JP2009013914A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射弁の耐久性を向上する。
【解決手段】 燃料噴射弁は、その内部を燃料が通過するとともに燃料噴射孔が形成されている本体と、本体内において第１位置と第２位置の間を移動可能に収容された弁体と、
弁体を第１位置に向けて付勢している付勢部材と、弁体を第２位置に向けて動かすアクチュエータを備えている。弁体は、第１位置ではその一端によって燃料噴射孔を閉塞し、が第２位置では燃料噴射孔を開放するとともにその他端を本体に当接させる。弁体の他端と本体の互いに当接し合う面の少なくとも一方は、その母材よりも硬度の高い硬質膜によって被覆されている。そして、硬質膜の硬度は、表面側では低く母材側では高くなるように調整されている。
【選択図】 図４

Description

本発明は燃料噴射弁に関する。特に、内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射弁に関する。

特許文献１に、内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射弁が記載されている。この燃料噴射弁は、本体と、本体内に収容された弁体を備えている。本体は、その内部を燃料が通過するとともに、燃料噴射孔が形成されている。弁体は、燃料噴射孔に接近した第１位置と、燃料噴射孔から離間した第２位置との間を移動可能に収容されている。第１位置は燃料噴射孔側への移動限であり、弁体の一端が燃料噴射孔に当接して燃料噴射孔を閉塞する。第２位置は反燃料噴射孔側への移動限であり、弁体の一端が燃料噴射孔から離間して燃料噴射孔を開放する。このとき、弁体の他端は本体を構成する部材に当接する。
燃料噴射弁はさらに、弁体を第１位置へ付勢しているコイルばねと、弁体を第２位置に向けて移動させるアクチュエータを備えている。アクチュエータは、ソレノイドを用いて構成されている。ソレノイドには、燃料を噴射すべきタイミングで電流が通電される。ソレノイドは、電流が通電されることによって磁場を発生し、弁体を第２位置へと移動させる。それにより、燃料噴射孔から燃料が噴射される。

ソレノイドに電流が通電され、弁体が第２位置へ移動した時に、弁体の他端は本体を構成する部材に比較的に強く衝突する。そのことから、特許文献１の燃料噴射弁では、弁体の他端と本体の互いに当接し合う面を、それらの母材よりも硬度の高い硬質膜によって被覆している。それにより、弁体の他端と本体の互いに当接し合う面の変形や損傷を防止している。
さらに、この硬質膜は、母材上に形成された衝撃緩和層と、衝撃緩和層上に形成された表面硬化層によって構成されている。表面硬化層の硬度は、衝撃緩和層の硬度よりも高く調整されている。即ち、硬質膜の硬度は、表面側では高く母材側では低くなっている。この構成によると、硬質膜に加わる衝撃が緩和され、硬質膜の欠損や剥離を防止できると説明されている。

特開昭６３−１２５８７５号公報

特許文献１に記載の硬質膜では、比較的に硬度の高い表面硬化層の下に、比較的に硬度の低い衝撃緩和層が形成されている。そのことから、硬質膜の表面から力が加えられたときに、表面硬化層で非常に高い応力が発生しやすい。特許文献１の技術では、弁体の他端と本体の互いに当接し合う面に形成した硬質膜の欠損や剥離を十分に防止することができない。
本発明は、上記の課題を解決する。本発明は、弁体の他端と本体の互いに当接し合う面に、耐久性の高い硬質膜を形成する技術を提供する。

本発明によって具現化される燃料噴射弁は、その内部を燃料が通過するとともに燃料噴射孔が形成されている本体と、前記本体内において第１位置と第２位置の間を移動可能に収容されており、前記第１位置ではその一端が前記燃料噴射孔を閉塞し、前記第２位置では前記燃料噴射孔を開放するとともにその他端が前記本体に当接する弁体と、前記弁体を第１位置に向けて付勢している付勢部材と、前記弁体を第２位置に向けて動かすアクチュエータを備えている。前記弁体の他端と前記本体の互いに当接し合う面の少なくとも一方は、その母材よりも硬度の高い硬質膜によって被覆されている。この燃料噴射弁は、前記硬質膜の硬度が表面側では低く母材側では高いことを特徴とする。

