JP2001050133A - 電子燃料噴射弁 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】ガス燃料を使用する燃焼システムに用いられる
電子燃料噴射弁において、摩耗部位の摩耗を抑制しガス
燃料を安定して供給制御可能にすること。 【解決手段】電子燃料噴射弁の摩耗部位(10,11,
12,13)の構成材料の表面に耐摩耗性を有する表面
改質層を形成する。表面改質層としては、窒化層等が用
いられる。
電子燃料噴射弁において、摩耗部位の摩耗を抑制しガス
燃料を安定して供給制御可能にすること。 【解決手段】電子燃料噴射弁の摩耗部位(10,11,
12,13)の構成材料の表面に耐摩耗性を有する表面
改質層を形成する。表面改質層としては、窒化層等が用
いられる。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はガス燃料を使用する
電子燃料噴射弁に係わり、特に、自動車用燃料供給装置
に用いる場合の構成部材の耐摩耗性を向上せる電子燃料
噴射弁に関する。
電子燃料噴射弁に係わり、特に、自動車用燃料供給装置
に用いる場合の構成部材の耐摩耗性を向上せる電子燃料
噴射弁に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の電子燃料噴射弁は、例えばガソリ
ン燃料を用いる場合として特開平1−310165号に開示さ
れているような可動子の先端が球形状のボールタイプ
と、同先端が三角状のピントロタイプに大略二分される
が、その構造及び機能はほぼ同じである。即ち、電子燃
料噴射弁は、固定子鉄心、この固定子鉄心と同心状の電
磁コイル,磁性材料で作られかつ固定子鉄心と電磁コイ
ルを内部に収容したケーシング、先端に弁体を備えた可
動子、この可動子用のストッパ、可動子を挾んでストッ
パと対抗した弁座、及び可動子の一端に係合して可動子
を弁座に対して押圧するスプリングから構成され、電磁
コイルに電流を流すと磁気回路が形成され、生じた電磁
力が可動子を押圧しているスプリング力に打ち勝つと可
動子先端の弁体が弁座から離れて開となり、電流を切る
と弁体が弁座方向に移動して開となる。
ン燃料を用いる場合として特開平1−310165号に開示さ
れているような可動子の先端が球形状のボールタイプ
と、同先端が三角状のピントロタイプに大略二分される
が、その構造及び機能はほぼ同じである。即ち、電子燃
料噴射弁は、固定子鉄心、この固定子鉄心と同心状の電
磁コイル,磁性材料で作られかつ固定子鉄心と電磁コイ
ルを内部に収容したケーシング、先端に弁体を備えた可
動子、この可動子用のストッパ、可動子を挾んでストッ
パと対抗した弁座、及び可動子の一端に係合して可動子
を弁座に対して押圧するスプリングから構成され、電磁
コイルに電流を流すと磁気回路が形成され、生じた電磁
力が可動子を押圧しているスプリング力に打ち勝つと可
動子先端の弁体が弁座から離れて開となり、電流を切る
と弁体が弁座方向に移動して開となる。
【0003】上記噴射弁において、可動子先端の弁体及
び弁座は、燃料中で衝突するので耐摩耗性とを必要とす
るため、通常はマルテンサイト系ステンレス鋼の高カー
ボン(C),高クローム(Cr)であるJIS−SUS440
C や前記公知例に示す様なJIS−SUS420J2の材料を焼
入れ,焼戻しを施し、材料を硬化させて用いている。
び弁座は、燃料中で衝突するので耐摩耗性とを必要とす
るため、通常はマルテンサイト系ステンレス鋼の高カー
ボン(C),高クローム(Cr)であるJIS−SUS440
C や前記公知例に示す様なJIS−SUS420J2の材料を焼
入れ,焼戻しを施し、材料を硬化させて用いている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来のガソリン燃料を
用いる電子燃料噴射弁では、ガソリン燃料の潤滑性およ
