JP5129971B2 - 内燃機関用噴射ノズルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のための噴射ノズルであって、ノズルボディと、各１つの流入開口及び各１つの流出開口を備えた複数の噴射通路とが設けられている形式のものに関する。更に本発明は、異なる加工成形を施された少なくとも２つの通路を１つの工作物、特に請求項１から５までのいずれか１項記載の噴射ノズルのノズルボディに、必要な場合は回動可能な磁界に配置された、電流が通流する電極を用いて設けるための方法であって、該電極を、半径方向遊びを以て上側のガイドと下側のガイドにおいてガイドし且つ下側のガイドから所定の長さだけ突出させる形式のものに関する。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０３５８８６１号明細書から内燃機関のための噴射ノズルが公知である。ノズルボディには、複数の噴射通路がそれぞれ間隔をおいて設けられている。全ての噴射通路は同一であり且つ円筒形に形成されている。

噴射通路は大抵、例えば国際公開第０３／０４１９００号パンフレットに記載された放電加工法によって設けられる。このような噴射ノズルの放電加工では、電極と噴射ノズルの加工箇所との間に電界が印加される。更に、加工箇所には適当な加工液、特に誘電体が供給される。公知の放電加工法は磁気ギャップ制御を含んでいる。この場合、定置の磁界によって、電極と工作物の加工箇所との間の軸方向距離を制御する。この場合、電極は電流を通す導体として形成されており且つ磁界内に配置されている。磁界内で電極に作用するローレンツ力が電極を水平方向に変位させ、その結果、電極の自由端部の軸方向運動が生ぜしめられる。これにより、電極と工作物との間の距離は、流れる電流に関連して調節される。電流が大きくなる程、電極に作用するローレンツ力及びこれに関連する変位が増大する。従って、電極の自由端部は、導体を通流する電流が大きくなる程、工作物からより大きく軸方向で遠ざかる。

本発明よりも後に公開されたドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００４０６０２９０号明細書から、電極を上側のガイドと下側のガイドとによってガイドすることが公知であり、これらのガイド間には磁界が形成され、しかも、当該の上側のガイドと下側のガイドは磁界に対して所定の間隔をあけて配置されている。当該刊行物から、磁界を回動させ且つ磁界に対する前記ガイドの間隔を選択することにより、電極端部の運動の振幅を調整することが公知である。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０３５８８６１号明細書 国際公開第０３／０４１９００号パンフレット ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００４０６０２９０号明細書

本発明の課題は、噴射ノズルの択一的な構成及び１つの工作物、特に噴射ノズルに複数の通路を設けるための方法を提供することにある。

この課題を解決するために本発明では、少なくとも２つの噴射通路に異なる加工成形が施されているようにした。更に本発明では、両通路の製作時に電極の自由端部の運動に影響を及ぼすために、少なくとも１つのパラメータ又は１パラメータの時間的な変化を違えて選択するようにした。

本発明の有利な構成は従属請求項に記載されている。

本発明の根底を成す思想は、噴射ノズルに異なる通路ジオメトリを有する少なくとも２つの噴射通路を設けることにある。これにより、スプレーパターン、即ち噴射時の燃料の分布を改良することができる。このことは、特にディーゼルエンジン用の噴射ノズルにおいて有利である。

本発明の有利な構成では、噴射通路が円筒形に形成されている。その他に、噴射通路に円錐度を付与することが可能である。付加的に又は択一的に、少なくとも１つの噴射通路の横断面を、当該噴射通路の長手方向延在部にわたって変化させることができる。つまり、例えば流入開口が楕円形に形成されており且つ流出開口が円形に形成されているか、又は逆に流入開口が円形に形成されており且つ流出開口が楕円形に形成されており、横断面が、噴射通路の長手方向延在部にわたって連続的に前記の形に近づいていると有利である。

