JP5260004B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念部記載の燃料噴射弁、つまり内燃機関の燃料噴射装置のための燃料噴射弁であって、弁長手方向軸線と、不動の弁座を有する弁座体と、弁座と協働する弁長手方向軸線に沿って軸線方向で運動可能な弁閉鎖体と、弁座の下流側に配置された、複数の噴射開口を有する噴孔プレートとが設けられており、噴射開口の直ぐ上流側の流入開口が、噴射開口の燃料流入が、該噴射開口の長手延在方向に対してほぼ直角で行われるように設計されている形式のものから出発する。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第４２２１１８５号明細書から、不動の弁座の下流側で複数の噴射開口を備えた噴孔プレートを有する燃料噴射弁が既に公知である。噴孔プレートには、まず打抜き加工によって少なくとも１つの噴射開口が設けられる。この噴射開口は弁長手方向軸線に対して平行に延びている。噴孔プレートの、噴射開口を有する中央領域は深絞り加工により塑性変形されるので、噴射開口は弁長手方向軸線に対して傾いて延びていて、流れ方向で円錐台形もしくは円錐形に拡幅している。こうしてこれまで公知であった噴射弁と比べて、噴射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ものの、噴孔プレートの噴射開口の製造プロセスには極めて手間がかかる。噴射開口は、弁座体に設けられた流出開口の直ぐ下流側に設けられていているその限りにおいて直接燃料流入され、この場合、噴射開口自体は極めて狭幅な流れ横断面を規定する。

ＵＳ６４０５９４６Ｂ１から、弁座の下流側で複数の噴射開口を備えた噴孔プレートが設けられている燃料噴射弁が既に公知である。この構成では、弁座体の流出開口と噴孔プレートとの間に、比較的大きな直径を有する流入開口が形成されていて、この流入開口は噴射開口に対して環状の流入中空室を形成する。噴孔プレートの噴射開口は、流入開口と環状の流入中空室と直接流れ接続していて、この場合、流入開口の上側の制限部によってカバーされる。換言すれば、流入開口の入口を規定する流出開口と噴射開口とは完全にずれている。弁座体の流出開口に対する噴射開口の半径方向でのずれ量により、燃料のＳ字の流れ経過がもたらされる。このＳ字の流れ経過は噴霧促進の手段である。噴射開口は円形もしくは楕円形の横断面を有している。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第４２２１１８５号明細書 ＵＳ６４０５９４６Ｂ１

従って、本発明が解決しようとする課題は、冒頭で述べた形式の、内燃機関の燃料噴射装置のための燃料噴射弁であって、弁長手方向軸線と、不動の弁座を有する弁座体と、弁座と協働する弁長手方向軸線に沿って軸線方向で運動可能な弁閉鎖体と、弁座の下流側に配置された、複数の噴射開口を有する噴孔プレートとが設けられており、流入開口が、噴射開口の直ぐ上流側で、噴射開口の燃料流入が、噴射開口の長手延在方向に対してほぼ直角で行われるように設計されているものを改良して、簡単な形式で燃料の微粒噴霧を獲得し、その際、特に高い調整品質と極めて小さな燃料液滴をもった噴霧等級とが達成されるようにすることである。

この課題を解決するために、本発明の構成では、噴射開口が、互いに非対称的に延びる２つの区分から成っており、下流側の下側の区分が、上流側の上側の区分の開口幅よりも大きな開口幅を有しており、噴射開口の燃料流入側における上流側の区分に対する下流側の区分の下側ずれ量が、噴射開口の相対する側における上流側の区分に対する下流側の区分の下側ずれ量よりも大きくなっているようにした。