び冷却性などにより自動車用の電子燃料噴射弁において
は、自動車の寿命を維持する電子燃料噴射弁の性能を保
証するための構成材料の耐摩耗性としては上記のマルテ
ンサイト系ステンレス鋼で対応可能であった。しかしな
がら、近年、地球規模の環境問題がクローズアップさ
れ、自動車業界においても様々な排気ガス規制がしかれ
ており、その対策として排気ガスゼロの電気自動車など
が既に市場に現われてきている。一方で天然ガスなどの
ガスを用いる燃料を用い、従来のプロパン燃料の制御と
は異なり、電子燃料噴射弁を用いて精密な燃料供給制御
を行うことにより排気ガスを大幅に清浄化する燃料シス
テムが開発されている。
用いる電子燃料噴射弁では、ガソリン燃料の潤滑性およ
び冷却性などにより自動車用の電子燃料噴射弁において
は、自動車の寿命を維持する電子燃料噴射弁の性能を保
証するための構成材料の耐摩耗性としては上記のマルテ
ンサイト系ステンレス鋼で対応可能であった。しかしな
がら、近年、地球規模の環境問題がクローズアップさ
れ、自動車業界においても様々な排気ガス規制がしかれ
ており、その対策として排気ガスゼロの電気自動車など
が既に市場に現われてきている。一方で天然ガスなどの
ガスを用いる燃料を用い、従来のプロパン燃料の制御と
は異なり、電子燃料噴射弁を用いて精密な燃料供給制御
を行うことにより排気ガスを大幅に清浄化する燃料シス
テムが開発されている。
【0005】しかし、このようなガス燃料に対しては特
にガス体がガソリンに比較して潤滑性が著しく劣るため
に従来のガソリン燃料用の電磁式燃料噴射弁では、その
構成部材において弁体および弁座などの摩耗部位が摩耗
する問題が生じた。例えば弁体と弁座の一方または両方
に摩耗が生じると、ガス燃料の噴射特性に変化を生じる
のみでなく、特にシート部に摩耗が発生した場合はシー
ト性が悪くなり、エンジン停止後も燃料がもれるために
次期始動時に始動しないことや、爆発や火災の原因につ
ながる問題があった。
にガス体がガソリンに比較して潤滑性が著しく劣るため
に従来のガソリン燃料用の電磁式燃料噴射弁では、その
構成部材において弁体および弁座などの摩耗部位が摩耗
する問題が生じた。例えば弁体と弁座の一方または両方
に摩耗が生じると、ガス燃料の噴射特性に変化を生じる
のみでなく、特にシート部に摩耗が発生した場合はシー
ト性が悪くなり、エンジン停止後も燃料がもれるために
次期始動時に始動しないことや、爆発や火災の原因につ
ながる問題があった。
【0006】本発明の目的は、上記従来技術の問題点を
解決し、ガス燃料を使用する燃焼システムにおいて、摩
耗部位が摩耗せず安定したガス燃料を供給制御可能な電
子燃料噴射弁を提供することである。
解決し、ガス燃料を使用する燃焼システムにおいて、摩
耗部位が摩耗せず安定したガス燃料を供給制御可能な電
子燃料噴射弁を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、電子燃料噴射弁において、その摩耗部位
の構成材料の表面に耐摩耗性を有する表面改質層を形成
することにより耐摩耗性を向上させるものである。
め、本発明は、電子燃料噴射弁において、その摩耗部位
の構成材料の表面に耐摩耗性を有する表面改質層を形成
することにより耐摩耗性を向上させるものである。
【0008】好ましくは、耐摩耗性を有する表面改質層
は窒化層であり、更に好ましくは窒化層の上にCrNや
TiN,BN,WC/C、などの遷移金属の窒化物や炭
化物などの硬質皮膜、あるいはDLC(ダイヤモンドラ
イクカーボン)やダイヤモンドを形成し、複合層とする
ことである。または時硬処理により硬化させたNi−P
めっき層であり、あるいは上記窒化層の上にNi−Pめ
っき層を形成して複合層とすることによりさらに耐摩耗
耐久性が得られることとなる。
は窒化層であり、更に好ましくは窒化層の上にCrNや
TiN,BN,WC/C、などの遷移金属の窒化物や炭
化物などの硬質皮膜、あるいはDLC(ダイヤモンドラ
