JP2004239124A

JP2004239124A - 燃料噴射弁及び筒内噴射式エンジン

Info

Publication number: JP2004239124A
Application number: JP2003027746A
Authority: JP
Inventors: Okiyuki Shibata; 興志柴田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-02-05
Filing date: 2003-02-05
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】筒内噴射方式の燃料噴射弁において、燃焼ガスに対するシール性を高め、しかも、装着性の良い燃料噴射弁の燃焼ガスシール構造を提供する。
【解決手段】エンジンの燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１００がエンジンのシリンダヘッド１０６の噴射弁挿入穴１０７ａに挿入される。燃料噴射弁１００の外周の第１位置に設けた環状溝１８ｇにシールリング４２が装着される。シールリング４２は、噴射弁挿入穴１０７ａと燃料噴射弁１００間をシールする。また前記第１位置よりも噴孔２０から離れた位置に設けた環状溝１８ｈにＤ−リング４３が装着される。Ｄ−リング４３はシールリング４２のシール機能が低下した場合にバックアップのシールとして機能する。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用の燃料噴射弁に係り、更に詳細には、ガソリンエンジンにおいて燃料を気筒（燃焼室）内に直接噴射するいわゆる筒内噴射方式エンジンの燃料噴射弁のシール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンエンジンにおける燃料噴射方式のうち、筒内噴射方式は吸気管燃料噴射方式に比較して、希薄燃焼が実現でき、燃料消費量の削減，有害排気ガスの低減に効果があることが知られている。このような筒内燃料噴射方式のガソリンエンジンでは、燃焼室内に直接燃料を供給する構造になり、電磁式燃料噴射弁（インジェクタ）の先端のノズル部を燃焼室に臨ませるようにして装着される。このため、インジェクタは、エンジンの爆発工程時に高温，高圧の燃焼ガスを直接受けることになる。この燃焼ガスの漏れを防止するために、エンジンのシリンダヘッドとインジェクタのノズル間にシール部材を具備している。ここで、シール部材のシール性を向上させるため、従来より種々の提案がなされている。たとえば特開２０００−９０００号公報に記載されているインジェクタは、ノズル部に環状溝を設けて、この環状溝に環状シール部材を装着しているが、この環状溝の周面（環状シール部材の内周が接する周面）に曲面状の突起（大きなＲ）を設け、この曲面状の突起によりシリンダヘッドの噴射弁取付穴（ノズル挿入穴）とノズル間の隙間を局部的に小さくして、シール部材の圧縮率をあげてシール性を高めている。
【０００３】
また、特開平１１−１３５９３号公報に記載されているインジェクタでは、ノズル部に設けたシール装着用の環状溝の円周面に広角な山形の突起部を形成して、シール部材のインジェクタ取付穴（ノズル挿入穴）への押しつける力を助長させている。
【０００４】
特開平１１−２１０６００号公報に記載されている燃料噴射弁では、ノズル先端にテーパを形成し、これに対応してエンジンのシリンダヘッドに設けた噴射弁取付穴のノズル挿入部をテーパ穴として、これらのテーパ・テーパ穴間にシール部材を介在する技術が開示されている。
【０００５】
しかしながら、これらの技術は一つのシール部材で燃焼ガスをシールしなくてはならないため、比較的温度特性に優れたＰＴＦＥ等をシール部材の材料として用いてはいるものの−３０℃〜１６０℃といった幅広い温度環境でのシール性が要求される燃焼ガスシールにおいては特に低温での完全なシールは困難であった。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−９０００号公報
【特許文献２】
特開平１１−１３５９３号公報
【特許文献３】
特開平１１−２１０６００号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、筒内噴射方式のエンジンにおいて、幅広い温度環境、特に低温時における燃焼ガスシール性を高め、しかも、装着性の良いインジェクタを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