この燃料噴射弁では、弁体の他端と本体の互いに当接し合う面の少なくとも一方が、それらの母材よりも硬度の高い硬質膜によって被覆されている。それにより、弁体や本体の変形や損傷を防止することができる。さらに、硬質膜の硬度が表面側では低く母材側では高く調整されているので、硬質膜の残留応力が緩和されており、表面側から大きな力が加えられた場合（例えば弁体の他端と本体が異物を挟んで当接した場合）でも、硬質膜の内部に過大な応力が発生することがない。それにより、硬質膜の欠損や剥離が有意に抑制される。
この燃料噴射弁は、弁体の他端と本体の互いに当接し合う面が耐久性の高い硬質膜で被覆されているので、その機能を長期に亘って維持することができる。

前記した硬質膜は、母材上に形成されている高硬質層と、前記高硬質層上に形成されているとともに前記高硬質層よりも硬度の低い低硬質層を含むことが好ましい。
この燃料噴射弁では、高硬質層によって弁体の他端や本体が保護されるとともに、低硬質層によって硬質膜内に発生する応力が抑制される。高硬質層と低硬質層の硬度や層厚をそれぞれ調整することによって、所望の機能を有する硬質膜を実現することができる。

前記した硬質膜は、前記高硬質層と前記低硬質層のみを含むことが好ましい。
硬質膜は、１層のみの低硬質層を有してもよいし、複数の低硬質層を有してもよい。高硬質層と低硬質層の硬度や層厚をそれぞれ調整し、硬質膜に必要とされる機能を１層の高硬質層と１層の低硬質層のみで実現すれば、硬質膜を容易に形成することが可能となり、燃料噴射弁の製造工程が複雑となることを防止することができる。

あるいは、上記した燃料噴射弁において、前記硬質膜の硬度が、表面側から母材側に向けて連続的に高くなっていることも好ましい。
硬質膜の硬度を細かに設定し、硬質膜の硬度を連続的に変化させことによって、所望の機能を有する硬質膜をより厳密に実現することができる。

本発明に係る燃料噴射弁では、前記硬質膜を、ダイヤモンドライクカーボンによって形成することが好ましい。
本発明の技術によると、硬度や耐摩耗性に優れる一方において欠損や剥離が発生しやすいダイヤモンドライクカーボンを用いて、耐久性の高い硬質膜を実現することができる。

本発明により、燃料噴射弁のライフタイムを格段に向上させることができる。

本発明の好適な実施形態を列記する。
（形態１） 本体は、ボディと、ボディ内に固定されているコアと、ボディの一端側に固定されているとともに燃料噴射孔が形成されている弁シートを備えている。本体内に収容された弁体は、コアと弁シートの間に位置している。弁体は、その一端が弁シートに当接して燃料噴射孔を閉塞する第１位置と、その一端が弁シートから離間するとともにその他端がコアに当接する第２位置との間を移動する。
（形態２） 弁体の一端には、弁シートに当接して燃料噴射孔を閉塞する閉塞部が設けられている。
（形態３） アクチュエータは、ソレノイドを用いて構成されている。コアと弁体は磁性材料を用いて形成されており、ソレノイドに通電すると磁化されるようになっている。

本発明を実施した燃料噴射弁について図面を参照しながら説明する。図１は、実施例の燃料噴射弁１０の縦断面図を示す。図１に示すように、燃料噴射弁１０は、本体１２と、弁体３０と、コイルばね２４と、ソレノイド２６を備えている。

本体１２の内部には、燃料が通過する燃料流路２０が形成されている。図１中の矢印Ａは、燃料の通過方向を示している。本体１２の下流端１２ｄには、燃料噴射孔４２が形成されている。本体１２の上流端１２ｃには、燃料タンク（図示省略）から伸びる燃料配管（図示省略）が接続される。燃料流路２０は、本体１２の上流端１２ｃから燃料噴射孔４２まで連通している。
本明細書において「上流」、「下流」という表現は、「燃料の通過方向Ａに関して上流」、「燃料の通過方向Ａに関して下流」をそれぞれ意味している。即ち、「上流側」、「下流側」という表現は、図１中の「上方」、「下方」にそれぞれ対応する。

本体１２の構成についてさらに詳しく説明する。図１に示すように、本体１２は、ボディ１４と、コア１６と、アジャスタ２２と、弁シートホルダ３２と、弁シート３４を備えている。
ボディ１４は、本体１２の外郭を構成する筒状の部材である。ボディ１４は、樹脂で形成されている。ボディ１４の外周面には、外部の制御ユニット（図示省略）に接続されるコネクタ４８が形成されている。コネクタ４８には、ソレノイド２６と電気的に接続している複数の端子ピン５０が設けられている。

