JP2005201139A - インジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 筒部が磁性材料により形成されかつ部分的に浸炭処理が施されるインジェクタにおいて、弁を作動させるための十分な電磁力が得られるインジェクタを提供する。
【解決手段】 先端に燃料噴射孔４Ｂを持つ燃料通路を形成する筒部４０と、該筒部４０内において軸方向に移動可能に収容される可動鉄心３８と、該可動鉄心３８と連結されて前記燃料噴射孔４Ｂを開閉する弁体９と、該弁体９を開弁させるために前記筒部４０の外周に配置されたソレノイドコイル１８と、前記弁体９を閉弁側に付勢する圧縮スプリング３６を備えるとともに、前記可動鉄心３８の基端側の端部３８Ａと前記筒部４０とが当接しあう近辺の表面Ｑには磁気回路Ｒの短絡を防ぐための浸炭処理が施されており、前記筒部４０は、炭素含有量に対するチタン含有量の比の値が１０以上でかつ１５以下の電磁ステンレス材料により形成されたインジェクタ１００。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ソレノイドコイルにより発生する電磁力を利用して燃料噴射孔を開閉するインジェクタに関する。

この種のインジェクタでは、筒部内に固定された固定鉄心と筒部内を軸方向に移動可能な可動鉄心を備え、この可動鉄心には筒部先端に形成された燃料噴射孔を開閉する弁が連結されている。この弁は付勢手段により閉弁位置に付勢されており、筒部外周に配置されたソレノイドコイルから発生する電磁力により可動鉄心が固定鉄心側に吸引されることで、閉弁位置から開弁位置に移動するように構成される。このような構造を有するインジェクタにおいて弁の応答性を向上させるためには、可動鉄心側から固定鉄心側（又は固定鉄心側から可動鉄心側）に流れる磁束を増加させ、可動鉄心と固定鉄心の間に作用する吸引力を大きくする必要がある。そこで、従来、筒部から可動鉄心、固定鉄心から筒部に磁束が流れる部分では筒部の透磁率を上げ、磁束が筒部で短絡することを防止するため可動鉄心と固定鉄心が当接しあう近辺では筒部の透磁率を下げる（磁気抵抗を大きくする）ようにしていた。

このように弁の応答性を向上する観点から筒部の一部分（可動鉄心と固定鉄心が当接しあう近辺）のみ透磁率を低くしたいという要求がある一方で、製造コストを低くする観点（溶接箇所を少なくする観点）からは筒部全体をできるだけ一体で製作したいという要求がある。したがって、従来から筒部の透磁率を部分的に改質する技術が開発されており、このような技術としては、例えば、特許文献１に開示されているように、磁性材料（電磁ステンレス材等）を用いて一体で製作した筒部（透磁率が高い）に浸炭処理を施すことにより、浸炭処理を施した部分の透磁率を下げる方法が知られている。

特開２００１−３２９９２８号公報

しかしながら、筒部を磁性材料により一体に形成して部分的に浸炭処理を施す場合には、筒部として用いる磁性材料の製造ロット毎にその成分組成にバラツキ等があることに起因して、浸炭による非磁性化の度合いが一定にならず、インジェクタの弁を作動させるための十分な電磁力が得られないような場合があるので問題であった。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、筒部が磁性材料により形成されかつ部分的に浸炭処理が施されるインジェクタにおいて、弁を作動させるための十分な電磁力が得られるインジェクタを提供することである。

課題を解決するための第１の発明は、先端に燃料噴射孔を持つ燃料通路を形成する筒部と、該筒部内において軸方向に移動可能に収容される可動鉄心と、該可動鉄心と連結されて前記燃料噴射孔を開閉する弁と、該弁を開弁させるために前記筒部の外周に配置されたソレノイドコイルと、前記弁を閉弁側に付勢する付勢手段を備えるインジェクタであって、前記可動鉄心の基端側の端部と前記筒部とが当接しあう近辺の表面には磁気回路の短絡を防ぐための浸炭処理が施されており、前記筒部は、炭素含有量に対するチタン含有量の比の値が１５以下の磁性金属材料により形成されているインジェクタである。したがって、ソレノイドコイルの励磁によりインジェクタ内に磁気回路が構成されると、可動鉄心に対して弁を作動させる軸方向への電磁力が生ずるようになっている。
上記第１の発明において、筒部を形成する磁性材料としては、炭素含有量に対するチタン含有量の比の値が１５以下である磁性金属材料が用いられる。ここで、炭素含有量とは、磁性金属材料中における炭素（Ｃ）の含有量（質量）のことである。チタン含有量とは、磁性金属材料中におけるチタン（Ｔｉ）の含有量（質量）のことである。炭素含有量に対するチタン含有量の比の値とは、チタン含有量を炭素含有量で割った値、つまり、Ｔｉ／Ｃの値のことである。Ｔｉ／Ｃの値が１５以下であることにより、浸炭処理を施した部分における透磁率をより確実に低下させることが可能になる（その理由については後に詳述する）。これにより、筒部を形成する磁性金属材料の成分組成に製造ロット毎のバラツキ等がある場合であっても、弁を作動させるための十分な電磁力を確保できるようになる。

