JP4283275B2

JP4283275B2 - Manufacturing method of fuel injection valve

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Publication number: JP4283275B2
Application number: JP2005510747A
Authority: JP
Inventors: 典幸前川; 元幸安部; 良雄岡本; 正也堀野; 昌敏金丸; 好之田辺; 武原田; 清隆小倉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2023-11-18
Also published as: AU2003280861A1; WO2005050005A1; JPWO2005050005A1

Description

本発明は燃料噴射弁に関し、特に内燃機関に搭載され、燃料を供給するための燃料噴射弁に関する。本発明は単結晶シリコン等の脆性材料で形成される旋回素子（スワラ構造）を備えた内燃機関用燃料噴射弁に関する。 The present invention relates to a fuel injection valve, and more particularly to a fuel injection valve mounted on an internal combustion engine for supplying fuel. The present invention relates to a fuel injection valve for an internal combustion engine provided with a turning element (swirler structure) formed of a brittle material such as single crystal silicon.

内燃機関用燃料噴射弁は、一般的に、燃料噴射孔と、この燃料噴射孔の近傍に配設される弁座と、供給された燃料に旋回力を与える旋回素子（スワラ構造）と、弁座と対向する位置に、軸方向に摺動可能に支持された弁体と、この弁体を軸方向に駆動するための駆動力発生部と、弁体を弁座に押し付けるスプリングとを備える。
燃料噴射弁に供給された燃料は、燃料噴射弁内部の燃料通路を通って、燃料噴射孔付近に導かれる。スプリングの押圧力によって、弁体が弁座に押し付けられている状態では、燃料噴射孔が閉じているため、燃料の噴射は行われない。
駆動力発生部が、弁体に対し、上記スプリングの押圧力と反対方向の力を発生すると、弁体は弁座から離れた状態となる。この状態では、燃料噴射孔が開かれるため、燃料の噴射が行われる。このとき、燃料噴射孔の近傍に配設された旋回素子に設けられた燃料旋回流路のはたらきにより、燃料に旋回力が付与される。旋回力をもった状態で燃料噴射孔から噴射された燃料は、厚さの薄い液膜となり、粒径の小さい液滴へと分裂させていくことができる。
内燃機関の燃焼を安定化するためまたは、内燃機関から排出される排気に含まれる有害成分を低減するためには、粒径の小さい燃料噴霧を供給できる燃料噴射弁が必要である。
このための従来技術として特許文献（特開平１０−１２２０９５号公報の図２，４，５，及び図７）が挙げられる。この特許文献では、燃料噴射弁のオリフィスプレートを単結晶シリコン製として、この単結晶シリコン製オリフィスプレートに旋回室とオリフィスを形成するものである。
上記の従来技術では、燃料噴射弁の単結晶シリコン製オリフィスプレートに、凹部である旋回室と、貫通孔であるオリフィスを設けている。
しかしながら、上記従来技術では、貫通孔であるオリフィスの形状や成形方法について配慮がされていない。
また、従来技術である燃料噴射弁の上記オリフィスプレートでは、旋回室は単結晶シリコンで形成されているが、この旋回室の中央部に小径のオリフィスが設けられているのみである。旋回室が弁座の下流に設けられているので、単結晶シリコン製オリフィスプレートに弁体を挿入する構成ではない。
従って、旋回素子が弁座の上流にある形式、即ち上流旋回型の燃料噴射弁の微粒化性能を向上するために、旋回素子を単結晶シリコン等の脆性材料で形成して、旋回力の強い旋回流路形状を形成しようとすると、以下のような課題を解決する必要がある。
上流旋回型の燃料噴射弁では、旋回素子の中央部に設けた貫通孔に、弁体が挿入される構成となる。よって、旋回素子の中央部には、弁体が挿入されるための中央部流路（貫通孔）が必要となる。この旋回素子に形成された中央部流路と弁体の外周部との間には、わずかな隙間を設けることが必要であるが、この隙間は極力小さくすることが必要である。
隙間が大きい場合には、この隙間を通る燃料、すなわち旋回素子の旋回流路を通らない旋回力のかからない燃料の流量が増加するため、燃料噴射弁の微粒化特性を悪化させてしまう可能性があるからである。よって、燃料噴射弁の旋回素子を単結晶シリコンで形成する場合において、旋回力のかからない燃料の流量を減らすことが課題となる。
また、上流旋回型の燃料噴射弁では、旋回素子の中央部流路の内側壁を弁体の摺動案内として用いることが多い。旋回素子を単結晶シリコンで形成する場合には、耐久性の問題から、旋回素子の中央部流路の内側壁を摺動案内とすることができない可能性がある。よって、燃料噴射弁の旋回素子を単結晶シリコン等の脆性材料で形成する場合において、旋回素子の中央部流路の内側壁に適切な摺動案内を設けることが課題となる。
さらに、旋回素子を単結晶シリコン等の脆性材料で形成する場合には、組立て時に作用する応力により、旋回素子が破損しないようにすることが課題となる。
さらに、旋回素子を単結晶シリコンのみで形成する場合、燃料が直接シリコンに接触する構造となる。このため、微量のシリコンが燃料中に溶け出す場合には、内燃機関の補機類にシリコンが付着し、補機類の性能を劣化させる可能性がある。よって、燃料が単結晶シリコンの旋回素子に直接接触しないようにすることが課題となる。A fuel injection valve for an internal combustion engine generally includes a fuel injection hole, a valve seat disposed in the vicinity of the fuel injection hole, a turning element (swirler structure) for applying a turning force to supplied fuel, and a valve A valve body supported to be slidable in the axial direction, a driving force generator for driving the valve body in the axial direction, and a spring for pressing the valve body against the valve seat are provided at a position facing the seat.
The fuel supplied to the fuel injection valve is guided to the vicinity of the fuel injection hole through the fuel passage inside the fuel injection valve. In a state where the valve body is pressed against the valve seat by the pressing force of the spring, the fuel injection hole is closed, so that fuel is not injected.
When the driving force generator generates a force in the direction opposite to the pressing force of the spring on the valve body, the valve body is separated from the valve seat. In this state, the fuel injection hole is opened, so that fuel is injected. At this time, a turning force is imparted to the fuel by the function of the fuel turning passage provided in the turning element disposed in the vicinity of the fuel injection hole. The fuel injected from the fuel injection hole with the swirl force becomes a thin liquid film and can be divided into droplets having a small particle size.
In order to stabilize the combustion of the internal combustion engine or to reduce harmful components contained in the exhaust gas discharged from the internal combustion engine, a fuel injection valve capable of supplying a fuel spray having a small particle size is required.
Patent documents (FIGS. 2, 4, 5, and 7 of Japanese Patent Laid-Open No. 10-122095) are listed as conventional techniques for this purpose. In this patent document, the orifice plate of the fuel injection valve is made of single crystal silicon, and the swirl chamber and the orifice are formed in the single crystal silicon orifice plate.
In the prior art described above, the single crystal silicon orifice plate of the fuel injection valve is provided with a swirl chamber as a recess and an orifice as a through hole.
However, in the above prior art, no consideration is given to the shape of the orifice that is the through hole and the molding method.
In the orifice plate of the conventional fuel injection valve, the swirl chamber is formed of single crystal silicon, but only a small-diameter orifice is provided at the center of the swirl chamber. Since the swirl chamber is provided downstream of the valve seat, the valve body is not inserted into the single crystal silicon orifice plate.
Therefore, in order to improve the atomization performance of the swivel element upstream of the valve seat, that is, the upstream swirl type fuel injection valve, the swivel element is formed of a brittle material such as single crystal silicon and has a strong swirl force. In order to form a swirl channel shape, it is necessary to solve the following problems.
In the upstream swirl type fuel injection valve, the valve body is inserted into a through hole provided in the center of the swirl element. Therefore, a central part flow path (through hole) for inserting the valve element is required at the central part of the turning element. Although it is necessary to provide a slight gap between the central channel formed in the swivel element and the outer peripheral part of the valve body, it is necessary to make this gap as small as possible.
When the gap is large, the flow rate of the fuel passing through the gap, that is, the fuel not subjected to the turning force that does not pass through the turning flow path of the turning element increases, and thus the atomization characteristics of the fuel injection valve may be deteriorated. Because there is. Therefore, in the case where the swivel element of the fuel injection valve is formed of single crystal silicon, it becomes a problem to reduce the flow rate of the fuel that is not subjected to the swirl force.
