより弁ニードル３に結合されている第１のフランジ２１が、ストローク方向とは反対の方向に運動する。弁ニードル３はこれによって同じ方向へ運動させられ、これにより弁閉鎖体４は弁座面６に載着し、燃料噴射弁１は閉じられる。

本発明によれば、噴射開口７が弁座体５に固有の構成で形成されている。弁座体５は、いわゆる「ＭＩＭ法」によって製造されると有利である。既に公知の、「メタルインジェクションモールディング（Metal-Injection-Molding; MIM）」とも呼ばれるこの方法は、互いに混合されかつ均質化される金属粉末と結合剤（バインダ）、たとえばプラスチック結合剤とから、たとえばコンベンショナルなプラスチック射出成形機において成形部分を製造し、その後に結合剤を除去して、残った金属粉末骨格を焼結させることを包含する。金属粉末の組成は、最適な磁気特性および熱特性に合わせて簡単に調整され得る。

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１では、噴射孔付き板および弁座体のような下流側の構成部分におけるデポジット形成（Belagbildung）の大きなリスクが存在する。特に噴射開口７はその自由横断面にカーボンが堆積し易い傾向があるので、所望の噴射量に対する不足量が生じる不都合が起こる恐れがある。相応して、弁座体５を巡る燃料噴射弁１の下流側の端部の範囲における温度バランスを意図的に調節することが望ましい。さらに、噴射開口７を介して燃料噴射弁１の全寿命にわたり一定の通流量が噴射可能となることができるだけ良好に確保されることが望ましい。特に下流方向に開口径拡大を有する、段付けされた噴射開口７においては、デポジット形成傾向、カーボン堆積傾向、ひいては噴射開口７の自由横断面の閉塞危険がかなり減じられていることが判っている。

本発明は、段付けされた噴射開口７が、ＭＩＭ法によって製造された成形部分、つまりこの場合弁座体５において大きな数で特に簡単かつ廉価に、そして高い精度を持って、成形型に拘束されて（werkzeuggebunden）、つまり型内で一括して加工成形可能となることによりすぐれている。多孔弁として形成されている燃料噴射弁の公知の噴射開口においては、各噴射開口もしくは段付けされた噴射開口の場合にはそれぞれ下流側の噴射開口区分が、固有の立体角を有している。弁座体５における噴射開口７のこのような配置構成は、多数の噴射開口７の、最適化された廉価な、ひいては同時の加工成形を一層困難にする。

それゆえに、段付けされた噴射開口７を固有に加工成形することが特に有利である。１つの部分円の全ての噴射開口７が少なくともそのそれぞれの下流側の噴射開口区分７´´において、噴射開口７を有する弁構成部分、つまり弁座体５の長手方向軸線４０に対して平行に延びる壁範囲４２を有している場合には、弁座体５を製造するためのメタルインジェクションモールディングプロセスにおいて噴射開口７を特に好都合に加工成形することができる。弁座体５の長手方向軸線４０は図示の実施例では弁長手方向軸線と合致している。しかし、斜め噴射のために弁座体５を燃料噴射弁１に所定の角度を成して取り付けることもできる。

図２は、図１に示した噴射開口７の範囲における区分ＩＩの拡大図の形で噴射開口７の第１の構成を示す断面図である。この場合、噴射開口７が２つの噴射開口区分７´，７´´を有していることが判る。上流側の第１の噴射開口区分７´は、その下流側に続いた第２の噴射開口区分７´´よりも著しく小さな開口幅もしくは開口径を有している。同一の噴射開口７の第１第２の両噴射開口区分７´，７´´の向きは互いに異なっていてよい。しかし重要となるのは、１つの部分円に沿って位置する全ての噴射開口７の第２の噴射開口区分７´´の、長手方向軸線４０に対して平行に延びる壁範囲４２である。この場合、平行な壁範囲４２は長手方向軸線４０寄りに位置する内側に設けられていることが望ましい。図２に示したように、第２の噴射開口区分７´´全体が軸平行に延びていてもよい。

