JP2007247519A

JP2007247519A - 燃料噴射弁およびその製造方法

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Publication number: JP2007247519A
Application number: JP2006071475A
Authority: JP
Inventors: Katsuto Kumagai; 勝人熊谷; Hiroshi Okada; 弘岡田; Hiroshi Yamada; 博山田; Yasuhiro Mogi; 康広茂木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2007-09-27
Also published as: CN101037983A; DE102007012476A1; US20070228192A1

Abstract

【課題】燃料噴射弁において、より容易に閉弁時のシール性能を高める。
【解決手段】燃料噴射弁において、ステップＳ１３において弁体と弁座とが相互に当接する部分のうち少なくともいずれか一方（例えば弁座）の表層を加熱して軟化させる処理を施した後、ステップＳ１４において弁体と弁座とを相互に押圧して相互に当接する部分をなじませる処理を施すようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関用の燃料噴射弁およびその製造方法に関する。

従来より種々の燃料噴射弁が提案されている。特許文献１は、その一例としての燃料噴射弁を開示する。

特許文献１の燃料噴射弁は、弁座が形成された弁座部材と、弁座に離着座する弁体と、弁体を閉弁方向に付勢する付勢手段と、磁気吸引力を発生させて弁座を離座させる電磁コイルと、を備えており、電磁コイルを通電して弁体を弁座から離座させたときに燃料が噴射される一方、電磁コイルの通電を解除すると、付勢手段によって弁体が弁座に着座して、燃料噴射が停止するようになっている。

近年、環境保護の観点から、この種の燃料噴射弁では、閉弁状態での燃料シール性能に対する要求が厳しくなっている。

そこで、従来は、弁体あるいは弁座の面粗度を低くするなど加工精度を向上させたり、燃料噴射弁を組み立てた後に開閉弁動作を多数回反復して行って弁体と弁座とをなじませたりすることで、シール性能を向上させようとしていた。
特開２０００−１４５５８９号公報

しかしながら、加工精度を向上させようとすると、手間がかかって製造コストの増大につながる上、加工後に溶接処理を行う場合には、溶接による歪みに対して十分な対策を行うのが難しくなるという問題があった。

一方、燃料噴射弁を組み立てた後に開閉弁動作を多数回反復して行って弁体と弁座とをなじませることでシール性能を高めようとすると、開閉弁動作を極めて多くの回数反復させることが必要となり、手間がかかって製造コストの増大を招くという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料噴射弁において、より容易に閉弁時のシール性能を高めることにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、燃料噴射弁において、弁体と弁座とが相互に当接する部分のうち少なくともいずれか一方の表層を加熱して軟化させる処理を施した後、弁体と弁座とを相互に押圧して上記相互に当接する部分をなじませる処理を施したことを趣旨とする。

また、請求項２の発明は、上記請求項１の発明において、上記相互に当接する部分のうち少なくともいずれか一方の表層を加熱して軟化させる処理を、電子ビームまたはレーザビームの照射によって行うことを特徴としている。

また、請求項３の発明は、燃料噴射弁の製造方法であって、弁体および弁座部材のうち少なくとも一方について他方と当接する部分の表層を加熱して軟化させる工程と、上記弁体と弁座部材とを相互に押圧してそれらが相互に当接する部分をなじませる工程と、を備えることを趣旨とする。

請求項１または請求項３の発明によれば、弁体と弁座とが相互に当接する部分のうち少なくともいずれか一方の表層を加熱して軟化させた後に、弁体と弁座とを相互に押圧して上記相互に当接する部分をなじませるようにしたため、表層の硬度を低下させた分、弁体と弁座とが相互になじみやすくなってシール性が向上する上、開閉弁動作を反復することによってなじませる場合には、所要のシール性能を得るのに必要な反復回数を従来に比べて著しく減らすことができるようになって、製造コストの削減に資するという利点がある。

請求項２の発明によれば、電子ビームまたはレーザビームの照射によって加熱処理を行うことで、照射条件の設定等により、処理する位置や深さ、硬度等についてより適切な軟化状態をより容易に得ることができる。

以下、本発明を具現化した一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態にかかる燃料噴射弁の縦断面図（軸方向に沿った断面の図）、図２は、燃料噴射弁の先端部の縦断面図であって、着座状態（閉弁状態）を示す図である。なお、以下では、内燃機関に用いられる燃料噴射弁について例示する。

本実施形態にかかる燃料噴射弁１は、燃料配管に設けられたボス部（いずれも図示せず）に接続され、燃料配管内を流れる燃料を内燃機関内（吸気ポートやシリンダ内等）に噴射するものである。

