JP2004232597A - 流体噴射弁およびそれに用いる弁部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異物の噛み込みが防止され、生産性が高く、弁密度が高い流体噴射弁を提供する。
【解決手段】ニードルヘッド５０は、円周面状の外壁を有する円周面部５１と球面状の外壁を有する第一球面部５２および第二球面部５３を有している。弁ボディの弁座に着座可能なシート部５４は第一球面部５２に形成されている。ニードルヘッド５０は円周面部５１を有しているため、ニードル４０の側面と弁ボディの内周面との間からシート部５４の近傍への異物の侵入が妨げられる。また、ニードルヘッド５０は球状の部材を円柱状に成形することにより得られるため、第一球面部５２の真円度は容易かつ高精度に確保され、生産性を高めることができる。さらに、シート部５４は真円度の高い第一球面部５２に形成されるため、ニードル４０が傾斜してもシート部５４と弁座との間に隙間が形成されにくく、弁密度を高めることができる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体噴射弁ならびに流体噴射弁の弁部材の製造方法に関し、特に内燃機関（以下、内燃機関を「エンジン」という。）の燃料噴射弁ならびに燃料噴射弁の弁部材の製造方法に用いて好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンへ吸入される吸気またはエンジンの燃焼室へ燃料を噴射する燃料噴射弁は、噴孔からの燃料の噴射を断続する弁部材を備えている。弁部材は、弁ボディに形成されている弁座に着座または弁座から離座することにより、燃料の噴射を断続する。弁座に着座する弁部材の先端部分の外壁は、例えば球面状に形成されたり（特許文献１参照）、あるいは円錐台面状に形成されている（特許文献２参照）
【０００３】
【特許文献１】
特許第２７７４１５３号明細書
【特許文献２】
特許第３１８３１５６号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１１に示すように弁部材１００の先端部の外壁１０１を球面状に形成する場合、球面状の外壁１０１が弁部材１００の側面を形成する。そのため、弁座１０２を形成する弁ボディ１０３の内周面１０４と弁部材１００の外壁１０１との間に異物１０５を噛み込みやすくなる。弁ボディ１０３と弁部材１００との間に異物１０５が噛み込むと、弁ボディ１０３と弁部材１００との間に隙間が形成され、弁密度の低下を招く。
【０００５】
一方、弁部材の先端部の外壁を円錐台面状に形成する場合、弁部材の側面が弁部材の中心軸と概ね平行に形成されるため異物は噛み込みにくくなる。しかし、弁部材の外壁が円錐台面状である場合、弁部材の外壁のうち弁ボディの弁座に当接可能な範囲は小さくなる。そのため、弁部材が中心軸に対し傾斜すると、弁部材と弁ボディとの間に微小な隙間が形成されやすくなる。また、弁部材の外壁がテーパ状の円錐台面であるため、弁部材の外壁の真円度を確保するには多くの工数を必要とする。その結果、生産性の低下を招く。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、異物の噛み込みが防止され、生産性が高く、弁密度が高いならびに流体噴射弁を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、外壁の真円度の確保が容易であり、生産性の高い弁部材の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の流体噴射弁によると、弁部材は円周面状の外壁を有する円周面部と、略球面状の外壁を有する球面部とを有している。球面部は円周面部の端部に設置されているため、弁座の近傍における弁部材の側面は円周面状となる。したがって、弁ボディと弁部材との間に異物を噛み込みことを防止できる。また、弁座に着座可能なシート部は球面部に形成されている。そのため、弁部材が中心軸対し傾斜しても、弁ボディと弁部材との間に隙間は形成されない。さらに、球面部を形成することにより、シート部における真円度は容易に確保される。したがって、弁密度が向上するとともに、生産性を高めることができる。
【０００８】