Further, in the upstream swirl type fuel injection valve, the inner wall of the central flow path of the swirl element is often used as a sliding guide for the valve element. When the swivel element is formed of single crystal silicon, there is a possibility that the inner side wall of the central flow path of the swivel element cannot be used as a sliding guide due to durability. Therefore, in the case where the swiveling element of the fuel injection valve is formed of a brittle material such as single crystal silicon, it becomes a problem to provide an appropriate sliding guide on the inner wall of the central flow path of the swirling element.
Furthermore, when the swivel element is formed of a brittle material such as single crystal silicon, it becomes a problem to prevent the swivel element from being damaged by stress acting during assembly.
Further, when the swivel element is formed of only single crystal silicon, the fuel is in direct contact with silicon. For this reason, when a very small amount of silicon is dissolved in the fuel, silicon may adhere to the accessories of the internal combustion engine, which may deteriorate the performance of the accessories. Therefore, it is a problem to prevent the fuel from coming into direct contact with the single crystal silicon turning element.

本発明の目的は、上記課題を解決し、脆性材料からなる旋回素子を搭載することを可能とし、旋回流路の形状成形自由度を向上し、微粒化特性の良好な燃料噴射弁を得ることにある。
そのため本発明では、燃料に旋回力を付与する旋回素子を備え、前記旋回素子を脆性材料で形成する燃料噴射弁において、前記旋回素子の中央部に設ける中央部流路は、前記旋回素子の上流側から中央部流路を形成する工程と、前記旋回素子の下流側から中央部流路を形成する工程とを組み合わせた工程により形成する。
さらに本発明では、燃料に旋回力を付与する旋回素子を備え、前記旋回素子を脆性材料で形成する燃料噴射弁において、前記旋回素子の中央部に設ける中央部流路の側壁部の軸方向略中央部に凸部を形成する。
さらに本発明では、燃料に旋回力を付与する旋回素子を備え、前記旋回素子を脆性材料で形成し、前記旋回素子の中央部に略円形の中央部流路を有する燃料噴射弁において、前記中央部流路の、前記旋回素子の旋回流路を有する面側の流路直径は、前記旋回素子の旋回流路を有する面と反対側の流路直径よりも小さくする。
さらに本発明では、燃料に旋回力を付与する旋回素子を備える燃料噴射弁において、前記旋回素子の旋回流路の側壁と、前記旋回素子の内径部に設けられる中央部流路の側壁とによって形成される鋭角形状部の先端部角アールが０〜０．０１ｍｍの範囲にあるようにする。
さらに本発明では、燃料に旋回力を付与する旋回素子と、燃料噴射量を制御するための弁体とを備える燃料噴射弁において、前記旋回素子を保持して、ノズルに固定するための旋回素子保持部材を設け、前記旋回素子保持部材の内径部において、前記弁体を摺動案内する。
さらに本発明では、燃料に旋回力を付与する旋回素子を備える燃料噴射弁において、前記旋回素子の内径部に、前記弁体を摺動案内するための、摺動部材を設ける。
さらに本発明では、燃料に旋回力を付与する旋回素子を備える燃料噴射弁において、前記旋回素子の、旋回流路を有する側の端面と、前記旋回素子に接する固定部材の、前記旋回素子の端面に接する端面とのうち、少なくとも何れか一方の端面の、前記旋回素子の内径部に設けられる中央部流路の近傍に、前記旋回素子と前記固定部材とが接触しないためのテーパまたは段差部を設ける。
さらに本発明では、燃料に旋回力を付与する旋回素子を備え、前記旋回素子を単結晶シリコンで形成する燃料噴射弁において、前記旋回素子の母材である単結晶シリコンが、燃料に直接接触することのないように、前記旋回素子の表面に表面層を設ける。
さらに本発明では、前記表面層はシリコンの酸化膜とする。The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, to enable the mounting of a swirling element made of a brittle material, to improve the shape forming freedom of the swirling flow path, and to obtain a fuel injection valve with good atomization characteristics. It is in.
Therefore, in the present invention, in a fuel injection valve that includes a swirling element that imparts a swirling force to the fuel, and the swirling element is formed of a brittle material, the central flow path provided in the center of the swirling element is upstream of the swirling element. It forms by the process which combined the process of forming a center part flow path from the side, and the process of forming a center part flow path from the downstream of the said turning element.
Furthermore, in the present invention, in a fuel injection valve that includes a swirling element that imparts a swirling force to the fuel, and the swirling element is formed of a brittle material, the axial direction of the side wall portion of the central channel that is provided at the center of the swirling element A convex part is formed in the central part.
Furthermore, in the present invention, in the fuel injection valve that includes a swirling element that imparts a swirling force to the fuel, the swirling element is formed of a brittle material, and has a substantially circular central channel in the center of the swirling element, The flow path diameter of the partial flow path on the surface side having the swirl flow path of the swivel element is made smaller than the flow path diameter on the opposite side of the surface of the swivel element having the swirl flow path.
Furthermore, in the present invention, in the fuel injection valve including a swirling element that imparts a swirling force to the fuel, the fuel injection valve is formed by the side wall of the swirling flow path of the swirling element and the side wall of the central flow path provided in the inner diameter portion of the swirling element. The tip corner angle R of the acute angle shape portion to be set is in the range of 0 to 0.01 mm.
Further, in the present invention, in a fuel injection valve comprising a turning element for applying a turning force to the fuel and a valve body for controlling the fuel injection amount, the turning element for holding the turning element and fixing it to the nozzle A holding member is provided, and the valve body is slidably guided in an inner diameter portion of the turning element holding member.
Furthermore, in the present invention, in the fuel injection valve provided with the turning element for applying the turning force to the fuel, a sliding member for slidingly guiding the valve body is provided on the inner diameter portion of the turning element.
Further, in the present invention, in the fuel injection valve including a turning element that applies a turning force to the fuel, an end face of the turning element on the side having the turning flow path, and an end face of the turning element of the fixing member that contacts the turning element A taper or a step portion for preventing the swiveling element and the fixing member from contacting each other in the vicinity of the central flow path provided in the inner diameter portion of the swiveling element on at least one of the end surfaces in contact with Provide.
Furthermore, in the present invention, in the fuel injection valve that includes a turning element that applies a turning force to the fuel, and the turning element is formed of single crystal silicon, the single crystal silicon that is a base material of the turning element directly contacts the fuel. In order to prevent this, a surface layer is provided on the surface of the swivel element.
In the present invention, the surface layer is a silicon oxide film.

図１は、本発明の燃料噴射弁の一実施形態を示す断面図である。図２Ａは、本発明の燃料噴射弁の旋回素子を示す平面図である。図２Ｂは、本発明の燃料噴射弁の旋回素子を示す断面図である。図３は、本発明の燃料噴射弁の旋回素子付近の構造を拡大した部分断面図である。図４は、本発明の燃料噴射装弁の旋回素子とロッドを拡大した断面図である。図５Ａは、本発明の燃料噴射弁の旋回素子保持部材を示す平面図である。図５Ｂは、本発明の燃料噴射弁の旋回素子保持部材を示す断面図である。図６は、本発明の燃料噴射装弁の旋回素子とロッドを拡大した断面図である。図７は、本発明の燃料噴射弁の旋回素子とその表面層を示す断面図である。図８は、本発明の燃料噴射弁の旋回素子とこの旋回素子の内周部に設けた摺動部材を示す平面図である。図９Ａは、本発明の燃料噴射弁の他の実施例の旋回素子を示す平面図である。図９Ｂは、本発明の燃料噴射弁の他の実施例の旋回素子を示す断面図である。図９Ｃは、本発明の燃料噴射弁の他の実施例の旋回素子を示す裏面図である。図１０Ａは、本発明の燃料噴射弁のノズルを示す平面図である。図１０Ｂは、本発明の燃料噴射弁のノズルを示す断面図である。図１１Ａは，本発明の燃料噴射弁の他の実施例の旋回素子（スワラ構造）を示す平面図である。図１１Ｂは，本発明の燃料噴射弁の他の実施例の旋回素子（スワラ構造）を示す断面図であり、図１１ＡのＡ−Ｂ線に沿って断面した図である。図１２は、旋回素子（スワラ構造）の加工方法を示す図で、加工プロセス（ａ）−（ｇ）を示している。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a fuel injection valve of the present invention. FIG. 2A is a plan view showing a turning element of the fuel injection valve of the present invention. FIG. 2B is a cross-sectional view showing a turning element of the fuel injection valve of the present invention. FIG. 3 is an enlarged partial sectional view of the structure in the vicinity of the turning element of the fuel injection valve of the present invention. FIG. 4 is an enlarged sectional view of the swivel element and the rod of the fuel injection valve of the present invention. FIG. 5A is a plan view showing a turning element holding member of the fuel injection valve of the present invention. FIG. 5B is a sectional view showing a turning element holding member of the fuel injection valve of the present invention. FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of the swivel element and the rod of the fuel injection valve of the present invention. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a turning element and a surface layer of the fuel injection valve of the present invention. FIG. 8 is a plan view showing a turning element of the fuel injection valve of the present invention and a sliding member provided on the inner periphery of the turning element. FIG. 9A is a plan view showing a turning element of another embodiment of the fuel injection valve of the present invention. FIG. 9B is a sectional view showing a turning element of another embodiment of the fuel injection valve of the present invention. FIG. 9C is a back view showing a turning element of another embodiment of the fuel injection valve of the present invention. FIG. 10A is a plan view showing a nozzle of the fuel injection valve of the present invention. FIG. 10B is a cross-sectional view showing the nozzle of the fuel injection valve of the present invention. FIG. 11A is a plan view showing a turning element (swirler structure) of another embodiment of the fuel injection valve of the present invention. FIG. 11B is a cross-sectional view showing a turning element (swirler structure) of another embodiment of the fuel injection valve of the present invention, and is a cross-sectional view taken along the line AB of FIG. 11A. FIG. 12 is a diagram showing a processing method of the turning element (swirler structure), and shows the processing processes (a) to (g).

