JP2012122464A - フューエルインジェクションレール - Google Patents

Abstract

【課題】脈動や振動などを吸収し易くし、本体に対する応力の発生を低減し、高圧に対する耐強度も向上させたフューエルインジェクションレールを提供する。
【解決手段】内部に燃料の流路（２）を形成したパイプ状のフューエルインジェクションレール（１）において、その断面形状を多辺形とし、この断面多辺形状を形成する辺の少なくとも一つの辺は、パイプの長手方向に沿って肉厚の薄い薄肉部（４）と、肉厚の厚い厚肉部（５）を具備するように形成する。上記パイプの断面多辺形状を形成する辺の少なくとも一つの辺においては、上記薄肉部（４）は上記辺の両側部に形成され、上記厚肉部（５）は上記薄肉部（４）に挟まれた中央部に形成するようにするとよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車エンジンに用いられるフューエルインジェクションレール、特には、インジェクタの開閉に伴う燃料の圧力変動を吸収する性能及び高圧に対する耐久強度の向上を図ったフューエルインジェクションレールに関する。

自動車のエンジンにおける燃料供給系においては、燃料タンクの燃料をポンプによってフューエルインジェクションレールに送り、このフューエルインジェクションレールに取り付けられているインジェクタによって、適正量の燃料をエンジンの吸気マニホールドに噴射している。

こうしたフューエルインジェクションレールにおいては、インジェクタの噴射作用による弁の開閉動作に伴って発生する燃料の脈動や、振動、異常音の発生などが問題となっている。
従来、このような脈動や振動などに対処するために、外付けのダンパーを設けたり、フューエルインジェクションレールの内部にダンパー手段を内蔵させたりすることが行われていたが、構造が複雑になったり、重量が重くなったり、コスト高になったりするところから、最近では、フューエルインジェクションレールそれ自体によって上記脈動や振動などを吸収しようとする傾向になっている。

上記脈動を吸収するためには、フューエルインジェクションレールそれ自体を変形可能にし、その変形量（ダンピング量）を大きくする必要がある。このダンピング量を大きくするために、フューエルインジェクションレールの板厚を均一に下げたり、変形し易い断面形状や寸法にして、ダンピング部位の面剛性を下げるようにしていた。

こうしたものとして、例えば、フューエルデリバリパイプの断面形状を肉厚を一定とした不等辺三角形に形成し、この不等辺三角形の最も長い辺の部分を可撓性のアブソーブ面としてダンピング作用をさせることにより、上記脈動や振動などを吸収しようとするようなものが提案されている（特許文献１）。
この場合、面剛性を下げ、断面積（内容積）を増加させるとフューエルインジェクションレールにかかる応力も増大することとなる。

特開２００２−２９５３３８号公報

上記脈動や振動などを吸収する作用をフューエルインジェクションレールの本体自身で行わせるためには、フューエルインジェクションレール本体が圧力の変動と共に変形（ダンピング）して脈動や振動などを吸収し、また変形時にかかる応力をできるだけ小さく且つ平均的にかかるようにすることが効果的である。
上記したように、ダンピングによって脈動や振動などを吸収し易くする為には、フューエルインジェクションレールの本体の肉厚を薄くすることが有効な手段であるが、安易に肉厚を薄くしてダンピングし易くすると、フューエルインジェクションレールの本体に対する応力が増大して疲労破壊に至る虞があることも判った。

本発明は、こうした問題点等を解消し、脈動や振動などを吸収し易くすると共に、フューエルインジェクションレールの本体に対する応力の発生を低減し、高圧に対する耐強度をも向上させることができるようにしたフューエルインジェクションレールを提供しようとするものである。

本発明は、内部に燃料の流路を形成したパイプ状のフューエルインジェクションレールにおいて、その断面形状を多辺形とし、この断面多辺形状を形成する辺の少なくとも一つの辺は、パイプの長手方向に沿って肉厚の薄い薄肉部と、肉厚の厚い厚肉部を具備するように形成したものである。
そして、上記パイプの断面多辺形状を形成する辺の少なくとも一つの辺において、上記薄肉部は上記辺の両側部に形成され、上記厚肉部は上記薄肉部に挟まれた中央部に形成するようにする。

