JP3908491B2 - 電子燃料噴射弁 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の内燃機関に燃料噴霧を供給する電子燃料噴射弁に係り、特に、スワラーを有するものに好適な電子燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電子燃料噴射弁は、例えば、ガソリン燃料を用いる場合として、特開平１−３１０１６５号に記載されているような可動子の先端が球形状のボールタイプと、同先端が三角状のピントロタイプに大略二分されるが、その構造及び機能はほぼ同じである。即ち、電子燃料噴射弁は、固定子鉄心と、この固定子鉄心と同心状の電磁コイルと、磁性材料で作られかつ固定子鉄心と電磁コイルを内部に収容したケーシングと、先端に弁体を備えた可動子と、この可動子用のストッパと、可動子を挾んでストッパと対抗した弁座と、可動子の一端に係合して可動子を弁座に対して押圧するスプリングとから構成される。電磁コイルに電流を流すと磁気回路が形成され、生じた電磁力が可動子を押圧しているスプリング力に打ち勝つと可動子先端の弁体が弁座から離れて開となり、電流を切ると弁体が弁座方向に移動して閉となる。
【０００３】
ここで、従来の燃料噴射弁において、可動子は、ストッパーと弁座間を上下動するが、できるだけ滑らかな動作をさせるために可動子の先端の横振れを防止するため可動子先端に設けられた弁体と相対して摺動するスワラーが設けられている。スワラーは、可動子の先端をガイドするのみでなく、燃料を旋回する役割も果たしている。そのため、スワラーの形状は複雑であり、燃料が旋回するように噴射方向に燃料通路となる溝が形成されている。スワラーは、燃料中で摺動するので耐摩耗性とを必要とするため、通常はマルテンサイト系ステンレス鋼の高カーボン，高クロームであるＪＩＳ−ＳＵＳ４４０Ｃの材料を精密な機械加工にて加工し、その後、焼入れ焼戻しを施して、材料を約６０HRCに硬化させ、さらに熱処理による変形を改善するために内径など仕上げ加工を行なっている。あるいは、スワラーは燃料の通路となる溝形状が複雑であり、機械加工では工程数や加工時間がかかるため、ＳＵＳ４４０Ｃの粉末を用いてＭＩＭ（メタルインジェクションモールド）法により製造したり、または高い耐摩耗性を必要としない場合は、硬さが低く粉末の流れが良いパーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系）の粉末を用いて粉末焼結法により製造している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃料噴射弁に用いるスワラーの内、ＳＵＳ４４０Ｃを機械加工するものでは、ＳＵＳ４４０Ｃの難加工材を複雑な燃料通路となる溝形状や内径を高精度に加工して熱処理するため、加工工数が多くかかるとともに刃具の寿命が短いなどの問題があった。さらに、例えば、スワラーの機械加工や仕上げ加工にてバリやカエリが残留していた場合は、スワラーは可動子の弁体と摺動摩耗するためにそれらを起因とする摩耗粉が発生し、研磨材となり摩耗が一層進展することとなり、摩耗粉が弁座の弁体との燃料シートに挟み込まれて固着した場合、燃料漏れが生じる恐れがあった。また、ＭＩＭ法によって製造されるスワラーでは、要求精度が得られ難いため、後工程がかかることやコストが高いという問題があった。さらに、粉末焼結法により製造されるスワラーでは、材料が柔らかいために寸法精度は得られるが、耐摩耗性は劣るという問題があった。
【０００５】
上述する問題は、特に、スワラーと摩擦摩耗する相手方の可動子の弁体との面圧が高くなる直噴燃焼システムの場合が顕著である。即ち、直噴の燃焼システムでは燃料圧力が７〜１５MPaとなり、可動子の弁体とスワラー間には通常の燃焼システムの場合と比較するとはるかに高い面圧がかかることとなり、それが原因で摺動摩耗や衝撃摩耗が発生してアブレッシブ摩耗状態となり、摩耗粉が生じてこれが研磨材となって双方の摩耗をさらに助長することになる。従来の電子燃料噴射弁のスワラーに多く用いられているＳＵＳ４４０Ｃ材を機械加工する場合は、焼入れ焼戻しにより約６０HRCの高い硬さを有するために耐摩耗性は比較的良いが、相手部材の可動子の弁体と同じ材料の組合わせとなるために、摩擦摩耗により分子間結合が生じ易く最適とは言えないものである。また、複雑形状を機械加工するためにバリやカエリが多く発生し、それらはバレル研磨などの後工程にて除去されるがその残留が摩耗粉の発生原因となり得ることが多いものである。
【０００６】
本発明の目的は、低コスト且つ耐久性を有するスワラーを用い、スワラーと相対する摺動部材である可動子の弁体との耐摩耗性を確保して安定した燃料を供給可能な電子燃料噴射弁を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するため、本発明は、先端に弁体を備えた可動子と、燃料を旋回させるとともに、上記可動子の先端に備えた弁体の動作をガイドするスワラーとを有する電子燃料噴射弁において、上記スワラーは、ステンレス鋼の粉末焼結体で構成され、上記弁体の硬度に比べて、上記スワラーの硬度を小さくすると共に、上記スワラーの焼結後の硬さを９０ HRB 以上としたものである。
かかる構成により、低コスト且つ耐久性を有するスワラーを用いて、耐摩耗性を確保して安定した燃料を供給し得るものとなる。