エンジンの燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタにおいて、エンジンのシリンダヘッドに設けられた噴射弁挿入穴に挿入された燃料噴射弁の外周の第１位置に設けられた環状溝に前記噴射弁挿入穴と噴射弁間をシールするためのシールリングを装着する。このシールリングにはＰＴＦＥ等の約２００℃までの温度に耐えることができる材料を用いることによって通常のエンジン運転時のシール性は確保することができる。
【０００９】
また更に前記第１位置よりも該燃料噴射弁の噴孔より離れた第２位置に設けられた環状溝に前記噴射弁挿入穴と噴射弁間をシールするための断面が略半円形状の環状弾性体であるＤ−リングを装着することにより、外気温が−３０℃といった低温始動時において、シールリングが噴射弁およびエンジンヘッドの熱膨張率との差により完全なシール機能を果たせない場合にも、Ｄ−リングの材料をフッ素系ゴム等の低温特性に優れたシール材料を用いることにより、シールリングから漏れた燃焼ガスを完全にシールすることが可能になる。そして始動後に噴射弁周辺温度は急激に上昇していき、シールリングはシール機能を回復するため、Ｄ−リングは短時間しか燃焼ガスにさらされることはなく、加えてＤ−リングの断面形状は略半円形状であるため内径側は接触面積が広く、接触面圧を低くすることができＯリングよりも圧縮永久ひずみ等の高温時の材料寿命について有利であり、十分な余裕を持つ。またＤ−リングにはゴムなどの柔らかい材料を用い、矩形のゴムシールと違いＤ−リングの外径側（挿入側）は円形をなしているため、エンジンヘッドへの挿入性をほとんど悪化させることは無いうえ、Ｄ−リングのバックアップシール機能を考慮してシールリングの締め代を緩和することができるため、挿入荷重を低減することも可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【００１１】
図１は本発明の一実施例に係わる燃料噴射弁の縦断面図、図２はその取付状態を示す筒内噴射式エンジンの概要図である。
【００１２】
まず、本実施例の全体概要について説明する。
【００１３】
図１の矢印に示すように、燃料噴射弁１００は、開弁時に噴射弁本体の上部から燃料が流入し軸方向に流れて噴射弁下端に設けたオリフィス２０より燃料が噴射される所謂トップフィード方式のものが例示されている。
【００１４】
燃料噴射弁１００の本体の軸方向の燃料通路を構成する主な要素として、プレス加工（例えば、深絞り加工，押し出し加工などで、以下に述べるほかの部品においてプレス加工がなされるものも同様である）した燃料導入パイプ４０，上端にフランジ１ａを有する中空筒形の固定コア１、管材により細長の筒状にプレス加工し下端側に弁座付きオリフィスプレート１９を有するノズルホルダー（ノズルボディと称されることもある）１８を備える。
【００１５】
燃料導入パイプ４０は、上端及び下端部にフランジ４０ａ，４０ｂが設けられ、下端側のフランジ４０ｂが符号Ｗ６で示す箇所で固定コア１のフランジ１ａ上面に溶接されている。この溶接はフランジの円周方向に行われ、それによって固定コア１と燃料導入用のパイプ４０とが、噴射弁本体の組立前に予め結合されている。
【００１６】
ノズルホルダー１８の上部内周と固定コア１の外周とは圧入嵌合し、さらに符号Ｗ１で示す箇所が全周にわたり溶接されたことでノズルホルダー１８と固定コア１とが結合されている。このようにして、パイプ４０，固定コア１，ノズルホルダー１８が一連に結合されて一つの燃料通路組立体が構成されている。
【００１７】
この燃料通路組立体の内部には、円筒形の可動コア１４と細長の弁体（弁ロッドを含む）１６をジョイントパイプ１５を介して結合している可動子５、この可動子５を弁座１９ａ側に付勢する戻しばね７，戻しばね７のばね力を調整する部材６等が組み込まれている。
【００１８】
ノズルホルダー１８のうちで、固定コア１と圧入嵌合する位置の外周に電磁コイル２が配置され、その外側に筒形のヨーク４が配置される。
【００１９】
ヨーク４は、プレス加工された筒形で、その上端が電磁コイル２を収納できるように開口し、この上端縁が固定コア１のフランジ１ａに符号Ｗ５に示す位置で全周にわたり溶接結合される。ヨーク４の下端部４ｃは、電磁コイルを収納する部分４ａよりも細く絞られて、その下端部４ｃがノズルホルダー１８の外周に圧入嵌合している。
【００２０】
この燃料噴射弁１００は、電磁コイル２を通電させると、ヨーク４，固定コア１，可動コア１４，ノズルホルダー１８の一部が磁気回路を形成し、それによって、可動子５が戻しばね７の力に抗して吸引されることで、開弁動作が行われる。電磁コイル２の通電を止めると戻しばね７の力で可動子５が弁座１９ａに当接し、弁が閉じる。本例では、固定コア１の下端面が開弁動作時に可動子５を受け止めるストッパとしての役割をなしている。
