JP3888177B2

JP3888177B2 - Fuel injection valve

Info

Publication number: JP3888177B2
Application number: JP2002043342A
Authority: JP
Inventors: 幸夫犬塚; 正晃小西
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-04-23
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2022-02-20
Also published as: JP2003013822A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料加熱ヒータを備えた燃料噴射弁およびその燃料加熱ヒータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近のガソリンエンジンやディーゼルエンジンは、高出力、低騒音等に加え、低燃費で、厳しい排ガス規制を満足することが求められる。このため、エンジンへの燃料供給は燃料噴射弁によって正確に行われる。この燃料噴射弁は制御装置（ＥＣＵ）によって制御され、燃料噴射弁内の電磁弁への印可電圧を調整することにより、吸気管やシリンダ内へ噴射される燃料の噴射時期や噴射量等が高精度に制御されている。
ところが、例えば、エンジンが始動時等の冷間状態にある場合、燃料噴射弁による噴射量の調整のみでは、所望の空燃比や均一な混合気を得ることが困難である。なぜなら、低温時、燃料噴射弁から噴射された燃料は、気化や霧化がし難く、噴射された燃料が液滴（液相）状態で吸気管やシリンダ内に供給され得るからである。特に、供給される燃圧が比較的低い燃料噴射弁の場合（例えば、吸気管内に燃料を噴射する燃料噴射弁の場合）、燃料の微粒化が起りにくく、燃料の液相化が生じ易い。
【０００３】
液滴状態の燃料がシリンダ内に吸入されると、均一な燃焼が妨げられ、アイドル不調、応答性の悪化、プラグのかぶり、未燃焼燃料の残存による排ガス中のＨＣ等の増加、燃費の悪化等が生じ得る。特に、吸気管内に燃料を噴射する構造の場合、冷間時、吸気管内壁への燃料の付着が生じ得る。そのため、実質的にシリンダ内に流入する燃料量が減少し（空燃比が大きくなり）、始動性の悪化やエンジン不調の原因となる。これは、冷間時に噴射する燃料を増量することで回避できるが、それは燃費の悪化に直結する。
そこで、噴射前（または噴射中）の燃料をセラミックヒータで積極的に加熱して、噴射された燃料の気化や霧化を促進することが考えられる。例えば、特開昭６３−１７０５５５号公報や特開平５−２６１３０号公報にそれに関する開示がある。
【０００４】
前者の公報に開示されたものを図６に示す。この場合、セラミックヒータ２１０が波板ばね２４０により付勢されて噴孔プレート２２０に当接している。そして、セラミックヒータ２１０は噴孔プレート２２０を介して噴射孔２３０近傍に溜っている燃料を加熱している。また、セラミックヒータ２１０が環状であるため、その内周部を通過する燃料を直接加熱できるようにもなっている。
後者の公報に開示されたものを図７に示す。この場合、セラミックヒータ３１０が燃料噴射弁３００の手前にある分岐燃料管３２０内に設けられ、燃料噴射弁に供給される燃料を直接加熱している。
なお、噴射後の燃料をセラミックヒータで直接加熱するものとして、特開平９−８８７４０にその開示がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、燃料の気化や霧化を促進させるためにセラミックヒータが使用される。ところが、セラミックヒータの大部分を構成するセラミックスは、周知のように、圧縮側の強度は高いが引張側の強度は弱い。過度の引張応力がセラミックヒータに作用すると、セラミックヒータに亀裂等が生じ得る。そのため、図６や図７からも判るように、何れも、セラミックヒータに引張応力が殆ど作用しない状態で使用されており、その使用方法が限定され、全体構造が複雑化する傾向にあった。
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものである。つまり、比較的簡易な構造の燃料加熱ヒータを備えた燃料噴射弁と、その燃料加熱ヒータとを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、環状のセラミックヒータを燃料噴射弁のノズルホルダに圧入して用いることを考えた。そして、その圧入によりセラミックヒータの外周部に生じる引張応力は、保護リングをセラミックヒータの外周部に圧入することで抑制、防止できることを思い付き、本発明を完成させるに至ったものである。
【０００７】
（燃料噴射弁）
すなわち、本発明の燃料噴射弁は、燃料噴射孔を有するノズル部と該燃料噴射孔の開閉を行う弁体と該ノズル部から延出して内部に弁体を収納し該弁体の周囲に燃料溜りを形成する筒状のノズルホルダとを備えるインジェクタ本体と、該ノズルホルダの外周面に圧入され電力供給源から電力の供給を受けて発熱し該ノズルホルダを介して該燃料溜りにある燃料を加熱する環状のセラミックヒータと、該セラミックヒータの外周側に圧入された環状の保護リングと、を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の燃料噴射弁では、弁体周囲の燃料溜りにある噴射前の燃料がノズルホルダを介してセラミックヒータにより加熱される。このとき、環状のセラミックヒータがノズルホルダに圧入されているため、ノズルホルダの外周面とセラミックヒータの内周面とが密着し熱伝達が効率よく行われる。従って、ノズルホルダの外周面とセラミックヒータの内周面との間に高熱伝導性の充填剤等を塗布する必要もないし、付勢部材等を使用して両者間の密着性を確保する必要もない。よって、非常に簡易な構造としつつ燃料噴射弁内の燃料の加熱ができる。