（２）また、上記目的を達成するため、本発明は、先端に弁体を備えた可動子と、燃料を旋回させるとともに、上記可動子の先端に備えた弁体の動作をガイドするスワラーとを有する電子燃料噴射弁において、上記スワラーは、ステンレス鋼の粉末焼結体で構成され、上記弁体の硬度に比べて、上記スワラーの硬度を小さくすると共に、上記スワラーの焼結後の密度が６．５以上としたものである。
かかる構成により、低コスト且つ耐久性を有するスワラーを用いて、耐摩耗性を確保して安定した燃料を供給し得るものとなる。
【０００８】
（３）上記（１）若しくは（２）において、好ましくは、上記粉末焼結体のスワラーの材料を、マルテンサイト系ステンレス鋼としたものである。
【０００９】
（４）上記（３）において、好ましくは、上記粉末焼結体のスワラーの材料は、ＳＵＳ４１０若しくはＳＵＳ４１０Ｌを用い、上記弁体の材料は、ＳＵＳ４４０Ｃを用いたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図５を用いて、本発明の一実施形態による電子燃料噴射弁の構成について説明する。なお、以下の例では、ガソリン燃料の直噴用電子燃料噴射弁を例にして説明するが、アルコール燃料やガス燃料を使用する電子燃料噴射弁や、吸気マニホールド（吸気ポート）に噴射する電子燃料噴射弁にも同様に適用できるものである。
【００１２】
最初に、図１を用いて、本実施形態による電子燃料噴射弁の全体構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による電子燃料噴射弁の全体構成を示す断面図である。
【００１３】
本実施形態による電子燃料噴射弁は、可動子１と、弁体２と、弁座３と、スワラー４と、ストッパ５と、固定子鉄心６と、ケーシング７と、スプリング８と、電磁コイル９とを備えている。電磁コイル９は、固定子鉄心６と同心状に設けられている。ケーシング７は、磁性材料で作られるとともに、固定子鉄心６と電磁コイル９を内部に収容している。可動子１の先端には、球状の弁体２が備えられている。ストッパ５は、可動子１の移動を係止するために備えられている。弁座３は、可動子１を挾んでストッパ５と対抗して配置されている。スプリング８は、可動子１の一端に係合して、可動子１を弁座３に対して押圧する。スワラー４は、可動子１の先端に設けた弁体２をガイドし、かつ燃料を旋回させる役割を有している。
【００１４】
電磁コイル９に電流を流すと磁気回路が形成され、生じた電磁力が可動子１を押圧しているスプリング８の力に打ち勝つと可動子先端の弁体２が弁座３から離れて上方に移動して燃料を噴霧する。また、電磁コイル９に流す電流を切ると、可動子１はスプリング８により押圧され、弁体２が弁座３と接触して機密性を確保して燃料の噴霧は停止する。以上のようにして、電磁コイル９への電流の通電・遮断により、燃料の噴霧及び噴霧停止を制御して、燃料噴射量を制御することができる。
【００１５】
次に、図２を用いて、本実施形態による電子燃料噴射弁の先端部の構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による電子燃料噴射弁の先端部の構成を示す拡大断面図である。
【００１６】
可動子１の先端には、球状の弁体２が備えられている。弁座３は、可動子１を挾んでストッパ５と対抗して配置されている。スワラー４は、可動子１の先端に設けた弁体２をガイドし、かつ燃料を旋回させる役割を有している。スワラー４は、その内径部で可動子１の動作により弁体２の外周との接触部１０において、摩擦摩耗を生じることとなる。
【００１７】
次に、図３を用いて、本実施形態による電子燃料噴射弁に用いるスワラーの構成について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による電子燃料噴射弁に用いるスワラーの構成を示す拡大斜視図である。
【００１８】
スワラー４には、その底部側，即ち、図２に示した弁座３と接触する側に、燃料１１を旋回させるための溝４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが形成されている。直噴用の高圧のガソリン燃料１１は、この４つの溝４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを通過することにより旋回力を付与されて、弁座３より燃焼室へ直接噴霧される。旋回力を有する燃料は、燃焼室における爆発燃焼において未燃焼燃料の残留を無くすことや排ガスのクリーン化に大きく貢献することや、微粒化を促進し、寒冷時のスタートを改善するなどの効果がある。
【００１９】
次に、本実施形態による電子燃料噴射弁に用いるスワラー４の製造方法について説明する。
スワラー４の粉末原料として、ＳＵＳ４１０Ｌの材料を用いている。ＳＵＳ４１０Ｌの化学成分（wt／％）は、0.10C−0.85si−0.15Mn−0.017P−0.006S−0.10Ni−12.5Cr−Ba１／Feである。また、粒度分布（wt／％）は、0.1:＋100，5.2:−100／＋145,16.5:−145／＋200／＋250，21.6:−250／＋350，44.1:−350である。
【００２０】