イクカーボン)やダイヤモンドを形成し、複合層とする
ことである。または時硬処理により硬化させたNi−P
めっき層であり、あるいは上記窒化層の上にNi−Pめ
っき層を形成して複合層とすることによりさらに耐摩耗
耐久性が得られることとなる。
【0009】このように衝撃力の大きいガス体用の燃料
噴射弁の構成部材の耐摩耗性を向上させるためには摩耗
部材の表面改質が必須であり、そのためには上述した窒
化層や硬質皮膜との複合層のみではない。窒化層の代わ
りに浸炭層や浸炭窒化層、あるいは軟窒化層でも良く、
またそれらと上述した硬質皮膜やNi−Pめっきとの複
合層でも耐摩耗性向上に効果があることは明らかであ
る。
噴射弁の構成部材の耐摩耗性を向上させるためには摩耗
部材の表面改質が必須であり、そのためには上述した窒
化層や硬質皮膜との複合層のみではない。窒化層の代わ
りに浸炭層や浸炭窒化層、あるいは軟窒化層でも良く、
またそれらと上述した硬質皮膜やNi−Pめっきとの複
合層でも耐摩耗性向上に効果があることは明らかであ
る。
【0010】次に本発明の作用について説明する。燃料
にガスを用いる電子燃料噴射弁において、その構成部材
に摩耗が発生する要因は次のようなことが考えられる。
にガスを用いる電子燃料噴射弁において、その構成部材
に摩耗が発生する要因は次のようなことが考えられる。
【0011】即ち、例えば可動子の弁体と弁座、および
ストッパとその摩耗の相手側となる可動子の摩耗部位に
おいては燃料がガソリンと異なり潤滑性のないガス体で
あるため、衝撃荷重としては約25kgf にもなり、また
衝撃面圧としても摩耗の初期には接触面積が小さいため
に90kgf /mm2 前後にもなり、従来のガソリン燃料用
燃料噴射弁の構成材料では主に衝突摩耗が大きく作用す
ることとなる。このことは耐摩耗性を確保するためには
従来の構成材料であるマルテンサイト系ステンレス鋼の
みでは解決できないことである。
ストッパとその摩耗の相手側となる可動子の摩耗部位に
おいては燃料がガソリンと異なり潤滑性のないガス体で
あるため、衝撃荷重としては約25kgf にもなり、また
衝撃面圧としても摩耗の初期には接触面積が小さいため
に90kgf /mm2 前後にもなり、従来のガソリン燃料用
燃料噴射弁の構成材料では主に衝突摩耗が大きく作用す
ることとなる。このことは耐摩耗性を確保するためには
従来の構成材料であるマルテンサイト系ステンレス鋼の
みでは解決できないことである。
【0012】また、摺動摩耗が主の摩耗となる前記可動
子の弁体とその摩耗相手側となるガイドリング、および
前記可動子と前記固定子鉄心内径部との摺動部について
は、摩耗荷重としては小さいが雰囲気が潤滑性のないガ
ス体であるために燃料噴射弁として耐久試験を行うとか
なり摩耗が多くなる。
子の弁体とその摩耗相手側となるガイドリング、および
前記可動子と前記固定子鉄心内径部との摺動部について
は、摩耗荷重としては小さいが雰囲気が潤滑性のないガ
ス体であるために燃料噴射弁として耐久試験を行うとか
なり摩耗が多くなる。
【0013】本発明では、以上の摩擦摩耗部材の摩耗対
策としてこれらの摩耗部位の少なくとも一方、望ましく
は両方の材料表面を耐摩耗性に優れる表面改質層を形成
することにより、上記の摩耗の発生を抑制し、ガス系燃
料中で使用しても各摩耗部位に摩耗を生じない電磁式燃
料噴射弁を提供できる。
策としてこれらの摩耗部位の少なくとも一方、望ましく
は両方の材料表面を耐摩耗性に優れる表面改質層を形成
することにより、上記の摩耗の発生を抑制し、ガス系燃
料中で使用しても各摩耗部位に摩耗を生じない電磁式燃
料噴射弁を提供できる。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図面に
より説明する。図1において、本実施例の電磁式燃料噴
射弁は、固定子鉄心7、この固定子鉄心7と同心状の電
磁コイル9,磁性材料で作られかつ固定子鉄心7と電磁