但し、単に環状のセラミックヒータをノズルホルダに圧入すると、セラミックヒータの外周部にはその締め代（圧入代）に応じた引張応力が作用して、セラミックヒータの割れやクラック等の発生原因となり得る。
そこで、本発明では、セラミックヒータの外周側に保護リングを圧入した。この保護リングの圧入により、セラミックヒータの外周部では、圧縮応力が作用するか、前述の引張応力が低減され、いずれにしてもセラミックヒータの割れ等が防止され得る。
【００１０】
本発明に係る燃料噴射弁および燃料加熱ヒータについて、次のことが言える。
セラミックヒータの内周側とその外周側との締め代等は適宜決定される設計事項である。但し、少なくとも、セラミックヒータをノズルホルダに圧入したときに、セラミックヒータと保護リングとの間に締め代が存在する（圧入状態である）ようにする。逆に言えば、セラミックヒータのノズルホルダへの圧入前においては、セラミックヒータと保護リングとが必ずしも圧入状態である必要はない。勿論、セラミックヒータと保護リングとが圧入されていると、両者を一体的に取扱えるので好ましい。
【００１１】
この圧入により生じる応力は、保護リングとセラミックヒータとの間の締め代（外周側締め代）に対するノズルホルダとセラミックヒータとの間の締め代（内周側締め代）の割合である締め代比に関係する。この圧入比を変化させてＦＥＭ解析等を行い、セラミックヒータに作用する引張応力がセラミックヒータの許容応力となる締め代比の限界値（限界締め代比）を算出する。そして、締め代比を限界締め代比以下にすることでセラミックヒータに作用する引張応力をセラミックヒータの許容応力以下とすることができる。
なお、解析により限界締め代比は、例えば、０．７とすると好ましい。締め代比が０．７以下であれば、確実にセラミックヒータに作用する引張応力をその許容応力以下にすることができる。締め代比を０．６以下とすると、セラミックヒータに引張応力が生じないためより好ましい。
【００１２】
また、圧入により生じる応力は、締め代のみならず各部材の剛性（縦弾性係数（ヤング率Ｅ）と形状係数（断面２次モーメントＩ））にも関係する。セラミックヒータの外周部で引張応力を低減させ、または圧縮応力を発生させるためには、その外周側での締め代を大きくするか、保護リングの剛性を大きくすることが有効となる。もっとも、その締め代を過度に大きくすると組付け性が悪くなる。また、その剛性を形状面から大きくすると、保護リングの大型化を招く。そこで、保護リングに高張力材料を用いると、セラミックヒータの引張応力の低減と保護リングのコンパクト化との両立を図れる。高張力材料として、例えば、鉄系材料がある。また、前記保護リングが、前記セラミックヒータに用いられるセラミックスよりも引張強度の大きな高張力材料からなると、好適である。
【００１３】
また、セラミックヒータによる発熱が効率よく燃料溜り内の燃料に伝達されると、セラミックヒータの小型化や消費電力の削減が可能となる。そこで、保護リングは、低熱伝導性材料からなると好ましい。低熱伝導性材料として、例えば、ステンレス系材料がある。前記保護リングは、前記ノズルホルダに用いられる材料よりも熱伝導率が低い低熱伝導性材料からなると、燃料溜り内の燃料に熱がより伝達され易くなり好適である。
【００１４】
ところで、セラミックヒータは、耐熱性の他、耐蝕性にも優れるため、エンジンへの使用に適する。通常のセラミックヒータは、金属発熱体とその金属発熱体を被覆等するセラミックス本体とからなる。そして、電力供給源から供給される電力量に応じて金属発熱体が発熱し、その熱がセラミックス本体に伝達される。発熱時期や発熱量はＥＣＵ等により制御される。
もっとも、セラミックヒータは、そのようなヒータに限らず、正特性半導体素子からなるヒータ（いわゆるＰＴＣヒータ）でも良い。ＰＴＣヒータは、低温時、電気抵抗が小さく発熱量が多くなるが、セラミックスの温度が上昇してある温度領域に達すると、電気抵抗が急増大して発熱量が小さくなる。従って、このＰＴＣヒータの自己温度制御機能を利用すると、セラミックヒータの制御を簡素化することができる。
【００１５】
なお、ノズルホルダを円筒状とすると共にセラミックヒータおよび保護リングを円環状とすると、製作、加工、組付け等が容易となり、圧入した際に作用する応力も均一となり好ましい。
また、本発明でいう燃料噴射弁は、ガソリンエンジン用でもディーゼルエンジン用でも良く、筒内に噴射するものでもインテークマニホールド内に噴射するものでも良い。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより具体的に説明する。
本発明の実施形態である燃料噴射弁１の縦断面図を図１に示す。この燃料噴射弁１は、自動車用ガソリンエンジンの吸気管（インテークマニホールド）に配設されるものである。この燃料噴射弁１は、インジェクタ本体１０と燃料加熱ヒータ２０とからなる。
（１）インジェクタ本体
インジェクタ本体１０は、筐体１１と、筐体１１内に収納された弁部１２と、弁部１２を電磁駆動する電磁駆動部１３とからなる。
筐体１１は、円筒状のケース１１１とリング１１２とノズルホルダ１１３とカップ状のバルブボディ１１４とからなり、それぞれがそれぞれの端部で溶接されている。
【００１７】
ケース１１１とノズルホルダ１１３とは鉄系の磁性材料であり、リング１１２は鉄系の非磁性材料からなる。バルブボディ１１４は、内部に円錐状のシート面１１４ａを有し、その中央（頂部）に燃料噴射孔１１４ｂが形成されている。また、バルブボディ１１４の下端面には噴孔プレート１１５が溶接されている。その噴孔プレート１１５には、吸気バルブに向けた二股の噴孔１１５ａが穿設されている。このバルブボディ１１４が本発明でいうノズル部に相当する。
【００１８】