コア１６は、磁性材料によって形成された筒状部材であり、ボディ１４の貫通孔１４ａに固定されている。コア１６の一部は、ボディ１４の貫通孔１４ａから上流側に突出している。コア１６の下流端１６ｄは、ボディ１４の貫通孔１４ａ内に位置している。コア１６の貫通孔１６ａは、燃料流路２０の一部を構成している。コア１６の貫通孔１６ａには、燃料から異物を除去するためのフィルタ１８が設けられている。
アジャスタ２２は、筒状の部材であり、コア１６の貫通孔１６ａ内に圧入されている。アジャスタ２２は、コイルばね２４の上流側に位置しており、コイルばね２４の上流端に当接している。アジャスタ２２は、その位置を調整することによってコイルばね２４の圧縮量を調整するための部材である。アジャスタ２２の貫通孔２２ａは、燃料流路２０の一部を構成している。

弁シートホルダ３２は、筒状の部材であり、ボディ１４の貫通孔１４ａに固定されている。弁シートホルダ３２は、コア１６よりも下流側に位置しており、弁シートホルダ３２の一部はボディ１４の貫通孔１４ａから下流側に突出している。弁シートホルダ３２の貫通孔３２ａ内には、弁体３０が収容されている。弁シートホルダ３２の貫通孔３２ａと弁体３０との間には、燃料流路２０の一部を構成する隙間が形成されている。弁シートホルダ３２の上流端には、非磁性材によって形成された筒状のスリーブ２８が設けられている。スリーブ２８の貫通孔２８ａ内には、コア１６の下流端１６ｄ及び弁体３０の上流端３０ｃが位置している。弁体３０は、スリーブ２８の貫通孔２８ａに対して摺動可能になっている。
弁シート３４は、有底円筒形状の部材であり、弁シートホルダ３２の貫通孔３２ａに固定されている。弁シート３４の内穴３４ａには、弁体３０の下流側部分が位置している。弁シート３４の内穴３４ａと弁体３０との間には、燃料流路２０の一部を構成する隙間が形成されている。弁シート３４の下流側端面には、オリフィスプレート３８が設けられている。弁シート３４及びオリフィスプレート３８は、本体１２の下流端１２ｄに位置している。弁シート３４とオリフィスプレート３８のそれぞれには、燃料噴射孔４２を構成する貫通孔３４ａ、３８ａが形成されている。

次に、弁体３０の構成について説明する。弁体３０は、有底円筒形状の部材であり、磁性材料によって形成されている。弁体３０は、弁シートホルダ３２の貫通孔３２ａ内に収容されており、燃料の通過方向Ａと平行な方向にスライド可能に支持されている。弁体３０の上流端３０ｃは、本体１２の一部であるコア１６の下流端１６ｄに対向している。弁体３０の下流端３０ｄには、燃料噴射孔４２を閉塞するための閉塞部３６が設けられている。弁体３０の内穴３０ａは、コア１６の貫通孔１６ａと連通しており、燃料流路３０の一部を構成している。弁体３０の側壁には複数の貫通孔３０ｂが形成されており、弁体３０の内穴３０ａは弁シート３４の内面３４ａと弁体３０との間隙に連通している。

弁体３０は、図２に示すように燃料噴射孔４２を閉塞する第１位置と、図３に示すように燃料噴射孔４２を開放する第２位置との間で移動可能となっている。なお、第１位置は弁体３０の下流側（燃料噴射孔４２側）の移動限であり、第２位置は弁体３０の上流側（反燃料噴射孔４２側）の移動限である。図２に示すように、弁体３０が第１位置にある場合、弁体３０の下流端である閉塞部３６が弁シート３４に当接し、燃料噴射孔４２が閉塞される。このとき、弁体３０の上流端３０ｃは、コア１６の下流端１６ｄから離間している。一方、図３に示すように、弁体３０が第２位置にある場合、弁体３０の下流端である閉塞部３６は弁シート３４から離間し、燃料噴射孔４２が開放される。このとき、弁体３０の上流端３０ｃは、コア１６の下流端１６ｄに当接している。