燃料噴射弁１は、本体部として、ケーシング２や、磁性筒体３、コア筒５、ヨーク１３、樹脂カバー１６等を含んでいる。

このうち、磁性筒体３は、例えば、磁性を有するステンレス材料に深絞り加工等のプレス加工を施すことにより、段差を有する薄肉の金属管として形成される。本実施形態では、磁性筒体３の軸方向の一端側には大径部３ａが、また他端側にはより小径の小径部３ｂが、それぞれ形成されており、大径部３ａの端部が燃料配管のボス部内に挿入された状態で、磁性筒体３が燃料配管に接続されるようになっている。

この磁性筒体３（大径部３ａ）の入口側の外周面には、磁性筒体３と燃料配管のボス部との間の液密を確保するＯリング１８が外装される。

また、磁性筒体３の入口側（上流側）の開口部には、フィルタ２１が装着される。フィルタ２１は、磁性筒体３の大径部３ａ内に圧入される筒状の芯金２１ａと、磁性筒体３よりも軟質な樹脂材料、例えばフッ素樹脂等を用いて芯金２１ａと一体に形成（射出成形）されたフレーム２１ｂと、当該フレーム２１ｂに取り付けられて燃料を透過させるメッシュ２１ｃとによって大略構成されている。

そして、磁性筒体３の内側には、コア筒５が嵌挿される。コア筒５は、弁体９、ヨーク１３と共に電磁コイル１５による閉磁路を形成するとともに、弁体９の開弁位置を規定するものである。コア筒５は、例えば、磁性筒体３の小径部３ｂ内に圧入して取り付けられる。

また、磁性筒体３の下流側端部には、ステンレススチール等の鉄系材料からなる筒状の弁座部材７が配設される。この弁座部材７には、図２に示すように、弁体９を収容する筒状の凹部７ａと、閉弁時には弁体９の弁部１１を着座させるとともに開弁時には当該弁部１１を取り囲んで弁部１１との間で環状の燃料流路を形成する先細の傾斜周面としての弁座７ｂと、弁座７ｂの下流側端部に形成された開口部７ｃと、が形成される。本実施形態では、小径部３ｂ内に圧入された弁座部材７の外周がその全周に亘って溶接位置Ｗで溶接されて、磁性筒体３に固定される。また、弁座部材７には、その下流側の開口部７ｃを覆うように、ノズルプレート８が、溶接位置Ｗで溶接されて固定されており、このノズルプレート８に設けられた噴射孔８ａから所定の位置あるいは方向に燃料を噴出できるようになっている。

コア筒５と弁座部材７との間には、磁性筒体３の小径部３ｂ内で軸方向に変位可能な弁体９が収容される。本実施形態では、弁体９は、磁性金属材料（鉄系材料）により軸方向に延びる段付筒状に形成されたアンカ部１０と、アンカ部１０の先端部に固着されて弁座部材７の弁座７ｂに離着座する略球状の弁部１１とを備えている。

本実施形態では、閉弁時には、この弁部１１の外面１１ａが弁座７ｂに当接して、シール面が形成される。

そして、弁体９に閉弁方向の付勢力を与える付勢手段として、コイルスプリング１２が設けられる。このコイルスプリング１２の一端は、コア筒５の筒内部５ａに挿入されて当該コア筒５内に嵌挿された筒状のアジャスタ１９の下面１９ａに当接する一方、コイルスプリング１２の他端は、弁体９のアンカ部１０の上部に形成された凹部１０ａ内に挿入されてその底面１０ｂに当接しており、軸方向に伸びる方向に弾性力を発生させる。すなわち、このコイルスプリング１２は圧縮バネとして用いられ、弁体９に対し、弁部１１を弁座７ｂに押圧する方向、すなわち閉弁方向に付勢力を作用させる。

磁性筒体３の外周側には、段付筒状に形成されたヨーク１３が設けられている。本実施形態では、ヨーク１３を、磁性筒体３の小径部３ｂの外周側に圧入して固着している。また、ヨーク１３と磁性筒体３の小径部３ｂとの間は、連結コア１４が設けられている。本実施形態では、連結コア１４を、小径部３ｂの外周側を取り囲む略Ｃ字状の磁性体として形成している。また、ヨーク１３の先端側には、Ｏリング２２の溝を形成する樹脂キャップ２４が取り付けられる。

