(57)【要約】内燃機関のための燃料噴射弁であって、弁体（１）が設けられており、この弁体に孔（３）が形成されており、この孔が長手方向軸線（１４）を有していて、孔の、燃料室側の端部には弁座（１７）が形成されている。この弁座（１７）の領域には少なくとも１つの噴射開口（２０）が配置されており、噴射開口は、内燃機関の燃焼室と接続されている。孔（３）内には弁部材（５）が長手方向摺動可能に配置されており、この弁部材（５）のシール面（１５）は、少なくとも１つの噴射開口（２０）の制御のために弁座（１７）と協働する。孔（３）の壁部と弁部材（５）との間には圧力室（１０）が形成されており、この圧力室は、高圧下の燃料で充填可能である。弁体（１）は、圧力室（１０）の領域においてスリーブ（２２）によって包囲されており、このスリーブは、異方性剛性特性を有しており、これにより、圧力室内の圧力によって弁体（１）に生ぜしめられる変形が小さくなる。
2004519623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のための燃料噴射弁であって、弁体（１）が設けられており、該弁体内に孔（３）が形成されており、該孔が、長手方向軸線（１４）を有していて、前記孔の燃焼室側の端部に弁座（１７）が形成されており、該弁座（１７）の領域に少なくとも１つの噴射開口（２０）が配置されており、該噴射開口が、孔（３）を内燃機関の燃焼室に接続させており、弁部材（５）が設けられており、該弁部材が、孔（３）内に長手方向摺動可能に配置されておりかつ、弁部材（５）に形成されたシール面（１５）を用いて、少なくとも１つの噴射開口（２０）を制御するために弁座（１７）と協働するようになっており、圧力室（１０）が設けられており、該圧力室が、孔（３）の壁部と弁部材（５）との間に形成されておりかつ、高圧下の燃料で充填可能である形式のものにおいて、
弁体（１）が圧力室（１０）の領域においてスリーブ（２２）によって包囲されており、該スリーブが、異方性剛性特性を有していることを特徴とする、内燃機関のための燃料噴射弁。
【請求項２】
前記スリーブ（２２）が、円筒状の内面を備えた中空円筒体として形成されておりかつ、内面全体によって弁体（１）に、相互の形状が適合するように当接している、請求項１記載の燃料噴射弁。
【請求項３】
前記スリーブ（２２）が、孔（３）の長手方向軸線（１４）に関して接線方向に、長手方向よりも大きな引張り強度を有している、請求項１記載の燃料噴射弁。
【請求項４】
前記弁体（１）が鋼から形成されており、前記スリーブ（２２）が、接線方向で、弁体（１）よりも大きな引張り強度を有している、請求項１記載の燃料噴射弁。
【請求項５】
前記スリーブが繊維（２４）を含んでおり、該繊維のうちの少なくとも一部が、孔（３）の長手方向軸線（１４）に関して少なくともほぼ接線方向に延びている、請求項１記載の燃料噴射弁。
【請求項６】
前記繊維（２４）が炭素繊維である、請求項５記載の燃料噴射弁。
【請求項７】
前記炭素繊維（２４）が、エポキシ樹脂から成るマトリックスに埋め込まれている、請求項５記載の燃料噴射弁。
【請求項８】
前記炭素繊維（２４）が、黒鉛から成るマトリックスに埋め込まれている、請求項６記載の燃料噴射弁。
【請求項９】
前記炭素繊維（２４）が、金属から成るマトリックスに埋め込まれている、請求項６記載の燃料噴射弁。
【請求項１０】
前記金属がアルミニウムである、請求項９記載の燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
従来の技術
本発明は、請求項１の上位概念部に基づく内燃機関のための燃料噴射弁から出発している。このような燃料噴射弁は例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６１８６５０号明細書より公知である。このような燃料噴射弁は弁体を有しており、この弁体には長手方向軸線を備えた孔が形成されており、孔の燃焼室側の端部には弁座が形成されている。弁座の領域には少なくとも１つの噴射開口が弁体に形成されており、噴射開口は孔を内燃機関の燃焼室に接続させている。孔には弁部材が長手方向摺動可能に配置されており、弁部材は、燃焼室とは反対側の区分において孔内に案内されている。