真っ直ぐに延びる側壁を備えた楕円柱形の噴射通路を設けることも同様に考えられる。

少なくとも１つの噴射通路を、まず最初に所定の部分延在部にわたって円錐形に先細にし、最小横断面に到達した後で、例えば砂時計又はラバル管の形で円錐形に拡径すると、特に有利である。

択一的な構成では、流入開口、流出開口及び／又は噴射通路の長手方向で隔てられた平行な横断面が、多角形、特に三角形に加工成形されている。

噴射ノズルの少なくとも２つの異なって形成される通路は、本発明では放電加工法によって１つの共通の装置で製作され、この場合、電流を通す導体（電極）が磁界を通ってガイドされている。電極をガイドするためには、２つの間隔をおかれたガイドが設けられており、これらのガイドによって、有利には棒状電極として構成された電極が、それぞれ半径方向遊びを備えてガイドされている。この場合、電極を簡単に手繰り込めるようにするためには、有利には少なくとも１つのガイドが円錐形の入口区分を有している。この入口区分には、有利には円筒形の区分が続いている。この場合、この円筒形の区分における半径方向のガイド遊びは数μｍ、有利には約３〜６μｍである。当該のガイド、少なくとも各ガイドの円筒形の区分は、有利にはセラミック材料から形成されている。

電極は、下側のガイドから工作物に向かって突出している。突出した区分の長さ（Ｚ寸法）は、例えば電極材料を後調整することによって可変である。この場合、電極を例えば上側のガイドの上位に配置されたリザーブローラを介して繰り出して後調整することが考えられる。Ｚ寸法は、有利には０．１ｍｍ〜２ｍｍの範囲内で変えられる。Ｚ寸法の調整に際しては、放電加工プロセス中の電極剥離を考慮する必要がある。

電流が通流する電極に作用する磁界に基づいて、電極にはローレンツ力が作用する。このローレンツ力は電極を磁界の内側で、特に電極の長手方向延在部に対して垂直方向に変位させる。この変位の振幅は、前記ガイドの相互間隔を介して、若しくはガイド間に配置された磁界に対する少なくとも１つのガイドの間隔を介して変化させられる。電極端部の変位の振幅に対しては、下側のガイドから工作物に向かって突出している区分の長さを選択すること若しくは変化させることによっても影響を及ぼすことができる。当該長さが大きければ大きい程、変位の振幅は大きくなる。

例えば、パルス電流発電機の開路電圧を選択することにより、電極の自由端部の変位運動の振幅に影響を及ぼすこともできる。

時間的に変化する電流が電極を通流すると、この電極は少なくとも一次元的な運動又は振動を励起される。前記の値を変化させることにより、当該運動若しくは振動の振幅に影響を及ぼすことができる。電極を振動させるためには、電磁石の極性を複数回変化させることも考えられる。

異なる通路ジオメトリを備えた複数の通路を製作するためには、前記パラメータに対して付加的又は択一的に、磁界の強さ及び磁界の向き、つまり電極の半径方向平面内の磁界ラインの角度位置を変化させることも可能である。磁界の向きを変化させるためには、この磁界を生ぜしめる永久磁石及び／又は電磁石が、例えばステップモータによって回動可能であり、これにより、電極の自由端部の変位方向若しくは振動方向が可変である。同様に、磁界を有利には連続的に一定の角速度で以て、工作物の加工中に回動させることも考えられる。磁界の回動は、円形の流出入開口を備えた円錐形の通路ジオメトリを製作するために必要である。

異なる加工成形を施された複数の通路を製作する場合は、前記パラメータの内の少なくとも１つを、通路を設ける際に異なって選択するか、若しくは時間に関するパラメータの特性が、通路を設ける際に異なっている必要がある。

特別な通路ジオメトリを得るためには、例えばまず最初に先細になり、次いで再び拡径する通路横断面を備えたダブル円錐通路を形成するためには、電極が付加的に、少なくとも一時的に遊星状に、つまり所定の回転軸線を中心として回転可能に配置されていると有利である。このためには、例えばステップモータを設けることができる。

