JP6260316B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関（以下、「エンジン」という）に燃料を直接噴射する燃料噴射弁に関する。

従来、エンジンの燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁は、燃料を加圧する高圧ポンプに接続するデリバリパイプとエンジンのシリンダヘッドとの間に設けられている。例えば、特許文献１には、シリンダヘッドに対するデリパリパイプの位置ずれに応じて回転運動を可能なよう回転中心となる部位が噴孔の近傍に設けられている燃料噴射弁が記載されている。

特開２０１１−１９６２９３号公報

デリバリパイプとシリンダヘッドとの間に設けられる燃料噴射弁は、シリンダヘッドと燃料噴射弁とを組み付けるとき、組み付け位置のずれを許容するトレランスリングを介してシリンダヘッドに組み付けられる。一方、比較的低温の環境において内燃機関を運転すると、シリンダヘッドが内燃機関における燃焼の熱によって膨張しデリバリパイプを流れる比較的低温の燃料によってデリバリパイプが収縮する。このため、組み付け時に位置合わせされたシリンダヘッドに対するデリバリパイプの位置がずれ、噴孔を有する噴射部が接続するシリンダヘッドの部位と燃料噴射弁内に燃料を導入する燃料導入パイプが接続するデリバリパイプの部位との距離が変化する。特許文献１に記載の燃料噴射弁では、シリンダヘッドに対するデリバリパイプの位置がずれるとき噴孔の近傍を中心として回転するため、当該距離の変化が大きいと対応しきれず変形するおそれがある。また、当該距離の変化がトレランスリングに許容し切れない場合、燃料噴射弁が変形し燃料噴射弁の噴射特性を低下させるおそれがある。

本発明の目的は、燃料噴射特性の低下を防止する燃料噴射弁を提供することにある。

本発明は、内燃機関が有する燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁であって、噴孔を有するハウジングと、ハウジングの軸方向に往復移動可能なようハウジングに収容され噴孔を開閉するニードルと、コイルと、固定コアと、可動コアと、ハウジングと内燃機関との間に設けられハウジングと内燃機関とを組み付けるときの組み付け位置のずれを許容するトレランスリングと、トレランスリングに直接当接しつつ内燃機関とトレランスリングとの間に設けられるワッシャと、を備える。ワッシャは、内燃機関とトレランスリングとの間の摩擦を低減し、ハウジングの軸方向に対して垂直な方向の移動を許容することを特徴とする。

本発明の燃料噴射弁は、トレランスリングと内燃機関との間にトレランスリングと内燃機関との間の摩擦を低減するワッシャを備えている。燃料噴射弁の実使用時に内燃機関に対するデリバリパイプの位置ずれによって燃料噴射弁に変形可能な程度の力が作用すると、本発明の燃料噴射弁は、ハウジングの軸方向に対して垂直な方向に移動する。ここで、「垂直」とは、厳密な意味での垂直のみではなく、目視によってハウジングの軸方向に対して垂直であると認識可能な程度の角度の関係を指す。これにより、本発明の燃料噴射弁では、内燃機関に対するデリバリパイプの位置ずれによって燃料噴射弁が変形することを防止する。したがって、変形による燃料噴射特性の低下を防止し、燃料噴射弁の破損を防止する。

本発明の第１実施形態による燃料噴射弁の断面図である。 図１のＩＩ部拡大図である。 燃料噴射弁の組み付け時及び実使用時におけるシリンダヘッドとデリバリパイプとの位置関係を説明する模式図である。 本発明の第１実施形態による燃料噴射弁の燃料噴射特性を示す特性図である。 本発明の第２実施形態による燃料噴射弁の断面図である。 図５のＶＩ部拡大図である。 本発明の第３実施形態による燃料噴射弁の断面図である。 図７のＶＩＩＩ部拡大図である。

