JP5559962B2 - 燃料噴射弁及びノズルの加工方法 - Google Patents

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Description

本発明は流体を噴射する噴射部に係り、特に筒内噴射式内燃機関に有効な燃料噴射弁の噴射部の表面あらさ及び加工方法に関する。
筒内噴射式内燃機関の燃料噴射弁では、エンジン内部に装着されているため高温度の燃焼ガスにさらされる。このため、燃料噴射弁の先端部には燃焼によって発生するカーボンなどが堆積しやすい。また、燃料中にはオイル,添加物,水分等の異物が混在しており、これらが作動中に燃料の噴射部に堆積する。以上のような堆積物はデポジットと呼ばれ、デポジットが噴射部に堆積してしまうと、いくら燃料噴射弁を高精度に構成したとしても、高精度な燃料噴射を行えなくなるという問題があった。
特に、複数個の噴射孔を有する燃料噴射弁の場合は噴射孔が小さくなるため、デポジットの影響が大きくなる。
このため、例えば特開平10−159688号公報(特許文献1)では、表面あらさをRz1ミクロン以下にした噴射孔表面に揮発性被覆膜を形成し、デポジットの付着抑制を向上させている。
一方、ノズルに複数の偏向した噴射孔を加工する方法として、特開2006−272484号公報(特許文献2)に開示されている放電加工がある。特許文献2に開示されている偏向した細穴(噴射孔)の加工方法では、予め、ワークにレーザ加工で下穴を明けておき、下穴を画像処理で位置決めした後に細穴を放電加工している。
特開平10−159688号公報 特開2006−272484号公報
特開平10−159688号公報においては、噴射孔(オリフィス)をドリルで加工しているため表面あらさが悪く、磨き加工で表面あらさをRz1μm以下にしている。しかし、それでもデポジットが付着し、流量低下率が10%以上になるため更に撥液処理を施している。しかし、上記従来技術では、ノズル先端面に凹部(開口部ともいう)を形成し、この凹部に噴射孔の出口を開口させることや、この凹部の表面あらさについては、配慮が無い。
また、磨き加工すると表面あらさは改善されるが、磨き加工によって噴射孔の形状や穴径が変化するため、噴射孔の形状や穴径の管理が難しくなる。
本発明は、以上のような課題を解決するため、オリフィスのみならず、オリフィスの噴射側開口部の表面あらさを向上させ、撥液処理を施すことなくデポジットの付着を防止することを目的とする。
また、プレス加工でオリフィス及び開口部を表面あらさ良く加工することにより、磨き加工が要らず、複雑な形状の噴射部でも形状,精度,表面あらさのばらつきが少なく、偏向した多数のオリフィスを生産性が良く、容易に安価に加工する方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため本発明では、オリフィスと、オリフィスの出口側につながり、前記オリフィスと段差を有する開口部とを有する噴射部において、噴射部内面の表面あらさを全てRz2μmにする。つまりオリフィスの内面及び開口部の内面全てを表面あらさRz2μm以下にする。更にオリフィス内面と、前記オリフィスの中心軸と略垂直な前記開口部底面および前記開口部内周面とに結晶粒界によって形成される深さがレーザー式の非接触顕微鏡で測定して1.5μm以下の略網の目模様を有する。
また、プレス加工で開口部を表面あらさRz0.2μm以下の塑性加工面に加工し、次に開口部の底面にプレス加工でオリフィスの表面あらさをRz0.2μm以下の塑性加工面に加工する。更にノズルの耐磨耗性が必要な場合は焼入れ処理を施し、噴射部の表面あらさをRz2μm以下に仕上げる。そして焼入れ処理の後の前記オリフィス内面と、前記オリフィスの中心軸と略垂直な前記開口部底面および前記開口部内周面とに結晶粒界によって形成される深さがレーザー式の非接触顕微鏡で測定して1.5μm以下の略網の目模様が形成されるように加工する。