有利には、工作物の加工は同一の位置固定位置で行われる。これにより、通路位置に関して最大限の精度が得られる。勿論、工作物を位置固定装置と一緒に電極に対して相対運動させることが可能である。第１の通路を設けた後、工作物をリリースしてから改めて位置固定するのではなく、工作物は一度だけしか位置固定されないということが重要である。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。

図面において同じ構成部材及び同じ機能を有する構成部材には、それぞれ同一符号が付されている。

図１には、噴射ノズル１の前方区分が示されている。この噴射ノズル１はノズルボディ２を有しており、このノズルボディ２の前方領域はノズルの先端に向かって先細になっている。ノズルの先端領域には、異なる加工成形を施された２つの噴射通路３，４が燃料用に設けられている。ノズルボディ２の内側には、噴射通路３，４を制御するためのノズルニードル５が位置している。図平面で見て左側の噴射通路３が一定の円筒形の延在部を有しているのに対して、第２の噴射通路４は外側に向かって円錐形に先細になっている。この場合、長手方向で隔てられた第２の噴射通路４の平行な横断面は、それぞれ円形に形成されている。噴射通路４の長手方向で見て、横断面の輪郭が楕円形の流入開口６から、例えば円形の流出開口７に近づくことも考えられる。

噴射ノズル１は合計３〜１０本の噴射通路を有しているが、図面を見やすくする理由から２本の噴射通路３，４しか示していない。これらの噴射通路３，４の深さは約１ｍｍである。

図２には、工作物、特に噴射ノズルを放電加工するための装置８が概略的に示されている。装置１は、導電体として形成された線材状の電極９（部分的にのみ図示）を有しており、この電極９は、加工プロセス中に剥離した電極区分を補償し且つ電極の突出量を下側のガイド（Ｚ寸法）を越えて工作物の方向で可変にするために、所定のローラ（図示せず）から繰出し可能であり且つ工作物１に向かって後調整可能である。電極９を通って時間的に変化する電流が流れるので、電極９の自由端部１０と工作物（この場合は噴射ノズル１）の加工箇所とに電界が生じる。例えば誘電体等の適当な加工液の供給下で、噴射ノズル１において材料除去を生ぜしめることができるので、工作物には複数の通路３，４，１１，１２が穿孔される。これらの通路３，４，１１，１２の内の少なくとも２つの構成は、本発明に基づき異なっている。図示の実施例では、通路３，１１が同一であり且つ円筒形に形成されている。通路４は、流入側６から流出側７に向かって円錐形にテーパしているのに対して、通路１２は流入側１３から流出側１４に向かって円錐形に拡径している。電極９は上側のガイド１５と、この上側のガイド１５から軸方向で間隔をあけられた下側のガイド１６とによってガイドされている。両ガイド１５，１６はセラミック材料から形成されている。両ガイド１５，１６は、円錐形にテーパする上側の導入区分１７と、この導入区分１７に続く円筒形のガイド区分１８とを有している。このガイド区分１８を通って、電極９は有利には１０μｍよりも小さな半径方向遊びを以てガイドされている。

両ガイド１５，１６間には磁界Ｂが位置しており、この磁界Ｂは磁石（図示せず）によって形成され且つ電極９の長手方向軸線に対して垂直方向に方向付けられている。

電極９を介して有利には時間的に変化する電流が流れると直ちに、ローレンツ力が電極９に作用する。このことは、電極９をその長手方向軸線に対して垂直方向に変位若しくは運動又は振動させる。これにより、電極９の自由端部１０も工作物（この場合は噴射ノズル１）に対して相対的に変位若しくは振動運動させられる。

この場合に磁界Ｂが、例えばステップモータによって、又は周方向で間隔をあけられた複数の電磁石に適宜給電することによって回動されると、前記自由端部１０の振動平面も回動され、これにより、種々異なる通路ジオメトリを得ることができる。