弁部１２は、ニードル弁１２１と、ニードル弁１２１をシート面１１４ａに付勢するスプリング１２２と、この付勢力を調整する円筒状のアジャスター１２３とからなる。ニードル弁１２１は有底円筒状となっており、側面上下２箇所に通孔１２１ａ、１２１ｂが穿設されている。ニードル弁１２１の下部にガイド１２１ｃが形成されており、ガイド１２１ｃはバルブボディ１１４の内周面に接してニードル弁１２１の往復動を案内する。ガイド１２１ｃの外周囲は、燃料が通過できるように面取りされている。ニードル弁１２１の下端部にはニードル部１２１ｄが形成されており、ニードル部１２１ｄはシート面１１４ａに当接して、燃料噴射孔１１４ｂを閉塞する。このニードル弁１２１が本発明でいう弁体に相当する。
【００１９】
電磁駆動部１３は、電磁コイル１３１と固定コア１３３と可動コア１３４と磁性リング１３２とからなる。固定コア１３３は、ケース１１１の内周側に一体的に形成されたものである。可動コア１３４は、ニードル弁１２１の上部に嵌装され、リング１１２とノズルホルダ１１３との内周面にガイドされて、ニードル弁１２１と一体的に往復動可能である。環状の磁性リング１３２は、磁性材料からなり、ケース１１１とノズルホルダ１１３とを磁気的に連結する。
【００２０】
電磁コイル１３１への電力供給は、コネクタ１５４に保持されたターミナル１５３から行われる。コネクタ１５４は、インジェクタ本体１０の上部を被覆する樹脂モールド１５５と一体に形成されている。
ここで、ターミナル１５３に電圧が印可されると、電磁コイル１３１に電流が流れ、その電流量に応じた磁束が発生する。この磁束は、ノズルホルダ１１３→磁性リング１３２→ケース１１１（固定コア１３３）→可動コア１３４と伝わり、磁気回路が形成される。その結果、可動コア１３４が固定コア１３３に吸引されると、ニードル弁１２１がシート面１１４ａから離座して、燃料噴射孔１１４ｂが開孔する。一方、そのターミナル１５３への印可電圧が遮断されると、可動コア１３４は、スプリング１２２に付勢されて、ニードル弁１２１をシート面１１４ａに着座させる。そして、燃料噴射孔１１４ｂは閉孔する。このように、ニードル弁１２１（ニードル部１２１ｄ）が燃料噴射孔１１４ｂを開閉することにより、燃料噴射が適宜行われる。
【００２１】
ところで、燃料は、筐体１１の上方（図上）にＯリング１５１を介して油密に接続されたデリバリパイプ（図略）から供給される。この燃料は、燃料フィルター１５２、筐体１１の円筒内部、ニードル弁１２１の円筒内部および通孔１２１ａ、ｂを通って、バルブボディ１１４の燃料噴射孔１１４ｂまで達する。この燃料は加圧されているため、燃料噴射孔１１４ｂの開閉に応じて燃料が燃料噴射孔１１４ｂから噴射される。また、ノズルホルダ１１３の内周面とニードル弁１２１の外周面との間には燃料溜り１１３ａが形成されており、そこに噴射直前の加圧燃料が蓄えられている。
【００２２】
（２）燃料加熱ヒータ
燃料加熱ヒータ２０は、円環状のセラミックヒータ２１とその外周面に圧入されたステンレス製の円環状の保護リング２２とからなる。
図１に示すように、セラミックヒータ２１はノズルホルダ１１３に圧入されている。つまり、セラミックヒータ２１の内周面とノズルホルダ１１３の外周面との間に圧縮応力が作用して密着固定されている。
【００２３】
図２（ａ）に示すように、燃料加熱ヒータ２０は、このノズルホルダ１１３への圧入前に、セラミックヒータ２１の外周側に高張力材料である保護リング２２が圧入される。つまり、セラミックヒータ２１の外周面と保護リング２２の内周面との間には、圧縮応力が作用した状態となっている。次に、図２（ｂ）に示すように、圧縮応力が作用した状態で燃料加熱ヒータ２０をノズルホルダ１１３に圧入する。組付けられた状態を図２（ｃ）に示す。その結果、前述の圧縮応力により、セラミックヒータ２１の外周部に作用する引張応力は少なくともその一部が打消される。よって、セラミックヒータ２１の外周部に過度の引張応力が作用せず、セラミックヒータ２１の割れ等が防止される。
なお、図２に示す保護リング２２の形状が図１のものと異なるが、これはセラミックヒータ２１の組付けを容易にする形状としたためである。
【００２４】
本実施形態のセラミックヒータ２１は、内部に金属発熱体を有する通常のセラミックヒータである。セラミックヒータ２１への電力供給は、バッテリ等の電力供給源からなされる。電力の供給量やそのタイミングは、図示しない制御装置（ＥＣＵ）により制御される。セラミックヒータ２１に電力が供給されると、セラミックヒータ２１は発熱し、その熱はノズルホルダ１１３を介してその内部に形成された燃料溜り１１３ａ内の燃料に伝達される。
なお、保護リング２２を形成するステンレスは、低熱伝導性材料でもあるため、セラミックヒータ２１で生じた熱は、効率的にノズルホルダ１１３側に伝達される。
【００２５】
こうして、始動時等のエンジン冷間時に、噴射前の燃料の温度（燃温）を上昇させることができる。燃温の高い燃料は、吸気管内で容易に霧化や気化（減圧沸騰）し、吸気管内に液相燃料が滞留することが抑制、防止される。特に、本実施形態では、燃料噴射孔１１４ｂの近傍に存在する燃料を加熱するため、噴射燃料の霧化や気化を行う上で、より効率的な加熱が行える。
【００２６】
図２に示す保護リング２２を採用した燃焼噴射弁１の部分縦断面図を図３に示す。前述したセラミックヒータ２１への電力供給は、コネクタ２４に保持されたターミナル２３から行われる。コネクタ２４は、インジェクタ本体１０の中央部を被覆する樹脂モールド２５と一体に形成されている。
【００２７】
（３）締め代比を変化させた際のセラミックヒータ等に生じる応力解析
