(57)【要約】本発明は、内燃機関用の燃料噴射弁であって、弁本体（１）に孔（３）が設けられていて、該孔（３）内にピストン状の弁ニードル（５）が配置されており、孔（３）の燃焼室側の端部に弁座（９）が形成されていて、該弁座（９）が、弁ニードル（５）に形成された弁シール面（７）と共働し、その結果弁ニードル（５）の長手方向運動によって弁本体（１）の燃焼室側の端部に形成された少なくとも１つの噴射開口（１１）の開放が制御される形式のものに関する。本発明の構成では、このような形式の燃料噴射弁において本発明では、弁シール面（７）及び弁座（９）又はそのいずれか一方に、マイクロ凹部（３２；３５；３８）が形成されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用の燃料噴射弁であって、弁本体（１）に孔（３）が設けられていて、該孔（３）内にピストン状の弁ニードル（５）が配置されており、孔（３）の燃焼室側の端部に弁座（９）が形成されていて、該弁座（９）が、弁ニードル（５）に形成された弁シール面（７）と共働し、その結果弁ニードル（５）の長手方向運動によって弁本体（１）の燃焼室側の端部に形成された少なくとも１つの噴射開口（１１）の開放が制御される形式のものにおいて、弁シール面（７）及び弁座（９）又はそのいずれか一方が、マイクロ凹部（３２；３５；３８）を有していることを特徴とする、内燃機関用の燃料噴射弁。
【請求項２】
マイクロ凹部（３２；３５；３８）が個々にかつ互いに離されて形成されている、請求項１記載の燃料噴射弁。
【請求項３】
マイクロ凹部（３２；３５；３８）がディンプル（３２）として形成されている、請求項２記載の燃料噴射弁。
【請求項４】
ディンプル（３２）が弁ニードル（５）の周方向で見て、弁ニードル（５）の長手方向におけるよりも小さな間隔を、互いの間に有している、請求項３記載の燃料噴射弁。
【請求項５】
ディンプル（３２）が弁シール面（７）の周方向において、弁ニードル（５）の長手方向におけるよりも大きな間隔を、互いの間に有している、請求項３記載の燃料噴射弁。
【請求項６】
マイクロ凹部（３２；３５；３８）が互いの間に、５μｍ〜５００μｍの間隔（ａ）を有している、請求項２記載の燃料噴射弁。
【請求項７】
マイクロ凹部（３２；３５；３８）が溝（３８）として形成されている、請求項１記載の燃料噴射弁。
【請求項８】
マイクロ凹部（３２；３５；３８）が溝セグメント（３５）として形成されている、請求項１記載の燃料噴射弁。
【請求項９】
マイクロ凹部（３２；３５；３８）が少なくとも部分的に互いに交差している、請求項７又は８記載の燃料噴射弁。
【請求項１０】
マイクロ凹部（３２；３５；３８）が、弁シール面（７）及び弁座（９）又はそのいずれか一方の全周にわたって、複数の同心円上を延びている、請求項７又は８記載の燃料噴射弁。
【請求項１１】
マイクロ凹部（３２；３５；３８）が少なくとも部分的に互いにオーバラップしている、請求項1記載の燃料噴射弁。
【請求項１２】
マイクロ凹部（３２；３５；３８）が０.５μｍ〜５０μｍの深さ、有利には３μｍ〜２０μｍの深さを有している、請求項1記載の燃料噴射弁。
【請求項１３】
マイクロ凹部（３２；３５；３８）が５μｍ〜１００μｍの幅（ｂ）、有利には１０μｍ〜５０μｍの幅（ｂ）を有している、請求項1記載の燃料噴射弁。
【請求項１４】
マイクロ凹部（３２；３５；３８）が、噴流加工、レーザ加工、ハード旋削、マイクロ圧刻、火花侵食によって、又はリソグラフ式もしくは電気化学式の方法によって形成されている、請求項１から１３までのいずれか1記載の燃料噴射弁。
【請求項１５】
溝（３８）が精密旋削によって形成されている、請求項７記載の燃料噴射弁。
【請求項１６】