こうした薄肉部及び厚肉部は、上記パイプの内面側に向かって形成されたり、上記パイプの外面側に向かって形成したりする。
上記パイプの断面が多辺形状に形成された場合、対向状態にある２辺に夫々上記薄肉部及び厚肉部を形成するようにする。

上記パイプは、鋳造、切削、引抜き、プレス加工したものの嵌め合わせ、押出成形、射出成形（ガスアシスト射出成形、ウォーターアシスト射出成形、プロジェクティル射出成形などを含む）、ブロー成形、注型成形などの何れかの工法によって形成するとよく、パイプの材料としては、金属、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などの耐熱性を有する材料によって形成することができる。

本発明によれば、インジェクタの噴射作用による弁の開閉動作に伴って発生する燃料の脈動や、振動などを効果的に吸収することができ、かつ、フューエルインジェクションレールの本体に対する応力の発生を低減し、長期間に亘り安定的にフューエルインジェクションレールを機能させることができる。

本発明の実施例を示すフューエルインジェクションレールの一部省略斜視図である。 本発明の他の実施例を示す断面図である。 本発明の更に他の実施例を示す断面図である。 本発明の他の例を示す断面図である。 本発明の更に他の例を示す断面図である。 本発明の他の実例を示す断面図である。 本発明の更に他の実例を示す断面図である。 図１に示すものを試験に使用したときの寸法を表示した説明図である。 試験に使用した比較例の断面を示し、寸法を表示した説明図である。 応力分布試験の結果を示す図表である。 （厚肉部／薄肉部）の肉厚比と断面積変化量（ΔＳ）の関係について、内面・外面に発生する内面最大主応力と外面最大主応力の応力比によりカテゴリー分けした散布図表である。

本発明におけるフューエルインジェクションレール（１）はパイプ状に形成されており、パイプの内部が燃料の流路（２）となっている。このフューエルインジェクションレールのパイプは、断面形状が３辺形、４辺形、５辺形、その他の多辺形状に形成されている。この場合、多辺形状の１辺以上が弧を描くようなものであっても、本発明の多辺形状に含まれるものである。
上記多辺形状を形成する各辺はパイプを形成するための肉厚（３）を有しており、少なくともその１辺において、その肉厚が薄い薄肉部（４）と、その肉厚が厚い厚肉部（５）が形成されていて、これがパイプの長手方向に沿って連続している。

図１に示すフューエルインジェクションレール（１）は、断面が４辺形状である長方形状に形成されており、対向する２つの長辺（６）には薄肉部（４）と厚肉部（５）が形成されている。
上記薄肉部（４）は、長辺（６）の両側部に形成され、厚肉部（５）は上記両薄肉部（４）に挟まれた中央部に形成されている。

上記薄肉部（４）と厚肉部（５）は、パイプの内面の流路（２）側に向かって凹凸を形成するようにして設けられており、パイプの内面は、一方の薄肉部（４）から厚肉部（５）を経て他方の薄肉部（４）に至るように、なだらかな曲線を描くように形成されている。
上記パイプ断面の長方形状の対向する２つの短辺（７）は均一な肉厚に形成されており、また、上記長辺（６）よりも肉厚が厚く形成されている。

上記長辺（６）と短辺（７）が交わるパイプの隅部内面（８）は、円弧を描くように形成することが好ましく、この円弧の半径は１以上にすると良いが、図示するものでは、半径を５程度としている。
上記厚肉部の肉厚及び薄肉部の肉厚の比率は、好ましくは（厚肉部／薄肉部）の肉厚比を１.２５以上にするとよく、更に好ましくは１.５以上にするとよい。そして、上記肉厚比は、好ましくは２.５未満、更に好ましくは２.０未満にするとよい。