本発明によれば、筒内噴射式内燃機関の燃料噴射弁でも特に複数個のオリフィス持つ燃料噴射弁のオリフィスと開口部の表面あらさをRz2μm以下にすることにより、デポジットの付着を低減でき、耐久性の良い燃料噴射弁を提供できる。
また、プレス加工で開口部及びオリフィスを表面あらさ良く加工できるので、形状,精度,表面あらさのばらつきが少なく、生産性が良く,安価な設備で容易に安価に加工することができる。
以下、本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。図1は、本発明の実施例による噴射弁の全体構成を示す縦断面図である。尚、本実施例の噴射弁は、ガソリン等の燃料を噴射する燃料噴射弁であり、自動車のエンジンに燃料を噴射するために用いられるものである。
噴射弁本体1は、コア2,ヨーク3,ハウジング4,可動子5からなる磁気回路,磁気回路を励磁するコイル6、及びコイル6に通電する端子部7から構成されている。コア2とハウジング4の間にはシールリング8が結合され、コイル6に燃料等の流体が流入するのを防いでいる。
ハウジング4の内部にはバルブ部品が収納され、可動子5,ノズルホルダ9,可動子5のストローク量を調整するリング10が配置されている。可動子5は、弁体11と可動コア12をジョイント13で結合したものであり、可動コア12とジョイント13の間にはパイプ18と共同して可動子5が閉弁した時のバウンドを抑えるプレート14を備えている。
外套部材を構成するハウジング4とノズルホルダ9は、可動子5の周囲を覆っている。ノズルホルダ9には、先端にシート面15a(弁座)及びオリフィス54〜59を有するオリフィスプレート15と、ガイドプレートA16と共に可動子5を摺動可能にガイドするガイドプレートB17とが設けられている。オリフィスプレート15、及び、ガイドプレートB17は、ノズルホルダ9に対して、それぞれ別体として構成されているものであってもよいし、これらを一体化して構成されているものでもよい。オリフィス54〜59はシート面15a(弁座)の弁体11と接するシート部の下流に入口側開口が形成されている。
コア2の内部には弁体11をシート面15aにパイプ18とプレート14を介して押圧するスプリング19,スプリング19の押圧荷重を調整するアジャスタ20,外部からのコンタミの進入を防ぐフィルター21が配置されている。
次に、上記噴射弁本体1の動作について詳細に説明する。
コイル6に通電すると、可動子5がスプリング19の付勢力に抗してコア2の方向に吸引され、可動子5の先端の弁シート部11aとシート面15aとの間に隙間ができる(開弁状態)。加圧されている燃料はまずコア2,アジャスタ20,パイプ18から可動子5内の燃料通路13a経てノズルホルダ9内に入る。次にガイドプレートA16の燃料通路16a,ノズルホルダの通路9aから、ガイドプレートBの通路17aに入り、弁シート部11aとシート面15aの隙間からオリフィス54〜59を経て噴射される。オリフィス54〜59は、噴射弁の軸線に対して偏向した方向に、異なる角度で形成されている。
一方、コイル6の電流を遮断した場合には、可動子5の弁シート部11aがスプリング19の力でシート面15aに当接し、閉弁状態となる。
次に、上記噴射弁本体1のオリフィスプレート15及びオリフィス54〜59の構成について詳細に説明する。
図2,図3は本発明の一実施形態であって、図2はオリフィスプレート15の斜視図であり、図3はオリフィスプレート15の縦断面図である。
オリフィスプレート15は、略円板状の金属製のプレートからなり、一端面の略中央部には、凸状の曲面部としての球面部30が一体的に設けられており、球面部30の反対側端面には、弁座を構成する段差を有する略円錐形状のシート面15aが設けられている。