マイクロ凹部（３２；３５；３８）が、弁シール面（７）及び弁座（９）の精密加工の後で形成され、次いで表面がラップ仕上げ、精密研磨又は仕上げ加工によって後処理されている、請求項１４又は１５記載の燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばドイツ連邦共和国特許公開第１９６１８６５０号明細書に基づいて公知の、内燃機関用の燃料噴射弁に関する。このような形式の燃料噴射弁では、弁本体に孔が形成されていて、この孔内にピストン状の弁ニードルが長手方向摺動可能に配置されており、この弁ニードルは燃焼室側の端部に弁シール面を有している。弁本体に設けられた孔は、燃焼室側の端部において弁座によって制限され、この弁座とは弁ニードルの弁シール面が共働し、そして弁ニードルの長手方向運動によって、弁本体の燃焼室側の端部に形成された少なくとも１つの噴射開口の開放を制御するようになっている。
【０００２】
弁座及び弁シール面は、少なくともほぼ円錐形に形成されている。燃料噴射弁の短い開放時間によって、弁ニードルは極めて大きな力で運動させられねばならず、さもないと、相応に短い切換え時間を達成することができない。大きな力で運動させられることに基づいて、弁ニードルは高い速度を得、この高い速度で弁ニードルは閉鎖運動時にその弁シール面で、弁座に衝突する。特に、例えばドイツ連邦共和国特許公開第１９８２７２６７号明細書に基づいて公知のコモンレール噴射系では、従って、燃料噴射弁の長い耐用寿命と可能な限り全耐用寿命にわたって変わらない噴射特性とを得るために、弁座及び弁ニードルに対しては高い要求が課せられている。
【０００３】
孔内における弁ニードルの運動は、例えば、弁ニードルに弁座に向かって閉鎖力が作用することによって、生ぜしめられる。閉鎖力とは逆向きに弁ニードルに対して作用する開放力は、圧力下にある燃料による弁ニードルの負荷によって生ぜしめられ、この場合弁シール面の一部も液圧的に有効な力を加えられる。従来公知の燃料噴射弁では、運転時に座が摩耗し、つまり弁シール面と弁座とが時間の経過と共に互いに合わさり、弁シール面の液圧的に有効な部分面が変化してしまう。これによって噴射はもはや最適ではなくなり、排気ガスの放出量が多くなってしまう。
【０００４】
弁座の領域も含まれるが、コモンレール燃焼噴射弁の高圧領域においては、噴射動作の結果として通常、圧力変動が生じる。これによって２つの噴射動作の間において、振動力が弁座と弁シール面とに加えられ、そしてこのような振動力には、常に存在する高圧に基づく一定の高い基本負荷が重畳される。これによって弁シール面と弁座との間には、燃料噴射弁の耐用寿命を短縮する摩耗が生ぜしめられる。
【０００５】
発明の利点
請求項１の特徴部に記載のように構成された本発明による燃料噴射弁には、公知のものに比べて次のような利点、すなわち本発明による燃料噴射弁は、噴射量のより良好なドリフト特性とより長い耐用寿命とを有しているという利点がある。弁ニードル及び／又は弁座の弁シール面は、接触領域にマイクロ凹部を有しており、これらのマイクロ凹部によって、高負荷範囲において弁座と弁ニードルとの間における改善された潤滑が生ぜしめられる。全体としてマイクロストラクチャリングを形成するマイクロ凹部を、摩擦学的に重要な負荷に、所望のように合わせることによって、弁座における摩耗は減じられ、ひいては噴射系の耐用寿命が延びる。
【０００６】
本発明による燃料噴射弁の有利な構成では、マイクロ凹部が個々の互いに離されたディンプルとして形成されている。個々のディンプルの直径が例えば５μｍで、これらのディンプルが同様に５μｍの間隔をおいて１つの方形パターンに配置されていると、１ｍｍ２当たり１０,０００までの潤滑溜めを形成することができる。ディンプルの直径が大きい場合には、単位面積当たり相応に少ない数のディンプルが設けられている。ディンプルの配置形式は、弁シール面もしくは弁座の周方向におけるディンプル相互の間隔が、長手方向における間隔とは異なっているような構成においても、最適化することができる。
