CN104520576B - 燃料喷射阀 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料喷射阀。其避免因阀体面和阀座面的不圆度而产生的阀体面与阀座面的宽范围的接触，抑制密封性能的降低。上述燃料喷射阀包括具有阀座面(203)的阀座部件(102)、具有与阀座面(203)抵接的阀体面(204)的阀部件(101)和使阀部件(101)往复动作的阀驱动单元，通过用阀驱动单元使阀部件(101)往复动作而使阀体面(204)与阀座面(203)接触，从而使阀关闭，通过使阀体面(204)从阀座面(203)分离而使阀开放，在阀座面(203)或阀体面(204)中的至少任一者的、相对于阀体面(204)与阀座面(203)接触而成的密封座(202)的上游侧部分和下游侧部分设置凹部(501、502)。

Description

燃料喷射阀

技术领域

本发明涉及燃料喷射阀，特别是用于对内燃机的燃烧室内直接喷射燃料的燃料喷射阀，其设置有用于操作阀体的驱动器，阀体在喷射侧端部具有球面部，该球面部与形成于阀座体上的阀座面抵接从而在座接触部位形成密封座，来防止燃料的泄漏。

背景技术

在日本特开平9-42114号公报中，公开了阀关闭体与形成为边缘座部的阀座联动，使具有相互不同的角度而形成的阀座的2个面直接连接而在2个面的接触线形成边缘座部，使上游侧的一方的面与阀长度方向轴线之间的角度α比下游侧的另一方的面与阀长度方向轴线之间的角度β大地形成的燃料喷射阀。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平9-42114号公报

发明内容

发明要解决的课题

在对发动机供给燃料的燃料喷射阀(喷射器)中，需要减少来自设置于前端的燃料喷射孔的燃料泄漏。

燃料喷射阀为了防止燃料的泄漏，一般构成为其开闭阀主要包括具有圆锥状的阀座面的阀座和具有以与阀座的圆锥面接触的方式配置的球面状或圆锥状的阀体面的阀部件，通过使阀体面与阀座面贴紧■分离，来进行阀的开闭。

在关闭状态下，用施力弹簧等将阀体面压向阀座面，阀体面与阀座面接触而产生接触变形，从而形成密封座。通过该密封座将燃料密封，防止燃料向发动机的燃烧室泄漏。

但是，在这样的方式的燃料喷射阀中，因阀体面和阀座面的表面粗糙度和不圆度而产生的凹凸大于因阀体面与阀座面的接触而产生的变形量的情况下，存在阀体面与阀座面之间残留有间隙，燃料从残留的间隙泄漏的情况。

进而，阀体面或阀座面具有不圆度而存在凹凸的情况下，微观地观察闭阀状态下的阀体面与阀座面的接触状态时，阀体面的凸部与阀座面的凸部接触。这样的凸部彼此的接触部位不一定存在于设计上希望的落座宽度中。此处，设计上希望的落座宽度指的是，以设计上要落座的位置为中心，理想的球形的阀体面与理想的圆锥形的阀座面在作用于阀体的负荷的范围内，阀体面与阀座面因赫兹应力而变形，变形的结果产生的接触的斜面方向的宽度。

实际的接触部位与设计上希望的接触位置不同的情况下，会以在不希望的部位发生接触的状态(称为宽范围的接触状态)形成密封座。在宽范围的接触状态下，接触部位增加，因此接触部的刚性提高，密封座的接触面压强降低。密封座的接触面压强的降低使因阀体面与阀座面之间发生的接触所产生的变形量降低。因该接触所产生的变形量的降低，不能填满因不圆度所导致的凹凸而产生的间隙，导致密封性能降低，发生燃料的泄漏。从而，为了提高密封性能，需要避免宽范围的接触。

专利文献1的燃料接触阀中，根据上述结构，能够避免宽范围的接触，提高密封性能。

但是，为了避免宽范围的接触，提高密封性能，必须对边缘座部的位置非常高精度地制造。边缘座部的位置精度不充分时，阀体与阀座的接触位置偏移，成为宽范围的接触，成为引起密封性能降低的原因。

