JP2007192025A - 内燃機関の燃料噴射装置およびスピンドルガイドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スピンドルガイドを補修することにより長期にわたって繰り返し再利用可能となり、メンテナンスコストを低減する。
【解決手段】スピンドルガイド１を、スピンドル３６にスライド自在に外嵌された本体部１１と、弁座シート３および弁穴２を有し圧力室１０を形成する弁形成部１２とで構成し、本体部１１が表面硬化層を有する金属材料により形成されるとともに、弁形成部１２が芯部まで硬化されて本体部１１と異なる金属材料により形成され、本体部１１と弁形成部１２とが、分離面１３の凹部と凸部とを冷やし嵌めして一体化された。回収されたスピンドルガイドの弁座シートを研磨して補修し再利用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンなどの内燃機関の燃料噴射装置およびスピンドルガイドの製造方法に関する。

従来の内燃機関の燃料噴射装置は、たとえば特許文献１に示されるように、押しばねにより先端側に付勢されたスピンドルが、スピンドルガイドにスライド自在に内嵌されており、スピンドルの先端部にニードル弁体が設けられている。そしてスピンドルガイドの先端部内には、圧力室が形成されるとともに、圧力室と噴射ノズルとを接続する弁穴が形成され、さらに圧力室内の弁穴の周囲に弁座シートが形成されている。そしてこの圧力室内でスピンドルにより出退されるニードル弁体が弁座シートに当接・離間されて弁穴が開閉される。
特許第３３０１６１６号公報

上記従来構成では、噴射工程において、燃料がスピンドルの給油穴から圧力室に供給されると、燃料の圧力により、押しばねに抗してスピンドルが押し戻され、ニードル弁体が弁座シートから離れて弁穴が開放される。これにより燃料が噴射ノズルに供給されて燃焼室内に噴射される。この噴射工程が繰り返されニードル弁体が当接、離間されることから、スピンドルガイドの弁座シート部分の耐磨耗性が重要視され、スピンドルガイドはたとえば窒化処理や熱処理（浸炭肌焼入れ、焼もどし）により表面硬化層が形成されていた。上記窒化処理では表面から約０．５ｍｍの深さの表面硬化層が形成され、また浸炭肌焼入れ、焼もどしでは表面から約１．５ｍｍの深さの表面硬化層が形成される。

しかし、上記燃料噴射装置をたとえば舶用内燃機関であるディーゼルエンジンに採用した場合、従来では、スピンドルガイドの弁座シートが、１０００〜３０００時間（約４０日〜１２５日前後）で損耗（へたり、硬化層の剥離）が見られ、スピンドルガイドを新しいものと交換していた。

そして、回収されたスピンドルガイドは、補修のために研磨すると表面硬化層が無くなるため、再利用することができず、廃棄処分されていた。このため、スピンドルガイドが高価で寿命が短いという問題があった。

このスピンドルガイドを、熱処理により芯部まで硬化可能な金属材料を使用して製作することも考えられるが、金属材料が高価で高コストになるという問題がある。
本発明は上記問題点を解決して、補修することによりスピンドルガイドが長期にわたって繰り返し再利用可能となり、メンテナンスコストを低減できる内燃機関の燃料噴射装置およびスピンドルガイドの製造方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、付勢部材により先端側に付勢されたスピンドルと、当該スピンドルにその軸心方向にスライド自在に外嵌されたスピンドルガイドと、前記スピンドルガイドの先端部に形成された圧力室に弁穴を介して接続された噴射ノズルと、前記スピンドルガイドの弁穴の周囲に形成されて当該スピンドル先端部の弁体部が当接される弁座シートとを具備し、前記スピンドルの給油穴から供給される燃料を前記スピンドルガイドの前記圧力室から前記弁穴を介して前記噴射ノズルに供給し燃焼室に噴射する内燃機関の燃料噴射装置において、前記スピンドルガイドを、前記スピンドルにスライド自在に嵌合されるスライド穴を有する本体部と、前記弁座シートおよび前記弁穴を有し前記圧力室を形成する弁形成部とで構成し、前記本体部および前記弁形成部は金属材料により形成されるとともに、前記本体部は表面硬化処理により表面硬化層が形成され、前記弁形成部は熱処理により芯部まで硬化されたものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成において、本体部と弁形成部とはスピンドルの軸心と直交する分離面を介して分離され、前記本体部と前記弁形成部の分離面の一方に凹部を形成するとともに、他方に凸部を形成し、前記凹部に前記凸部とを冷やしばめにより接合してスピンドルガイドを一体化したものである。