また、磁性筒体３とヨーク１３との間には、電磁コイル１５が設けられる。本実施形態では、電磁コイル１５を、樹脂材料により形成された筒状のコイルボビン１５ａと、該コイルボビン１５ａに巻装されたコイル１５ｂとを有するものとし、コイルボビン１５ａを磁性筒体３の小径部３ｂに外装させている。なお、電磁コイル１５は、コネクタ１７のピン２０および樹脂カバー１６内に形成される導線２３を介して通電される。

樹脂カバー１６は、磁性筒体３の外周側に設けられる。この樹脂カバー１６は、例えば、磁性筒体３の外周側に、ヨーク１３や、連結コア１４、電磁コイル１５等を組付けた状態で射出成形することによって形成することができる。なお、樹脂カバー１６とコネクタ１７は一体成形されている。

以上の構成を備える燃料噴射弁１において、弁体９にはコイルスプリング１２から閉弁方向の付勢力が作用しており、電磁コイル１５が通電されない状態では、弁部１１が弁座７ｂに着座した状態が維持される（閉弁状態）。なお、このとき、アンカ部１０の上面とコア筒５の下面との間には隙間が形成される。

一方、電磁コイル１５が通電されると、コア筒５、アンカ部１０、およびヨーク１３等によって閉磁路が形成され、これにより、アンカ部１０にはコア筒５に近接する方向の磁力が作用する。ここで、この磁力（吸着力）は、コイルスプリング１２の付勢力より大きくなるように設定してあるため、電磁コイル１５が通電されると、弁体９がコア筒５に引き寄せられ、弁部１１が弁座７ｂから離座する（開弁状態）。

この開弁状態において、フィルタ２１を介して燃料噴射弁１の内部に導入された燃料は、磁性筒体３の大径部３ａ内の燃料通路４からアジャスタ１９の筒内を経由して、コア筒５の筒内部５ａおよびアンカ部１０の凹部１０ａを流下した後、さらにその奥側の側壁に設けられた開口窓部９ａを経由し、弁体９の周囲に環状に形成される燃料通路としての背圧室６内に流入する。さらに、燃料は、弁座部材７の凹部７ａおよび弁座７ｂと弁部１１との隙間を経由して、ノズルプレート８の噴射孔８ａから外（例えば吸気ポート内）に噴射される。

ここで、弁体９と弁座７ｂとが相互に当接する部分のシール性能を向上する手法について説明する。図３は、シール性能を向上する手順を示すフローチャート、図４は、電子ビームまたはレーザビームによって弁座部材の表面を軟化する様子を模式的に示す断面図、図５は、軟化処理された後の弁座部材の深さに対する硬度の一例を示す図である。なお、ここでは、弁座部材７のうち少なくとも弁座７ｂに対し、弁部１１（外面１１ａ）と当接する部分、すなわち弁部１１とのシール面を形成する領域に対して軟化処理を行う場合について例示する。

まず、鉄系金属材料からなる素材を研削加工等することで弁座部材７を成形し（ステップＳ１０）、次いで、熱処理（焼き入れ等）を行って弁座部材７を硬化させる（ステップＳ１１）。このステップＳ１１における硬化処理は、開閉弁動作に伴う弁体９（弁部１１の外面１１ａ）と弁座部材７（弁座７ｂ）との反復的な衝突に対する耐衝撃性を高めるのに好適な処理であり、この硬化処理によって、弁座７ｂの表面から比較的内部に至るまで所要の硬度（一例としてビッカース硬さで７００［ｋｇｆ／ｍｍ^２］程度）が確保される。

次に、弁座７ｂの表面を砥石等を用いて研磨して滑らかにする（ステップＳ１２）。このとき、研磨する領域には、少なくとも、弁座７ｂのうち弁部１１（外面１１ａ）に当接する部分、すなわち弁部１１とのシール面を形成する領域が含まれるようにしておく。

そして、弁座部材７に電子ビーム（またはレーザビーム）Ｂを照射してその表面を加熱し、弁座７ｂのうち弁部１１（外面１１ａ）に当接する部分、すなわち弁部１１とのシール面を形成する領域の表層を適宜に軟化させる処理を実行する（ステップＳ１３）。

かかる軟化処理は、各種の電子ビーム照射装置、あるいはレーザビーム照射装置を用いて行うことができる。具体的には、電子銃のアノード・カソード電極付近にアルゴンガスのプラズマを発生させ、当該電極から発生した電子を衝突・加速させて被照射物としての弁座部材７に照射する方式の電子ビーム照射装置や、カソード電極をフィラメントで加熱して電子を放出し、アノード電極で加速させて電子ビームを照射する方式の電子ビーム照射装置などを用いることができる。