【０００７】
本発明の別の有利な構成では、マイクロ凹部が溝又は溝セグメントとして形成されており、これらの溝又は溝セグメントは、互いに離れて形成されているか、又は部分的にオーバラップもしくは交差している。このような構成において、溝が、弁ニードルの弁シール面及び弁座又はそのいずれか一方の全周にわたって延びていると、製造を簡単化することができ、有利である。
【０００８】
マイクロ凹部の深さが小さいことに基づいて、マイクロ凹部は弁部材のシール面に種々様々な方法で形成されることができる。例えばそのためには、レーザ加工、ハード旋削、火花侵食又はリソグラフ式の方法が適している。これらの方法によって多数の潤滑溜めを、安価にかつ短時間に製造することができる。
【０００９】
図面
図１は、燃料噴射弁の主要部分を示す縦断面図であり、
図２は、図１のＩＩで示された領域を拡大して示す図であり、
図３ａは、図２のＩＩＩで示された領域における１実施例を示す拡大図であり、
図３ｂは、図２のＩＩＩで示された領域における別の実施例を示す拡大図であり、
図３ｃは、図２のＩＩＩで示された領域におけるさらに別の実施例を示す拡大図であり、
図４は、マイクロ凹部としての溝を設けられた、図２と同様な図である。
【００１０】
実施例の記載
図１には、本発明による燃料噴射弁の１実施例における主要部分が縦断面図で示されている。弁本体１には孔３が形成されており、この孔３にはピストン状の弁ニードル５が長手方向摺動可能に配置されている。弁本体１はこの場合図示されていない内燃機関に配置されているので、弁本体１の燃料室側の端部は、内燃機関の燃焼室に進入している、もしくは燃焼室の壁の一部を形成している。弁ニードル５は燃焼室とは反対の側にガイド区分１５を有しており、このガイド区分１５は、孔３のガイド領域２３においてシールされて案内されている。ガイド区分１５を起点として、弁ニードル５は燃焼室に向かって、受圧肩部１３を形成しながら先細になっており、この受圧肩部１３は、弁ニードル５をその全周にわたって取り囲んでいる。弁ニードル５は燃焼室側の端部において、ほぼ円錐形の弁シール面７に移行しており、この弁シール面７は弁座９と共働し、この弁座９は同様にほぼ円錐形に成形されていて、孔３をその燃焼室側の端部において画成している。弁座９には少なくとも１つの噴射開口１１が形成されており、この噴射開口１１は弁座９を内燃機関の燃焼室と接続している。弁ニードル５と孔３の壁との間には圧力室１９が形成されており、この圧力室１９は受圧肩部１３の高さにおいて半径方向に拡大していて、弁本体１に形成された供給通路２５はこの半径方向拡大部に開口している。供給通路２５を介して圧力室１９は、高圧下にある燃料を充てんされることができ、この燃料は圧力室１９を貫流して、弁座９にまで達する。
【００１１】
図示されていない装置によって、コンスタントな又は時間的に変化する閉鎖力が、弁ニードル５の、燃料室とは反対側の端部に加えられ、その結果弁ニードル５の弁シール面７は押圧されて、弁座９に接触させられる。この閉鎖力は、圧力室１９における燃料圧によって受圧肩部１３及び弁シール面７の一部に作用する液圧力に抗して、作用する。孔３における弁ニードル５の長手方向運動を制御するために、前記両方の力が使用される。弁ニードル５に作用する液圧力が閉鎖力を上回ると、弁ニードル５の弁シール面７は弁座９から持ち上がり、燃料が圧力室１９から噴射開口１１を通って内燃機関の燃焼室に流入する。閉鎖直が高まる、もしくは液圧力が低下すると、弁ニードル５に作用する閉鎖力が優位を占め、弁ニードル５はその弁シール面７で再び弁座９に接触し、それによって噴射開口１１は閉鎖される。