請求項３記載の発明は、本体部の金属材料は、窒化鋼または肌焼き鋼が使用され、弁形成部の金属材料は、高速度鋼または合金工具鋼が使用されたものである。
請求項４記載の内燃機関の燃料噴射装置におけるスピンドルガイドの製造方法は、請求項２記載の内燃機関の燃料噴射装置のスピンドルガイドを製造するに際し、表面処理または熱処理により表面硬化層が形成された本体部と、熱処理により芯部まで硬化された弁形成部とを、分離面に形成された凹部と凸部とを冷やしばめにより一体接合した後、前記スライド穴を基準として弁座シートを研磨し芯出しして仕上げ加工するものである。

請求項１記載の発明によれば、圧力室への燃料供給圧と付勢部材とにより繰り返し出退されるスピンドルにより、その先端部に設けられた弁体部が当接、離間を繰り返して、損耗の激しい弁座シートを有するスピンドルガイドを、スピンドルに外嵌された本体部と、弁座シートおよび弁穴を有する弁形成部とで構成するとともに、本体部と弁形成部を異種の金属材料により形成し、本体部に表面硬化層を形成し、弁形成部を芯部まで硬化するように構成したので、弁座シートが損耗して回収されたスピンドルガイドを、弁座シートを研磨補修することで再利用することができる。この再利用回数は、弁座シート部分の厚みが強度的に耐えられなくなるまで可能で、また弁座シート部分の厚みが薄くなった場合には、弁形成部のみを交換することにより、再利用することができる。これにより、短期間で交換回収され廃棄されていたスピンドルガイドを、長期間にわたって何度でも再利用することができ、メンテナンスコストを大幅に低減することができる。

請求項２記載の発明によれば、スピンドルガイドの本体部と弁形成部とを、分離面に形成された凹部と凸部とを冷やしばめにより一体接合するので、高温に晒されるスピンドルガイドを強固に接合することができる。

請求項３記載の発明によれば、本体部を安価な窒化鋼または肌焼き鋼により形成して表面硬化層を形成し、弁形成部を高価な高速度鋼または合金工具鋼により形成して芯部まで硬化することで、スピンドルガイドを安価で提供することができる。

請求項４記載の発明によれば、スピンドルガイドの本体部と弁形成部とを、分離面の凹部と凸部を冷やしばめにより接合し、さらにスライド穴を基準として弁座シートを研磨仕上げすることで、高精度で十分な耐磨耗性を有しかつ再利用可能なスピンドルガイドを製造することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図３に示すように、この燃料噴射装置２１は、たとえば舶用ディーゼル機関の２サイクルのクロスヘッド用エンジンに使用されるもので、取付フランジ２２ａを有する弁頭部２２と、この弁頭部２２から先端側に伸びて噴射ノズル２３を保持する外側ハウジング２４とを具備し、弁頭部２２から外側ハウジング２４の基端側内に、低圧の燃料油を排出する排出弁２６が設けられ、また外側ハウジング２４の先端側内に噴射弁３０が設けられている。そして弁頭部２２から外側ハウジング２４、噴射ノズル２３に軸心部に沿って燃料供給通路２５が形成され、この燃料供給通路２５に排出弁２６と噴射弁３０がそれぞれ介在されている。

前記外側ハウジング２４内で、排出弁２６の弁穴２６ａを有する弁ハウジング２７の前部に、燃料供給穴３１ａが軸心部に形成されたスラストスピンドル３１が配置されており、このスラストスピンドル３１の先端側に加圧筒３３と加圧ピース３４とが軸心方向にスライド自在に外嵌されている。そして、スラストスピンドル３１の基端側に突設された鍔部３１ｂと加圧筒３３の鍔部との間でスラストスピンドル３１に押しばね（付勢部材）３２が遊嵌されている。さらにスラストスピンドル３１の先端側にスラストピース３５を介してスピンドル３６が配置されている。前記スラストピース３５には、先端筒部３５ｂが形成されるとともに、給油連通穴３５ａが軸心部に形成されている。そしてスラストピース３５の先端筒部３５ｂに、スピンドル３６が接続穴部３６ａを介してスライド自在に外嵌されており、このスピンドル３６は押しばね３２により加圧筒３３および加圧ピース３４を介して先端側に付勢されている。４１は鍔部３１ｂと押しばね３２との間に介装された調整用シムである。