本発明の請求項２記載の流体噴射弁によると、円周面部と球面部との接続部分における弁部材の外径は、シート部における弁部材の外径よりも大きい。そのため、弁部材が中心軸に対し傾斜しても、弁ボディと弁部材との間には隙間が形成されにくい。したがって、弁密度を向上することができる。
本発明の請求項３記載の流体噴射弁によると、弁部材の先端部に形成した平面部を噴孔プレートと概ね平行とし、平面部、噴孔プレートにおける平面部との対向面、および弁座の内周面によって略円盤状の流体室を形成することを特徴としている。
このような構成によると、弁部材が弁座から離座して流体室に流体が流入すると、流体室には噴孔プレートにほぼ沿った流体流れが作られ、流体流れの衝突を誘起することができる。その結果として、噴孔プレートから噴出される流体は衝突による乱れのために微粒化が促進される。
【０００９】
本発明の請求項４記載の弁部材の製造方法によると、球状部材を任意の中心軸に沿って軸方向の両端部を除き円柱状に成形する。軸方向の両端部を除いて円柱状に成形することにより、円柱状に成形された部材の両端部は球面状の外壁を有し、両端部の間は円周面状の外壁を有する。また、球状部材から成形することにより、球面状の外壁の真円度は容易かつ精密に確保される。したがって、生産性を高めることができる。
本発明の請求項５記載の弁部材の製造方法によると、球状部材は鋼球である。そのため、安価な材料で高い真円度を確保することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示す複数の実施例を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施例では、本発明を燃料噴射弁（以下、燃料噴射弁を「インジェクタ」という。）に適用した例について説明する。
（第１実施例）
本発明の第１実施例によるインジェクタを図２に示す。インジェクタ１０のホルダ１１は、磁性部材と非磁性部材とからなる円筒状に形成されている。ホルダ１１には燃料通路１２が形成されており、この燃料通路に弁ボディ３０、弁部材としてのニードル４０、可動コア１３、スプリング１４、固定コア１５およびアジャスティングパイプ１６が収容されている。
【００１１】
ホルダ１１は、図２において下方の弁ボディ３０側から第一磁性部材１１１、非磁性部材１１２、第二磁性部材１１３をこの順で有している。第一磁性部材１１１と非磁性部材１１２、ならびに非磁性部材１１２と第二磁性部材１１３とは溶接により結合している。溶接は、例えばレーザ溶接などにより行われる。非磁性部材１１２は、第一磁性部材１１１と非磁性部材１１３との間で磁束が短絡することを防止する。第一磁性部材１１１の反磁性部材側には、弁ボディ３０が溶接により固定されている。
【００１２】
図３に示すように弁ボディ３０は反ホルダ側の端部に噴孔プレート３１を有している。噴孔プレート３１は、カップ状に形成され、弁ボディ３０の外側に弁ボディ３０と一体に固定されている。噴孔プレート３１は、薄板状に形成されており、中央部に複数の噴孔３１ａを形成している。噴孔プレート３１の外側には、噴孔プレート３１を覆うプレートホルダ３２が装着されている。弁ボディ３０は、筒状に形成され、内周面３０ａに弁座３３を有している。噴孔３１ａは、弁座３の燃料流れ出口側に配置されている。
【００１３】
弁部材としてのニードル４０は、ニードル本体４１およびニードルヘッド５０を有している。ニードル本体４１は、内部に燃料通路４２を有する中空の円筒状に形成されている。ニードル本体４１は、一方の端部が可動コア１３に圧入され、他方の端部にニードルヘッド５０が設置されている。ニードルヘッド５０は、外壁が円周面状の円周面部５１ならびに外壁が略球面状の第一球面部５２および第二球面部５３を有している。円周面部５１の軸方向の両端部にそれぞれ第一球面部５２および第二球面部５３が形成されている。噴孔３１ａ側の第一球面部５２には、弁ボディ３０の内周面３０ａに形成されている弁座３３に着座可能なシート部５４が形成されている。ニードル４０は、弁ボディ３０の内周面３０ａとの間に燃料通路４３を形成している。シート部５４が弁座３３に着座すると、燃料通路４３と噴孔３１ａとの連通が閉塞され噴孔３１ａからの燃料の噴射が遮断される。
【００１４】
