(57)【要約】  本発明は、内燃機関の燃料噴射装置用の燃料噴射弁に関する。この燃料噴射弁は、弁座体（１５）に設けられた弁座面（１６）と共働する弁閉鎖体（１９）を作動させるために、電磁コイル（１）と位置固定の内極（２）と外側の磁気回路形成部材（５）と可動のアーマチュア（１７）とを備える電磁式の作動エレメントを有する。本発明による燃料噴射弁は、その極端に小さな外寸によって傑出している。電磁回路の最適化された寸法設定によって、外側の磁気回路形成部材（５）の外径は、電磁コイル（１）の周囲領域において、１０.５＜ＤＭ＜１３.５ｍｍである。特別なモジュラ構造形式に基づいて極めて簡単に可能である、種々様々な弁長さを有する燃料噴射弁の取付けにおけるフレキシビリティは、このようにして、著しく高められる。本発明による燃料噴射弁は、特に、混合気圧縮型火花点火式の内燃機関の燃料噴射装置における使用される燃料噴射弁として適している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁長手方向軸線（１０）と、
励起可能なアクチュエータであって、弁座体（１５）に設けられた弁座面（１６）と共働する弁閉鎖体（１９）を作動させるために、電磁コイル（１）と内極（２）と外側の磁気回路形成部材（５）と可動のアーマチュア（１７）とを備える電磁回路として形成されている、励起可能なアクチュエータと、
少なくとも前記電磁回路の領域において延在する薄壁の弁スリーブ（６）と、
を備える、内燃機関の燃料噴射装置用の燃料噴射弁であって、
前記弁スリーブ（６）の壁厚さｔは、少なくとも作業空隙の領域において、つまり下側のコア領域及び上側のアーマチュア領域において、０.２＜ｔ＜０.６ｍｍであり、
前記外側の磁気回路形成部材（５）の外径は、前記電磁コイル（１）の周囲領域において、１０.５＜ＤＭ＜１３.５ｍｍであり、
前記アーマチュア（１７）の外径ＤＡは、４.０ｍｍ＜ＤＡ＜５.９ｍｍであり、
かつ前記作業空隙の領域において前記弁スリーブ（６）に、Ｂ＜０.０１Ｔの磁束密度を有する区域が、磁気分離部として設けられているか、又は０.０１Ｔ＜Ｂ＜０.１５Ｔの磁束密度を有する区域が、磁気絞りとして設けられていることを特徴とする、内燃機関の燃料噴射装置用の燃料噴射弁。
【請求項２】
前記薄壁の弁スリーブ（６）は、燃料噴射弁の全軸方向長さにわたって延在していて、前記内極（２）は行程調節のために前記弁スリーブ（６）の内部において移動可能であり、かつ前記作業空隙の領域において前記弁スリーブ（６）に、０.０１Ｔ＜Ｂ＜０.１５Ｔの磁束密度を有する区域が、磁気絞りとして設けられている、請求項１記載の燃料噴射弁。
【請求項３】
前記薄壁の弁スリーブ（６）は、前記燃料噴射弁の噴射側の端部から、前記電磁コイル（１）の領域内にまで延びていて、前記内極（２）は前記弁スリーブ（６）に移動不能に配置されていて、かつ前記作業空隙の領域において前記弁スリーブ（６）に、Ｂ＜０.０１Ｔの磁束密度を有する区域が、磁気分離部として設けられている、請求項１記載の燃料噴射弁。
【請求項４】
前記外側の磁気回路形成部材（５）の外周部に、直にシールリング（６６）が装着されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
【請求項５】
前記シールリング（６６）は、前記外側の磁気回路形成部材（５）の周囲領域において該外側の磁気回路形成部材（５）の最大外径部に設けられている、請求項４記載の燃料噴射弁。
【請求項６】
磁気回路の半径方向外側に押し嵌められたシールリング（６６）を備える前記燃料噴射弁は、吸気管における、１４ｍｍの内径を有する受容孔内に挿入可能である、請求項４又は５記載の燃料噴射弁。
【請求項７】
前記外側の磁気回路形成部材（５）は、グラス形もしくはコップ形に形成されていて、周壁部分（６０）と底部分（６１）とを有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
【請求項８】