この原料を用いて潤滑材と混合し、スワラーの圧粉体成形用金型に充填し、プレス荷重11.5tにて成形を行った。その後、プッシャー炉と称する連続焼成炉に挿入して焼結を行った。スワラーのセット方法は、W200×L100×H250のグラファイト製ケースの内部にアルミナ系トレイを４段に配置させ、それぞれのトレイにスワラーを600個ずつセットさせた。連続焼結炉の雰囲気は、アンモニアの分解ガスを用い、そのガス組成は25％N2−75H2ガスである。焼結条件は、500〜700℃域にて潤滑材を除去し、1240℃の温度で焼結を行い、その後徐冷する工程である。
【００２１】
その結果、焼結後の硬さは98〜105HRB、密度は7.08〜7.17となり、金属ミクロ組織はマルテンサイト組織と微細パーライト組織の混合組織であつた。
【００２２】
次に、図４を用いて、本実施形態による電子燃料噴射弁のスワラーと球状の弁体の摩耗深さの実験結果について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による電子燃料噴射弁のスワラーと球状の弁体の摩耗深さの実験結果の説明図である。
【００２３】
上述した製造方法により製造した粉末焼結スワラーを用いて、図１に示す構成の直噴用電子燃料噴射弁を製作し、１０億回の作動耐久試験を行った。図４（Ｃ）は、試験前後のスワラー４の内径の摩耗部位と、弁体２の外周の摩耗量を測定した結果を示している。摩耗量は面粗さ測定装置にて摩耗深さを測定した。弁体２の材料としては、ＳＵＳ４４０Ｃを用いており、６０HRCの硬度を有している。
【００２４】
なお、図４（Ａ）は、従来のＳＵＳ４４０Ｃを機械加工により製作したスワラーの場合の摩耗深さを示している。このスワラーの硬度は、６０HRCの高硬度スワラーである。図４（Ｂ）は、Ｆｅ−Ｎｉ系パーマロイ材の８０HRBの硬さの粉末焼結スワラーの場合の摩耗深さを示している。
【００２５】
図４の例から理解されるように、図４（Ａ）に示した従来のＳＵＳ４４０Ｃ製の高硬度スワラーの摩耗深さは、３者の中で最も少ない0〜0.2μｍであったが、相手材の弁体２の表面も0.1〜0.3μｍ摩耗していた。
【００２６】
また、図４（Ｂ）に示すように、パーマロイの粉末焼結スワラーは、最も摩耗が大きく、8.5〜22.7μｍであり、また弁体も0.3〜1.8μｍ摩耗が発生していた。60HRCの硬い弁体が摩耗する理由は、柔らかいスワラーの摩耗により摩耗粉が発生し、これが研磨剤となって弁体表面を研磨するために摩耗が生じたと考えられる。
【００２７】
一方、図４（Ｃ）に示すように、本実施形態のＳＵＳ４１０Ｌの粉末焼結製スワラーを用いた燃料噴射弁は、スワラー内径の摩耗は0.2〜0.7μｍであったが、弁体の摩耗はほとんどゼロであった。弁体の摩耗が殆どゼロとなる理由としては、第１に、本実施形態では、粉末焼結製スワラーを用いているため、焼結時に形成される孔に入り込んだ燃料が潤滑剤となるため、ボールの摩耗が少ないことが考えられる。この点は、図４（Ｂ）のものと同様である。第２に、本実施形態では、スワラーの硬度が、図４（Ｂ）のスワラーよりも硬いため、スワラーの摩耗が少ないことが考えられる。スワラーの摩耗が少ないと、摩耗した粉末がボール側に付着する量も少なくなり、スワラーとボールが相互にこすれた時の摩耗も低減できる。従って、本実施形態では、ボールの摩耗はほぼゼロになっている。
【００２８】
すなわち、図４（Ａ）に示すように、スワラーとボールの硬度が同じ硬さで硬い場合には、摩耗量は少ないが、スワラーとボールの両方に摩耗が生じる。また、ボールの硬度に比べて、スワラーの硬度がかなり小さい場合には、スワラーの摩耗が大きいとともに、ボールの摩耗も大きくなる。それに対して、ボールの硬度に比べてスワラーの硬度をある程度小さくすると、スワラーの摩耗も少なく、ボールの摩耗もほぼゼロにすることができる。
【００２９】
ボールの摩耗をほぼゼロにできることにより、ボールから発生する摩耗粉をほぼ無くすることができ、摩耗粉が弁座の弁体との燃料シートに挟み込まれて固着することによる燃料漏れ等も低減できる。また、粉末焼結法によりスワラーを製造できるため、製造工程を簡単にして、低コスト化できるものである。
【００３０】
なお、作動耐久試験後の弁体２と弁座３との燃料の油密性は、従来のＳＵＳ４４０Ｃ製スワラーを用いた燃料噴射弁は、0.15〜0.7mm3／minで規定の1.0mm3／min以内であったが、パーマロイ粉末焼結製スワラーの場合は0.75〜3.3mm3／minと大きく、油密性が確保できないことが分かった。
【００３１】
本実施形態によるＳＵＳ４１０Ｌの粉末焼結製スワラーの場合は、0.17〜0.8mm3／minであり、高硬度の従来のＳＵＳ４４０Ｃ製と同等であり、油密性が確保できた。
【００３２】
次に、図５を用いて、本実施形態による電子燃料噴射弁のスワラーの摩耗深さの他の実験結果について説明する。
図５は、本発明の一実施形態による電子燃料噴射弁のスワラーの摩耗深さの他の実験結果の説明図である。
【００３３】
図４（Ｃ）に示したＳＵＳ４１０Ｌの粉末焼結製スワラーの焼結後の硬さは98〜105HRBであった。粉末焼結製スワラーの硬さは、焼結条件（焼結温度，分解ガス組成など）を変えることにより、変えることができる。そこで、焼結条件を変えて、硬さの異なる粉末焼結製スワラーを製造し、それぞれのスワラーについて、図４で説明したのと同様の実験を行い、スワラーの摩耗深さについて調べた。
【００３４】
