JP5299293B2 - 燃料噴射弁およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、噴孔から燃料を噴射する燃料噴射弁およびその製造方法に関するものである。

近年、圧縮着火式内燃機関の排気性能向上の為に、燃料噴射弁の噴孔径を小さくし、噴霧の微粒化が進められている。そして、燃料噴射弁においては、噴孔加工後に流体研磨を行い、噴孔の縁に丸みを付けて流量係数を上げることが広く行われている（例えば、特許文献１参照）。

特表平１１−５１０４３７号公報

しかしながら、従来の燃料噴射弁においては、噴孔加工後に流体研磨を行う際に異物や流体研磨のスラリーなどで噴孔が詰まる可能性が上がり、製品の直行率が低下するという問題があった。

本発明は上記点に鑑みて、流量係数が大きく且つ直行率が高い燃料噴射弁を得ることを目的とする。

本発明は、クロムめっき層は放電加工時に縁がダレやすい（すなわち、エッジ部が溶解して丸みが付きやすい）という知見に基づいてなされたもので、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、燃料の出口となる噴孔（２４）が形成されたボデー（１）と、ボデー（１）内に摺動自在に収容されたニードル（２２）とを備え、ニードル（２２）のニードルシート部（２１ｂ）がボデー（１）のボデーシート面（２５）と接離して噴孔（２４）が開閉される燃料噴射弁において、ボデー（１）の内周面に形成されたクロムめっき層（７）を有し、噴孔（２４）は、放電加工によりボデー（１）およびクロムめっき層（７）に孔を開けて形成されていることを特徴とする。

これによると、噴孔（２４）における燃料入口側の縁はクロムめっき層（７）であるため、放電加工により噴孔（２４）における燃料入口側の縁に丸みが付き、流量係数が大きくなる。そして、噴孔（２４）は放電加工により形成されるため、流体研磨のようにスラリーなどで噴孔（２４）が詰まる虞がない。したがって、流量係数が大きく且つ直行率が高い燃料噴射弁を得ることができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の燃料噴射弁において、クロムめっき層（７）は、噴孔（２４）の開口部周囲およびボデーシート面（２５）に設けられていることを特徴とする。

これによると、めっきは母材よりも不純物が少ないため、ボデーシート面（２５）の強度が向上し、噴射圧の高圧化にも容易に対応することができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の燃料噴射弁において、クロムめっき層（７）は、ボデー（１）の内周面全域に設けられていることを特徴とする。

これによると、ボデー（１）の内周面のうち一部のみにクロムめっき層（７）を設ける場合よりも、めっき処理が容易である。さらに、ボデー内面の錆を防ぐ事も出来、ボデー（１）の長期保管が可能になる。

請求項４に記載の発明のように、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料噴射弁において、クロムめっき層（７）のうち放電加工により孔が形成された部位は断面が円弧形状になっており、断面が円弧形状の部位の曲率半径をＲ、クロムめっき層（７）の膜厚をｔとしたとき、Ｒ＜ｔとすることができる。

請求項５に記載の発明では、燃料の出口となる噴孔（２４）が形成されたボデー（１）と、ボデー（１）内に摺動自在に収容されたニードル（２２）とを備え、ニードル（２２）のニードルシート部（２１ｂ）がボデー（１）のボデーシート面（２５）と接離して噴孔（２４）が開閉される燃料噴射弁の製造方法であって、ボデー（１）の内周面にクロムめっき層（７）を形成した後に、放電加工によりボデー（１）およびクロムめっき層（７）に孔を開けて噴孔（２４）を形成することを特徴とする。

これによると、流量係数が大きく且つ直行率が高い燃料噴射弁を製造することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る燃料噴射弁を備える燃料噴射装置の全体構成を模式的に示す図である。 図１のボデーの先端側部位の拡大断面図である。 図１のボデーの噴孔周辺の拡大断面図である。 噴孔のＲ面取りの曲率半径Ｒと噴孔の流量係数との関係を示す図である。 第１実施形態の変形例を示す要部の断面図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料噴射弁におけるボデーの先端側部位の断面図である。 図６のボデーの噴孔周辺の拡大断面図である。 第２実施形態の変形例を示す要部の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料噴射弁を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る燃料噴射弁を備える燃料噴射装置の全体構成を模式的に示す図、図２は図１のボデーの先端側部位の拡大断面図、図３は図１のボデーの噴孔周辺の拡大断面図である。