図２から判るように、電極９は下側のガイド１６からＺ寸法の長さだけ突出している。この長さは、有利には０．１〜２ｍｍの範囲内で可変である。当該長さを大きく選択すればする程、自由端部１０の変位若しくは振動の振幅が大きくなる。

両ガイド１５，１６は互いに間隔をあけて配置されている。上側のガイドは磁界Ｂに対して所定の間隔Ｌ（１）を有しており、下側のガイドは磁界Ｂに対して所定の間隔Ｌ（２）を有している。磁界Ｂ、特に磁石（図示せず）に対する両ガイド１５，１６の間隔Ｌ（１），Ｌ（２）によって、ガイド１５，１６間に位置する電極９の区分の変位若しくは振幅延いてはやはり運動する電極９の自由端部１０の振幅若しくは変位も影響される。両間隔Ｌ（１）又はＬ（２）の内の少なくとも一方は、各ガイド１５，１６の位置の変更によって可変である。即ち、間隔Ｌ（１）及び／又はＬ（２）の変化、並びに長さ（Ｚ寸法）の変化に基づいて、自由端部１０の変位若しくは振動の振幅に影響を及ぼすことができる。同様に、このためには磁界Ｂの強さ、つまり磁界Ｂのエネルギ密度又は電極９を通流する電流の強さを変化させてもよい。

例えばステップモータを用いて磁石を回転させることによる磁界Ｂの回転に基づいて、付加的に孔形状に影響を及ぼすことが可能である。例えばステップモータによって磁界の向き、即ち磁界ラインの向きに影響を及ぼすことも考えられる。これにより、やはり電極９の自由端部１０の振動方向に影響を及ぼすことができる。磁界Ｂの向きを段階的に変化させることにより、多角形の通路が得られる。

異なる通路ジオメトリを製作するために少なくとも２つの異なる通路を形成する場合は、時間に関する前記パラメータ若しくはパラメータの特性の内の少なくとも１つを変化させる必要がある。

矢印１９によって工作物（この場合は噴射ノズル１）のための位置固定装置が示されている。当該方法の優れている点は、少なくとも２つの異なる通路の製作中に、工作物（この場合は噴射ノズル１）をつかみ変える必要がないという点にある。むしろ、加工成形の異なる、間隔をあけられた少なくとも２つの通路を設ける間、工作物は同じ位置固定ポジションに留まる。異なる複数の通路は同一装置で設けることができるので、異なる加工成形を施される２つの通路の穿孔中に工作物をリリースして、再度位置固定する必要はない。

いくつかの可能な通路ジオメトリが図３〜図１０に示されている。工作物に複数の通路を設けるためには、電極９が工作物に向かって後調整される。

図３には工作物の１通路３が示されている。流入開口６及び流出開口７は、当該通路３の長手方向で隔てられた横断面全体と同様に円形に形成されている。円形の流出入開口６，７及び円形の横断面を製作するためには複数の手段がある。一つは、磁界を遮断し且つ通路を電極９の送りのみによって、つまりＺ寸法の長さを延長することのみによって穿孔する。別の手段は、磁界を静止状態で、つまり非回転状態で配置し、最小の間隔Ｌ（１），Ｌ（２）を規定し且つＺ寸法を大きくすることにある。更に、小さな間隔Ｌ（１），Ｌ（２）において磁界を回転操作することが可能であり、このことは丸み付けの品質にポジティブな影響をもたらす。

穿孔中のＺ寸法の変化を規定する際には、放電剥離プロセスによる電極剥離を考慮する必要がある。

図４には、円錐形の延在部、円形の流出入開口及び長手方向で隔てられた直径の異なる円形の横断面を有する通路４が示されている。このような通路４を製作するためには、磁界を回転操作する。円錐度の調節は、ガイド１５，１６の相互間隔の選択又は変化を介して行われるか、若しくはパラメータＬ（１）及び／又はＬ（２）の選択又は変化を介して行われる。これらの間隔を大きく選択すればする程、より大きな円錐度が形成可能であり、逆に前記間隔を小さく選択すればする程、より小さな円錐度が形成可能である。間隔Ｌ（１）だけを変化させ且つＬ（２）は一定に保持することが有利であると判った。円錐度に影響を及ぼす別の手段は、磁気的なエネルギ密度の変化にある。この磁気的なエネルギ密度は電磁石によって電気的に調節可能若しくは影響を及ぼすことが可能であり、延いては磁界の範囲内で、強制的な電極変位の振幅を変化させることができる。磁気的なエネルギ密度を大きく選択すればする程、形成される通路の円錐度が大きくなる。