次に、本実施形態において、締め代比を変化させた際のセラミックヒータ２１等に生じる応力の解析をＦＥＭ解析により行った。締め代比とは、セラミックヒータ２１の外周側締め代に対するその内周側締め代の割合である。すなわち、内周側締め代比を外周側締め代で除した値である。なお、本解析は、セラミックヒータ２１を含む燃料噴出弁１の横断面について行った。また、解析条件として、各部品の形状を図４（ａ）に、材料物性を図４（ｂ）に示す。すなわち、ノズルホルダ１１３は、内径はφ５．６ｍｍ、外径はφ７ｍｍ、材質はステンレス、ヤング率は２００ＧＰａ、ポアソン比は０．３とする。セラミックヒータ２１は、内径はφ７ｍｍ、外径はφ１０ｍｍ、材質はアルミナ、ヤング率は２９４ＧＰａ、ポアソン比は０．２４とする。保護リング２２は、内径はφ１０ｍｍ、外径はφ１２ｍｍ、材質はステンレス、ヤング率は２００ＧＰａ、ポアソン比は０．３とする。また、本解析は、外周側締め代を４０μｍに固定しておき、内周側締め代を変化させることにより、締め代比を０〜１．０まで変化させて行った。その解析結果の応力分布（横断面図）を図５に示す。
【００２８】
図５に示すように、セラミックヒータ２１に引張応力が殆ど作用しない状態は締め代比が０．７以下の場合である。すなわち、セラミックヒータ２１に作用する引張応力がセラミックヒータ２１の許容応力となる締め代比の限界値（限界締め代比）を０．７にすると好ましい。ここで、図５から明らかなように、締め代比が０．７の場合には、セラミックヒータ２１の一部に引張応力が作用している。しかし、この引張応力がセラミックヒータ２１の許容応力以下であればよい。すなわち、解析結果によれば、締め代比を０．７以下（限界締め代比を０．７）にすることでセラミックヒータ２１の割れ等を防止できる。
なお、締め代比が０．６以下であるとより好ましい。この場合には、セラミックヒータ２１に全く引張応力が生じなくなるため、確実にセラミックヒータ２１の割れ等を防止できる。
また、締め代比が０．８以上の場合にはセラミックヒータ２１の広い範囲に引張応力が作用しているが、この引張応力がセラミックヒータ２１の許容応力以下であれば、締め代比を０．８以上としてもよい。
【００２９】
（４）その他
前記実施形態では、保護リング２２を別途用意したが、必ずしもその必要はない。例えば、燃料噴射弁１を嵌装するシリンダヘッドに、円筒部を形成する。そして、その円筒部にセラミックヒータ２１を圧入する。そして、セラミックヒータ２１の内周側にノズルホルダ１１３を圧入する。この場合、その円筒部の内壁が本発明でいう保護リングに相当する。よって、シリンダヘッドの円筒部内壁を保護リングとして代替することも可能である。
【００３０】
また、本実施形態では、セラミックヒータ２１を圧入するノズルホルダ１１３とケース１１１とを溶接して一体としているが、当初から一体となっているハウジングを用いても良い。この場合は、そのハウジングが本発明でいうノズルホルダに相当する。
また、燃料加熱ヒータ２０の圧入位置は、ノズルホルダ１１３の中央付近に限らず、バルブボディ１１４の近傍、さらにはバルブボディ１１４に差掛かっても良い。
また、燃料加熱ヒータ２０を稼働する時期は始動時等に限らず、外気温の低いときなど、燃料の霧化や気化が困難なときに広く稼働させても良い。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の燃料加熱ヒータによれば、ノズルホルダへのセラミックヒータの圧入が可能となり、簡素な構造で噴射燃料の加熱ができる。
そして、その燃料加熱ヒータを備えた燃料噴射弁を用いると、簡易な構造で冷間時でも噴射燃料の霧化や気化を促進できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料噴射弁を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料加熱ヒータの組付け図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料噴射弁を示す断面図である。
【図４】締め代比を変化させた際のセラミックヒータ等に生じる応力解析の解析条件を示す図である。
【図５】応力解析の解析結果を示す図である。
【図６】従来の燃料噴射弁を示す部分断面図である。
【図７】従来の燃料加熱ヒータを示す模式図である。
【符号の説明】
１燃料噴射弁
１０インジェクタ本体
２０燃料加熱ヒータ
２１セラミックヒータ
２２保護リング
１１３ノズルホルダ
１１３ａ燃料溜り
１１４バルブボディ（ノズル部）
１１４ｂ燃料噴射孔
１２１ニードル弁（弁体）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel injection valve provided with a fuel heater and the fuel heater.
[0002]
[Prior art]
Recent gasoline engines and diesel engines are required to satisfy strict exhaust emission regulations with low fuel consumption in addition to high output and low noise. For this reason, the fuel supply to the engine is accurately performed by the fuel injection valve. This fuel injection valve is controlled by a control unit (ECU), and by adjusting the applied voltage to the solenoid valve in the fuel injection valve, the injection timing, injection amount, etc. of the fuel injected into the intake pipe and cylinder are increased. It is controlled to accuracy.