こうしたフューエルインジェクションレール（１）は、鋼鉄、ステンレス鋼、アルミニウムその他の金属類、ポリアミド１１（ＰＡ１１）、ポリアミド１２（ＰＡ１２）、ポリアミド６６（ＰＡ６６）、ポリアミド６Ｔ（ＰＡ６Ｔ）、ポリアミド９Ｔ（ＰＡ９Ｔ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）その他の熱可塑性樹脂、ユリア樹脂、ポリエステル樹脂その他の熱硬化性樹脂などの樹脂類を用いて製造することができる。
こうした材料は、適当な強度と、耐熱性、パイプ内の流路に入る燃料の不透過性を有していることが好ましく、また、必要により、ガラス繊維、カーボン繊維などを併用して、補強効果等を向上させるようにすることができる。

このフューエルインジェクションレール（１）は、上記各種の材料を使用して種々の方法で形成することができるが、金属の場合は、例えば、鋳造、切削、引抜き、プレス加工したものの嵌め合わせその他によって成形することができ、樹脂の場合には、例えば、押出成形、射出成形（ガスアシスト射出成形、ウォーターアシスト射出成形、プロジェクティル射出成形などを含む）、ブロー成形、注型成形その他によって成形すると便利なことが多い。

このフューエルインジェクションレール（１）の流路（２）に燃料が流され、インジェクタの噴射作用による弁の開閉動作に伴って燃料の脈動が発生し、これがフューエルインジェクションレールに及んで来たとき、その脈動は主としてパイプの長辺（６）の肉厚が薄い薄肉部（４）、及び長辺（６）中央部の厚肉部（５）に作用し、上記長辺（６）中央部の厚肉部（５）の両側にある薄肉部（４）を起点として長辺中央部の厚肉部（５）を外方に押し出すようになって流路（２）内の断面積を増大し、同時に流路（２）の容積を増大し、その後に元に戻るようになるから、大きなダンピング効果を得ることができる。

図２に示すものは、図１に示すものと同様にフューエルインジェクションレール（１）の長辺（６）に薄肉部（４）と厚肉部（５）を設けると共に、この長辺（６）の外面（９）側を内部の流路（２）側に湾曲させ、上記薄肉部（４）及び厚肉部（５）の肉厚を図１に示すものよりも薄く形成したものである。こうしたフューエルインジェクションレールは、比較的小さな脈動から大きな脈動にまで対応することができるようになる。

図３のものは、図２に示すものと同様に、フューエルインジェクションレール（１）の長辺（６）に薄肉部（４）と厚肉部（５）を設けると共に、対向する短辺（７）にも薄肉部（４）と厚肉部（５）を設けたものであって、長辺（６）と共に短辺（７）においてもダンピング効果を得ることができるようにしたものである。

図４に示すものは、フューエルインジェクションレール（１）の長辺（６）に設けた薄肉部（４）と厚肉部（５）をパイプの外方に向けて形成したものであり、図５に示すものは、長辺（６）に設けた薄肉部（４）と厚肉部（５）をパイプの外方に向けて形成すると共に、長辺（６）全体をパイプの外方に向けて湾曲させるようにしたものである。

図６のものは、断面の外形を三角形状に形成したフューエルインジェクションレール（１）の、底辺（２１）を均一な肉厚とし、傾斜状態で対向する２辺（２２）の内面側の中央部に厚肉部（５）を残し、両側部に薄肉部（４）を形成したものである。

また、図７のものでは、図１に示すものとほぼ同様に断面を長方形状に形成したものの対向する２つの長辺の一方（図においては右側）の長辺（２３）には中央部を厚肉部（５）に、その両側部を薄肉部（４）に形成し、他方（図においては左側）の長辺（２４）の下部分には外方にむけて大きな突出部（２５）を形成し、上隅部を薄肉部（４）とし他を厚肉部（５）にして、均一的な底辺部（２７）に連続するように形成しているものである。

〔ＣＡＥ解析評価〕
上記実施例のフューエルインジェクションレールの性能を見るために、以下の評価モデル形状を用意し、ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）解析を実施して以下の評価を行った。