上記第１の発明のインジェクタにおいて、さらに、前記筒部は、炭素含有量に対するチタン含有量の比の値が１０以上の磁性金属材料により形成されているのが好ましい（第２の発明）。炭素含有量に対するチタン含有量の比の値がこれよりも小さいと、磁性金属材料中における炭素量が相対的に不足となり、浸炭処理を施さない部分（防炭部）の透磁率が増加しない、あるいは、磁性金属材料を治具で固定して加熱炉内で浸炭処理を施す際に、治具の炭素成分と磁性金属材料とが反応して固着するなどの不具合が生ずることがある。

上記第１の発明または第２の発明において、さらに、前記筒部は、電磁ステンレス材料により形成されているのが好ましい（第３の発明）。電磁ステンレス材料は磁気特性及び耐食性に優れているので、応答性が良好でかつ故障の少ないインジェクタを実現することができるからである。
なお、上記「電磁ステンレス材料」とは、鉄を主成分とし、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）等を含有する合金であって（いわゆるステンレス鋼）、その中でも磁性を有するステンレス鋼（例えば、マルテンサイト系ステンレス、フェライト系ステンレス等）のことを指している。このような「電磁ステンレス材料」としては、例えば、特開平６−１０１０１号公報、特開平６−１０１０２号公報に開示された電磁ステンレス鋼を用いることができる。

本発明によれば、筒部が磁性材料により形成されかつ部分的に浸炭処理が施されるインジェクタにおいて、弁を作動させるための十分な電磁力が得られるインジェクタを実現することができる。

本発明を具現化した一実施例に係るインジェクタ１００について図１を用いて説明する。図１はインジェクタ１００の断面図である。図１に示すように、本実施例に係るインジェクタ１００は、筒部４０と、筒部４０内に組付けられる弁機構（弁座体４、プレートオリフィス６、弁体９、可動鉄心３８（アーマチュア）、圧縮スプリング３６、スプリングピン３２）と、弁機構を駆動するために筒部４０の外周に配置された駆動機構（ソレノイドコイル１８）等から構成される。

筒部４０は、図１に示すようにパイプ状に形成された部材であり、その内部に燃料通路が形成される。この筒部４０は、大別すると、その先端側に弁体９等を収納するバルブボディ部４２と、後端側に燃料配管と接続される燃料コネクタ部４６と、バルブボディ部４２と燃料コネクタ部４６とを連結する連結部３４とで構成される。図１に示すように、連結部３４は、バルブボディ部４２と比較して小さい径とされている。したがって、連結部３４とバルブボディ部４２との境界には、バルブボディ部４２の内周面から内側に突出する突出面３５が形成される。この突出面３５は、可動鉄心３８が開弁側（基端側）に作動された際に可動鉄心３８の基端側の端部３８Ａと当接し、可動鉄心３８の開弁側への移動を規制するストッパ面の機能を果たす。

上述した筒部４０の先端側（燃料噴射孔側）の内周には、円柱状の外形を有する弁座体４が圧入されている。この弁座体４には、後方から円柱状の孔４Ｄが開けられ、この円柱状の孔４Ｄの先端側に円錐面４Ａが形成される。この円錐面４Ａの先端は、弁座体４の先端面に開口し、この開口部が燃料噴射孔４Ｂとなる。弁座体４に設けられた円柱状の孔４Ｄは球状の弁体９を軸方向に案内するガイド面として機能し、円錐面４Ａは球状の弁体９と当接して燃料噴射孔４Ｂを閉じるシール面として機能する。弁座体４の先端には、プレートオリフィス６が弁座体４に固定されている。プレートオリフィス６には複数の小孔６Ａが形成されており、この小孔６Ａによって弁座体４の燃料噴射孔４Ｂから噴射される燃料が霧化される。円柱状の孔４Ｄの回りには、周方向に等距離な３箇所の位置に、軸方向に伸びる燃料通路４Ｃが形成されている。