以下、本発明の複数の実施形態について図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による燃料噴射弁１を図１、２に示す。燃料噴射弁１は、「内燃機関」としてのエンジン１０のシリンダヘッド１００に設けられ、デリバリパイプ９０を流れる燃料としてのガソリンをエンジン１０の図示しない「燃焼室」としてのシリンダ内に直接噴射する。なお、図１には、ニードル３０が弁座２４３から離間する方向である開弁方向、およびニードル３０が弁座２４３に当接する方向である閉弁方向を図示する。

最初に、燃料噴射弁１の構造を説明する。燃料噴射弁１は、ハウジング２０、ニードル３０、可動コア３７、固定コア３８、コイル３９、スプリング２６、２８、トレランスリング４０、ワッシャ４５などを備える。

ハウジング２０は、図１に示すように、第１筒部材２１、第２筒部材２２、第３筒部材２３、及び、噴射ノズル２４から構成されている。第１筒部材２１、第２筒部材２２及び第３筒部材２３は、いずれも略円筒状に形成され、第１筒部材２１、第２筒部材２２、第３筒部材２３の順に同軸となるよう配置され、互いに接続している。

第１筒部材２１および第３筒部材２３は、例えばフェライト系ステンレス等の磁性材料により形成され、磁気安定化処理が施されている。一方、第２筒部材２２は、例えばオーステナイト系ステンレス等の非磁性材料により形成されている。

噴射ノズル２４は、第１筒部材２１の第２筒部材２２とは反対側の端部に設けられている。噴射ノズル２４は、例えばマルテンサイト系ステンレス等の金属により有底筒状に形成されている。噴射ノズル２４は、噴射部２４１及び筒部２４２から形成されている。
噴射部２４１は、ハウジング２０の内部と外部とを連通する複数の噴孔２５を有する。噴孔２５のハウジング２０の内部側の開口である内側開口の縁には環状の弁座２４３が形成されている。
筒部２４２は、略筒状に形成されている。筒部２４２は、噴射部２４１の径方向外側に接続し、噴射部２４１と第１筒部材２１との間に設けられている。

ニードル３０は、例えばマルテンサイト系ステンレス等の金属により形成されている。ニードル３０は、噴射ノズル２４の硬度とほぼ同等になるよう焼入れ処理が施されている。ニードル３０は、ハウジング２０内に収容されている。ニードル３０は、軸部３１、シール部３２、及び、大径部３３などから構成されている。軸部３１、シール部３２、及び、大径部３３は、一体に形成される。

軸部３１は、円筒棒状に形成されている。軸部３１のシール部３２の近傍には、摺接部３５が形成されている。摺接部３５は、略円筒状に形成され、外壁３５１の一部が面取りされている。摺接部３５は、外壁３５１の面取りされていない部分が噴射ノズル２４の筒部２４２の内壁と摺接可能である。これにより、ニードル３０は、弁座２４３側の先端部での往復移動が案内される。軸部３１には、軸部３１の内壁と外壁とを接続する孔３１１が形成されている。

シール部３２は、軸部３１の弁座２４３側の端部に設けられ、弁座２４３に当接可能である。ニードル３０は、シール部３２が弁座２４３から離間または弁座２４３に当接すると噴孔２５を開閉し、ハウジング２０の内部と外部とを連通または遮断する。

大径部３３は、軸部３１のシール部３２とは反対側に設けられている。大径部３３は、その外径が軸部３１の外径より大きくなるよう形成されている。大径部３３の弁座２４３側の端面は、可動コア３７に当接している。

ニードル３０は、摺接部３５が噴射ノズル２４の内壁により支持され、軸部３１が可動コア３７を介して第２筒部材２２の内壁により支持されつつ、ハウジング２０の内部をハウジング２０の軸方向に往復移動する。

可動コア３７は、例えばフェライト系ステンレス等の磁性材料により略円筒状に形成され、表面には例えばクロムめっきが施されている。可動コア３７は、磁気安定化処理が施されている。可動コア３７の硬度は比較的低く、第１筒部材２１および第３筒部材２３の硬度と概ね同等である。可動コア３７の略中央には貫通孔３７２が形成されている。貫通孔３７２には、軸部３１が挿通されている。