作为边缘座部的制造方法，可以考虑对构成阀座的部件进行淬火处理后通过磨削进行精加工的方法，但是在上述制造方法中，2个圆锥面的磨削量和母材的尺寸精度的误差均影响边缘座部的位置，因此难以对边缘座部的位置高精度地进行制作。此外，2个圆锥面的同轴度差的情况下，会使边缘座部的圆度变差。其结果是，阀体与边缘座部之间产生间隙，密封性降低。特别是在使小径的带轴磨石高速旋转进行阀座面的磨削加工的情况下，难以高精度地形成边缘部，品质管理、设备操作和程序等需要作业者熟练或设备变得昂贵。

此外，成球面的阀体与边缘部接触的情况下，阀体的面与阀座的边缘部的接触应力与现有的燃料喷射阀相比增大。因此，也存在成为引起磨耗和时效劣化的主要原因的情况。

于是，本发明中，目的在于提供一种燃料喷射阀，其避免阀体面与阀座面之间的宽范围的接触，比规定的密封性能有所提高，并且难以引起磨耗和时效劣化。

用于解决课题的技术方案

一种燃料喷射阀，其包括具有阀座面的阀座部件、具有与阀座面抵接的阀体面的阀部件和通过对阀部件施力的弹簧的力或电磁力使阀部件往复动作的阀驱动单元，通过用阀驱动单元使阀部件往复动作而使阀部件的阀体面与阀座部件的阀座面接触，从而使阀关闭，通过使阀体面从阀座面分离而使阀开放，在阀座面或阀体面中的至少一者，在阀体面与阀座面接触而形成的密封座的上游侧和下游侧设置有凹面。通过这样的结构，避免因阀体面和阀座面的表面粗糙度或不圆度的影响而产生的、阀体面与阀座面的宽范围的接触。通过避免宽范围的接触，抑制因接触部位增加而发生的接触刚性的增大，抑制密封座的接触面压强的降低。由此，不会使密封座的接触面压强降低，可以维持阀体面与阀座面之间的接触变形量，提高密封性能。

在密封座的上游侧和下游侧设置凹部的情况下，通过使用与阀体的球径不同的球面工具进行研磨或切削加工，具有圆锥面的阀座的座部与球面工具的接触的位置由球面与锥形的几何关系唯一地决定，因此能够高精度地制造凹部。

此外，通过使上游侧的凹部和下游侧的凹部的宽度成为与正圆的阀体面与正圆的阀座面接触时的线接触的宽度相同程度的宽度，能够抑制接触面压强的增大，不会引起时效劣化和耐磨耗性的降低，密封性能提高。

发明效果

根据本发明，通过在密封座的上游侧和下游侧设置环状凹部，能够在阀体面与阀座面接触时避免宽范围的接触，能够提高密封性能。此外，通过在设置凹面时使用与阀体的球径不同的球面工具，能够以几何学决定接触位置，能够不提高成本地提高定位精度。

附图说明

图1是表示本发明的燃料喷射阀的实施方式的截面图。

图2是本发明的第一实施例的将阀体前端附近放大的截面图。

图3是微观地表示本发明的第一实施例的阀体与阀座的接触部的放大图。

图4是微观地表示本发明的第一实施例的阀体与阀座承受负荷而接触变形后的接触部附近的截面图。

图5是详细表示本发明的第一实施例的燃料喷射阀的阀体前端的形状的放大图。

图6是本发明的第一实施例的在燃料喷射阀的落座位置的上游侧和下游侧设置有凹部的情况下的阀体与阀座的接触部附近的放大图。

图7是与本发明的第一实施例的燃料喷射阀的使用球面工具的形成方法相关的截面图。

图8是本发明的第二实施例的将阀体前端附近放大的截面图。

图9是微观地表示本发明的第二实施例的阀体与阀座的接触部的放大图。

符号说明

101……阀体，102……阀座部件，103……下游侧柱塞杆引导件，104……喷嘴支架，105……上游侧柱塞杆引导件，106……可动件，107……磁芯，108……铁芯，109……磁轭，110……弹簧，111……连接器，112……燃料供给口，201……燃料喷射孔，202……密封座，203……阀座面，204……阀体面，301……在不希望的部位接触，302……设计上的落座宽度，303……设计上的落座位置，401……因压力而发生变形后的阀体面，501……上游侧的凹部，502……下游侧的凹部，601……平面部，701……球面状工具，801……上游侧的凹部，802……下游侧的凹部，803……球面部，901……具有不圆度的阀体面。

