JP3969105B2 - 燃料噴射弁の固定構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料を燃焼室に直接噴射する燃料噴射弁をシリンダヘッドに固定する燃料噴射弁の固定構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料を筒内に直接噴射する筒内直噴射式内燃機関においては、燃料供給通路によって燃料噴射弁を固定するものが主流になりつつある。
このように燃料噴射弁を固定するものは、燃料噴射弁を各気筒の燃焼室に通じるようシリンダヘッドに形成した取付孔に挿入すると共に、燃料噴射弁と複数気筒に共通の燃料供給通路から各気筒に燃料を分配する分配通路とを接続し、当該接続部をシール部材（例えば、Ｏリング）によって密閉（シール）している。
【０００３】
ここで、通常は、前記燃料供給通路もシリンダヘッドに固定されるものであるため、各部品のバラツキを考慮し、燃料噴射弁を配設した際にその軸方向に所定のクリアランスが設定されているのであるが、前記分配通路を介して燃料噴射弁へと供給される燃料圧力を、燃焼により生じる燃焼圧よりも大きく設定することで燃料噴射弁をシリンダヘッドへと押し付けて、固定するようにしている。
【０００４】
ところが、機関始動時の燃料圧力が上昇するまでの間は、燃料圧力よりも燃焼圧の方が上回るため、燃料噴射弁がその軸方向に押し上げられてしまい、前記シール部材の耐久性が損なわれるという問題がある。
かかる問題に対して、燃料噴射弁と分配通路との間に弾性部材を介装し、この弾性部材により燃料噴射弁をシリンダヘッドへ押し付けることで、機関始動時における燃料噴射弁の軸方向の移動を防止するようにした技術が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このものでは、燃料圧力が上昇した後は、該燃料圧力による押し付け力と弾性部材による押し付け力の双方が作用することになり、燃料噴射弁がシリンダヘッドへと過大な力で押し付けられることになる。
また、各部品のバラツキが上限方向に振れていた場合にあっては、前記弾性部材の押し付け力が大きくなり、更に過大な力で燃料噴射弁がシリンダヘッドへと押し付けられることになる。
【０００６】
かかる場合に、燃料噴射弁が傾くような因子が存在すると、燃料噴射弁の先端側にあるノズル部に大きな横荷重が作用することとなり、燃料噴射のために往復動する内部の弁体とその摺動部との摺動抵抗が増加する等して、安定した燃料噴射を阻害してしまうといった問題がある。
そこで、本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、燃料噴射弁を適切な力でシリンダヘッドに押し付けて、固定することにより、安定した燃料噴射を行うことができる燃料噴射弁の固定構造を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る燃料噴射弁の固定構造は、燃料を供給する燃料供給通路と、該燃料供給通路から供給された燃料を噴射する燃料噴射弁と、該燃料噴射弁の取付部を有するシリンダヘッドと、前記燃料噴射弁をシリンダヘッド側に押圧する弾性部材と、所定温度以上において、前記弾性部材の押圧力を抑制するよう変形する形状記憶材を用いた押圧力抑制部材と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
このように構成することで、低温時で燃料供給通路から供給される燃料圧力が低い場合には、弾性部材の押圧力によって燃料噴射弁はシリンダヘッドへと押し付けられ、固定される。一方、所定温度以上となり燃料圧力が十分に上昇した場合には、押圧力抑制部材が変形して弾性部材の押圧力が抑制されることになる。また、請求項２に係る発明は、前記弾性部材と前記押圧力抑制部材とを一体的に構成したものを、前記燃料供給通路と前記燃料噴射弁との間に介装させたことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３に係る発明は、前記所定温度が機関停止後における燃料圧力の低下と前記押圧力抑制部材周辺の雰囲気温度との相関に基づいて設定されることを特徴とする。