前記底部分（６１）は折り畳み部（６２）によって二層に形成されている、請求項７記載の燃料噴射弁。
【請求項９】
前記内極（２）は、下流側の端部において前記弁スリーブ（６）と結合されている、請求項３記載の燃料噴射弁。
【請求項１０】
前記弁スリーブ（６）は、半径方向外側に向かって突出するフランジ状のカラー（６８）を有し、該カラー（６８）の外周部に前記磁気回路形成部材（５）が接触していて、前記カラー（６８）に固定されている、請求項９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、請求項１の前提部に記載された燃料噴射弁、すなわち、弁長手方向軸線と、励起可能なアクチュエータであって、弁座体に設けられた弁座面と共働する弁閉鎖体を作動させるために、電磁コイルと内極と外側の磁気回路形成部材と可動のアーマチュアとを備える電磁回路として形成されている、励起可能なアクチュエータと、少なくとも前記電磁回路の領域において延在する薄壁の弁スリーブと、を備える、内燃機関の燃料噴射装置用の燃料噴射弁に関する。
【０００２】
ＤＥ３８２５１３４Ａ１に基づいて公知の燃料噴射弁は、電磁式の作動エレメントを有し、この作動エレメントは、電磁コイルと内極と外側の磁気回路形成部材と、弁座体に配設された弁座と共働する可動の弁閉鎖体とを備える。この公知の燃料噴射弁は、プラスチック射出成形被覆体によって取り囲まれていて、このプラスチック射出成形被覆体は特に、軸方向において、内極として働く接続管片と電磁コイルとを取り囲んで延びている。少なくとも、電磁コイルを取り囲む領域において、プラスチック射出成形被覆体には、磁束線を導く強磁性の充填物質が挿入されている。従ってこの充填物質は、電磁コイルを周方向において取り囲んでいる。この充填物質は、軟磁性の特性を有する金属を細かい粒に砕いた金属部分である。プラスチック内に埋め込まれた磁性の小さな金属粒子は、程度の差こそあれ、球形の形状を有し、個々に磁気絶縁されていて、互いに金属による接触部を有していないので、この場合有効な磁界は形成されない。この場合に生じる極めて高い電気抵抗の好ましい態様には、しかしながら極端に高い磁気抵抗が不都合に発生し、このような磁気抵抗は、著しい力損失として現れ、これにより全体としてみると、好ましくない機能特性を形成することになる。
【０００３】
さらにＤＥ１０３３２３４８Ａ１に基づいて公知の燃料噴射弁は、比較的コンパクトな構成によって傑出している。この公知の燃料噴射弁では磁気回路は、電磁コイル、固定の内極、可動の磁気アーマチュア及び、マグネットポットとして形成された外側の磁気回路形成部材によって、形成されている。燃料噴射弁の細くかつコンパクトな構造のために、複数の薄壁の弁スリーブが使用され、これらの弁スリーブは、接続管片として、弁座保持体として、かつ磁気アーマチュア用の案内区分として働く。磁気回路の内部を延びる薄壁の非磁性のスリーブは、空隙を形成していて、この空隙を介して磁束線は、外側の磁気回路形成部材から磁気アーマチュア及び内極へと移行する。比較可能な構造形式の燃料噴射弁は、図１に示してあり、本発明の良好な理解のために後で詳しく説明する。
【０００４】
さらにＪＰ２００２−４８０３１Ａに基づいて公知の燃料噴射弁は、同様に薄壁のスリーブによる解決策によって傑出しており、この公知の燃料噴射弁では、深絞りされた弁スリーブが燃料噴射弁の全長にわたって延びていて、磁気回路領域において磁気分離箇所を有し、この磁気分離箇所においては、他の箇所に存在するマルテンサイト組織が中断されている。この非磁性の中間部分は、磁気アーマチュアと内極との間の作業空隙の領域の高さに対しかつ電磁コイルに対して、可能な限り効果的な磁界が得られるように、配置されている。このような磁気分離部は、汎用の電磁回路を有する公知の弁に対してＤＦＲ（dynamic flow range）を高めるためにも使用される。しかしながらこのような構成は、やはり極めて高い製造コストと結び付いている。さらに、非磁性のスリーブ区分を備えるこのような磁気分離部を設けることは、磁気分離部を有しない弁とは異なる幾何学形状の設計を余儀なくする。
