JP2004538423A - 内燃機関用の燃料噴射弁及び該燃料噴射弁の焼入れ法 - Google Patents

Abstract

内燃機関用の燃料噴射弁であって、弁体（１）と、該弁体内に形成された少なくとも１つの噴射開口（１１）とが設けられており、該噴射開口を介して、弁体（１）に形成された弁座（９）と協働する弁ニードル（５）により制御されて、燃料が内燃機関の燃焼室に噴射可能である。弁体（１）は、浸炭法により焼き入れされた高合金熱間作業用鋼から成っている。

Description

【０００１】
背景技術
従来技術に基づき、鋼の様々な焼入れ法が公知である。これにより、材料の耐摩耗性及び耐久性並びに加工性に影響を及ぼそうとするものである。その１例が、炭素を工作物の表面近くの層にもたらす、いわゆる浸炭である。これに関する方法は、例えば米国特許第４８３６８６４号明細書で説明される。別の手段は、窒素を工作物の表面近くの層にもたらす、鋼のニトロ化である。殊に自己着火型の内燃機関に用いられる、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６１８６５０号明細書に記載されているような燃料噴射弁の場合も、鋼の耐用年数を延ばすためには、前記のように焼き入れされて処理された鋼を用いることが公知である。エンジン改良の枠内で、特に商用車における出力増大又はブレーキ性能の向上に基づき、燃料噴射弁延いては弁体内のニードル座の温度負荷は更に増大する。これらに使用するには、従来用いられた肌焼き鋼及びこの肌焼き鋼に用いられた焼入れ法は最早十分ではない。
【０００２】
発明の利点
これに対して、請求項１の上位概念に記載の形式の、本発明による内燃機関用の燃料噴射弁は、弁体が高温まで形状安定性及び耐摩耗性を有しており、これにより、内燃機関のあらゆる運転ポイントで使用するのに適しているという利点を有している。燃料噴射弁の弁体は、浸炭法により焼き入れされた高合金熱間作業用鋼から成っている。この高合金熱間作業用鋼と、適当な浸炭法とを組み合わせることにより、材料及び焼入れ法の利点がポジティブに加算される。浸炭に際して減少されるノッチ作用に基づく高合金鋼の疲労限度の著しい上昇、引き続く機能ジオメトリの研削加工における研削量の減少及び弁体の所要の初期硬度の低下延いては改善された加工性並びに弁体、特に弁座の領域のキャビテーションに対する弱さの低下が得られる。
【０００３】
本発明の有利な構成では、熱間作業用鋼が最高４５０℃まで形状安定性及び耐摩耗性を有している。これにより、燃料噴射弁は内燃機関の全てのあり得る運転ポイントにおいて使用するために適合されている。
【０００４】
本発明の別の有利な構成では、高合金熱間作業用鋼は少なくともほぼ０．４％の炭素、５％のクロム、１％のモリブデン並びに合計１％未満の微量のその他の金属・非金属元素を有しており、この場合、１００％に足りない部分は鉄である。例えばＸ４０ＣｒＭｏＶ５１等のこのような鋼は市販されており、更に手間をかけること無く使用することができる。
【０００５】
更に別の有利な構成では、前記浸炭法がガス浸炭法である。この浸炭により、さもなければ必要な手間のかかる後処理が不要になる。
【０００６】
内燃機関用の燃料噴射弁の構成部材である弁体の本発明による焼入れ法は、内燃機関の燃焼室内で使用するための処理に基づき、弁体が所要の耐熱性を備えるという利点を有している。このためには、炭化水素を含むガス雰囲気中で弁体を浸炭させ、次いで約９００℃の温度において真空中で（但し最高１００Ｐａの圧力において）熱処理する。高合金熱間作業用鋼においてこれらの２つの方法ステップを組み合わせることにより、高合金熱間作業用鋼の最適な焼入れ及び耐摩耗性が得られるので、この高合金熱間作業用鋼は、自己着火型の内燃機関の燃焼室内の極度の負荷に基づき生じるような温度においても使用可能であり続ける。
【０００７】
前記方法の有利な形態では、浸炭は１００ｋＰａ未満の圧力において行われる。この負圧浸炭法により、特に強度を低下させる酸化縁部の形成が減少される。
【０００８】
実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【０００９】
図１に示した燃料噴射弁は弁体１を有しており、この弁体１の孔３には弁ニードル５が長手方向摺動可能に配置されている。孔３の燃焼室側の端部には、ほぼ円錐形の弁座９が形成されており、この弁座９には、孔３を内燃機関の燃焼室に接続する少なくとも１つの噴射開口１１が形成されている。弁ニードル５はガイド区分１５を有しており、このガイド区分１５により、弁ニードル５は孔３のガイド区分２３内へシール作用を以てガイドされている。弁ニードル５は、圧力ショルダ１３の形成下で弁座９の方向にテーパしており且つ減径された軸区分１７に移行している。弁ニードル５の端部には、弁座９と協働するほぼ円錐形の弁シール面７が形成されているので、この弁シール面７が弁座９に当接すると、少なくとも１つの噴射開口１１を孔３に対して閉鎖する。
