JP2007127096A - 高圧流体蓄圧容器 - Google Patents

Abstract

【課題】内部通路孔と内外連通孔が交差する箇所での円周方向の発生応力を大幅に低減し、相対的に耐圧強度を向上させること。
【解決手段】円筒状の蓄圧容器本体１ａの内部に高圧流体を蓄圧する内部通路孔２が長手方向に形成され、前記蓄圧容器本体１ａの厚肉部を貫通して前記内部通路孔２の内周面と蓄圧容器本体１ａの外部接続部１ｂを連通させる内外連通孔３が形成された高圧流体蓄圧容器において、
前記内外連通孔３の少なくとも前記内部通路孔２との交差部位の断面形状を楕円とし、かつ前記楕円を長径（ａ）が前記内部通路孔２の円周方向に、短径（ｂ）が前記内部通路孔２の長手方向に位置させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高圧燃料を蓄圧する高圧流体蓄圧容器に関し、特に自動車用ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置のコモンレールに好適な高圧流体蓄圧容器に関するものである。

高圧流体蓄圧容器の一例として使用されているコモンレールの構造は、蓄圧容器本体の内部に高圧流体としての燃料を蓄圧する内部通路孔が長手方向に形成され、その内部通路孔と外部とを連通させる内外連通孔が形成され、蓄圧容器本体はほぼ円筒形状を呈している。また蓄圧容器本体は、エンジン負荷が増大する時の大きな燃料圧力に耐えることができるように、極めて厚肉に形成されている。蓄圧された高圧燃料によって前記蓄圧容器本体の厚肉部には長手方向応力と円周方向応力が発生する。形状が円筒状であることから、長手方向応力より円周方向応力が数倍大きく作用する。このことは工学的に自明の理である。更にコモンレール全体において最大応力が発生する部位は、内外連通孔が形成される部位、すなわち最も強度的に弱い部位である。特に内部通路孔の内周面と内外連通孔が交差する箇所は、その面が不連続かつ急激に変化しているため、応力集中が起こり大きな応力が作用し亀裂が生じやすい。

このような現象を回避するため、特許文献１のＦＩＧ２に記載されているように、内外連通孔（１１）を、その中心軸を内部通路孔（１０）の中心から偏心させて形成し、内部通路孔（１０）と内外連通孔（１１）が交差する箇所での円周方向の応力集中による応力の合力を低減{内部通路孔（１０）の内周面接線方向応力と内外連通孔（１１）の内周面垂直応力をベクトル的に同一線上方向に発生させない}させることによって、交差する箇所の耐圧強度を向上させる技術が提案されている。
特表２０００−５０１４７７号公報

しかしながら、近年のエンジンの高負荷、高速化に対して燃料噴射装置の噴射系の更なる高圧化が要求されており、上述の技術による交差箇所での発生応力の合力の緩和低減では不十分で、更なる発生応力の低減の必要性が急務となっている。そこで発明者は、長手方向の発生応力より数倍大きく発生する円周方向の集中応力の発生部位の形状を緩やかにして応力集中を緩和して減少させ、その分、発生応力の小さい長手方向の集中応力の発生部位の形状を急曲にして応力集中を増大させ、長手方向の応力集中発生応力と円周方向の応力集中発生応力との均衡を図ることに着目した。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、内部通路孔と内外連通孔が交差する箇所での円周方向の集中応力による大きな発生応力を大幅に低減することによって、耐圧強度を向上させることを目的とする。

請求項１に係る発明では、蓄圧容器本体の内部に高圧流体を蓄圧する内部通路孔が長手方向に形成され、前記蓄圧容器本体の厚肉部を貫通して前記内部通路孔と外部を連通させる内外連通孔が形成された高圧流体蓄圧容器において、前記内外連通孔の少なくとも前記内部通路孔との交差部位の断面形状を楕円にし、かつこの楕円の長径を前記内部通路孔の円周方向に、短径を前記内部通路孔の長手方向に位置させる。

上記構成によれば、内外連通孔の楕円の短径両端部すなわち楕円が長手方向中心線と交わる部位の曲面形状が円形より緩やかになり、内外連通孔の楕円の短径両端部に発生する円周方向の最大応力の大きさを、内外連通孔が円形の場合より大幅に小さくすることができ、高圧流体蓄圧容器本体の厚肉部の耐圧強度を相対的に向上させることができる。