燃焼室側の端部において弁部材はシール面に移行しており、シール面は弁座と協働し、少なくとも１つの噴射開口を制御する。弁部材と孔の壁部との間には圧力室が形成されており、この圧力室は高圧下の燃料で充填することができる。圧力室内の燃料圧力によって制限されながら、弁部材は閉鎖力に抗して移動することができ、これにより、弁部材及び噴射開口に加わる、液圧の力に対する閉鎖力の比に応じて開放制御又は閉鎖制御される。しかしながら、この場合、公知の燃料噴射弁は欠点を有している。その欠点は、高圧下で弁体内に送り込まれる燃料によって圧力室の変形、ひいては弁体の膨張が生じるということである。このことは、弁部材が弁体に接触する位置、つまり一方では弁体の案内される区分、他方では弁座に特に影響を与える。ほぼ弁体の半径方向の拡開部である圧力室の領域における弁体の変形によって、案内領域における弁部材と弁体との間の遊びが減じられる。これにより、これにより摩擦が高められ、ひいては燃料噴射弁の寿命が短縮される。さらに、ほぼ円錐形に形成された弁座は、僅かに外方へ拡開することにより傾く。この傾きは望ましくない。なぜならば、弁部材が閉鎖力に対抗して移動する場合の開放圧力、つまり圧力室内の圧力に影響し、弁座の領域における摩擦を高めるからである。
【０００２】
発明の利点
これに対して、請求項１の特徴を備えた本発明による燃料噴射弁は、弁体の剛性が高められているため、圧力室内の圧力によって生じる弁体の変形が低減されるという利点を有する。このために、弁体は、弁部材の案内された区分と弁座との間の領域において、異方性剛性特性を有するスリーブによって取り囲まれている。これにより、弁体の接線方向の剛性が高められ、圧力室内の高い燃料圧力に基づく弁体の変形により生じる欠点が回避される。
【０００３】
スリーブの有利な構成では、スリーブは、弁体に設けられた孔の長手方向軸線に関して接線方向で、長手方向よりも大きな引張り強さを有している。圧力下での弁体の変形は主として半径方向に生じるので、望ましい剛性を生ぜしめるために、接線方向での弁体の強化で十分である。
【０００４】
有利な構成では、スリーブは、接線方向で、弁体が形成される材料である鋼よりも大きな弾性係数を有している。これにより、弁体の一部はスリーブによって交換することができ、これにより、弁体の全体的な寸法はスリーブによって増大されないか又はほとんど増大されない。
【０００５】
有利な実施例ではスリーブは繊維を含んでおり、これらの繊維のうちの少なくとも一部は少なくともほぼ接線方向に延びている。このような、繊維を含んでいる結合材料は、剛性特性が達成される方向に応じて製造されることができるので、剛性特性は広範囲に調整することができる。
【０００６】
別の有利な構成では、繊維は炭素繊維として形成されている。このような炭素繊維は、長手方向での引っ張りに極めて強く、高い弾性係数を有しているので、明らかに鋼のものよりも高い弾性係数と引張強度とが達成可能である。
【０００７】
別の有利な構成では、炭素繊維は、エポキシ樹脂から成るマトリックスに埋め込まれている。このような炭素繊維・エポキシ樹脂・結合材料は、従来技術から十分に知られているので、公知の技術であらゆる任意の形式で提供することができる。
【０００８】
エポキシ樹脂はこの場合熱硬化性樹脂であるので、温度影響下で材料の流動は生じない。
【０００９】
別の有利な構成では、炭素繊維は黒鉛から成るマトリックスに埋め込まれている。炭素繊維・黒鉛・結合体はこの場合、２００〜３００℃の高温まで安定しており、ひいては燃料噴射弁における使用に制限無く適しているという利点を有する。
【００１０】
別の有利な構成では、炭素繊維は金属から成るマトリックスに埋め込まれており、この金属は有利にはアルミニウムである。このような炭素繊維と金属との結合は、より優れた耐熱性を有しており、内燃機関における最も高い熱負荷にも適している。
【００１１】
図面
図面には本発明による燃料噴射弁の実施例が示されている。
【００１２】
図１は燃料噴射弁の縦断面図であり、
図２は、繊維の示された延びを備えたスリーブを示す図であり、
図３は、繊維の別の配列を備えたスリーブの別の実施例である。
【００１３】
実施例の説明