【０００５】
発明の利点
本発明の構成では、冒頭に述べた燃料噴射弁において、前記弁スリーブの壁厚さｔは、少なくとも作業空隙の領域において、つまり下側のコア領域及び上側のアーマチュア領域において、０.２＜ｔ＜０.６ｍｍであり、
前記外側の磁気回路形成部材の外径は、前記電磁コイルの周囲領域において、１０.５＜ＤＭ＜１３.５ｍｍであり、
前記アーマチュアの外径ＤＡは、４.０ｍｍ＜ＤＡ＜５.９ｍｍであり、
かつ前記作業空隙の領域において前記弁スリーブに、Ｂ＜０.０１Ｔの磁束密度を有する区域が、磁気分離部として設けられているか、又は０.０１Ｔ＜Ｂ＜０.１５Ｔの磁束密度を有する区域が、磁気絞りとして設けられている。
【０００６】
このように構成された本発明による燃料噴射弁は、構造が特にコンパクトであるという利点を有している。本発明による燃料噴射弁は、極端に小さな外径を有し、このような極端に小さな外径を、極めて高い機能性と共に得ることは、内燃機関用の吸気管噴射弁の分野における当業者には、従来、不可能であると思われていた。この極めて小さい寸法設定に基づいて、燃料噴射弁を従来考えられていたよりも多様なフレキシビリティをもって組み込むことができる。例えば本発明による燃料噴射弁は、様々な車両メーカの極めて種々異なった受容孔に、数多の「延長された先端（Extended Tip）」変化形をもって、つまり長さの変化する様々な噴射弁変化形をもって、弁ニードル長さの変化又は弁スリーブ長さの変化なしに、モジュラ構造の弁に基づいて際だった互換性で取り付けることができる。外側の磁気回路形成部材に設けられていて吸気管の受容孔の壁をシールするシールリングは、この場合容易に移動可能である。
【０００７】
燃料噴射弁の新たな幾何学形状は、特に、値ｑｍｉｎ、ＦＦ及びＦｍａｘに関する限界条件下において好適に決定されている。完全な機能性を維持しながら、磁界の極めて小さな外寸を実現できるようにするために、本発明によれば、アーマチュアの外径ＤＡは、４.０ｍｍ＜ＤＡ＜５.９ｍｍに決定された。さらに、薄壁の弁スリーブの壁厚さｔは、少なくとも作業空隙の領域において、つまり下側のコア領域及び上側のアーマチュア領域において、０.２＜ｔ＜０.６ｍｍである。好適には、このような本発明による寸法設定において、作業空隙の領域において弁スリーブに、Ｂ＜０.０１Ｔの磁束密度を有する区域が、磁気分離部として設けられているか、又は０.０１Ｔ＜Ｂ＜０.１５Ｔの磁束密度を有する区域が、磁気絞りとして設けられている。
【０００８】
請求項１に記載された燃料噴射弁の別の有利な構成及び改良形は、従属請求項に記載されている。
【０００９】
付随して、燃料噴射弁の本発明による寸法設定によって、ＤＦＲ（dynamic flow range）をも、公知の燃料噴射弁における通常のＤＦＲに比べて著しく高めることができる。
【００１０】
次に図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳説する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来技術による燃料噴射弁として形成された、電磁作動式の弁を示す図である。
【図２】本発明による弁の第１の実施形態を示す図である。
【図３】本発明による弁の第２の実施形態を示す図である。
【００１２】
実施例の記載
図１には、本発明を良好に理解するために、混合気圧縮型火花点火式の内燃機関の燃料噴射装置用の燃料噴射弁として形成された、電磁作動式の弁が例示されている。
【００１３】
この弁は、電磁コイル１によって取り囲まれていて内極として、かつ部分的に燃料貫流路として働くほぼ管状のコア２を有している。電磁コイル１は、スリーブ状でかつ段付けされて形成された、例えば強磁性の外側の弁周壁５によって、周方向において完全に取り囲まれており、この弁周壁５は、外極として働く外側の磁気回路形成部材である。電磁コイル１、コア２及び弁周壁５は一緒に、電気式に励起可能な作動エレメントを形成している。