具体实施方式

以下，对本发明的实施例进行说明。

实施例1

图1是作为本发明的燃料喷射阀的例子表示电磁式燃料喷射阀的例子的截面图。图1所示的电磁式燃料喷射阀是缸内直接喷射式的汽油发动机用的电磁式燃料喷射阀的例子，但本发明的效果对进气口喷射式的汽油发动机用的电磁式燃料喷射阀和用压电元件或磁致伸缩元件驱动的燃料喷射阀也是有效的。

图1中，燃料从燃料供给口112供给，供给到燃料喷射阀的内部。图1所示的电磁式燃料喷射阀是常闭型的电磁驱动式，是不对线圈108通电时，阀体101被弹簧110施力而压向具有圆锥面的阀座部件102，在阀体101的阀体面与阀座部件102的阀座面之间形成密封座，将燃料密封的结构。对图1所示的线圈108通电时，在构成电磁阀的磁路的铁芯107、磁轭109、衔铁106中产生磁通密度，在具有空隙的铁芯107与衔铁106之间产生磁吸引力。磁吸引力比弹簧110的作用力和上述燃料压强产生的力大时，阀体101被衔铁106向磁芯107侧即上游侧吸引，阀体101与可动件106接触并传递力，阀体102也向上游侧位移，成为开阀状态。

另一方面，对线圈108的通电停止时，磁芯107内产生的磁通消失，作用于可动件106的磁吸引力也减少，不久消失。其结果是，作用于阀体101的施力弹簧110的力大于作用于可动件106的磁吸引力时，阀体101向下游侧位移，阀体101与阀座部件102接触，成为闭阀状态。

以上说明了电磁式燃料喷射阀的基本动作。燃料喷射阀通过控制对线圈108的通电时间，来对阀体101处于开放状态的时间进行控制，而进行燃料喷射量的控制。

图2是将在阀体的前端设置的阀体101的阀体面与阀座部件102的阀座面的接触部位的附近放大的截面图。燃料喷射阀处于闭阀状态时，在阀体101的表面上设置的阀体面204与在阀座部件102上设置的由圆锥面构成的阀座面203抵接而形成密封座202，从而防止燃料从设置于阀座面203上的燃料喷射孔201向未图示的直喷发动机的燃烧室泄漏。此时，阀体101的阀体面202形成为球面，具有圆锥面的阀座面203与成为球面的阀体面204的接触形成密封座202，密封座202成为大致线接触的状态。为了防止燃料的泄漏，在阀体面204与阀座面203之间形成的密封座202需要不间断地形成为圆环状。闭阀状态时成为对燃料压强乘以具有密封座202的直径的圆(接触部所成的圆)的面积而得到的力作用于阀体101的状态。

此时，在缸内喷射用燃料喷射阀中，供给的燃料压强是约2MPa至30MPa的范围。

图3微观地图示了没有使用本发明的燃料喷射阀的阀体面204与阀座面203的接触状态。图3表示因阀体面204和阀座面203的不圆度的影响，阀体面204与阀座面203的接触部位处于脱离了原本要落座的设计上的落座宽度302的、不希望的接触位置301，成为宽范围的接触状态的状况。此处，设计上的落座宽度302指的是，以设计上要落座的位置303为中心，理想的球形的阀体面204与理想的圆锥形的阀座面203在作用于阀体101的负荷的范围内阀体面204与阀座面203因赫兹应力而变形，变形的结果产生的接触的斜面方向的宽度，该宽度通常是50μm程度以内。