【００１０】
【発明の効果】
本発明に係る燃料噴射弁の固定構造によれば、燃料噴射弁を確実にシリンダヘッドに押し付けて固定できると共に、燃料噴射弁に過大な押し付け力が作用することを防止し、安定した燃料噴射を実行できる。
すなわち、機関始動時等の低温時は燃料圧力が低下しているため、燃料圧力のみでは燃料噴射弁をシリンダヘッドに押し付けて固定することができないが、この場合は弾性部材の押圧力が十分に作用しており、これにより燃料噴射弁をシリンダヘッドに押し付けて固定することができる。一方、燃料圧力が上昇し、燃料圧力のみで燃料噴射弁をシリンダヘッドに押し付けて固定できるようになる頃には、押圧力抑制部材も所定温度以上となって弾性部材の押圧力を抑制するよう変形する。この結果、燃料噴射弁をシリンダヘッドに確実に固定できると共に、燃料噴射弁に過大な押し付け力が作用することを防止でき、常に安定した燃料噴射を実行できる。
【００１１】
請求項２に係る発明によれば、前記弾性部材と前記押圧力抑制部材とを一体的に構成し、これを燃料供給通路と燃料噴射弁との間に介装させるので、既存のスペースを有効に利用しつつ、弾性部材及び押圧力抑制部材を容易に取り付けることができる。
【００１２】
請求項３に係る発明によれば、前記所定温度は、機関停止後のおける燃料供給通路内の圧力低下と押圧力抑制部材の雰囲気温度との相関に基づいて設定されるので、各機関において、弾性部材の押圧力を抑制する時期を、容易かつ高精度に設定できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１、２は、本発明に係る燃料噴射弁の固定構造を筒内直噴式内燃機関に適用した実施形態を示す図である。図１はシステム概要図、図２は燃料噴射弁近傍の部分拡大図である。図に示すように、燃料噴射弁１は、機関のシリンダヘッド２に形成した取付孔２１に取り付けられる。
【００１４】
前記燃料噴射弁１は、例えば電磁制御式のものであり、図で見て下端側に燃料を噴射する燃料噴射孔を、上端側に供給された燃料を導入する燃料導入孔を有する。そして、内蔵するソレノイドが通電制御されることで内部の弁体が往復動して、燃料導入孔より導入した燃料を燃料噴射孔から噴射する。
また、燃料噴射弁１は、図で見て上側の燃料導入孔側が、複数の気筒に共通のものとして設けられる燃料供給通路３から各気筒に燃料を分配供給するよう設けられた分配通路３１に接続される。
【００１５】
燃料噴射弁１と分配通路３１との接続部には、分配された（高圧の）燃料が漏洩しないようにシール部材５（例えば、Ｏリング）を設けられている。具体的には、燃料噴射弁１の外周にシール部材５を装着し、このシール部材５装着部を円筒状に形成される分配通路３１に嵌め込むことで接続しており、これにより、前記シール部材５が燃料噴射弁１の外周面と分配通路３１の内周面との間をシールしている。
【００１６】
ここで、前記燃料供給通路３は、ボルト４締結によって前記シリンダヘッド２に固定されるものであり、従って、前記燃料噴射弁１は、前記シリンダヘッド２の取付孔２１とシリンダヘッド２に固定される燃料供給通路３の分配通路３１との間に取り付けられることになる。
このため、各部品（すなわち、燃料噴射弁１、シリンダヘッド２及び燃料供給通路３）のバラツキを考慮して、燃料噴射弁１を取り付けた際に、その軸方向に所定のクリアランスが設定されており、燃料噴射弁１はその軸方向に移動可能に配設されているのであるが、前記分配通路３１を介して供給される燃料圧力Ｐｆによってシリンダヘッド２へと押し付けられることになる。
