JP4492696B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、内燃機関等に燃料を噴射供給する燃料噴射弁に関する。

従来から、例えば内燃機関等に燃料を噴射供給する燃料噴射弁が知られている。
このような燃料噴射弁としては、燃料を噴射する噴孔を備えた筒状の弁体と、該弁体の内側において着座及び離座することにより噴孔を開閉する弁部材とを有するものがある。
上記燃料噴射弁は、筒状の弁体と弁部材との間に燃料通路が形成されており、弁部材の着座及び離座により噴孔を開閉し、燃料通路内の燃料を噴孔から噴射するものである。

ところで、上記燃料噴射弁は、微細な噴孔から燃料を噴射する。そのため、噴孔の周辺（特に燃料出口側）には、噴射された燃料が残留しやすい。燃料残留物は、高温の燃焼ガスに晒されたり、内燃機関停止後の放置などにより固化したりして、噴孔の周辺にデポジットとして堆積する。噴孔の周辺にデポジットが堆積すると、燃料の噴射方向や噴霧形状が変化し、所望の燃料噴射性能を確保することが困難となる。

そこで、特許文献１では、上記の問題を解決すべく、噴孔を有する弁座（弁体）に撥水性を有するＦＡＳ（フルオロアルキルシラン）等の層を設けた燃料噴射弁が開示されている。これにより、噴孔近傍の表面にデポジットが付着することを抑制し、あるいは付着したデポジットが剥離し易くなる。

特開２００１−９０６３８号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された燃料噴射弁では、次のような問題が生じる。すなわち、噴孔の下流側は、燃焼ガス等の影響により高温となる。そのため、ＦＡＳが熱分解して燃料中のＰ、Ｚｎ、Ｓｉ、カルボン酸塩等と反応し、低融点非晶質ガラスを生成する。これにより、ＦＡＳが熱分解した部分は撥水性が失われる。また、ＦＡＳの熱分解により生成した低融点非晶質ガラスは、未燃炭素（Ｃ）等を含む燃料残留物と共にデポジットを形成し、噴孔の周辺に固着してしまう。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、噴孔におけるデポジットの堆積を抑制することができる燃料噴射弁を提供しようとするものである。

本発明は、燃料を噴射する噴孔を備えた筒状の弁体と、該弁体の内側において着座及び離座することにより上記噴孔を開閉する弁部材とを有する燃料噴射弁であって、
上記弁体における上記噴孔の燃料出口側の開口部周辺近傍の表面に、ｈ−ＢＮ（六方晶系−窒化硼素）を含有する被覆層が設けてあることを特徴とする燃料噴射弁にある（請求項１）。

本発明の燃料噴射弁は、上記弁体における上記噴孔の燃料出口側の開口部周辺近傍の表面に、ｈ−ＢＮ（六方晶系−窒化硼素）を含有する親水性の高い被覆層が設けてある。これにより、上記噴孔におけるデポジットの堆積を抑制することができる。
この理由については、以下のように推測される。

上記噴孔の燃料出口側周辺にｈ−ＢＮ（六方晶系−窒化硼素）を含有する親水性の高い上記被覆層を設けることにより、該被覆層の表面に水膜が形成される。そのため、上記噴孔から噴射され、該噴孔の燃料出口側周辺に残留する燃料残留物（例えば、未燃炭素（Ｃ）、Ｐ、Ｚｎ、Ｓｉ、カルボン酸塩等）は、上記被覆層の表面に形成された水膜上に浮遊した状態となる。

これにより、上記燃料残留物は、水膜上に浮遊した状態であるため、上記噴孔から噴射される燃料の噴流によって剥離し易くなる。それ故、上記噴孔の燃料出口側周辺にデポジットの核となる燃料残留物が堆積することを抑制することができる。その結果、燃料残留物によるデポジットの生成及び堆積を抑制することができる。

このように、本発明によれば、噴孔におけるデポジットの堆積を抑制することができる燃料噴射弁を提供することができる。

本発明において、上記燃料噴射弁は、筒状の上記弁体と上記弁部材との間に燃料通路が形成されており、上記弁部材の着座及び離座により上記噴孔を開閉し、上記燃料通路内の燃料を上記噴孔から噴射するものである。
また、上記燃料噴射弁とは、内燃機関等に燃料を噴射供給する燃料噴射弁の他、排ガス浄化用触媒の排ガス浄化作用の低下を抑制するために実施されるＮＯｘ還元処理やＰＭ再生処理において、排気通路に燃料を添加供給する燃料添加弁等も含まれる。