燃料噴射弁は、内燃機関（より詳細には圧縮着火式内燃機関、図示せず）のシリンダヘッドに装着され、蓄圧器（図示せず）内に蓄えられた高圧燃料を内燃機関の気筒内に噴射するものである。

図１に示すように、燃料噴射弁のボデー１は、蓄圧器からの高圧燃料が導入される燃料入口部１１と、燃料噴射弁内部の燃料を燃料タンク１００に向けて流出させる燃料出口部１２とを備えている。

ボデー１の軸方向一端側（先端側）に、開弁時に燃料を噴射するノズル２が配置されている。このノズル２は、ボデー１内に摺動自在に収容されたノズルニードル２１と、ノズルニードル２１を閉弁向きに付勢するノズルスプリング２２と、ノズルニードル２１のピストン部２１ａが挿入されたノズルシリンダ２３とを有している。

ボデー１の軸方向一端には、高圧燃料通路１３を介して燃料入口部１１と連通する噴孔２４が形成され、この噴孔２４から高圧燃料を内燃機関の気筒内に噴出させるようになっている。この噴孔２４の上流側にテーパ状のボデーシート面２５が形成されており、ノズルニードル２１に形成されたニードルシート部２１ｂがボデーシート面２５に接離することにより噴孔２４が開閉される。

ピストン部２１ａは、ノズルシリンダ２３に摺動自在に且つ液密的に挿入されており、ピストン部２１ａとノズルシリンダ２３とにより、内部の燃料圧力が高圧と低圧に切り替えられる制御室２６が形成されている。そして、ノズルニードル２１は、制御室２６内の燃料圧力により閉弁向きに付勢されるとともに、燃料入口部１１から高圧燃料通路１３を介して噴孔２４側に導かれる高圧燃料により開弁向きに付勢される。

ボデー１の軸方向中間部には、制御室２６の圧力を制御する制御弁３が収納される弁室１４が形成されている。この弁室１４は、連絡通路１５を介して制御室２６と常時連通している。弁室１４には、高圧燃料通路１３から分岐された高圧連絡通路１３ａが接続されている。また、弁室１４は、低圧燃料通路１６を介して燃料出口部１２に接続されている。

制御弁３は、弁室１４と高圧連絡通路１３ａとの間および弁室１４と低圧燃料通路１６との間を開閉する弁体３１と、弁室１４と高圧連絡通路１３ａとの間が開かれるとともに弁室１４と低圧燃料通路１６との間が閉じられる向きに弁体３１を付勢するバルブスプリング３２とを有している。

ボデー１の軸方向他端側には、制御弁３を駆動するアクチュエータ４が収納されるアクチュエータ室１７が形成されている。このアクチュエータ室１７は、低圧連絡通路１６ａを介して低圧燃料通路１６に接続されている。

アクチュエータ４は、ピエゾ素子が多数積層されて電荷の充放電により伸縮するピエゾスタック４１と、ピエゾスタック４１の伸縮変位を制御弁３の弁体３１に伝達する伝達部とを備えている。

伝達部は以下のように構成されている。アクチュエータシリンダ４２に第１ピストン４３および第２ピストン４４が摺動自在に且つ液密的に挿入されており、第１ピストン４３と第２ピストン４４との間には、燃料が充填された液室４５が形成されている。

第１ピストン４３は、第１スプリング４６によりピエゾスタック４１側に向かって付勢されており、ピエゾスタック４１により直接駆動されるようになっている。そして、ピエゾスタック４１の伸長時には、第１ピストン４３により液室４５の圧力が高められるようになっている。

第２ピストン４４は、第２スプリング４７により制御弁３の弁体３１側に付勢されており、液室４５の圧力を受けて作動して弁体３１を駆動するようになっている。そして、第２ピストン４４は、ピエゾスタック４１の伸長時には、高圧化された液室４５の圧力を受けて作動して、弁室１４と高圧連絡通路１３ａとの間が閉じられるとともに弁室１４と低圧燃料通路１６との間が開かれる位置に弁体３１を駆動する。一方、ピエゾスタック４１の収縮時、すなわち液室４５の圧力が低いときには、第２ピストン４４は、第２スプリング４７に抗して制御弁３のバルブスプリング３２により第１ピストン４３側に押し戻される。第２ピストン４４は、第１ピストン４３よりも小径である。したがって、ピエゾスタック４１の伸縮変位量が伝達部で拡大されて制御弁３の弁体３１に伝達される。