【００１７】
また、前記燃料噴射弁１と前記分配通路３１との間、より具体的には、燃料噴射弁１の軸方向の略中間位置で他の部分よりも大きな径で形成されたフランジ部１１の上面１１ａと、分配通路３１の下端面３１ａと、の間には、燃料噴射弁１をシリンダヘッド２（の取付孔２１）側へと押圧する押圧部材６が介装されている。
【００１８】
従って、機関運転中における燃料噴射弁１には、軸方向に押し上げようとする燃焼圧Ｐｃと、これに対抗して燃料噴射弁１をシリンダヘッド２へ押し付けようとする燃料圧力Ｐｆ及び前記押圧部材６による押圧力Ｐｂとが作用することになるが、後者（Ｐｆ＋Ｐｂ）を前者（Ｐｃ）よりも大きく設定することによって、燃料噴射弁１をシリンダヘッド２に押し付けて、固定することができる。
【００１９】
ここで、前記押圧部材６について図３、４を参照しつつ説明する。
なお、図３（ａ）は、押圧部材６の上面図を示し、図３（ｂ）は、押圧部材６の正面図を示す。図に示すように、この押圧部材６は、上方から見て略中央部に取付時に燃料噴射弁１を避けるための円形の切欠部６１が設けられ、該切欠部６１の両側に一対のアーム部６２、６３を有したクリップ状のものであり、矢印Ｙ方向に圧縮した状態で前記燃料噴射弁１のフランジ部１３と分配通路３１との間に取り付けられる。
【００２０】
そして、かかる押圧部材６が取り付けられると、燃料噴射弁１（のフランジ部１３）は、押圧部材６のアーム部６２、６３によって、その軸方向の両側からシリンダヘッド２側へ押圧されることになる。
また、本実施形態の特徴的な構成として、この押圧部材６は、図３（ｂ）に示すように、通常のバネ材として使用される金属製の金属バネ７と、形状記憶合金製の形状記憶バネ８と、を組み合わせて一体的に構成されている。
【００２１】
具体的には、以下のようにして前記押圧部材６を作製する。
まず、図４（ａ）に示すように、金属バネ７を、その変形方向において前記燃料噴射弁１のフランジ部１１の上面１１ａと前記分配通路３１の下端面３１ａとの距離Ｌ（図２参照、以下、これを取付寸法という）よりも大きな寸法Ｌａに形成する。なお、この金属バネ７に用いる材質としては、例えばＳＵＳ３０４がある。
【００２２】
次に、図４（ｂ）に示すように、形状記憶バネ８を、その変形方向において前記取付寸法Ｌとほぼ等しい寸法Ｌｂに形成する。なお、この形状記憶バネ８に用いる材質としては、例えばＮｉ−Ｔｉ合金があり、本実施形態においては、かかるＮｉ−Ｔｉ合金をその組成比により母相→Ｒ相変態温度を約４０℃としたものを用いている。
【００２３】
そして、図４（ｃ）に示すように、金属バネ７をその変形方向に圧縮させた状態で前記形状記憶バネ８の内側に嵌め込むことで一体化し、これを前記押圧部材６としている。なお、図に示すように、このときの押圧部材６全体としての変形方向寸法Ｌｃは、前記取付寸法Ｌよりも大きくなる。
このように構成した押圧部材６は、前記取付寸法Ｌにおける反力（すなわち、燃料噴射弁１を押圧する押圧力）が、その雰囲気温度４０℃を境に変化することになる。
【００２４】
すなわち、前記押圧部材６は、上記のように、圧縮させた金属バネ７を形状記憶バネ８の内側にセットしたものであるが、その雰囲気温度が４０℃未満においては、形状記憶バネ８が金属バネ７を圧縮する力（図中の矢印ｆ１）は比較的小さく設定されており、図５（ａ）に示すように、押圧部材６全体としては、前記取付寸法Ｌにおいて反力Ｂ（図中の矢印ｆ２）を発生する（反力Ｂで燃料噴射弁を押圧する）。
【００２５】
一方、始動後、機関の温度上昇に伴い、前記押圧部材６の雰囲気温度が４０℃以上となると、形状記憶バネ８は形状を回復して元の状態（図４（ｂ）の状態）に戻ろうとするので、図５（ｂ）に示すように、形状記憶バネ８が金属ばね７を圧縮する力（ｆ１'）が大きくなり、前記取付寸法Ｌにおいて押圧部材６の発生する反力ｆ２'は小さくなる（反力Ａ）。
【００２６】