請求項１記載の特徴を有する本発明による燃料噴射弁は、燃料の微粒噴霧が簡単に得られるという利点を有している。この場合、極めて小さな燃料液滴をもった特に高い調整品質と噴霧品質とが得られる。このことは有利には、弁座の下流側で水平に燃料流入され、噴射される燃料の薄板状の拡開を得ることができるように輪郭付けされている噴射開口が設けられていることでもたらされる。理想的には、燃料噴射弁の下流側の端部に、本発明により構成された複数の噴射開口を備えた噴孔プレートが設けられている。噴射開口は、薄板状群で噴射されるように組合せることができる。こうして約２０μｍのザウタ平均粒径（ＳＭＤ）を有する極端に小さな燃料液滴で燃料噴霧が噴射可能であり、内燃機関のＨＣエミッションを極めて効果的にはっきりと低減することができる。

本発明に係る燃料噴射弁は、内燃機関の燃料噴射装置のための燃料噴射弁であって、弁長手方向軸線と、不動の弁座を有する弁座体と、弁座と協働する弁長手方向軸線に沿って軸線方向で運動可能な弁閉鎖体と、弁座の下流側に配置された、複数の噴射開口を有する噴孔プレートとが設けられており、噴射開口の直ぐ上流側の流入開口が、噴射開口の燃料流入が、噴射開口の長手延在方向に対してほぼ直角で行われるように設計されている形式のものにおいて、噴射開口が、互いに非対称的に延びる２つの区分から成っており、下流側の下側の区分が、上流側の上側の区分の開口幅よりも大きな開口幅を有しており、噴射開口の燃料流入側における上流側の区分に対する下流側の区分の下側ずれ量が、噴射開口の相対する側における上流側の区分に対する下流側の区分の下側ずれ量よりも大きくなっていることを特徴とする。

従属請求項に記載した手段により、請求項１に記載した燃料噴射弁の有利な改良形と構成とが可能である。

有利には、噴射開口の上流側の弁座体には、流入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い。こうして弁座体は既に噴孔プレートにおける流れ影響の機能を引き受けている。

特に有利には、流入開口の形成によって、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制限部で噴孔プレートの噴射開口をカバーしているからである。噴射開口は、互いに非対称的に延びている２つの区分から成るように形成されている。この構成では、下流側の下側の区分が、上流側の上側の区分の開口幅よりも大きな開口幅を有していて、この場合、燃料流入側、つまりたとえば半径方向内方で噴孔プレートの中央に向かっている側における、上流側の区分に対する下流側の区分の下側ずれ量は、噴射開口の相対している、たとえば半径方向外方の側における、上流側の区分に対する下流側の区分の下側ずれ量よりも大きい。これにより、燃料流入側から噴射開口の下流側の部分には強烈な空気相もしくは空気流が提供されている。この空気相もしくは空気流は流体の拡開を助成する。なぜならば空気相もしくは空気流は燃料を噴射開口２５の相対している衝突側に押し付け、燃料流入側での既存の流れの剥離を促進する。

有利には電鋳による金属析出によって、大個数の噴孔プレートを再製造可能に極めて正確で廉価に同時に製造することができる。さらにこの製造方式により、噴孔プレートの噴射開口の輪郭付与時に大きな構成自由度が許容される。

本発明に係る燃料噴射弁は、有利には、噴射開口の流入側が、半径方向内方で噴孔プレートの中心に向かっている側であって、該側において、上流側の区分に対する下流側の区分の下側ずれ量が、噴射開口の半径方向外方の側よりも大きくなっている。

本発明に係る燃料噴射弁は、有利には、噴射開口の上流側の区分に対する下流側の区分の下側ずれ量が、流下側において最大である。

本発明に係る燃料噴射弁は、有利には、噴射開口の上流側の区分に対する下流側の区分の下側ずれ量が、噴射開口の全周面にわたって存在している。

本発明に係る燃料噴射弁は、有利には、上流側の区分から下流側の区分への移行部が、段部として構成されている。

本発明に係る燃料噴射弁は、有利には、噴射開口の２つの前記区分の中心軸線が、ずれ量をもって互いに延びている。

本発明に係る燃料噴射弁は、有利には、４個から４０個の噴射開口が、噴孔プレートに設けられている。

本発明に係る燃料噴射弁は、有利には、噴射開口の輪郭が、横断面で円形、または楕円形、または円形と四角形の組合せ、または四角形、または円形と半楕円形との組合せ、または三角形と半楕円形との組合せ、または四角形と半楕円形との組合せ、または半楕円形、または円形と半円形との組合せ、または三角形と半円形との組合せである。

