JP3737116B2 - 弁、殊に燃料噴射弁 - Google Patents

Description

従来の技術
本発明は、弁、殊に請求項１の上位概念に記載した燃料噴射弁に関する。ドイツ連邦共和国特許出願公開第２７２３２８０号明細書によれば、調量開口の下流で燃料噴射弁に、アーチ状の多数の狭いスリットを有する、同様に薄い円板状の燃料粉砕部材（Brennstoff aufbrechglied）が設けられている。エッチングによって円板に形成された、湾曲されたスリットは、その幾何学形状によって、つまりその半径方向の幅及びアーチ長さによって、小さい液滴に粉砕されるが燃料薄層が形成されるように配慮する。それぞれの群（グループ）で配置されたアーチ状の複数のスリットは、水平方向に形成されたその幾何学形状に応じて燃料を粉砕する。所望の形式で燃料を粉砕するために、各スリット群は互いに非常に正確に配置しなければならない。燃料粉砕部材の軸方向の全長に亙って、アーチ状のスリットはそれぞれ一定の開放幅を有している。スリットの配置によって、液滴が再びくっつきあって大きい液滴になってしまう危険性がある。
発明の利点
請求項１の特徴部に記載した特徴を有する本発明による弁、殊に燃料噴射弁は、付加的なエネルギーを必要とすることなしに燃料を均一にかつ微細に噴霧することができ、噴霧された燃料は質的に非常に高い噴霧状態を有している。これは、燃料噴射弁に設けられたノズルプレートが多数の半径方向に延びるスリットを有していて、噴射しようとする燃料がノズルプレート（半径方向ギャップノズル）の直接下流で、薄い液体層厚を有する多数の扁平流（扁平層流）を形成することによって得られる。表面張力によって、扁平流のすべての円すい形燃料流は、崩壊して最小の液滴になるまで、下流方向で、また直径が大きくなるにつれてその燃料膜厚が常に薄くなる。この微細な液滴は、従来技術に対して減少されたいわゆるザウタ平均粒径“Sauter Mean Diameter (SMD)”を有している。つまり、噴射された燃料の減少された平均的液滴直径を有している。この場合、ＳＭＤ＜６０μｍが得られる。その結果、特に内燃機関の排ガスエミッションがさらに減少され、消費燃料の減少が得られる。
本発明の装置によれば、さらに別の利点として、比較的大きい噴射面に亙って、噴射された燃料の均一な分布が得られる。これによって、形成された燃料スプレー内にわずかな液滴含有密度が存在し、内燃機関の吸気流との良好な混合が得られる。さらに、液滴が凝固する危険性、つまり液滴が再びくっつき合って大きい液滴になる危険性は小さい。
請求項２以下に記載した手段によって、請求項１に記載した弁特に燃料噴射弁の有利な変化実施例及び改良が可能である。
半径方向ギャップノズルを、スリットの上流に存在する、ノズルプレートの凹部への入口に対して半径方向でずらしたことに基づいて、流体のＳ字状の流過形状が得られる。これによって、流れは、出口においても失われることのない半径方向速度成分を得る。強い流れの変向を有するいわゆるＳ字状の流れによって、流れに、噴霧を促す強い乱流（Turbulenz）が加えられる。
図面
本発明の実施例が図面に概略的に示されていて、以下に説明されている。図１には、本発明によるノズルプレートを備えた噴射弁が部分的に示されており、図２には、半径方向のスリットを備えたノズルプレートが示されており、図３〜図８には、マイクロ構造形成法（Mikrostrukturierung）及び電気めっき型取りを法（Galvanoabformung）を用いてノズルプレートを製造するための方法段階が示されている。
実施例の説明
図１には、混合気圧縮外部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１実施例が示されている。噴射弁は、管状の弁座支持体１を有しており、該弁座支持体１内に、弁縦軸線２に対して同軸的に長手方向開口３が形成されている。長手方向開口３内には例えば管状の弁ニードル５が配置されており、この弁ニードル５は、その下流側の端部６で、例えば球状の弁閉鎖体７に接続されており、該弁閉鎖体７の外周部に例えば５つの扁平部８が設けられている。
噴射弁の操作は公知の形式で例えば電磁石式に行われる。弁ニードル５を軸方向で運動させ、及びひいては噴射弁を図示していない戻しばねばね力に抗して開放若しくは閉鎖させるために、磁石コイル１０と可動子１１とコア１２とを備えた、略示された電磁石回路が使用される。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、例えばレーザーによる溶接継ぎ目によって結合されていて、コア１２に整列されている。
