JP2005207299A - 燃料噴射弁 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ノズルニードルがノズルボディに着座することにより生じるノズルボディ側のシート部の摩耗を有効に抑えること。
【解決手段】 先端に噴孔３５を有するノズルボディ３１内に収容されたノズルニードル３２によって噴孔３５を開閉するように構成された燃料噴射弁１において、ノズルニードル３２がノズルボディ３１側のシート部３１Ａとの接触面に、ノズルボディ３１との摩擦抵抗を減少させるためのコーティング層Ｙを設ける。ノズルニードル３２がシート部３１Ａに着座する場合、ノズルニードル３２がシート部３１Ａに接触してからシート部３１Ａに圧接するまでの間、小さな摩擦抵抗をもってノズルニードル３２がノズルボディ３１の表面をすべることとなる。この結果、ノズルニードル３２が開弁のために着座するときのシート部３１Ａの摩耗を小さく抑えることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の気筒内に燃料を噴射供給するための燃料噴射弁に関する。
内燃機関に燃料を噴射供給するための燃料噴射弁として、例えば特許文献１に開示されている型式の燃料噴射弁が公知である。この燃料噴射弁は、内燃機関の気筒内へ燃料を直接噴射供給するためのものであり、電磁アクチュエータに通電させることによって噴射弁本体内の制御室を燃料低圧部に連通させ、これによりバルブピストンの背圧を除去してノズルニードルをリフトさせて燃料噴射を開始させ、所定の時間経過後に電磁アクチュエータの通電を停止させて制御室と燃料低圧部との間の連通状態を解除し、バルブピストンに所定の背圧を作用させてノズルニードルを押し下げ、これにより燃料噴射を終了させるように構成されている。
このように、燃料の噴射の開始、終了は、バルブピストンの背圧を制御するなどしてノズルニードルでノズルボディの噴孔を塞ぎ、解放することにより実行される。したがって、ノズルニードルがノズルボディに衝突することを繰り返すことによりノズルニードル及びノズルボディの摩耗を生じ、燃料噴射弁の燃料噴射特性が経時変化を起こすという問題を有している。
この問題を解決するため、従来においては、ノズルニードルの材料として硬度の高い材料を選び、ノズルニードルの摩耗を少なくして変形を抑え、長期間に亘って安定した燃料噴射特性が得られるように工夫されている。
特開平７−３１０６２１号公報
しかし、ノズルニードルの硬度を高めてノズルニードル側の摩耗を少なくしても、被熱によりノズルボディ側の硬度が低下しその初期硬度を維持することができなくなるため、閉弁動作時にノズルニードルがノズルボディに衝突することによりノズルボディ側に摩耗が生じることになる。この結果、時間の経過と共にノズルボディ側の摩耗が進行し、ノズルニードルの着座位置が徐々に変化し、燃料噴射特性もこれにつれて変化することになるので長期間に亘って安定した燃料噴射特性が得られなかった。
本発明の目的は、ノズルニードルがノズルボディに着座することにより生じるノズルボディ側のシート部の摩耗を有効に抑えることができる燃料噴射弁を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明は、ノズルニードルがノズルボディ側のシート部に着座するときの、ノズルニードルとノズルボディ側のシート部との間の摩擦抵抗に着目し、この摩擦抵抗を小さく抑えることによりシート部の摩耗を有効に抑えるようにしたものである。
本発明によれば、先端に噴孔を有するノズルボディ内に収容されたノズルニードルによって前記噴孔を開閉するように構成された燃料噴射弁において、
前記ノズルニードルの前記ノズルボディ側のシート部との接触面に、前記ノズルボディとの摩擦抵抗を減少させるためのコーティング層を設けたことを特徴とする燃料噴射弁が提案される。