コイル9を内部に収容したケーシング8,先端に球状の
弁体1を備え、上端に接極子内径部に固定された下端可
動子ガイド5を備えた可動子3,この可動子3用のスト
ッパ4,可動子3を挾んでストッパ4と対抗した弁座
2、及び可動子3の一端に係合して可動子を弁座2に対
して押圧するスプリング14から構成され、電磁コイル
9に電流を流すと磁気回路が形成され、生じた電磁力が
可動子3を押圧しているスプリング14の力に打ち勝つ
と可動子先端の弁体1が上方に移動して開となり、電流
を切ると弁体1が下方に押されて閉となる。
より説明する。図1において、本実施例の電磁式燃料噴
射弁は、固定子鉄心7、この固定子鉄心7と同心状の電
磁コイル9,磁性材料で作られかつ固定子鉄心7と電磁
コイル9を内部に収容したケーシング8,先端に球状の
弁体1を備え、上端に接極子内径部に固定された下端可
動子ガイド5を備えた可動子3,この可動子3用のスト
ッパ4,可動子3を挾んでストッパ4と対抗した弁座
2、及び可動子3の一端に係合して可動子を弁座2に対
して押圧するスプリング14から構成され、電磁コイル
9に電流を流すと磁気回路が形成され、生じた電磁力が
可動子3を押圧しているスプリング14の力に打ち勝つ
と可動子先端の弁体1が上方に移動して開となり、電流
を切ると弁体1が下方に押されて閉となる。
【0015】弁体1と弁座2および可動子3の部分の拡
大図を図2に示すが、本願の対象となる摩耗部位は弁体
1と弁座2のシート部10,ストッパ4と可動子3との
衝突部11,弁体1と下端可動子ガイド6との摩耗部1
2、および可動子3の接極子内径部に固定されている上
端可動子ガイド5と固定鉄心7との摩耗部13である。
本発明の特徴は各摩耗部位の構成材料の表面に耐摩耗対
策として表面改質処理が施されていることである。図3
に直流グロー放電により530℃,3hのプラズマ窒化
処理を行った後の可動子弁体1の断面の表面からの硬さ
分布を示す。可動子弁体1の材料はJIS SUS440Cであ
る。これによると最表面硬さは1050Hv、全硬化層
深さは約60μmであることが分かる。他の弁座2,稼
働子3,ストッパ4の材料はJIS SUS420J2、上端可
動子ガイド5はJIS SUS304、および固定鉄心7は1
3Cr系の電磁ステンレス鋼であるが、硬さ分布は図3
のSUS440Cとほとんど同じであった。
大図を図2に示すが、本願の対象となる摩耗部位は弁体
1と弁座2のシート部10,ストッパ4と可動子3との
衝突部11,弁体1と下端可動子ガイド6との摩耗部1
2、および可動子3の接極子内径部に固定されている上
端可動子ガイド5と固定鉄心7との摩耗部13である。
本発明の特徴は各摩耗部位の構成材料の表面に耐摩耗対
策として表面改質処理が施されていることである。図3
に直流グロー放電により530℃,3hのプラズマ窒化
処理を行った後の可動子弁体1の断面の表面からの硬さ
分布を示す。可動子弁体1の材料はJIS SUS440Cであ
る。これによると最表面硬さは1050Hv、全硬化層
深さは約60μmであることが分かる。他の弁座2,稼
働子3,ストッパ4の材料はJIS SUS420J2、上端可
動子ガイド5はJIS SUS304、および固定鉄心7は1
3Cr系の電磁ステンレス鋼であるが、硬さ分布は図3
のSUS440Cとほとんど同じであった。
【0016】この耐摩耗性を摩耗部位に施したガス体用
電子燃料噴射弁と従来のガソリン用噴射弁を用いて、ガ
ス体として天然ガス(ブタン85%−メタン15%)に
よる5億回の作動耐久試験を行い、試験前後の弁体1の
摩耗量を比較測定した結果を図4に示す。これによると
従来のガソリン燃料用の燃料噴射弁の摩耗量は70〜3
80μmであるのに対して、本願の窒化処理を各摩耗部
位に施したガス体用電子燃料噴射弁は3〜18μmであ
り、また、天然ガスの流量変化も目標仕様である±5%
以内であり、この表面改質がガス体用電子燃料噴射弁に
