JP2009062859A - 燃料噴射弁およびその支持方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】
筒内直接噴射式の内燃機関に用いる燃料噴射弁において、燃料配管とエンジンヘッド側の取り付け孔の偏芯がある場合においても燃料噴射弁の機能に影響を与えないようにする。
【解決手段】
燃料を内燃機関の筒内に直接噴射する燃料噴射弁であって、燃料噴射弁は燃料配管101に挿入され、締結部材102,106によって燃料配管101に固定される燃料噴射弁において、前記締結部材が当接する当接部を、燃料のシールを行うシール部分103とは別個に設けると共に、前記当接部を前記締結部材よりも柔らかい部材で形成し、燃料噴射弁の軸心に対して曲げモーメントが生じた際に、前記当接部が塑性変形するように構成する。
【選択図】図4

Description

本発明は、内燃機関に用いられる燃料噴射弁であって、気筒内に直接燃料を噴射するために高圧配管との締結乃至は接続を要する燃料噴射弁に関する。
特許第3385415号公報では、先細りに形成されたパイプ端部を高圧で面接触することにより高圧燃料パイプを接続し、高圧燃料パイプがステンレス鋼からなる内管とこれよりも軟質の鋼材からなる外管を一体化したもので構成され、高圧燃料系機器の燃料出入口の口縁に形成された末広がりの凹部に、前記外管のみを面接触させることで、軟質の材料が塑性変形して接続部を馴染ませ、燃料のシール性を向上させる方法が開示されている。
特開2005−98275号公報には、燃料噴射弁と接続される燃料供給管を構成するパーツ材の一部に薄肉部を設けることで、燃料噴射弁の組み付け時の取り付け誤差によって生じる応力を低減し、破損を防ぐ方法が開示されている。
特許第3385415号公報 特開2005−98275号公報
筒内直接噴射式の燃料噴射弁では、燃料噴射弁はエンジンヘッドに設けられた取り付け孔に挿入され、燃料噴射弁とエンジンヘッドとが、直接もしくは金属などの比較的弾性係数の大きい部材を介して接触して取り付けられている。燃料噴射弁は燃料配管と接続されるが、燃料噴射弁は燃料配管によって間に設けられた弾性部材を介して押し付けられるように接続されている。更に、エンジンの運転状態においては、燃料圧力によって燃料噴射弁がエンジンヘッドに押し付けられた状態で燃料噴射弁が駆動される。
燃料噴射弁が駆動される際には、弁の開閉に対応して音が発生する。発生した音は、燃料噴射弁本体を燃料噴射弁の弁体運動軸方向に振動させる。前述のように燃料噴射弁は、弁体運動軸方向に力を受けて、エンジンヘッドに押し付けられている。エンジンヘッドと燃料噴射弁を形成している部品は共に金属であり、音速が比較的近い。すなわち、音波が伝播しやすい。このため、燃料噴射弁より発生した音はエンジンヘッドへと容易に伝播する。エンジンヘッドへ伝播した音は、エンジンヘッドおよびこれに取り付けられている機器を振動させ、結果としてエンジン騒音を形成する。このため、燃料噴射弁とエンジンヘッドとが、弾性係数が著しく異なるなど、音速が異なる物質を介した状態で取り付けられていることが望ましい。
このような取り付け状態を作り出す方法として、エンジンヘッドと燃料噴射弁とが弁体軸方向に接触しないように構成したり、あるいは剛性の低い(音速の遅い)物質をエンジンヘッドに介在させるなどする方法が有効と考えられる。このような方法を採った場合における燃料噴射弁の固定は、燃料配管によって行われている必要がある。燃料配管はエンジンヘッドに固定され、燃料噴射弁は燃料配管に固定され、燃料噴射弁とエンジンヘッド間は燃焼ガスの漏れを防ぐシール部材が軸シールの形で燃料噴射弁の先端付近に用いられて取り付けられる。
このように燃料配管に燃料噴射弁を固定した場合、燃料噴射弁を固定する部材は燃料圧力による力を受けなければならないため、高い強度の部材を用いる必要がある。また、一方で燃料噴射弁と比較すると、燃料配管は剛性の高い部材で構成されている。このため、燃料噴射弁は燃料配管に対して剛に取り付けられる結果となる。
