JP2019518170A - 燃料インジェクタのためのノズルボディ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、特に内燃機関の燃焼室へ燃料を噴射するための燃料インジェクタ（１００）の用途におけるノズルボディ（１６）に関する。【解決手段】ノズルボディ（１６）は一体的に施工されている。ノズルボディ（１６）には、高圧のもとにある燃料を流入穴（６４）を介して供給可能である圧力室（８）が構成されている。少なくとも１つの噴射開口部（６０）を開放または閉止するノズルニードル（６）が、圧力室（８）の中で長手方向運動可能に配置されている。少なくとも１つの噴射開口部（６０）はノズルボディ（１６）のノズル先端（１６ａ）に構成されている。ノズルボディ（１６）には、冷却媒体で貫流可能な冷却通路（３０）が構成されている。冷却通路（３０）は、ノズル先端（１６ａ）に構成された冷却マトリクス（３５）を含んでいる。【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室へ燃料を噴射するための燃料インジェクタのためのノズルボディに関し、ノズルボディは冷却通路を有している。

請求項１の前提項に基づく、内燃機関の燃焼室へ燃料を噴射するための燃料インジェクタのためのノズルボディは特許文献１から公知である。公知の燃料インジェクタは、保持ボディと、スロットルプレートを有するバルブボディと、ノズルボディとを含んでいる。保持ボディとノズルボディはノズルクランプナットによって相互に応力固定される。ノズルボディには、圧力のもとにある燃料を流入穴を介して供給可能である圧力室が構成される。少なくとも１つの噴射開口部を開放または閉止する長手方向運動可能なノズルニードルが、圧力室の中で長手方向運動可能に配置されている。

さらに公知の燃料インジェクタは、ノズルボディに構成された冷却通路を有している。しかし、このような冷却通路の施工と製作について、特許文献１は何も開示していない。

さらに、ノズルボディと追加のコンポーネントすなわち冷却キャップとの間の冷却通路の構成を開示する、先公開ではない特許文献２が従来技術から知られている。

公知の燃料インジェクタの冷却通路の製作は、複雑な施工と製造技術上の高いコストとを必要とする。

欧州特許第１７８１９３１号明細書 独国特許出願公開第１０２０１６２０６７９６号明細書

それに対して、燃料インジェクタのための本発明によるノズルボディは、冷却作用に関して最適化された冷却通路を有している。それにもかかわらず、このノズルボディは一体的に構成されており、それにより、高いコストのかかる製造技術や密閉を省略することができる。さらに、冷却通路によるノズルボディの構造脆弱化は些細なものにすぎない。

そのためにノズルボディには、高圧のもとにある燃料を流入穴を介して供給可能である圧力室が構成されている。少なくとも１つの噴射開口部を開放または閉止するノズルニードルが、圧力室の中で長手方向運動可能に配置されている。少なくとも１つの噴射開口部はノズルボディのノズル先端に構成されている。ノズルボディには、冷却媒体によって貫流可能な冷却通路が構成されている。冷却通路は、ノズル先端に構成された冷却マトリクスを含んでいる。さらに、ノズルボディは一体的に施工されている。

燃料インジェクタの作動時には、特にノズル先端が非常に高い温度に暴露される。ノズル先端の効率的な冷却は、燃料インジェクタのロバスト性の高い機能性と、いっそう長い耐用寿命とを帰結する。冷却マトリクスは、冷却にとって有効なできる限り広い総面積を有しており、それにより、ノズル先端から冷却媒体への熱注入が非常に大きく、それによってノズルボディの冷却が特別に効率的となる。冷却通路、特に冷却マトリクスは３Ｄ印刷法によって製作される。これ以外の製造方法、たとえば従来式の施削技術や穿孔技術では、冷却マトリクスのジオメトリーを一体的なノズルボディで製作することができない。したがって、溶接や閉止栓などの高いコストのかかる代替方策を省略することができる。それに伴う接合の問題、たとえば密閉性の欠如や強度の低下などが生じることがない。