図１に示すように、スピンドル３６は、基端側から大径接続部３６ｄとテーパ部３６ｆと小径のスライド筒部３６ｅとが形成され、軸心部には、大径接続部３６ｄ内に形成された接続穴部３６ａと、スライド筒部３６ｅ内に形成された給油穴３６ｂと、スピンドル３６の先端部に傾斜拡開方向に形成された複数の吐出穴３６ｃとが連通して形成されている。またスピンドル３６の先端部にニードル弁体（弁体部）３７が突設され、このニードル弁体３７の外周部に前記吐出穴３６ｃが開口されている。スピンドル３６に外嵌されたスピンドルガイド１は先端面が閉じられた円筒形で、基端部がスラストピース３５に支持され、先端部内に圧力室１０が形成されている。またスピンドルガイド１の先端部には、前記ニードル弁体３７により開閉される弁穴２が軸心位置に形成され、この弁穴２の内面周囲にニードル弁体３７の円錐状の当接面が当接、離間する弁座シート３が形成されている。前記噴射弁３０は、ニードル弁体３７を有するスピンドル３６と、弁穴２および弁座シート３を有し圧力室１０を形成するスピンドルガイド１とにより構成される。

上記構成において、噴射工程になると、所定圧の燃料が燃料供給通路２５に供給され、排出弁２６を通過してスラストスピンドル３１の燃料供給穴３１ａから給油連通穴３５ａ、給油穴３６ｂおよび吐出穴３６ｃを介して圧力室１０に流入される。圧力室１０では、燃料の圧力により、押しばね３２に抗してスピンドル３６がストロークｄの範囲で押し上げられ、ニードル弁体３７が弁座シート３から後退離間されて弁穴２が開放される。これにより、燃料が弁穴２から噴射ノズル２３に流入されて燃焼室（図示せず）に噴射される。噴射工程が終わり燃料油の圧力が減少されると、押しばね３２の作用によりスピンドル３６が押し下げられ、ニードル弁体３７が弁座シート３に当接して弁穴２が閉じられる。このように燃料の噴射ごとに、燃料の圧力と押しばね３２の作用とによりスピンドル３６の出退が繰り返され、ニードル弁体３７と弁座シート３の当接、離間動作が繰り返される。

本発明に係るスピンドルガイド１は、上述したように燃料の噴射ごとにニードル弁体３７と弁座シート３との当接、離間動作が繰り返されて噴射弁３０が開閉されることから、弁座シート３が磨耗、損傷してキャビテーションや燃焼不良などが発生する。これに対処するために損耗したスピンドルガイド１が新しいスピンドルガイド１に交換される。本発明では、回収されたスピンドルガイド１を再利用可能なように構成したものである。

すなわち、図１，図２に示すように、スピンドルガイド１は、基端大径部４と、先窄まり状のテーパ部５と、噴射ノズル２３の基端部に当接される湾曲凸状の接続面部６とを有し、また軸心部には基端側から順に、基端大径部４内でスピンドル３６の大径接続部３６ｄが遊嵌される嵌合穴７と、テーパ部５の内側でスピンドル３６のスライド筒部３６ｅがスライド自在に嵌合されるスライド穴８と、テーパ部５の先端側内で圧力室１０を形成する圧力室形成部９と、弁座シート３と、弁穴２とが形成されている。また圧力室形成部９は、基端側からスライド穴８より少し内径が大きい平行穴部９ａと、平行穴部９ａから先端側ほど縮径されたテーパ穴部９ｂと、テーパ穴９ｂの先端から縮径された段部９ｃにより形成されている。また弁座シート３は、ニードル弁体３７のテーパ状開閉面に対応して、段部９ｃの内径縁部から先端側ほど縮径された円錐状のテーパ面に形成され、先端部が弁穴２に接続される。