また、上記噴孔の内壁面にも上記被覆層が設けてあることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記噴孔の出口側周辺に加えて、該噴孔の内壁面においても、燃料残留物が堆積することを抑制することができる。そのため、燃料残留物によるデポジットの生成及び堆積をより一層抑制することができる。
また、上記被覆層は、上記弁部材の表面にも設けることができる。この場合においても、上記弁部材の表面に燃料残留物が付着・堆積することを抑制することができる。また、さらに、上記弁部材と上記弁体との摺動摩擦抵抗を低減するという効果も得られる。

また、上記被覆層は、ｈ−ＢＮ（六方晶系−窒化硼素）を含有する。
この場合には、上記被覆層は、耐熱性に優れ、燃料残留物（例えば、未燃炭素（Ｃ）、Ｐ、Ｚｎ、Ｓｉ、カルボン酸塩等）と反応しないものとなる。そのため、上記被覆層の性能向上を図ることができる。
なお、ｈ−ＢＮ等の上記被覆層は、例えばプラズマＣＶＤ法等を用いてコーティングすることができる。

また、上記被覆層の厚みは、２０ｎｍ〜１０μｍであることが好ましい（請求項３）。
上記被覆層の厚みが２０ｎｍ未満の場合には、燃料残留物の堆積を抑制するという上記被覆層の効果を充分に得られないおそれがある。一方、１０μｍを超える場合には、上記被覆層が剥離するおそれがある。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる燃料噴射弁（以下、インジェクタという）について、図１及び図２を用いて説明する。
本例のインジェクタ１は、図１に示すごとく、例えば直噴式のガソリンエンジンに適用されるものである。インジェクタ１は図示しないエンジンヘッドに搭載される。なお、インジェクタ１は、直噴式のガソリンエンジンに限らず、予混合式のガソリンエンジン、又はディーゼルエンジンなどに適用することもできる。
また、本例のインジェクタ１においては、噴孔３４が設けられている側を先端側、その反対側を後端側とする。

インジェクタ１は、筒状のハウジング１０を備えている。ハウジング１０は、第一磁性部１１、非磁性部１２及び第二磁性部１３により構成されており、例えばレーザ溶接等により一体的に接合されている。第一磁性部１１及び第二磁性部１３は、磁性材料により形成されている。また、非磁性部１２は、非磁性材料により形成されている。非磁性部１２は、磁性材料により形成されている第一磁性部１１と第二磁性部１３との間の磁気的な短絡を防止している。

ハウジング１０の内周側には、固定コア２１が圧入により収容されている。固定コア２１は、磁性材料により筒状に形成されている。固定コア２１の内周側には、後述するアジャスティングパイプ２８及びスプリング２６が収容されている。

ハウジング１０の後端部１０２には、外部コネクタ１９が圧入されている。外部コネクタ１９は、後端部に燃料入口１９１を形成している。燃料入口１９１には、図示しない燃料ポンプにより燃料タンクから燃料が供給される。燃料入口１９１に供給された燃料は、外部コネクタ１９の内部に設けられたフィルタ部材１８を経由してハウジング１０の内周側に流入する。フィルタ部材１８は、燃料に含まれる異物を除去する。

ハウジング１０の先端側には、ノズルホルダ１４が配設されている。ノズルホルダ１４は、ハウジング１０の先端部に接合されている。ノズルホルダ１４の先端部１４１には、ノズルボディ（弁体）３０が収容されている。ノズルボディ３０は、筒状に形成され、例えば圧入、溶接等によりノズルホルダ１４の先端部１４１に固定されている。

ノズルボディ３０は、ノズルボディ本体部３１とノズルボディ３０の先端部に配設された噴孔プレート３３とにより構成されている。ノズルボディ本体部３１は、先端に近づくにつれて内径が小さくなる円錐状の内壁面に弁座３２を有している。噴孔プレート３３は、ノズルボディ本体部３１の先端部とノズルホルダ１４との間に、ノズルボディ本体部３１の先端側を覆うように配設されている。噴孔プレート３３には、噴孔３４が形成されている。噴孔３４は、噴孔プレート３３の内側と外側とを連通して設けられている。噴孔３４は、単数又は複数のいずれであってもよい。