本発明に係る燃料噴射弁は、有利には、噴射開口の上流側の区分が、面取りされた流入丸み付け部を殊に流入側に有している。

本発明に係る燃料噴射弁は、有利には、複数の噴射開口が、グループごとに組分けされており、燃料噴流が、噴射開口を介して薄板状群の形で噴射可能である。

本発明に係る燃料噴射弁は、有利には、噴孔プレートが、電鋳による金属析出、またはレーザ切断技術、または打抜き加工により製造可能である。

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１には、１つの実施例として混合機圧縮型の火花点火式の内燃機関の燃料噴射装置のための噴射弁の形をした弁が部分的に示してある。噴射弁は、弁ケーシングの一部分を形成する管状の弁座支持体１（概略的に図示）を有していて、この弁座支持体１内では、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、たとえば管状の弁ニードル５が配置されていて、この弁ニードル５の下流側の端部６は、たとえば球状の弁閉鎖体７と堅く結合されていて、この弁閉鎖体７の周面には、たとえば燃料を通流させるための５つの扁平化部８が設けられている。

噴射弁の操作は、公知にはたとえば電磁式に行われる。弁ニードル５を軸線方向で運動させ、ひいては戻しばね（図示せず）のばね力に抗して噴射弁を開放するか、もしくは噴射弁を閉鎖するために、磁石コイル１０と、プランジャ１１と、コア１２とを備えた電磁式の回路が働く。プランジャ１１は、弁ニードル５の、弁閉鎖体７とは反対側の端部と、たとえばレーザによって形成された溶接シームにより結合していて、コア１２に適合している。

下流側に位置する弁座支持体１の端部には弁座体１６が、たとえば溶接により密に組み付けられている。この弁座体１６の、弁閉鎖体７とは反対側の下部端面１７において、弁座体１６は段付けされて形成されていて、この場合、平坦で、たとえば一層の噴孔プレート２３が、端面１７に固定されている。噴孔プレート２３は、少なくとも４個、しかし理想的には８〜４０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には流入開口２８が設けられていて、この流入開口２８を介して個々の噴射開口２５は燃料流入される。この場合、流入開口２８は、弁座体１６における流出開口２７の開口幅よりも大きな直径を有している。燃料は流出開口２７から流入開口２８へと流れ、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の直接の流入領域に、流れが、噴射開口２５の長手延在方向に対してほぼ直角に、つまり図１では水平に噴射開口２５に適切に到達するように構成されている。弁座体１６と噴孔プレート２３との結合は、たとえばレーザによって形成された、全周にわたって延びていて密な溶接シーム２６によりもたらされる。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。

噴孔プレート２３を備えた弁座体１６の、長手方向開口３への挿入深さは、弁ニードル５のストローク量を決定する。なぜならば弁ニードル５の一方の端部位置は、磁石コイル１０が励磁されていない場合に、下流側に円錐状に尖鋭化している弁座体１６の弁座面２９への、弁閉鎖体７の接触により規定されているからである。弁ニードル５の他方の端部位置は、磁石コイル１０が励磁されている場合に、たとえばコア１２への、プランジャ１１の接触により規定されている。従って、弁ニードル５のこの両端部位置間の移動が、ストロークである。

噴孔プレート２３の噴射開口２５は、流入開口２８と直接流れ接続していて、その際、流入開口２８の上側の制限部によってカバーされている。換言すれば、流入開口２８の入口を規定している流出開口２７と噴射開口２５とは完全にずれているということである。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字の流れ経過がもたらされる。