請求項２に係る発明では、内外連通孔の楕円の長径（ａ）に対する短径（ｂ）の比の値（ｂ／ａ）を０．８≧ｂ／ａ≧０．５に設定する。

上記構成によれば、ｂ／ａの値が０．５未満では、楕円度が増し楕円の長径両端部に発生する長手方向の最大応力が大きくなって許容限度を超え、また、ｂ／ａの値が０．８を超えると楕円度が小さく円形に近づき楕円の短径両端部に発生する円周方向の最大応力の大きさを小さくできず、０．８≧ｂ／ａ≧０．５の範囲が長手方向の発生応力の許容限度内で円周方向の発生応力の大きさを最も小さくすることができる。

請求項３に係る発明では、高圧流体蓄圧容器は、自動車用ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置のコモンレールである。

上記構成によれば、耐圧強度の向上が得られるコモンレールを適用した高品位な自動車用ディーゼルエンジンの燃料噴射装置を提供することができる。

先ず、本発明になる高圧流体蓄圧容器の概要を説明する。図５は本発明になる高圧流体蓄圧容器の適用例の外観を示し、自動車用ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置のコモンレールに適用した例である。コモンレール１は、本体１ａの内部に燃料噴射装置の高圧燃料供給ポンプ（図示せず）から高圧燃料が供給され蓄圧すると共に、インジェクタ（図示せず）に高圧燃料を供給する働きをなす高圧燃料蓄圧管である。本体１ａの内部に高圧燃料を蓄圧するため、材質は中炭素鋼以上の炭素鋼あるいは合金鋼で熱間鍛造によって造られている。外観形状は、長手方向に長い円筒状を呈しており、両端に圧力センサＣとプレッシャリミッタＤが取付けられている。

圧力センサＣはコモンレール1内の燃料圧力を検出するセンサで、圧力信号が燃料噴射装置の制御回路であるＥＣＵ（図示せず）に送られる。プレッシャリミッタＤは圧力安全弁であり、コモンレール１内の燃料圧力が限界設定圧を超えた際に開弁し、コモンレール１内の燃料圧力を限界設定圧以下に抑える働きをしている。Ｅはコモンレール1に一体的に形成された車両への取付け用のステーである。

コモンレール１の本体１ａ内には、長手方向(軸線)に沿って、高圧燃料供給ポンプによって供給される高圧流体としての高圧燃料が蓄圧される内部通路孔２が形成されている。そして、この内部通路孔２は、その中心軸をコモンレール１の中心軸に略一致して形成されている。３は内外連通孔で、コモンレール本体１ａの厚肉部を貫通して形成され、一端は内部通路孔２の内周面に開口し、他端はコモンレール本体１ａの外部接続部１ｂに開口している。本実施形態のコモンレール１は、４気筒エンジンの燃料噴射装置に使用される例であり、内外連通孔３は、高圧燃料供給ポンプから高圧燃料が供給されるための連通孔が１つ、インジェクタへ供給ための連通孔が４つ形成されている。また、外部接続部１ｂには、高圧燃料供給ポンプ及びインジェクタを接続する高圧配管の管継手（図示せず）が取付けられる。また、コモンレール本体１ａの外部接続部１ｂの周囲には、高圧配管の管継手が螺合する配管締結ネジ１ｃが形成されている。

以下、本発明の高圧流体蓄圧容器の要部を説明する。図１（ａ）、（ｂ）は、本発明になる高圧流体蓄圧容器としてのコモンレールの第１実施形態を断面で示すもので、図１（ａ）は図５のＡ−Ａ線矢視拡大断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線矢視拡大断面図である。コモンレール１の本体１ａの中心には高圧燃料を蓄圧する内部通路孔２が長手方向（図面の垂直方向）に沿って形成され、横断面は円形を呈している。内外連通孔３は、その軸線が内部通路孔２の軸線と直交するように形成され、一端は内部通路孔２の内周面に開口し、他端はコモンレール本体１ａの外部接続部１ｂに開口している。