また、ハウジング１０の内周側には、可動コア２２が収容されている。可動コア２２は、磁性材料により筒状に形成されている。可動コア２２は、固定コア２１と軸方向に対向して配設され、後述するコイル５１への通電によって固定コア２１との間に発生する磁気吸引力により固定コア２１に吸引される。また、可動コア２２は、ハウジング１０の内周側を軸方向へ往復移動可能である。

ハウジング１０、ノズルホルダ１４及びノズルボディ３０の内周側には、ニードル（弁部材）４０が軸方向へ往復移動可能に収容されている。ニードル４０は、ノズルボディ３１と同軸上に配置されている。ニードル４０は、後端部が可動コア２２に接合されている。そのため、可動コア２２及びニードル４０は、一体的に軸方向に往復移動可能である。ニードル４０は、先端部にシール部４２を有している。シール部４２は、ノズルボディ３０の弁座３２に着座可能である。

また、ニードル４０は、後端部において弾性部材であるスプリング２６と接している。スプリング２６は、一方の端部がニードル４０の後端部に接しており、他方の端部がアジャスティングパイプ２８に接している。なお、上記弾性部材は、スプリングに限らず、例えば板ばね、又は気体や液体のダンパ等を適用可能である。

アジャスティングパイプ２８は、上述のごとく、固定コア２１の内周側に圧入されている。アジャスティングパイプ２８の圧入量を調整することにより、スプリング２６の荷重は調整される。スプリング２６は、軸方向へ伸びる力を有している。そのため、一体のニードル４０及び可動コア２２は、スプリング２６によりシール部４２が弁座３２に着座する方向へ押し付けられている。

ハウジング１０の外周側には、コイルアセンブリ５０が配設されている。コイルアセンブリ５０は、コイル５１、モールド成形体５２及び電気コネクタ５３により一体に構成されている。
コイル５１は、樹脂で形成されているモールド成形体５２によって被覆されている。コイル５１、モールド成形体５２によって外周側及び内周側が覆われた状態で円筒状に形成されている。コイル５１は、ハウジング１０の外周側を周方向へ連続して覆っている。コイル５１は、配線部材５４により電気コネクタ５３のターミナル５５と接続している。また、モールド成形体５２及び電気コネクタ５３は、樹脂により一体に形成されている。

コイル５１の外周側及び後端側には、プレートハウジング１５が配設されている。プレートハウジング１５は、筒状に形成されており、コイル５１の外周側及び後端側を覆うように配設されている。プレートハウジング１５は、ハウジング１０との間においてモールド成形体５２に覆われたコイル５１を保持している。プレートハウジング１５は、磁性材料により形成されている。

そして、本例では、図２に示すごとく、噴孔３４の燃料出口側の開口部３４１周辺近傍の表面（噴孔プレート３３の表面３３１（領域ａ））には、被覆層５が設けてある。
本例の被覆層５は、ｈ−ＢＮ（六方晶系−窒化硼素）を厚み約０．２μｍでコーティングした層である。被覆層５は、プラズマＣＶＤ法によりコーティングした。

また、ｈ−ＢＮよりなる被覆層５は、この被覆層５を設けた噴孔３４の燃料出口側の開口部３４１周辺近傍の表面（噴孔プレート３３の表面３３１）よりも親水性が高い。
本例では、ＳＵＳ３０４よりなる噴孔プレート３３の表面３３１の撥水角は約９０°であり、ｈ−ＢＮよりなる被覆層５の撥水角は約７０°である。つまり、被覆層５のほうが高い親水性を示している。なお、撥水角の測定は、マイクロシリンジにより微小な水滴を被覆層５の表面に滴下し、一方側より光を当てて反対側に設けた受光部にて水滴の形状を画像として取り込み、被覆層５に対する水滴の接触角を測定することにより行った。

次に、上記構成のインジェクタ１の作動について説明する。
コイル５１への通電が停止されているとき、固定コア２１と可動コア２２との間には磁気吸引力は発生しない。そのため、可動コア２２はスプリング２６の押し付け力により固定コア２１から離れている。その結果、コイル５１への通電が停止されているとき、ニードル４０のシール部４２は弁座３２に着座している（閉弁状態）。よって、燃料は噴孔３４から噴射されない。