However, for example, when the engine is in a cold state such as at the time of starting, it is difficult to obtain a desired air-fuel ratio or a uniform air-fuel mixture only by adjusting the injection amount by the fuel injection valve. This is because, when the temperature is low, the fuel injected from the fuel injection valve is difficult to vaporize or atomize, and the injected fuel can be supplied into the intake pipe or the cylinder in a droplet (liquid phase) state. In particular, in the case of a fuel injection valve that supplies a relatively low fuel pressure (for example, in the case of a fuel injection valve that injects fuel into an intake pipe), fuel atomization is unlikely to occur, and the liquid phase of the fuel is likely to occur.
[0003]
When fuel in the droplet state is sucked into the cylinder, uniform combustion is hindered, idle malfunction, poor responsiveness, plug fogging, increase in HC, etc. in exhaust gas due to unburned fuel remaining, and fuel consumption deterioration Etc. can occur. In particular, in the case of a structure in which fuel is injected into the intake pipe, fuel can adhere to the inner wall of the intake pipe when cold. As a result, the amount of fuel flowing into the cylinder is substantially reduced (the air-fuel ratio is increased), resulting in poor startability and engine malfunction. This can be avoided by increasing the amount of fuel injected in the cold, but this directly leads to a deterioration in fuel consumption.
Therefore, it is conceivable that the fuel before injection (or during injection) is positively heated with a ceramic heater to promote vaporization and atomization of the injected fuel. For example, JP-A-63-170555 and JP-A-5-26130 have disclosures relating thereto.
[0004]
What was disclosed in the former publication is shown in FIG. In this case, the ceramic heater 210 is urged by the wave plate spring 240 and is in contact with the nozzle hole plate 220. The ceramic heater 210 heats the fuel accumulated in the vicinity of the injection hole 230 via the injection hole plate 220. Further, since the ceramic heater 210 is annular, the fuel passing through the inner peripheral portion can be directly heated.
What is disclosed in the latter publication is shown in FIG. In this case, the ceramic heater 310 is provided in the branch fuel pipe 320 in front of the fuel injection valve 300 to directly heat the fuel supplied to the fuel injection valve.
JP-A-9-88740 discloses that the fuel after injection is directly heated by a ceramic heater.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Thus, a ceramic heater is used to promote fuel vaporization and atomization. However, as is well known, ceramics constituting most of the ceramic heater have high compression side strength but low tensile side strength. If excessive tensile stress acts on the ceramic heater, cracks or the like may occur in the ceramic heater. Therefore, as can be seen from FIG. 6 and FIG. 7, the ceramic heater is used in a state where almost no tensile stress acts on the ceramic heater, and its use method is limited, and the entire structure tends to be complicated.
The present invention has been made in view of such circumstances. That is, it aims at providing the fuel injection valve provided with the fuel heating heater of a comparatively simple structure, and the fuel heating heater.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, as a result of diligent research to solve this problem, the present inventor has considered that an annular ceramic heater is press-fitted into a nozzle holder of a fuel injection valve. The inventors have conceived that the tensile stress generated in the outer peripheral portion of the ceramic heater by the press-fitting can be suppressed and prevented by press-fitting the protective ring into the outer peripheral portion of the ceramic heater, and the present invention has been completed.
[0007]
(Fuel injection valve)
That is, the fuel injection valve of the present invention includes a nozzle portion having a fuel injection hole, a valve body that opens and closes the fuel injection hole, a valve body that extends from the nozzle portion, and contains a fuel around the valve body. An injector body having a cylindrical nozzle holder that forms a reservoir, and heat generated by receiving power from a power supply source that is press-fitted into the outer peripheral surface of the nozzle holder, and the fuel in the fuel reservoir through the nozzle holder An annular ceramic heater to be heated and an annular protective ring press-fitted to the outer peripheral side of the ceramic heater are provided.
[0008]
In the fuel injection valve of the present invention, the fuel before injection in the fuel reservoir around the valve body is heated by the ceramic heater through the nozzle holder. At this time, since the annular ceramic heater is press-fitted into the nozzle holder, the outer peripheral surface of the nozzle holder and the inner peripheral surface of the ceramic heater are in close contact with each other, and heat transfer is performed efficiently. Therefore, it is not necessary to apply a high thermal conductive filler between the outer peripheral surface of the nozzle holder and the inner peripheral surface of the ceramic heater, and it is also necessary to ensure adhesion between the two using an urging member or the like. Absent. Therefore, the fuel in the fuel injection valve can be heated with a very simple structure.
However, when a ring-shaped ceramic heater is simply press-fitted into the nozzle holder, a tensile stress corresponding to the tightening allowance (press-fit allowance) acts on the outer periphery of the ceramic heater, which may cause cracking or cracking of the ceramic heater. .
Therefore, in the present invention, a protective ring is press-fitted on the outer peripheral side of the ceramic heater. By press-fitting the protective ring, compressive stress acts on the outer peripheral portion of the ceramic heater or the above-described tensile stress is reduced, and in any case, cracking of the ceramic heater can be prevented.
[0010]
The following can be said about the fuel injection valve and the fuel heater according to the present invention.
The fastening margin between the inner peripheral side and the outer peripheral side of the ceramic heater is a design matter that is appropriately determined. However, at least when the ceramic heater is press-fitted into the nozzle holder, there is a tightening margin (press-fitted state) between the ceramic heater and the protective ring. In other words, before the ceramic heater is press-fitted into the nozzle holder, the ceramic heater and the protective ring are not necessarily in the press-fitted state. Of course, it is preferable that the ceramic heater and the protective ring are press-fitted because they can be handled together.