図１には、本発明による燃料噴射弁の縦断面図が基本的な領域で示されている。燃料噴射弁は、孔３を備えた弁体１を有しており、孔３は燃焼室側の端部において、ほぼ円錐形の弁座に移行している。弁体１の燃焼室側の端部領域には少なくとも１つの噴射開口２０が形成されており、この噴射開口２０は弁座１７を内燃機関の燃焼室に接続させている。孔３には弁部材５が長手方向摺動可能に配置されており、弁部材５はピストン状に形成されており、孔３の、燃焼室とは反対側の案内区分１０３において案内される。弁部材５は、圧力肩部１２を形成しながら案内区分１０３から燃焼室の方向へテーパしており、燃焼室側の端部において、弁座１７と協働する、ほぼ円錐形の弁シール面１５に移行している。孔３の半径方向拡開により、圧力肩部１２の高さのところで圧力室１０が形成されており、この圧力室１０は、弁部材５を包囲した環状チャネルとして弁座まで連続している。圧力室１０は、弁体１に形成された流入孔７を介して高圧の燃料で充填可能である。弁部材５は、図面には示されていない装置によって閉鎖力Ｆで負荷され、この閉鎖力Ｆは弁部材５の、燃焼室とは反対側の端面に作用し、弁座１７へ向けられている。図１にはこの閉鎖力Ｆは矢印で示されている。圧力室１０に到達しかつ高圧である、導入された燃料によって、液圧による開放力が圧力肩部１２と、弁部材５の弁シール面１５の一部とに生じ、この場合、液圧による開放力は閉鎖力Ｆとは反対向きである。燃料噴射弁の場合閉鎖力Ｆは一定であるので、圧力室１０内の燃料圧力が、弁部材５に対する液圧による開放力が閉鎖力Ｆを克服するまで上昇させられると、内燃機関の燃焼室へ燃料が噴射される。これにより、弁部材５は長手方向に移動させられ、弁シール面１５が弁座１７から持ち上げられ、噴射開口２０を開放させる。圧力室１０への燃料供給を中断することにより、これに対応して圧力が、閉鎖力Ｆが再び上回り、弁部材５が長手方向に閉鎖位置へ戻るまで低下する。
【００１４】
弁体１は、外側においてほぼ回転対称的に形成されている。案内領域１０３において、弁体１は、弁部材５の安定した案内と流入チャネル７の形成とを可能にするために比較的大きな外径を有している。燃焼室に向かって弁体１はその外径が減径しており、圧力室１０の領域において、著しく細い弁体シャフト１０１に移行している。外側が円筒状に形成されている弁体シャフト１０１を取り囲むようにスリーブ２２が配置されており、このスリーブ２２は弁体シャフト１０１に、相互に摩擦を生じながら当接している。スリーブ２２は、鋼から形成されている弁体１とは別の材料から形成されている。スリーブ２２は、異方性剛性特性を有しているので、弁体シャフト１０１の領域において、鋼から形成された弁体シャフト１０１の場合に可能であるよりも大きな、接線方向の剛性が生じる。
【００１５】
自己着火式内燃機関に利用されるような現代の燃料噴射システムの場合に１００〜２００ＭＰａであることができるような、圧力室１０における高圧により、弁体１は特に弁体シャフト１０１の領域において燃料圧力によって拡開される。弁体１のこの膨張は、燃料噴射弁の特性に不都合な影響を与える。一方では、膨張により弁体１の変形が弁体シャフト１０１の領域において生じ、この変形は、ほとんどは孔の半径方向拡開である。これにより、弁体１は案内区分１０３の領域においても変形し、孔３の案内区分１０３における弁部材５の案内が変化し、このことは、磨耗の増大、ひいては燃料噴射弁の寿命の短縮を惹起する虞がある。他方では、弁体シャフト１０１の膨張は弁座１７における変化を生ぜしめる。弁座１７は弁シール面１５と同様にほぼ円錐形に形成されている。弁体シャフト１０１の領域における弁体１の膨張により、弁座１７は僅かに外方へ傾斜させられ、これにより、弁座１７における弁シール面１５の当接線が僅かにずらされる。燃料噴射弁の開放圧力は、弁座１５における圧力負荷される面の大きさに依存しているので、これにより開放圧力も変化し、望ましい時期に燃料を正確に噴射することが困難になる。
【００１６】