コイル５１に通電されると、コイル５１に発生した磁界によりハウジングプレート１４、第一磁性部１１、可動コア２２、固定コア２１、第２磁性部１３及びカバー１５に形成された磁気回路に磁束が流れる。そのため、互いに離れている固定コア２１と可動コア２２との間には磁気吸引力が発生する。これにより、固定コア２１と可動コア２２との間に発生する磁気吸引力がスプリング２６の押し付け力よりも大きくなると、一体の可動コア２２及びニードル４０は固定コア２１方向へ移動する。その結果、ニードル４０のシール部４２は弁座３２から離座する（開弁状態）。

外部コネクタ１９の燃料入口１９１から流入した燃料は、フィルタ部材１８、ハウジング１０の内周側、つまりアジャスティングパイプ２８の内周側、固定コア２１の内周側及び可動コア２２の内周側を経由する。可動コア２２の内周側からニードル４０の内部に流入した燃料は、ニードル４０の内側と外側とを連通する燃料孔４５からハウジング１０とニードル４０の間を経由し、ニードル４０とノズルホルダ１４との間に流入する。そして、弁座３２から離座したニードル４０とノズルボディ３０との間を経由して噴孔３４から噴射される。

コイル５１への通電を停止すると、固定コア２１と可動コア２２との間の磁気吸引力は消滅する。これにより、一体の可動コア２２及びニードル４０は、スプリング２６の押し付け力により固定コア２１とは反対方向へ移動する。その結果、ニードル４０のシール部４２は再び弁座３２に着座する（閉弁状態）。よって、噴孔３４からの燃料の噴射は終了する。

次に、本例のインジェクタ（燃料噴射弁）１における作用効果について説明する。
本例のインジェクタ１は、ノズルボディ３０における噴孔３４の燃料出口側の開口部３４１周辺近傍の表面３３１に、その表面３３１よりも親水性の高い被覆層５が設けてある。これにより、噴孔３４におけるデポジットの堆積を抑制することができる。
この理由については、以下のように推測される。

噴孔３４の燃料出口側周辺に親水性の高い被覆層５を設けることにより、被覆層５の表面に水膜が形成される。そのため、噴孔３４から噴射され、噴孔３４の燃料出口側周辺に残留する燃料残留物（例えば、未燃炭素（Ｃ）、Ｐ、Ｚｎ、Ｓｉ、カルボン酸塩等）は、被覆層５の表面に形成された水膜上に浮遊した状態となる。

これにより、燃料残留物は、水膜上に浮遊した状態であるため、噴孔３４から噴射される燃料の噴流によって剥離し易くなる。それ故、噴孔３４の燃料出口側周辺にデポジットの核となる燃料残留物が堆積することを抑制することができる。その結果、燃料残留物によるデポジットの生成及び堆積を抑制することができる。

このように、本例によれば、噴孔におけるデポジットの堆積を抑制することができるインジェクタ（燃料噴射弁）を提供することができる。

また、本例では、図２に示すごとく、被覆層５を噴孔プレート３３の表面３３１（領域ａ）に設けたが、図３に示すごとく、さらに噴孔３４の内壁面３４１（領域ｂ）やノズルホルダ１４の先端部１４１（領域ｃ）に設けてもよい。この場合には、噴孔３４の内壁面３４１やノズルホルダ１４の先端部１４１においても、燃料残留物が堆積することを抑制することができる。そのため、燃料残留物によるデポジットの生成及び堆積をより一層抑制することができる。
また、被覆層５は、ニードル４０の表面に設けてもよい。この場合においても、ニードル４０の表面に燃料残留物が付着・堆積することを抑制することができる。また、さらに、ニードル４０とノズルボディ３０との摺動摩擦抵抗を低減するという効果も得られる。

また、本例のインジェクタでは、図２及び図３に示すごとく、ノズルボディ本体部３１と噴孔プレート３３とが別体で構成されたノズルボディ３０を採用しているが、これに代えて、図４に示すごとく、ノズルボディ本体部と噴孔プレートとが一体で構成されたノズルボディ３０を採用することもできる。この場合には、ノズルボディ３０の先端部３０１に噴孔３４を形成し、噴孔３４の燃料出口側の開口部３４１周辺近傍の表面（ノズルボディ３０の先端面３００（領域ｄ））や噴孔３４の内壁面３４２（領域ｅ）等に被覆層５を設けることができる。