この球面部30には、燃料を噴射するためのオリフィス54,55,56,57,58,59が、ノズルの軸線に対して角度をもった方向、つまり、偏向した方向に異なる角度で形成されており、位置決め穴31a,31b,31cに対して決められた方向に配置されている。オリフィス54〜59の下流側となる球面部30に開口する側には、段差を形成する略円形の開口部A54a,55a,56a,57a,58a,59aが設けられ、その上流側となるオリフィスと繋がる側には、開口部Aよりも小径、かつ、略円形の開口部B54b,55b,56b,57b,58b,59bが開口部Aの底部に設けられているので、開口部は全体として2段の段差を有する凹部となっている。また、開口部A及び開口部Bの底面はオリフィスの中心軸線と略直角な面となるように形成されており、これらの開口部A及び開口部Bの中心軸線とオリフィスの中心軸線は、ほぼ一直線となるようになっている。尚、開口部Aの深さは、オリフィスの長さよりも小さく、開口部Bの深さより小さくなっている。
オリフィス長さはペネトレーションの長さへの感度が大きいため、例えば、噴霧形状,加工性を考えてオリフィス54の長さを最適に設定するためには、開口部B54bの深さを適時変更すればよい。他のオリフィスについても同様である。開口部Bの深さを変えることによりオリフィスの長さを変えることができ、噴霧形状の最適化や、加工性を向上させることが可能となる。このため、オリフィス毎に開口部Bの少なくとも2つは、深さが異なっている。
以上の中でオリフィス,開口部A,開口部Bが燃料の噴射部となり、各々の内面は表面あらさRz2μm以下の塑性加工面に焼入れを施した加工面になっている。
次に、オリフィスプレート15の加工方法,噴射部の表面あらさについて、図4〜図19に基づいて説明する。
図4は、オリフィスプレート15の一連の加工工程図である。図5は、開口部加工パンチの外観図である。図6は、オリフィス加工パンチの外観図である。図7は、ブランク15′の縦断面図である。図8は、位置決め穴が形成されたオリフィスプレートの縦断面図である。図9は、開口部Aが形成されたオリフィスプレートの縦断面図である。図10は、開口部A及び開口部Bが形成されたオリフィスプレートの縦断面図である。図11は、開口部A及び開口部B及びオリフィスが形成されたオリフィスプレートの縦断面図である。図12は、シート面とキャビティ部を機械加工した断面図である。図13は、シート面を研削加工で仕上げ加工した図である。図14は、位置決め穴を加工している状態の図である。図15は、開口部Aを加工している状態の図である。図16は、開口部Bを加工している状態の図である。図17は、オリフィスを加工している状態の図である。図18は、開口部A及び開口部B及びオリフィスをプレス加工した表面状態を示すSEM写真である。図19は、焼入れを施した後の開口部B及びオリフィスの表面状態を示すSEM写真である。
以下、オリフィスプレート15の加工工程について、図4〜図17に基づいて説明する。
図4はオリフィスプレート15の一連の加工工程を示すもので、各工程におけるオリフィスプレート15は図7〜図11に示す形状になる。
まずプレス加工用のパンチについて説明する。図5は開口部加工用のパンチ43,44であり切り刃部43a,44aの寸法を変えることで開口部Aと開口部Bに対応している。切り刃部43a,44aの先端には角R43b,44bが設けられ、角Rにより材料の塑性流動性を良くして切り刃部の表面あらさを開口部に転写成形する。このため切り刃部は表面あらさRz0.2μm以下の鏡面に磨き加工され、更に耐焼付き性を向上させるためにTINやTICNなどのセラミックコーティングが施されている。
図6はオリフィス加工用のパンチ45であり、切刃部45aは先端端面にテーパ部45b,先端角部に角R45cを有し、ランド45dは先端径より僅かに小径になっている。オリフィスは開口部に比べて小径深穴となるために材料の塑性流動性をより良くする必要があり、角R45cに加えてテーパ部45bを設け、切り刃部45aの表面あらさをオリフィスに転写成形する。更に、刃先部側面とオリフィス成形面との摩擦面を極力小さくして焼付きなどによる表面あらさの悪化を防止するため、ランド45dは先端径より小さくしてオリフィス内面と擦れるのを防いでいる。また、開口部加工用パンチと同様に切刃部45aは表面あらさRz0.2μm以下の鏡面に磨き加工され、更に耐焼付き性を向上させるためにTINやTICNなどのセラミックコーティングが施されている。