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が使用される。下流側に位置する、コア１２とは反対側に向けられた、弁座支持体１の端部内で、弁縦軸線２に対して同心的に延びる長手方向開口内に、例えば円筒形の弁座体１６が溶接によって気密に取り付けられている。弁座体１６は、弁閉鎖体７とは反対側に向けられた下側の端面側１７で、例えば鉢状に構成された支持円板２１に、同心的に堅固に結合されており、この支持円板２１は、弁座体１６に直接当接している。支持円板２１は、公知の鉢状の噴射孔付き円板と同様の形状を有しており、この場合、支持円板２１の中央の領域には、段付きの貫通開口２２が設けられていて、この貫通開口２２内に本発明によるノズルプレート２３が受容されるようになっている。
弁座体１６と支持円板２１との接続は、例えばレーザーによって形成された、環状で気密の第１の溶接継ぎ目２５によって行われる。このような形式の組み付けによって、支持円板２１が、貫通開口２２を備えたその中央の領域内で及びひいてはこの貫通開口２２内に組み込まれたノズルプレート２３が不都合に変形する危険性は避けられる。支持円板２１はさらに、弁座支持体１内に形成された長手方向開口３の壁部に、例えば環状の気密な第２の溶接継ぎ目３０によって結合されている。
弁座体１６と鉢状の支持円板２１とノズルプレート２３とから成る弁座部分が、長手方向開口３内に侵入する侵入深さは、弁ニードル５のストロークの大きさを規定する。何故ならば弁ニードル５の一方の終端位置は、磁石コイル１０が励磁されていない状態で、弁閉鎖体７が弁座体１６の弁座面２９に当接することによって規定されるからである。弁ニードル５の他方の終端位置は、磁石コイル１０の励磁された状態で、例えば可動子１１がコア１２に当接することによって規定される。これによって弁ニードル５のこれら２つの終端位置の間の経路がストロークを形成する。
球状の弁閉鎖体７は、流過方向で円錐台形に先細りする、弁座体１６の弁座面２９と協働し、この弁座面２９は、軸方向で、弁座体１６の下側の端面側１７とガイド開口１５との間に形成されている。
図２には、ノズルプレート２３が単独の構成部材として拡大して示されている。ノズルプレート２３は、平らで扁平で円形の円板として構成されており、この場合、円環状の外側領域３５は、軸方向で、内側の円形の噴射領域３６よりも厚く構成されている。噴射領域３６を完全に取り囲む外側領域３５は、噴射領域３６の２倍の厚さ例えば０．２ｍｍの厚さを有している。ノズルプレート２３は支持円板２１内でセンタリングされて位置している。ノズルプレート２３を噴射弁特に弁座体１６に固定する作業は、支持円板２１の輪郭形状に基づいて可能である緊締によって行われる。このように、ノズルプレート２３を弁座体１６に間接的に固定する緊締によれば、溶接又ははんだ付け等の方法とは異なり、微細な噴射幾何学形状が温度の影響を受けて変化することは完全に避けられる。支持円板２１内に形成された段付けされた貫通開口２２は、ノズルプレート３３が、緊張されることなしに著しく正確に受容されるように、寸法的に正確に製造されている。扁平な外側輪郭の代わりに、ノズルプレート２３は軸方向で段付けされた外側輪郭を有していてもよい。しかしながら支持円板２１は、ノズルプレート２３を固定するためのだけの条件を有しているわけではない。固定の可能性は本発明にとって重要ではないので、溶接、はんだ付け又は接着等のその他の公知の接続形式を参照されたい。組み付けた状態で、ノズルプレート２３の外側領域３５の上側の端面３８は、弁座体１６の下側の端面側１７に当接し、一方、噴射領域３６と弁座体１６との間には、凹状に構成された噴射領域３６に基づいて中空室が形成されている。
ノズルプレート２３の扁平な噴射領域３６は、小さいスリット幅若しくはギャップ幅を有する半径方向に延びる星形に配置された多数のスリット４０を備えている。燃料が噴射されるスリット４０は、内側の噴射領域３６の外周部に均一に分配されており、これによって噴射された燃料スプレーの噴射量分布は均一で、できるだけわずかな空間的な液滴含有密度を有している。半径方向のスリット４０は、円板中心まで延びてはいない。何故ならばそうでなければ、スリット４０と円板中心との交差点から集約された紐状の噴射流が噴出するからである。ノズルプレート２３から流体が流出した後で、表面張力によって、粗悪な噴霧作用を有する紐状の噴射流が中央で生じる。空間的な少ない液滴含有密度が得られるように、噴霧されたスプレー横断面を大きくするために、スリット４０は、噴射領域３６のできるだけ大きい直径まで延びている。スリット４０は、交差点つまり共通の出発点を有していないので、ノズルプレート２３の中央には、スリットのない中央の領域４１が存在している。スリット４０の制限壁は垂直に延びており、電気めっき型取り技術（ＭＩＧＡ技術：マイクロ構造形成法、電気めっき成形法、型取り法）による安価な製造によって形成されている。