【００１２】
図２には、図１において符号ＩＩで示された一点鎖線の範囲が、つまり燃料噴射弁の弁座領域が、拡大して示されている。弁シール面７は２つの円錐面に分割されていて、そのうちの第１の円錐面１０７は、弁ニードル５の円筒形区分に直接接続しており、これに対して第２の円錐面２０７は第１の円錐面１０７に隣接していて、弁ニードル５の先端を形成している。第１の円錐面１０７は、第２の円錐面２０７に比べて大きな開放角を有しており、その結果両円錐面１０７，２０７の移行部にはシール縁３０が形成されている。弁座９は、第１の円錐面１０７の開放角と第２の円錐面２０７の開放角との間の開放角を有しており、その結果シール縁３０は、弁ニードル５の閉鎖位置において弁座９に接触する。通常は弁本体１の全周にわたって分配配置されている複数の噴射開口１１は、シール縁３０の下流側に配置されており、その結果噴射開口１１は弁ニードル５によって閉鎖されることができる。
【００１３】
弁ニードル５の切換え時間は極めて短い。乗用車において使用される高速回転する内燃機関では、毎分２０００回以上の噴射が行われることがあるので、１回の噴射動作は約１ｍｓしか続かない。従って弁ニードル５に対しては大きな力が作用し、ひいては高い加速が作用し、このような加速によって、弁ニードル５は大きな速度で弁座９に衝突させられ、この際に燃料噴射弁の運転中にシール縁３０は弁座９に幾分打ち込まれ、その結果弁シール面７と弁座９との間において適合が生ぜしめられる。従って弁シール面７と弁座９とは機械的に極めて強く負荷されている。一方では、弁本体１の座領域における破損を回避するために、当該領域をそれほど硬く構成することは許されない。そして他方では、シール縁３０を運転中に弁座９にあまりに強く打ち込むことも許されない。それというのは、さもないと、弁シール面７の、圧力室１９における燃料によって負荷される部分面が変化し、ひいては、弁ニードル５を閉鎖力に抗して開放方向に移動させる圧力が変化してしまうからである。このような開放圧の変化はまた、開放ダイナミズム全体をも変化させてしまい、その結果正確な噴射を保証することがもはやできなくなってしまう。
【００１４】
常に噴射高圧が圧力室に存在し、ひいては弁座にも存在している噴射弁では、圧力変動によってさらなる負荷が生じる。弁ニードルの閉鎖によって、弁座に向かって流れる圧力室内の燃料は、急激に制動させられ、その結果運動エネルギは圧縮作業へと変換され、この結果圧力変動が生じ、それによって弁座及び弁シール面の領域において周期的な負荷が生ぜしめられる。このようにして負荷を受ける燃料噴射弁は、主としてコモンレール・燃料噴射系において使用される。さらに、弁ニードルに対する閉鎖力が制御室における液圧力によって生ぜしめられる燃料噴射弁では、圧力変動はこの制御室において発生し、この制御室における圧力変動によって同様に、閉鎖位置を占めている弁ニードルに対する周期的な力が生ぜしめられる。
【００１５】
弁シール面７と弁座９との間における境界面における摩耗を減じるため、ひいては耐用寿命を高めるために、弁座９又は弁シール面７にはマイクロ凹部が形成されている。図３ａに示された第１実施例では、図２の破線で示された弁シール面７の範囲ＩＩＩが、拡大して示されている。弁シール面７は小さなディンプル３２によって覆われており、これらのディンプル３２は個々に形成されていて、互いに間隔をおいて配置されている。これらのディンプル３２は、例えば方形パターンに配置された円形のマイクロ凹部である。そしてディンプルの深さは０.５μｍ〜５０μｍであり、この場合３μｍ〜２０μｍの深さが特に有利である。またディンプルは５μｍ〜１００μｍの直径、特に有利には１０μｍ〜５０μｍの直径を有している。ディンプル３２相互の間隔は、５μｍ〜５００μｍの範囲であるが、特定の場合においてはその範囲をはみ出していてもよい。