ニードル本体４１には、側壁を貫く燃料孔４４が形成されている。ニードル本体４１の内周側の燃料通路４２に流入した燃料は、燃料孔４４を経由してニードル本体４１の外周側へ流出し、弁ボディ３０に形成されている図示しない燃料通路を経由して燃料通路４３へ流れる。弁ボディ３０は内周側にガイド部３４を有している。ガイド部３４は弁ボディ３０の周方向へ所定の間隔で形成され、隣接するガイド部３４の間が図示しない燃料通路となる。ガイド部３４における弁ボディ３０の内径は、ニードル本体４１の外径と概ね同一である。そのため、ニードル４０は、弁ボディ３０のガイド部３４と摺動し、ガイド部３４により軸方向への移動が案内される。
【００１５】
図２に示すように、固定コア１５は円筒状に形成されている。固定コア１５は、ホルダ１１の非磁性部１１２および第二磁性部材１１３の内部に圧入されることによりホルダ１１に固定されている。固定コア１５は可動コア１３に対し反シール部側に設置され可動コア１３と対向している。
【００１６】
アジャスティングパイプ１６は固定コア１５の内側に圧入されている。スプリング１４は一方の端部がアジャスティングパイプ１６に当接し、他方の端部が可動コア１３に当接している。アジャスティングパイプ１６の圧入量を調整することにより、スプリング１４の荷重は変更される。スプリング１４はニードル４０のシート部５４が弁ボディ３０の弁座３３に着座する方向へ付勢している。磁性部材１７、１８は、互いに磁気的に接続されてコイル２０の外周側に設置されている。固定コア１５、可動コア１３、第一磁性部材１１１、磁性部材１７、１８および第二磁性部材１１２は磁気回路を構成している。
【００１７】
コイル２０が巻回されているスプール２１はホルダ１１の外周に取り付けられている。ターミナル２２は、コイル２０と電気的に接続されており、コイル２０に駆動電流を供給する。樹脂ハウジング２３はホルダ１１およびコイル２０の外周を覆っている。
【００１８】
ホルダ１１の図２において上方から燃料通路１２に流入する燃料は、フィルタ部材１９により異物が除去される。異物が除去された燃料は、燃料通路１２、アジャスティングパイプ１６の内周側、固定コア１５の内周側、可動コア１３の内周側、図２に示すニードル本体４１の燃料通路４２および燃料孔４４を経由して燃料通路４３へ供給される。燃料通路４３へ供給された燃料は、シート部５４が弁座３３から離座したときにシート部５４と弁座３３との間に形成される開口を通り噴孔３１ａへ流れ、噴孔３１ａから噴射される。
【００１９】
次に、ニードル４０について詳細に説明する。
ニードル４０は、上述のようにニードル本体４１とニードルヘッド５０とから構成されている。ニードルヘッド５０は、ニードル本体４１の反可動コア側に設置されている。ニードルヘッド５０は、例えばニードル本体４１の端部に圧入された後、溶接することにより、ニードル本体４１に固定されている。ニードルヘッド５０は、図１に示すように円周面部５１、第一球面部５２および第二球面部５３を有している。円周面部５１は、ニードル４０の軸方向に沿って伸びる円周面状の外壁を有している。第一球面部５２および第二球面部５３は、それぞれ円周面部５１の軸方向の両端部に形成され、概ね球面状の外壁を有している。
【００２０】
第一球面部５２は、円周面部５１の反可動コア側の端部に形成されている。第一球面部５２は、反可動コア側の端部すなわち噴孔プレート３１側の端部に、円周面部５１と第一球面部５２との接続部５５と概ね平行に形成されている平面部５６を有している。ニードル４０の先端部に平面部５６を形成することにより、図３に示すように平面部５６、噴孔プレート３１の平面部５６側、ならびに弁座３３が形成されている弁ボディ３０の内周面は略円盤形状の燃料室３５を形成している。燃料室３５は、特許請求の範囲の流体室である。これにより、ニードル４０が弁座３３から離座して燃料室３５に燃料が流入すると、燃料室３５には噴孔プレート３１に沿った流れが形成される。その結果、燃料の流れによる燃料同士の衝突が誘起される。したがって、噴孔プレート３１の噴孔３１ａから噴射される流体は燃料同士の衝突による乱れによって微粒化が促進される。
【００２１】