図５（ｃ）は、押圧部材６の雰囲気温度と、押圧部材６の発生する反力との関係を示したものである。
そして、前記反力Ｂを、前記燃焼圧Ｐｃが燃料噴射弁１を押し上げる力に対抗できる力に設定すれば、該押圧部材６のみにより燃料噴射弁１をシリンダヘッド２に押し付けることができ、前記反力Ａを極めて小さくすれば、雰囲気温度が４０℃を超えた場合は、燃料噴射弁１には該押圧部材６からの押圧力がほとんど加わらないことになる。
【００２７】
なお、上記のように前記形状記憶バネ８の母相→Ｒ相変態温度を４０℃としたのは、以下の理由による。
すなわち、機関停止後の時間経過に伴う前記押圧部材６の雰囲気温度Ｔの変化と前記燃料供給通路３内の燃料圧力Ｐｆの変化は、図６に示すように、相関することが確認されている。そして、図６において、前記燃焼圧Ｐｃに対抗して燃料噴射弁１をシリンダヘッド２に押し付けて、固定できる燃料圧力をＰ０以上とすると、機関停止後、燃料圧力ＰｆがＰ０にまで下降する経過時間ｔ０に対応した雰囲気温度Ｔを参照すると雰囲気温度ＴはＴ０まで下降していることが分かる。
【００２８】
逆に言えば、雰囲気温度ＴがＴ０以上であれば、燃料圧力Ｐｆのみによって燃料噴射弁１をシリンダヘッド２に押し付けて、固定できることになり、この場合には、前記押圧部材６の押圧力よる燃料噴射弁１の押し付けは不要となる。
そこで、この雰囲気温度Ｔ０を前記形状記憶バネ８の母相→Ｒ相変態温度とすれば、雰囲気温度Ｔ０未満においては、所定の押圧力で燃料噴射弁１を押圧すると共に、雰囲気温度Ｔ０以上では、形状記憶バネ８が金属バネ７を圧縮する方向に変形するので、押圧部材６全体としての燃料噴射弁１への押圧力を縮小させることができる。
【００２９】
この結果、燃料圧力Ｐｆが低いときには、押圧部材６の押圧力を十分に確保すると共に、燃料圧力Ｐｆが高くなったときには、押圧部材６の押圧力を縮小させて燃料噴射弁１に過大な力が作用することを防止できる。
なお、本実施形態においては、この雰囲気温度Ｔ０を実験により求めたところ約４０℃であったので、形状記憶バネ８の母相→Ｒ相変態温度を４０℃としたのである。
【００３０】
このように、前記形状記憶バネ８の母相→Ｒ相変態温度は、前記燃料圧力Ｐｆによって燃料噴射弁１をシリンダヘッド２に押し付ける力が、前記燃焼圧Ｐｃによって燃料噴射弁１を押し上げる力よりも上回るようになるとき、すなわち、燃料圧力Ｐｆのみによって燃料噴射弁１をシリンダヘッド２へ押し付けて、固定できるときの押圧部材６周辺の雰囲気温度として設定されるものであり、各機関において適宜設定されるものである。
【００３１】
次に、以上のように構成した燃料噴射弁の固定構造の作用を説明する。
図７に示すように、機関始動直後（図中のＡ期間）においては、前記分配通路３１を介して供給される燃料圧力Ｐｆが低く、燃焼により発生する燃焼圧Ｐｃが大きいため、燃料圧力Ｐｆのみでは燃料噴射弁１をシリンダヘッド２へと押し付けて固定することができないが、この状態においては、押圧部材６の雰囲気温度が４０℃以下であるので、押圧部材６は前記反力Ｂを発生し、これにより燃料噴射弁１をシリンダヘッド２に押し付けて、固定する。
【００３２】
機関始動後の経過時間ｔと共に燃料圧力Ｐｆが十分に上昇すると、該燃料圧力Ｐｆのみによっても燃料噴射弁１をシリンダヘッド２に押し付けて、固定できるようになる。なお、このときの機関の温度上昇に伴い、押圧部材６の雰囲気温度も上昇する。
ここで、かかる雰囲気温度が４０℃を超えるまでの間（図中のＢ期間）は、燃料圧力Ｐｆと押圧部材６の反力Ｂとによって燃料噴射弁１を押し付けることになる。従って、必要以上の力で燃料噴射弁１を押し付けることになるが、この期間はごく短期間であること、また、図８に示すように、低温時においては、燃料噴射パルスが長いため、燃料噴射弁１が傾いてノズルに横荷重（偏荷重）が加わったとしても噴射量の誤差も小さいことから、問題とはならない。
【００３３】