好ましい実施形態では、冷却マトリクスは柵状、メアンダ状、または螺旋状に構成される。それによって冷却マトリクスの全体の対流面を、すなわちノズルボディと冷却マトリクスの間の分離面を、非常に広く構成することができる。ノズル先端から冷却媒体への大きな熱流がその帰結となる。それによってノズルボディの冷却が特別に効率的になる。冷却マトリクスの螺旋状およびメアンダ状の実施形態では、冷却マトリクスの貫流が追加的に特別に定義されたとおりに構成され、冷却媒体が局所的な領域に停滞して流れないという危険がない。

別の好ましい実施形態では、冷却マトリクスは円筒リング状に構成される。それにより、ノズルボディをその軸方向の寸法に関して非常にコンパクトに施工することができる。

好ましい発展例では、冷却マトリクスはノズル先端の材料小孔によって貫通される。それにより、全体の対流面をなおいっそう拡張することができる。ノズル先端と冷却媒体の間の熱交換がそれによっていっそう最適化される。

好ましい実施形態では、冷却通路は、冷却媒体の冷却マトリクスへの供給および冷却マトリクスからの排出のために、長尺状の流入通路と長尺状の流出通路とを含んでいる。典型的な場合、ノズル先端はノズルボディのもっとも高温の領域であり、冷却マトリクスはここに配置される。しかしノズルボディへの、ないしはノズルボディからの冷却媒体の供給と排出は、ノズル先端と向かい合うほうのノズルボディの端面で行われる。それに応じて長尺状の流入通路ないし流出通路は、冷却マトリクスを冷却媒体の供給部に液圧接続するために、流動工学的に好都合な施工形態となる。

好ましい発展例では、冷却通路はキドニー型入口とキドニー型出口を有する。キドニー型入口とキドニー型出口は、ノズル先端と向かい合うほうのノズルボディの端面に構成される。キドニー型入口は流入通路へと移行し、キドニー型出口は流出通路へと移行する。それにより、ノズルボディを端面のところで別のコンポーネントと、たとえば保持ボディやスロットルプレートと応力固定することができ、冷却通路の接続に厳しい公差を課さなくてよい。キドニー型入口とキドニー型出口は、隣接するコンポーネントへの冷却通路の液圧接続部である。両方のキドニーの比較的広い面により、接続ジオメトリーとの寸法誤差が冷却通路の貫流に不都合な影響を及ぼすことがない。

好ましい発展例では、ノズルボディは対流領域を有しており、対流領域はノズルボディの他の領域よりも高い熱伝導性を有している。対流領域を通って運ばれる熱量が、それに伴って格別に多くなる。そのようにして、たとえば噴射開口部から冷却マトリクスへと、定義された主熱流を配置することができるという利点がある。特別に熱伝導性の良い材料として、たとえば銅を対流領域に使用することができる。それにもかかわらず３Ｄ印刷法に基づき、ノズルボディの他の領域への固定的な物質接合式の結合がもたらされる。

本発明によるノズルボディは、燃料インジェクタに１つの特別に好ましい用途を見出す。燃料インジェクタは、制御室の圧力を制御するための制御弁を有している。このとき制御室はノズルニードルによって区切られる。すなわちノズルニードルの開放運動と閉止運動が制御室の圧力によって制御され、さらに、この圧力が制御弁によって制御される。内燃機関の燃焼室へ高圧のもとにある燃料を噴射するための燃料インジェクタは特別に高い温度に暴露され、このことは特に、燃焼室への噴射開口部が構成されるノズル先端について当てはまる。したがって、冷却マトリクスを通じてのノズル先端の冷却は、このような種類の燃料インジェクタにとって特別に重要かつ特別に効率的である。

本発明によるノズルボディの製造方法は３Ｄ印刷法である。それによってのみ、冷却マトリクスの複雑なジオメトリーを一体的なノズルボディで具体化することができるからである。閉止栓、その他のコンポーネント、溶接継目、密閉手段、およびこれらに類する回避措置がそれによって省略される。