円錐形に延びる通路は、従来の放電加工法では限定的にしか製作することができない。今のところ大量生産の枠内で、通路の流入部直径を差し引いた流出部直径の差の値に対応する約１５μｍまでの円錐度を、１ｍｍの通路長さに対して再現可能に製作することができる。このことは、１．５のＫファクタ及び約０．７°の角度αに相当する。磁界の回転により、最大約１０の著しく大きなＫファクタ（約３°の角度αに相当）を得ることが可能である。

図５には別の通路２０が示されている。この通路２０はダブル円錐延在部を有しており、この場合、通路２０は流入開口２１から出発してまず最初に先細になり、最小横断面２２に到達した後で、流出開口２３まで円錐形に拡径している。このような通路の製作は、例えば電極９の遊星的な駆動と、回転する磁界Ｂとを組み合わせることによって行われる。加工は電極９の遊星運動で開始され、この場合、電極９の遊星運動の半径は、最小横断面２２の範囲内で最小移行半径に到達するまで連続的に減少される必要がある。次いで、遊星運動の半径を０にセットして、磁界の回転を所望の円錐度に対応して作動させる。この場合、通路の両区分で異なる円錐度を選択することが考えられる。

図６には、円形の流入開口２５と楕円形の流出開口２６とを備えた、円錐形に延びる通路２４が示されている。このような通路２４を製作する場合、磁界は回転させずに単に静止状態で位置調整されていることが望ましい。磁界は流出開口の楕円値を得るために必要とされる。両側に楕円値を得るためには、極性反転電流を推奨する。円錐度及び部分的に楕円値は、間隔Ｌ（１）及び／又はＬ（２）又は磁界のエネルギ密度を介して調節される。

更に図７に示したように、楕円形の流入開口２７と楕円形の流出開口２８とを、円錐形に延びる通路２９に設けるという可能性がある。この場合に重要なパラメータは、円形の流入開口用には小さく選択し且つ楕円形の流入開口用には大きく選択せねばならない、下側のガイド１６と工作物との間の間隔である。楕円値若しくは円錐度は、Ｚ寸法の増大に伴ってリニアに増大する。

図８には別の通路３０が示されている。この通路３０は円筒形であり、楕円形の流入開口３１、楕円形の流出開口３２及び長手方向で隔てられた同一の横断面を備えて形成されている。楕円形の横断面を製作するためには、間隔Ｌ（１）及び／又はＬ（２）及び／又は磁界Ｂのエネルギ密度を大きく選択することが望ましい。但しこの場合は自動的に円錐形の孔延在部が形成される恐れがある。このことを回避するためには、円錐度に関連するパラメータＬ（１）及び／又はＬ（２）並びに磁界のエネルギ密度を電極９の送り運動に相応して減少させることが必要である。従って、Ｚ軸から出発する電極９の自由端部１０の位置を機械制御において考慮する必要がある。

図９には、星形又は十字形の流入開口３４と、同一に選択された流出開口３５とを備えた通路３３が示されている。図９に示した通路３３の構成を得るために、この通路３３は２段階で穿孔された。この場合、磁界は２つの段階の間で９０°だけ回動され、これにより、電極９の自由端部１０は９０°だけ回動された向き振動を同一振幅で以て実施した。このためには、有利にはステップモータが設けられている。周方向で隔てられた複数の電磁石に適宜給電することも考えられる。図９に示した通路３３は、例えば円錐形の孔延在部を備えて製作することも可能である。