【００１０】
圧力ショルダ１３の高さには、孔３の半径方向拡径部によって圧力室１９が形成されており、この圧力室１９は流入通路２５を介して燃料を高圧下で充填可能である。圧力室１９は弁座９に向かって、弁ニードル５の軸区分１７を取り囲む環状通路２１として続いている。このようにして、燃料は流入通路２５から圧力室１９と環状通路２１とを通って弁座９まで流れ、弁シール面７が弁座９から持ち上げられている場合は、噴射開口１１を通って内燃機関の燃焼室に流入する。
【００１１】
弁ニードル５は、圧力ショルダ１３及び弁シール面７に対する液圧力と、弁ニードル５の燃焼室とは反対の側の端部に作用して弁ニードル５を弁座９の方向で負荷する閉鎖力との比率に基づいて制御される。燃料噴射弁の起こり得る運転状態の１つは、弁ニードル５に対する閉鎖力が一定に保たれるのに対して、圧力室１９内及び環状通路２１内の燃料圧は、流入通路２５から送られる燃料によって変化する運転状態である。圧力室１９内及び弁座９の領域内の燃料圧により、弁ニードル５には弁座９とは反対側に向けられた液圧力がかかる。この液圧力が弁ニードル５に対する閉鎖力よりも大きいと、弁ニードル５は弁座９から離れ延いては弁シール面７が弁座９から持ち上がる。圧力室１９内の圧力が規定された限度圧を下回ると、弁ニードル５に対する閉鎖力が上回って該弁ニードルは再び弁座９の方向で、弁シール面７が少なくとも１つの噴射開口１１を改めて閉鎖するまで運動する。
【００１２】
弁ニードル５の長手方向運動及び弁座９に対する弁ニードル５の比較的ハードな載着に基づき、弁座９の領域内で大きな力が弁体１に生ぜしめられる。更に、弁ニードル５の長手方向運動により、孔３のガイド区分２３において、弁ニードル５と孔３の壁との間に摩擦損失が発生し、このことは弁体１の材料が柔らかい場合は、許容不能に大きな摩耗を生ぜしめる恐れがある。硬度延いては耐摩耗性を高めるためには、工具鋼に属するいわゆる熱間作業用鋼が弁体１に用いられる。例えばＸ４０ＣｒＭｏＶ５１鋼のような、高合金熱間作業用鋼を用いることが特に有利であると判った。この高合金熱間作業用鋼は、硬度延いては耐摩耗性を損なうこと無く、最高４５０℃の作業温度にさらすことができる。但し、燃料噴射弁に必要とされる品質要求を達成するためには、弁体１の表面を付加的に焼き入れする必要がある。このためには弁体１の表面近くの層に炭素がいわゆる浸炭法でもたらされ、これにより、表面が焼入れ可能になる。可能な浸炭法の１つは、９００℃〜１０００℃の温度において、炭化水素と、例えば窒素（Ｎ_２）等の化学的に不活性なガスとから成る雰囲気に鋼をさらす、ガス浸炭法である。この場合、炭素が弁体１の表面近くの層に拡散するので、そこの炭素濃度が上昇する。この場合の硬化の深さは０．３〜４ｍｍである。浸炭により材料は焼入れ可能になり、このことは引き続く真空炉内での加熱によって実施される。この場合、工作物（本実施例では弁体１）は約８００℃に加熱され、しかも焼入れ炉内はほぼ真空が支配しており、いずれにしても１００Ｐａ未満の圧力が支配している。
【００１３】
弁体１のこの焼入れ法の利点は、高合金熱間作業用鋼と、負圧、即ち１００ｋＰａ未満の圧力において作業するガス浸炭法とを組み合わせるという点にある。これにより、熱間作業用鋼の利点が浸炭・焼入れ法の利点に加算される。負圧浸炭法の浸炭に際して減少されるノッチ作用に基づき、高合金鋼の疲労限度が著しく高まる。それというのも、縁部酸化が防止されるからである。同時に、引き続く機能ジオメトリの研削加工において、研削量が減少される。それというのも、噴射開口１１はハイドロエローシブ（ｈｙｄｒｏｅｒｏｓｉｖｅ）な研削によって後加工されるからである。
【００１４】
別の利点は、燃料噴射弁の所要の初期硬度の低下延いては弁体１の熱処理後の加工性の改善という点にある。特に、弁体１の流入孔及びニードル座の領域の表面のキャビテーションに対する弱さも低下される。
【００１５】
高合金熱間作業用鋼Ｘ４０ＣｒＭｏＶ５１の他に、０．３〜０．５％の炭素濃度を有する別の高合金熱間作業用鋼を使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
焼き入れされた弁体の例としての燃料噴射弁の縦断面図。
【符号の説明】
１ 弁体、 ３ 孔、 ５ 弁ニードル、 ７ 弁シール面、 ９ 弁座、 １１ 噴射開口、 １３ 圧力ショルダ、 １５，２３ ガイド区分、 １７ 軸区分、 １９ 圧力室、 ２１ 環状通路、 ２５ 流入通路