その結果は、図５に示すように、粉末焼結製スワラーの硬さが９０HRB以上では、摩耗深さは、いずれも、１μｍと極めて少ないものであった。しかしながら、粉末焼結製スワラーの硬さが８０HRBのものでは、摩耗深さが８〜９μｍとなり、急激に大きくなっている。すなわち、粉末焼結製スワラーの硬さを９０HRB以上とすることにより、摩耗を低減することができる。
【００３５】
ここで、粉末焼結製スワラーの硬さと、密度の関係は対応するため、粉末焼結製スワラーの硬さを９０HRBとするときの密度は、６．５以上であった。すなわち、粉末焼結製スワラーの密度を６．５以上とすることにより、摩耗を低減することができる。
【００３６】
なお、以上説明した例では、ＳＵＳ４１０Ｌを用いた粉末焼結製スワラーの金属ミクロ組織はマルテンサイト組織であり、マルテンサイト系ステンレス鋼の粉末焼結製スワラーとすることによりスワラー及びボールの摩耗を低減することができる。また、粉末焼結製スワラーの材料とするステンレス鋼としては、マルテンサイト系以外にも、フェライト系，オーステナイト系ステンレス鋼も考えられる。また、マルテンサイト系ステンレス鋼としては、高精度な粉末焼結が要求されるため、圧粉体成形時の粉末の流れ性を良くすることが必要で、低カーボンのＳＵＳ４１０やさらに低カーボンのＳＵＳ４１０Ｌが望ましいものである。但し、マルテンサイト系でも、ＳＵＳ４２０Ｊ２は、成形性の点で、ＳＵＳ４１０Ｌに劣るものであった。
【００３７】
スワラーに耐摩耗性が、特に必要とされるのは、通常のガソリン燃料による燃焼システムにおいてではなく、燃料圧力を従来の２０〜１００倍に高めて直接燃料を燃料噴射弁から燃焼室へ噴霧することにより排気ガス中の二酸化炭素やＮＯｘガスを低減させる直噴の燃焼システムに用いる電子燃料噴射弁の場合や、プロパンなどのガス燃料を使用することにより排気ガスをクリーン化するガス燃焼システム燃料に用いる電子燃料噴射弁の場合など、いずれもスワラーと摩擦摩耗する可動子先端の弁体との面圧が高くなり、摩耗が発生し易くなる状熊にある場合である。このような場合に、本実施形態による粉末焼結製スワラーが特に有効である。
【００３８】
ここではガソリンを用い、燃焼室に直接燃料を噴霧する直噴の燃焼システムに用いられる電子燃料噴射弁においてスワラーの作用は、本実施形態による粉末焼結法によるＳＵＳ４１０系の場合は、まず金型を用いる粉末成形のために、機械加工と大きく異なり、複雑な溝形状や内径形状を有するスワラーが一度に成形されるために、加工工程や工数を著しく低減でき、低コスト化が図られる。また、バリやカエリの発生はほとんどなく、焼結後のバレル研磨などで客易に除去できるため、これらが起因となる摩耗や摩耗紛の発生は少なく、さらにマルテンサイト系ステンレス鋼の粉末材料を用いるので焼結後の硬さは高いため耐摩耗性が確保できる。また、寸法精度は焼結により若干収縮するが、収縮率は把握されているため前もって焼結前寸法を圧粉成形金型により調整することで高精度なスワラーを比較的容易に得ることができる。
【００３９】
以上のように、本実施形態では、スワラーの低コスト製造プロセスと耐摩耗性の優れた粉末焼結法によるスワラーを用いることにより、安定した燃料供給が可能で且つ燃料流量特性と耐久性に優れた電磁式燃料噴射弁を得ることができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、低コスト且つ耐久性を有するスワラーを用い、スワラーと相対する摺動部材である可動子の弁体との耐摩耗性を確保して安定した燃料を供給を可能とできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による電子燃料噴射弁の全体構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による電子燃料噴射弁の先端部の構成を示す拡大断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による電子燃料噴射弁に用いるスワラーの構成を示す拡大斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態による電子燃料噴射弁のスワラーと球状の弁体の摩耗深さの実験結果の説明図である。
【図５】本発明の一実施形態による電子燃料噴射弁のスワラーの摩耗深さの他の実験結果の説明図である。
【符号の説明】
１…可動子
２…弁体
３…弁座
４…スワラー
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ…燃料通路溝
５…ストッパ
６…固定子鉄心
７…ケーシング
８…スプリング
９…電磁コイル
１０…弁体外周部とスワラー内径部の摩耗部位
１１…燃料
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の内燃機関に燃料噴霧を供給する電子燃料噴射弁に係り、特に、スワラーを有するものに好適な電子燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電子燃料噴射弁は、例えば、ガソリン燃料を用いる場合として、特開平１−３１０１６５号に記載されているような可動子の先端が球形状のボールタイプと、同先端が三角状のピントロタイプに大略二分されるが、その構造及び機能はほぼ同じである。即ち、電子燃料噴射弁は、固定子鉄心と、この固定子鉄心と同心状の電磁コイルと、磁性材料で作られかつ固定子鉄心と電磁コイルを内部に収容したケーシングと、先端に弁体を備えた可動子と、この可動子用のストッパと、可動子を挾んでストッパと対抗した弁座と、可動子の一端に係合して可動子を弁座に対して押圧するスプリングとから構成される。電磁コイルに電流を流すと磁気回路が形成され、生じた電磁力が可動子を押圧しているスプリング力に打ち勝つと可動子先端の弁体が弁座から離れて開となり、電流を切ると弁体が弁座方向に移動して閉となる。