対して非常に有効であることが明らかとなった。
電子燃料噴射弁と従来のガソリン用噴射弁を用いて、ガ
ス体として天然ガス(ブタン85%−メタン15%)に
よる5億回の作動耐久試験を行い、試験前後の弁体1の
摩耗量を比較測定した結果を図4に示す。これによると
従来のガソリン燃料用の燃料噴射弁の摩耗量は70〜3
80μmであるのに対して、本願の窒化処理を各摩耗部
位に施したガス体用電子燃料噴射弁は3〜18μmであ
り、また、天然ガスの流量変化も目標仕様である±5%
以内であり、この表面改質がガス体用電子燃料噴射弁に
対して非常に有効であることが明らかとなった。
【0017】また、このようなガス体用電子燃料噴射弁
の耐久性をさらに増加させる表面改質法としては、上述
したプラズマ窒化処理の最表面に数μmの遷移金属の炭
・窒化物のセラミックスを成膜することである。ここで
はプラズマ窒化後、母材との密着性が良い物理的蒸着法
(P.V.D)の活性化反応蒸着法(ARE)によるCr
Nのコーティングを行った。成膜条件としては、反応ガ
ス:N2 ,蒸発物質:Cr,ガス圧力:〜0.13Pa
,電子ビーム電力:5KW,140mA,基板印加電
圧:D.C.−400V,基板温度:〜400℃で、コー
ティング時間1hで約2μm成膜した。この材料表面の
下部に窒化層を有し、最表面に約2000Hvの硬質のCrN
皮膜の複合表面改質層を形成した電子燃料噴射弁は、上
述した天然ガスの5億回の作動耐久試験ではほとんど摩
耗は生じていない結果であった。一方、耐摩耗性を向上
させる方法としては従来から行われているNi−Pめっ
きがある。この場合では、めっき層の硬さを高めるため
にめっき後、350℃で析出時硬処理を行い、800H
vの硬さとした。この表面改質処理では摺動摩耗部位の
12および13の摩耗は少ないが、衝突摩耗部位となる
10および11では上述の耐久試験前後の摩耗量は50
〜85μmとなり窒化層やCrN層には及ばなかった
が、耐摩耗性対策としては効果があることが認められ
た。
の耐久性をさらに増加させる表面改質法としては、上述
したプラズマ窒化処理の最表面に数μmの遷移金属の炭
・窒化物のセラミックスを成膜することである。ここで
はプラズマ窒化後、母材との密着性が良い物理的蒸着法
(P.V.D)の活性化反応蒸着法(ARE)によるCr
Nのコーティングを行った。成膜条件としては、反応ガ
ス:N2 ,蒸発物質:Cr,ガス圧力:〜0.13Pa
,電子ビーム電力:5KW,140mA,基板印加電
圧:D.C.−400V,基板温度:〜400℃で、コー
ティング時間1hで約2μm成膜した。この材料表面の
下部に窒化層を有し、最表面に約2000Hvの硬質のCrN
皮膜の複合表面改質層を形成した電子燃料噴射弁は、上
述した天然ガスの5億回の作動耐久試験ではほとんど摩
耗は生じていない結果であった。一方、耐摩耗性を向上
させる方法としては従来から行われているNi−Pめっ
きがある。この場合では、めっき層の硬さを高めるため
にめっき後、350℃で析出時硬処理を行い、800H
vの硬さとした。この表面改質処理では摺動摩耗部位の
12および13の摩耗は少ないが、衝突摩耗部位となる
10および11では上述の耐久試験前後の摩耗量は50
〜85μmとなり窒化層やCrN層には及ばなかった
が、耐摩耗性対策としては効果があることが認められ
た。
【0018】
【発明の効果】天然ガスのようなガス体を燃料とする電
子燃料噴射弁において、これら潤滑性のほとんどないガ
ス体に対して、各摩耗部位、特に衝突部の摩耗を極力少
なくし、安定した信頼性ある噴射特性を与えることがで
きると共に、エンジン停止時の燃料モレをゼロにし、始
動性に優れかつ安全な構造を提供できる。
子燃料噴射弁において、これら潤滑性のほとんどないガ
ス体に対して、各摩耗部位、特に衝突部の摩耗を極力少
なくし、安定した信頼性ある噴射特性を与えることがで
きると共に、エンジン停止時の燃料モレをゼロにし、始