図１〜５を用いて本発明の燃料噴射弁の一実施形態について説明する。
はじめに、図１を用いて本発明の燃料噴射弁の一実施形態の構成及び基本動作について説明する。
図１は本発明の燃料噴射弁の一実施形態を示す断面図である。ノズル１１の下端部には、弾性部材２１を介して、旋回素子保持部材２２を設ける。旋回素子保持部材２２の内側に、燃料に旋回力を付与するための単結晶シリコン製の旋回素子１２を設ける。ステンレス鋼製のオリフィスプレート１を、ノズル１１の下端部に挿入し、溶接等の方法により固定する。オリフィスプレート１には燃料噴射孔２、弁座３が設けられる。
弁体４は、ガイドプレート１３の中央部に設けられる孔と、旋回素子保持部材２２の内径部とによって摺動案内される。
弁体４は、可動鉄心５と、筒状部材６、ロッド７を溶接等の方法により結合して構成されている。可動鉄心５の内部に設けられるダンパプレート８は、筒状部材６の上端面によってその外周部が上下方向について支持されている。連動部材１０は内側固定鉄心９の内部に、軸方向に摺動可能なように支持されている。連動部材１０の先端部はダンパプレート８の内周部に接触している。ダンパプレート８は、その外周部が支持され、内周部が軸方向にたわむことにより、板ばねとして機能する。
ノズル１１は、ノズルハウジング１４の内部に固定される。ノズル１１の上端部には、弁体４のストロークを調整するためのリング１５を設ける。内側固定鉄心９の内部にはスプリングピン１９が固定さる。スプリングピン１９の下端部を固定端として、スプリング２０が圧縮状態で設けられる。スプリング２０のスプリング力は、連動部材１０及びダンパプレート８を介して、弁体４に伝達され、弁体４は弁座３に押し付けられる。この閉弁状態では、燃料通路が閉じられるため、燃料供給口２３から供給された燃料は燃料噴射弁内部に留まり、燃料噴射孔２からの燃料噴射は行われない。
ノズルハウジング１４、可動鉄心５、内側固定鉄心９、プレートハウジング１６、外側固定鉄心１７によって、コイル５０の周りを一巡する磁気回路が構成される。
噴射指令パルスがオンの状態になると、コイル５０に電流が流れ、可動鉄心５は内側固定鉄心９に電磁力によって吸引され、弁体４は、その上端面が内側固定鉄心９の下端面に接触する位置まで移動する。この開弁状態では、弁体４と弁座３の間に隙間ができるため、燃料通路が開かれ、燃料供給口２３から供給された燃料が、旋回素子１２によって旋回力を与えられて、燃料噴射孔２から噴射される。
噴射指令パルスがオフの状態になると、コイル５０に電流が流れなくなり、電磁力が消滅するため、スプリング２０のスプリング力によって弁体４は閉弁状態に戻り、燃料の噴射が終わる。
燃料噴射弁のはたらきは、上記のように、噴射指令パルスに従って、弁体４の位置を開弁状態と閉弁状態に切り替え、燃料供給量を制御することである。さらに、旋回素子１２によって、旋回力を付与された燃料を、燃料噴射孔２から噴射することにより、燃料粒径の小さい、すなわち微粒化特性の良好な燃料噴霧を形成することである。
内燃機関の燃焼を安定化するため、または内燃機関から排出される排気に含まれる有害成分を低減するため、粒径のより小さい、すなわち微粒化特性の良好な燃料噴霧を供給できる燃料噴射弁が必要となっている。
ここで図２〜５により、本発明の燃料噴射弁の一実施形態において、良好な微粒化特性を得るために用いている手段の詳細及び作用、効果について詳述する。
図２Ａ及び図２Ｂは本発明の燃料噴射弁の一実施形態に用いられる旋回素子１２を示し、図２Ａは旋回素子１２の平面図、図２Ｂは、旋回素子１２の断面図である。
旋回素子１２の材料は単結晶シリコンで形成されている。旋回素子１２の中央部には、弁体４のロッド７が挿入されるための貫通孔である中央部流路１０８が形成される。旋回素子１２の下端面には、燃料に旋回力を付与するための複数の凹部である旋回流路１０１が形成される。
凸部１０２に、各々の旋回流路１０１の側壁を形成する。単結晶シリコン製の旋回素子１２に形成される中央部流路１０８及び旋回流路１０１はエッチングによって形成する。
エッチング加工を用いることにより、単結晶シリコン製の旋回素子１２の中央部流路１０８及び、旋回流路１０１の形状を高精度にすることが可能となる。
第一に、隣り合う旋回流路１０１の側壁と中央部流路１０８の側壁とによって囲まれる部分である鋭角形状部１０７の先端を鋭いエッジとしている。いいかえれば、鋭角形状部１０７は、凸部１０２の内径部が中央部流路１０８に接する先端部分である。
切削加工や型を用いる焼結加工によって、旋回流路１０１を形成する場合には、鋭角形状部１０７の先端にある程度の丸みをもたせる必要がある。エッチング加工を用いることにより、鋭角形状部１０７の先端部の角アール（角丸み部）を０〜０．０１ｍｍ程度とすることが可能となる。
鋭角形状部１０７の先端部の角アールが大きい場合には、そこで発生する燃料の渦により、燃料の旋回力を弱めてしまう可能性がある。エッチング加工により、鋭角形状部１０７の先端部の角アールを０〜０．０１ｍｍ程度とすることができれば、燃料渦の発生を抑制することが可能となり、強い燃料旋回力を得て、燃料噴射弁の微粒化特性を向上させることが可能となる。
第二に、旋回流路１０１の側壁を、旋回素子１２の端面に対し略垂直とすることが可能となる。切削加工や型を用いる焼結加工によって、旋回流路１０１を形成する場合には、旋回流路１０１の側壁には、比較的におおきな傾斜や、角アールを設ける必要がある。
エッチング加工により旋回流路１０１の側壁を略垂直とすることにより、旋回流路１０１の幅を深さ方向について均一にすることができる。よって燃料の流速分布も、上記深さ方向について略均一にすることができるため、旋回力のむらが発生しにくく、均一で強い燃料旋回力を得て、燃料噴射弁の微粒化特性を向上させることが可能となる。
尚、図２Ａにおいては、旋回流路１０１が６本の場合を例にとり説明しているが、旋回流路の本数が何本（２本以上）であっても、本発明の効果が損なわれるものではない。例えば旋回流路１０１の本数は４本でもよい。
さらに、図２Ａにおいては、旋回流路１０１の側壁は直線状である場合を例にとり説明しているが、旋回流路の側壁は曲線状であっても、本発明を適用することが可能である。
また、図２においては、旋回流路１０１の側壁は、中央部流路１０８の接線方向である場合を例にとり説明しているが、旋回流路１０１の側壁は必ずしも、中央部流路１０８の接線方向である必要はない。
図３は本発明の燃料噴射弁の一実施形態のうち燃料噴射孔２の近傍を拡大した部分断面図である。
旋回素子保持部材２２を設け、その内径部に旋回素子１２を保持する。旋回素子保持部材２２の材料としてはステンレス鋼が好適であるが、これに限定するものではない。旋回素子保持部材２２の内径は、旋回素子１２の内径よりも僅かに小さくしておく。旋回素子保持部材２２の内径部を、ロッド７の摺動案内として用いるようにする。
これにより、旋回素子１２の内径部を摺動案内として用いる必要がなくなるため、旋回素子１２の材料として単結晶シリコンを選択することが可能となる。
さらに、旋回素子保持部材２２の上面には、単結晶シリコンよりも縦弾性係数の小さい材料からなる弾性部材２１を設ける。弾性部材２１の材料は、ゴム等の合成樹脂や銅を主成分とする合金を用いることが望ましいが、これに限定するものではなく、単結晶シリコンよりも弾性係数の小さい材料であればよい。
このような構成によれば、ステンレス鋼製等からなるのオリフィスプレート１をノズル１１に挿入、固定する工程において発生する軸方向の力を弾性部材２１が変形することによって吸収するため、単結晶シリコン製の旋回素子１２に過大な圧縮応力が作用することを防止することができる。よって、旋回素子１２の材料として単結晶シリコン等の脆性材料を用いることが可能となる。さらに、オリフィスプレート１の旋回素子１２に対向する端面の内側には微小テーパ部１０９を設けることが望ましい。
