JP5222294B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

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号明細に基づき、不動の弁座の下流側に、複数の出口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、まず少なくとも１つの出口開口が打ち抜き加工によって設けられる。この出口開口は弁長手方向軸線に対して平行に延びている。その後該孔付きディスクは、出口開口を有する中心の領域で深絞り加工によって塑性的に変形させられ、これにより出口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張している。こうして、その時まで知られていた噴射弁に対して、出口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、孔付きディスクの製造プロセスはその出口開口で極めて手間を要す。この出口開口は、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、出口開口に直接燃料が接近させられる。この場合、この出口開口自体は、最も狭い流れ横断面を規定している。

すでに米国特許第６４０５９４６号明細書に基づき、弁座の下流側に複数の出口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、出口開口に対する環状の燃料接近中空室を形成している。孔付きディスクの出口開口は、流入開口と環状の燃料接近中空室とに直接に流れ接続されていて、この場合、流入開口の上方の仕切り部によってカバーされる。換言するならば、流入開口の入口を規定する流出開口と、出口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出口開口の半径方向のずれに基づき、燃料のS字状の流れ経過が生ぜしめられる。このS字状の流れ経過は、噴霧を促進する手段を成している。出口開口は円形のもしくは楕円形の横断面を有している。

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、簡単な形式で、１つには燃料の極微細噴霧が達成され、もう１つには内燃機関の排ガス値が有効に著しく減少させられるという利点を有している。本発明によれば、燃料噴射弁によって、種々異なる液滴サイズの領域を備えた燃料スプレーが噴射される。この場合、大きい方の液滴が外側の領域に外被の層流を形成しており、小さい方の液滴がホローコーン層流またはソリッドコーン層流の内側の領域を満たしている。このことは、水平な燃料接近に相まった噴射開口の特殊なジオメトリと方向付けとにより達成される。火花点火式の内燃機関の最初の始動サイクル（コールドスタート）では、噴射された燃料スプレーの外側の液滴が壁面液膜として吸気管壁に付着する。噴流中央部に存在する液粒および相応に高い燃料蒸気部分だけが、最初の始動サイクルで燃焼室内に直接到達する。数サイクル遅れて初めて、壁面液膜が吸気管から吸気弁を介して燃焼室に後流れする。公知先行技術と異なり、理想的な形式では、本発明によれば、大きい方の液滴が壁面液膜形成を引き受けるようになっている。すなわち、より不十分に調整された混合気部分が、遅れて初めて燃焼室に供給され、これにより、まさに始動サイクルで最良調整された混合気部分が燃焼室に供給され、この期間の間、排ガスエミッションが著しく減少させられている。この限りにおいて、本発明による燃料噴射弁は、特に極端に低いコールドスタート時排ガスエミッション値を獲得する目的で、吸気管噴射のために適している。

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。

有利な形式では、弁座体に噴射開口の上流側で、燃料接近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計されている。こうして弁座体が、すでに孔付きディスクの流れに影響を与える機能を引き受けている。特に有利な形式では、流入開口の構成によって、燃料の噴霧改善のための、流れにおけるＳ字衝突が達成される。なぜならば、弁座体が流入開口の上側の仕切り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。この噴射開口は、流れに対する入口縁部から出発して半径方向外向きに先細りにされているように方向付けられている。この限りにおいて、噴射開口が有効な剥離縁部の最大化によって特徴付けられている。これによって、噴射開口内の流れの、高められた望ましい剥離効果ひいては所望の液滴分配が達成される。

噴射弁を部分的に示す図である。 中空層流状スプレーを形成するための液滴分布を概略的に示した、孔付きディスクの拡大断面図である。 孔付きディスクの第一の実施例の平面図である。 第一の噴射開口としての図３に示した部分ＩＶを詳しく示す図である。 噴射開口の第二の実施例を示す図である 噴射開口の第三の実施例を示す図である。 噴射開口の第四の実施例を示す図である。 噴射開口の第五の実施例を示す図である。 噴射開口の第六の実施例を示す図である。 二つの中実層流状スプレーから成る二方向噴流状のスプレーを形成するための孔付きディスクを備えた弁端部を示す図である。

実施例の説明
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されている。この噴射弁は、弁ハウジングの一部を成す、概略的にしか図示されていない管状の弁座支持体を有している。弁座保持体１内には、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、例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、例えば球状の弁閉鎖体７に固く結合されている。この弁閉鎖体７の周面には、例えば燃料を流過させるための５つの扁平加工部８が設けられている。