燃料タンク１００と燃料出口部１２とを接続するリターン経路１１０には、低圧燃料通路１６側の圧力を制御する背圧弁１２０が配置されている。因みに、蓄圧器内に蓄えられた高圧燃料の圧力が１００ＭＰａ以上であるのに対し、背圧弁１２０は低圧燃料通路１６側の圧力を１ＭＰａ程度に制御する。

ピエゾスタック４１には、ピエゾ駆動回路１３０を介して電力が供給されるようになっている。このピエゾ駆動回路１３０は、ピエゾスタック４１の伸び量を変化させるために、ピエゾスタック４１への印加電圧を制御可能になっている。また、ピエゾ駆動回路１３０は、ピエゾスタック４１への印加電圧およびピエゾスタック４１への通電タイミングが、電子制御回路（以下、ＥＣＵという）１４０により制御される。

ＥＣＵ１４０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、マイクロコンピュータに記憶したプログラムに従って演算処理を行うものである。そして、ＥＣＵ１４０には、吸入空気量、アクセルペダルの踏み込み量、内燃機関回転数、蓄圧器内の燃料圧等を検出する各種センサ（図示せず）から信号が入力される。

図２、図３に示すように、ボデーシート面２５の下流側に、略半球状の空間であるサック部２７が形成されている。そして、このサック部２７に、噴孔２４における燃料入口側（すなわち、上流側端部）が開口している。

例えばＳＣＭよりなるボデー１の内周面には、硬質クロムをめっきしたクロムめっき層７が形成されている。より詳細には、クロムめっき層７は、ボデー１の内周面のうちサック部２７のみに形成されている。

噴孔２４は、次のようにして形成される。まず、ボデー１の内周面にクロムめっき層７を形成した後に、放電加工機の電極８をボデー１の外周側から内周面に向かって進めることによりボデー１およびクロムめっき層７に孔を開けて噴孔２４を形成する。

前述したようにクロムめっき層７は放電加工時に縁がダレやすいため、図３に示すように、噴孔２４における燃料入口側の縁（すなわち、クロムめっき層７のうち放電加工により孔が形成された部位）は丸みが付いて断面が円弧形状（いわゆる、Ｒ面取りまたは丸み面取り）になる。ここで、図４は噴孔２４における燃料入口側のＲ面取りの曲率半径Ｒと、噴孔２４の流量係数との関係を示すもので、Ｒ面取りを設けることにより流量係数が大きくなる。

なお、クロムめっき層７の膜厚をｔとしたとき、Ｒ面取りに関する設計値の最小曲率半径よりも膜厚ｔを大きくすることにより、放電加工後のＲ面取りの曲率半径Ｒを設計値の最小曲率半径よりも確実に大きくすることができる。

次に、上記燃料噴射装置の作動を説明する。まず、ピエゾアクチュエータ４１に通電されると、ピエゾアクチュエータ４１が伸長して第１ピストン４３が駆動され、第１ピストン４３により液室４５の圧力が高められる。高圧化された液室４５の圧力により第２ピストン４４が制御弁３の弁体３１側に向かって駆動される。そして、第２ピストン４４にて弁体３１が駆動されることにより、弁室１４と高圧連絡通路１３ａとの間が閉じられると
これによると、めっきは母材よりも不純物が少ないため、ボデーシート面（２５）の強度が向上し、噴射圧の高圧化にも容易に対応することができる。
ともに、弁室１４と低圧燃料通路１６との間が開かれる。

これにより、制御室２６の圧力が低下してノズルニードル２１を閉弁向きに付勢する力が小さくなるため、ノズルニードル２１が開弁向きに移動し、ニードルシート部２１ｂがボデーシート面２５から離れて噴孔２４が開かれ、噴孔２４から内燃機関の気筒内に燃料が噴射される。

その後、ピエゾアクチュエータ４１への通電が停止されると、ピエゾアクチュエータ４１が縮むため第１ピストン４３は第１スプリング４６によりピエゾアクチュエータ４１側に戻される。また、バルブスプリング３２により、弁体３１および第２ピストン４４が第１ピストン４３側に戻される。