これによれば、旋回素子１２の内径部の鋭角形状部１０７と、オリフィスプレート１が接触することがなくなる。よって、鋭角形状部１０７に過大な応力がかかることがなくなるため、鋭角形状部１０７の破損を防止することが可能となる。
尚、微小テーパ部１０９のテーパ角は、十分小さくしておく。望ましくは１度から３度程度であるが、これに限定するものではない。
また、微小テーパ部１０９の替わりに、段差状の逃げを設けても、同様の効果が得られることは言うまでもない。さらに、微小テーパ部１０９または段差状の逃げは、オリフィスプレート１側に設けるのではなく、旋回素子１２の下側端面に設けても同様の効果が得られる。
さらに、単結晶シリコン製の旋回素子１２に作用する圧縮応力が問題とならない場合には、弾性部材２１は設けなくてもよい。
尚、図３において、燃料は流れ１０４に示すようになる。ノズル１１の上流から供給される燃料は、旋回素子保持部材２２の貫通孔１０６を通り、旋回素子１２の外周から、旋回流路１０１を通って、燃料噴射孔２へと流れるようにする。
図４は本発明の燃料噴射弁の一実施形態のうちロッド７の一部と旋回素子１２の一部を拡大した部分断面図である。
単結晶シリコン製の旋回素子１２の中央部流路１０８に面する旋回素子１２の内側壁１０３には、旋回素子１２から内径側に突出した部分である凸部１００を設ける。中央部流路１０８の形成方法は、旋回素子１２の上側端面からエッチングにより中央部流路１０８を形成する工程と、旋回素子１２の下側端面からエッチングにより中央部流路１０８を形成する工程とを組み合わせる方法とすることが好ましい。このような単結晶シリコン製の旋回素子１２の形成方法をとることにより、上側端面から加工した孔形状と下側端面から加工した孔形状の継ぎ目として凸部１００を容易に設けることが可能となる。
上記の凸部１００を単結晶シリコン製の旋回素子１２に設けることによる作用・効果を説明する。
燃料噴射弁の微粒化特性を向上するためには、図３で示したとおり、燃料の流れは、旋回素子１２の外周から旋回流路を通って、燃料噴射孔２へと流れるようにすることが必要である。しかしながら、燃料噴射弁を構成するうえで、ロッド７の外周部と旋回素子１２の内径部との間にも、環状隙間１１５を設けざるを得ない。
この環状隙間１１５を通って、燃料噴射孔２へ直接流れる燃料には旋回力が作用しないため、微粒化特性を悪化させる可能性がある。よって、環状隙間１１５を通って流れる燃料の流量は極力小さくする必要がある。
このため、本発明の一実施形態では、環状隙間１１５の途中に、燃料流れを遮るための、凸部１００を設けている。これによれば、環状隙間１１５を燃料が通過するときの流路抵抗が増大するため、環状隙間１１５を流れる燃料流量を小さくすることが可能となり、燃料の微粒化特性を向上させることが可能となる。
さらに、中央部流路１０８を、旋回素子１２の上下両端面から加工することによる別の作用効果について説明する。貫通孔である中央部流路１０８を、たとえば、旋回素子１２の上側端面からのみエッチング加工し、貫通させようとすれば、旋回素子１２の下側端面に形成される中央部流路１０８の近傍において、孔形状の真円度が悪化したり、下側端面の面粗さが劣化したりする可能性がある。上下両端面から中央部流路１０８をエッチング加工する工程を組み合わせれば、上記のような形状劣化を防ぐことが可能となる。
尚、この加工方法及び作用効果は、単結晶シリコンからなる材料に、貫通する燃料流路を設けようとするいかなる場合にも適用することができる。例えば、旋回流路を設けずに、貫通する燃料流路だけを設ける場合にも同様の作用・効果を得ることができる。
図５Ａは、本発明の燃料噴射弁の一実施形態の旋回素子保持部材２２を示す平面図である。図５Ｂは、本発明の燃料噴射弁の一実施形態の旋回素子保持部材２２を示す断面図である。
旋回素子保持部材２２に、貫通孔１０６を設ける。貫通孔１０６を通った燃料は、旋回素子１２の外周部に導かれるように、燃料通路としての凹部１１４を設ける。このとき、貫通孔１０６の、燃料流れに垂直な面についての断面積は、図４で示した環状隙間１１５の断面積よりも十分に大きくしておく。さらに、凹部１１４の、燃料流れに垂直な面についての断面積は、図４で示した環状隙間１１５の断面積よりも十分に大きくしておく。
このような構成により、大部分の燃料は、旋回素子１２の旋回流路１０１を通ることになるため、燃料旋回力を強化することが可能となり、微粒化特性を向上させることができる。
図６は本発明の燃料噴射弁の他の実施形態のうちロッド７と旋回素子１２を拡大した部分断面図である。
旋回素子１２の中央部燃料流路の下流側の直径は、上流側の直径よりも小さくする。このような構成によっても、環状隙間１１５を燃料が通過するときの流路抵抗が増大するため、環状隙間１１５を流れる燃料流量を小さくすることが可能となり、燃料の微粒化特性を向上させることが可能となる。
また下流側の直径を小さくすることの作用効果は、燃料噴射孔２に近い部分に、滞留する燃料体積を小さくすることである。これにより、滞留した燃料が、旋回力を付与されずに燃料噴射孔２から噴射されることがなくなり、微粒化特性を向上させることが可能となる。
図７は本発明の燃料噴射弁の他の実施形態に用いられる旋回素子１２の断面図である。
旋回素子１２は、燃料に直接接触する部材である。旋回素子１２を単結晶シリコンで形成する場合には、微量のシリコンが燃料中に溶け出す可能性がある。内燃機関に設けられる機構部品や電子部品、センサー類、触媒等の補機類は、微量のシリコンにより、その性能が劣化する可能性がある。そこで、旋回素子１２の母材である単結晶シリコンと、燃料とが直接接触することがないように、旋回素子１２の外周部には、燃料に溶けることのないシリコンの酸化膜からなる表面層１１０を設ける。これにより、微量のシリコンが燃料中に溶け出すことを防止できるため、補機類への悪影響を懸念することなく、旋回素子１２を単結晶シリコンで形成することができるようになる。
尚、表面層１１０は、シリコンの酸化膜とすることが望ましい。シリコンの酸化膜は化学的に安定であり、燃料に溶け出すことはないからである。
尚、旋回素子１２に表面層１１０を設け、旋回素子１２の材料成分が燃料中に溶け出さないようにする方法は、旋回素子１２を単結晶シリコン以外の材料で形成する場合にも用いることができる。
図８は本発明の燃料噴射弁の他の実施形態に用いられる旋回素子１２の断面図である。
旋回素子１２の内径部に、旋回素子１２の材料とは異なる材料からなるリング状の摺動部材１１１を設ける。摺動部材１１１の材料はステンレス鋼が好適であるが、これに限定するものではない。
このような摺動部材１１１を有する旋回素子１２の構成によれば、燃料噴射弁に旋回素子保持部材２２を用いることなく、ロッド７の摺動案内をすることが可能となり、燃料噴射弁の部品構成を簡単にすることができる。
図９Ａは、本発明の燃料噴射弁の他の実施形態に用いられる旋回素子１２の平面図である。図９Ｂは、本発明の燃料噴射弁の他の実施形態に用いられる旋回素子１２の断面図である。図９Ｃは、本発明の燃料噴射弁の他の実施形態に用いられる旋回素子１２の裏面図である。
旋回素子１２の上側の端面に、燃料流路１１２を設けている。燃料流路１１２は、エッチング加工によって形成することが好適であるが、これに限定するものではない。
このような構成によれば、旋回素子保持部材２２を用いることなく、燃料流路１１２を介して、燃料を旋回素子１２の外周部に導くことが可能となるため、部品構成を簡単にすることができる。
図１０Ａは、本発明の燃料噴射弁の他の実施形態に用いられるノズル１１の平面図である。図１０Ｂは、本発明の燃料噴射弁の他の実施形態に用いられるノズル１１の断面図である。
ノズル１１の下端部付近に、放射状燃料流路１１３を設ける。