噴射弁の操作は、公知の形式では例えば電磁的に行われる。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、電磁コイル１０と、アーマチュア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。アーマチュア１１は、弁ニードル５の、弁閉鎖体７と反対の側の端部に、例えばレーザーにより形成された溶接シームによって結合されていて、コア１２に方向づけられている。

弁座支持体１の、下流側に位置する端部には、弁座体１６が例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と反対の下側の端面１７で段付けられて形成されている。この場合、フラットな、例えば単層の孔付きディスク２３が端面１７に固定されている。孔付きディスク２３は、少なくとも４個、しかし理想的には８個〜４０個の噴射開口２５を有している。弁座面２９の下流側に形成された流出開口２７の延長部として、弁座体１６に流入開口２８が設けられている。この流入開口２８を介して個々の噴射開口２５に燃料が接近させられる。この場合、流入開口２８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２８に流入し、最終的に噴射開口２５に流入する。

流入開口２８は、噴射開口２５の直接の燃料接近領域において、流れが噴出開口２５の長手方向延在長さに対してほぼ直角に、つまり図１では相応に水平に噴出開口２５に到達するよう形成されている。弁座体１６と孔付きディスク２３との結合は、例えばレーザーによって形成された、全周にわたって延びる密な溶接シーム２６によって達成される。この溶接シーム２６は流入開口２８の外側に設けられている。

長手方向開口３内への孔付きディスク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する。なぜならば、弁ニードル５の一方の終端位置が、電磁コイル１０の非励磁時に、弁座体１６の、下流側に円錐形に先細りされた弁座面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、電磁コイル１０の励磁時に、例えばコア１２へのアーマチュア１１の当付けによって規定されている。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２５は、流入開口２８に直接に流れ接続されていて、この場合、この流入開口２８の上方の仕切り部によってカバーされる。換言するならば、流入開口２８の入口を規定する流出開口２７と、噴射開口２５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２５の半径方向のずれに基づき、媒体、ここでは燃料のS字状の流れ経過が生ぜしめられる。

複数回の強い流れ変向を伴う、孔付きディスク２３の前方でのかつ内部での、いわゆる「S字衝突」によって、流れに噴霧を促進する強い乱流が付与される。本発明によれば、水平方向に燃料を接近させることが出来る流入開口２８に相まった噴射開口２５の特殊なジオメトリによって、さらに付加的に流体の噴霧に有利な影響が与えられる。この場合、種々異なる液滴サイズの領域を備えた１つの中空層流スプレーが獲得可能となる。この場合、大きい方の液滴が外側の領域３５に外被の層流を形成しており、小さい方の液滴がホローコーン層流の内側の領域３６を満たしている。

図２につき、再度概略滴的に孔付きディスク２３の領域でのS字状の経過を拡大して断面図で示す。この場合、噴射開口２５の特殊な構成と方向付けとに相まったこの燃料接近形式によって、本発明によれば、中空層流スプレーの内部での特別な液滴分配が可能となる。

図３は、孔付きディスク２３の第一の実施例を平面図で示している。この実施例では、孔付きディスク２３に環状に配置された１２個の噴射開口２５が設けられている。これらの噴射開口２５の輪郭は三角形状である。横断面図で見て、例えば各噴射開口２５は等辺三角形の形状を有している。この場合、三角形の全ての噴射開口２５は、孔付きディスク２３の中心部から到来して、半径方向へ外向きに噴射開口２５に流れる水平の流れが、比較的大きな入口縁部３８に到達するように位置付けられている。この入口縁部３８から出発して、噴射開口２５は半径方向外向きに先細りされているかもしくは半径方向で狭幅されている。矢印３７は、１つには、噴射開口２５への燃料接近がその入口に対して水平に行われるかもしくは噴射開口２５の長手方向延在長さに対してほぼ直角に行われることを示唆していて、もう１つには、噴射開口２５がその大きな入口縁部３８で弁長手方向軸線２に対してどのように方向付けられているのかを表示している。この限りにおいて、噴射開口２５が有効な剥離縁部の最大化によって特徴付けられている。これによって、噴射開口２５内の流れの、高められた望ましい剥離効果ひいては所望の液滴分配が達成される。