（評価モデル形状）
評価モデル形状として下記のものを用意した。
１．実施例１は、上記図１に示すフューエルインジェクションレールであって、図８に示すように断面各部の寸法は、下記のとおりのものである。
Ｈ１＝３４.４ｍｍ， Ｈ２＝２５.４ｍｍ， Ｗ１＝２２.４ｍｍ
ｔ１，ｔ２＝４.５ｍｍ， ｔ３＝２.１ｍｍ， ｔ４＝３.５ｍｍ
Ｒ１＝５ｍｍ， Ｗ２＝１３.５ｍｍ
Ｒ２は、Ｗ２＝１３.５ｍｍとＨ１の中心線が交わる点を中心としてＲを１７ｍｍとして描いた弧である。
２．比較例１は、図９に示すフューエルインジェクションレールであって、断面各部の寸法は、下記のとおりである。
Ｈ11＝３４.４ｍｍ， Ｈ12＝２６.３ｍｍ， Ｗ11＝２２.４ｍｍ
ｔ11，ｔ12，ｔ13，ｔ14＝４.０５ｍｍ，
Ｒ11＝０.９５ｍｍ， Ｒ12＝５ｍｍ

〔応力分布評価〕
上記実施例１及び比較例１のフューエルインジェクションレールのパイプの長さのファクターを消去し、このパイプに内圧３５０ｋＰａの圧力をかけて断面積（Ｓ）を０.８ｍｍ^２増大させたときの実施例１の長辺（６）及び比較例１の長辺（１６）の各下端から上端の各部分において長辺の内面及び外面に掛かる最大主応力を測定した。

（結果）
応力分布評価の結果を図１０に示す。図１０には、内面及び外面に掛かる応力の高い方の値を表示しており、長辺の両側部では内面の応力が高く、中央部では外面の応力が高く表れた。

〔肉厚比評価〕
実施例１のフューエルインジェクションレールのパイプ長さのファクターを消去し、厚肉部ｔ４と薄肉部ｔ３の肉厚を変化させてこのパイプに３５０ｋＰａの圧力をかけた時、（厚肉部ｔ４／薄肉部ｔ３）の肉厚比と断面積変化量（ΔＳ）の関係について、内面・外面に発生する内面最大主応力と外面最大主応力の応力比によりカテゴリー分けして散布図を作成し、これによって評価した。上記応力比は、０〜１の範囲である。

（結果）
散布図による結果を図１１に示す。図１１中において、
１．符号Ａは、内面と外面の各最大主応力の応力比が０.８５〜０.９０未満のものを示す。
２．符号ｂ〜ｈは、内面と外面の各最大主応力の応力比が０.９０〜１.０未満のものを示し、
ｂは、肉厚比（厚肉部ｔ４／薄肉部ｔ３）が１.００〜１.２５未満のもの、
ｃは、同１.２５〜１.５０未満のもの、
ｄは、同１.５０〜１.７５未満のもの、
ｅは、同１.７５〜２.００未満のもの、
ｆは、同２.００〜２.２５未満のもの、
ｇは、同２.２５〜２.５０未満のもの、
ｈは、同２.５０〜２.７５未満のもの、を示している。

〔断面積増加量評価〕
上記実施例１のフューエルインジェクションレールのパイプ長さのファクターを消去し、寸法ｔ３、ｔ４、Ｒ１、Ｒ２、Ｗ２を変化させてこのパイプに３５０ｋＰａの圧力をかけた時、長辺Ｈ２のｔ３（薄肉部）及びｔ４（厚肉部）とパイプ断面に発生する応力及びパイプ断面積増加量の関係について相関マトリックスを用いて統計学的手法で評価した。