Claims (6)

1. 内燃機関用の燃料噴射弁であって、弁体（１）と、該弁体内に形成された少なくとも１つの噴射開口（１１）とが設けられており、該噴射開口を介して、弁体（１）に形成された弁座（９）と協働する弁ニードル（５）により制御されて、燃料が内燃機関の燃焼室に噴射可能であり、しかも、弁体（１）が鋼から成っている形式のものにおいて、
   鋼が、浸炭法により焼き入れされた高合金熱間作業用鋼であることを特徴とする、内燃機関用の燃料噴射弁。
2. 熱間作業用鋼が、最高４５０℃まで形状安定性及び耐摩耗性を有している、請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 熱間作業用鋼が、少なくともほぼ０．４％の炭素、５％のクロム、１％のモリブデン並びに合計１％未満の微量のその他の金属・非金属元素を含有しており、この場合、１００％に足りない部分は鉄である、請求項２記載の燃料噴射弁。
4. 浸炭法がガス浸炭法である、請求項１記載の燃料噴射弁。
5. 内燃機関用の燃料噴射弁の構成部材であり且つ高合金熱間作業用鋼から製作された弁体（１）の焼入れ法において、
   炭化水素を含有するガス雰囲気中で弁体を浸炭させ、１００Ｐａ未満の圧力において９００〜１０００℃の温度で弁体を熱処理することを特徴とする、内燃機関用の燃料噴射弁の焼入れ法。
6. 浸炭を１００ｋＰａ未満の圧力において行う、請求項７記載の方法。