図４〜９には、本発明による噴射開口２５の６つの実施例が示されている。この場合、図４には図３に示した部分ＩＶが詳しく示されている。有利な形式では、噴射開口２５は、この噴射開口２５の先細り部が常に燃料接近側に対して反対の側に、つまり半径方向外側に付与されているように輪郭付けられている。噴射開口２５への水平の燃料接近によって、噴射開口２５内の流れが方向拡散する。すなわち流出する流体噴流が、噴射開口２５からの進出直後に扇状に拡散するものの、噴射開口２５への特別な輪郭付与によって、半径方向外側の領域３５で再び狭幅にされる。即座の扇状拡散によって、液体表面張力が、流出した噴流を収縮させ、これにより、より小さな自由表面の円筒状の噴流が形成されることが回避される。内側における拡大された自由噴流表面が、より小さな液滴へのさらなる分解を助成するのに対して、これに相まって比較的大きな液滴は、ホローコーン層流の外側の領域３５に外被の層流として残される。噴射開口２５の輪郭は、三角形（図４）、一部切断除去された三角形（図５）、半円形（図６）または半楕円形、一部切断除去された半円形（図７）または一部切断除去された半楕円形、丸み付けられて一部切断除去された三角形（図８）、丸み付けられた入口縁部３８を備えた半円形または半楕円形（図９）、またはこれに類する形状に形成されていてもよい。

図１０には、二つの中実層流スプレーから成る二方向噴流のスプレーを形成するための孔付きディスク２３を備えた弁端部が著しく概略的に示されている。このようなスプレーパターンを発生させるためには、図1〜図７により説明した燃料接近・噴射開口ジオメトリが、互いに独立して二倍分配されて孔付きディスク２３に加工されていなければならない。このためには、弁座体１６の領域に相応の燃料接近通路が必要となる。この燃料接近通路は流体を最初から所望の二つの噴射領域に搬送し、そこから流れが前述した原則により入口縁部３８を介して噴射開口２５に到達することができる。シンボリックに示した中実層流スプレーの代わりに、噴射開口２５の相応の設計時には、２つの中実層流スプレーを、図２に示した例の重複で発生させることもできる。このような燃料噴射弁は、燃料を２つの吸気弁の方向に噴射するために特に適している。

孔付きディスク２３は、マイクロ電気メッキ、レーザー切断技術、エッチング技術または打ち抜き技術によって製作することができる。噴射開口２５の横断面は製作法、もしくは使用意志に応じて、噴射開口２５の全長にわたってコンスタントであるかまたは流れ方向に増加している。

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 電磁コイル、 １１ アーマチュア、 １２ コア、 １６ 弁座体、 １７ 端面、 ２３ 孔付きディスク、 ２５ 噴射開口、 ２６ 溶接シーム、 ２７ 流出開口、 ２８ 流入開口、 ２９ 弁座面、 ３５ 外側の領域、 ３６ 内側の領域、 ３７ 矢印、 ３８ 入口縁部

Claims (5)

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、弁長手方向軸線（２）に沿って軸方向に移動可能である、弁座（２９）と協働する弁閉鎖体（７）と、弁座（２９）の下流側に配置された孔付きディスク（２３）とが設けられており、該孔付きディスク（２３）が、複数の噴射開口（２５）を有しており、該噴射開口（２５）への燃料接近が、半径方向内側から半径方向外側に向かって、噴射開口（２５）の長手方向延在長さに対してほぼ直角に行われるように、噴射開口（２５）のすぐ上流側に流入開口（２８）が設計されている形式のものにおいて、噴射開口（２５）が、環状に配置されており、該噴射開口（２５）が、入口縁部（３８）を有していて、該入口縁部（３８）から出発して半径方向外向きに先細りにされており、これによって、噴射された燃料スプレーの半径方向外側の領域（３５）が、半径方向内側の領域（３６）よりも大きな液滴から成っ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. １つの燃料スプレーの形成のための８個〜４０個の噴射開口（２５）が設けられている、請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 噴射開口（２５）の輪郭が、三角形、一部切断除去された三角形、半円形、半楕円形、一部切断除去された半円形、一部切断除去された半楕円形、丸み付けられて一部切断除去された三角形、丸み付けられた入口縁部（３８）を備えた半円形あるいは半楕円形である、請求項１または２記載の燃料噴射弁。
4. 流入開口（２８）が、弁座体（１６）の下側の端面（１７）に設けられている、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. 孔付きディスク（２３）が、電気メッキによる金属析出、レーザー切断技術または打ち抜き技術によって製作可能である、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。

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