オリフィスプレート15の各加工工程は、図7に示すように、端面の略中央部に球面部30を有した略円板状のブランク15′を切削加工や塑性加工にて製作する。また、ブランク15′における球面部30の反対側端面には、椀状の凹部が形成されている。
次に噴射部をプレス加工する。この工程はブランク15′をチャックしたまま、位置決め穴31,開口部A54a〜59a,開口部B54b〜59b,オリフィス54〜59を連続してプレス加工するものである。
図14に示すように、球面部30が形成されたブランク15′をダイ41の上面に設置し、外径をコレットチャック42で強固に保持する。更に、ブランク15′を保持したままパンチ40の切り刃部40aで球面部30の外周側を押圧し、位置決め穴31aを加工する。同様に位置決め穴31b,31cを加工する。このように、ブランク15′にプレス加工により位置決め穴31a,31b,31cを成形することで、図2と図8に示すような、球面部30の外周側3箇所に位置決め穴31a,31b,31cを有するオリフィスプレート15が得られる。
次に、図15に示すように、オリフィスプレート15をコレットチャック42で保持したままの状態で、パンチ43の切り刃部43aで球面部30を押圧し、開口部A54aを袋穴状に押出し加工する。同様に開口部A55a,56a,57a,58a,59aを加工する。尚、開口部Aの加工は、プレス加工するとともに表面を加工硬化させるものであってもよい。このように、オリフィスプレート15にプレス加工により開口部Aを成形することで、図9に示すような、球面部30に開口部Aの中心軸線とほぼ直角な面を有する表面あらさRz0.2μm以下の開口部Aが形成される。
次に、図16に示すように、オリフィスプレート15をコレットチャック42で保持したままの状態で、開口部Aを成形したパンチ43と同じ方向からパンチ44の切り刃部44aで開口部A54aの底面を押圧し、開口部B54bを袋穴状に押出し加工する。同様に開口部B55b,56b,57b,58b,59bを加工するが、加工する順番はオリフィスの偏向方向により適時決定する。尚、開口部Bの加工は、プレス加工するとともに表面を加工硬化させるものであってもよい。このように、オリフィスプレート15にプレス加工により開口部Bを成形することで、図10に示すような、開口部Aの底面に表面あらさRz0.2μm以下の開口部Bを有するオリフィスプレート15が得られる。
次に、図17に示すように、オリフィスプレート15をコレットチャック42で保持したままの状態で、開口部B54bの底面部に直角にパンチ45の切り刃部45aを押圧し、オリフィス54を袋穴状に押出し加工する。同様にオリフィス55,56,57,58,59を加工するが、加工する順番はオリフィスの偏向方向により適時決定する。このように、オリフィスプレート15にプレス加工によりオリフィスを成形することで、図11に示すような、開口部Bの底面にオリフィスを有するオリフィスプレート15が得られる。尚、オリフィスプレート15は、コレットチャック42で保持された状態であるため、位置決め穴を基準として開口部A,開口部B,オリフィスの中心軸線がほぼ一直線となるように、位置精度良く加工される。また、オリフィスは、袋穴状にプレス加工することにより内面を全成形面に加工でき、破断面などがなく表面あらさRz0.2μm以下にすることができる。
ここで、開口部A,開口部Bをプレス加工するときに材料は15bのように前方に押出されるため、オリフィス加工部の板厚をブランク時より厚くでき、破断面が発生するのを抑止することができる。
また、ブランクの板厚を薄く出来るため、オリフィス加工時の加工応力を低くすることができ、オリフィス精度の向上やパンチ寿命を向上することが出来る。
さらに、開口部A,開口部Bを押出し加工することでオリフィス加工部が部分的に盛り上がるため(15b)、オリフィスを加工したときに隣接したオリフィスへの材料流動が緩和され、先に加工されたオリフィスが変形しにくく高精度に加工できる。