ちなみに、前者の装置の場合には、例えば図４の（ａ）に示すように比較的広い範囲にわたって一括して電子ビームＢを照射することができ、かかる照射方式によれば、一括処理できる分、処理が容易になる上、電子ビームＢの重複が生じにくくなる分、場所によるむらが少なくなるという利点がある。

また、後者の装置の場合には、例えば図４の（ｂ）に示すように比較的狭い範囲のビームスポットをスキャン（弁座７ｂの場合には回転スキャン）させることで弁座７ｂのうち弁部１１（外面１１ａ）に当接する部分に電子ビームＢを照射することができ、かかる照射方式によれば、前者に比べて安定した電子ビームＢを得ることができる分、雰囲気の影響を受けにくくなって、個体差（処理ばらつき）を小さくできるという利点がある。なお、スキャン回数は１回でもよいし、必要に応じて複数回行ってもよい。

また、レーザビーム照射装置としては、ＣＯ^２レーザや、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ等、波長の異なる種々の装置を用いることが可能である。

いずれにせよ、電子ビーム（またはレーザビーム）Ｂの照射強度は、金属部材同士の溶接等に用いる場合に比べて弱く設定するのが好適である。

そして、このステップＳ１３の軟化処理によって、図５に示すように、表面から数マイクロメートル（図５の例では１．２マイクロメートル）の深さまでの表層部分について、その硬度が、当該表層部分より内側の（深い）領域の硬度よりも低く、かつ、熱処理して硬化しない素材状態での硬度（鉄系材料の場合ビッカース硬さで約３００［ｋｇｆ／ｍｍ^２］程度）よりも高くなるようにしておく。もちろん、軟化させる表層部分の位置や、深さ、硬度等は、電子ビーム照射装置、あるいはレーザビーム照射装置の照射条件を調整することで、弁体９および弁座部材７の形状・材質、コイルスプリング１２の付勢力の大きさ等に応じて適宜に設定される。

次に、燃料噴射弁１を組み立てるとともに、駆動回路に接続して、弁体９が開閉動作可能な状態にする。そして、電磁コイル１５にパルス状の制御電流を印加することで弁体９を反復的に開閉動作させ、弁体９の弁部１１を弁座部材７の弁座７ｂに反復的に押し付けて、弁部１１（の外面１１ａ）と弁座７ｂとが相互に当接する部分をなじませる（ステップＳ１４）。かかる反復動作回数は、要求されるシール性能や、弁体９および弁座部材７の形状・材質、コイルスプリング１２の付勢力の大きさ等に応じて適宜に設定される。発明者らの研究により、ステップＳ１３によって上述したようにシール面の表層を軟化処理すると、所要のシール性能を確保するための弁体９の開閉（反復）動作回数が、軟化処理しない場合に比べて大幅に低減されることが判明した。一例として、所要のシール性能を得るのに軟化処理をしない場合には１０^７回程度の開閉弁動作が必要であった燃料噴射弁１について、上記軟化処理を行うことによって開閉弁動作を１０^５回程度まで低減できることが確認された。

以上の本実施形態によれば、ステップＳ１３において、弁体９と弁座７ｂとが相互に当接する部分のうち少なくともいずれか一方（本実施形態では弁座７ｂのみ）の表層を加熱して軟化させた後に、ステップＳ１４において、弁体９と弁座７ｂとを相互に押圧して上記相互に当接する部分をなじませるようにしたため、当該表層の硬度を低下させた分、弁体９と弁座７ｂとが相互になじみやすくなってシール性が向上する上、開閉弁動作を反復することによってなじませる場合には、所要のシール性能を得るのに必要な反復回数を従来に比べて著しく減らすことができるようになり、製造コストの削減に資するという利点がある。

さらに、本実施形態によれば、燃料噴射弁１を組み立てた後に弁体９と弁座７ｂとが相互に当接する部分をなじませる工程を行って当該部分のシール性能を向上することができるため、部品同士を溶接することで弁体９あるいは弁座部材７に歪みが生じた場合にも当該歪みによる影響を抑制することができる。

そして、本実施形態では、弁体９と弁座７ｂとが相互に当接する部分をなじませる工程を、弁体９を弁座７ｂに対して開閉動作させることで行うようにしたため、当該工程を極めて容易に実行することができる。

また、本実施形態によれば、ステップＳ１３において、電子ビーム（またはレーザビーム）Ｂの照射によって加熱処理を行うことで、照射条件の設定により、処理する位置や深さ、硬度等についてより適切な軟化状態をより容易に得ることができる。

なお、本発明は、次のような別の実施形態に具現化することができる。以下の別の実施形態でも上記実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。