コーティング層は、Ｃ２コートをノズルニードルの先端部に施すなどして設けることができるほか、ＤＬＣ薄膜として設けることもできる。このようにしてコーティング層を設けることにより、ノズルニードルがノズルボディ内のシート部に着座する場合、ノズルニードルがシート部に接触してからシート部に圧接するまでの間、小さな摩擦抵抗をもってノズルニードルがノズルボディの表面をすべることとなる。この結果、ノズルニードルが開弁のために着座するときのシート部の摩耗を小さく抑えることができる。
本発明によれば、ノズルボディのシート部にノズルニードルが着座するときのシート部の摩耗を小さくし、燃料噴射弁の燃料噴射特性の経時変化を小さく抑えることができる。
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について詳しく説明する。
図１は、本発明による燃料噴射弁の実施の形態の一例を示す断面図である。符号１で示されるのは、ディーゼル内燃機関に燃料を噴射供給するためのコモンレールシステムに用いられる燃料噴射弁である。燃料噴射弁１は、図示しないディーゼル内燃機関の気筒に組み付けられ、図示しないコモンレールから供給される高圧燃料を気筒内に所要のタイミングで所要の量だけ直接噴射供給するためのものであり、ノズルホルダ２の先端にノズル３をリテイニングナット４によって固定して成り、ノズルホルダ２の後端部に電磁アクチュエータ５が設けられている。
ノズルホルダ２はその軸方向に案内孔２１が形成されているインジェクタハウジング２２を有し、案内孔２１内にはバルブピストン２３が案内孔２１によって軸方向に運動可能なように配設されている。インジェクタハウジング２２のばね室２９には弾発ばね２５が収容されており、弾発ばね２５によって後述するノズルニードル３２が噴孔３５の方向に向けて弾発付勢されている。符号２６で示されるのは、図示しないコモンレールからの高圧燃料をノズル３に送給するためのインジェクタハウジング２２内に設けられた通路である。
ノズル３はノズルボディ３１とノズルニードル３２とを有し、ノズルボディ３１内に同軸に形成された孔３３によって、ノズルニードル３２がその軸方向に運動可能なように支持、案内されるようにしてノズルニードル３２がノズルボディ３１内に収容されている。ノズルニードル３２の先端部３２Ａは、孔３３と整列してノズルボディ３１内に設けられているシリンダ部３４内に延びており、ノズルニードル３２の先端は噴孔３５を開閉する弁体として働く構成となっている。
したがって、ノズルニードル３２が噴孔３５を閉じる位置に保持されている場合には、燃料噴射弁１からは燃料が噴射されない。一方、ノズルニードル３２が後退し、ノズルニードル３２が噴孔３５を開く位置に保持されている場合には、燃料噴射弁１から燃料が噴射される。
ノズルボディ３１内には、通路２６からの高圧燃料が通路３６を介して導入され該高圧燃料を留めておく油だまり３７が形成されている。一方、ノズルニードル３２には油だまり３７内の高圧燃料の圧力によってノズルニードル３２を噴孔３５から離反させる方向に力を作用させるためのテーパ部３８が形成されている。
インジェクタハウジング２２の後端部には、バルブピストン２３と組み合ってノズル３を駆動するための駆動機構を構成するバルブボディ２４が収容されている。バルブボディ２４は下方円筒部２４Ａと上方フランジ部２４Ｂとが一体に形成されて成り、インジェクタハウジング２２の後端部に設けられたバルブボディ２４の収容のための穴部２７内に収容されている。
穴部２７は、バルブボディ２４の外形に略相応した形状であり、穴部２７の底部において案内孔２１に連通し、バルブピストン２３の上端部２３Ａが下方円筒部２４Ａ内にまで入り込んでいる。バルブピストン２３の外周面と下方円筒部２４Ａの内周面との間は油密状態となっている。