しかしながら、燃料配管に設けられた燃料噴射弁の取り付け孔の位置は、エンジンヘッドに穿孔された燃料噴射弁の取り付け孔に対して誤差を持って製造される。通常、切削加工によって精度を保つことが容易なエンジンヘッド側の燃料噴射弁取り付け孔と比較して、鋼管の溶接などによって製造される燃料配管側の燃料噴射弁取り付け孔の位置精度を高くすることは容易でない。
このため、エンジンヘッド側の取り付け孔と燃料配管側の取り付け孔とが互いに偏芯した状態で、燃料噴射弁が取り付けられることとなる。したがって、燃料配管に対して剛に取り付けられた燃料噴射弁は、その燃料噴射孔側の先端部に設けられた燃焼ガスのシール部がエンジンヘッド側の取り付け孔に挿入されることにより、燃料噴射弁の先端部が燃料配管との取り付け部に対して強制的な変位を受ける。
この結果、燃料噴射弁には曲げモーメントが生じ、強制的に変形させられるため、燃料噴射弁の内部の可動部品が収められている部位が変形し、噴射量などの特性に影響を与えてしまう恐れがあった。
また、これを避けるために燃料噴射弁内部の可動部分にあたる材料の肉厚を十分に大きくするなどすると、与えられる入力が強制変位であるため、別の部材が変形することになる。燃料噴射弁は、燃料を噴射ノズルの先端まで導く燃料通路としての機能も有しており、燃料圧力に耐えるように設計されている必要がある。このため、燃料噴射弁内部の可動部分以外の部材が変形するようにすると、変形することによって過大な応力が発生し、破損しやすくなってしまったり、あるいは高い燃料圧力に耐え難くなってしまうという問題があった。
あるいは、燃料配管の精度を十分にすれば前記したような問題は発生しないが、この場合には燃料配管の製造が困難であったり、あるいは非常に高価になってしまうという問題があった。
特許第3385415号公報では、高圧燃料配管の締結方式として、軟質な材料と硬質な材料との組み合わせと、先細りにした管の形状によって塑性変形可能な部分を設け、接続される配管が偏芯していたとしても燃料のシール性を確保する方法が示されているが、締結部と強制的に与えられた変位ないしは変形が燃料噴射弁本体に及ぼす影響とこれを回避する方法については開示されていない。
特開2005−98275号公報では、配管の一部分を薄肉にして変形を吸収する方法が示されているが、配管の一部分を薄肉にしており、燃料圧力に対する強度を保ちながら変形を吸収する方法については十分な配慮がない。
本発明の目的は、燃料噴射弁の噴射特性を左右する主要部に影響を与えることなく、燃料噴射弁を高圧燃料配管に剛に締結して支持する方法及び構造を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の燃料噴射弁は、燃料を内燃機関の筒内に直接噴射する燃料噴射弁であって、燃料噴射弁は燃料配管に挿入され、締結部材によって燃料配管に固定される燃料噴射弁において、前記締結部材が当接する当接部を、燃料のシールを行うシール部分とは別個に設けると共に、前記当接部を前記締結部材よりも柔らかい部材で形成し、燃料噴射弁の軸心に対して曲げモーメントが生じた際に、前記当接部が塑性変形するように構成したものである。
前記当接部は前記締結部材よりも引張強度が小さいか、もしくは硬さが小さい材料で構成するとよい。また、前記当接部を前記締結部材と接触する突起で構成するとよい。また、前記締結部材及び前記締結部材によって固定される燃料噴射弁の固定部のいずれよりも降伏点の低い材料で作られた馬蹄形状の部材を前記締結部材と前記固定部との間に設け、前記馬蹄形状の部材によって前記当接部を構成するとよい。
上記目的を達成するために、本発明の燃料噴射弁の支持方法は、燃料を内燃機関の筒内に直接噴射する燃料噴射弁であって、燃料噴射弁の一端部を燃料配管に挿入し、締結部材によって燃料配管に固定する燃料噴射弁の支持方法において、前記締結部材が当接する当接部を、燃料のシールを行うシール部分とは別個に設けると共に、前記当接部を前記締結部材よりも柔らかい部材で形成し、燃料噴射弁の軸心に対して曲げモーメントが生じた際に、前記当接部が塑性変形するようにして前記燃料配管に固定するものである。
前記締結部材は、固定クリップと、前記固定クリップと燃料噴射弁との間に設けられる押さえ板とから構成しても良い。