図１０には、多角形の流入開口３７と同一の流出開口とを備えた通路３６が示されている。

時間的に間隔をあけられた複数の加工段階の間で磁界を段階的に回動させることによって、ほぼ任意の通路ジオメトリを形成することができる。この場合は２つ又は複数の楕円形の通路がオーバラップされるか、又は換言すると、角度をずらされた複数の湾曲部を広範にわたって有する横断面を備えた通路が生ぜしめられる。

軸方向に移動可能なノズルニードル及び異なる加工成形を施された２つの噴射通路を備えた噴射ノズルの部分図である。 本発明による製作方法を実施するための放電加工装置の１実施例を概略的に示した図である。 通路、特に噴射ノズルの噴射通路の種々異なる可能な加工成形を示した図である。 通路、特に噴射ノズルの噴射通路の種々異なる可能な加工成形を示した図である。 通路、特に噴射ノズルの噴射通路の種々異なる可能な加工成形を示した図である。 通路、特に噴射ノズルの噴射通路の種々異なる可能な加工成形を示した図である。 通路、特に噴射ノズルの噴射通路の種々異なる可能な加工成形を示した図である。 通路、特に噴射ノズルの噴射通路の種々異なる可能な加工成形を示した図である。 通路、特に噴射ノズルの噴射通路の種々異なる可能な加工成形を示した図である。 通路、特に噴射ノズルの噴射通路の種々異なる可能な加工成形を示した図である。

符号の説明

１ 噴射ノズル、 ２ ノズルボディ、 ３，４，１１，１２，２０，２４，２９，３０，３３，３６ 噴射通路、 ５ ノズルニードル、 ６，２１，２５，２７，３１，３４，３７ 流入開口、 ７，２３，２６，２８，３２，３５ 流出開口、 ８ 放電加工装置、 ９ 電極、 １０ 自由端部、 １３ 流入側、 １４ 流出側、 １５ 上側のガイド、 １６ 下側のガイド、 １７ 導入区分、 １８ ガイド区分、 １９ 位置固定装置、 ２２ 横断面

Claims (8)

1. 上側のガイド（１５）と下側のガイド（１６）において半径方向遊びをもって電極（９）をガイドし且つ下側のガイドから所定の長さ（Ｚ寸法）だけ電極（９）を突出させて自由端部（１０）を設け、
   前記自由端部（１０）で工作物に複数の噴射通路（３，４）を加工成形するとき、電流が通流する前記電極（９）に磁界（Ｂ）を作用させて前記電極（９）を長手方向に対し垂直方向に変位させる内燃機関用噴射ノズルの製造方法であって、
   前記自由端部（１０）の前記垂直方向の変位に違いを持たせることで、互いに形状が異なる複数の噴射通路（３，４）を設ける、内燃機関用噴射ノズルの製造方法。
2. ガイド（１５，１６）間の間隔、下側のガイドから突出する電極（９）の長さ（Ｚ寸法）、下側のガイド（１６）と工作物との間の間隔、磁界の向き、磁界の強さ、磁界の静的配置および回動配置から成る複数のパラメータの内の少なくとも１つ、又は前記複数のパラメータの内の少なくとも１つのパラメータの時間的な変化を違えて選択することで前記自由端部（１０）の前記垂直方向の変位に違いを持たせる、請求項１記載の方法。
3. 工作物（１）を加工開始前に位置固定し、前記複数の噴射通路（３，４）を、工作物の同じ固定位置で設ける、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記電極（９）を所定の回転軸線を中心として平面的に回転させる、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記磁界（Ｂ）を回転若しくは位置調整するためにステップモータを使用する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記電極（９）に、時間的に変化する電流を流す、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記少なくとも１つのパラメータを、前記電極（９）の自由端部（１０）の送り位置に関連して変える、請求項２記載の方法。
8. 前記複数の噴射通路（３，４）を同一の前記電極（９）を用いて工作物に設ける、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。

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