加えて、各々のオリフィスを袋穴状に加工しているため剛性が高く、隣接したオリフィスをプレス加工した際に既に加工したオリフィスが変形しにくく、高精度に加工することが出来る(打抜いてしまうとオリフィスの剛性が下がるため、隣の穴を打抜いた際に変形し易くなる)。
次に、図12に示すようにキャビン15d,略円錐状のシート面15a(弁座)を加工する。オリフィスを袋穴状に成形することによって球面部30の反対側端面の凹部に形成された押出し部15bは、キャビン15d,略円錐状のシート面15a(弁座)を加工することで削除され、オリフィス54〜59が6ヶ同時にシート面15a側に貫通する。このときの加工方法は切削加工、あるいは放電加工で行う。これによりオリフィスをプレス加工による全成形面で形成することが出来る。
図18は焼入れ処理前の噴射部の外観を示すSEM写真である。開口部A54a,開口部B54b,オリフィス54とも鏡面に加工されており、このときの噴射部内面の表面あらさはRz0.2μm以下である。
次に可動弁5の衝突面となるシート面15aの耐磨耗性を向上させるために、オリフィスプレート15に焼入れ処理を施し、例えばマルテンサイトステンレス鋼SUS420J2材の場合HRC52〜56の硬さにする。この時、オリフィスプレート15はマルテンサイト変態により再結晶を起こし、開口部A及び開口部B及びオリフィス内面の表面あらさはRz2μm以下になる。
図19は焼入れ処理を施した噴射部の外観SEM写真であり、噴射部の表面には網の目模様のような結晶粒界がはっきり分る。噴射部の表面あらさはレーザ式の非接触顕微鏡で測定するとRz2μm以下になるが、そのうち結晶粒界部分の深さが1〜1.5μmである。また接触式の面あらさ測定器ではRz0.5μm以下であり、結晶粒界の深さを測定できない。このため測定方法により噴射部の表面あらさが異なって表示される。本発明ではレーザ方式の非接触顕微鏡の値を用いている。
次に図13に示すように、焼入れ後シート面15aを研削加工で仕上げ加工して、真円度,面あらさを向上させ、弁シート部11aとの間で油密性を向上させる。
最後にシート面仕上げ加工でオリフィスの上流側に発生したバリを取り除き、オリフィスプレートが完成する。このときのバリ取り方法は種々考えられるが、オリフィスが複数個あるため、ウォータージェットなどで一度にバリ取りするのが好ましい。
以上の工程で製作することにより、複数個の、しかも各々偏向角が異なるオリフィスと開口部を表面あらさRz2μm以下で形状,精度,表面あらさのばらつきが少なく、生産性が良く、容易に安価に製作することが出来る。
このため、筒内噴射時に燃料が燃焼して生じるカーボン等のデポジットが開口部A,開口部B、及びオリフィスへ付着することを低減でき、初期状態の性能を保ったままの耐久性の良い燃料噴射弁を提供することができる。
例えば、ガソリン車の実車走行試験において、放電加工によりオリフィス(表面あらさRz5.5μm)を加工した開口部が1段であるオリフィスプレートを使用した燃料噴射弁は、30,000km走行後にデポジット等が開口部とオリフィスに付着し、流量が15%低下することが実験的で明らかになっている。
一方本発明品は、放電加工品に比べて開口部A、及び開口部B、及びオリフィスの表面あらさが良いため、デポジットの開口部A、及び開口部B、及びオリフィスへの付着を低減でき、42,000km走行後の流量は変化しなかった。
また、ブランクをチャックしたまま位置決め穴,開口部A,開口部B、及びオリフィスを加工することにより、噴射弁の軸線に対して偏向した複数個のオリフィスを位置合せを必要とすること無く、各工程で位置精度良く加工することができる。
また、本発明法によりオリフィスをプレス加工する方法は、放電加工でオリフィスを加工する方法と比べ、1穴当りの加工時間を1/30程度に短縮できるため、設備投資を抑えることができ、安価なオリフィスプレートを提供することができる。