このスピンドルガイド１は、嵌合穴７とスライド穴８とを有する本体部１１と、圧力室形成部９、弁座シート３および弁穴２を有する弁形成部１２とで構成されている。そして本体部１１は、表面硬化層を有する金属材料により形成され、また弁形成部１２は、芯部まで硬化された金属材料により形成され、本体部１１と弁形成部１２とは異種の金属材料により形成されているが、表面硬化処理により表面硬化層が形成でき、かつ熱処理により芯部まで硬化できれば、同種の金属材料であってもよい。

前記本体部１１と弁形成部１２とは、圧力室形成部９の平行穴部９ａの基端側近傍で、スピンドル３６の軸心と直交する分離面１３を介して一体に接続されている。これは、スライド穴８の部分に分離面を形成した場合、分離面に段差が生じるとスピンドル３６の出退に支障が生じ、その仕上げ研磨に多大な労力が必要になるためであり、またテーパ穴部９ｂに分離面を形成すると、弁形成部１２の軸心方向の長さが短くなりすぎて、加工や治工具の製作が困難になり、また傾斜部分の接合が難しくなるためである。

前記分離面１３には、本体部１１側で平行穴部９ａの周囲に突出された環状部により円径の凹部１３ａが形成され、また弁形成部１２側に前記凹部１３ａに嵌合される円径の凸部１３ｂが形成されている。そして前記凸部１３ｂの外径が凹部１３ａの内径より僅かに大きく形成されて冷やしばめにより嵌合されスピンドルガイド１が一体に接合されている。なお、本体部１１側に凸部１３ｂを、弁形成部１２側に凹部１３ａを形成することもできるが、後述する本体部１１と弁形成部１２の金属材料のうち、熱膨張係数の小さい側を凹部に、大きい側を凸部にするほうが望ましい。

本体部１１の金属材料として、鋼にたとえばアルミニウム、クロム、モリブデンなどを含有し、窒化処理（表面硬化処理）により厚みが約０．５ｍｍ程度の表面硬化層を形成可能な窒化鋼（たとえばＳＡＣＭ６４５）や、低炭素鋼および低炭素合金鋼を熱処理（表面硬化処理）により浸炭焼入れ、焼もどしして厚みが約１．５ｍｍ程度の表面硬化層を形成可能な肌焼き鋼（たとえばＳＣＭ４１５）、浸炭焼入れ、焼もどしして厚みが約１．５ｍｍ程度の表面硬化層を形成可能な機械構造用のクロムモリブデン強じん鋼（たとえばＳＣＭ４２０）などが使用される。

また弁形成部１２の金属材料として、高温下での耐磨耗性を高めるために鋼にクロム、モリブデン、タングステン、バナジウムなどの金属を多く添加し、焼もどし抵抗性が高く、焼き入れ・焼もどしなどの熱処理により芯部まで硬化可能な高速度鋼（たとえばＳＫＨ２）や、鋼にマンガン、ニッケル、クロム、モリブデン、タングステン、バナジウムなどの金属を１種以上添加し、焼き入れ、焼もどしなどの熱処理により芯部まで硬化可能な合金工具鋼（たとえば耐磨耗不変形用のＳＫＤ１１や耐衝撃用ＳＫＳ４など）などが使用される。

次にスピンドルガイド１の製造方法を説明する。まず、切削などの機械加工などにより本体部１１を形成し、窒化処理または浸炭焼入れ・焼もどしなどの処理により表面硬化層を形成し、研磨により仕上げを行う。この時に基準穴となるスライド穴８が高精度で仕上げられる。また切削などの機械加工などにより弁形成部１２を形成し、焼き入れ、焼き戻しにより芯部まで硬化を行い、さらに研磨仕上げされる。

弁形成部１２の金属材料がたとえば高速度鋼の場合、弁シート部３に研磨仕上げ用厚みを残して機械仕上げ加工を施した後、熱処理工程において、処理炉により約１２６０〜１３００℃で油焼き入れし、次に約５５０〜５８０℃で焼きもどし（空冷）を行う。この焼きもどし時に完全にマルテンサイト組織にならずに残った残留オーステナイトとマルテンサイト化によって生じる内部歪を除去する目的で、再度繰り返し焼きもどしを施す。