本発明によれば、エンジンヘッド側の取付位置と燃料配管側の取付位置との間にずれがあっても、締結部材が当接する当接部が塑性変形することにより、燃料噴射弁の噴射特性を左右する主要部に影響を与えることなく、燃料噴射弁を高圧燃料配管に剛に締結して支持することができる。
以下、本発明に係る実施例を説明する。
図1は、本発明に掛かる燃料噴射弁の断面図である。図2は、燃料配管101と固定クリップ102及び燃料噴射弁を分解した状態を示す斜視図であり、図3はこれらを組み付けた状態の斜視図である。図1はコイル108へ電力を供給するコネクタ201の側から眺めた断面図である。また、図には高圧燃料配管本体と燃料噴射弁を接続する燃料配管101とその接続に用いる固定クリップ102及び押さえ板106,燃料シールに用いるOリング103およびそのバックアップリング104が図示されている。
燃料圧力が燃料配管101から供給されると、Oリング103は、燃料噴射弁の燃料配管101内部の燃料圧力によって、バックアップリング104を介して燃料噴射弁の継ぎ手部分に設けられた固定リング105に押し付けられる。この結果、燃料噴射弁は燃料配管101の下方に押し出される方向の力を受けることになる。この力は、固定クリップ102及び押さえ板106によって、固定リング105との間で受け止められ、燃料噴射弁が押し出されることを防止している。
このような固定方法を採ることによって、燃料噴射弁のハウジング109がエンジンヘッドに対して剛に固定されること無く燃料噴射弁を取り付け可能になる。この結果、燃料噴射弁が動作した場合に生ずるアンカー111とコア110の打音や弁体113とオリフィスプレート116との打音などがエンジンヘッドに直接伝播することを防止することが出来る。一般に、剛な(すなわち音速が速い)物体から柔な(すなわち音速が遅い)物体への音の伝播はし易いが、柔な物体から剛な物体への音の伝播はし難いので、結果として燃料噴射弁の動作音がエンジンヘッドに伝播するのを防ぐことが出来る。
ここで、燃料噴射弁は燃焼ガスシール部材119が設けられた先端部がエンジンヘッドに設けられた取り付け孔に挿入され、この先端部は燃焼ガスシール部材119の部分において矢印117方向の位置がエンジンヘッドに固定される。このため、エンジンヘッドの取り付け孔と燃料配管101の間に偏芯があった場合には、矢印117に示すような方向の力をエンジンヘッドから受け、燃料噴射弁は曲げモーメントを受けることとなる。
燃料噴射弁を固定する固定クリップ102及び押さえ板106は、燃料圧力によって燃料噴射弁が押される力を受けても破損しないために、強度の高い材料が用いられる。このため、燃料圧力が働いた条件下では、燃料噴射弁は燃料圧力によって押さえ板106に押し付けられ、固定クリップ102を介して燃料配管101に剛に締結された状態となる。
燃料噴射弁は、その動作を行わせる部材はアジャスタピン120及びスプリング107よりも下流側に設けられている。燃料噴射弁は、弁体113が開閉することによって燃料噴射の開始および停止を行う装置である。弁体113は上流側ロッドガイド112及び下流側に設けられた弁体ガイド115によってガイドされながら摺動する。また、これらガイド部材はノズルホルダ114に固定されている。
弁体113を開弁するための駆動力は、コイル108への通電によってアンカー111とコア110との間に生じる磁気吸引力により、アンカー111と弁体113の接触部121を介して伝達される。また弁体113を閉弁するための駆動力は、アジャスタ120によって圧縮方向に付勢されたスプリング107による力である。このため、コイル108への通電を中止すると、スプリング107による付勢力によって弁体113は閉弁方向に移動し、オリフィスプレート116に設けられた弁座と当接して閉弁する。
燃料噴射弁が上述のような構造となっているため、ノズルホルダ114,ハウジング109,コア110などのアジャスタピン120より下流側の部材が変形すると、ロッドガイド112や弁体ガイド115の位置にずれを生じ、弁体113の動作がずれを生じる前の動作と異なってしまう可能性がある。