図２にはノズルプレート２３が示されており、このノズルプレート２３は、均一に８つに分割された、つまりそれぞれ４５°の角度間隔を保って配置された８つのスリット４０を有している。５．５ｍｍの外径において、ノズルプレート２３は例えば直径４．２ｍｍの噴射領域３６を有しており、これによって０．６５ｍｍの外側領域３５の幅が得られる。噴射領域３６内に存在するスリット４０は、例えば０．９ｍｍの長さを有しており、この場合スリット４０は例えば、内径１．６ｍｍと外径３．４ｍｍとの間の噴射領域３６内に延びている。スリット幅は、約２５μｍである。これらのノズルプレート２３の寸法及びその他の、明細書に記載した寸法は、本発明を理解し易くするためのものであって、本発明はこれに限定されるものではない。同様に、スリット４０の所定の数も、１例を示すだけのものである。何故ならば、いずれの場合でも、例えば４つ、１２個又は１６個のスリット４０が考えられるからである。
スリット４０の上流側には、より厚い構成の外側領域３５によって中空室が得られるので、噴射領域３６はノズルプレート２３の凹部の底部を成している。この凹部は、部分的に弁座体１６によって外部から覆われ、この場合、スリット４０は、その半径方向の延び全体若しくはその全長に亙って覆われていなければならない。これによっていわゆるＳ字状の流体流が得られ、この流体流によって、特に、付加的なエネルギーなしで流体の均一で微細な噴霧が可能である。流れ変向を伴うＳ字状の流れによって、流れに、噴霧を促す強い乱流が加えられる。スリット４０が覆われることによって、流れは強制的に外方の半径方向成分を得る。この半径方向流成分は、半径方向に延びるスリット４０を貫流する際にも維持される。これによって、各スリット４０から吐出する扁平流は、斜め外方に噴射される。従って、全体的に、所望の大きさの直径を有する円錐形のスプレーが、半径方向ギャップノズルから噴射される。スプレー円錐形角度は、種々異なる手段によって変化させることができる。従って、弁座からスリット４０までの間隔、弁座体１６が噴射領域３６を覆う程度、並びにスリット４０の半径方向配置、スプレー円錐形の大きさに影響を与えることができる。
図示していない実施例によれば、例えば、構造的にノズルプレート２３に直接所属する第２の円板位置が設けられていることによって、ノズルプレート２３自体によって予めスリット４０を覆う状態が得られる。
図３から図８によれば、ノズルプレート２３を製造するために特に適した有利な製造方法が詳しく示されている。この場合、図面には、図２に示したノズルプレート２３の実施例は正確に示されておらず、製造原理を示す配置だけが図示されている。構造的寸法及び噴射ノズルの精度に関する高い要求に基づいて、マイクロ構造化方法は、今日ではその技術的に高度な製造のために、次第に大きくなりつつある。この方法の特徴は、大きい面状の寸法において構造の高い精度が保証されるので、非常に大きい数の大量生産のために理想的に適用される。ウエーハ上に多数のノズルプレート２３が同時に形成される。
この方法のための出発点は、例えば珪素、ガラス又はセラミックより成る扁平で頑丈な基板５０である。この基板５０の一般的な厚さは、０．５ｍｍから２ｍｍの間である。基板５０を洗浄した後で、まず少なくとも１つの補助層５１が基板５０上に電気めっきされる。この場合、例えば電気めっき開始層（例えばＣｕ）が使用される。この開始層は、後で行う電気めっきのための電気的な導体のために必要である。この補助層５１は、後でノズルプレート２３をエッチングによって簡単に個別化するのを可能にするために、後続のマイクロ構造化法のための停止層として若しくは犠牲層として使用される。次いで補助層５１上に、マイクロ構造化可能な層５２が全面的に被着される。このために、特に熱可塑性に変形可能なプラスチック（例えばポリメチルメタクリレート；Polymethylmethacrylat ＰＰＭ）の被着層が提供される。次いでこの被着層は、補助層５１上にシート状に載せられる。