これにより強靭な硬さを芯部まで確保した弁形成部１２を製造することができ、たとえば燃焼ガスが逆流して通常の使用温度である１５０℃以上に（約２８０℃まで）上昇しても、弁座シート３の硬度が低下することがない。ここで、通常の浸炭焼き入れ・焼もどしの場合では、焼もどし温度が１７５から１８０℃程度のため、この温度以上では硬度が低下する。

次いで、本体部１１の分離面１３の凹部１３ａに、弁形成部１２の凸部１３ｂが冷やしばめにより嵌合され、スピンドルガイド１が一体に接合される。
さらに研磨機により、スピンドルガイド１のスライド穴８を基準穴として、まず弁穴２を同一軸心上に芯出し加工する。次いで、図４に示すように、研磨機の回転振動台Ａの自動芯出しチャックＢに、スライド穴８を基準穴としてスピンドルガイド１を把持させ、スライド穴８と同一外径に形成されて先端部に砥石Ｄを有する研磨スピンドルＣを嵌合穴７から挿入し、砥石Ｄにより弁座シート３の研磨仕上げを行う。この研磨時には、回転振動台Ａが矢印ｙ方向に０．１ｍｍのストロークで振動されるとともにチャックＢを介してスピンドルガイド１が時計周りに回転され、研磨スピンドルＣが反時計周りに回転されつつ、軸心に沿う矢印ｘ方向に０．２ｍｍのストロークで振動されており、これにより、砥石Ｄの研磨面と弁座シート３との線接触を繰り返し行い、芯出しを行いながら研磨される。

弁座シート３の損耗や硬化層の剥離などにより交換され回収されたスピンドルガイド１は、ホーニング盤により補修される。図５に示すように、スライド穴８を基準穴として、チャックＥにスピンドルガイド１を芯出しして把持し、手動により、嵌合穴７から回転軸心方向に沿ってスライド穴８と同一外径に形成された研磨スピンドルＦをスライド穴８に挿入し、その先端部に設けられた砥石Ｇにより弁座シート３を研磨し補修する。なお、ここで補修により弁座シート３が研磨されて先端側に変位するが、この変位量は、押しばね３２と鍔部３１ｂとの間に介装された調整用シム４１の厚みを変更して調整される。

従来の弁座シートの表面硬化層では、硬度がＨｖ７００〜７７２の厚みが約０．２ｍｍ程度であり、０．２ｍｍ以上の研磨を行うと弁座シートの硬度が低下して使用できなくなったが、上記実施の形態では、弁座シート３を有する弁形成部１２全体が芯部まで高硬度であるので、何度でも研磨して補修可能となり、弁座シート３部分の厚みが使用に耐える強度以下になるまで、繰り返して再利用することができる。また弁座シート３部分の厚みが小さくなった場合には、本体部１１から弁形成部１２を取り外し、新しい弁形成部１２を本体部１１に冷やしばめにより装着することにより再利用することができ、弁形成部１２のみの交換で済む。

上記実施の形態によれば、圧力室１０に供給される燃料の圧力と押しばね３２の作用によりスピンドル３６が繰り返し出退されて、スピンドル３６のニードル弁体３７が当接する弁座シート３が損耗した場合、従来では弁座シートを含むスピンドルガイドを交換し、回収したスピンドルガイドは廃棄していたが、本発明では、スピンドルガイド１を、表面硬化層を有する本体部１１と、本体部１１と異なる金属材料により形成されて芯部まで硬化された弁形成部１２とで構成し、回収されたスピンドルガイド１を、弁形成部１２に形成された弁座シート３を研磨して補修することで、再利用可能となる。この再利用回数は、弁座シート３部分の材料強度が十分に得られる厚みの範囲で補修可能であり、また弁座シート３部分の厚みが薄くなっても、弁形成部１２のみを交換することにより、再利用が可能となる。これにより、短期間で交換回収され廃棄されていたスピンドルガイド１を、補修して長期間にわたって何度でも再利用することができ、メンテナンスコストを大幅に低減することができる。