図３には、弁座体５に設けられた噴射開口７の第２の構成が、図２と比較可能な部分断面図の形で図示されている。この場合、長手方向軸線４０寄りに位置する内側に形成された壁範囲４２が長手方向軸線４０に対して平行に延びるように形成されているのに対して、長手方向軸線４０から遠い方の側では、壁範囲が斜め外方へ向かって傾けられて延びている。図２および図３に示した矢印４４は、第２の噴射開口区分７´´のこのような構成において理想的にはＭＩＭプロセスにおいて全ての噴射開口７が同時に成形型拘束されて軸方向で離型可能もしくは型抜き可能となることを表している。

同じく図２と比較可能な部分断面図の形で図４に図示されている、弁座体５における噴射開口７の第３の構成では、１つの部分円の全ての噴射開口７が少なくともそのそれぞれ下流側の噴射開口区分７´´において、１つの壁範囲４３が長手方向軸線４０に対して直角に延びるように設計されている。この場合、長手方向軸線４０に対して直角に延びる壁範囲４３は、弁座面６寄りに位置する上側に設けられていると望ましい。弁座面６から遠い方の下側の壁範囲は、斜め外方に向かって傾けられて延びていてよい。図４に示した二重矢印４４は、噴射開口区分７´´のこのような構成において理想的にはＭＩＭプロセスにおいて全ての噴射開口７が同時に成形型拘束されて半径方向に離型可能もしくは型抜き可能であることを表している。

それぞれ個々の噴射開口７のための噴射開口区分７´´の代わりに、下流側の噴射開口区分７´´は周方向で部分環状または完全環状に延びていてもよい。その場合、この噴射開口区分７´´には、上流側の幾つかの噴射開口区分７´または上流側の全ての噴射開口区分７´が開口する。しかし相応して、部分環状もしくは環状の噴射開口区分７´´の壁範囲４２，４３も、弁座体５の長手方向軸線４０に対して平行に、または該長手方向軸線４０に対して直角に形成されている。

噴射開口７の噴射開口区分７´´が軸方向もしくは半径方向で離型可能もしくは型抜き可能であることにより、噴射開口区分７´´の輪郭を極めて高い分散（Varianz）で１つの射出成形型に組み込むことが可能となる。公知の解決手段に比べて著しいコスト利点が得られる。なぜならば、噴射開口７の噴射開口区分７´´が成形型拘束されて、つまり型内一括して製造され得るからである。噴射開口区分７´´を製作するための公知の別個の作業工程、たとえば打抜き加工、穿孔、浸食加工またはレーザ穿孔を不要にすることができる。本発明によれば、全ての寸法公差、形状公差および位置公差の維持下での高い品質特徴を持って、噴射開口７の噴射開口区分７´´を高い再現可能性を持って製作することができる。

本発明は図示の実施例に限定されるものではなく、たとえば別形式に配置された噴射開口７ならびに外方へ向かって開くタイプの多孔付き燃料噴射弁１の任意の構造のためにも使用可能である。特に本発明の全ての特徴は任意に組合せ可能である。

本発明により弁座体に加工成形された噴射開口を備えた燃料噴射弁の１実施例を示す断面図である。 図１に示した噴射開口の範囲における部分ＩＩを拡大して示す拡大断面図であり、この場合、噴射開口は第１の構成で形成されている。 第２の構成による噴射開口を備えた弁座体を示す、図２と比較可能な部分断面図である。 第３の構成による噴射開口を備えた弁座体を示す、図２と比較可能な部分断面図である。

Claims (17)