噴孔プレート２３の手前および噴孔プレート２３内の、複数回の激しい流れ偏向を伴ういわゆるＳ字衝突により、流れに強烈な噴霧促進する乱れ、つまり乱流が形成される。本発明によれば、噴射開口２５の特殊なジオメトリにより水平に燃料流入可能な流入開口２８と関連して、流体の噴霧にさらに付加的に有利に影響を与えられる。この場合、噴射される燃料は薄板状に拡開する、つまり薄板を形成するように拡がって噴射することができ、この薄板状の拡開により、噴射開口２５を適切に配置する場合には、薄板状群を形成するように噴射することもできる。

図２に再度噴孔プレート２３の領域のＳ字経過を概略的な拡大横断面図で示したい。この場合、本発明によれば、噴射開口２５の特別な構成と配向と関連したこのような燃料流入形式によって、薄板状噴霧を形成するための特別な拡開が可能にされている。噴射開口２５は、２つの区分３５，３６から形成され、これらの区分３５，３６は流体工学上、直接連続しているものの、段部３７により急な移行部が形成されているという点で有利である。上流側の区分３５は、常に下流側の区分３６の開口幅よりも小さな開口幅を有している。その上、２つの区分３５，３６は、相互に非対称的に延びているか、もしくは２つの区分３５，３６の各中心軸線は互いにずれ量ｘをもって配置されている。付加的な特徴として、噴射開口２５の上流側の上方の区分３５は、面取りされた流入丸み付け部３８を有している。この場合、この流入丸み付け部３８は、たとえば噴射開口２５の１８０°にわたってのみ部分的に加工成形されていて、しかも図示の実施例において、噴孔プレート２３の中心に向かっている半径方向内方の側である燃料流入側に加工成形されている。こうして、流入する燃料を既にこの箇所で所望の位置に案内することができる。

図３には、噴射しようとする燃料噴流の扇状拡開もしくは拡開を見やすくするための、図２の燃料噴流を９０°だけ回転させて線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図が示してあるが示してある。図２および図３から、噴射開口２５の下流側の下方の区分３６は、各箇所で上流側の区分３５を越えて張り出していることが分かる。この場合、非対称的な噴射開口２５の上流側の区分３５に対する下流側の区分３６の最大の張出し量（下側ずれ量）は、燃料流入側、つまり流入丸み付け部３８の半径方向内方の側に設けられている（図２）。

図４には、図２および図３に示した構成の第１噴射開口を上から見た平面図が示してある。図２および図３では矢印で、噴孔プレート２３の手前および噴孔プレート２３内での基本的な流れ経過を概略的に示そうとしてあり、図４に示した矢印３９は、流入方向、ひいては噴孔プレート２３の中心に対しての噴射開口２５の配向を示している。噴射開口２５の燃料流入は、噴射開口２５の入口に対して水平もしくは噴射開口２５の長手延在方向に対してほぼ直角で行われる一方で、上流側の区分３５に対する下流側の区分３６の最大の偏心量、つまり最大の下側ずれ量が、弁長手方向軸線２に向かって設けられているように配向されている。この実施例において横断面でそれぞれ円形の区分３５，３６の２つの中心軸線の間のずれ量が符号ｘで示されている。

図５には、図４の構成である６個の噴射開口２５を備えた噴孔プレート２３を上から見た平面図が示されている。この構成では噴射開口２５は噴孔プレート２３に環状に配置されている。この場合、それぞれ３個の噴射開口２５が噴孔プレート２３の所定の側でグループをごとに組分けされているので、この噴射開口２５から流出する燃料噴流（噴射方向を矢印３９′で図示）が、薄板状群を形成する。このような噴孔プレート２３を有する燃料噴射弁が、２つのインレット弁の方向で燃料を噴射するのに特に適している。この場合、段付けされた全ての噴射開口２５は、噴孔プレート２３の中心から半径方向で外側に流れる水平な流れは、最大の下側ずれ量の側で噴射開口２５内に進入し、噴射開口２５のほぼ相対している側で適切に流出する。この限りにおいて噴射開口２５は、その高められた所望の剥離効果が得られ有利である。