【００１４】
コイル体３内に埋め込まれた、巻線４を備える電磁コイル１が、弁スリーブ６を外側から取り囲んでいるのに対して、コア２は、弁長手方向軸線１０に対して同心的に延びる、弁スリーブ６の内孔１１内に挿入されている。弁スリーブ６は長く延在していて、かつ薄壁に形成されている。内孔１１は、特に、弁長手方向軸線１０に沿って軸方向可動の弁ニードル１４のためのガイド孔として働く。弁スリーブ６は軸方向において、例えば燃料噴射弁の軸方向の全長の約半部にわたって延びている。
【００１５】
コア２及び弁ニードル１４の他に、内孔１１内にはさらに弁座体１５が配置されており、この弁座体１５は弁スリーブ６に、例えば溶接シーム８を用いて固定されている。弁座体１５は、位置固定の弁座面１６を弁座として有している。弁ニードル１４は例えば管状のアーマチュア１７、同様に管状のニードル部分１８及び球形の弁閉鎖体１９によって形成されており、弁閉鎖体１９は例えば溶接シームを用いてニードル部分１８と堅固に結合されている。弁座体１５の下流側の端面には、例えばポット形のインジェクションホールディスク（Spritzlochscheibe）２１が配置されており、このインジェクションホールディスク２１の曲げられていて全周にわたって延在する保持縁部２０は、流れ方向とは逆に上方に向かって方向付けられている。弁座体１５とインジェクションホールディスク２１との堅固な結合は、例えば管状の密な溶接シームによって実現されている。弁ニードル１４のニードル部分１８には、単数又は複数の横孔２２が設けられており、これによりアーマチュア１７を内側の長手方向孔２３において貫流する燃料は、外方に向かって流出し、弁閉鎖体１９に沿って、例えば該弁閉鎖体１９の平らな面取り部２４に沿って、弁座面１６にまで流れることができる。
【００１６】
噴射弁の作動は、公知のように電磁式に行われる。弁ニードル１４の軸方向運動のため、ひいては弁ニードル１４に係合作用する戻しばね２５のばね力に抗した、噴射弁の開放、もしくは閉鎖のために、電磁コイル１、内側のコア２、外側の弁周壁５及びアーマチュア１７によって形成される電磁回路が働く。アーマチュア１７の、弁閉鎖体１９とは反対側の端部は、コア２に向けられている。コア２の代わりに、例えば内極として働く、磁気回路を閉じるカバー部材が設けられていてもよい。
【００１７】
球形の弁閉鎖体１９は、弁座体１５の、流れ方向において円錐台形に先細になる弁座面１６と共働し、この弁座面１６は、軸方向において案内孔の下流側において弁座体１５に形成されている。インジェクションホールディスク２１は、放電加工（Erodieren）、レーザ穿孔又は打抜き加工によって加工成形された少なくとも１つの、例えば４つの噴射開口２７を有している。
【００１８】
噴射弁におけるコア２の押込み深さは、特に、弁ニードル１４の行程のために重要であり、つまりこの押込み深さによって、弁ニードル１４の行程が決定される。この場合弁ニードル１４の一方の終端位置は、電磁コイル１が励磁されていない状態において、弁座体１５の弁座面１６における弁閉鎖体１９の当接によって決定され、これに対して弁ニードル１４の他方の終端位置は、電磁コイル１の励磁された状態において、下流側のコア端部におけるアーマチュア１７の当接によって決定される。行程調節は、コア２の長手方向移動によって行われ、次いでコア２は所望のポジションに相応して、弁スリーブ６と堅固に結合される。
【００１９】
コア２に設けられた、弁長手方向軸線１０に対して同心的に延びる流れ孔２８であって、弁座面１６に向かって燃料を供給するために働く流れ孔２８には、戻しばね２５の他に、調節スリーブ２９として形成された調節エレメントが押し込まれている。調節スリーブ２９は、この調節スリーブ２９に接触している戻しばね２５のばねプリロード（ばね予荷重）を調節するために働き、戻しばね２５は反対側において、アーマチュア１７の領域において弁ニードル１４に支持されており、この場合動的な噴射量の調節もまた調節スリーブ２９を用いて行われる。弁スリーブ６内において調節スリーブ２９の上には、燃料フィルタ３２が配置されている。