このような構成によっても、旋回素子保持部材２２を用いることなく、燃料流路１１３を介して、燃料を旋回素子１２の外周部に導くことが可能となるため、部品構成を簡単にすることができる。
尚、図１〜図１０を用いて説明した本発明の実施形態は、単結晶シリコン以外の材料からなる旋回素子を備えた燃料噴射弁に適用してもよい。
さらに、図１では、弁体を電磁吸引力によって駆動する方式の燃料噴射弁を例にとって説明したが、図１〜図１０を用いて説明した本発明の実施形態は、いかなる駆動方式の燃料噴射弁に適用してもよい。例えば、ピエゾ素子や超磁歪素子を用いて弁体を駆動する場合や、燃料圧力を利用して弁体を駆動する場合にも本発明を適用することが可能である。
さらに、板状部材に貫通する旋回流路および貫通する中央部流路を設けて、この板状部材の上下に積層される板状部材を設けて、旋回素子を形成する場合がある。この場合にも、図１〜図１０を用いて説明した本発明を適用することが可能である。
本発明のスワラ（旋回素子）構造に関する他の一実施例を図１１Ａ，１１Ｂおよびその加工方法を図１２に示す。なお、図１１Ａは、スワラ（旋回素子）構造の平面図、図１１Ｂは図１１ＡのＡ−Ｂ破線部の断面図を示す。
スワラチップ（旋回素子チップ）の構造は中央部に貫通孔１１０８が形成されており、平面部１１０６と突起部が円周上において任意の角度をもって等分割に形成されている。突起部の先端部は、貫通孔１１０８の接線と交わるように細長く形成されている。一方、外周部の形状はアール部１１０３と直線部１１０５から形成されている。
スワラは、他の構造体に組み込むことから、貫通孔の内径寸法および外周部アール部間の外径寸法に高精度が要求される。
本発明の高精度スワラ加工方法に関する一実施例を次に示す。
図１２はシリコン材料とマイクロマシニング技術を用いてスワラを加工するプロセスを示す。はじめに、図１２の（ａ）に示すように厚さ１０００μｍ（１００）方位の熱酸化膜１１０１が形成されたシリコンウエハ１１００を準備する。次にホトリソプロセスを用いて、シリコンウエハ１１００の表面に形成された熱酸化膜１１０１上にレジスト塗布・パターン露光・現像・熱酸化膜のエッチングを片面から行い、図１２の（ｂ）に示すように突起部のマスクパターン１１０７ａを形成する。
次に、パターンが形成された面にスパッタリング装置により厚さ０．３μｍのアルミニウム薄膜を形成する。薄膜形成方法としては蒸着装置や電子ビーム蒸着装置などを用いても良い。その後、図１２の（ｃ）に示すように、ホトリソプロセスを用いてシリコンウエハ１１００の表面に形成されたアウミニウム薄膜１１０２上にレジスト塗布・パターン露光・現像・アルミニウム薄膜のエッチングを片面から行い、外周部のアール部１１０３と直線部１１０５および貫通孔１１０８のマスクパターン１１０４を形成する。このように異なるパターンを重ねて形成する多層マスクは、異なる深さの孔を時間差で一括してエッチング加工を行うために用いた。
この方式を適用しない加工法では、はじめに外周部および貫通孔の段差部をエッチングで加工し、その後、突起部パターンをパターニングする必要がある。しかし、個々にエッチングを行うと、最初のエッチングで高段差部が存在するために、次のホトリソ工程で高段差部へのレジスト形成が困難となる問題が生じる。
そのため、本発明のスワラ加工には、多層マスク法を適用することが有効となる。また、多層マスクの形成では第一のマスクと第二のマスクで位置ずれが考えられる。そのため、位置ずれの発生を考慮して、第一のマスクに対して第二のマスクは５μｍくらい小さく形成し、位置ずれに対するパターン誤差を吸収している。
図１２の（ｄ）に示すようにアルミニウム薄膜をマスクとしてシリコンのドライエッチング加工を任意の深さ、例えば２００μｍまで行う。この加工によって、貫通孔１１０８および外周部のアール部１１０３と直線部１１０５は深さ２００μｍまで加工される。その後、アルミニウム薄膜マスクを除去した後、図１２の（ｅ）に示すように熱酸化膜をマスクとしてシリコンのドライエッチング加工を任意の深さ、例えば３２０μｍまで行う。
この加工によって、貫通孔１１０８および外周部のアール部１１０３と直線部１１０５は深さ５２０μｍまで、平面部１１０６は深さ３２０μｍまで加工される。また、この加工によって図１１Ｂに示した突起部１１０７の先端部まで高精度に加工することができる。
前記、ドライエッチング加工装置には誘導結合型のプラズマエッチング「ＩＣＰ−ＲＩＥ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ−ＲＩＥ」装置を用いることによりアスペクト比２０程度の垂直な壁を有するエッチング加工を行える。
ドライエッチング加工では加工条件によってエッチング加工面、特に加工底面にマイクログラスのような微小な針が形成される場合が存在する。そのため、図１２の（ｅ）のエッチング加工が終了した後、熱酸化膜をマスク材として、常温の水酸化カリウム水溶液に数分間、浸漬することでマイクログラスを除去することができる。
その他にマイクログラスを除去する方法として、水酸化カリウム水溶液だけではなく、その他のウエットエッチング液、例えば、エチレンジアミンピロカテコール、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド、ヒドラジンを用いることができる。また、微小なガラスビーズを吹き付けて除去する方法、回転ブラシなどを押し付けて除去する方法を用いても良い。
次に、熱酸化膜を除去した後、熱酸化膜１１０１およびアルミニウム薄膜１１０２をシリコンウエハ１１００の両側全面に形成する。その後、図１２の（ｆ）に示すようにホトリソプロセスを用いて、裏面側に貫通孔１１０８および外周部のアール部１１０３と直線部１１０５のパターン形成を行う。シリコンのドライエッチング加工を行うことで、貫通孔１１０８および外形が形成される。次にアルミニウム薄膜、熱酸化膜の順にマスクを除去した後、ダイシング加工を行うことでスワラ形状ができる。最後にスワラ全面に熱酸化膜を形成し、完成する（図１２の（ｇ））。
前記の加工プロセスでは貫通孔１１０８および外周部の加工を両側からドライエッチング加工を用いて行った。これは片面からの加工では、エッチング深さが深くなるにつれて、壁面のサイドエッチング量が大きくなり、例えば貫通孔１１０８の寸法が精度内に入らない可能性がある。
なお、今回は１０００μｍ厚さのシリコンウエハを用いたが、それより薄いシリコンウエハ、例えば５００μｍ厚さを用いた場合には図１２の（ｅ）のプロセスまで行い、ダイシング後、全面に熱酸化膜を形成するプロセスを用いることができる。
さらにスワラ構造で特に重要な部分は、図１１Ｂに示した突起部１１０７の先端部形状であることから、突起部１１０７の形成をシリコンのドライエッチングを用いて加工し、貫通孔１１０８および外周部のアール部１１０３と直線部１１０５の加工を他の加工法、例えば、マイクロブラスト加工、超音波加工、ダイヤモンドドリルなどを組み合わせて加工を行うことにより、低コストのスワラ構造を提供することもできる。
本発明の旋回素子（スワラ構造）に用いる材料はシリコンに限らず、アルミナやジルコニアなどのセラミックス、切削性や研削性に優れたセラミックス、あるいはガラス等の脆性材料を用いることができる。
本発明によれば、旋回素子を単結晶シリコン等の脆性材料で形成できるようになるため、旋回力の強い旋回流路が形成できるようになる。また、旋回素子内径部を通過する燃料流量を低減できるため、燃料に強い旋回力を付与できるようになる。よって、微粒化特性の良好な燃料噴射弁を得ることができるようになる。An embodiment of the fuel injection valve of the present invention will be described with reference to FIGS.