図４は、図２中のIV部を拡大して示す部分拡大図である。図４に示すように、弁体３０の上流端３０ｃは、硬質膜３３によって被覆されている。硬質膜３３は、弁体３０の母材３１よりも硬度の高い材料で形成されている。本実施例の硬質膜３３は、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）によって形成されている。硬質膜３３は、母材３１上に積層されている高硬質層３３ａと、高硬質層３３ａ上に積層されている低硬質層３３ｂを含んでいる。高硬質層３３ａの硬度は、低硬質層３３ｂの硬度よりも高く調整されている。本実施例では、高硬質層３３ａのビッカース硬さが約１５００に調整されており、低硬質層３３ｂのビッカース硬さが約１２００に調整されている。なお、母材３１のビッカース硬さは約２００である。弁体３０では、上流端３０ｃ以外の表面、例えばスリーブ２８や弁シートホルダ３２と摺動する側面にも、同様の硬質膜３３が形成されている。
図５は、硬質膜３０の厚み方向に関するビッカース硬さＨｖの変化を示している。図５に示すグラフの横軸ｘは、図４中のｘ軸に対応しており、上流端３０ｃの表面からの距離（深さ）を示している。ｘ座標が０からｘ２までの範囲は硬質膜３３に対応しており、そのうちのｘ座標が０からｘ１までの範囲は低硬質層３３ｂに対応し、ｘ座標がｘ１からｘ２までの範囲は高硬質層３３ａに対応する。ｘ座標がｘ２を超える範囲は母材３１に対応している。図５に示すように、硬質膜３３のビッカース硬さＨｖは、硬質膜３３の表面側（ｘ＝０）では低く、母材３１側（ｘ＝ｘ２）では高くなっている。
同様に、コア１６の下流端１６ｄについても、母材１７上に積層された高硬質層１９ａと、高硬質層１９ａ上に積層された低硬質層１９ｂを含む硬質膜１９が形成されている。

次に、コイルばね２４及びソレノイド２６について説明する。コイルばね２４は、コア１６の貫通孔１６ａ内に収容されている。コイルばね２４は、圧縮された状態でアジャスタ２２と弁体３０の間に位置している。コイルばね２４の上流端はアジャスタ２２に当接しており、コイルばね２４の下流端は弁体３０に当接している。コイルばね２４は、その弾性力によって、弁体３０を下流側の移動限である第１位置（図２参照）に付勢している。
ソレノイド２６は、ボディ１４の貫通孔１４内に固定されている。ソレノイド２６は、コア１６の下流端１６ｃを含む一部を囲繞している。ソレノイド２６には、コネクタ４８の端子ピン５０を介して、外部の制御ユニット（図示省略）から電流が通電される。ソレノイド２６には、燃料を噴射すべきタイミングで電流が通電される。ソレノイド２６は、電流が通電されることによって磁場を発生する。

次に、燃料噴射弁１０の動作について説明する。燃料噴射弁１０の本体１２内には、その上流端１２ｃに接続された燃料配管（図示省略）から燃料が流入する。流入した燃料は、燃料流路２０を通り、本体１２内に下流端１２ｄに形成された燃料噴射孔４２に到る。ソレノイド２６に電流が通電されていない場合、コイルばね２４の付勢力によって弁体３０は第１位置に維持されている（図２参照）。この場合、燃料噴射孔４２は弁体３０の閉塞部３６によって閉塞されているので、燃料噴射孔４２から燃料は噴射されない。
それに対して、ソレノイド２６に電流が通電され、ソレノイド２６が磁場を発生すると、コア１６及び弁体３０が磁気を帯びる。コア１６と弁体３０は互いに引き合い、弁体３０がコイルばね２４の付勢力に抗して上流側の第２位置へ移動する（図３参照）。弁体３０の閉塞部３６が弁シート３４から離間し、燃料噴射孔４２が開放される。このとき、燃料噴射孔４２から燃料が噴射される。通常、コイルばね２４には電流が断続的に通電され、燃料噴射孔４６から燃料が断続的に噴射される。

ソレノイド２６に電流が通電され、弁体３０が第１位置から第２位置へと移動する時、コア１６の下流端１６ｄと弁体３０の上流端３０ｃは比較的に強く衝突する。このとき、コア１６の下流端１６ｄや弁体３０の上流端３０ｃには、比較的に強い衝撃力が加えられる。特に燃料中の異物を噛み込んだ場合には、その衝撃力が局所的に強まることもある。このような衝撃力に対して、コア１６の下流端１６ｄや弁体３０の上流端３０ｃは硬質膜１９、３３によって被覆されているので、弁体３０が変形したり損傷したりすることが防止される。