図１および図４に示すように第一球面部５２は、弁ボディ３０の弁座３３に着座可能なシート部５４を有している。シート部５４は第一球面部５２に形成されているため、弁座３３に着座可能なシート部５４の範囲は拡大する。そのため、図５に示すようにニードル４０が弁ボディ３０の中心軸に対し傾斜した場合でも、第一球面部５２のいずれかの部分はシート部５４として弁座３３に当接する。なお、図５では、傾斜する前のニードルヘッド５０を二点差線で示し、傾斜した後のニードルヘッド５０を実線で示している。これにより、ニードル４０が傾斜した場合でも、弁座３３とシート部５４との間の弁密度は確保され、燃料の漏れが防止される。
【００２２】
また、図４に示すように円周面部５１と第一球面部５２との接続部５５におけるニードルヘッド５０の外径は、シート部５４におけるニードルヘッド５０の外径よりも大きく設定されている。そのため、シート部５４が弁座３３に着座したとき、シート部５４の燃料流れ上流側すなわち燃料通路４３側においてニードルヘッド５０と弁ボディ３０との間に形成される隙間は小さくなる。これにより、シート部５４を球面状の第一球面部５２に形成する場合でも、シート部５４と弁座３３との間への異物の噛み込みが防止される。
【００２３】
ニードルヘッド５０の円周面部５１は、外壁がニードル４０の中心軸と平行に形成されている。そのため、ニードル４０と弁ボディ３０との間に異物９０が侵入した場合でも、異物９０は円周面部５１と弁ボディ３０の内周面３０ａとの間に保持される。これにより、シート部５４と弁座３３との間への異物９０の侵入および噛み込みが防止される。
【００２４】
次に、本実施例によるニードル４０の製造方法について説明する。
ニードル４０を構成するニードル本体４１は、例えば鍛造および切削などの塑性加工により所定の形状に形成される。ニードルヘッド５０は、図６（Ａ）に示すように球状の材料から形成される。
【００２５】
球状の材料である球状部材６０は、鋼球により形成されている。球状部材６０は、球の中心を通る任意の中心軸ｐを軸として円柱状に成形される。すなわち、図６（Ｂ）に示すように球状部材６０のうち斜線に示す部分が除去される。その結果、図６（Ｃ）に示すように軸方向の両端部に球面部６１、６２を有する円柱状の成形部材６３が成形される。成形部材６３は軸方向の両端部が加工されないため、球面部６１、６２の外壁は球状部材６０本来の球面が維持される。すなわち、球面部６１、６２は、中心軸ｐを中心とした仮想円上に概ね沿っている。そのため、球面部６１、６２の真円度は容易かつ高精度に確保される。
【００２６】
本実施例の場合、円柱状に成形された成形部材６３は、軸方向の一方の端部に形成されている球面部６１の端部が除去される。これにより、球面部６１には平面部６４が形成される。また、球状部材６０から成形部材６３を加工しているため、成形部材６３は中実に形成されている。
【００２７】
以上、説明したように第１実施例では、ニードルヘッド５０は円周面状の外壁を有する円周面部５１と球面状の外壁を有する第一球面部５２および第二球面部５３とを有している。また、シート部５４は第一球面部５２に形成されている。そのため、ニードル４０と弁ボディ３０との間に侵入した異物９０は、円周面部５１により第一球面部５２側への侵入が妨げられる。一方、シート部５４を第一球面部５２に形成することにより、シート部５４の真円度の確保が容易であるとともに、ニードル４０が弁ボディ３０に対し傾斜しても、弁座３３に当接可能なシート部５４の範囲は拡大する。そのため、ニードル４０と弁ボディ３０との間の弁密度が高められる。したがって、ニードル４０と弁ボディ３０との間への異物の噛み込み防止と、ニードル４０と弁ボディ３０との間の弁密度の向上とを両立することができる。
【００２８】
また、第１実施例では、シート部５４の外径よりも円周面部５１と第一球面部５２との接続部５５における外径が大きく設定されている。そのため、シート部５４が弁座３３に着座したとき、ニードル４０と弁ボディ３０との間に形成される隙間は小さくなる。したがって、シート部５４を第一球面部５２に形成する場合であっても、シート部５４の近傍への異物９０の噛み込みを防止することができる。
【００２９】