本方法の好ましい発展例では、まずノズルボディの本体が好ましくは鍛造または鋳造によって製作される。この本体に、任意選択として、たとえば穴の縦断面として、ないしはハーフモデルとして、冷却通路の部分ジオメトリーがすでに構成されていてもよい。次いで、冷却通路を取り囲む残りの材料が３Ｄ印刷で造形される。そして場合により対流領域も、特別に熱伝導性の良い材料で３Ｄ印刷によってさらに造形することができる。

本発明のその他の利点、構成要件、および具体的事項は好ましい実施例についての以下の説明ならびに図面から明らかとなる。

従来技術に基づく燃料インジェクタを示す縦断面図である。 ノズルボディを示す透斜視図である。 冷却通路の雌型を示す部分図である。 冷却通路の雌型を別の実施形態で示す部分図である。

同じ部材ないし同じ機能をもつ部材には、図面では同じ符号が付されている。

図１には、従来技術から知られているような、内燃機関の燃焼室へ燃料を噴射するための燃料インジェクタ１００が縦断面図で示されている。

公知の燃料インジェクタ１００は、保持ボディ１と、バルブボディ３と、スロットルプレート５と、ノズルボディ１６とを含んでいる。これらすべてのコンポーネントがノズルクランプナット７によって統合される。このときノズルボディ１６は、ノズルボディ１６に構成された圧力室８の中で長手方向スライド可能に配置されたノズルニードル６を含んでいる。ノズルニードル６が開放運動をすると、ノズルボディ１６に構成された複数の噴射開口部６０を介して、燃料が内燃機関の燃焼室に噴射される。

ノズルニードル６にはカラーを見ることができ、これに圧縮ばね６１が支持される。圧縮ばね６１の他方の端部は制御スリーブ６２に支持され、これがさらにそれ自体としてスロットルプレート５の下面に当接する。制御スリーブ６２は、噴射開口部６０に向かい合うほうのノズルニードル６の上側の端面と、スロットルプレート５の下面とともに制御室６３を定義する。制御室６３の中で生じる圧力が、ノズルニードル６の長手方向運動の制御について基準となる。

燃料インジェクタ１００には流入穴６４が構成されている。流入穴６４を介して、一方では圧力室８の燃料圧力が有効となり、この燃料圧力がそこでノズルニードル６の押圧肩部を介してノズルニードル６の開放方向に力を及ぼす。他方では、この燃料圧力は制御スリーブ６２に構成された流入スロットル６５を介して制御室６３で作用して、圧縮ばね６１の力で補助されながら、ノズルニードル６をその閉止位置に保つ。

さらに燃料インジェクタ１００は、制御室６３の圧力を制御するための制御弁２を有している：電磁石７０が励起されると、保磁子７１ならびに保磁子７１と結合されたバルブニードル７２が、バルブボディ３に構成されたバルブシート７３から持ち上げられる。このようにして制御室６３から燃料が、スロットルプレート５に構成された流出スロットル７５を通じて、バルブシート７３を介して流出通路７６へと流れ出ることができる。このようにして惹起される、ノズルニードル６の上側の端面に対する油圧の力の低下が、ノズルニードル６の開放をもたらす。こうして圧力室８から燃料が、噴射開口部６０を通して内燃機関の燃焼室へと到達する。

電磁石７０がオフになるとただちに、保磁子７１が別の圧縮ばね７４の力によってバルブシート７３の方向に押圧され、それにより、バルブニードル７２がバルブシート７３に押し付けられる。このようにして、流出スロットル７５とバルブシート７３を介しての燃料の流出経路が遮断される。流入スロットル６５を介して、制御室６３の中で再び燃料圧力が形成され、それによって油圧の閉止力が上昇する。それによりノズルニードル６が噴射開口部６０の方向へスライドして、これを閉止する。こうして噴射プロセスが終了する。

燃焼室の領域で各コンポーネントを冷却するために、公知の燃料インジェクタ１００のバルブボディ３、スロットルプレート５、およびノズルボディ１６には冷却通路３０が構成されている。このようにして、特にノズルニードル６の先端とノズルボディ１６を冷却することができる。図１の断面図では、冷却通路３０は部分的に流入穴６４に位置している。しかし、それは断面図であることに起因しているにすぎず、各実施形態において冷却通路３０は流入穴６４とは分かれている。