そして、更に機関が暖まり、燃料噴射パルスが短くなる前には、押圧部材６の雰囲気温度が４０℃を超え、上述したように、押圧部材６の反力は小さくなり（反力Ｂ→反力Ａ）燃料圧力Ｐｆによって燃料噴射弁１をシリンダヘッド２に押し付けて、固定するようになる（図中のＣ期間）。
すなわち、機関始動時で供給される燃料圧力Ｐｆが小さいときには、主として押圧部材６の押圧力によって燃料噴射弁１をシリンダヘッド２に押し付けて固定し、機関始動後燃料圧力Ｐｆが十分に立ち上がった後は、主として燃料圧力Ｐｆにより燃料噴射弁１をシリンダヘッド２に押し付け、固定することになる。
【００３４】
これにより、燃料噴射弁１を、確実にシリンダヘッド２に押し付けて、固定できると共に、過大な力が燃料噴射弁１に入力されるような事態を回避できる。従って、燃料噴射弁１が傾いて取り付いているような場合であっても安定した燃料噴射を実行できる。
なお、本実施形態では、燃料噴射弁１をシリンダヘッド２側に押圧する弾性部材として金属バネ７を用い、弾性部材の押圧力を抑制する押圧力抑制部材として形状記憶バネ８を用いており、これらを一体的に構成した押圧部材６を、燃料噴射弁１と燃料供給通路３との間に介装するようにしているが、これに限られるものではなく、例えば、弾性部材をシリンダヘッド２に取り付け、これと別に配設した押圧力抑制部材（の変形）によって弾性部材の押圧力を抑制するように構成してもよい。
【００３５】
また、押圧力抑制部材として形状記憶合金製の形状記憶バネ８を用いているが、金属以外の形状記憶材（例えば、形状記憶ポリマー）で形成したものであってもよい。
【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の固定構造を示すシステム概要図である。
【図２】図１の燃料噴射弁近傍の拡大図である。
【図３】本実施形態に係る押圧部材を示す図である。
【図４】本実施形態に係る押圧部材の構成を説明するための図である。
【図５】本実施形態に係る押圧部材の反力（燃料噴射弁を押圧する押圧力）の変化を示す図である。
【図６】エンジン停止後の経過時間に伴う燃料供給通路内の燃料圧力Ｐｆの変化と押圧部材周辺の雰囲気温度Ｔの変化をとの関係を示す図である。
【図７】本実施形態に係る燃料噴射弁の固定構造の作用、効果を説明する図である。
【図８】燃料噴射弁のノズル偏荷重と噴射量の誤差（エラー）との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ … 燃料噴射弁
２ … シリンダヘッド
３ … 燃料供給通路
５ … Ｏリング
６ … 押圧部材
７ … 金属バネ
８ … 形状記憶バネ

Claims (3)

1. 燃料を供給する燃料供給通路と、
   該燃料供給通路から供給された燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   該燃料噴射弁の取付部を有するシリンダヘッドと、
   前記燃料噴射弁をシリンダヘッド側に押圧する弾性部材と、
   所定温度以上において、前記弾性部材の押圧力を抑制するよう変形する形状記憶材を用いた押圧力抑制部材と、
   を備えることを特徴とする燃料噴射弁の固定構造。
2. 前記弾性部材と前記押圧力抑制部材とを一体的に構成したものを、前記燃料供給通路と前記燃料噴射弁との間に介装させたことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁の固定構造。
3. 前記所定温度は、機関停止後における燃料圧力の低下と前記押圧力抑制部材周辺の雰囲気温度との相関に基づいて設定されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料噴射弁の固定構造。

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