内外連通孔３は全長に亘って横断面が楕円の孔であり、図１（ｂ）に示すように、楕円の向きは、長径（ａ）が内部通路孔２の円周方向に、短径（ｂ）が内部通路孔２の長手方向に配置されている。

このように内外連通孔３の横断面形状を楕円にし、楕円の向きを、長径（ａ）が内部通路孔２の円周方向に、短径（ｂ）が内部通路孔２の長手方向に配置することにより、内部通路孔２内に高圧燃料を蓄圧させた時、内部通路孔２と内外連通孔３との交差部位{図１（ｂ）で示す楕円の線部}の円周方向の応力は、短径（ｂ）の両端部Ｘで最大応力が発生するが、両端部Ｘの形状が円形より曲率が小さく、すなわち形状が緩やかであるため、応力集中の度合いが低く内外連通孔３の孔形状が円形の場合に比べて応力集中による最大応力の大きさが大幅に小さくなる。従って、発生する最大応力を低減することにより、相対的にコモンレール本体１ａの厚肉部の耐圧強度を向上させることができる。また、内外連通孔３は、コモンレール本体１ａの外部接続部１ｂに開口しているので、最大応力発生部位であるコモンレール本体１ａの外部接続部１ｂでの円周方向の最大応力の大きさを大幅に小さくすることができる。更に本第１実施形態のコモンレール１では、内外連通孔３は、その軸線が内部通路孔２の中心を通る形状であるため、内外連通孔３の形成が容易な型式であり、上記の如く内部通路孔２と内外連通孔３との交差部位に楕円を容易に形成することができる。

また、本案においては前記内外連通孔３の楕円の度合い、すなわち長径（ａ）に対する短径（ｂ）の比（ｂ／ａ）を、０．８≧ｂ／ａ≧０．５に設定した。実験によれば楕円度（ｂ／ａ）を０．５未満の小さな値すなわち楕円の度合いを高めると、楕円の長径（ａ）の両端部Ｙには長手方向の応力集中による非常に大きな応力が発生するからである。一方、楕円度（ｂ／ａ）を、０．８を超えて大きくすると、楕円は円形に近づくため、本案の狙いである、楕円の短径（ｂ）両端部Ｘに発生する円周応力が円形の場合に比べて大幅に小さくならないからである。

一方、楕円の長径（ａ）の両端部Ｙに発生する応力集中による長手方向の応力は、両端部Ｙの形状が円形より曲率が大きく、すなわち形状が急曲しているため、応力集中の度合いが高く内外連通孔３の孔形状が円形の場合に比べて最大応力の大きさが大きくなるが、長手方向の発生応力は前述したように円周方向の発生応力に比べて遥かに小さいので、楕円の度合い（ｂ／ａ）が、ｂ／ａ≧０．５であれば長径（ａ）の両端部Ｙでの応力集中による亀裂の発生は生じない。

図２（ａ）、（ｂ）は、本発明になる高圧流体蓄圧容器としてのコモンレールの第２実施形態を断面で示すもので、内外連通孔３の変形例を示す。図２（ａ）は、内外連通孔３の変形例として図５のＡ−Ａ線矢視拡大断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ線矢視拡大断面図である。内外連通孔３の変形例として、内外連通孔３の内部通路孔２側先端部にオリフィス３ａが設けられている例である。このオリフィス３ａは、内外連通孔３から高圧燃料がインジェクタに供給される際、内外連通孔３内の燃料圧力が低下するのに伴い内部通路孔２内の燃料圧力が低下するのを防止するために設けられている。そして本案においては、オリフィス３ａは内外通路３の一部である。

本第２実施形態においても、内外連通孔３及びオリフィス３ａは、その全長に亘って横断面が楕円に形成してある。なお、オリフィス３ａは孔が小さいので、放電加工によって形成されている。オリフィス３ａと内部通路孔２との交差部の楕円の形状は、図２（ｂ）に示すように、楕円の向きは、長径（ａ）が内部通路孔２の円周方向に、短径（ｂ）が内部通路孔２の長手方向に配置されている。これは図１（ｂ）で説明した第１実施形態の場合と同様である。また、オリフィス３ａの孔断面の楕円の度合い、すなわち長径（ａ）に対する短径（ｂ）の比（ｂ／ａ）は、第１実施形態の場合と同様の理由で０．８≧ｂ／ａ≧０．５に設定した。