バルブボディ２４を穴部２７内の所定の位置に固定するため、穴部２７の開口側にはナット２８が螺入されている。ここでは、穴部２７の開口側内周面のねじ溝２７ａにナット２８の外周面に形成されたねじ溝２８ａを噛合させ、ナット２８をバルブボディ２４に向けて締め付けることにより、バルブボディ２４をインジェクタハウジング２２に固定している。
インジェクタハウジング２２には、バルブピストン２３及びバルブボディ２４が上述の如く組み付けられ、インジェクタハウジング２２の後端部には、ドレーン室４１、半径方向の供給伝導路４３及び軸方向のドレーン伝導路４４と連通している制御室４５が形成されている。供給伝導路４３はインジェクタハウジング２２内の半径方向伝導路４６経由で取入具４７と連通しており、制御室４５の底部はバルブピストン２３の上部表面で形成されている。
電磁アクチュエータ５のアーマチュアボルト５１には、制御室４５と燃料低圧部との間の連通状態を制御する弁機構を構成する弁体として働くボール５２が固定されている。アーマチュアボルト５１は、図示しないバルブスプリングの力によってドレーン伝導路４４に向けて弾発付勢されており、ボール５２がドレーン伝導路４４の開口端に押し付けられドレーン伝導路４４を塞ぐように構成されている。
したがって、電磁アクチュエータ５が通電されていない場合には、ボール５２によってドレーン伝導路４４の開口端が塞がれており、これにより制御室４５は高圧燃料により満たされているので、バルブピストン２３によってノズルニードル３２が噴孔３５を閉じており、燃料噴射は行われない。電磁アクチュエータ５が通電されると、ボール５２がドレーン伝導路４４の開口端から離れ、制御室４５内の高圧燃料が燃料低圧部に逃げ、制御室４５内の圧力が降下するので燃料噴射が行われる。電磁アクチュエータ５の通電が切られると、ノズルニードル３２が再び噴孔３５を閉じる位置に戻されるため燃料噴射が終了する。
図２は、図１に示したノズル３の拡大詳細図である。ノズルニードル３２は、その太径部３２Ａがノズルボディ３１の孔３３によって支持、、案内されており、ノズルニードル３２の先端部３２Ｂが、噴孔３５の近傍であってノズルボディ３１の内側に形成されたシート部３１Ａに着座することによって噴孔３５が塞がれ、燃料噴射弁は閉状態となる。一方、ノズルニードル３２がリフトし、先端部３２Ｂがシート部３１Ａから離れることにより、燃料噴射弁は開状態となる。
したがって、燃料噴射弁１を閉状態とする際に、先端部３２Ｂがシート部３１Ａに衝突し、これを長期間繰り返すことによりシート部３１Ａが徐々に摩耗し、燃料噴射弁１の燃料噴射料特性を変化させる。本発明による燃料噴射弁１は、このような不具合が生じることがないようにするため、ノズルニードル３２のシート部３１Ａとの接触面にノズルボディ３１との（すなわちシート部３１Ａとの）摩擦抵抗を減少させるためのコーティング層Ｙが設けられている。
図３により詳細に示すように、コーティング層Ｙは、図３中に符号Ｌで示す範囲内の表面、すなわち、先端部３２Ｂの突端部３２Ｂａから太径部３２Ａの終端部３２Ａａまでの間の表面に設けられている。ここでは、シート部３１Ａとの接触面を含む、ノズルニードル３２の先端部全体にコーティング層Ｙが設けられているが、ノズルニードル３２の全表面にコーティング層Ｙを設けてもよい。