弁座体４の後方には、円筒状に形成された可動鉄心３８が筒部４０内において軸方向に移動可能に収容されている。可動鉄心３８は、該可動鉄心３８と一体に形成された軸部１２を介して球状の弁体９と連結されている。軸部１２には孔１２Ａが設けられており、この孔１２Ａを介して軸部１２の内部から外部に燃料が通過できるように構成されている。軸部１２及び可動鉄心３８は磁性を有する金属材料で形成されており、筒部４０によって半径方向には移動不能で軸方向に移動可能に案内されている。

連結部３４の内部にはスプリングピン３２が圧入され固定されている。このスプリングピン３２と可動鉄心３８との間には、圧縮スプリング３６が圧縮状態で収容されている。したがって、可動鉄心３８は圧縮スプリング３６により先端側に付勢されて、その可動鉄心３８と連結された弁体９が弁座体４の円錐面４Ａに当接し燃料噴射孔４Ｂが閉じられる。なお、本実施例において、弁体９が本発明にいう「弁」に対応しており、圧縮スプリング３６が本発明にいう「付勢手段」に対応している。

次に、筒部４０の外周に組付けられる各部品について説明する。筒部４０の外周には、図１に示すように円筒状のボビン２０が組み付けられており、このボビン２０の周りには銅線が巻き付けられてソレノイドコイル１８を構成している。このソレノイドコイル１８は、通電されることにより磁気力を発生し（励磁状態）、この磁気力により可動鉄心３８を連結部３４側に吸引することで、弁体９を円錐面４Ａから離し（即ち弁を開いて）燃料を噴射孔４Ｂから噴射させる。ボビン２０の後端側には、ソレノイドコイル１８に電力を供給する端子２８が設けられ、この端子２８に対して電力供給用のハーネス（図示しない）が接続される。

外側コア１６と、筒部４０（バルブボディ部４２、連結部３４、燃料コネクタ部４６）と、可動鉄心３８は、それぞれ磁性金属材料で形成されている。ただし、筒部４０のうち、突出面３５の近辺の表面Ｑ（図１中の網掛け部分）には、全周に亘って浸炭処理が施されており、この表面Ｑは他の部位と比較して透磁率が低下している。したがって、ソレノイドコイル１８が通電により励磁されると、外側コア１６から、筒部４０（バルブボディ部４２）、可動鉄心３８、可動鉄心３８と突出面３５間の微小空間、筒部４０（連結部３４）を経て外側コア１６に戻る磁気回路Ｒが構成される。このとき、浸炭処理が施された表面Ｑにおいて、磁気回路Ｒの短絡が防止されている。これにより、圧縮スプリング３６の力に抗して弁体９が突出面３５側に吸引され燃料噴射孔４Ｂが開けられる。

また、前述したように、燃料コネクタ部４６の基端側の端部には、燃料（ガソリン等）を供給するための燃料配管が接続される。燃料コネクタ部４６の内側には、燃料中に混入した夾雑物等を取り除くためのストレーナ４７が設けられており、燃料コネクタ部４６の外周には、インジェクタ１００と燃料配管との接続部を機密に保つオーリング４８が設けられている。

以上説明した本実施例のインジェクタ１００において、筒部４０は、炭素含有量に対するチタン含有量の比の値が１０以上でかつ１５以下の電磁ステンレス材料により形成される。ここで、前記炭素含有量とは、電磁ステンレス材料中における炭素（Ｃ）の含有量（質量）のことである。前記チタン含有量とは、電磁ステンレス材料中におけるチタン（Ｔｉ）の含有量（質量）のことである。炭素含有量に対するチタン含有量の比の値とは、チタン含有量を炭素含有量で割った値、つまり、Ｔｉ／Ｃの値のことである。Ｔｉ／Ｃが上記の範囲に設定されると、浸炭処理を施した表面Ｑにおける透磁率をより確実に低下させることが可能になる。その理由を以下に説明する。