[0011]
The stress generated by this press-fitting is a fastening margin ratio that is a ratio of a fastening margin (inner circumferential side fastening margin) between the nozzle holder and the ceramic heater to a fastening margin (outer circumferential side fastening margin) between the protective ring and the ceramic heater. Related to. FEM analysis or the like is performed while changing the press-fitting ratio, and a limit value (limit tightening ratio) of the tightening ratio at which the tensile stress acting on the ceramic heater becomes the allowable stress of the ceramic heater is calculated. And the tensile stress which acts on a ceramic heater can be made below into the allowable stress of a ceramic heater by making a fastening margin ratio into below a limit fastening margin ratio.
It should be noted that the limit tightening ratio is preferably set to 0.7, for example, by analysis. If the tightening margin ratio is 0.7 or less, the tensile stress acting on the ceramic heater can be surely set to the allowable stress or less. A tightening margin ratio of 0.6 or less is more preferable because tensile stress is not generated in the ceramic heater.
[0012]
Further, the stress generated by press-fitting is related not only to the tightening allowance but also to the rigidity of each member (longitudinal elastic modulus (Young's modulus E) and shape factor (cross section secondary moment I)). In order to reduce tensile stress or generate compressive stress at the outer peripheral portion of the ceramic heater, it is effective to increase the tightening margin on the outer peripheral side or increase the rigidity of the protective ring. However, if the tightening margin is excessively large, the assemblability deteriorates. Further, when the rigidity is increased from the shape surface, the size of the protective ring is increased. Therefore, when a high-tensile material is used for the protective ring, it is possible to reduce both the tensile stress of the ceramic heater and make the protective ring compact. An example of the high-tensile material is an iron-based material. Further, it is preferable that the protective ring is made of a high-tensile material having a higher tensile strength than ceramics used for the ceramic heater.
[0013]
Moreover, if the heat generated by the ceramic heater is efficiently transmitted to the fuel in the fuel reservoir, the ceramic heater can be reduced in size and power consumption can be reduced. Therefore, the protective ring is preferably made of a low heat conductive material. As the low thermal conductivity material, for example, there is a stainless material. If the protective ring is made of a low thermal conductivity material having a lower thermal conductivity than the material used for the nozzle holder, heat is more easily transferred to the fuel in the fuel reservoir, which is preferable.
[0014]
By the way, the ceramic heater is suitable for use in an engine because it is excellent in corrosion resistance as well as heat resistance. A normal ceramic heater includes a metal heating element and a ceramic body that covers the metal heating element. Then, the metal heating element generates heat according to the amount of power supplied from the power supply source, and the heat is transmitted to the ceramic body. The heat generation timing and the heat generation amount are controlled by an ECU or the like.
However, the ceramic heater is not limited to such a heater, and may be a heater made of a positive characteristic semiconductor element (so-called PTC heater). PTC heaters have low electrical resistance and a large amount of heat generation at low temperatures, but when the temperature of the ceramic reaches a certain temperature range, the electrical resistance rapidly increases and the amount of heat generation decreases. Therefore, the control of the ceramic heater can be simplified by utilizing the self-temperature control function of the PTC heater.
[0015]
If the nozzle holder is cylindrical and the ceramic heater and the protective ring are annular, manufacturing, processing, assembly, and the like are facilitated, and stress acting upon press-fitting becomes uniform.
Further, the fuel injection valve referred to in the present invention may be for a gasoline engine or a diesel engine, and may be one that is injected into a cylinder or one that is injected into an intake manifold.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the present invention will be described more specifically with reference to embodiments.
FIG. 1 shows a longitudinal sectional view of a fuel injection valve 1 according to an embodiment of the present invention. The fuel injection valve 1 is disposed in an intake pipe (intake manifold) of an automobile gasoline engine. The fuel injection valve 1 includes an injector body 10 and a fuel heater 20.
(1) Injector body The injector body 10 includes a housing 11, a valve portion 12 housed in the housing 11, and an electromagnetic drive portion 13 that electromagnetically drives the valve portion 12.
The housing 11 includes a cylindrical case 111, a ring 112, a nozzle holder 113, and a cup-shaped valve body 114, which are welded at respective end portions.
[0017]
The case 111 and the nozzle holder 113 are made of an iron-based magnetic material, and the ring 112 is made of an iron-based nonmagnetic material. The valve body 114 has a conical seat surface 114a inside, and a fuel injection hole 114b is formed at the center (top) thereof. A nozzle hole plate 115 is welded to the lower end surface of the valve body 114. The nozzle hole plate 115 is provided with a bifurcated nozzle hole 115a toward the intake valve. The valve body 114 corresponds to the nozzle portion referred to in the present invention.
[0018]
The valve unit 12 includes a needle valve 121, a spring 122 that biases the needle valve 121 toward the seat surface 114a, and a cylindrical adjuster 123 that adjusts the biasing force. The needle valve 121 has a bottomed cylindrical shape, and through holes 121a and 121b are formed at two locations on the upper and lower sides. A guide 121 c is formed in the lower part of the needle valve 121, and the guide 121 c is in contact with the inner peripheral surface of the valve body 114 and guides the reciprocation of the needle valve 121. The outer periphery of the guide 121c is chamfered so that fuel can pass through. A needle portion 121d is formed at the lower end of the needle valve 121. The needle portion 121d abuts on the seat surface 114a and closes the fuel injection hole 114b. This needle valve 121 corresponds to the valve body referred to in the present invention.