【００２１】
固定コア１は、磁性ステンレス鋼でありプレス加工及び切削により上端にフランジ１ａを有する細長の中空円筒形に形成されている。
【００２２】
フランジ１ａには、電磁コイル２の端子２９及びピン端子３０を通すための窓１ｂが設けられている。
【００２３】
燃料導入パイプ４０は、非磁性金属部材で成形され、プレス加工によりその下部が細く絞られており、この下部内周に断面がＣの字状のＣリングピン６が圧入されている。このピン６の圧入量の調整により戻しばね７の荷重が調整される。燃料導入パイプ４０の上端部には燃料フィルタ３１が装着されている。
【００２４】
ノズルホルダー１８は、磁性材であるが、固定コア１の下端面が位置する周辺（符号Ｈで示す範囲）には、高周波焼き入れにより非磁性或いは弱磁性化の処理がなされている。
【００２５】
ノズルホルダー１８は、固定コア１を圧入する部分および可動コア１４を収納するホルダー上部１８ａの径をノズルホルダーの中で最も大きくし、可動コア１４と弁体１６の結合部が位置する中間部１８ｂはテーパー状に形成され、さらにその下の弁体が位置するホルダー下部１８ｃは細長に絞られて、いわゆるロングノズルタイプのノズルホルダー１８が形成されている。
【００２６】
符号Ｗ１は、ノズルホルダー１８と固定コア１との溶接箇所で、この位置Ｗ１でノズルホルダー１８が固定コア１の全周にわたり溶接されている。この溶接Ｗ１は、ノズルホルダー１８と固定コア１の内周間をシールすることになり、燃料噴射弁１００を通過する燃料の漏れを防止する。
【００２７】
ノズルボディ（いわゆるロングノズル部）１８ｃの下部外周には、シールリング取付用の環状溝１８ｇが設けられ、この溝１８ｇに合成樹脂などの耐熱性シールリング４２、例えばポリテトラフルオロエチレン製のシールが装着されている。またシールリング取付用の環状溝１８ｇよりも噴孔から離れた位置にＤ−リング取付用の環状溝１８ｈが設けられ、この溝１８ｈにフッ素系ゴムなどの低温特性に優れた材料を用いたＤ−リング４３が装着されている。
【００２８】
このロングノズル部１８ｃは、燃料噴射弁１００を図２に示すように、エンジン１０５のシリンダヘッド１０６の噴射弁取付部１０７に設けたノズル挿入穴１０７ａに直接挿入される。ノズル挿入穴１０７ａは、噴射弁取付部の一部をなす。このロングノズルタイプは、吸気弁１０１，吸排気弁の駆動機構１０２，吸気管１０３等の実装密度が高い場合に、大径の噴射弁胴体部をこれらの部品やシリンダヘッド１０６から離した位置（干渉しない位置）に置くことができ、取り付けの自由度を高める利点がある。
【００２９】
また、従来は燃料噴射弁１００をシリンダヘッドに取り付けた場合、大径のヨーク底部とシリンダヘッドの間にガスケットを配置してエンジンの燃焼ガス漏れを防いでいたが、本実施例では細身のロングノズル部外周に設けたシールリング４２によりロングノズル部（ノズルボディ）１８ｃ外周とその挿入穴（シリンダヘッド側）の内周間をシールしてエンジンの燃焼ガス漏れを防止するので、そのシール位置で燃焼受圧面積を小さくできるので、シール部材の小形簡易化，コスト低減を図ることができる。
【００３０】
ノズルホルダー１８の下端（先端）には、オリフィスプレート１９と、燃料旋回子（以下、スワラーと称する）２１とが設けられるが、これらの部材１８，
１９，２１は別部材により成形される。
【００３１】
オリフィスプレート１９は、例えばステンレス系の円板状のチップにより形成され、その中央部に噴射孔（オリフィス）２０が設けられ、それに続く上流部に弁座１９ａが形成されている。
【００３２】
オリフィスプレート１９は、ノズルホルダー１８の下端内周１８ｆに圧入により取り付ける仕様としてある。
【００３３】
一方、スワラー２１は、ノズルホルダー１８の下端内周に嵌合する仕様としてあり、焼結合金により形成されている。スワラー２１の外周および底面には燃料通路が形成され、このうち底面に設けた通路がスワラーの中央孔（バルブガイド孔）に対し偏心することで燃料に旋回力を付与している。
【００３４】
図３は、燃料噴射弁１００をエンジン（シリンダヘッド）１０６に装着したときに、ノズルボディ１８がノズル挿入穴１０７ａに挿入された状態を示す部分断面図である。
【００３５】
ノズルボディ１８の外周には、シールリング（シール部材）４２を装着するための環状溝１８ｇが形成され、環状溝１８ｇに装着されたシールリング４２は、ノズル挿入穴１０７ａとノズルボディ１８間をシールする。
【００３６】