【０００３】
ここで、従来の燃料噴射弁において、可動子は、ストッパーと弁座間を上下動するが、できるだけ滑らかな動作をさせるために可動子の先端の横振れを防止するため可動子先端に設けられた弁体と相対して摺動するスワラーが設けられている。スワラーは、可動子の先端をガイドするのみでなく、燃料を旋回する役割も果たしている。そのため、スワラーの形状は複雑であり、燃料が旋回するように噴射方向に燃料通路となる溝が形成されている。スワラーは、燃料中で摺動するので耐摩耗性とを必要とするため、通常はマルテンサイト系ステンレス鋼の高カーボン，高クロームであるＪＩＳ−ＳＵＳ４４０Ｃの材料を精密な機械加工にて加工し、その後、焼入れ焼戻しを施して、材料を約６０HRCに硬化させ、さらに熱処理による変形を改善するために内径など仕上げ加工を行なっている。あるいは、スワラーは燃料の通路となる溝形状が複雑であり、機械加工では工程数や加工時間がかかるため、ＳＵＳ４４０Ｃの粉末を用いてＭＩＭ（メタルインジェクションモールド）法により製造したり、または高い耐摩耗性を必要としない場合は、硬さが低く粉末の流れが良いパーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系）の粉末を用いて粉末焼結法により製造している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃料噴射弁に用いるスワラーの内、ＳＵＳ４４０Ｃを機械加工するものでは、ＳＵＳ４４０Ｃの難加工材を複雑な燃料通路となる溝形状や内径を高精度に加工して熱処理するため、加工工数が多くかかるとともに刃具の寿命が短いなどの問題があった。さらに、例えば、スワラーの機械加工や仕上げ加工にてバリやカエリが残留していた場合は、スワラーは可動子の弁体と摺動摩耗するためにそれらを起因とする摩耗粉が発生し、研磨材となり摩耗が一層進展することとなり、摩耗粉が弁座の弁体との燃料シートに挟み込まれて固着した場合、燃料漏れが生じる恐れがあった。また、ＭＩＭ法によって製造されるスワラーでは、要求精度が得られ難いため、後工程がかかることやコストが高いという問題があった。さらに、粉末焼結法により製造されるスワラーでは、材料が柔らかいために寸法精度は得られるが、耐摩耗性は劣るという問題があった。
【０００５】
上述する問題は、特に、スワラーと摩擦摩耗する相手方の可動子の弁体との面圧が高くなる直噴燃焼システムの場合が顕著である。即ち、直噴の燃焼システムでは燃料圧力が７〜１５MPaとなり、可動子の弁体とスワラー間には通常の燃焼システムの場合と比較するとはるかに高い面圧がかかることとなり、それが原因で摺動摩耗や衝撃摩耗が発生してアブレッシブ摩耗状態となり、摩耗粉が生じてこれが研磨材となって双方の摩耗をさらに助長することになる。従来の電子燃料噴射弁のスワラーに多く用いられているＳＵＳ４４０Ｃ材を機械加工する場合は、焼入れ焼戻しにより約６０HRCの高い硬さを有するために耐摩耗性は比較的良いが、相手部材の可動子の弁体と同じ材料の組合わせとなるために、摩擦摩耗により分子間結合が生じ易く最適とは言えないものである。また、複雑形状を機械加工するためにバリやカエリが多く発生し、それらはバレル研磨などの後工程にて除去されるがその残留が摩耗粉の発生原因となり得ることが多いものである。
【０００６】
本発明の目的は、低コスト且つ耐久性を有するスワラーを用い、スワラーと相対する摺動部材である可動子の弁体との耐摩耗性を確保して安定した燃料を供給可能な電子燃料噴射弁を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するため、本発明は、先端に弁体を備えた可動子と、燃料を旋回させるとともに、上記可動子の先端に備えた弁体の動作をガイドするスワラーとを有する電子燃料噴射弁において、上記スワラーは、ステンレス鋼の粉末焼結体で構成され、上記弁体の硬度に比べて、上記スワラーの硬度を小さくすると共に、上記スワラーの焼結後の硬さを９０ HRB 以上としたものである。
かかる構成により、低コスト且つ耐久性を有するスワラーを用いて、耐摩耗性を確保して安定した燃料を供給し得るものとなる。
（２）また、上記目的を達成するため、本発明は、先端に弁体を備えた可動子と、燃料を旋回させるとともに、上記可動子の先端に備えた弁体の動作をガイドするスワラーとを有する電子燃料噴射弁において、上記スワラーは、ステンレス鋼の粉末焼結体で構成され、上記弁体の硬度に比べて、上記スワラーの硬度を小さくすると共に、上記スワラーの焼結後の密度が６．５以上としたものである。
かかる構成により、低コスト且つ耐久性を有するスワラーを用いて、耐摩耗性を確保して安定した燃料を供給し得るものとなる。
【０００８】
（３）上記（１）若しくは（２）において、好ましくは、上記粉末焼結体のスワラーの材料を、マルテンサイト系ステンレス鋼としたものである。
