JP2007002776A - 内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料噴射ポンプのプランジャ１や燃料噴射弁の針弁等の摺動部材の耐摩耗性を向上するとともに、該摺動部材と相手部材との間のなじみ性及び潤滑機能を向上せしめることにより、摺動部材の過大摩耗や焼付きの発生を防止して耐久性が向上された内燃機関の燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】 燃料噴射ポンプのプランジャにより高圧に加圧された燃料を燃料噴射弁に導入し、該燃料噴射弁の針弁の開弁によりこの燃料をエンジンの燃焼室内に噴射するように構成された内燃機関の燃料噴射装置において、前記燃料噴射ポンプ及び燃料噴射弁の摺動部材の表面に、炭素を主成分とするコーティング材によるコーティング処理を施したことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ディーゼルエンジン、ガスエンジン等に適用され、燃料噴射ポンプのプランジャ、燃料噴射弁の針弁等の摺動部材の耐久性を向上した内燃機関の燃料噴射装置に関する。

高速ディーゼルエンジンの燃料噴射装置においては、エンジンの高出力、高速化に伴ない、燃料噴射ポンプのプランジャや燃料噴射弁の針弁等の摩耗，焼付きの可能性が増してきており、高出力、高速時におけるこれらの確実な回避手段が要求されている。
ディーゼルエンジンの燃料噴射ポンプは、たとえば特許文献１（特開平５−１８０１１６号公報）に開示されているように、燃料カムによりタペットを介してプランジャが上動して該プランジャのリード部がプランジャバレルの給排油孔を閉じると、プランジャ室内の燃料が高圧に加圧され、該高圧燃料が噴射管を通して燃料噴射弁に導入され、該燃料噴射弁の針弁の開弁圧を超えて該高圧燃料の圧力によって針弁が開弁すると、該高圧燃料が燃料噴射弁の噴孔からエンジンの燃焼室内に噴射せしめられるように構成されている。

かかる燃料噴射ポンプにおいて、前記のようなエンジンの高出力、高速化に対応して耐摩耗性を向上するため、前記プランジャは窒化、浸炭等の表面硬化処理によって、Ｈｖ硬度（ビッカース硬度）７００〜１０００程度の高硬度となっている。
また、該プランジャの表面に前記クロムナイトライド（窒化クロム）処理を施して、表面硬度Ｈｖ２０００程度まで硬化しているものもある。

特開平５−１８０１１６号公報

図５は、前記のような燃料噴射ポンプにおけるプランジャの作動を説明するための模式図である。図において、プランジャ１が（Ａ）に示す下部位置から図示しない燃料カムによって押し上げられ、図の（Ｂ）のように該プランジャ１の上縁１ｓがプランジャバレル２の給排油孔１４を閉じると、該プランジャ１によりプランジャ室１９内の燃料が高圧に加圧され、矢印のように図示しない燃料噴射弁に送られて該燃料噴射弁の噴孔からエンジンの燃焼室内に噴射せしめられる。
そして、図の（Ｃ）のようにプランジャ１の上部リード１５ａにより給排油孔１４が開かれると、プランジャ室１９及び燃料噴射弁側からの高圧燃料が給排油孔１４に戻される。

かかる燃料噴射ポンプにおいては、プランジャ１には、図６（Ｂ）に示す燃料噴射中に、上部リード１５ａ及び下部リード１５ｂの形成により、プランジャ室１９からリード溝２１内に充填されている高圧燃料によるスラスト力Ｔが作用する。
このスラスト力Ｔは、図のように上部リード１５ａ及び下部リード１５ｂの２つのリードを有するプランジャ１の場合には、上部リード１５ａ側と下部リード１５ｂ側とのスラスト力がある程度バランスするため、さほど大きくならないが、小型燃料噴射ポンプのように、上部リード１５ａのみの１つのリードを有するプランジャ１の場合には、前記のようなスラスト力のバランス作用がないため、前記スラスト力Ｔが大きくなる。
このため、かかる燃料噴射ポンプにおいては、前記スラスト力Ｔによってプランジャ１の上部リード１５ａのエッジ部１ｃに局部的に大きな面圧が発生し、プランジャ１とプランジャバレル２との間に過大摩耗や焼付きが発生し易くなる。