一般的に、ダイヤモンドライクカーボンや窒化クロム等による硬質膜は、残留応力が高く、外部から力が加えられたときにその内部で大きな応力が生じやすい。そのことから、硬質膜に衝撃力が局所的に加えられたり、硬質膜に衝撃力が繰り返し加えられたりすると、硬質膜が欠損したり剥離したりすることがある。
上記の問題に対して、本実施例の硬質膜１９、３３には、母材１７、３１側に形成された高硬質層１９ａ、３３ａと、表面側に形成された低硬質層１９ｂ、３３ｂが形成されている。母材１７、３１側に形成された高硬質層１９ａ、３３ａは、十分な硬度を有することから、母材１７、３１の変形や損傷を十分に防止する。一方、表面側に形成された低硬質層１９ｂ、３３ｂは、その硬度が比較的に低く調整されているので、硬質膜１９、３３に生じる応力を緩和する。それにより、比較的にクラックが生じやすいダイヤモンドライクカーボンであっても、硬質膜１９、３３の欠損や剥離が顕著に防止される。硬質膜１９、３３が耐久性に優れることから、燃料噴射弁１０はその機能を長期に亘って維持することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上記した実施例では硬質膜１９、３３を高硬質層１９ａ、３３ａと低硬質層１９ｂ、３３ｂの２層で構成しているが、図６に示すように硬質膜１９、３３を１層で形成してもよい。この場合、図７に示すように、硬質膜１９、３３の硬度を、表面１６ｄ、３０ｃ側（ｘ＝０）から母材１７、３１側（ｘ＝ｘ２）に向けて連続的に高くなる（単調増加する）ように調整するとよい。なお、図７に示す硬度の変化は一例であり、厚み方向（ｘ方向）に対する硬度の変化率を、厚み方向の位置（ｘ座標）に応じて変化させてもよい。
また、実施例で説明した硬質膜１９、３３は、図８に示すように弁体３０の上流端３０ｃのみに形成してもよいし、図９に示すようにコア１６の下流端１６ｄのみに形成してもよい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は、複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

燃料噴射弁の縦断面図。 弁体が第１位置にある状態を示す図。 弁体が第２位置にある状態を示す図。 図３中のIV部分拡大図。 硬質膜の厚み方向におけるビッカース硬さの変化を示している。 １層で構成した硬質膜を例示する図。 １層で構成した硬質膜の厚み方向におけるビッカース硬さの変化を示している。 硬質膜を弁体の上流端のみに形成した変形例を例示する図。 硬質膜をコアの下流端のみに形成した変形例を例示する図。

符号の説明

１０：燃料噴射弁
１２：本体
１４：ボディ
１６：コア
１７：コアの母材
１９：コアの硬質膜
１９ａ：コアの硬質膜の高硬質層
１９ｂ：コアの硬質膜の低硬質層
２０：燃料流路
２４：コイルばね
２６：ソレノイド
３０：弁体
３１：弁体の母材
３３：弁体の硬質膜
３３ａ：弁体の硬質膜の高硬質層
３３ｂ：弁体の硬質膜の低硬質層
３４：弁シート
３８：閉塞部（弁体の一端）
４２：燃料噴射孔

Claims (5)

1. その内部を燃料が通過するとともに燃料噴射孔が形成されている本体と、
   前記本体内において第１位置と第２位置の間を移動可能に収容されており、前記第１位置ではその一端が前記燃料噴射孔を閉塞し、前記第２位置では前記燃料噴射孔を開放するとともにその他端が前記本体に当接する弁体と、
   前記弁体を第１位置に向けて付勢している付勢部材と、
   前記弁体を第２位置に向けて動かすアクチュエータを備え、
   前記弁体の他端と前記本体の互いに当接し合う面の少なくとも一方は、その母材よりも硬度の高い硬質膜によって被覆されており、
   前記硬質膜の硬度が、表面側では低く母材側では高いことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記硬質膜は、母材上に形成されている高硬質層と、前記高硬質層上に形成されているとともに前記高硬質層よりも硬度の低い低硬質層を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 前記硬質膜は、前記高硬質層と前記低硬質層のみを含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射弁。
4. 前記硬質膜の硬度が、表面側から母材側に向けて連続的に高くなっていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
5. 前記硬質膜は、ダイヤモンドライクカーボンによって形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。

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