同様にＤ−リング４３を装着するための環状溝１８ｈが形成され、環状溝１８ｈに装着されたＤ−リング４３はノズル挿入穴１０７ａとノズルボディ１８間をシールする。
【００３７】
ノズルボディ１８に装着されたシールリング４２およびＤ−リング４３の外径は、燃料噴射弁１００をシリンダヘッド１０６に装着する前は、ノズル挿入穴１０７ａの径に対し充分大きい。燃料噴射弁１００（ノズルボディ）を挿入していくとその径の差に相当する量がシールに寄与するつぶし量（圧縮量）となり、ノズルボディ１８・ノズル挿入穴１０７ａ間をシールする。ここで、つぶし量を重視してシールリング４２の厚みを厚くすると、シール部材の伸び率が低下するため、シールリング４２をノズルホルダー１８に装着する時に切れる可能性が発生する。または、挿入できないことが起こる。これは、シールリング４２をノズルホルダー１８に装着する際、該シールリング４２を内径側から押し広げながら挿入するという作業を行うためである。そこで、シールリング４２は、シール性・装着性の両方の機能を有する必要がある。シールリング４２が、ノズルボディ１８・ノズル挿入穴１０７ａ間に介在すると、シールリング４２の外径側は、図示のとおりノズル挿入穴１０７ａの内周と密着し、シールの機能を果たす。
【００３８】
しかし温度変化時、特に低温時に材料の熱膨張率差によって十分密着できない場合にはシールリング４２はシール機能を果たすことができなくなる。それをシールリング４２のみで解決しようとする場合、つぶし量をシール性重視にさざるを得ず、装着性との両立のためには寸法管理を非常に厳しくする必要がある。
【００３９】
低温特性に優れた材料、例えばフッ素系ゴムのＤ−リング４３をバックアップ用のシールとして装着することにより、低温時にシールリング４２から漏れが発生した場合にも外部へのシール性を確保することが可能になる。エンジンが始動すればエンジンの温度も上昇するため、シールリング４２のシール性は回復し、Ｄ−リング４３が燃焼ガスにさらされる時間はごく短い。さらに断面を半円形状とすることにより内径側の接触面積を増やし、接触圧力を低減しているため高温時の圧縮永久ひずみに対して有利であり、そのためＤ−リング４３の材料としてゴム材料を用いることが可能である。
【００４０】
挿入性に関しても低温時のシール機能をＤ−リングに依存することが可能になるため、シールリング４２のシール性と装着性を両立するつぶし量の範囲を広げることができ、装着性を改善することが可能になる。Ｄ−リング自体の挿入性については、断面が半円形状で外径側が弧になっており、材料も柔らかい材料を使えるため、挿入荷重を低く抑えることが可能になっている。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、燃焼ガスシール性、特に低温時の燃焼ガスシール性およびエンジンへの装着性が良好な燃料噴射弁を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係わる燃料噴射弁の縦断面図。
【図２】上記燃料噴射弁の取付状態を示す概要図。
【図３】インジェクタの取付及びシール構造の具体的態様を示す構成図。
【符号の説明】
１８…ノズルボディ（ノズルホルダー）、１８ｇ…シール装着用の環状溝、
１８ｈ…Ｄ−リング装着用の環状溝、４２…シールリング、４３…Ｄ−リング、
１００…燃料噴射弁。

Claims

エンジンの燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁の燃焼ガスシール構造であって、エンジンのシリンダヘッドに設けられた噴射弁挿入穴に挿入された燃料噴射弁の外周の第１位置に設けられた環状溝に前記噴射弁挿入穴と噴射弁間にあって燃焼ガスのシール機能を有するシールリングが装着され、更に前記第１位置よりも該燃料噴射弁の噴孔より離れた第２位置に設けられた環状溝に前記噴射弁挿入穴を含むシリンダヘッドに具備された燃料噴射弁挿入穴と噴射弁間にあって燃焼ガスシール機能を有する断面が略半円形状の環状弾性体が装着されていることを特徴とする燃焼ガスシール構造。
シリンダヘッドに燃料噴射弁をその先端が燃焼室に臨むように取り付けた筒内噴射式エンジンにおいて、前記シリンダヘッドに設けられた噴射弁挿入穴に燃料噴射弁が挿入され、該燃料噴射弁外周の第１位置に設けられた環状溝に装着した燃焼ガスのシール機能を有するシールリングが燃料噴射弁と噴射弁挿入穴間に介在し、更に前記第１位置よりも該燃料噴射弁の噴孔より離れた第２位置に設けられた環状溝に装着した燃焼ガスシール機能を有する断面が略半円形状の環状弾性体が燃料噴射弁と前記噴射弁挿入穴を含むシリンダヘッドに具備された燃料噴射弁挿入穴との間に介在してあることを特徴とする筒内噴射式エンジン。