スリーブ２２は有利には結合材料として形成されており、この場合、高い弾性係数と高い引張強度とを有する繊維がマトリックスに埋め込まれている。図２はマトリックスにおける繊維２４の延びを備えたスリーブ２２を示している。繊維２４とマトリックスとの可能な組み合わせは、繊維２４を炭素繊維として形成し、エポキシ樹脂から成るマトリックスを使用することである。エポキシ樹脂で包囲された炭素繊維は、燃料噴射弁の製造時に弁体シャフト１０１に巻きつけられ、エポキシ樹脂はそこで適切な処理によって重合される。これにより、別の接着剤又は同様の結合材料を必要とすることなく、弁体シャフト１０１にスリーブ２２を確実に結合することができる。炭素繊維２４によって、スリーブ２２は接線方向で高い弾性係数と高い引張強度とを有している。このような結合の弾性係数は、鋼の弾性係数よりも著しく高いことができる。鋼の弾性係数の典型的な値はＥ＝２００．０００Ｎ／ｍｍ２であるのに対して、炭素繊維・エポキシ樹脂・結合の場合３００．０００Ｎ／ｍｍ２以上の弾性係数を得ることができる。図２の構成ではスリーブ２の長手方向には繊維は延びていないので、長手方向、つまり長手方向軸線１４に沿った弾性係数及び引張強度は接線方向に比べて約ファクタ１００だけ小さい。補強するスリーブ２２を備えた弁体１の場合、弁体シャフト１０１は慣用の燃料噴射弁の場合よりも壁部が薄く形成されているので、弁体シャフト１０１も長手方向では小さな剛性を有している。長手方向でのスリーブ２２の小さな弾性係数によって制限されて、長手方向では弁体シャフト１０１の領域全体において小さな剛性が生ぜしめられる。このことは、燃料噴射弁の別の利点を提供する。なぜならば、弁部材５は閉鎖移動時に弁シール面１５によって弁座１７に激しく衝突し、そこで最も短い行程で制動されるからである。弁体シャフト１０１の領域において長手方向で弁体１の剛性を低減することによって、制動行程が長くなり、これにより、弁部材５への必要な制動力が低下され、このことは、弁座１７の領域における機械的な負荷を小さくし、ひいてはこの領域における磨耗を減少させる。
【００１７】
しかしながら、結合材料のマトリックス材料のみによって与えられるよりも高い弾性係数をスリーブの長手方向で有することも望ましい。このために、繊維が種々異なる位置でスリーブ２２に配置されることができ、繊維は、互いに角度αを形成している。これにより、スリーブ２２の長手方向における剛性に対する接線方向の剛性の比を極めて正確に調節することができ、角度αと繊維の数とに応じて所望の剛性が提供される。このような結合体のための典型的な角度αは、この場合５〜３０°であり、１０°が使用されると有利である。
【００１８】
炭素繊維とエポキシ樹脂とから成る組み合わせのほかに、繊維とマトリックス材料の別の組み合わせも可能である。例えば、炭素繊維は黒鉛から成るマトリックスに埋め込まれることもでき、この場合、黒鉛と炭素繊維とから成る結合体は、エポキシ樹脂・炭素繊維・結合体よりも著しく高い熱に耐えるという利点が得られる。黒鉛は２００〜３００℃の温度に耐えるので、この組み合わせは、内燃機関の燃焼室内の燃焼熱に曝される燃料噴射弁の使用に特に適している。この他に、炭素繊維を金属から成るマトリックスに埋め込むことも可能である。このために、例えばアルミニウム又はその他の低融点金属が適しており、この金属において炭素繊維が埋め込まれることができる。金属マトリックス又は黒鉛マトリックスを備えたこのようなスリーブは、スリーブ２２と弁体１との相互の摩擦による結合を得るために、弁体１とは別個に製造され、次いで弁体１に被せて圧着されると有利である。
【００１９】
炭素繊維の他に別の繊維、例えば、アラミド繊維又はガラス繊維のようなポリマ繊維を使用することもできる。燃料噴射弁の使用、生じる温度、予期される圧力、ひいては燃料噴射弁のシャフト領域１０１における機械的な負荷に応じて、どの繊維形式をどのマトリックス材料と組み合わせて使用するかが決定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
燃料噴射弁の縦断面図である。
【図２】
繊維の示された延びを備えたスリーブを示す図である。
【図３】
繊維の別の配列を備えたスリーブの別の実施例である。
【符号の説明】
１  弁体、  ３  孔、  ５  弁部材、  １０  圧力室、  １２  圧力肩部、  １４  長手方向軸線、  １５  弁シール面、  １７  弁座、  ２０  噴射開口、  ２２  スリーブ、  ２４  繊維、  １０１  弁体シャフト、  １０３  案内区分
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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