そして本発明によると、冷却通路３０は３Ｄ印刷された一体的なノズルボディ１６に構成される。それにより、一方では冷却通路のほぼ任意の形状を具体化することができ、他方では、複数のコンポーネントを含む、高いコストのかかる設計を省略することができる。

図２は、３Ｄ印刷法で製作されたノズルボディ１６を透斜視図で示す。圧力室８への流入穴６４はここでは図示していない。ノズルボディ１６には、通常どおり圧力室８と噴射開口部６０が構成されている。さらに冷却通路３０は、ノズルボディ１６のノズル先端１６ａの領域で、すなわち噴射開口部６０の近傍で、ノズルボディ１６に対して非常に広い面積を有するように構成されている。

冷却通路３０は、ノズルボディ１６に隣接するコンポーネントすなわちたとえば燃料インジェクタ１００の実施形態に応じてスロットルプレート５または保持ボディ１への接続のために、キドニー型入口３３とキドニー型出口３４とを含んでいる。このとき燃料インジェクタ１００の外部の冷却接続部は、通常は保持ボディ１に構成される。

さらに冷却通路３０は、長尺状の流入通路３１と、長尺状の流出通路３２と、冷却マトリクス３５とを含んでいる。冷却マトリクス３５は、ノズル先端１６ａを効果的に冷却するために広い総面積を備えているのが好ましく、それにより、作動時に非常に高温になるノズル先端１６ａから、冷却通路３０を貫流する冷却媒体への最大限可能な熱伝達を行うことができる。そのために冷却マトリクス３５は、ノズル先端１６ａの周囲全体にわたって延びているのが好ましい。

好ましい実施形態では、図２に冷却マトリクス３５を取り囲むように示すように、ノズルボディ１６が対流領域３７を有している。対流領域３７は、残りのノズルボディ１６とは異なる材料、たとえば銅から製作されるが、それにもかかわらず、３Ｄ印刷に基づいてこれと物質接合式に結合される。対流領域３７は特別に高い熱伝導性を有しており、ノズルボディ１６の非常に高温の領域から冷却マトリクス３５へと、できる限り多い熱量を誘導するための役目を果たす。

対流領域３７は噴射開口部６０の近傍でノズル先端１６ａに配置されるのが好ましい。そこでは通常、燃料インジェクタ１００のもっとも高い温度が生じるからである。

図２の実施形態では、冷却マトリクス３５は柵状に製作されている。これ以外の製作の可能性は以下の図３および４に見ることができる。

図３は、螺旋形状ないしメアンダ形状の冷却マトリクス３５の雌型モデル−すなわち冷却媒体のジオメトリー−を示す。メアンダ形状によって冷却マトリクス３５が特別に定義されたとおりに貫流される。流動方向に分岐が存在しないからである。停滞する冷却媒体−およびこれに伴う局所的に低い熱伝導係数−が、このようにして排除される。

図４は、多数の材料小孔３６を有する円筒リングとしての冷却マトリクス３５を示す。すなわち材料小孔３６はノズルボディ１６の材料、たとえば鋼材である。それによって冷却マトリクス３５の対流面積が特別に広くなる。それに応じて、ノズル先端１６ａから冷却媒体への大きな熱注入を行うことができる。別案として、冷却マトリクス３５がリング状に構成されていてもよい。

ノズルボディ１６の製造方法としての３Ｄ印刷法により、冷却通路３０についてほぼ任意のジオメトリーを具体化することができ、それにもかかわらず、ノズルボディ１６が一体的に製作され得る。このとき、ノズルボディ１６の異なる領域について異なる材料を使用することも可能である。そのようにして特に熱伝導性の特性に関して、冷却通路３０の方向へ向かうように熱流に影響を及ぼすことができるのが好ましい。そのために３Ｄ印刷によって、特別に高い熱伝導性を有し、好ましくは噴射開口部６０の領域から冷却マトリクス３５まで延びる、１つまたは複数の対流領域３７が造形される。