またスピンドルガイド１の本体部１１と弁形成部１２とを分離面１３で分離するとともに、分離面１３に形成された凹部１３ａと凸部１３ｂとを冷やしばめにより接合するので、高温に晒されるスピンドルガイド１を強固に接合して一体化することができる。

さらに体積の大きい本体部１１を安価な窒化鋼または肌焼き鋼を使用し、体積の小さい弁形成部１２を高価な高速度鋼または合金工具鋼を使用することで、部品コストを削減することができる。

さらにまた、スピンドルガイド１の製造時に、スピンドルガイド１の本体部１１と弁形成部１２とを、分離面１３の凹部１３ａと凸部１３ｂを冷やしばめにより接合し、さらにスライド穴８を基準として弁座シート３を研磨仕上げすることで、高精度で芯出しできて十分な耐磨耗性を有しかつ再利用可能なスピンドルガイド１を容易に製造することができる。

本発明に係るディーゼル機関の燃料噴射装置の実施の形態を示し、先端部分の縦断面図である。 同燃料噴射装置のスピンドルガイドを示す全体縦断面図である。 同燃料噴射装置の全体縦断面図である。 同スピンドルガイドの製造方法を示す説明図である。 同スピンドルガイドの補修方法を示す説明図である。

符号の説明

１ スピンドルガイド
２ 弁穴
３ 弁座シート
４ 基端大径部
５ テーパ部
６ 接続面部
７ 嵌合穴
８ スライド穴
９ 圧力室形成部
９ａ 平行穴部
１０ 圧力室
１１ 本体部
１２ 弁形成部
１３ 分離面
１３ａ 凹部
１３ｂ 凸部
２１ 燃料噴射装置
２２ 弁頭部
２３ 噴射ノズル
２４ 外側ハウジング
２５ 燃料供給通路
２６ 排出弁
３０ 噴射弁
３１ スラストスピンドル
３２ 押しばね
３３ 加圧筒
３４ 加圧ピース
３５ スラストピース
３６ スピンドル
３６ａ 接続用穴部
３６ｂ 給油穴
３６ｃ 吐出穴
３７ ニードル弁体
４１ 調整用シム

Claims (4)

1. 付勢部材により先端側に付勢されたスピンドルと、当該スピンドルにその軸心方向にスライド自在に外嵌されたスピンドルガイドと、前記スピンドルガイドの先端部に形成された圧力室に弁穴を介して接続された噴射ノズルと、前記スピンドルガイドの弁穴の周囲に形成されて当該スピンドル先端部の弁体部が当接される弁座シートとを具備し、前記スピンドルの給油穴から供給される燃料を前記スピンドルガイドの前記圧力室から前記弁穴を介して前記噴射ノズルに供給し燃焼室に噴射する内燃機関の燃料噴射装置において、
   前記スピンドルガイドを、前記スピンドルにスライド自在に嵌合されるスライド穴を有する本体部と、前記弁座シートおよび前記弁穴を有し前記圧力室を形成する弁形成部とで構成し、
   前記本体部および前記弁形成部は金属材料により形成されるとともに、前記本体部は表面硬化処理により表面硬化層が形成され、前記弁形成部は熱処理により芯部まで硬化された
   内燃機関の燃料噴射装置。
2. 本体部と弁形成部とはスピンドルの軸心と直交する分離面を介して分離され、
   前記本体部と前記弁形成部の分離面の一方に凹部が形成されるとともに、他方に凸部が形成され、前記凹部に前記凸部が冷やしばめにより嵌合されてスピンドルガイドが一体化された
   請求項１記載の内燃機関の燃料噴射装置。
3. 本体部の金属材料は、窒化鋼または肌焼き鋼が使用され、
   弁形成部の金属材料は、高速度鋼または合金工具鋼が使用された
   請求項１または２記載の内燃機関の燃料噴射装置。
4. 請求項２記載の内燃機関の燃料噴射装置のスピンドルガイドを製造するに際し、
   表面処理または熱処理により表面硬化層が形成された本体部と、熱処理により芯部まで硬化された弁形成部とを、分離面に形成された凹部と凸部とを冷やしばめして一体接合した後、前記スライド穴を基準として弁座シートを研磨し芯出しして仕上げ加工する
   内燃機関の燃料噴射装置におけるスピンドルガイドの製造方法。

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