しかしながら、前記特許文献１（特開平５−１８０１１６号公報）に示される従来技術にあっては、プランジャ１に窒化、浸炭等の表面硬化処理を施してＨｖ硬度７００〜１０００程度に上昇させているにとどまり、前記のような局部的な大面圧に対応するには硬度不足である。
一方、プランジャ１の表面にクロムナイトライド（窒化クロム）処理を施して表面硬度Ｈｖ２０００程度まで硬化する手段にあっては、プランジャ１の硬度は高硬度を保持でき前記大面圧には対応できるが、通常、軸受鋼で製作されているプランジャバレル２との間の摺動時のなじみ性が良好でなく、しかもかかるなじみ性を向上させる手段は施されていない。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、燃料噴射ポンプのプランジャや燃料噴射弁の針弁等の摺動部材の耐摩耗性を向上するとともに、該摺動部材と相手部材との間のなじみ性及び潤滑機能を向上せしめることにより、摺動部材の過大摩耗や焼付きの発生を防止して耐久性が向上された内燃機関の燃料噴射装置を提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、燃料噴射ポンプのプランジャにより高圧に加圧された燃料を燃料噴射弁に導入し、該燃料噴射弁の針弁の開弁によりこの燃料をエンジンの燃焼室内に噴射するように構成された内燃機関の燃料噴射装置において、前記燃料噴射ポンプ及び燃料噴射弁の摺動部材の表面に、炭素を主成分とするコーティング材によるコーティング処理を施したことを特徴とする。

かかる発明において、具体的には次のように構成するのが好ましい。
（１）前記摺動部材が特殊鋼からなるプランジャであり、該プランジャが往復摺動自在に嵌合されるプランジャバレルを特殊鋼で構成する。
（２）前記摺動部材が特殊鋼からなる針弁であり、該針弁が往復摺動自在に嵌合されるノズルチップを特殊鋼で構成する。
（３）前記燃料として、沸点が９０℃以下で、且つ動粘度が０．７ｍｍ^２／ｓ以下であるエーテル系化合物を用いる。

かかる発明によれば、特殊鋼からなるプランジャ、特殊鋼からなる針弁等の摺動部材の
表面に、炭素を主成分とするコーティング材、たとえばＤＬＣ（ダイヤモンド．ライク．カーボン）によるコーティング処理を施すことによって、Ｈｖ硬度（ビッカース硬度）１０００〜２０００程度の高硬度が得られるとともに、炭素を主成分とするためプランジャバレル、ノズルチップ等の特殊鋼からなる相手部材と凝着し難く、摺動のなじみ性が良好となって、高い耐焼付き性と高い耐摩耗性を示す。
ＤＭＥ（ジオメチルエーテル）等のエーテル系化合物（沸点が９０℃以下で、且つ動粘度が０．７ｍｍ^２／ｓ以下である）のように低粘度の燃料を使用するエンジンであっても、前記ＤＬＣによるコーティングに加えて、燃料中に潤滑性向上剤を添加することにより、燃料噴射系の円滑な潤滑を行うことができる。

従って、かかる発明によれば、プランジャ、針弁等の摺動部材の表面に、たとえばＤＬＣ等の炭素を主成分とするコーティング材によるコーティング処理を施すことによって、高硬度で高い耐摩耗性を有しつつ良好な摺動なじみ性を保持でき、さらに燃料中に潤滑性向上剤を添加することによって、低粘度の燃料を使用する場合でも摺動部の潤滑性を確保できる。
これにより、耐焼付き性および耐摩耗性が向上されて、高回転数、高出力エンジンに使用しても高い耐久性を有する燃料噴射装置が得られる。

また、かかる発明において、好ましくは、前記プランジャは、その先端部に所定の曲率半径からなる丸みが形成され、該丸み形成部分及びこれに連なる端面及び外周面に、前記コーティング材によるコーティング処理を施す。
このように構成すれば、先端部等の角部に丸みを形成して、その上にコーティング材によるコーティング処理を施すことにより、該角部におけるコーティング材の剥離の発生を回避でき、摺動部材の全面に均一なコーティング層を形成できる。

本発明によれば、プランジャ、針弁等の摺動部材の表面に、炭素を主成分とするコーティング材によるコーティング処理を施すことによって、高硬度で高い耐摩耗性を有しつつ良好な摺動なじみ性を保持できる。低粘度の燃料を使用する場合でも摺動部の円滑な潤滑が確実になされ、耐焼付き性や耐摩耗性が向上する。これにより、高回転数、高出力エンジンに使用しても高い耐久性を有する燃料噴射装置が得られる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、本発明の第１実施例に係るディーゼルエンジンの燃料噴射ポンプの縦断面図である。
図１において、１００は燃料噴射ポンプで、次のように構成されている。
３はポンプケース、２は該ポンプケース３に固定されたプランジャバレルである。１は該プランジャバレル２内に往復摺動可能に嵌合されたプランジャで、この例では上部リード１５ａ及び下部リード１５ｂを備えているが、上部リード１５ａのみのものもある。
１４は該プランジャバレル２に明けられた給排油孔、１３は給排油室、４は吐出弁、５は該吐出弁４の弁座、６は吐出弁ばね、７は吐出コネクタである。
また、１１は図示しないエンジンのクランク軸に連動される燃料カム、９はタペット、１０は該タペット９に回転自在に支持されたタペットローラ、８はタペットスプリング、１２は燃料噴射量調整用のラックである。