図示していないマスクを介して層５２の構造化が行われる。このマイクロ構造化は、特に高い精度のために、ダイヤモンド切削（Diamantdrehen）によって、又はエキシマレーザー５５（図４）による除去によって行われる。例えば層５２をマイクロ構造化するために使用されたエキシマレーザー５５は、非常に高い効率及び短い波長（典型的にはλ＝１９３mm）を特徴としている。このエキシマレーザーによる処理後に、ガルバニックマスク５６がＰＭＭＡ層５２内に残る。次いで電気めっき浴内でガルバニックマスクの周囲に金属５７（図５）が電気めっきされる。金属５７は、電気めっきによってガルバニックマスク５６の輪郭部に密接して施されるので、所定の輪郭部を型くずれすることなく繰り返し製造することができる。一般的に、電気めっきする場合、Ｎｉ，ＮｉＣｏ，ＮｉＦｅ又はＣｕが使用される。
ノズルプレート２３の所望の構成に応じて、マイクロ構造化及び電気めっき型取りを繰り返し行うことができる（図６及び図７）。ダッシ（′）を付けた符号は、プロセスが繰り返されたことを表している。電気めっきプロセスの終了後、ガルバニックマスク５６，５６′は取り除かれる。構造化された層５２，５２′のためのＰＭＭＡを使用する際には特に、溶解除去のために酢酸エチルエステル（Essigsaeureethyester）が適している。溶解除去後に、ノズルプレート２３は既に完成された構成として、基板５０上に設置される。次いでノズルプレート２３の個別化が行われる。このためには、補助層５１がエッチングによって除去され、ノズルプレート２３が基板５０から持ち上げられる。
以上の製造法に非常に類似した別の製造原理によれば、ＭＩＧＡ技術に応じて前記型内で型取り工具が製造され、所望のノズルプレート２３に対する正確な逆転（ネガ構造）が形成される。この場合、型取り工具で型取りしようとするノズルプレート２３の数が特に多ければ、安価で採算のとれる製造が得られる。このようなノズルプレート２３のネガとしての型取り工具は、同じ品質で少なくとも１万回使用できる程度に正確に処理されなければならない。以上述べた方法の代わりに、ノズルプレート２３のスリット４０を例えば浸食によって形成することもできる。
本発明によるノズルプレート２３は、一般的に、液体（例えばラッカーも）を噴霧する際に、細かい液滴を均質で均一に分配したい場合に適している。

Claims (11)

1. 弁、殊に内燃機関の燃料噴射装置のための燃料噴射弁であって、弁縦軸線（２）と、弁座面（２９）と協働する弁閉鎖体（７）と、弁座面（２９）の下流で、吐出開口としての多数の狭いスリット（４０）を有するノズルプレート（２３）とを有している形式のものにおいて、
   ノズルプレート（２３）が、半径方向に延びる、噴射幾何学形状を形成する多数のスリット（４０）を有しており、これらのスリットが星形に配置されていて、各スリット（４０）が接触しないようになっていることを特徴とする、弁。
2. 複数のスリット（４０）のスリット幅が、２０μｍと５０μｍとの間である、請求項１記載の弁。
3. ノズルプレート（２３）に８つのスリット（４０）が設けられており、これらのスリットがそれぞれ互いに４５°の角度間隔を保っている、請求項１記載の弁。
4. ノズルプレート（２３）が内側の噴射領域（３６）を有しており、該噴射領域（３６）内にスリット（４０）が形成されていて、また該噴射流域（３６）が外側領域（３５）によって完全に取り囲まれている、請求項１記載の弁
5. スリット（４０）が、ノズルプレート（２３）の外側領域（３５）の上側の端面（３８）に対して低い凹部内に延びている、請求項４記載の弁。
6. ノズルプレート（２３）のスリット（４０）が、組み立てた状態で軸方向で間隔を保って覆われるようになっており、これによって前記凹部内に侵入した媒体流がスリット（４０）に向かって半径方向で変向されるようになっている、請求項５記載の弁。
7. ノズルプレート（２３）が、ガルバニック型取り法とマイクロ構造化法とを組み合わせて製造される、請求項１記載の弁。
8. ノズルプレート（２３）が特に、マイクロ構造化法としてダイヤモンド切削によって製造される、請求項７記載の弁。
9. ノズルプレート（２３）が特に、マイクロ構造化法としてエキシマレーザー（５５）による除去によって製造される、請求項７記載の弁。
10. ガルバニック型取り法において、ガルバニックマスク（５６）のための材料としてポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）が使用されている、請求項７記載の弁。
11. スリット（４０）がノズルプレート（２３）内で浸食によって製造されている、請求項１記載の弁。

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