固定コア３８は、例えばフェライト系ステンレス等の磁性材料により略円筒状に形成されている。固定コア３８は、磁気安定化処理が施されている。固定コア３８の硬度は可動コア３７の硬度と概ね同等であるが、可動コア３７のストッパとしての機能を確保するために表面に例えばクロムめっきを施し、必要な硬度を確保している。固定コア３８は、第３筒部材２３と溶接され、ハウジング２０の内側に固定されるよう設けられている。

コイル３９は、略円筒状に形成され、主に第２筒部材２２および第３筒部材２３の径方向外側を囲むよう設けられている。コイル３９は、電力が供給されると磁力を生じる。コイル３９に磁力が生じるとき、固定コア３８、可動コア３７、第１筒部材２１および第３筒部材２３に磁気回路が形成される。これにより、固定コア３８と可動コア３７との間に磁気吸引力が発生し、可動コア３７は、固定コア３８に吸引される。このとき、可動コア３７の弁座２４３側とは反対側の面に当接しているニードル３０は、可動コア３７とともに固定コア３８側、すなわち開弁方向へ移動する。

スプリング２６は、一端が大径部３３のスプリング当接面３３１に当接するよう設けられている。スプリング２６の他端は、固定コア３８の内側に圧入固定されたアジャスティングパイプ１１の一端に当接している。スプリング２６は、ハウジング２０の軸方向に伸びる力を有している。これにより、スプリング２６は、ニードル３０を可動コア３７とともに弁座２４３の方向、すなわち閉弁方向に付勢している。

スプリング２８は、一端が可動コア３７の段差３７１に当接するよう設けられている。スプリング２８の他端は、第１筒部材２１の内側に形成された環状の段差面２１１に当接している。スプリング２８は、ハウジング２０の軸方向に伸びる力を有している。これにより、スプリング２８は可動コア３７をニードル３０とともに弁座２４３とは反対の方向、すなわち開弁方向に付勢している。
本実施形態では、スプリング２６の付勢力は、スプリング２８の付勢力よりも大きく設定されている。これにより、コイル３９に電力が供給されていない状態では、シール部３２は、弁座２４３に着座した状態、すなわち、閉弁状態となる。

第３筒部材２３の第２筒部材２２とは反対側の端部には、略円筒状の燃料導入パイプ１２が圧入および溶接されている。燃料導入パイプ１２の内側には、フィルタ１３が設けられている。フィルタ１３は、燃料導入パイプ１２の導入口１４から流入した燃料に含まれる異物を捕集する。

燃料導入パイプ１２および第３筒部材２３の径方向外側は、樹脂から形成されているモールド部１５が設けられている。モールド部１５の径方向外側のコネクタ１５１が形成されている。コネクタ１５１には、コイル３９へ電力を供給するための端子１６がインサート成形されている。また、コイル３９の径方向外側には、コイル３９を覆うよう筒状の第１ホルダ１７が設けられている。

次に、第１実施形態による燃料噴射弁１が設けられる位置について説明する。燃料噴射弁１は、図１に示すように、シリンダヘッド１００とデリバリパイプ９０との間に設けられている。

燃料噴射弁１の第１筒部材２１側は、シリンダヘッド１００が有する貫通孔１０１に挿入されている。このとき、図２に示すように、第１ホルダ１７が有するテーパ面１７１は、トレランスリング４０及びワッシャ４５などを介して貫通孔１０１を形成する内壁１０２に当接している。トレランスリング４０は、燃料噴射弁１の製造工程において燃料噴射弁１とシリンダヘッド１００とを組み付けるとき、加工精度に起因するシリンダヘッド１００と燃料噴射弁１との組み付け位置のずれを吸収し、位置ずれを許容する。ワッシャ４５のトレランスリング４０と当接する第１当接面４５１には、摩擦を低減する「潤滑性のコーティング」としての潤滑膜４５２が形成されている。また、ワッシャ４５のシリンダヘッド１００の内壁１０２と当接する第２当接面４５３には、摩擦を低減する「潤滑性のコーティング」としての潤滑膜４５４が形成されている。エンジン１０が有するシリンダの貫通孔１０１における気密は、第１筒部材２１の噴射ノズル２４側の端部の径方向外側に設けられる環状のシール部材４１によって維持されている。