第１実施例では、球状部材６０からニードルヘッド５０を成形している。そのため、第一球面部５２の外壁は、球状部材６０の球面状の外壁である。これにより、球状部材６０からニードルヘッド５０を成形した後に、第一球面部５２を加工することなくニードルヘッド５０には球面状の外壁を形成することができる。したがって、第一球面部５２における真円度を容易かつ精密に確保することができる。また、真円度を確保するために精密な工程は不要であるので、ニードルヘッド５０の生産性を高めることができる。さらに、ニードルヘッド５０の材料となる球状部材６０は鋼球である。鋼球および弁ボディ３０の材料を適切に選定することにより、ニードルヘッド５０および弁ボディ３０の硬さは調整可能である。ニードルヘッド５０および弁ボディ３０の硬さを調整することにより、使用によるニードルヘッド５０および弁ボディ３０の変形および摩耗が低減される。したがって、安価な材料で高い真円度を確保することができ、かつニードルヘッド５０および弁ボディ３０の寿命を延長することができる。
【００３０】
（第２、第３、第４実施例）
本発明の第２実施例、第３実施例および第４実施例によるニードルをそれぞれ図７、図８または図９に示す。なお、第１実施例と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００３１】
第２実施例の場合、図７に示すようにニードルヘッド５０は円周面部５１および第一球面部５２を有している。すなわち、第１実施例における第二球面部に相当する部分が除去されている。球面状の外壁が必要なのはシート部５４が形成される第一球面部５２のみである。一方、円周面部５１の反第一球面部側は球面状である必要はない。円周面部５１の反第一球面部側に球面部がある場合、ニードルヘッド５０の容積および重量の増大を招く。特に、ニードルヘッド５０の重量が増加すると、ニードル４０を駆動するために必要な駆動力を増大する必要があり、コイル２０など駆動部の大型化を招く。また、重量の増加にともなう慣性力の増大により、ニードル４０の作動応答性の低下を招く。
したがって、第２実施例では、ニードルヘッド５０から第二球面部に相当する部位を除去することにより、ニードルヘッド５０を軽量化することができ、駆動部の小型化ならびにニードル４０の作動応答性の向上を図ることができる。
【００３２】
第３実施例の場合、図８に示すようにニードルヘッド５０は円周面部５１および第一球面部５２を有している。ニードルヘッド５０の第一球面部５２の端部は除去されていない。そのため、第一球面部５２は端部まで球面状の外壁を有している。第３実施例では、平面部を形成する工程が不要であるので、製造工数を低減することができる。
【００３３】
第４実施例の場合、図９に示すようにニードルヘッド５０は円周面部５１、第一球面部５２および第二球面部５３を有している。また、第一球面部５２には平面部が形成されていない。そのため、ニードルヘッド５０は球状部材６０から円柱状に成形された成形部材６３の形状のままである。第４実施例では、ニードルヘッド５０はニードル本体４１に圧入されることなく固定されている。すなわち、ニードルヘッド５０は、ニードル本体４１の反可動コア側の端部に例えば溶接などにより固定されている。
【００３４】
以上、第１実施例、第２実施例、第３実施例および第４実施例で説明したように、ニードルヘッド５０の形状、ならびにニードルヘッド５０とニードル本体４１の固定方法などは任意に変更してもよい。
【００３５】
（第５実施例）
本発明の第５実施例によるニードルを図１０に示す。なお、第１実施例と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第５実施例の場合、図１０に示すようにニードルヘッド５０は中空の筒状に形成されている。すなわち、ニードルヘッド５０は、内周側に空間部５７を有している。第２実施例で説明したように、ニードルヘッド５０は軽量であることが望ましい。ニードルヘッド５０に空間部５７を形成することにより、ニードルヘッド５０の重量は低減される。第一球面部５２の内側は所定の肉厚を確保することにより、シート部５４の変形は防止される。
【００３６】
第５実施例によるニードルヘッド５０を製造する場合、図６に示す第１実施例と同様に球状部材６０から円柱状の成形部材６３を成形する。そして、球面部６１に平面部６４を形成するとともに、球面部６２を除去する。その後、成形部材６３の球面部６１とは反対側の端部から例えば切削などにより成形部材６３の内部をくり抜く。これにより、成形部材６３には空間部が形成される。なお、球面部６２を除去したり、球面部６１に平面部６４を形成することなく、成形部材６３の内部をくり抜いてもよい。