まず、一般の鉄鋼材料に対して浸炭処理を施すことによる非磁性化のメカニズムについて簡単に説明する。
常温時、鉄は体心立方格子となっており、格子間距離が狭く、格子間内に炭素原子を固溶させることができない。しかし、鉄に対して熱を加えることにより、面心立方格子に変態し、格子間距離が広くなり、スパッタリング操作等によって炭素原子を固溶侵入させることが可能になる。炭素原子を格子間に侵入させてから鉄を冷却すると、格子間距離は元に戻ろうとするために歪みが発生する。その歪みにより、磁壁の移動が阻害されて鉄が非磁性化するものと考えられている。

電磁ステンレス材料は、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）等の各種の遷移金属元素を含有し、残部が鉄（Ｆｅ）及び不可避的不純物からなる鉄鋼材料である。電磁ステンレス材料は、耐食性の高い磁性金属材料であり、筒部４０が電磁ステンレス材料で形成されると、錆びに強く故障の少ないインジェクタ１００を実現することができる。磁性ステンレス材料に添加される遷移金属元素の量や種類は、磁気特性、耐食性、冷鍛性、切削性等を確保するために適宜調整される。

Ｔｉ／Ｃの値が１５を超える電磁ステンレス材料では、金属成分中におけるチタン（Ｔｉ）の比率が過剰となっている。したがって、浸炭処理を施す際の前工程などにおいて、余剰のチタンと加熱炉内の酸素が結合し、電磁ステンレス材料の表面に酸化チタン（ＴｉＯ_２）の被膜が形成される。電磁ステンレス材料の表面に酸化チタンの被膜が形成されると、格子間への炭素の固溶侵入が阻害されるので、浸炭処理による非磁性化が十分に達成されなくなる。浸炭処理による非磁性化が不十分であると、磁気回路Ｒの短絡により可動鉄心３８に流れる磁束の量が少なくなるので、弁体９を開弁側に作動させるための十分な電磁力が得られなくなる。

電磁ステンレス材料の浸炭処理を施した部分（浸炭部）では、他の部分に比べて透磁率が低くなる。これとは反対に、電磁ステンレス材料の浸炭処理を施さない部分（防炭部）では、透磁率がある程度高くなる（回復する）。しかしながら、Ｔｉ／Ｃの値が１０よりも小さいと、金属成分中におけるチタン（Ｔｉ）の比率が不足となり、防炭部において透磁率が回復しなくなる。透磁率が回復しない場合には、磁気回路Ｒを流れる磁束の量が低下し、弁体９を開弁側に作動させるための十分な電磁力が得られなくなる。

また、電磁ステンレス材料に部分的に浸炭処理を施す場合には、マスキング用の治具によって浸炭処理を施さない部分を覆った状態にする。そして、その治具によって電磁ステンレス材料を加熱炉内に固定し、希ガス雰囲気中でグロー放電等を生じさせることにより、マスキングを施していない部分の表面に浸炭処理を施すことができる。このとき、電磁ステンレス材料のＴｉ／Ｃの値が１０よりも小さい場合には、治具の炭素成分と電磁ステンレス材料とが接触部分において反応し、治具と電磁ステンレス材料が互いに固着する場合がある。

これらの理由から、筒部４０を形成するための磁性金属材料としては、Ｔｉ／Ｃの値が１０以上でかつ１５以下の電磁ステンレス材料を用いることが好ましい。Ｔｉ／Ｃの値が１５以下であることにより、電磁ステンレス材料の成分組成に製造ロット毎のバラツキ等がある場合であっても、浸炭部の透磁率をより確実に低下させることができる。また、Ｔｉ／Ｃの値が１０以上であることにより、治具と電磁ステンレス材料の固着等の不具合を防止することができる。
なお、筒部４０を形成するための磁性金属材料としては、電磁ステンレス以外の他の材料を用いることも可能である。例えば、筒部４０を形成するための磁性金属材料として、いわゆるステンレス鋼に分類されない他の鉄鋼材料を用いることも可能である。