かかる燃料噴射ポンプ１００をそなえたエンジンの運転時において、クランク軸に連動される燃料カム１１の回転によりタペットローラ１０及びタペット９を介してプランジャ１が上動して該プランジャの上縁１ｂがプランジャバレル２の給排油孔１４を閉じると、プランジャ室１９内の燃料が高圧に加圧され、該高圧燃料が吐出弁４を押し開き、図示しない噴射管を通して図３燃料噴射弁２０（図３参照）に圧送される。

本発明の第１実施例においては、前記プランジャバレル２を軸受鋼等の特殊鋼で構成するとともに、摺動部材である前記プランジャ１の母材を軸受鋼等の特殊鋼で構成したうえで、該プランジャ１の表面に、炭素を主成分とするコーティング材によるコーティング処理を施している。該コーティング材としては、コーティング処理後におけるプランジャ１の表面硬度が、Ｈｖ硬度（ビッカース硬度）１０００〜２０００程度になるような炭素を主成分とするコーティング材、たとえばＤＬＣ（ダイヤモンド．ライク．カーボン）を用いる。

また、前記コーティング処理にあたって、図２（Ａ）のように、プランジャ１の先端部に曲率半径Ｒなる丸みを形成する。あるいは図２（Ｂ）のように、上縁１ｂから一定長さに亘って曲率半径Ｒ１なる丸みを形成する。この場合は前記曲率半径Ｒ１と上縁１ｂとの接合部１ｃは丸みが無くてもよい。
そして、プランジャ１の先端部に前記のような丸みを形成しておき、該プランジャ１の表面に前記ＤＬＣ（ダイヤモンド．ライク．カーボン）によるコーティング処理を施す。図２において、１０はＤＬＣコーティング層である。

このように構成すれば、プランジャ１の先端部の角部に丸みＲ，あるいはＲ１を形成して、その上にコーティング材によるコーティング処理を施すことにより、該角部におけるコーティング材の剥離の発生を回避でき、プランジャ１の全面に均一なコーティング層１０を形成できる。
図４は、前記のようなプランジャ１先端部に前記のような丸みＲ，あるいはＲ１を形成した場合の、丸みＲあるいはＲ１の大きさとコーティング材の剥離の有無、及びプランジャ１摺動面の摩耗量の計測値を、前記丸み無しの場合と比較して示す。図５の明らかなように、前記丸みＲあるいはＲ１を少なくとも０．６ｍｍ以上付すことにより、コーティング材の剥離を回避でき、且つ前記丸みＲあるいはＲ１を大きくするに従い摩耗が小さくなる。

また、かかる第１実施例においては、燃料噴射ポンプ１００に供給し、プランジャ１で加圧して燃料噴射弁に圧送する燃料中に潤滑性向上剤を添加して、プランジャ１とプランジャバレル２との間の潤滑性能を向上せしめている。

図３は本発明の第２実施例に係るディーゼルエンジンの燃料噴射弁の縦断面図である。
図３において、２０は燃料噴射弁で、次のように構成されている。
２１は弁本体、２２はノズルチップ、２３は該ノズルチップ２２内の往復摺動可能に嵌合された針弁、２７は針弁ばね、２６は前記燃料噴射ポンプ１００の燃料吐出口からの噴射管（図示省略）に接続される燃料通路、２５は前記ノズルチップ２２の先端部に明けられた噴孔である。
かかる燃料噴射弁２０をそなえたエンジンの運転時において、前記燃料噴射ポンプ１００から圧送され、燃料通路２６を通って燃料溜め２８内に溜められた高圧燃料は、該高圧燃料の圧力が前記針弁２３の開弁圧つまり針弁ばね２７のセット圧によって設定された開弁圧を超え、該高圧燃料の圧力によって針弁２３が開弁すると、噴孔２５からエンジンの燃焼室内に噴射せしめられる。

本発明の第２実施例においては、前記ノズルチップ２２を軸受鋼等の特殊鋼で構成するとともに、摺動部材である前記針弁２３の母材を軸受鋼等の特殊鋼で構成したうえで、該針弁２３の表面に、前記第１実施例と同様な、コーティング処理後における前記針弁２３の表面硬度が、Ｈｖ硬度（ビッカース硬度）１０００〜２０００程度になるような炭素を主成分とするコーティング材、たとえばＤＬＣ（ダイヤモンド．ライク．カーボン）によるコーティング処理を施している。