また、燃料噴射弁１の燃料導入パイプ１２側は、デリバリパイプ９０の接続部９１が有する流通路９１１に挿入されている。このとき、流通路９１１の液密は、燃料導入パイプ１２の径方向外側に設けられる環状のシール部材４２によって維持されている。また、モールド部１５の径方向外側であってコネクタ１５１とは反対側には、モールド部１５を支持しつつデリバリパイプ９０に当接する第２ホルダ１９が設けられている。第２ホルダ１９のデリバリパイプ９０側の端部１９１は、接続部９１のエンジン１０側の端面９１２に当接している。

燃料噴射弁１において、デリバリパイプ９０が供給する燃料は、導入口１４、固定コア３８の径内方向、アジャスティングパイプ１１の内部、大径部３３及び軸部３１の内側、固定コア３８、第１筒部材２１とニードル３０の軸部３１との間の隙間を流通し、噴射ノズル２４の内部に導かれる。すなわち、導入口１４から第１筒部材２１とニードル３０の軸部３１との間の隙間までが、噴射ノズル２４の内部に燃料を導入する燃料通路１８となる。

次に、第１実施形態による燃料噴射弁１の作用を図３に基づいて説明する。図３は、シリンダヘッド１００、複数の燃料噴射弁、及び、デリバリパイプ９０の位置関係を模式的に示した図であって、図３（ａ）は、製造工程においてシリンダヘッド１００と燃料噴射弁とデリバリパイプ９０とを組み付けたときの位置関係を示す。また、図３（ｂ）は、比較的低温の環境下においてエンジン１０を駆動しているときの位置関係を示す。なお、図３では、複数の燃料噴射弁を便宜的に紙面の左側から燃料噴射弁６、７、８とする。

図３（ａ）に示すように、シリンダヘッド１００と燃料噴射弁６、７、８とデリバリパイプ９０とを組み付けたとき、複数の燃料噴射弁６、７、８は、シリンダヘッド１００に対して所定の位置に組み付けられる。このとき、シリンダヘッド１００やデリバリパイプ９０に対する燃料噴射弁１の位置ずれは、トレランスリング４０によって修正される。

しかしながら、図３（ｂ）に示すように、比較的低温の環境下においてエンジン１０を駆動しているとき、シリンダヘッド１００はシリンダにおける燃焼によって高温となるため、白抜き矢印Ｄ１の方向に伸びるよう膨張する。一方、デリバリパイプ９０は、内部を流れるガソリンが低温であるため、白抜き矢印Ｄ２の方向に縮むよう収縮する。このため、シリンダヘッド１００とデリバリパイプ９０との間で位置ずれが発生する。
具体的には、図３（ｂ）に示すように、三個の燃料噴射弁５、６、７のうち、シリンダヘッド１００やデリバリパイプ９０に対して略中央にある燃料噴射弁６は、シリンダヘッド１００の膨張やデリバリパイプ９０の収縮による影響を受けにくく、燃料噴射弁６の中心軸φ６が傾くような力は作用しない。しかしながら、燃料噴射弁６の左側にある燃料噴射弁５は、中心軸φ５が燃料噴射弁６の方に傾くよう力が作用する。また、燃料噴射弁６の右側にある燃料噴射弁７は、中心軸φ７が燃料噴射弁６の方に傾くよう力が作用する。