ここで提案されている実施例では噴射開口２５は常に、噴孔プレート２３の中心から、つまり半径方向内側から燃料流入されるように配置されている。しかし噴射開口２５の燃料流入は、たとえば適切な流入溝が弁座体１６に設けられていることで別の側から行うこともできる。しかしそのような実施例では、上流側の区分３５に対する（半径方向内側に位置しない）燃料流入側における下流側の区分３６の下側ずれ量は、噴射開口２５の相対している側における下流側の区分３６の下側ずれ量よりも大きいということが有効でもある。

図６〜図１７には、本発明による噴射開口２５の種々異なる１２種類の構成が示してある。有利には噴射開口２５は常に、燃料流入側が最大の下側ずれ量を段付けされた噴射開口２５に有しているように構成されている。この下側ずれ量は相対する側、つまり半径方向外側でより小さくなっている。噴射開口２５の水平の燃料流入により、噴射開口２５における流れは方向拡散する、すなわち流出する液体噴流は、噴射開口２５を離れた直後に扇状拡開し、このことは本発明によれば、噴射開口２５の下流側の、開口が広幅である区分３６において空気相が支配的であるということも前提となる。つまり半径方向内側の燃料流入側から、噴射開口２５の下流側の部分では、強い空気相もしくは空気流が提供されていて、この空気相もしくは空気流は流体の拡開をサポートする。なぜならば空気相もしくは空気流は燃料を噴射開口２５の相対している衝突側に押し付け、燃料流入側での既存の流れの剥離を促進する（図２参照）。即座の扇状拡開により、液体表面張力が、流出する噴流を比較的小さな自由表面の円筒状の噴流に収縮させることを回避する。拡大された自由な噴流表面は、より小さな液滴へのさらなる分解を助成する。噴射開口２５の輪郭は、横断面で円形（図６）、または楕円形（図７）、または円形と四角形との組合せ（図８）、または四角形（図９〜図１１）、または円形と半楕円形との組合せ（図１２）、または三角形と半楕円形との組合せ（図１３）、または四角形と半楕円形の組合せ（図１４）、または半楕円形（図１５）、または円形と半円形との組合せ（図１６）、または三角形と半円形との組合せ（１７）、またはこれらと同様に構成されていてよい。

図１８には、噴射開口２５の変化実施例が示してある。この構成では、上流側の２つの円形の区分３５が設けられている。これらの円形の区分３５は、段部３７から下流側の円形の区分３６に続いている。

噴孔プレート２３は、マイクロ電鋳、またはレーザ切断技術、またはエッチング技術、または打抜き加工技術により製造することができる。マイクロ電鋳による製造は、２つのフォトレジスト層の積層および露光と、続くフォトレジスト層の湿式化学的な現像（この場合、噴射開口２５のための二層のレジストタワーが残される）と、電鋳めっきされた下側の第１レジスト層から、レジストタワーをラテラルオーバーグロースすることにより行われる。

噴射弁を部分的に示した図である。 噴射開口のジオメトリと、それによりもたらされる流れ状況とを概略的に明示するための、図１の部分ＩＩの詳細図である。 噴射しようとする燃料噴流の扇状拡開もしくは拡開を明示するために図２を線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿って切断した断面図である。 図２および図３に示した構成の第１の噴射開口を上から見た平面図である。 図４の構成の６個の噴射開口を有する噴孔プレートを上から見た平面図である。 本発明による噴射開口の別の実施例を示した図である。 本発明による噴射開口のさらに別の実施例を示した図である。 本発明による噴射開口のさらに別の実施例を示した図である。 本発明による噴射開口のさらに別の実施例を示した図である。 本発明による噴射開口のさらに別の実施例を示した図である。 本発明による噴射開口のさらに別の実施例を示した図である。 本発明による噴射開口のさらに別の実施例を示した図である。 本発明による噴射開口のさらに別の実施例を示した図である。 本発明による噴射開口のさらに別の実施例を示した図である。 本発明による噴射開口のさらに別の実施例を示した図である。 本発明による噴射開口のさらに別の実施例を示した図である。 本発明による噴射開口のさらに別の実施例を示した図である。 別の型の噴射開口の実施例を示した図である。