【０００９】
（４）上記（３）において、好ましくは、上記粉末焼結体のスワラーの材料は、ＳＵＳ４１０若しくはＳＵＳ４１０Ｌを用い、上記弁体の材料は、ＳＵＳ４４０Ｃを用いたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図５を用いて、本発明の一実施形態による電子燃料噴射弁の構成について説明する。なお、以下の例では、ガソリン燃料の直噴用電子燃料噴射弁を例にして説明するが、アルコール燃料やガス燃料を使用する電子燃料噴射弁や、吸気マニホールド（吸気ポート）に噴射する電子燃料噴射弁にも同様に適用できるものである。
【００１２】
最初に、図１を用いて、本実施形態による電子燃料噴射弁の全体構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による電子燃料噴射弁の全体構成を示す断面図である。
【００１３】
本実施形態による電子燃料噴射弁は、可動子１と、弁体２と、弁座３と、スワラー４と、ストッパ５と、固定子鉄心６と、ケーシング７と、スプリング８と、電磁コイル９とを備えている。電磁コイル９は、固定子鉄心６と同心状に設けられている。ケーシング７は、磁性材料で作られるとともに、固定子鉄心６と電磁コイル９を内部に収容している。可動子１の先端には、球状の弁体２が備えられている。ストッパ５は、可動子１の移動を係止するために備えられている。弁座３は、可動子１を挾んでストッパ５と対抗して配置されている。スプリング８は、可動子１の一端に係合して、可動子１を弁座３に対して押圧する。スワラー４は、可動子１の先端に設けた弁体２をガイドし、かつ燃料を旋回させる役割を有している。
【００１４】
電磁コイル９に電流を流すと磁気回路が形成され、生じた電磁力が可動子１を押圧しているスプリング８の力に打ち勝つと可動子先端の弁体２が弁座３から離れて上方に移動して燃料を噴霧する。また、電磁コイル９に流す電流を切ると、可動子１はスプリング８により押圧され、弁体２が弁座３と接触して機密性を確保して燃料の噴霧は停止する。以上のようにして、電磁コイル９への電流の通電・遮断により、燃料の噴霧及び噴霧停止を制御して、燃料噴射量を制御することができる。
【００１５】
次に、図２を用いて、本実施形態による電子燃料噴射弁の先端部の構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による電子燃料噴射弁の先端部の構成を示す拡大断面図である。
【００１６】
可動子１の先端には、球状の弁体２が備えられている。弁座３は、可動子１を挾んでストッパ５と対抗して配置されている。スワラー４は、可動子１の先端に設けた弁体２をガイドし、かつ燃料を旋回させる役割を有している。スワラー４は、その内径部で可動子１の動作により弁体２の外周との接触部１０において、摩擦摩耗を生じることとなる。
【００１７】
次に、図３を用いて、本実施形態による電子燃料噴射弁に用いるスワラーの構成について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による電子燃料噴射弁に用いるスワラーの構成を示す拡大斜視図である。
【００１８】
スワラー４には、その底部側，即ち、図２に示した弁座３と接触する側に、燃料１１を旋回させるための溝４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが形成されている。直噴用の高圧のガソリン燃料１１は、この４つの溝４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを通過することにより旋回力を付与されて、弁座３より燃焼室へ直接噴霧される。旋回力を有する燃料は、燃焼室における爆発燃焼において未燃焼燃料の残留を無くすことや排ガスのクリーン化に大きく貢献することや、微粒化を促進し、寒冷時のスタートを改善するなどの効果がある。
【００１９】
次に、本実施形態による電子燃料噴射弁に用いるスワラー４の製造方法について説明する。
スワラー４の粉末原料として、ＳＵＳ４１０Ｌの材料を用いている。ＳＵＳ４１０Ｌの化学成分（wt／％）は、0.10C−0.85si−0.15Mn−0.017P−0.006S−0.10Ni−12.5Cr−Ba１／Feである。また、粒度分布（wt／％）は、0.1:＋100，5.2:−100／＋145,16.5:−145／＋200／＋250，21.6:−250／＋350，44.1:−350である。
【００２０】
この原料を用いて潤滑材と混合し、スワラーの圧粉体成形用金型に充填し、プレス荷重11.5tにて成形を行った。その後、プッシャー炉と称する連続焼成炉に挿入して焼結を行った。スワラーのセット方法は、W200×L100×H250のグラファイト製ケースの内部にアルミナ系トレイを４段に配置させ、それぞれのトレイにスワラーを600個ずつセットさせた。連続焼結炉の雰囲気は、アンモニアの分解ガスを用い、そのガス組成は25％N2−75H2ガスである。焼結条件は、500〜700℃域にて潤滑材を除去し、1240℃の温度で焼結を行い、その後徐冷する工程である。
【００２１】
その結果、焼結後の硬さは98〜105HRB、密度は7.08〜7.17となり、金属ミクロ組織はマルテンサイト組織と微細パーライト組織の混合組織であつた。
【００２２】