【００２０】
弁の供給側の端部は、金属製の燃料流入管片４１によって形成され、この燃料流入管片４１は、該燃料流入管片４１を安定化させ、支持しかつ被覆するプラスチック射出成形被覆体４２によって取り囲まれている。燃料流入管片４１の管４４の、弁長手方向軸線１０に対して同心的に延びる流れ孔４３は、燃料流入部として働く。プラスチック射出成形被覆体４２は例えば、プラスチックが弁スリーブ６及び弁周壁５の部分を直に取り囲むもしくは被覆するように、射出成形される。この際に確実なシールは、弁周壁５の周囲におけるラビリンスパッキン４６によって得られる。一緒に射出成形された電気的な接続コネクタ５６もまた、プラスチック射出成形被覆体４２の一部である。
【００２１】
図２には、本発明による燃料噴射弁の第１実施形態が示されている。縮尺が異なっていることに基づいて、図１及び図２もしくは図３からは直に見て取ることができないが、本発明による燃料噴射弁は、極めて細い構造と、極めて小さな外径と、全体として極度に小さい幾何学形状の設計とによって傑出している。本発明による寸法設定については、以下において詳しく述べる。図示の実施形態では、弁スリーブ６は全長にわたって延在するように形成されている。外側の磁気回路形成部材５は、グラス形もしくはコップ形に形成されていて、磁石ポットとも呼ばれる。磁気回路形成部材５はこの場合、周壁部分６０と底部分６１とを有している。外側の磁気回路形成部材５の周壁部分６０の上流側の端部には、例えばラビリンスパッキン４６が設けられており、このラビリンスパッキン４６によって、磁気回路形成部材５を取り囲むプラスチック射出成形被覆体４２に対するシール作用が得られる。磁気回路形成部材５の底部分６１は、例えば折り畳み部（Faltung）６２によって傑出しており、これによって、折り返された磁気回路形成部材５の二重の層が、電磁コイル１の下に位置することになる。弁スリーブ６に装着された支持リング６４によって、一方では、磁気回路形成部材５の折り畳まれた底部分６１が規定された位置に保持される。他方において、支持リング６４によって、シールリング６６が挿入されるリング溝６５の下端部が規定される。リング溝６５の上端部は、プラスチック射出成形被覆体４２の下縁部によって決定される。磁気回路の適宜な寸法設定によって、電磁コイル１の周囲領域における外側の磁気回路形成部材５の外径ＤＭは、１０.５ｍｍ〜１３.５ｍｍの間の値を有するだけである。磁気回路形成部材５の図示の実施形態では周壁部分６０は円筒形に延びているので、磁気回路形成部材５は、いずれの箇所においても、前記領域における外径よりも大きな外径を有していない。外側の磁気回路形成部材５の外周部には、周壁部分６０の領域に、直にシールリング６６が装着されており、これによって燃料噴射弁はその半径方向外側において磁気回路に押し嵌められたシールリング６６と共に、例えば１４ｍｍの内径を有する、吸気管における受容孔内に挿入することができる。シールリング６６は外側の磁気回路形成部材５の周囲領域において、該磁気回路形成部材５の最大外径部に設けられていてもよい。
【００２２】
磁気回路の可能な限り小さな外径を実現できるようにするために、相応に、特に、内極として働くコア２及びアーマチュア１７のような内部に位置する構成部材も、極めて小さく寸法設定することが必要である。従って磁気回路を新たに寸法設定する場合には、コア２及びアーマチュア１７の内径のための必要な最小寸法として、２ｍｍ〜２.５ｍｍが決定されている。両部材、つまりコア２及びアーマチュア１７の内径は、内側の貫流横断面を決定し、この場合判明したことであるが、内径が２ｍｍの場合には、戻しばね２５の内径の製作誤差が静的な貫流量に影響を及ぼすことなしに、内側に位置する戻しばね２５による動的な噴射量の調節がなお可能である。磁気回路の設計時には、種々様々な寸法及びパラメータが重要である。例えば、最小の噴射量ｑｍｉｎを可能な限りさらに小さくすることが、最適である。しかしながらこの際に留意すべきことは、今日汎用のまた将来要求される、１.０ｍｍ３／ｍｉｎ以下のシール性を保証するためには、ばね力ＦＦ＞３Ｎを維持しなくてはならないことである。ばね力ＦＦ＞３Ｎは、図示の設計では、シール直径がｄ＝２.８ｍｍの場合、電圧ＵｍｉｎにおいてＦｓｍ＞５.５Ｎの静的な磁力に相当する。