以上、本発明の好適な実施例に係るインジェクタ１００について説明したが、これは例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。例えば、上述した実施例においては、浸炭処理を、燃料通路を形成する筒部４０の全周に施したが、必ずしも全周に施す必要は無く、筒部４０の内周面あるいは外周面の一部にのみ浸炭処理を施すようにしても良い。要するに、浸炭処理を施した部分の透磁率が低下し、可動鉄心３８に流れる磁束が充分であればどのような形態で実施されても良い。

また、上記実施例においては、筒部と固定鉄心が一体に形成されているタイプのインジェクタについて説明したが、筒部と固定鉄心が別体に形成されているタイプのインジェクタに対しても本発明を適用することができる。例えば、特開２００１−３２９９２８号公報に開示されているインジェクタのように、筒部の内部に固定鉄心が別体に圧入されているインジェクタに対して本発明を適用することができる。この場合、筒部と固定鉄心を合わせたものが本発明にいう「筒部」に対応し、可動鉄心の基端側の端部と前記「筒部」とが当接しあう近辺の表面に浸炭処理が施される。

以下、本発明を具現化した実施例について説明する。
電磁ステンレス材料（１１Ｃｒ電磁ステンレス鋼）を用いてインジェクタの筒部を形成した。電磁ステンレス材料は、Ｔｉ／Ｃの値を４．０，１０．４，１３．４の３段階に変化させたものを用いた。そして、筒部に対して浸炭処理を施した後に、表層部における透磁率を測定した。筒部を形成するために用いた電磁ステンレス材料の成分組成を［表１］に示す。また、筒部に対して浸炭処理を施した際の条件を［表２］に示す。

図２には、Ｔｉ／Ｃの値を３段階に変化させた場合における、電磁ステンレス材料の表層の透磁率の測定結果をグラフで示す。
図２に示すように、Ｔｉ／Ｃ＝４．０の場合には、防炭部における透磁率がほとんど回復しないことが判明した。これに対し、Ｔｉ／Ｃ＝１０．４，１３．４の場合には、浸炭部における透磁率が浸炭前に比べて十分に低下し、防炭部における透磁率が浸炭前に比べて十分に回復していることが判明した。

図３には、Ｔｉ／Ｃの値を３段階に変化させた場合における、電磁ステンレス材料とマスキング用の治具との固着の発生率をグラフで示す。
図３に示すように、Ｔｉ／Ｃ＝４．０の場合には、電磁ステンレス材料と治具との固着率が約９０％であり、固着の発生率が極めて高いことが判明した。これに対し、Ｔｉ／Ｃ＝１０．４，１３．４の場合には、電磁ステンレス材料とマスキング用の治具との固着率が約４０％〜５０％程度であり、固着の発生率を低く抑えることができることが判明した。

インジェクタの断面図である。 Ｔｉ／Ｃの値を３段階に変化させた場合における、電磁ステンレス材料の表層の透磁率の測定結果をグラフで示す。 Ｔｉ／Ｃの値を３段階に変化させた場合における、電磁ステンレス材料とマスキング用の治具との固着の発生率をグラフで示す。

符号の説明

４ 弁座体
６ プレートオリフィス
９ 弁体（弁）
１６ 外側コア
１８ ソレノイドコイル
３５ 突出面
３６ 圧縮スプリング（付勢手段）
３８ 可動鉄心
３８Ａ 端部
４０ 筒部
１００ インジェクタ
Ｑ 表面
Ｒ 磁気回路

Claims (3)

1. 先端に燃料噴射孔を持つ燃料通路を形成する筒部と、該筒部内において軸方向に移動可能に収容される可動鉄心と、該可動鉄心と連結されて前記燃料噴射孔を開閉する弁と、該弁を開弁させるために前記筒部の外周に配置されたソレノイドコイルと、前記弁を閉弁側に付勢する付勢手段を備えるインジェクタであって、
   前記可動鉄心の基端側の端部と前記筒部とが当接しあう近辺の表面には磁気回路の短絡を防ぐための浸炭処理が施されており、
   前記筒部は、炭素含有量に対するチタン含有量の比の値が１５以下の磁性金属材料により形成されているインジェクタ。
2. 請求項１に記載のインジェクタであって、
   前記筒部は、炭素含有量に対するチタン含有量の比の値が１０以上の磁性金属材料により形成されているインジェクタ。
3. 請求項１または請求項２に記載のインジェクタであって、
   前記筒部は、電磁ステンレス材料により形成されているインジェクタ。
   

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