图4是微观地表示阀座面204和阀体面203因施力弹簧110的力和燃料压强产生的力等压力而变形时的接触状态的示意图。如图4所示，在宽范围的接触状态下，为了防止燃料的泄漏，需要使位于不希望的部位301的凸部通过施力弹簧和燃料压强等压力而变形为在设计上的落座位置以落座宽度302接触，使密封座202不间断地形成为圆环状。从而，接触刚性提高与因不圆度产生的凸部302相应的量，设计上的座部301在整周接触，为了使密封座202形成为圆环状所需的负荷增大。此时，为了使密封座202形成为圆环状的负荷不足的情况下，在阀体面203与阀座面204之间，残留有间隙，会发生燃料泄漏。

为了抑制燃料泄漏，需要避免宽范围的接触。本实施例中，如图5所示，在落座位置(密封座202的位置)的上游侧的阀座面204上设置曲率半径大于阀体的球径SR₃的上游侧的凹部501，在落座位置的下游侧设置曲率半径小于阀体的球径SR₃的下游侧的凹部502。

这样，通过在落座位置的上游的部位和下游的部位取得较大的阀体面204与阀座面203的距离，能够抑制因不圆度而发生的在不希望的部位的接触。由此，能够抑制在设计上不希望的部位的接触。其结果是，能够减小形成圆环状的密封座202时的接触刚性，能够以较少的负荷消除因不圆度产生的间隙，能够有效地防止燃料的泄漏。

此外，通过如图6所示地在上游侧的凹部501与下游侧的凹部502之间设置平面部601，阀体面204与平面部601接触，能够抑制阀体面204与阀座面203之间的接触力增大。其中，优选球面部601的宽度大于不具有不圆度的阀体面204与不具有不圆度的阀座面203接触的情况下的线接触的宽度。

形成落座位置的上游侧凹部501和下游侧凹部502时，如图7所示地使用具有与上游侧的凹部501和下游侧的凹部502相同的球径SR₁、SR₂的球面状工具701。通过使用具有球径SR₁、SR₂的球面状工具701，能够得到所期望的上游侧凹部501和下游侧凹部502。关于球面状工具701与阀座面203的接触位置，根据球与锥部圆锥面的几何关系，接触是线接触，其接触位置被唯一地决定，因此能够高精度地形成凹部。具有球径SR₁的球面状工具701和具有球径SR₂的球面状工具701的形成顺序与得到的效果无关，先形成上游侧凹部501、下游侧凹部502中的哪一方均可。此外，即使设置凹部前的阀座面203的角度例如比现在更大或更小的情况下，因为球与锥部的几何关系不变，所以得到的效果也相同。此外，SR₃与SR₁和SR₂的球径的差增大时，切削量增加，因此需要耗费较多的制造时间和制造成本。于是，为了形成使用的上游侧的凹部501而使用的球径SR₁使用比阀体的球径SR₃大10～25％程度的球径，为了形成下游侧的凹部502而使用的球径SR₂使用比阀体的球径SR₃小10～25％程度的球径时，能够抑制用于形成凹部的磨削量，同时得到所期望的效果。此外，作为磨削后的精加工，使用具有与阀体相同的球径SR₃的球面工具701，使阀座面203与球面工具701进行配研，由此能够进一步提高密封性能。

上述形成方法主要说明了通过磨削形成上游侧凹部501、下游侧凹部502的方法，但是形成上游侧凹部501和下游侧凹部502不一定需要使用磨削。例如，可以列举通过配研进行的加工。通过配研加工，用球面工具701使在落座位置的上游侧或下游侧可能发生宽范围的接触的部位的凸部平滑化也能够得到所期望的效果。该配研在形成上游侧凹部501和下游侧凹部502时，能够以用非常微少的磨削量得到要求的效果，因此能够非常高精度地进行加工。