【００２３】
最大磁力Ｆｍａｘは、電磁駆動装置を備えた燃料噴射弁の設計のために、同様に重要な値である。Ｆｍａｘが小さすぎる場合、つまり例えば＜１０Ｎの場合には、これによって、いわゆる「クローズド・スタック（closed stuck）」の生じることがある。このことは、最大磁力Ｆｍａｘが小さすぎることによって、弁閉鎖体１９と弁座面１６との間における液体による接着力を克服することができない、ということを意味する。このような場合には、燃料噴射弁は通電にもかかわらず、開放することができなくなる。
【００２４】
従って燃料噴射弁の新たな幾何学形状は、特に、値ｑｍｉｎ、ＦＦ及びＦｍａｘに関する限界条件下において決定されている。本発明によれば、磁気回路の幾何学形状を最適化する場合には、アーマチュア１７の外径ＤＡが重要な値であることが判明した。アーマチュア１７の最適な外径は、４.０ｍｍ＜ＤＡ＜５.９ｍｍである。これに基づいて外側の磁気回路形成部材５の寸法を導き出すことができ、この場合磁気回路形成部材５の外径ＤＭが１０.５〜１３.５ｍｍであると、公知の噴射弁に対して著しく高められたＤＦＲ（dynamic flow range）においても、磁気回路の完全な機能性を保証することができる。連続した薄壁の弁スリーブ６を備える図２に示した実施形態において、最適化された寸法設定は、少なくとも作業空隙の領域、つまり下側のコア領域及び上側のアーマチュア領域における、弁スリーブ６のための壁厚さｔが、０.２＜ｔ＜０.６ｍｍの場合である。この実施形態では、作業空隙の領域において、弁スリーブ６には、磁気絞りとして０.０１Ｔ（テスラ）＜Ｂ＜０.１５Ｔの磁束密度を有する区域が予定されている。弁スリーブ６が上述のように構成された燃料噴射弁の形態は、弁スリーブ６の内部におけるコア２の移動による行程調節を可能にする。
【００２５】
上に述べた幾何学形状及び寸法設定の考察は、例えば図３に示したような他の実施形態による燃料噴射弁に対しても同様に当て嵌まる。図３に示した燃料噴射弁は、図２に示した燃料噴射弁に対して主として、弁スリーブ６、コア２及び外側の磁気回路形成部材５の領域において異なっている。図３の実施形態では、弁スリーブ６は短く形成されていて、弁の噴射側の端部から、電磁コイル１の領域内までしか達していない。アーマチュア１７を備える可動の弁ニードル１４の上流側において、弁スリーブ６は管状のコア２と堅固に結合されている。すなわち、コア２の移動による行程調節は、この実施形態では不可能である。軸方向において反対側の端部でコア２は、弁長手方向軸線１０に対して同心的に延びる、燃料流入管片４１の管４４に固定されている。従ってこの実施形態では、弁長さ全体にわたって連続する薄壁の弁スリーブ６は存在しない。そして弁スリーブ６には作業空隙の領域において、磁気分離部としてＢ＜０.０１Ｔの磁束密度を有する区域が備えられている。外側の磁気回路形成部材５の構成では、底部分が省かれているので、図３の実施形態において磁気回路形成部材５は、管形状を有している。このことを可能にするために図３の実施形態では、弁スリーブ６が、半径方向外側に向かって突出するフランジ状のカラー６８を有していて、このカラー６８の外周部に磁気回路形成部材５が接触していて、カラー６８の外周部に例えば環状の溶接シームを用いて固定されている。支持リング６４は扁平なディスク形状のフランジとして形成されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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