このようにオリフィス３ａを有する内外連通孔３の場合であっても、オリフィス３ａの内部通路孔２との交差部の断面形状を楕円とし、楕円の向きを長径（ａ）が内部通路孔２の円周方向に、短径（ｂ）が内部通路孔２の長手方向に配置し、楕円の度合い（ｂ／ａ）を０．８≧ｂ／ａ≧０．５に設定しているので、上述の第１実施形態で説明した同様の効果が得られる。また、本第２実施形態でも内外連通孔３及びオリフィス３ａは、その軸線が内部通路孔２の中心を通る形状であるため、内外連通孔３及びオリフィス３ａの形成が容易な型式で上記の如く内部通路孔２とオリフィス３ａとの交差部位に楕円を形成することができる。

図３（ａ）、（ｂ）は、本発明になる高圧流体蓄圧容器としてのコモンレールの第３実施形態を断面で示すもので、内外連通孔３の他の変形例を示す。図３（ａ）は、内外連通孔３の他の変形例として図５のＡ−Ａ線矢視拡大断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ線矢視拡大断面図である。本実施形態では、内外連通孔３の軸心が内部通路孔２の中心から所定距離ｅだけ偏心して設けられている。内外連通孔３を偏心させるのは、軸心を内部通路孔２の中心に一致させる場合（図１の場合）に比べて円周方向の発生応力の合力を小さくすることができ、相対的に耐圧強度の向上が得られるためである。

本第３実施形態においても、偏心内外連通孔３は、その全長に亘って横断面が楕円に形成してある。偏心内外連通孔３と内部通路孔２との交差部の楕円の形状は、図３（ｂ）に示すように、楕円の向きは、長径（ａ）が内部通路孔２の円周方向に、短径（ｂ）が内部通路孔２の長手方向に配置されている。これは図１（ｂ）で説明した第１実施形態の場合と同様である。また、偏心した内外連通孔３の孔断面の楕円の度合い、すなわち長径（ａ）に対する短径（ｂ）の比（ｂ／ａ）は、第１実施形態の場合と同様の理由で０．８≧ｂ／ａ≧０．５に設定した。

このように内外連通孔３が偏心して設けられた場合であっても、偏心した内外連通孔３と内部通路孔２との交差部の断面形状を楕円とし、楕円の向きを長径（ａ）が内部通路孔２の円周方向に、短径（ｂ）が内部通路孔２の長手方向に配置し、楕円の度合い（ｂ／ａ）を０．８≧ｂ／ａ≧０．５に設定しているので、上述の第１実施形態で説明した同様の効果が得られる。

図４（ａ）、（ｂ）は、本発明になる高圧流体蓄圧容器としてのコモンレールの第４実施形態を断面で示すもので、内外連通孔３の更に他の変形例を示す。図４（ａ）は、内外連通孔３の変形例として図５のＡ−Ａ線矢視拡大断面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ線矢視拡大断面図である。内外連通孔３の変形例として、内外連通孔３の軸心が内部通路孔２の中心から所定距離ｅだけ偏心して設けられ、更に偏心内外連通孔３の内部通路孔２側先端部にオリフィス３ａが設けられている例である。内外連通孔３を偏心して設ける理由は上述の第２実施形態で、オリフィス３ａを設ける理由は第３実施形態でそれぞれ説明した通りである。また、オリフィス３ａは放電加工によって形成されている。

本第４実施形態においても、オリフィス３ａは、その全長に亘って横断面が楕円に形成してある。オリフィス３ａと内部通路孔２との交差部の楕円の形状は、図４（ｂ）に示すように、楕円の向きは、長径（ａ）が内部通路孔２の円周方向に、短径（ｂ）が内部通路孔２の長手方向に配置されている。これは図１で説明した第１実施形態の場合と同様である。また、オリフィス３ａの孔断面の楕円の度合い、すなわち長径（ａ）に対する短径（ｂ）の比（ｂ／ａ）は、第１実施形態の場合と同様の理由で０．８≧ｂ／ａ≧０．５に設定した。