此时，为了形成使用的上游侧的凹部501而使用的球径SR₁使用比阀体的球径SR₃大1～10％程度的球径，为了形成下游侧的凹部502而使用的球径SR₂使用小1～10％程度的球径时，能够将可能发生宽范围的接触的宽度是100μm程度的区域精加工为平滑的面。此外，与磨削时同样地作为精加工而使用具有与阀体相同的球径SR₃的球面工具701来对阀座面与球面工具进行配研，由此能够进一步提高密封性能。此时，将具有球径SR₃的球面工具701的按压负荷设定为比具有球径SR₁和SR₂的球面工具701的按压负荷小，或将配研时间设定得较短，由此与上游侧的凹部501和下游侧的凹部502相比，能够使平滑部601与阀体面201的距离减小，因此能够进一步提高抑制宽范围的接触的效果。

此外，通过使用易于得到高精度且高硬度的钢球作为球面工具701使用的球体，能够提供抑制高成本并且密封性能高的燃料喷射阀。

实施例2

图8是表示本发明的第二实施例的阀体801附近的放大截面图。第二实施例中，在阀体801的落座位置的上游侧和下游侧设置环状的凹部801、802或斜面部。像这样在阀体侧设置退避部从而避免宽范围的接触的方法对于复制(转印)阀体的形状来进行制造的情况特别有效。形成阀体的情况下，通过用磨石磨削而形成，因此用于形成阀体101的自由度较高。根据本实施例，通过不对阀座侧实施加工，而是对阀体实施加工，能够在落座位置的上游侧和下游侧使阀体与座圆锥面之间的间隙扩大，得到防止宽范围的接触引起的燃料泄漏的效果。此时，通过使上游侧凹部801与下游侧凹部802的距离803大于不具有不圆度的阀体面204与不具有不圆度的阀座面203接触时的线接触的宽度，来抑制因附加凹部801、802引起的接触面压强增大，不会发生时效劣化和降低耐磨耗性，密封性能提高。

图9是微观地表示阀体901与阀座部102的落座部位的放大图。通过在阀体部801上设置上游侧的凹部902和下游侧的凹部803，能够避免不圆度引起的宽范围的接触。其结果是，能够抑制宽范围的接触引起的接触刚性的增加，能够将为了形成用于防止接触部位燃料泄漏的连续的圆环状的密封座所需的负荷设定得较小。

Claims (5)

1.一种燃料喷射阀，其特征在于，包括：

具有阀座面的阀座部件；

具有与所述阀座面抵接的阀体面的阀部件；和

使所述阀部件往复动作的阀驱动单元，其中

通过用所述阀驱动单元使阀部件往复动作而使所述阀体面与所述阀座面接触，从而使阀关闭，通过使所述阀体面从所述阀座面分离而使阀开放，

在所述阀体面的、相对于所述阀体面与所述阀座面接触而成的密封座的上游侧部分和下游侧部分分别设置有上游侧凹部和下游侧凹部，所述上游侧凹部和所述下游侧凹部形成为比所述阀体面的曲率线凹陷的形状，而且所述上游侧凹部与所述下游侧凹部的距离大于不具有不圆度的阀体面与不具有不圆度的阀座面接触时的线接触的宽度，

所述上游侧凹部与所述下游侧凹部使用直径不同的球面状的工具形成，

作为精加工使用具有与所述阀体面相同的球径的球面状的工具来对阀座面与球面工具进行配研时，将具有与所述阀体面相同的球径的球面状的工具的按压负荷设定为比形成所述上游侧凹部与所述下游侧凹部的球面状的工具的按压负荷小，或将配研时间设定得较短。

2.如权利要求1所述的燃料喷射阀，其特征在于：

所述上游侧凹部和所述下游侧凹部是在预先形成的所述阀体面上加工而成的形状部分。

3.如权利要求2所述的燃料喷射阀，其特征在于：

所述上游侧凹部和所述下游侧凹部形成为球面的一部分，所述上游侧凹部的球面的曲率半径大于所述下游侧凹部的曲率半径。

4.如权利要求3所述的燃料喷射阀，其特征在于：

在所述上游侧凹部与所述下游侧凹部之间具有平坦部。

5.如权利要求1所述的燃料喷射阀，其特征在于：

在所述上游侧凹部与所述下游侧凹部之间形成有球面部。