次に、図４を用いて、本実施形態による電子燃料噴射弁のスワラーと球状の弁体の摩耗深さの実験結果について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による電子燃料噴射弁のスワラーと球状の弁体の摩耗深さの実験結果の説明図である。
【００２３】
上述した製造方法により製造した粉末焼結スワラーを用いて、図１に示す構成の直噴用電子燃料噴射弁を製作し、１０億回の作動耐久試験を行った。図４（Ｃ）は、試験前後のスワラー４の内径の摩耗部位と、弁体２の外周の摩耗量を測定した結果を示している。摩耗量は面粗さ測定装置にて摩耗深さを測定した。弁体２の材料としては、ＳＵＳ４４０Ｃを用いており、６０HRCの硬度を有している。
【００２４】
なお、図４（Ａ）は、従来のＳＵＳ４４０Ｃを機械加工により製作したスワラーの場合の摩耗深さを示している。このスワラーの硬度は、６０HRCの高硬度スワラーである。図４（Ｂ）は、Ｆｅ−Ｎｉ系パーマロイ材の８０HRBの硬さの粉末焼結スワラーの場合の摩耗深さを示している。
【００２５】
図４の例から理解されるように、図４（Ａ）に示した従来のＳＵＳ４４０Ｃ製の高硬度スワラーの摩耗深さは、３者の中で最も少ない0〜0.2μｍであったが、相手材の弁体２の表面も0.1〜0.3μｍ摩耗していた。
【００２６】
また、図４（Ｂ）に示すように、パーマロイの粉末焼結スワラーは、最も摩耗が大きく、8.5〜22.7μｍであり、また弁体も0.3〜1.8μｍ摩耗が発生していた。60HRCの硬い弁体が摩耗する理由は、柔らかいスワラーの摩耗により摩耗粉が発生し、これが研磨剤となって弁体表面を研磨するために摩耗が生じたと考えられる。
【００２７】
一方、図４（Ｃ）に示すように、本実施形態のＳＵＳ４１０Ｌの粉末焼結製スワラーを用いた燃料噴射弁は、スワラー内径の摩耗は0.2〜0.7μｍであったが、弁体の摩耗はほとんどゼロであった。弁体の摩耗が殆どゼロとなる理由としては、第１に、本実施形態では、粉末焼結製スワラーを用いているため、焼結時に形成される孔に入り込んだ燃料が潤滑剤となるため、ボールの摩耗が少ないことが考えられる。この点は、図４（Ｂ）のものと同様である。第２に、本実施形態では、スワラーの硬度が、図４（Ｂ）のスワラーよりも硬いため、スワラーの摩耗が少ないことが考えられる。スワラーの摩耗が少ないと、摩耗した粉末がボール側に付着する量も少なくなり、スワラーとボールが相互にこすれた時の摩耗も低減できる。従って、本実施形態では、ボールの摩耗はほぼゼロになっている。
【００２８】
すなわち、図４（Ａ）に示すように、スワラーとボールの硬度が同じ硬さで硬い場合には、摩耗量は少ないが、スワラーとボールの両方に摩耗が生じる。また、ボールの硬度に比べて、スワラーの硬度がかなり小さい場合には、スワラーの摩耗が大きいとともに、ボールの摩耗も大きくなる。それに対して、ボールの硬度に比べてスワラーの硬度をある程度小さくすると、スワラーの摩耗も少なく、ボールの摩耗もほぼゼロにすることができる。
【００２９】
ボールの摩耗をほぼゼロにできることにより、ボールから発生する摩耗粉をほぼ無くすることができ、摩耗粉が弁座の弁体との燃料シートに挟み込まれて固着することによる燃料漏れ等も低減できる。また、粉末焼結法によりスワラーを製造できるため、製造工程を簡単にして、低コスト化できるものである。
【００３０】
なお、作動耐久試験後の弁体２と弁座３との燃料の油密性は、従来のＳＵＳ４４０Ｃ製スワラーを用いた燃料噴射弁は、0.15〜0.7mm3／minで規定の1.0mm3／min以内であったが、パーマロイ粉末焼結製スワラーの場合は0.75〜3.3mm3／minと大きく、油密性が確保できないことが分かった。
【００３１】
本実施形態によるＳＵＳ４１０Ｌの粉末焼結製スワラーの場合は、0.17〜0.8mm3／minであり、高硬度の従来のＳＵＳ４４０Ｃ製と同等であり、油密性が確保できた。
【００３２】
次に、図５を用いて、本実施形態による電子燃料噴射弁のスワラーの摩耗深さの他の実験結果について説明する。
図５は、本発明の一実施形態による電子燃料噴射弁のスワラーの摩耗深さの他の実験結果の説明図である。
【００３３】
図４（Ｃ）に示したＳＵＳ４１０Ｌの粉末焼結製スワラーの焼結後の硬さは98〜105HRBであった。粉末焼結製スワラーの硬さは、焼結条件（焼結温度，分解ガス組成など）を変えることにより、変えることができる。そこで、焼結条件を変えて、硬さの異なる粉末焼結製スワラーを製造し、それぞれのスワラーについて、図４で説明したのと同様の実験を行い、スワラーの摩耗深さについて調べた。
【００３４】
その結果は、図５に示すように、粉末焼結製スワラーの硬さが９０HRB以上では、摩耗深さは、いずれも、１μｍと極めて少ないものであった。しかしながら、粉末焼結製スワラーの硬さが８０HRBのものでは、摩耗深さが８〜９μｍとなり、急激に大きくなっている。すなわち、粉末焼結製スワラーの硬さを９０HRB以上とすることにより、摩耗を低減することができる。
【００３５】
ここで、粉末焼結製スワラーの硬さと、密度の関係は対応するため、粉末焼結製スワラーの硬さを９０HRBとするときの密度は、６．５以上であった。すなわち、粉末焼結製スワラーの密度を６．５以上とすることにより、摩耗を低減することができる。
【００３６】