動性に優れかつ安全な構造を提供できる。
【図1】本発明の一実施例による電子料噴射弁の断面図
である。
である。
【図2】図1に示す電子料噴射弁の要部拡大図である。
【図3】表面改質として弁体1に窒化処理を行った後の
表面からの硬さ分布である。
表面からの硬さ分布である。
【図4】図1に示す電子料噴射弁を用いた天然ガスによ
る作動耐久試験前後の摩耗量の変化量を示す。
る作動耐久試験前後の摩耗量の変化量を示す。
1…弁体、2…弁座、3…可動子、4…ストッパ、5…
上部可動子ガイド、6…スプリング、7…固定子鉄心、
8…ケーシング、9…電磁コイル、10…シート摩耗部
位、11…ストッパと可動子との衝突摩耗部位、12…
弁体と下部可動子ガイド部の摩耗部位、13…上部可動
子ガイドと固定子鉄心の摩耗部位、14…スプリング。
上部可動子ガイド、6…スプリング、7…固定子鉄心、
8…ケーシング、9…電磁コイル、10…シート摩耗部
位、11…ストッパと可動子との衝突摩耗部位、12…
弁体と下部可動子ガイド部の摩耗部位、13…上部可動
子ガイドと固定子鉄心の摩耗部位、14…スプリング。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鍵山 新 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 (72)発明者 馬場 昇 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 山口 静 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 相馬 正浩 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式会 社日立カーエンジニアリング内 (72)発明者 清水 修一 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式会 社日立カーエンジニアリング内 Fターム(参考) 3G066 AB05 BA00 BA49 CC06U CC14 CC15 CC56 CD10 CD21 CD28 CD30 CE23 CE24 CE25 CE31 DB01 DB19
Claims (5)
- 【請求項1】固定子鉄心、この固定子鉄心と同心状の電
磁コイル,磁性材料で作られかつ前記固定子鉄心と電磁
コイルを内部に収容したケーシング、先端に弁体を備え
た可動子、この可動子用のストッパ、前記可動子を挾ん
で前記ストッパと対抗した弁座、及び前記可動子の一端
に係合して前記可動子を前記弁座に対して押圧するスプ
リングから構成され、前記可動子が前記電磁コイルが生
じる電磁力と前記スプリングの力により前記弁座と前記
固定子鉄心との間で往復運動する電子燃料噴射弁におい
て、摩耗部位となる前記可動子の先端の弁体と前記弁
座、同弁体とそのガイドリング、前記ストッパと可動子
との衝突部、および前記可動子と前記固定子鉄心との摺
動部の少なくとも何れか一つの摺動部の少なくとも一方
の表面部分に耐摩耗性を有する表面改質層を形成したこ
とを特徴とする電子燃料噴射弁。 - 【請求項2】請求項1記載の電子燃料噴射弁において、
前記耐摩耗性を有する表面改質層が窒化層であることを
特徴とする電子燃料噴射弁。 - 【請求項3】請求項1記載の電子燃料噴射弁において、
前記耐摩耗性を有する表面改質層が窒化層と硬質皮膜の
複合層であることを特徴とする電子燃料噴射弁。 - 【請求項4】請求項1記載の電子燃料噴射弁において、
前記耐摩耗性を有する表面改質層がNi−Pめっき層で
あることを特徴とする電子燃料噴射弁。 - 【請求項5】請求項1記載の電子燃料噴射弁において、
前記耐摩耗性を有する表面改質層が窒化層とNi−Pめ
っきの複合層であることを特徴とする電子燃料噴射弁。
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