そこで、本発明に係る第一の実施例では、固定リング105と押さえ板106が当接する部位に、微小な突起を設ける。また、固定リング105を形成する部材は、フェライト系のステンレス鋼やオーステナイト系ステンレス鋼など、固定クリップ102や押さえ板106よりも柔らかい(すなわち降伏点が低い)部材を用いると良い。このような構成にすることで、後述する効果を得てアジャスタピン120より下流側の部材の変形を防止する。また、固定リング105は押さえ板106や固定クリップ102よりも柔らかい部材で作られることが望ましいので、固定リング105部の燃料噴射弁上下流方向の厚さは、押さえ板106の肉厚や固定クリップ102の肉厚よりも厚いことが望ましい。このような厚さの関係にすることによって、固定クリップ102,押さえ板106,固定リング105のいずれの破壊も防ぐことが出来る。
図4は、固定リング105の近傍を拡大した燃料噴射弁と燃料配管101の接続部分の断面図である。図4では、押さえ板106と固定リング105が当接する面の固定リング105側に、微小突起401を設けている。微小突起401は、固定リング105に当接する押さえ板106よりも降伏点が低いため、大きい力を受けると、押さえ板106よりも先に塑性変形する。
図5は、微小突起401が押さえ板106との当接面において塑性変形している様子と、それぞれの部材が受ける力の関係を示した図である。なお、図5では燃料噴射弁が傾いて取り付けられている様子を描いてあるが、傾きの大きさは実際のものよりも大きくして描いてある。燃料噴射弁は、矢印502で示される燃料圧力による力によって、Oリング103およびバックアップリング104を介して矢印501のような力を受ける。この矢印501で示される力が固定リング105,押さえ板106,固定クリップ102によって受け止められることによって、燃料噴射弁が燃料配管101に固定される。
ここで、図1で示したように燃料噴射弁の先端部近傍では、燃料配管101とエンジンヘッドとの固定部となる燃焼ガスシール部材119が挿入されるエンジンヘッドの孔に偏芯がある場合には、矢印117で示すような強制変位によって生じる力を燃料噴射弁は受ける。このため、燃料噴射弁には図5の矢印503で示すような曲げモーメントを生じる。この結果、微小突起401部は、燃料圧力による力(矢印502)と、矢印503が示す曲げモーメントを受ける力の合力を受けるようになる。
ここで、微小突起401は押さえ板106よりも降伏点が低い材質で作られているため、押さえ板106が降伏する前に微小突起401が塑性変形する。このような塑性変形は、燃料噴射弁に生じた曲げモーメントによって生じる力と、燃料圧力による力との合力が大きい部分で、変形量も大きくなる。この結果、強制変位によって生じる曲げモーメントにより、燃料噴射弁自体は傾いて取り付けられる。このようにして、偏芯によって入力された強制変位量は燃料噴射弁の傾きによって吸収されることとなる。この結果、燃料噴射弁に生じる曲げモーメントは減少する。ここで、微小突起401は、突起底面と上面との間がテーパー形状で形成されていると良い。これは、微小突起が塑性変形する過程で接触面積が増え、徐々にモーメントを支える力を増すことができるためである。
また、微小突起401のように曲げモーメントの緩和を変形によって吸収させる部位が、アジャスタピン120よりも燃料配管101に近い側にあることで、強制変位が入力される点からの距離L(図1に図示)を大きくとることができ、矢印117で示される強制変位を受ける点における変位量を、僅かな微小突起401の変形量で緩和することができるようになる。また、アジャスタピン120よりも燃料配管101に近い側に変形する部位を有することにより、燃料噴射弁の機能部品である弁体113やそのガイド112及び115、可動子であるアンカー111に影響を与えずに、強制変位に伴う曲げモーメントの緩和を行うことができる。
したがって、燃料噴射弁は矢印117で示される方向に強制変位を受けたとしても、微小突起401が局所的に塑性変形して曲げモーメントを緩和し、燃料噴射弁の機能部品が存在する部位、すなわちアジャスタピン120よりも下流側での変形を防止することが出来る。したがって、燃料配管101とエンジンヘッドに設けられた燃料噴射弁の取り付け孔とが相互に偏芯していたとしても、燃料噴射弁の機能を損ねることなく取り付けが可能となる。また、押さえ板106及び固定クリップ102の降伏点が、微小突起401部の降伏点よりも大きくなるように材料を選定することによって、押さえ板106と固定クリップ102の強度を高めることができ、より高い燃料圧力に対しても強度を保たせることができる。また、変形する部位を微小突起401に限定することにより、固定リング105の肉厚を十分に確保して、固定リング105が破損することがないように設計することができる。