なお、以上説明した例では、ＳＵＳ４１０Ｌを用いた粉末焼結製スワラーの金属ミクロ組織はマルテンサイト組織であり、マルテンサイト系ステンレス鋼の粉末焼結製スワラーとすることによりスワラー及びボールの摩耗を低減することができる。また、粉末焼結製スワラーの材料とするステンレス鋼としては、マルテンサイト系以外にも、フェライト系，オーステナイト系ステンレス鋼も考えられる。また、マルテンサイト系ステンレス鋼としては、高精度な粉末焼結が要求されるため、圧粉体成形時の粉末の流れ性を良くすることが必要で、低カーボンのＳＵＳ４１０やさらに低カーボンのＳＵＳ４１０Ｌが望ましいものである。但し、マルテンサイト系でも、ＳＵＳ４２０Ｊ２は、成形性の点で、ＳＵＳ４１０Ｌに劣るものであった。
【００３７】
スワラーに耐摩耗性が、特に必要とされるのは、通常のガソリン燃料による燃焼システムにおいてではなく、燃料圧力を従来の２０〜１００倍に高めて直接燃料を燃料噴射弁から燃焼室へ噴霧することにより排気ガス中の二酸化炭素やＮＯｘガスを低減させる直噴の燃焼システムに用いる電子燃料噴射弁の場合や、プロパンなどのガス燃料を使用することにより排気ガスをクリーン化するガス燃焼システム燃料に用いる電子燃料噴射弁の場合など、いずれもスワラーと摩擦摩耗する可動子先端の弁体との面圧が高くなり、摩耗が発生し易くなる状熊にある場合である。このような場合に、本実施形態による粉末焼結製スワラーが特に有効である。
【００３８】
ここではガソリンを用い、燃焼室に直接燃料を噴霧する直噴の燃焼システムに用いられる電子燃料噴射弁においてスワラーの作用は、本実施形態による粉末焼結法によるＳＵＳ４１０系の場合は、まず金型を用いる粉末成形のために、機械加工と大きく異なり、複雑な溝形状や内径形状を有するスワラーが一度に成形されるために、加工工程や工数を著しく低減でき、低コスト化が図られる。また、バリやカエリの発生はほとんどなく、焼結後のバレル研磨などで客易に除去できるため、これらが起因となる摩耗や摩耗紛の発生は少なく、さらにマルテンサイト系ステンレス鋼の粉末材料を用いるので焼結後の硬さは高いため耐摩耗性が確保できる。また、寸法精度は焼結により若干収縮するが、収縮率は把握されているため前もって焼結前寸法を圧粉成形金型により調整することで高精度なスワラーを比較的容易に得ることができる。
【００３９】
以上のように、本実施形態では、スワラーの低コスト製造プロセスと耐摩耗性の優れた粉末焼結法によるスワラーを用いることにより、安定した燃料供給が可能で且つ燃料流量特性と耐久性に優れた電磁式燃料噴射弁を得ることができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、低コスト且つ耐久性を有するスワラーを用い、スワラーと相対する摺動部材である可動子の弁体との耐摩耗性を確保して安定した燃料を供給を可能とできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による電子燃料噴射弁の全体構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による電子燃料噴射弁の先端部の構成を示す拡大断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による電子燃料噴射弁に用いるスワラーの構成を示す拡大斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態による電子燃料噴射弁のスワラーと球状の弁体の摩耗深さの実験結果の説明図である。
【図５】本発明の一実施形態による電子燃料噴射弁のスワラーの摩耗深さの他の実験結果の説明図である。
【符号の説明】
１…可動子
２…弁体
３…弁座
４…スワラー
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ…燃料通路溝
５…ストッパ
６…固定子鉄心
７…ケーシング
８…スプリング
９…電磁コイル
１０…弁体外周部とスワラー内径部の摩耗部位
１１…燃料
Claims (4)
- 先端に弁体を備えた可動子と、燃料を旋回させるとともに、上記可動子の先端に備えた弁体の動作をガイドするスワラーとを有する電子燃料噴射弁において、
上記スワラーは、ステンレス鋼の粉末焼結体で構成され、
上記弁体の硬度に比べて、上記スワラーの硬度を小さくすると共に、
上記スワラーの焼結後の硬さを９０ HRB 以上としたことを特徴とする電子燃料噴射弁。 - 先端に弁体を備えた可動子と、燃料を旋回させるとともに、上記可動子の先端に備えた弁体の動作をガイドするスワラーとを有する電子燃料噴射弁において、
上記スワラーは、ステンレス鋼の粉末焼結体で構成され、
上記弁体の硬度に比べて、上記スワラーの硬度を小さくすると共に、
上記スワラーの焼結後の密度が６．５以上としたことを特徴とする電子燃料噴射弁。 - 請求項１若しくは請求項２のいずれかに記載の電子燃料噴射弁において、
上記粉末焼結体のスワラーの材料を、マルテンサイト系ステンレス鋼としたことを特徴とする電子燃料噴射弁。 - 請求項３記載の電子燃料噴射弁において、
上記粉末焼結体のスワラーの材料は、ＳＵＳ４１０若しくはＳＵＳ４１０Ｌを用い、上記弁体の材料は、ＳＵＳ４４０Ｃを用いたことを特徴とする電子燃料噴射弁。
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