本方法の発展例では、まずノズルボディ１６の本体が従来式の製造で−たとえば鍛造や切削加工の製造方法で−製作される。このとき任意選択で、冷却通路３０がすでに部分輪郭で存在していてよい。そしてノズルボディ１６の外側領域、特に冷却マトリクス３５を取り囲む領域、および場合により対流領域１７が、３Ｄ印刷によって造形される。

２ 制御弁
６ ノズルニードル
８ 圧力室
１６ ノズルボディ
１６ａ ノズル先端
３０ 冷却通路
３１ 流入通路
３２ 流出通路
３３ キドニー型入口
３４ キドニー型出口
３５ 冷却マトリクス
３６ 材料小孔
３７ 対流領域
６０ 噴射開口部
６３ 制御室
６４ 流入穴
１００ 燃料インジェクタ

Claims (10)

1. 内燃機関の燃焼室へ燃料を噴射するための燃料インジェクタ（１００）のためのノズルボディ（１６）であって、前記ノズルボディ（１６）は一体的に施工されており、前記ノズルボディ（１６）には高圧のもとにある燃料を流入穴（６４）を介して供給可能である圧力室（８）が構成されており、少なくとも１つの噴射開口部（６０）を開放または閉止するノズルニードル（６）が前記圧力室（８）の中で長手方向運動可能に配置されており、少なくとも１つの前記噴射開口部（６０）は前記ノズルボディ（１６）のノズル先端（１６ａ）に構成されており、前記ノズルボディ（１６）には冷却媒体で貫流可能な冷却通路（３０）が構成されている、そのようなノズルボディにおいて、
   前記冷却通路（３０）は前記ノズル先端（１６ａ）に構成された冷却マトリクス（３５）を含んでいることを特徴とするノズルボディ。
2. 前記冷却マトリクス（３５）は柵状、メアンダ状、または螺旋状に構成されることを特徴とする、請求項１に記載のノズルボディ（１６）。
3. 前記冷却マトリクス（３５）は円筒リング状に構成されることを特徴とする、請求項１に記載のノズルボディ（１６）。
4. 前記冷却マトリクス（３５）は前記ノズル先端（１６ａ）の材料小孔（３６）で貫通されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のノズルボディ（１６）。
5. 前記冷却通路（３０）は前記冷却マトリクス（３５）への冷却媒体の供給および前記冷却マトリクス（３５）からの排出のために長尺状の流入通路（３１）と長尺状の流出通路（３２）を含んでいることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のノズルボディ（１６）。
6. 前記冷却通路（３０）はキドニー型入口（３３）とキドニー型出口（３４）を有しており、前記キドニー型入口（３３）と前記キドニー型出口（３４）は前記ノズル先端（１６ａ）と向かい合うほうの前記ノズルボディ（１６）の端面に構成されており、前記キドニー型入口（３３）は前記流入通路（３１）へと移行し、前記キドニー型出口（３４）は前記流出通路（３２）へと移行することを特徴とする、請求項５に記載のノズルボディ（１６）。
7. 前記ノズルボディ（１６）は対流領域（３７）を有しており、前記対流領域（３７）は前記ノズルボディ（１６）の他の領域よりも高い熱伝導性を有することを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載のノズルボディ（１６）。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のノズルボディ（１６）を有する燃料インジェクタ（１００）において、
   前記燃料インジェクタ（１００）は制御室（６３）の圧力を制御するための制御弁（２）を有しており、前記ノズルニードル（６）は前記制御室（６３）を区切ることを特徴とする燃料インジェクタ。
9. 請求項１から７のいずれか１項に記載のノズルボディ（１００）を製造する方法において、
   前記ノズルボディ（１６）が３Ｄ印刷法で製作されることを特徴とする方法。
10. 前記方法は次の各方法ステップを有し、すなわち、
    好ましくは鍛造によって前記ノズルボディ（１６）の本体が製作され、
    前記冷却マトリクス（３５）を外方に向かって取り囲む前記ノズル先端（１６ａ）の材料が３Ｄ印刷法によって造形されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。

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