また、燃料噴射弁では、実使用時において、シリンダヘッドとトレランスリングとが当接する面は、第２ホルダによるデリバリパイプからの荷重及び燃料噴射弁に供給される燃料の圧力である燃圧によってシリンダヘッドが有する貫通孔の内壁に押さえつけられる。この押さえつけによってトレランスリングとシリンダヘッドとの間の摩擦力が大きくなり、シリンダヘッドに対する燃料噴射弁の移動、特に、ハウジングの中心軸に対して垂直な方向への移動が困難になる。ここで、「垂直」とは、厳密な意味での垂直のみではなく、目視によってハウジングの軸方向に対して垂直であると認識可能な程度の角度の関係を指す。このため、シリンダヘッドとデリバリパイプとの間での位置ずれによって燃料噴射弁に燃料噴射弁の中心軸方向とは異なる方向の力が作用し、燃料噴射弁の噴射特性が低下する。

図４にシリンダヘッドに対して燃料噴射弁が移動可能となる横方向の荷重と燃圧との関係に関する実験結果を示す。図４には、第１実施形態による燃料噴射弁１における横方向の荷重と燃圧との関係を示す実験結果を記号○で示し、比較例としてトレランスリングとシリンダヘッドとの間にワッシャを有していない燃料噴射弁における横方向の荷重と燃圧との関係を示す実験結果を記号×で示す。

図４に示すように、燃料噴射弁では、燃圧が大きくなるとシリンダヘッドに対して燃料噴射弁が移動可能となる横方向の荷重が大きくなる。すなわち、燃圧が大きくなるとシリンダヘッドに対する燃料噴射弁の移動が困難になることを示している。
第１実施形態による燃料噴射弁１の実験結果と比較例の燃料噴射弁の実験結果を比べると、同じ燃圧において、第１実施形態による燃料噴射弁１が移動可能となる横方向の荷重は、比較例の燃料噴射弁が移動可能となる横方向の荷重に比べて小さくなることが明らかとなった。すなわち、第１実施形態による燃料噴射弁は、比較例の燃料噴射弁に比べ、燃圧が大きくなっても小さい荷重で横滑りすることができる。

このように、第１実施形態による燃料噴射弁１では、トレランスリング４０とシリンダヘッド１００との間に設けられるワッシャ４５によって、シリンダヘッド１００に対して燃料噴射弁１が移動しやすくなっている。これにより、シリンダヘッド１００とデリバリパイプ９０との位置ずれによって燃料噴射弁１に作用する力をシリンダヘッド１００に対する燃料噴射弁１の移動によって逃し、当該力によって燃料噴射弁１が変形することを防止する。したがって、燃料噴射弁１の変形によって燃料噴射弁１の燃料噴射特性が低下することを防止することができる。また、燃料噴射弁１の破損を防止することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による燃料噴射弁を図５、６に基づいて説明する。第２実施形態は、ワッシャの数が第１実施形態と異なる。なお、第１実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。

第２実施形態による燃料噴射弁２には、トレランスリング４０とシリンダヘッド１００の内壁１０２との間に２枚のワッシャ５５、５６が設けられている。ワッシャ５５のトレランスリング４０と当接する第１当接面５５１には、「潤滑性のコーティング」としての潤滑膜５５２が形成されている。また、ワッシャ５６のシリンダヘッド１００の内壁１０２と当接する第２当接面５６１には、「潤滑性のコーティング」としての潤滑膜５６２が形成されている。

燃料噴射弁２では、トレランスリング４０とシリンダヘッド１００との間に設けられる２枚のワッシャ５５、５６によって、シリンダヘッド１００に対して燃料噴射弁２が移動しやすくなっている。これにより、第２実施形態は、第１実施形態と同じ効果を奏する。

また、例えば、シリンダヘッド１００が、ステンレスから形成されているトレランスリング４０に比べ柔らかいアルミニウムから形成される場合、デリバリパイプ９０が供給する燃料の燃圧や第２ホルダ１９によるデリバリパイプ９０からの荷重によってワッシャ５６に当接するシリンダヘッド１００の内壁１０２が変形し、ワッシャ５６が埋没するおそれがある。第２実施形態による燃料噴射弁２では、内壁１０２の変形によってワッシャ５６がシリンダヘッド１００に埋没しても、ワッシャ５５によって横滑りしやすくなっている。これにより、第２実施形態による燃料噴射弁２は、シリンダヘッド１００が変形してもシリンダヘッド１００とデリバリパイプ９０との位置ずれによって燃料噴射弁２の燃料噴射特性が低下することをさらに防止することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による燃料噴射弁を図７、８に基づいて説明する。第３実施形態は、トレランスリングに潤滑膜が形成されている点が第１実施形態と異なる。なお、第１実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。