このように内外連通孔３が偏心して設けられ、且つ偏心内外連通孔３の内部通路孔２側先端部にオリフィス３ａが設けられている場合であっても、オリフィス３ａと内部通路孔２との交差部の断面形状を楕円とし、楕円の向きを長径（ａ）が内部通路孔２の円周方向に、短径（ｂ）が内部通路孔２の長手方向に配置し、楕円の度合い（ｂ／ａ）を０．８≧ｂ／ａ≧０．５に設定しているので、上述の第２実施形態で説明した同様の効果が得られる。

なお、上記第１、２実施形態においては、オリフィス３ａを含む内外連通孔３は、その軸線が内部通路孔２の中心を通る形状であるため、内部通路孔２との交差部位に発生する円周応力は、上記第３，４実施形態における偏心した内外連通孔３の場合に比べて大きいので、楕円の度合い（ｂ／ａ）を高く（０．５に近づける）設定するのが望ましい。一方、上記第３，４実施形態においては、内外連通孔３が偏心しているので、発生応力は、第１、２実施形態の場合に比べて緩和され小さいので、楕円の度合い（ｂ／ａ）を低く（０．８に近づける）しても同じ効果が得られる。

また、上述の実施形態においては、本発明になる高圧流体蓄圧容器を、自動車用ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置のコモンレールに適用した例であったが、自動車用ガソリンエンジンのコモンレール式燃料噴射装置のコモンレールや、自動車以外のエンジンの燃料噴射装置のコモンレールであってもよく、本案は、そのほか内部に高圧流体を蓄圧する容器であってもよく、外形は必ずしも円形の筒状体でなくてもよく、角形の筒状体であればよい。そして高圧流体は、高圧燃料以外の高圧液体や高圧気体であってもよい。

更に、本案においては、内外連通孔３とは、内部通路孔２と外部とを連通している孔を意味し、軸心が偏心している内外連通孔３は勿論のこと、図２（ａ）及び図４（ａ）に示すオリフィス３ａも前述のごとく内外連通孔３の一部（定義の範疇）である。

更に、上述の実施形態では、オリフィス３ａを含む内外連通孔３の横断面形状を、全長に亘って楕円としたが、必ずしも全長に亘って楕円でなくてもよく、少なくとも内部通路孔２と交差する近傍部が楕円であればよく、同様の効果を得ることができる。

本発明の第１実施形態を示すもので、図１（ａ）は図５のＡ−Ａ線矢視拡大断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線矢視拡大断面図である。 本発明の第２実施形態を示すもので、図２（ａ）は図５のＡ−Ａ線矢視拡大断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線矢視拡大断面図である。 本発明の第３実施形態を示すもので、図３（ａ）は図５のＡ−Ａ線矢視拡大断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線矢視拡大断面図である。 本発明の第４実施形態を示すもので、図４（ａ）は図５のＡ−Ａ線矢視拡大断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線矢視拡大断面図である。 自動車用ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置のコモンレールの外観図である。

符号の説明

１ 高圧流体蓄圧容器としてのコモンレール
１ａ コモンレール本体
１ｂ 外部接続部
１ｃ 配管締結ネジ
２ 内部通路孔
３ 内外連通孔
３ａ オリフィス
ａ 楕円の長径
ｂ 楕円の短径
Ｘ 楕円の短径両端部
Ｙ 楕円の長径両端部

Claims (3)

1. 蓄圧容器本体の内部に高圧流体を蓄圧する内部通路孔が長手方向に形成され、前記蓄圧容器本体の厚肉部を貫通して前記内部通路孔と外部を連通させる内外連通孔が形成された高圧流体蓄圧容器において、
   前記内外連通孔の少なくとも前記内部通路孔との交差部位の断面形状を楕円とし、
   かつ前記楕円を長径が前記内部通路孔の円周方向に、短径が前記内部通路孔の長手方向に位置させたことを特徴とする高圧流体蓄圧容器。
2. 前記内外連通孔の楕円の長径（ａ）に対する短径（ｂ）の比の値（ｂ／ａ）は、０．８≧ｂ／ａ≧０．５である請求項１記載の高圧流体蓄圧容器。
3. 前記高圧流体蓄圧容器は、自動車用ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置のコモンレールである請求項１又は２記載の高圧流体蓄圧容器。