（実施例２）
本例は、本発明のインジェクタの耐デポジット性を評価した例である。
本例では、実施例１と同様の構成であり、ｈ−ＢＮよりなる被覆層５を噴孔３３の燃料出口側の開口部３４１周辺近傍の噴孔プレート３３の表面３３１（図２の領域ａ）にコーティングしたインジェクタと、コーティングしていない比較のためのインジェクタとを準備した。そして、エンジンに搭載し、所定時間運転をした後、デポジットの付着状況の観察、燃料の噴霧量及び噴射角の測定を行った。
なお、エンジン運転条件は、インジェクタをエンジンのセンター位置（インジェクタ先端温度：２５０℃）に搭載し、エンジン回転数を２０００ｒｐｍ、燃料圧力を１２ＭＰａ、トルクを８０Ｎ／ｍ、運転時間を４時間とした。

次に、評価結果について説明する。
図５は、エンジン運転初期及び運転後における、噴孔プレートの表面の外観及び中央部をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察したものである。
同図からわかるように、ｈ−ＢＮよりなる被覆層をコーティングしていない場合には、運転後の噴孔プレートの表面（特に噴孔３４の燃料出口側の開口部近傍表面）にデポジット（図中のＤ）が堆積している。これに比べて、ｈ−ＢＮよりなる被覆層をコーティングした場合には、噴孔プレートの表面へのデポジット（図中のＤ）の堆積が非常に少ない。すなわち、デポジットの堆積防止に有効であることがわかる。

また、図６は、燃料の噴霧量変化率を測定したものである。ここで、噴霧量変化率とは、初期の燃料噴霧量に対する変化率を示すものである。本例では、インジェクタをエンジンに搭載して４時間運転をした後、燃料の噴霧量を測定し、（エンジン運転前の燃料噴射量−エンジン運転後の燃料噴霧量）／エンジン運転前の燃料噴射量×１００（％）の式により算出した。

また、図７は、燃料の噴霧角変化率を測定したものである。ここで、噴霧角変化率とは、初期の燃料噴霧角に対する変化率を示すものである。本例では、インジェクタをエンジンに搭載して４時間運転をした後、燃料の噴霧角を測定し、（エンジン運転前の燃料噴霧角−エンジン運転後の燃料噴霧角）／エンジン運転前の燃料噴霧角×１００（％）の式により算出した。

図６及び図７からわかるように、ｈ−ＢＮよりなる被覆層をコーティングしていない場合には、噴霧量変化率及び噴霧角変化率共に運転初期（０．０％）から減少している。これに比べて、ｈ−ＢＮよりなる被覆層をコーティングした場合には、噴霧量変化率及び噴霧角変化率共に運転初期（０．０％）から大きな変化がない。すなわち、燃料噴射性能を確実に維持できることがわかる。

実施例１における、インジェクタの構造を示す説明図。 実施例１における、被覆層のコーティング領域を示す噴孔周辺拡大図。 実施例１における、被覆層のコーティング領域を示す噴孔周辺拡大図。 実施例１における、被覆層のコーティング領域を示す噴孔周辺拡大図。 実施例２における、耐デポジット性の評価結果を示す説明図。 実施例２における、燃料の噴霧量変化率の測定結果を示す説明図。 実施例２における、燃料の噴霧角変化率の測定結果を示す説明図。

符号の説明

１ インジェクタ（燃料噴射弁）
３０ ノズルボディ（弁体）
３４ 噴孔
３４１ 開口部
４０ ニードル（弁部材）
５ 被覆層

Claims (3)

1. 燃料を噴射する噴孔を備えた筒状の弁体と、該弁体の内側において着座及び離座することにより上記噴孔を開閉する弁部材とを有する燃料噴射弁であって、
   上記弁体における上記噴孔の燃料出口側の開口部周辺近傍の表面に、ｈ−ＢＮ（六方晶系−窒化硼素）を含有する被覆層が設けてあることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 請求項１において、上記噴孔の内壁面にも上記被覆層が設けてあることを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項１又は２において、上記被覆層の厚みは、２０ｎｍ〜１０μｍであることを特徴とする燃料噴射弁。