このようにして、燃料配管101に燃料噴射弁を固定した場合においても、押さえ板106や固定クリップ102の強度を十分に保たせながら、燃料配管101とエンジンヘッドの燃料噴射弁取り付け孔との偏芯によって燃料噴射弁の機能を損ねることがなくなる。また、塑性変形可能な微小突起401部が、燃料のシール部分とは別の部位に設けられていることにより、微小突起401部に生じる塑性変形が燃料のシール性(漏洩防止性)に影響を与えることがない。また、燃料通過部の肉厚を減少させる必要が無いため、比較的高い燃料圧力が要求される筒内直接噴射エンジンに適用することもできる。このようにして、燃料配管とエンジンヘッド側の燃料噴射弁の取り付け孔との偏芯が、材料の変形,破損等によって燃料漏れを引き起こす可能性も低減させることができる。
なお、上記のような効果は、図9に示したように押さえ板901の側に微小突起902を設けても得ることが出来る。押さえ板901に微小突起を設けた場合においても、軟質な材料で作られた固定リング903の側が塑性変形し、微小突起を固定リング104に設けた図1の場合と同様の作用・効果を得ることが出来る。
また、いずれの場合も、微小突起を必ずしも周方向に連続して設ける必要は無い。例えば図10は押さえ板901を固定リング903の側から見た例であり、押さえ板の側に突起を設けた例であって、周方向に不連続に微小突起を設けている。このようにすることで、微小突起を十分微小な幅にし難い場合においても面圧を十分に上げることが出来るため、軟質な材料の側を塑性変形させて、燃料配管とエンジンヘッド側の燃料噴射弁の取り付け孔の偏芯によって発生する強制変位を吸収し、曲げモーメントを減ずることが出来る。
上述のように本実施例によれば、燃料噴射弁の機能を損ねることなく、燃料噴射弁の動作に伴う音がエンジンヘッドに伝播することを防止する固定方法である燃料配管に燃料噴射弁を固定する方式を採ることができる。また、この際に著しく高精度に作られた燃料配管などを要しないで済み、コストの大幅な増加などを抑止することが出来る。
図6は、本発明に係る実施形態において、塑性変形可能な部位を着脱可能にした例を示す斜視図である。押さえ板106と燃料噴射弁の間に、降伏点が押さえ板106よりも小さい略馬蹄形状のプレート部材601を挿入した例である。図7は、プレート状部材601が挿入された状態における、燃料配管101と燃料噴射弁の取り付け位置近傍の断面図であり、コネクタ201(図6に図示)の側から眺めた図である。
プレート状部材601は、第一の実施例における突起部401と同等の作用発揮するため、第二の実施例においても第一の実施例と同様の効果を得ることが出来る。
これに加えて、プレート部材601は、略馬蹄形状をしていることにより、燃料噴射弁を燃料配管へ組み付ける工程での挿入を可能にすることができる。
塑性変形が可能な部材を、燃料噴射弁とは別部材とすることにより、燃料噴射弁本体の塑性変形を防止することが出来る。この結果、例えば燃料噴射弁や配管の取り外し作業が生じた場合においても、燃料噴射弁本体が変形することがないため、プレート部材601のみを交換すればよい。このような使用方法を採る場合、プレート部材601の降伏点は、押さえ板106に用いられる材料よりも小さいだけでなく、固定リング105を構成している材料よりも小さいことが望ましい。このような降伏点の大小関係にしておくことにより、燃料噴射弁,押さえ板106の双方が破損することなく、所期の効果を得ることが出来る。