【００１６】
これらのディンプル３２によって燃料潤滑膜が弁シール面７の上に保たれ、その結果弁ニードル５の閉鎖時にも、つまり弁ニードル５が弁座９に接触している場合でも、弁ニードル５と弁座９との間における十分な潤滑を保証することができる。このようにして、燃料噴射弁の種々異なった運転状態によって圧力室１９内において圧力変動が発生し、ひいては弁座９の領域における弁本体１の変形が生じた場合に、弁シール面７と弁座９との間における摩耗が減じられる。同様な摩耗を減じる効果は、このようなディンプル３２が弁シール面７の他に弁座９にも形成されている場合に、得られる。また、弁座９にだけディンプル３２が、ひいてはマイクロストラクチャが形成されていていてもよいが、しかしながら一般的には、マイクロストラクチャを弁ニードル５の弁シール面７に形成する方が容易である。それというのは、弁ニードル５の弁シール面７の方が接近しやすいからである。
【００１７】
図３ｂには、弁シール面７におけるマイクロ凹部のための別の実施例が示されており、図３ｂは図３ａに示されたのと同じ領域を示すものである。この実施例では、ディンプル３２の代わりに溝セグメント３５が形成されており、これらの溝セグメント３５は図示の実施例では、真ん中を中心にして同心的に配置されている。溝セグメント３５は１つの優先方向を生ぜしめているので、これらのマイクロ凹部の潤滑作用を弁シール面７における適宜な方向付けによって最適化することできる。この実施例においても、潤滑作用の適正化やコストに関連して、溝セグメント３５を弁座９にも又は弁座９にだけ形成することが可能である。
【００１８】
図３ｃには、溝３８として形成されたマイクロ凹部の別の実施例が示されている。図３ｃに示された領域は、図３ａ及び図３ｂの寸法に相当している。図３ｃに示された溝３８は例えば互いに平行にかつ接線方向において弁シール面７の上を延びている。図４には、これらの溝３８が第１の円錐面１０７に設けられている実施例が示されている。しかしながらまた、図４において第２の円錐面２０７に示されているように、溝３８は互いに交差するように設けられてもよい。溝３８の方向付け、幅及び深さを適宜に設定することによって、この実施例においても潤滑特性を調節すること、ひいては最適化することが可能である。
【００１９】
マイクロ凹部３２，３５，３８の製造は、種々様々な技術を用いて行うことができる。例えば溝のためには、精密旋削、ハード旋削又は噴流加工が適している。ディンプル３２は例えばマイクロ圧刻や火花侵食によって、又はリソグラフ式もしくは電気化学式の方法を用いて形成することができる。同様な方法は溝セグメント３５を製造するためにも適している。弁シール面７又は弁座９にマイクロストラクチャを形成した後で、表面は、例えばラップ仕上げ、精密研磨又は仕上げ加工によって後処理される。どの方法を選択するかは、マイクロ凹部の形式、加工される表面の材料及び寸法に関連して決定される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】燃料噴射弁の主要部分を示す縦断面図である。
【図２】図１のＩＩで示された領域を拡大して示す図である。
【図３ａ】図２のＩＩＩで示された領域における１実施例を示す拡大図である。
【図３ｂ】図２のＩＩＩで示された領域における別の実施例を示す拡大図である。
【図３ｃ】図２のＩＩＩで示された領域におけるさらに別の実施例を示す拡大図である。
【図４】マイクロ凹部としての溝を設けられた、図２と同様な図である。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【国際調査報告】
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