（１）上記各実施形態では、弁座の表層のみを軟化させたが、これに替えて弁体の表層を軟化させてもよいし、弁体および弁座の双方の表層を軟化させるようにしてもよい。

（２）燃料噴射弁の構成も上記実施形態には限定されず、弁体が弁座に対して開閉動作するタイプの種々の燃料噴射弁について本発明を実施することができる。

また、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術思想について、以下にその効果と共に記載する。

（イ）請求項１または２に記載の燃料噴射弁では、上記弁体と弁座とが相互に当接する部分のうち少なくともいずれか一方の表層を加熱して軟化させる処理を行う前に、少なくとも当該軟化させる処理を行う部分を熱処理して硬化させておくのが好適である。

こうすれば、加熱して軟化させる表層の内側部分を予め硬化させておくことができ、開閉弁動作に伴う弁体と弁座との衝突に対する耐衝撃性を高めることができる。

（ロ）請求項１、２または上記（イ）に記載の燃料噴射弁では、上記弁体と弁座とが相互に当接する部分のうち少なくともいずれか一方の表層を加熱して軟化させる処理を行う前に、少なくとも当該軟化させる処理を行う部分を研磨しておくのが好適である。

このように、加熱して軟化させる処理を施す部分の表面の面粗度を事前に小さくしておくことで、相互に当接する部分同士がなじみやすくなって、シール性能の向上を図ることができる上、加熱して軟化させる処理自体によって当該処理対象部分の表面の面粗度が小さくなる効果も得られやすくなるという利点がある。

（ハ）請求項１〜３、上記（イ）、（ロ）に記載の燃料噴射弁では、燃料噴射弁を組み立てた後に、上記弁体と弁座とを相互に押圧して上記相互に当接する部分をなじませる処理を、弁体の開閉弁動作によって行うのが好適である。

こうすれば、部品同士の溶接による歪みの影響が低減される分、従来に比べて弁体と弁座とのシール性能を高めることができる。また、当該処理をより容易に行うことができる上、実際にシール部分となる領域をなじませることができる分、より確実にシール性能を高めることができる。

（ニ）請求項１〜３、上記（イ）〜（ハ）に記載の燃料噴射弁では、上記表層を加熱して軟化させる処理を、弁座部材を切削加工することで形成した弁座に対して行うのが好適である。

こうすれば、弁座部材に対して研削加工を行うことで形成される弁座の、比較的大きな面粗度を、上記表層を加熱して軟化させる処理、さらには上記なじませる処理によって小さくすることができて、シール性能を高めることができる。

本発明の実施形態にかかる燃料噴射弁の縦断面図（軸方向に沿った断面の図）。本発明の実施形態にかかる燃料噴射弁の先端部の縦断面図であって、着座状態（閉弁状態）を示す図。本発明の実施形態にかかる燃料噴射弁においてシール性能を向上する手順を示すフローチャート。本発明の実施形態にかかる燃料噴射弁において電子ビームまたはレーザビームによって弁座部材の表面を軟化する様子を模式的に示す図（一部断面図）。本発明の実施形態にかかる燃料噴射弁において軟化処理された後の弁座部材の深さに対する硬度（ビッカース硬さ）の一例を示す図。

符号の説明

１燃料噴射弁
７弁座部材
７ｂ弁座
９弁体
１２コイルスプリング（付勢手段）
１５電磁コイル

Claims

弁座が形成された弁座部材と、
前記弁座に離着座する弁体と、
前記弁体を閉弁方向に付勢する付勢手段と、
磁気吸引力を発生させて前記弁体を離座させる電磁コイルと、
を備えた燃料噴射弁において、
前記弁体と弁座とが相互に当接する部分のうち少なくともいずれか一方の表層を加熱して軟化させる処理を施した後、弁体と弁座とを相互に押圧して前記相互に当接する部分をなじませる処理を施したことを特徴とする燃料噴射弁。
前記相互に当接する部分のうち少なくともいずれか一方の表層を加熱して軟化させる処理を、電子ビームまたはレーザビームの照射によって行うようにしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
弁座が形成された弁座部材と、前記弁座に離着座する弁体と、前記弁体を閉弁方向に付勢する付勢手段と、磁気吸引力を発生させて前記弁体を離座させる電磁コイルと、を備えた燃料噴射弁の製造方法であって、
前記弁体および弁座部材のうち少なくとも一方について、他方と当接する部分の表層を加熱して軟化させる工程と、
前記弁体と弁座部材とを相互に押圧してそれらが相互に当接する部分をなじませる工程と、
を備えることを特徴とする燃料噴射弁の製造方法。