かかる実施例によれば、特殊鋼からなるプランジャ１、あるいは特殊鋼からなる針弁２３の表面に、炭素を主成分とするコーティング材、たとえばＤＬＣ（ダイヤモンド．ライク．カーボン）によるコーティング処理を施すことによって、Ｈｖ硬度（ビッカース硬度）１０００〜２０００程度の高硬度が得られるとともに、炭素を主成分とするためプランジャ１の相手部材であるプランジャバレル２、針弁２３の相手部材であるノズルチップ２２等の特殊鋼からなる相手部材に凝着し難く、摺動のなじみ性が良好となって、高い耐摩耗性を有しつつ、良好な摺動なじみ性を保持できる。
さらに、燃料中に潤滑性向上剤を添加することにより、ＤＭＥ（ジオメチルエーテル）等のエーテル系化合物（沸点が９０℃以下で、且つ動粘度が０．７ｍｍ^２／ｓ以下である）のように低粘度の燃料を使用するエンジンであっても、プランジャ１と相手部材であるプランジャバレル２、あるいは針弁２３と相手部材であるノズルチップ２２との間の、摺動部における潤滑油膜の形成が確実になされる。

従って、かかる実施例によれば、プランジャ１、針弁２３等の摺動部材の表面に、たとえばＤＬＣ等の炭素を主成分とするコーティング材によるコーティング処理を施すことによって、高硬度で高い耐摩耗性を有しつつ良好な摺動なじみ性を保持でき、低粘度の燃料を使用する場合でも摺動部の円滑な潤滑が確実になされ耐焼付き性と耐摩耗性が向上する。
以上により、かかる実施例によれば、耐摩耗性及び耐焼付き性が向上されて、高回転数、高出力エンジンに使用しても高い耐久性を有する燃料噴射装置が得られる。
尚、前記第１実施例は、上部リード１５ａ及び下部リード１５ｂの２つのリードを有するプランジャ１であるが、小型燃料噴射ポンプのように、上部リード１５ａのみの１つのリードを有するプランジャ１の場合には、スラスト力のバランス作用がなく該スラスト力Ｔが大きくなるため、前記効果がより顕著となる。

本発明によれば、燃料噴射ポンプのプランジャや燃料噴射弁の針弁等の摺動部材の耐摩耗性を向上するとともに、該摺動部材と相手部材との間のなじみ性及び潤滑機能を向上せしめることにより、摺動部材の過大摩耗や焼付きの発生を防止して耐久性が向上された内燃機関の燃料噴射装置を提供できる。

本発明の第１実施例に係るディーゼルエンジンの燃料噴射ポンプの縦断面図である。 前記第１実施例におけるプランジャ先端部の部分拡大図である。 本発明の第２実施例に係るディーゼルエンジンの燃料噴射弁の縦断面図である。 前記第１実施例におけるプランジャ先端部形状による剥離、摩耗計測試験結果を示す比較表である。 （Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は燃料噴射ポンプの作動説明図である。

符号の説明

１００ 燃料噴射ポンプ
１ プランジャ
２ プランジャバレル
３ ポンプケース
４ 吐出弁
１０ ＤＬＣコーティング層
１４ 給排油孔
２０ 燃料噴射弁
２２ ノズルチップ
２３ 針弁
Ｒ，Ｒ１ 丸み

Claims (5)

1. 燃料噴射ポンプのプランジャにより高圧に加圧された燃料を燃料噴射弁に導入し、該燃料噴射弁の針弁の開弁によりこの燃料をエンジンの燃焼室内に噴射するように構成された内燃機関の燃料噴射装置において、前記燃料噴射ポンプ及び燃料噴射弁の摺動部材の表面に、炭素を主成分とするコーティング材によるコーティング処理を施したことを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
2. 前記摺動部材が特殊鋼からなる前記プランジャであり、該プランジャが往復摺動自在に嵌合されるプランジャバレルを特殊鋼で構成したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料噴射装置。
3. 前記プランジャは、その先端部に所定の曲率半径からなる丸みが形成され、該丸み形成部分及びこれに連なる端面及び外周面に、前記コーティング材によるコーティング処理を施したことを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の燃料噴射装置。
4. 前記摺動部材が特殊鋼からなる前記針弁であり、該針弁が往復摺動自在に嵌合されるノズルチップを特殊鋼で構成したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料噴射装置。
5. 前記燃料として、沸点が９０℃以下で、且つ動粘度が０．７ｍｍ^２／ｓ以下であるエーテル系化合物を用いることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料噴射装置。
   

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