First, the configuration and basic operation of an embodiment of the fuel injection valve of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of a fuel injection valve of the present invention. A swivel element holding member 22 is provided at the lower end of the nozzle 11 via an elastic member 21. A turning element 12 made of single crystal silicon for applying a turning force to the fuel is provided inside the turning element holding member 22. A stainless steel orifice plate 1 is inserted into the lower end of the nozzle 11 and fixed by a method such as welding. The orifice plate 1 is provided with a fuel injection hole 2 and a valve seat 3.
The valve body 4 is slidably guided by a hole provided in the center portion of the guide plate 13 and an inner diameter portion of the turning element holding member 22.
The valve body 4 is configured by coupling a movable iron core 5, a cylindrical member 6, and a rod 7 by a method such as welding. The damper plate 8 provided inside the movable iron core 5 has an outer peripheral portion supported in the vertical direction by the upper end surface of the cylindrical member 6. The interlocking member 10 is supported inside the inner fixed iron core 9 so as to be slidable in the axial direction. The distal end portion of the interlocking member 10 is in contact with the inner peripheral portion of the damper plate 8. The damper plate 8 functions as a leaf spring by supporting the outer peripheral portion thereof and bending the inner peripheral portion in the axial direction.
The nozzle 11 is fixed inside the nozzle housing 14. A ring 15 for adjusting the stroke of the valve body 4 is provided at the upper end of the nozzle 11. A spring pin 19 is fixed inside the inner fixed iron core 9. The spring 20 is provided in a compressed state with the lower end of the spring pin 19 as a fixed end. The spring force of the spring 20 is transmitted to the valve body 4 via the interlocking member 10 and the damper plate 8, and the valve body 4 is pressed against the valve seat 3. In this valve-closed state, the fuel passage is closed, so that the fuel supplied from the fuel supply port 23 remains inside the fuel injection valve, and fuel injection from the fuel injection hole 2 is not performed.
The nozzle housing 14, the movable iron core 5, the inner fixed iron core 9, the plate housing 16, and the outer fixed iron core 17 constitute a magnetic circuit that goes around the coil 50.
When the injection command pulse is turned on, a current flows through the coil 50, the movable iron core 5 is attracted to the inner fixed iron core 9 by electromagnetic force, and the upper end surface of the valve body 4 contacts the lower end surface of the inner fixed iron core 9. Move to the position you want. In this valve open state, a gap is formed between the valve body 4 and the valve seat 3, so that the fuel passage is opened and the fuel supplied from the fuel supply port 23 is given a turning force by the turning element 12, and the fuel is supplied. It is injected from the injection hole 2.
When the injection command pulse is turned off, no current flows through the coil 50 and the electromagnetic force disappears, so that the valve body 4 returns to the closed state by the spring force of the spring 20 and the fuel injection ends.
The function of the fuel injection valve is to control the fuel supply amount by switching the position of the valve body 4 between the valve open state and the valve closed state in accordance with the injection command pulse as described above. Further, by injecting the fuel to which the turning force is given by the turning element 12 from the fuel injection hole 2, a fuel spray having a small fuel particle size, that is, good atomization characteristics is formed.
In order to stabilize combustion of an internal combustion engine or to reduce harmful components contained in exhaust discharged from the internal combustion engine, a fuel injection valve capable of supplying a fuel spray having a smaller particle size, that is, good atomization characteristics It is necessary.
Here, with reference to FIGS. 2 to 5, details, actions, and effects of means used to obtain good atomization characteristics in one embodiment of the fuel injection valve of the present invention will be described in detail.
2A and 2B show a turning element 12 used in an embodiment of the fuel injection valve of the present invention, FIG. 2A is a plan view of the turning element 12, and FIG. 2B is a cross-sectional view of the turning element 12.
The material of the turning element 12 is formed of single crystal silicon. At the center of the swivel element 12, a center channel 108, which is a through hole into which the rod 7 of the valve body 4 is inserted, is formed. On the lower end surface of the swirl element 12, a swirl passage 101, which is a plurality of recesses for imparting swirl force to the fuel, is formed.
A side wall of each swirl channel 101 is formed on the convex portion 102. The central channel 108 and the swirl channel 101 formed in the swivel element 12 made of single crystal silicon are formed by etching.
By using the etching process, the shape of the central channel 108 and the swirl channel 101 of the swivel element 12 made of single crystal silicon can be made highly accurate.
First, the tip of the acute-angle shaped portion 107 that is a portion surrounded by the side wall of the adjacent swirl flow path 101 and the side wall of the central flow path 108 is a sharp edge. In other words, the acute-angle shaped portion 107 is a tip portion where the inner diameter portion of the convex portion 102 is in contact with the central channel 108.
When the swirl passage 101 is formed by cutting or sintering using a die, it is necessary to give a certain degree of roundness to the tip of the acute-angled portion 107. By using the etching process, it is possible to make the corner radius (corner rounded portion) of the tip portion of the acute-angle shaped portion 107 about 0 to 0.01 mm.
When the angle R at the tip of the acute-angled portion 107 is large, there is a possibility that the swirl force of the fuel is weakened due to the fuel vortex generated there. If the angle R of the tip of the acute-angle shaped portion 107 can be set to about 0 to 0.01 mm by etching, it is possible to suppress the generation of fuel vortex, obtain a strong fuel turning force, and the fuel injection valve It is possible to improve the atomization characteristics of the.
Secondly, the side wall of the swirling channel 101 can be made substantially perpendicular to the end face of the swirling element 12. When the swirl flow path 101 is formed by cutting or sintering using a mold, it is necessary to provide a relatively large inclination or corner radius on the side wall of the swirl flow path 101.
By making the side wall of the swirl channel 101 substantially vertical by etching, the width of the swirl channel 101 can be made uniform in the depth direction. Therefore, since the fuel flow velocity distribution can be made substantially uniform in the depth direction, unevenness of the turning force hardly occurs, and a uniform and strong fuel turning force can be obtained to improve the atomization characteristics of the fuel injection valve. Is possible.
In FIG. 2A, the case where the number of the swirling channels 101 is six is described as an example, but the effect of the present invention is impaired regardless of the number of swirling channels (two or more). It is not a thing. For example, the number of swirl flow paths 101 may be four.
Furthermore, in FIG. 2A, the case where the side wall of the swirl channel 101 is linear is described as an example, but the present invention can be applied even if the side wall of the swirl channel is curved. is there.
Further, in FIG. 2, the case where the side wall of the swirl channel 101 is tangential to the central channel 108 is described as an example, but the side wall of the swirl channel 101 is not necessarily the center channel 108. It need not be tangential.
FIG. 3 is an enlarged partial sectional view of the vicinity of the fuel injection hole 2 in one embodiment of the fuel injection valve of the present invention.
A turning element holding member 22 is provided, and the turning element 12 is held on the inner diameter portion thereof. Stainless steel is suitable as the material of the swivel element holding member 22, but is not limited thereto. The inner diameter of the turning element holding member 22 is set slightly smaller than the inner diameter of the turning element 12. The inner diameter portion of the turning element holding member 22 is used as a sliding guide for the rod 7.
As a result, it is not necessary to use the inner diameter portion of the turning element 12 as a sliding guide, so that single crystal silicon can be selected as the material of the turning element 12.
Further, an elastic member 21 made of a material having a smaller longitudinal elastic modulus than that of single crystal silicon is provided on the upper surface of the turning element holding member 22. The material of the elastic member 21 is desirably a synthetic resin such as rubber or an alloy mainly composed of copper, but is not limited to this, and any material having a smaller elastic modulus than that of single crystal silicon may be used.
According to such a configuration, since the elastic member 21 absorbs the axial force generated in the process of inserting and fixing the orifice plate 1 made of stainless steel or the like into the nozzle 11, the single crystal silicon It is possible to prevent an excessive compressive stress from acting on the swivel element 12 made of metal. Therefore, a brittle material such as single crystal silicon can be used as the material of the turning element 12. Furthermore, it is desirable to provide a minute taper portion 109 inside the end face of the orifice plate 1 facing the swivel element 12.