[0019]
The electromagnetic drive unit 13 includes an electromagnetic coil 131, a fixed core 133, a movable core 134, and a magnetic ring 132. The fixed core 133 is integrally formed on the inner peripheral side of the case 111. The movable core 134 is fitted to the upper part of the needle valve 121, guided by the inner peripheral surfaces of the ring 112 and the nozzle holder 113, and can reciprocate integrally with the needle valve 121. The annular magnetic ring 132 is made of a magnetic material, and magnetically connects the case 111 and the nozzle holder 113.
[0020]
Electric power is supplied to the electromagnetic coil 131 from the terminal 153 held by the connector 154. The connector 154 is formed integrally with a resin mold 155 that covers the upper portion of the injector body 10.
Here, when a voltage is applied to the terminal 153, a current flows through the electromagnetic coil 131, and a magnetic flux corresponding to the amount of the current is generated. This magnetic flux is transmitted from the nozzle holder 113 → the magnetic ring 132 → the case 111 (fixed core 133) → the movable core 134, and a magnetic circuit is formed. As a result, when the movable core 134 is sucked into the fixed core 133, the needle valve 121 is separated from the seat surface 114a, and the fuel injection hole 114b is opened. On the other hand, when the applied voltage to the terminal 153 is cut off, the movable core 134 is urged by the spring 122 to seat the needle valve 121 on the seat surface 114a. The fuel injection hole 114b is closed. Thus, fuel injection is appropriately performed by opening and closing the fuel injection hole 114b by the needle valve 121 (needle portion 121d).
[0021]
By the way, the fuel is supplied from a delivery pipe (not shown) that is oil-tightly connected to the upper portion (upper figure) of the casing 11 via an O-ring 151. This fuel reaches the fuel injection hole 114b of the valve body 114 through the fuel filter 152, the inside of the cylinder of the housing 11, the inside of the cylinder of the needle valve 121, and the through holes 121a and 121b. Since this fuel is pressurized, the fuel is injected from the fuel injection hole 114b according to the opening and closing of the fuel injection hole 114b. Further, a fuel reservoir 113a is formed between the inner peripheral surface of the nozzle holder 113 and the outer peripheral surface of the needle valve 121, and the pressurized fuel immediately before injection is stored therein.
[0022]
(2) Fuel Heater The fuel heater 20 includes an annular ceramic heater 21 and a stainless steel annular protective ring 22 press-fitted into the outer peripheral surface thereof.
As shown in FIG. 1, the ceramic heater 21 is press-fitted into the nozzle holder 113. In other words, the compressive stress acts between the inner peripheral surface of the ceramic heater 21 and the outer peripheral surface of the nozzle holder 113 so as to be firmly fixed.
[0023]
As shown in FIG. 2A, the fuel heater 20 is press-fitted with a protective ring 22, which is a high-tensile material, on the outer peripheral side of the ceramic heater 21 before press-fitting into the nozzle holder 113. That is, a compressive stress is applied between the outer peripheral surface of the ceramic heater 21 and the inner peripheral surface of the protective ring 22. Next, as shown in FIG. 2B, the fuel heater 20 is press-fitted into the nozzle holder 113 in a state where the compressive stress is applied. The assembled state is shown in FIG. As a result, at least a part of the tensile stress acting on the outer peripheral portion of the ceramic heater 21 is canceled by the compressive stress described above. Therefore, excessive tensile stress does not act on the outer peripheral portion of the ceramic heater 21, and cracking of the ceramic heater 21 is prevented.
The shape of the protective ring 22 shown in FIG. 2 is different from that shown in FIG. 1 because it has a shape that facilitates the assembly of the ceramic heater 21.
[0024]
The ceramic heater 21 of the present embodiment is a normal ceramic heater having a metal heating element inside. Power is supplied to the ceramic heater 21 from a power supply source such as a battery. The amount of power supply and its timing are controlled by a control device (ECU) not shown. When electric power is supplied to the ceramic heater 21, the ceramic heater 21 generates heat, and the heat is transmitted to the fuel in the fuel reservoir 113 a formed therein via the nozzle holder 113.
Since the stainless steel forming the protective ring 22 is also a low heat conductive material, the heat generated by the ceramic heater 21 is efficiently transmitted to the nozzle holder 113 side.
[0025]
Thus, the temperature of the fuel before injection (fuel temperature) can be raised when the engine is cold, such as at the time of starting. The fuel having a high fuel temperature is easily atomized or vaporized (boiling under reduced pressure) in the intake pipe, and liquid phase fuel is restrained and prevented from staying in the intake pipe. In particular, in this embodiment, since the fuel existing in the vicinity of the fuel injection hole 114b is heated, more efficient heating can be performed when atomizing or vaporizing the injected fuel.
[0026]
FIG. 3 shows a partial longitudinal sectional view of the combustion injection valve 1 employing the protective ring 22 shown in FIG. The above-described power supply to the ceramic heater 21 is performed from the terminal 23 held by the connector 24. The connector 24 is formed integrally with a resin mold 25 that covers the central portion of the injector body 10.