これにより、弁室１４と高圧連絡通路１３ａとの間が開かれるとともに、弁室１４と低圧燃料通路１６との間が閉じられる。したがって、蓄圧器からの高圧燃料が、高圧燃料通路１３、高圧連絡通路１３ａ、弁室１４、および連絡通路１５を介して制御室２６に導入される。

これにより、制御室２６の圧力が上昇してノズルニードル２１を閉弁向きに付勢する力が大きくなるため、ノズルニードル２１が閉弁向きに移動し、ニードルシート部２１ｂがボデーシート面２５に着座して噴孔２４が閉じられ、燃料噴射が終了する。

そして、本実施形態では、ボデー１の内周面にクロムめっき層７を形成した後に、放電加工によりボデー１およびクロムめっき層７に孔を開けて噴孔２４を形成するため、噴孔２４における燃料入口側の縁に丸みが付き、流量係数が大きくなる。また、噴孔２４を放電加工により形成するため、流体研磨のようにスラリーなどで噴孔２４が詰まる虞がない。したがって、流量係数が大きく且つ直行率が高い燃料噴射弁を得ることができる。

なお、上記第１実施形態においては、クロムめっき層７をボデー１の内周面のうちサック部２７のみに形成したが、図５に示す第１実施形態の変形例のように、クロムめっき層７は、ボデー１の内周面全域に設けてもよい。これによると、めっきは母材よりも不純物が少ないため、ボデーシート面２５の強度が向上する。また、ボデー１の内周面のうち一部のみにクロムめっき層７を設ける場合よりも、めっき処理が容易である。さらに、ボデー内面の錆を防ぐ事も出来、ボデー１の長期保管が可能になる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図６は本発明の第２実施形態に係る燃料噴射弁におけるボデーの先端側部位の断面図、図７は図６のボデーの噴孔周辺の拡大断面図である。

本実施形態は、噴孔２４の形成位置、およびクロムめっき層７の形成位置が、第１実施形態と異なっている。その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。

図６、図７に示すように、クロムめっき層７は、ボデー１の内周面のうちボデーシート面２５のみに形成されている。また、このボデーシート面２５のうち、ニードルシート部２１ｂ（図１参照）が接離する部位よりも下流側に、噴孔２４における燃料入口側が開口している。

そして、第１実施形態と同様に、ボデー１の内周面にクロムめっき層７を形成した後に、放電加工によりボデー１およびクロムめっき層７に孔を開けて噴孔２４を形成するため、流量係数が大きく且つ直行率が高い燃料噴射弁を得ることができる。

なお、上記第２実施形態においては、クロムめっき層７をボデー１の内周面のうちボデーシート面２５のみに形成したが、図８に示す第２実施形態の変形例のように、クロムめっき層７は、ボデー１の内周面全域に設けてもよい。これによると、ボデー１の内周面のうち一部のみにクロムめっき層７を設ける場合よりも、めっき処理が容易である。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図９は本発明の第３実施形態に係る燃料噴射弁を模式的に示す図である。

第１実施形態では、ピエゾスタック４１を有するアクチュエータ４により制御弁３の弁体３１を駆動して制御室２６の圧力を制御するようにしたが、本実施形態は、電磁弁により制御室の圧力を制御するようにしたものである。そして、上記各実施例で示したような、放電加工によりボデーおよびクロムめっき層に孔を開けて形成された噴孔を有する構成を、本実施形態の形式の燃料噴射弁にも適用することができる。以下、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図９に示すように、ニードル２には、噴孔２４側から反噴孔側に向かって順に、テーパ状のニードルシート部２１ｂ、小径円柱部２１ｃ、受圧部２１ｄ、大径円柱部２１ｅ、およびピン部２１ｆが形成されている。受圧部２１ｄには高圧燃料の圧力が作用し、これにより、ニードル２が開弁向きに付勢される。ニードル２は、大径円柱部２１ｅにおいてボデー１に摺動自在にかつ液密に保持されている。ノズルスプリング２２が配置された空間は、低圧燃料通路１６を介して図示しない燃料タンクに接続されている。