図8は、本発明に係る第三の実施例を示す断面図であり、燃料配管101と燃料噴射弁の取り付け部近傍を拡大した図である。第三の実施形態では、押さえ板801が固定リング804と当接する側の角に角R802を設け、また固定リング804が押さえ板801と当接する部位に隅R803を設けている。角R802は隅R803よりも小さくなるように設けられている。このように、燃料噴射弁側の固定リング804に隅Rを設け、燃料配管101との固定に用いる部材である押さえ板801の側に角Rを設けることで、当接する部位は線接触の状態と成る。線接触した場合においても、当接部での応力は大きくなり、軟質な材料で作られる固定リング804側は塑性変形する。また、角R802が隅R803よりも小さく設定されていることにより、燃料配管101とエンジンヘッド側の取り付け孔に偏芯があった場合においても、第一の実施例に示した微小突起と同様に、燃料噴射弁自体を傾けて曲げモーメントを吸収するという効果を発揮させることが出来る。
本発明の第一の実施例に係る燃料噴射弁の全体を示す断面図である。 本発明に係る燃料噴射弁の部品構成を示す斜視図である。 本発明に係る燃料噴射弁の組み立て状態を示す斜視図である。 本発明に係る燃料噴射弁の燃料配管近傍における拡大断面図である。 本発明に係る燃料噴射弁の燃料配管近傍において発生する力,モーメント、及び変形を示す拡大断面図である。 本発明の第二の実施例に係る燃料噴射弁の部品構成を示す斜視図である。 本発明の第二の実施例に係る燃料噴射弁の燃料配管近傍における拡大断面図である。 本発明の第三の実施例に係る燃料噴射弁の燃料配管近傍における拡大断面図である。 本発明の第一の実施例に係る燃料噴射弁の燃料配管近傍における拡大断面図であって、突起を押さえ板106の側につけた例を示す図である。 押さえ板901を固定リング903の側から見た図である。
符号の説明
101 燃料配管
102 固定クリップ
103 Oリング
104 バックアップリング
105 固定リング
106 押さえ板
107 スプリング
108 コイル
109 ハウジング
110 コア
111 アンカー
112 上流側ロッドガイド
113 弁体
114 ノズルホルダ
115 弁体ガイド
116 オリフィスプレート
117,501,502,503 矢印
118 プラスチックモールド
119 燃焼ガスシール部材
120 アジャスタピン
201 コネクタ
401 微小突起
601 プレート部材

Claims (6)

  1. 燃料を内燃機関の筒内に直接噴射する燃料噴射弁であって、燃料噴射弁は燃料配管に挿入され、締結部材によって燃料配管に固定される燃料噴射弁において、
    前記締結部材が当接する当接部を、燃料のシールを行うシール部分とは別個に設けると共に、前記当接部を前記締結部材よりも柔らかい部材で形成し、燃料噴射弁の軸心に対して曲げモーメントが生じた際に、前記当接部が塑性変形するように構成したことを特徴とする燃料噴射弁。
  2. 請求項1に記載の燃料噴射弁において、前記当接部は前記締結部材よりも引張強度が小さいか、もしくは硬さが小さい材料で構成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
  3. 請求項1又は2に記載の燃料噴射弁において、前記当接部を前記締結部材と接触する突起で構成したことを特徴とする燃料噴射弁。
  4. 請求項1又は2に記載の燃料噴射弁において、前記締結部材及び前記締結部材によって固定される燃料噴射弁の固定部のいずれよりも降伏点の低い材料で作られた馬蹄形状の部材を前記締結部材と前記固定部との間に設け、前記馬蹄形状の部材によって前記当接部を構成したことを特徴とする燃料噴射弁。
  5. 燃料を内燃機関の筒内に直接噴射する燃料噴射弁であって、燃料噴射弁の一端部を燃料配管に挿入し、締結部材によって燃料配管に固定する燃料噴射弁の支持方法において、
    前記締結部材が当接する当接部を、燃料のシールを行うシール部分とは別個に設けると共に、前記当接部を前記締結部材よりも柔らかい部材で形成し、燃料噴射弁の軸心に対して曲げモーメントが生じた際に、前記当接部が塑性変形するようにして前記燃料配管に固定することを特徴とする燃料噴射弁の支持方法。
  6. 請求項5に記載の燃料噴射弁の支持方法において、前記締結部材は、固定クリップと、前記固定クリップと燃料噴射弁との間に設けられる押さえ板とからなることを特徴とする燃料噴射弁の支持方法。
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