コーティング層Ｙは、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）薄膜に代表されるイオン化蒸着方によって作成された非晶質の硬質炭素膜とすることが好ましい。ＤＬＣ薄膜は、表面平滑性に優れているため、摩擦係数は０．１程度となる。これに対し、通常、ノズルボディ３１の材質はニッケルクロムモリブデン鋼鋼材（ＳＮＣＭ）を、ノズルニードル３２の材質は高速度工具鋼鋼材（ＳＫＨ）を使用しているので、それらの摩擦係数は０．３５〜０．４０程度である。したがって、ノズルニードル３２の先端部３２Ｂにコーティング層Ｙを設けることにより、先端部３２Ｂとシート部３１Ａとの間の摩擦抵抗を従来に比べ１／３以下にすることができる。この結果、ノズルボディ３１のシート部３１Ａにノズルニードル３２の先端部３２Ｂが着座するときのシート部３１Ａの摩耗を小さくし、燃料噴射弁１の燃料噴射特性の経時変化を小さく抑えることができる。
コーティング層Ｙの厚さは、０．１μｍ〜３０μｍに形成することが望ましい。密着性と耐磨耗性の観点からは１μｍ〜５μｍがより好ましい。コーティング層Ｙとノズルボディ３１との間の摩擦係数は、０．２以下が好ましい。耐磨耗性の観点からは０．１以下がより好ましい。コーティング層Ｙの硬度は、ビッカース硬度２０００以上が好ましい。
コーティング層Ｙを上述の如くしてノズルニードル３２に設けると、燃料噴射弁１の閉弁動作時において、ノズルニードル３２の先端部がノズルボディ３１のシート部３１Ａに接触してから、ノズルニードル３２の先端部がノズルボディ３１のシート部３１Ａに圧接状態となるまでの間、ノズルニードル３２の先端部は、シート部３１Ａ上を低摩擦抵抗状態ですべることとなる。したがって、閉弁動作時に生じるシート部３１Ａの摩耗を、コーティング層Ｙを設けない場合に比べて小さくすることができる。この結果、燃料噴射弁１は長期間に亘って所要の燃料噴射特性にて動作できるようになる。
図３に示すようにして、コーティング層ＹをＤＬＣ薄膜にイオン化蒸着法により先端部３２Ｂに形成した。コーティング層Ｙの厚さは４μｍで、ノズルボディ３１との間の摩擦係数は０．１であった。このようにして形成された燃料噴射弁１のシート部３１Ａの摩耗量と噴射量との経時変化を測定した。
その測定結果を図４に示す。図４はテスト時間（ｈｒ）を横軸にとり、摩耗比を縦軸にとったもので、摩耗比は、従来例のノズルボディにおける試験後の摩耗量の最大値を１とした場合の比である。高速度工具鋼材のノズルボディとニッケルクロムモリブデン鋼材のノズルニードルを用いた従来の構成の燃料噴射弁と比較すると、実施例の場合には、ノズルボディの摩耗において、摩耗量の増加がほとんどなく安定しており、かつ、摩耗量も従来に比べて１／２〜１／６であった。
本発明の実施の形態の一例を示す断面図。 図１のノズル部分の拡大詳細図。 図２の要部の拡大断面図。 実施例についての摩耗比の測定結果を従来例の摩耗比の測定結果と共に示すグラフ。
符号の説明
１ 燃料噴射弁
２ ノズルホルダ
３ ノズル
４ リテイニングナット
５ 電磁アクチュエータ
２１ 案内孔
２２ インジェクタハウジング
２３ バルブピストン
２３Ａ 上端部
２４ バルブボディ
２４Ａ 下方円筒部
２４Ｂ 上方フランジ部
２５ 弾発ばね
２６ 通路
２７ 穴部
２７ａ、２８ａ ねじ溝
２８ ナット
３１ ノズルボディ
３１Ａ シート部
３２ ノズルニードル
３２Ａ 先端部
３４ シリンダ部
３５ 噴孔
３６ 通路
３７ 油だまり
３８ テーパ部
４１ ドレーン室
４３ 供給伝導路
４４ ドレーン伝導路
４５ 制御室
４６ 半径方向伝導路
４７ 取入具
５１ アーマチュアボルト
５２ ボール
Ｙ コーティング層

Claims (1)

  1. 先端に噴孔を有するノズルボディ内に収容されたノズルニードルによって前記噴孔を開閉するように構成された燃料噴射弁において、
    前記ノズルニードルの前記ノズルボディ側のシート部との接触面に、前記ノズルボディとの摩擦抵抗を減少させるためのコーティング層を設けたことを特徴とする燃料噴射弁。
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