According to this, the acute angle shape portion 107 of the inner diameter portion of the turning element 12 and the orifice plate 1 are not in contact with each other. Accordingly, since no excessive stress is applied to the acute angle portion 107, the acute angle shape portion 107 can be prevented from being damaged.
Note that the taper angle of the minute taper portion 109 is sufficiently small. Preferably, it is about 1 to 3 degrees, but is not limited to this.
It goes without saying that the same effect can be obtained by providing a stepped relief instead of the minute taper portion 109. Further, the same effect can be obtained if the minute taper portion 109 or the stepped relief is not provided on the orifice plate 1 side but on the lower end surface of the turning element 12.
Further, when the compressive stress acting on the turning element 12 made of single crystal silicon is not a problem, the elastic member 21 may not be provided.
In FIG. 3, the fuel is as indicated by a flow 104. The fuel supplied from the upstream side of the nozzle 11 passes through the through hole 106 of the turning element holding member 22 and flows from the outer periphery of the turning element 12 to the fuel injection hole 2 through the turning flow path 101.
FIG. 4 is an enlarged partial cross-sectional view of a part of the rod 7 and a part of the turning element 12 in one embodiment of the fuel injection valve of the present invention.
On the inner wall 103 of the swivel element 12 facing the central flow path 108 of the swivel element 12 made of single crystal silicon, a convex portion 100 that is a portion protruding from the swivel element 12 toward the inner diameter side is provided. The method of forming the central channel 108 includes a step of forming the central channel 108 by etching from the upper end surface of the turning element 12, and a step of forming the central channel 108 by etching from the lower end surface of the turning element 12. It is preferable to adopt a method of combining the above. By adopting such a method of forming the turning element 12 made of single crystal silicon, the convex portion 100 can be easily provided as a joint between the hole shape processed from the upper end surface and the hole shape processed from the lower end surface. .
The operation and effect of providing the convex part 100 on the turning element 12 made of single crystal silicon will be described.
In order to improve the atomization characteristics of the fuel injection valve, as shown in FIG. 3, the flow of the fuel should flow from the outer periphery of the turning element 12 to the fuel injection hole 2 through the turning flow path. is required. However, in configuring the fuel injection valve, an annular gap 115 must be provided between the outer peripheral portion of the rod 7 and the inner diameter portion of the turning element 12.
Since the turning force does not act on the fuel that flows directly to the fuel injection hole 2 through the annular gap 115, the atomization characteristic may be deteriorated. Therefore, it is necessary to reduce the flow rate of the fuel flowing through the annular gap 115 as much as possible.
For this reason, in one embodiment of the present invention, a convex portion 100 for blocking the fuel flow is provided in the middle of the annular gap 115. According to this, since the flow resistance when the fuel passes through the annular gap 115 increases, the flow rate of the fuel flowing through the annular gap 115 can be reduced, and the fuel atomization characteristics can be improved. Become.
Furthermore, another effect by processing the center part flow path 108 from the upper and lower end surfaces of the turning element 12 will be described. For example, if the central channel 108 that is a through hole is etched only from the upper end surface of the swivel element 12 and penetrates, the vicinity of the central channel 108 formed on the lower end surface of the swivel element 12 In this case, the roundness of the hole shape may be deteriorated, or the surface roughness of the lower end face may be deteriorated. If the process of etching the central channel 108 from the upper and lower end faces is combined, it is possible to prevent the shape deterioration as described above.
It should be noted that this processing method and operation effect can be applied to any case where a fuel flow path penetrating a material made of single crystal silicon is to be provided. For example, the same operation and effect can be obtained when only the fuel flow path is provided without providing the swirl flow path.
FIG. 5A is a plan view showing a turning element holding member 22 of one embodiment of the fuel injection valve of the present invention. FIG. 5B is a cross-sectional view showing a turning element holding member 22 of one embodiment of the fuel injection valve of the present invention.
A through hole 106 is provided in the turning element holding member 22. A recess 114 serving as a fuel passage is provided so that the fuel that has passed through the through hole 106 is guided to the outer peripheral portion of the turning element 12. At this time, the cross-sectional area of the through hole 106 in the plane perpendicular to the fuel flow is made sufficiently larger than the cross-sectional area of the annular gap 115 shown in FIG. Further, the cross-sectional area of the recess 114 in the plane perpendicular to the fuel flow is made sufficiently larger than the cross-sectional area of the annular gap 115 shown in FIG.
With such a configuration, most of the fuel passes through the swirl flow path 101 of the swirl element 12, so that the fuel swirl force can be enhanced and the atomization characteristics can be improved.
FIG. 6 is an enlarged partial cross-sectional view of the rod 7 and the turning element 12 in another embodiment of the fuel injection valve of the present invention.
The downstream diameter of the center part fuel flow path of the turning element 12 is made smaller than the upstream diameter. Even with such a configuration, the flow resistance when the fuel passes through the annular gap 115 increases, so that the flow rate of the fuel flowing through the annular gap 115 can be reduced, and the fuel atomization characteristics can be improved. It becomes possible.
The effect of reducing the diameter on the downstream side is to reduce the volume of fuel remaining in the portion close to the fuel injection hole 2. Thereby, the staying fuel is not injected from the fuel injection hole 2 without applying the turning force, and the atomization characteristics can be improved.
FIG. 7 is a sectional view of a turning element 12 used in another embodiment of the fuel injection valve of the present invention.
The swivel element 12 is a member that directly contacts the fuel. When the swivel element 12 is formed of single crystal silicon, a small amount of silicon may be dissolved into the fuel. Auxiliary equipment such as mechanical parts, electronic parts, sensors, and catalysts provided in the internal combustion engine may deteriorate in performance due to a small amount of silicon. Therefore, a surface layer made of an oxide film of silicon that does not dissolve in the fuel is formed on the outer peripheral portion of the turning element 12 so that the single crystal silicon that is the base material of the turning element 12 and the fuel do not come into direct contact. 110 is provided. Thereby, since a trace amount of silicon can be prevented from being dissolved into the fuel, the turning element 12 can be formed of single crystal silicon without worrying about adverse effects on the auxiliary machinery.
The surface layer 110 is preferably a silicon oxide film. This is because the silicon oxide film is chemically stable and does not dissolve into the fuel.
The method of providing the surface layer 110 on the swivel element 12 and preventing the material component of the swivel element 12 from being dissolved into the fuel is also used when the swivel element 12 is formed of a material other than single crystal silicon. it can.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a turning element 12 used in another embodiment of the fuel injection valve of the present invention.
A ring-shaped sliding member 111 made of a material different from the material of the turning element 12 is provided on the inner diameter portion of the turning element 12. The material of the sliding member 111 is preferably stainless steel, but is not limited thereto.
According to the configuration of the swivel element 12 having such a sliding member 111, it becomes possible to guide the rod 7 to slide without using the swivel element holding member 22 for the fuel injection valve. The configuration can be simplified.
FIG. 9A is a plan view of a turning element 12 used in another embodiment of the fuel injection valve of the present invention. FIG. 9B is a cross-sectional view of a turning element 12 used in another embodiment of the fuel injection valve of the present invention. FIG. 9C is a back view of the turning element 12 used in another embodiment of the fuel injection valve of the present invention.
A fuel flow path 112 is provided on the upper end face of the turning element 12. The fuel channel 112 is preferably formed by etching, but is not limited thereto.
According to such a configuration, the fuel can be guided to the outer peripheral portion of the swirl element 12 through the fuel flow path 112 without using the swirl element holding member 22, thereby simplifying the component structure. Can do.
FIG. 10A is a plan view of a nozzle 11 used in another embodiment of the fuel injection valve of the present invention. FIG. 10B is a cross-sectional view of a nozzle 11 used in another embodiment of the fuel injection valve of the present invention.
A radial fuel flow path 113 is provided near the lower end of the nozzle 11.
Even with such a configuration, the fuel can be guided to the outer peripheral portion of the swirl element 12 through the fuel flow path 113 without using the swirl element holding member 22, so that the component structure can be simplified. it can.
Note that the embodiment of the present invention described with reference to FIGS. 1 to 10 may be applied to a fuel injection valve including a turning element made of a material other than single crystal silicon.