1. 内燃機関の燃料噴射装置に用いられる燃料噴射弁（１）であって、弁閉鎖体（４）を操作するための励磁可能なアクチュエータ（１０）が設けられており、弁閉鎖体（４）が、弁座体（５）に形成された弁座面（６）と共に１つのシールシートを形成しており、該弁座面（６）の下流側に複数の噴射開口（７）が形成されている形式のものにおいて、噴射開口（７）が、互いに異なる開口径を有する少なくとも１つの上流側の第１の噴射開口区分（７´）と下流側の第２の噴射開口区分（７´´）とを有しており、１つの部分円に沿って配置された全ての噴射開口（７）の第２の噴射開口区分（７´´）の壁範囲（４２，４３）が、該噴射開口（７）を有する弁構成部分の長手方向軸線（４０）に対して平行に延びているか、または該長手方向軸線（４０）に対して直角に延び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. 噴射開口（７）を有する弁構成部分が弁座体（５）である、請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 下流側の第２の噴射開口区分（７´´）の、弁構成部分の長手方向軸線（４０）に対して平行に延びる壁範囲（４２）が、前記長手方向軸線（４０）寄りに位置する内側に配置されている、請求項１または２記載の燃料噴射弁。
4. 下流側の第２の噴射開口区分（７´´）全体が軸平行に延びている、請求項３記載の燃料噴射弁。
5. 前記長手方向軸線（４０）から遠い方に位置する側で、下流側の第２の噴射開口区分（７´´）の壁範囲が斜め外方に向かって傾けられて延びている、請求項３記載の燃料噴射弁。
6. １つの部分円に沿って設けられた全ての噴射開口（７）の下流側の第２の噴射開口区分（７´´）が、同時に軸方向で型抜き可能である、請求項３から５までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
7. 下流側の第２の噴射開口区分（７´´）の、前記長手方向軸線に対して直角に延びる壁範囲（４３）が、弁座面（６）寄りに位置する上側に配置されている、請求項１または２記載の燃料噴射弁。
8. 下流側の第２の噴射開口区分（７´´）の、弁座面（６）から遠ざけられて位置する下側の壁範囲が、斜め外方に向かって傾けられて延びている、請求項７記載の燃料噴射弁。
9. １つの部分円に沿って設けられた全ての噴射開口（７）の下流側の第２の噴射開口区分（７´´）が、同時に半径方向で型抜き可能である、請求項７または８記載の燃料噴射弁。
10. １つの噴射開口（７）のそれぞれ第１の噴射開口区分（７´）が、それぞれ１つの第２の噴射開口区分（７´´）に開口している、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. 同一の噴射開口（７）の両噴射開口区分（７´，７´´）の向きが互いに異なっている、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. 複数の第１の噴射開口区分（７´）が、１つの環状または部分環状の第２の噴射開口区分（７´´）に開口している、請求項１から９までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
13. 複数の噴射開口（７）を有する弁構成部分、特に弁座体（５）が、メタルインジェクションモールディング法によって製造可能である、請求項１から１２までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
14. ２〜３０個の噴射開口（７）が、相応する弁構成部分に設けられている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
15. 燃料噴射弁（１）の、複数の噴射開口（７）を有する弁構成部分（５）に該噴射開口（７）を加工成形するための方法において、
    以下の方法ステップ；
    −金属粉末とバインダとを混合しかつ均質化し、
    −その後に射出成形し、
    −バインダを除去し、
    −金属粉末骨格を焼結させる
    より成るメタルインジェクションモールディング法によって弁構成部分（５）を製造し、噴射開口（７）が、互いに異なる開口径を有する少なくとも１つの上流側の第１の噴射開口区分（７´）と、下流側の第２の噴射開口区分（７´´）とを有しかつ１つの部分円に沿って設けられた全ての噴射開口（７）の第２の噴射開口区分（７´´）の壁範囲（４２，４３）が、前記噴射開口（７）を有する弁構成部分（５）の長手方向軸線（４０）に対して平行に延びるか、または該長手方向軸線（４０）に対して直角に延びるように前記噴射開口（７）を加工成形することを特徴とする、噴射開口を加工成形するための方法。
16. １つの部分円に沿って設けられた全ての噴射開口（７）の第２の噴射開口区分（７´´）を同時に軸方向で型抜きする、請求項１５記載の方法。
17. １つの部分円に沿って設けられた全ての噴射開口（７）の第２の噴射開口区分（７´´）を同時に半径方向で型抜きする、請求項１５記載の方法。

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