【００３７】
第５実施例では、ニードルヘッド５０の内部に空間部５７を形成することにより、ニードルヘッド５０が軽量化される。したがって、駆動部の小型化ならびにニードル４０の作動応答性の向上を図ることができる。
なお、第５実施例では、第２実施例で説明したニードルヘッドを中空に形成する例について説明した。しかし、第１実施例、第３実施例および第４実施例で説明したニードルヘッドを中空に形成してもよい。
【００３８】
（他の実施例）
以上説明した各実施例では、本発明を内燃機関の燃料を噴射するインジェクタに適用したが、これに限らず、種々の流体噴射弁に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例によるインジェクタのニードルを示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の第１実施例によるインジェクタを示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施例によるインジェクタのノズルボディの近傍を拡大した断面図である。
【図４】本発明の第１実施例によるインジェクタのシート部の近傍を拡大した模式図である。
【図５】本発明の第１実施例によるインジェクタのシート部の近傍を拡大した模式図であって、ニードルの傾きについて説明する図である。
【図６】本発明の第１実施例によるインジェクタのニードルヘッドの製造工程を示す模式図である。
【図７】本発明の第２実施例によるインジェクタのニードルを示す模式的な断面図である。
【図８】本発明の第３実施例によるインジェクタのニードルを示す模式的な断面図である。
【図９】本発明の第４実施例によるインジェクタのニードルを示す模式的な断面図である。
【図１０】本発明の第５実施例によるインジェクタのニードルを示す模式的な断面図である。
【図１１】従来のインジェクタのシート部の近傍を拡大した模式図である。
【符号の説明】
１０ インジェクタ（流体噴射弁）
３１ 噴孔プレート
３１ａ 噴孔
３３ 弁座
４０ ニードル（弁部材）
４１ ニードル本体（弁部材）
４３ 燃料通路
５０ ニードルヘッド（弁部材）
５１ 円周面部
５２ 第一球面部
５３ 第二球面部
５４ シート部
５５ 接続部
５６ 平面部
６０ 球状部材

Claims (5)

1. 内周面に形成されている弁座、ならびに前記弁座の燃料流れ出口側に噴孔を有する弁ボディと、
   前記弁座に着座することにより前記噴孔からの液体の噴射を遮断し、前記弁座から離座することにより前記噴孔からの液体の噴射を許容する弁部材とを備え、
   前記弁部材は、
   前記弁部材の側面に形成され、円周面状の外壁を有する円周面部と、
   前記弁部材の前記噴孔側の端部に形成され、略球面状の外壁を有し、前記外壁に前記弁座に着座可能なシート部が形成されている球面部と、
   を有することを特徴とする流体噴射弁。
2. 前記円周面部と前記球面部との接続部分における前記弁部材の外径は、前記シート部における前記弁部材の外径よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の流体噴射弁。
3. 前記弁部材の先端部と対向して設けられ、前記噴孔が形成される噴孔プレートを備え、
   前記弁部材は、前記球面部の反円周面部側の端部に、前記噴孔プレートと概ね平行な平面部を有し、
   前記平面部、前記噴孔プレートにおける前記平面部との対向面、および前記弁ボディの内周面によって略円盤状の流体室が形成されることを特徴とする請求項１または２記載の流体噴射弁。
4. 流体噴射弁に用いられて、弁ボディの内周面に形成されている弁座に着座可能な弁部材の製造方法であって、
   球状部材を、前記球状部材の中心を通る任意の中心軸に沿って前記中心軸の両端部を除き円柱状に成形する段階を含むことを特徴とする弁部材の製造方法。
5. 前記球状部材は、鋼球であることを特徴とする請求項４記載の弁部材の製造方法。

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