ボデー１における軸方向中間部には、円柱状のコマンドピストン５が配置されており、このコマンドピストン５はボデー１に摺動自在に保持されている。コマンドピストン５の反噴孔側の空間が制御室２６となっている。この制御室２６は、高圧燃料通路１３と常時連通している。また、制御室２６は、ボデー１にに形成された排出通路１８を介して低圧燃料通路１６に連通可能になっている。そして、コマンドピストン５は制御室２６の圧力を受けてニードル２を閉弁向きに付勢するようになっている。

ボデー１における反噴孔側には、制御室２６の圧力を制御する電磁弁６が配置されている。電磁弁６は、通電時に磁界を形成するコイル６１、コイル６１により励磁されて電磁力を発生するステータ６２、その電磁力により吸引されるアーマチャ６３、このアーマチャ６３に接合されて排出通路１８を開閉する弁体６４、アーマチャ６３を付勢するバルブスプリング６５を備えている。

次に、上記燃料噴射弁の作動を説明する。コイル６１に駆動電流が供給されると、アーマチャ６３および弁体６４がステータ６２に吸引されて排出通路１８が開かれ、制御室２６の燃料は、排出通路１８および低圧燃料通路１６を介して燃料タンクへ戻される。

これにより、制御室２６の圧力が低下し、コマンドピストン５を介してニードル２を閉弁向きに付勢する力が小さくなるため、受圧部２１ｄに作用する燃料の圧力によってニードル２が開弁向きに駆動され、ニードルシート部２１ｂがボデーシート面２５から離れて噴孔２４が開かれ、噴孔２４から内燃機関の気筒内に燃料が噴射される。

その後、コイル６１への駆動電流の供給が停止されると、ステータ６２の吸引力が消滅するため、アーマチャ６３および弁体６４がバルブスプリング６５の付勢力により駆動されて排出通路１８が閉じられる。

これにより、高圧燃料通路１３から供給される高圧燃料により制御室２６の圧力が上昇し、コマンドピストン５を介してニードル２を閉弁向きに付勢する力が大きくなるため、ニードル２が閉弁向きに駆動され、ニードルシート部２１ｂがボデーシート面２５に着座して噴孔２４が閉じられ、燃料噴射が終了する。

そして、上記各実施例で示したような、放電加工によりボデーおよびクロムめっき層に孔を開けて形成された噴孔を有する構成を、本実施形態の形式の燃料噴射弁に適用することにより、流量係数が大きく且つ直行率が高い燃料噴射弁を得ることができる。

なお、上記各実施形態は、実施可能な範囲で任意に組み合わせが可能である。

１ ボデー
７ クロムめっき層
２２ ニードル
２４ 噴孔
２５ ボデーシート面
２１ｂ ニードルシート部

Claims (5)

1. 燃料の出口となる噴孔（２４）が形成されたボデー（１）と、
   前記ボデー（１）内に摺動自在に収容されたニードル（２２）とを備え、
   前記ニードル（２２）のニードルシート部（２１ｂ）が前記ボデー（１）のボデーシート面（２５）と接離して前記噴孔（２４）が開閉される燃料噴射弁において、
   前記ボデー（１）の内周面に形成されたクロムめっき層（７）を有し、
   前記噴孔（２４）は、放電加工により前記ボデー（１）および前記クロムめっき層（７）に孔を開けて形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記クロムめっき層（７）は、前記噴孔（２４）の開口部周囲および前記ボデーシート面（２５）に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 前記クロムめっき層（７）は、前記ボデー（１）の内周面全域に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
4. 前記クロムめっき層（７）のうち放電加工により孔が形成された部位は断面が円弧形状になっており、前記断面が円弧形状の部位の曲率半径をＲ、前記クロムめっき層（７）の膜厚をｔとしたとき、Ｒ＜ｔであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料噴射弁。
5. 燃料の出口となる噴孔（２４）が形成されたボデー（１）と、
   前記ボデー（１）内に摺動自在に収容されたニードル（２２）とを備え、
   前記ニードル（２２）のニードルシート部（２１ｂ）が前記ボデー（１）のボデーシート面（２５）と接離して前記噴孔（２４）が開閉される燃料噴射弁の製造方法であって、
   前記ボデー（１）の内周面にクロムめっき層（７）を形成した後に、放電加工により前記ボデー（１）および前記クロムめっき層（７）に孔を開けて前記噴孔（２４）を形成することを特徴とする燃料噴射弁の製造方法。

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