（結果）
断面積増加量評価の相関マトリックス結果を比率に換算して表１に示す。

〔考察〕
上記応力分布評価によれば、図１０に示すように、比較例１の均一肉厚の四辺形状のものでは、長辺の両端部分に位置する内Ｒに１４ＭＰａの最大応力が掛かって応力の集中が見られ、その少し内側では１ＭＰａ程度に応力が減少し、次いで長辺中央に向かって８ＭＰａの応力が集中してかかるという応力の偏在化が表れている。
一方、実施例１のものでは、長辺の両端部分に８ＭＰａ強の応力が掛かり、その少し内側では２ＭＰａ程度に応力が減少し、次いで長辺の中央部では広い範囲で全体に平均して８ＭＰａ弱の応力がかかっており、全体として応力が小さいと共に長辺の全体に平均的に応力が分散されていることが判る。従って、応力要件が比較例１と同じ場合には、内外面の内面最大主応力と外面最大主応力の応力比を１に近づけた実施例１の方が断面積変化（ΔＳ）を大きくすることができる。
また、図１０に示すように、比較例１のように肉厚比１となる肉厚均一な形状は発生する応力値が高くなることから、断面積変化（ΔＳ）の最適解になりえない。肉厚比評価によれば、図１１に示すように、最適解（１０）は、上記内面と外面の各最大主応力の応力比を０.９０以上とし、肉厚比を１.５〜１.７５にしたものであり、この最適解に近づける為には、内面と外面の各最大主応力の応力比を０.８５以上かつ肉厚比を１.２５以上とするのが良く、好ましくは内面と外面の各最大主応力の応力比を０.９０以上かつ肉厚比を１.５０以上とすれば良いことが判る。
更に、断面積増加量評価において、表１に示すように、実施例１では、薄肉部の寸法変化においては応力とΔＳとは同等の相関性を持っているが、厚肉部の寸法変化においては応力に対してΔＳの変化が相対的に大きくなっていて、ΔＳの変化より応力に対する影響が少ない。従って、断面内に薄肉部と厚肉部を形成することによって、同じ応力が作用する場合にはΔＳを大きくすることができるので、同じ応力が作用する場においてパイプ内の断面積の増大を図ることができ、良好なダンピング効果が得られることが判った。

１： フューエルインジェクションレール
２： 流路
３： 肉厚
４： 薄肉部
５： 厚肉部
６： 長辺
７： 短辺
８： 隅部内面
９： 外面
１０：図１１における最適解

Claims (11)

1. 断面形状を多辺形とし内部に燃料の流路を形成したパイプ状のフューエルインジェクションレールであって、該パイプの断面多辺形状を形成する辺の少なくとも一つの辺は、パイプの長手方向に沿って肉厚の薄い薄肉部と、肉厚の厚い厚肉部を具備するフューエルインジェクションレール。
2. 上記パイプの断面多辺形状を形成する辺の少なくとも一つの辺において、上記薄肉部は上記辺の両側部に形成され、上記厚肉部は上記薄肉部に挟まれた中央部に形成されている請求項１に記載のフューエルインジェクションレール。
3. 上記薄肉部及び厚肉部は、上記パイプの内面側に向かって形成されている請求項１又は２に記載のフューエルインジェクションレール。
4. 上記薄肉部及び厚肉部は、上記パイプの外面側に向かって形成されている請求項１又は２に記載のフューエルインジェクションレール。
5. 上記パイプは断面多辺形状に形成され、対向状態の２辺に夫々上記薄肉部及び厚肉部が形成されている請求項１〜４のいずれかに記載のフューエルインジェクションレール。
6. 上記パイプは断面多辺形状に形成され、構成辺のすべてに夫々上記薄肉部及び厚肉部が形成されている請求項１〜４のいずれかに記載のフューエルインジェクションレール。
7. 上記パイプに形成された薄肉部及び厚肉部の肉厚比は、（厚肉部／薄肉部）の肉厚比が１.２５以上２．５未満であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のフューエルインジェクションレール。
8. 上記薄肉部と厚肉部を有するパイプにおいて、内圧を受けた時の内面最大主応力と外面最大主応力の応力比を０.８５以上１．０以下にしたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のフューエルインジェクションレール。
9. 上記パイプは断面多辺形状に形成され、各辺が交わる部分のパイプ内面が弧状に形成され、該弧のＲが１以上に形成されている請求項１〜８のいずれかに記載のフューエルインジェクションレール。
10. 上記パイプは、金属、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂から選ばれる何れかの耐熱性材料によって形成される請求項１〜９のいずれかに記載のフューエルインジェクションレール。
11. 上記パイプは、鋳造、切削、引抜き、プレス加工したものの嵌め合わせ、押出成形、射出成形（ガスアシスト射出成形、ウォーターアシスト射出成形、プロジェクティル射出成形を含む）、ブロー成形、注型成形から選ばれる何れかの工法によって形成される請求項１〜１０のいずれかに記載のフューエルインジェクションレール。

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