Furthermore, in FIG. 1, the fuel injection valve of the system that drives the valve body by electromagnetic attraction force has been described as an example. However, the embodiment of the present invention described with reference to FIGS. It may be applied to a valve. For example, the present invention can be applied to a case where the valve body is driven using a piezo element or a giant magnetostrictive element, or a case where the valve body is driven using fuel pressure.
Furthermore, a turning channel may be formed by providing a swirl passage that penetrates the plate-like member and a central passage that penetrates the plate-like member, and by providing plate-like members that are stacked above and below the plate-like member. Also in this case, the present invention described with reference to FIGS. 1 to 10 can be applied.
11A and 11B and a processing method thereof are shown in FIG. 12 as another embodiment relating to the swirler (swivel element) structure of the present invention. 11A is a plan view of a swirler (swivel element) structure, and FIG. 11B is a cross-sectional view taken along a broken line AB in FIG. 11A.
The structure of the swirler tip (swivel element tip) is formed with a through-hole 1108 at the center, and the flat portion 1106 and the projection are equally divided at an arbitrary angle on the circumference. The tip of the protrusion is elongated so as to intersect the tangent of the through hole 1108. On the other hand, the outer peripheral portion is formed of a rounded portion 1103 and a straight portion 1105.
Since the swirler is incorporated in another structure, high accuracy is required for the inner diameter dimension of the through hole and the outer diameter dimension between the outer peripheral radius portions.
An embodiment relating to the high-precision swirler processing method of the present invention will be described below.
FIG. 12 shows a process of processing a swirler using silicon material and micromachining technology. First, as shown in FIG. 12A, a silicon wafer 1100 on which a thermal oxide film 1101 having a thickness of 1000 μm (100) is formed is prepared. Next, using a photolithography process, resist coating, pattern exposure, development, and etching of the thermal oxide film are performed on one surface of the thermal oxide film 1101 formed on the surface of the silicon wafer 1100, as shown in FIG. Thus, the mask pattern 1107a of the protrusion is formed.
Next, an aluminum thin film having a thickness of 0.3 μm is formed on the surface on which the pattern is formed by a sputtering apparatus. As a thin film forming method, a vapor deposition apparatus or an electron beam vapor deposition apparatus may be used. Thereafter, as shown in FIG. 12C, resist coating, pattern exposure, development, and etching of the aluminum thin film are performed from one side on the aluminium thin film 1102 formed on the surface of the silicon wafer 1100 using a photolithography process. A mask pattern 1104 of the rounded portion 1103, the straight portion 1105, and the through hole 1108 on the outer peripheral portion is formed. The multilayer mask formed by overlapping different patterns in this way was used for performing etching processing of holes having different depths collectively with a time difference.
In a processing method to which this method is not applied, it is necessary to first process the outer peripheral portion and the step portion of the through hole by etching, and then pattern the protrusion pattern. However, when etching is performed individually, a high step portion is present in the first etching, so that it becomes difficult to form a resist on the high step portion in the next photolithography process.
Therefore, it is effective to apply the multilayer mask method to the swirler processing of the present invention. Further, in the formation of the multi-layer mask, a positional shift can be considered between the first mask and the second mask. Therefore, in consideration of the occurrence of misalignment, the second mask is formed smaller than the first mask by about 5 μm to absorb the pattern error due to misalignment.
As shown in FIG. 12D, dry etching of silicon is performed to an arbitrary depth, for example, 200 μm, using an aluminum thin film as a mask. By this processing, the through hole 1108 and the rounded portion 1103 and the straight portion 1105 of the outer peripheral portion are processed to a depth of 200 μm. Thereafter, after the aluminum thin film mask is removed, as shown in FIG. 12E, dry etching of silicon is performed to an arbitrary depth, for example, 320 μm using the thermal oxide film as a mask.
By this processing, the through hole 1108 and the rounded portion 1103 and the straight portion 1105 of the outer peripheral portion are processed to a depth of 520 μm, and the flat portion 1106 is processed to a depth of 320 μm. Further, by this processing, the tip of the protrusion 1107 shown in FIG. 11B can be processed with high accuracy.
By using an inductively coupled plasma etching “ICP-RIE (Inductively Coupled Plasma-RIE)” apparatus as the dry etching processing apparatus, an etching process having a vertical wall with an aspect ratio of about 20 can be performed.
In the dry etching process, there are cases where fine needles such as microglass are formed on the etched surface, particularly the processed bottom surface, depending on the processing conditions. For this reason, after the etching process of FIG. 12E is completed, the microglass can be removed by immersing in an aqueous potassium hydroxide solution for several minutes using the thermal oxide film as a mask material.
In addition to the aqueous potassium hydroxide solution, other wet etching solutions such as ethylenediamine pyrocatechol, tetramethylammonium hydroxide, and hydrazine can be used as a method for removing the microglass. Alternatively, a method of removing fine glass beads by spraying or a method of removing by pressing a rotating brush or the like may be used.
Next, after removing the thermal oxide film, a thermal oxide film 1101 and an aluminum thin film 1102 are formed on the entire surface of both sides of the silicon wafer 1100. After that, as shown in FIG. 12 (f), a pattern of the through hole 1108 and the rounded portion 1103 and the linear portion 1105 on the outer peripheral portion is formed on the back surface side using a photolithography process. By performing dry etching of silicon, the through hole 1108 and the outer shape are formed. Next, after removing the mask in the order of the aluminum thin film and the thermal oxide film, a dicing process is performed to form a swirler shape. Finally, a thermal oxide film is formed on the entire surface of the swirler to complete (FIG. 12 (g)).
In the above-described processing process, the through hole 1108 and the outer peripheral portion were processed using dry etching from both sides. In the processing from one side, the side etching amount of the wall surface increases as the etching depth increases, and for example, the dimension of the through hole 1108 may not be within the accuracy.
Although a silicon wafer having a thickness of 1000 μm was used this time, when a silicon wafer thinner than that, for example, a thickness of 500 μm is used, the process up to FIG. The process of forming can be used.
Furthermore, since a particularly important part of the swirler structure is the shape of the tip of the protrusion 1107 shown in FIG. 11B, the formation of the protrusion 1107 is processed using dry etching of silicon, and the through hole 1108 and the outer peripheral portion are formed. A low-cost swirler structure can be provided by processing the round portion 1103 and the straight portion 1105 by combining other processing methods such as microblasting, ultrasonic processing, diamond drilling, and the like.
The material used for the turning element (swirler structure) of the present invention is not limited to silicon, and ceramics such as alumina and zirconia, ceramics excellent in machinability and grindability, and brittle materials such as glass can be used.
According to the present invention, since the swivel element can be formed of a brittle material such as single crystal silicon, a swirl flow path with a strong swirl force can be formed. Further, since the flow rate of the fuel passing through the inner diameter portion of the turning element can be reduced, a strong turning force can be applied to the fuel. Therefore, a fuel injection valve with good atomization characteristics can be obtained.

本発明は内燃機関用の燃料噴射弁に利用できる。特に燃料噴射弁において、単結晶シリコンからなる旋回素子を旋回素子保持部に保持し、弾性部材を介して、ノズルとオリフィスプレートの間に固定する。旋回素子の中央部流路には、凸部を設け、旋回素子の外径と、旋回素子の内径との間の環状隙間を狭くする。上記環状隙間を流れる燃料流量を抑制し、燃料に強い旋回力を付与する。 The present invention can be used for a fuel injection valve for an internal combustion engine. In particular, in a fuel injection valve, a turning element made of single crystal silicon is held by a turning element holding portion, and is fixed between a nozzle and an orifice plate via an elastic member. A convex portion is provided in the central flow path of the turning element to narrow an annular gap between the outer diameter of the turning element and the inner diameter of the turning element. The fuel flow rate flowing through the annular gap is suppressed, and a strong turning force is applied to the fuel.

Claims

A swiveling element that imparts a swirling force to the supplied fuel, the constituent base material of which is single crystal silicon, the swiveling element having a convex portion that increases flow resistance on the side wall of the central flow path. In a method of manufacturing a fuel injection valve for an internal combustion engine,
The convex portion is formed by a combination of a step of etching from one side of the constituent base material of the single crystal silicon and a step of etching from the other side of the constituent base material of the single crystal silicon. A method for manufacturing a fuel injection valve.

In the manufacturing method of the fuel injection valve according to claim 1,
The method for manufacturing a fuel injection valve, wherein the convex portion is formed as a seam when the constituent base material is etched from both sides.