符号の説明

１ 弁支持体、 ２ 弁長手方向軸線、 ３ 長手方向開口、 ５ 弁ニードル、 ６ 下流側の端部、 ７ 弁閉鎖体、 ８ 扁平化部、 １０ 磁石コイル、 １１ プランジャ、 １２ コア、 １６ 弁座体、 １７ 端面、 ２３ 噴孔プレート、 ２５ 噴射開口、 ２７ 流出開口、 ２６ 溶接シーム、 ２８ 流入開口、 ２９ 弁座面、 ３５，３６ 区分、 ３７ 段部、 ３８ 流入丸み付け部、 ３９，３９′ 矢印

Claims (9)

1. 内燃機関の燃料噴射装置のための燃料噴射弁であって、弁長手方向軸線（２）と、不動の弁座（２９）を有する弁座体（１６）と、弁座（２９）と協働する、弁長手方向軸線（２）に沿って軸線方向で運動可能な弁閉鎖体（７）と、弁座（２９）の下流側に配置された、複数の噴射開口（２５）を有する噴孔プレート（２３）とが設けられており、噴射開口（２５）の直ぐ上流側の流入開口（２８）が、噴射開口（２５）の燃料流入が、該噴射開口（２５）の長手延在方向に対してほぼ直角で行われるように設計されている形式のものにおいて、前記噴射開口（２５）が、互いに非対称的に延びる２つの区分（３５，３６）から成っており、下流側の下側の区分（３６）が、上流側の上側の区分（３５）の開口幅よりも大きな開口幅を有しており、前記噴射開口（２５）の燃料流入側における上流側の区分（３５）に対する下流側の区分（３６）の下側ずれ量が、前記噴射開口（２５）の相対する側における上流側の区分（３５）に対する下流側の区分（３６）の下側ずれ量よりも大きくなっており、
   前記噴射開口（２５）の前記燃料流入側は、半径方向の内方で噴孔プレート（２３）の中心に向かっている側であって、該側において、上流側の区分（３５）に対する下流側の区分（３６）の下側ずれ量は、噴射開口（２５）の前記半径方向の外方の側よりも大きくなっており、
   噴射開口（２５）の上流側の区分（３５）に対する下流側の区分（３６）の下側ずれ量は、燃料流入側において最大であることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 噴射開口（２５）の上流側の区分（３５）に対する下流側の区分（３６）の下側ずれ量が、噴射開口（２５）の全周面にわたって存在している、請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 上流側の区分（３５）から下流側の区分（３６）への移行部が、段部（３７）として構成されている、請求項１または２記載の燃料噴射弁。
4. 噴射開口（２５）の２つの前記区分（３５，３６）の中心軸線が、ずれ量（ｘ）をもって互いに延びている、請求項１から３までのいずれか一項記載の燃料噴射弁。
5. ４個から４０個の噴射開口（２５）が、噴孔プレート（２３）に設けられている、請求項１から４までのいずれか一項記載の燃料噴射弁。
6. 噴射開口（２５）の輪郭が、横断面で円形、または楕円形、または円形と四角形の組合せ、または四角形、または円形と半楕円形との組合せ、または三角形と半楕円形との組合せ、または四角形と半楕円形との組合せ、または半楕円形、または円形と半円形との組合せ、または三角形と半円形との組合せである、請求項１から５までのいずれか一項記載の燃料噴射弁。
7. 噴射開口（２５）の上流側の区分（３５）が、面取りされた流入丸み付け部（３８）を殊に燃料流入側に有している、請求項１から６までのいずれか一項記載の燃料噴射弁。
8. 複数の噴射開口（２５）が、グループごとに組分けされており、燃料噴流が、噴射開口（２５）を介して薄板状群の形で噴射可能である、請求項１から７までのいずれか一項記載の燃料噴射弁。
9. 噴孔プレート（２３）が、電鋳による金属析出、またはレーザ切断技術、または打抜き加工により製造可能である、請求項１から８までのいずれか一項記載の燃料噴射弁。

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