以上、本発明の実施例を具体的に説明したが、本発明はこれに限られることなく、発明思想の範囲内で種々の変更が可能である。例えば、上記実施例では開口部Aが形成される領域を球面部30として説明したが、球面以外の曲面状のもの(曲面部)であってもよい。また、開口部Aをなくし、開口部Bだけの1段形状でも良い。
本発明の実施例を示す噴射弁の全体構成を示す縦断面図。 本発明の実施例を示すオリフィスプレートの斜視図。 本発明の実施例を示すオリフィスプレートの縦断面図。 本発明の実施例を示すオリフィスプレートの加工工程図。 本発明の実施例を示す開口部加工パンチの外観図。 本発明の実施例を示すオリフィス加工パンチの外観図。 本発明の実施例を示すオリフィスプレートブランクの縦断面図。 本発明の実施例を示す位置決め穴加工後の縦断面図。 本発明の実施例を示す開口部A加工後の縦断面図。 本発明の実施例を示す開口部B加工後の縦断面図。 本発明の実施例を示すオリフィス加工後の縦断面図。 本発明の実施例を示すシート面荒加工後の縦断面図。 本発明の実施例を示すシート面仕上げ加工後の縦断面図。 本発明の実施例を示す位置決め穴プレス加工の縦断面図。 本発明の実施例を示す開口部Aプレス加工の縦断面図。 本発明の実施例を示す開口部Bプレス加工の縦断面図。 本発明の実施例を示すオリフィスプレス加工の縦断面図。 本発明の実施例を示す開口部A及び開口部B及びオリフィスをプレス加工した表面状態を示すSEM写真。 本発明の実施例を示す焼入れを施した後の開口部B及びオリフィスの表面状態を示すSEM写真。
符号の説明
1 噴射弁本体
15 オリフィスプレート
15a シート面
30 球面部
31 位置決め穴
40,43,44 パンチ
41 ダイ
42 コレットチャック
54〜59 オリフィス
54a〜59a 開口部A
54b〜59b 開口部B

Claims (5)

  1. 弁体が着座する弁座と、前記弁体が接する前記弁座のシート部の下流側に設けられたオリフィスと、前記オリフィスの出口側に前記オリフィスとつながり、前記オリフィスと段差を有する開口部とを有するノズルを備えた燃料噴射弁において、
    前記オリフィス内面と、前記オリフィスの中心軸と略垂直な前記開口部底面および前記開口部内周面とに結晶粒界によって形成される深さがレーザー式の非接触顕微鏡で測定して1.5μm以下の略網の目模様を有し、前記オリフィス内面と、前記オリフィスの中心軸と略垂直な前記開口部底面および前記開口部内周面の表面あらさをRz2μm以下にしたことを特徴とする燃料噴射弁。
  2. 請求項1に記載の燃料噴射弁において、前記開口部は1段、または2段であることを特徴とする燃料噴射弁。
  3. 請求項1に記載の燃料噴射弁において、前記オリフィスは燃料噴射弁の軸線に対して各々別方向に偏向した複数個からなることを特徴とする燃料噴射弁。
  4. 弁体が着座する弁座と、前記弁体が接する前記弁座のシート部の下流側に設けられたオリフィスと、前記オリフィスの噴射側に前記オリフィスとつながり、前記オリフィスと段差を有する開口部とを有するノズルの加工方法において、
    前記開口部をプレス加工で袋穴状の表面あらさRz0.2μm以下の塑性加工面に加工し、
    前記開口部の底面に前記オリフィスをプレス加工で表面あらさRz0.2μm以下の塑性加工面に加工し、
    前記ノズルに焼入れ処理を施して前記オリフィス内面と、前記オリフィスの中心軸と略垂直な前記開口部底面および前記開口部内周面の表面あらさをRz2μm以下にし、前記焼入れ処理の後の前記オリフィス内面と、前記オリフィスの中心軸と略垂直な前記開口部底面および前記開口部内周面とに結晶粒界によって形成される深さがレーザー式の非接触顕微鏡で測定して1.5μm以下の略網の目模様が形成されることを特徴とするノズルの加工方法。
  5. 請求項4に記載のノズルの加工方法において、前記ノズルは炭素量が0.25%以上のマルテンサイト系ステンレス鋼であり、焼入れ後の硬さがHRC52以上であることを特徴とするノズルの加工方法。
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