第３実施形態による燃料噴射弁３には、第１ホルダ１７とシリンダヘッド１００との間にトレランスリング４０が設けられている。トレランスリング４０のシリンダヘッド１００の内壁１０２と当接する第３当接面４０１には、潤滑膜４０２が形成されている。

第３実施形態による燃料噴射弁３では、トレランスリング４０とシリンダヘッド１００との間に形成されている潤滑膜４０２によって、シリンダヘッド１００に対して燃料噴射弁３が移動しやすくなっている。これにより、第３実施形態は、第１実施形態と同じ効果を奏する。

（他の実施形態）
（ア）第１実施形態では、ワッシャの第１当接面及び第２当接面に潤滑膜が形成されているとした。第２実施形態では、トレランスリング側のワッシャの第１当接面及びシリンダヘッド側のワッシャの第２当接面に潤滑膜が形成されているとした。しかしながら、これらの当接面に潤滑膜が形成されていなくてもよい。

（イ）第１実施形態では、ワッシャは１枚設けられるとした。第２実施形態では、ワッシャは２枚設けられるとした。しかしながら、設けられるワッシャの数はこれに限定されない。第３実施形態のようにワッシャはなくてもよいし、３枚以上設けてもよい。

以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１、２、３ ・・・燃料噴射弁、
１０ ・・・エンジン（内燃機関）、
２５ ・・・噴孔、
２４３ ・・・弁座、
１８ ・・・燃料通路、
２０ ・・・ハウジング、
３０ ・・・ニードル、
３９ ・・・コイル、
３８ ・・・固定コア、
３７ ・・・可動コア、
４０ ・・・トレランスリング（ずれ許容部材）、
４５、５５、５６・・・ワッシャ
４５２、４５４、５５２、５６２・・・潤滑膜（潤滑性のコーティング）。

Claims (3)

1. 内燃機関（１０）が有する燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁（１，２、３）であって、
   軸方向の一端に形成され燃料が噴射される噴孔（２５）、前記噴孔の周囲に形成される弁座（２４３）、及び、前記噴孔への燃料が流通する燃料通路（１８）を有する筒状のハウジング（２０）と、
   前記ハウジングの軸方向に往復移動可能なよう前記ハウジングに収容され、前記弁座に離間または当接すると前記噴孔を開閉するニードル（３０）と、
   通電されると磁界を発生するコイル（３９）と、
   前記ハウジング内で前記コイルが発生する磁界内に固定される固定コア（３８）と、
   前記固定コアの前記弁座側に前記ハウジングの軸方向に往復移動可能に設けられ、前記コイルに通電されると前記固定コアの方向に吸引される可動コア（３７）と、
   前記ハウジングと前記内燃機関との間に設けられ、前記ハウジングと前記内燃機関とを組み付けるときの組み付け位置のずれを許容するトレランスリング（４０）と、
   前記トレランスリングに直接当接しつつ前記内燃機関と前記トレランスリングとの間に設けられ、前記内燃機関と前記トレランスリングとの間の摩擦を低減するワッシャ（４０２、４５、４５２、４５４、５５、５５２、５６、５６２）と、
   を備え、
   前記ワッシャは、前記ハウジングの軸方向に対して垂直な方向の移動を許容することを特徴とする燃料噴射弁（１、２、３）。
2. 前記ワッシャは、複数設けられることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 前記ワッシャは、前記ワッシャの前記トレランスリングと前記ワッシャとが当接する第１当接面（４５１、５５１）及び前記ワッシャの前記内燃機関と前記ワッシャとが当接する第２当接面（４５３、５６１）の少なくとも一方に潤滑性のコーティング（４５２、４５４、５５２、５６２）を有することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料噴射弁。

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