[0027]
(3) Analysis of Stress Generated in Ceramic Heater When Changing Tightening Ratio Next, in this embodiment, analysis of stress generated in the ceramic heater 21 and the like when changing the tightening ratio is performed by FEM analysis. It was. The fastening margin ratio is the ratio of the inner circumferential side clamping margin to the outer circumferential side clamping margin of the ceramic heater 21. That is, it is a value obtained by dividing the inner circumference side margin by the outer circumference side margin. This analysis was performed on the cross section of the fuel injection valve 1 including the ceramic heater 21. As analysis conditions, the shape of each part is shown in FIG. 4A, and the material properties are shown in FIG. 4B. That is, the inner diameter of the nozzle holder 113 is φ5.6 mm, the outer diameter is φ7 mm, the material is stainless steel, the Young's modulus is 200 GPa, and the Poisson's ratio is 0.3. The ceramic heater 21 has an inner diameter of φ7 mm, an outer diameter of φ10 mm, a material of alumina, a Young's modulus of 294 GPa, and a Poisson's ratio of 0.24. The protective ring 22 has an inner diameter of φ10 mm, an outer diameter of φ12 mm, a material of stainless steel, a Young's modulus of 200 GPa, and a Poisson's ratio of 0.3. Further, this analysis was performed by changing the tightening margin ratio from 0 to 1.0 by fixing the outer peripheral side tightening margin to 40 μm and changing the inner peripheral side tightening margin. FIG. 5 shows the stress distribution (cross-sectional view) of the analysis result.
[0028]
As shown in FIG. 5, a state in which almost no tensile stress acts on the ceramic heater 21 is a case where the interference ratio is 0.7 or less. That is, it is preferable that the limit value (limit tightening margin ratio) of the tightening ratio at which the tensile stress acting on the ceramic heater 21 becomes the allowable stress of the ceramic heater 21 is 0.7. Here, as is apparent from FIG. 5, when the interference ratio is 0.7, a tensile stress acts on a part of the ceramic heater 21. However, this tensile stress may be equal to or less than the allowable stress of the ceramic heater 21. That is, according to the analysis result, cracking of the ceramic heater 21 can be prevented by setting the tightening margin ratio to 0.7 or less (the limit tightening margin ratio is 0.7).
The tightening ratio is more preferably 0.6 or less. In this case, since no tensile stress is generated in the ceramic heater 21, cracking of the ceramic heater 21 can be reliably prevented.
Further, when the tightening ratio is 0.8 or more, a tensile stress acts on a wide range of the ceramic heater 21. If this tensile stress is less than the allowable stress of the ceramic heater 21, the tightening ratio is 0. .8 or more.
[0029]
(4) Others In the above embodiment, the protective ring 22 is separately prepared , but it is not always necessary. For example, a cylindrical portion is formed in a cylinder head in which the fuel injection valve 1 is fitted. Then, the ceramic heater 21 is press-fitted into the cylindrical portion. Then, the nozzle holder 113 is press-fitted into the inner peripheral side of the ceramic heater 21. In this case, the inner wall of the cylindrical portion corresponds to the protective ring in the present invention. Therefore, it is also possible to replace the inner wall of the cylinder portion of the cylinder head as a protective ring.
[0030]
In this embodiment, the nozzle holder 113 into which the ceramic heater 21 is press-fitted and the case 111 are integrated by welding, but a housing integrated from the beginning may be used. In this case, the housing corresponds to the nozzle holder in the present invention.
Further, the press-fitting position of the fuel heater 20 is not limited to the vicinity of the center of the nozzle holder 113 but may be close to the valve body 114 or further to the valve body 114.
Further, the time when the fuel heater 20 is operated is not limited to the time of starting, but may be widely operated when the atomization or vaporization of the fuel is difficult such as when the outside air temperature is low.
[0031]
【The invention's effect】
According to the fuel heater of the present invention, the ceramic heater can be pressed into the nozzle holder, and the injected fuel can be heated with a simple structure.
And if the fuel injection valve provided with the fuel heater is used, atomization and vaporization of the injected fuel can be promoted with a simple structure even during cold weather.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a fuel injection valve according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an assembly diagram of a fuel heater according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a fuel injection valve according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing analysis conditions for stress analysis generated in a ceramic heater or the like when the tightening margin ratio is changed.
FIG. 5 is a diagram illustrating an analysis result of stress analysis.
FIG. 6 is a partial cross-sectional view showing a conventional fuel injection valve.
FIG. 7 is a schematic view showing a conventional fuel heater.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel injection valve 10 Injector main body 20 Fuel heating heater 21 Ceramic heater 22 Protection ring 113 Nozzle holder 113a Fuel reservoir 114 Valve body (nozzle part)
114b Fuel injection hole 121 Needle valve (valve element)

Claims

A nozzle portion having a fuel injection hole, a valve body that opens and closes the fuel injection hole, a cylindrical nozzle holder that extends from the nozzle portion, houses the valve body therein, and forms a fuel reservoir around the valve body; An injector body comprising:
An annular ceramic heater that is press-fitted only into the outer peripheral surface of the nozzle holder and receives heat from a power supply source to generate heat and heat the fuel in the fuel reservoir through the nozzle holder;
An annular protective ring press-fitted to the outer peripheral side of the ceramic heater;
A fuel injection valve comprising:

The fuel injection valve according to claim 1, wherein the protection ring is made of a low thermal conductivity material having a lower thermal conductivity than a material used for the nozzle holder.

The fuel injection valve according to claim 1, wherein the protective ring is made of a high-tensile material having a higher tensile strength than ceramics used for the ceramic heater.

The fastening margin ratio, which is the ratio of the inner circumferential side clamping margin between the nozzle holder and the ceramic heater to the outer circumferential side clamping margin between the protective ring and the ceramic heater, is a tensile stress acting on the ceramic heater. The fuel injection valve according to claim 1, wherein the fuel injection valve is equal to or less than a limit tightening ratio that is an allowable stress of the ceramic heater.

The fuel injection valve according to claim 4, wherein the marginal margin ratio is 0.7.