JP6507890B2

JP6507890B2 - 燃料噴射弁

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Publication number: JP6507890B2
Application number: JP2015133663A
Authority: JP
Inventors: 竜一江崎; 尚史足立
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-07-02
Filing date: 2015-07-02
Publication date: 2019-05-08
Anticipated expiration: 2035-07-02
Also published as: US20170002782A1; US10260467B2; JP2017015028A; DE102016110537A1; CN106321313A; CN106321313B

Description

本発明は、内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射弁に関するものである。

従来の燃料噴射弁は、内燃機関に燃料を噴射するための噴孔を開閉するノズルニードルと、ノズルニードルを閉弁向きに付勢する高圧の燃料が導入される制御室と、制御室内の燃料を低圧部に排出させる排出通路が形成されたオリフィスボデーと、オリフィスボデーに形成された平坦なシート面に接離して前記排出通路を開閉する弁体とを備えている。

そして、排出通路が開かれることにより、制御室の高圧の燃料が排出通路を介して低圧部に逃がされて制御室の圧力が低下し、ノズルニードルが開弁向きに駆動されて噴孔が開かれるようになっている（例えば特許文献１参照）。

特開平１０−１５３１５５号公報

ところで、今後、粗悪燃料の使用等、様々な異物を含んだ燃料が使用されることが想定される。異物を含んだ燃料が使用されると、シート面と排出通路とが交わる角部（すなわち、出口口元部）の近傍にて異物を噛み込んだ際に、角部が排出通路側に容易に逃げて（すなわち容易に変形して）、角部にクラックが発生し易い。そして、排出通路を介して低圧部に排出される燃料中の微細異物による流体研磨作用により、角部のクラックを起点としてシート面の損傷が進行する。

その結果、弁体がシート面に当接して排出通路が閉じられた状態のとき、シート面の損傷部を介して制御室の高圧の燃料が低圧部に漏れてしまい、燃料噴射量およびリーク量の増加をもたらす虞がある。

本発明は上記点に鑑みて、異物噛み込みによるクラックの発生を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、内燃機関に燃料を噴射するための噴孔（１０２）を開閉するノズルニードル（２）と、ノズルニードルを閉弁向きに付勢する高圧の燃料が導入される制御室（１２５）と、制御室内の燃料を低圧部（１４１）に排出させる排出通路（１４３）、および排出通路における下流側端部を囲む平坦なボデーシート面（１４４）が形成されたオリフィスボデー（１４）と、ボデーシート面に接離して排出通路を開閉する弁体（５３）とを備え、ボデーシート面と排出通路とが交わる角部に面取り部（６）が設けられており、弁体は、面取り部に接触することなく、ボデーシート面に接離する平坦な弁体シート面（５３０）を有し、オリフィスボデーよりも耐摩耗性に優れるコーティング（７）が、ボデーシート面と面取り部に亘り連続して施されていることを特徴とする。

これによると、ボデーシート面と排出通路とが交わる角部に面取り部を設けたことにより、角部の近傍にて異物を噛み込んでも、クラックの発生を抑制することができる。

また、ボデーシート面と排出通路とが交わる角部に面取り部を設けていない場合は、排出通路を介して低圧部に排出される燃料の流れの向きが角部近傍で急激に変わるため、流体研磨作用力が大になる。これに対し、ボデーシート面と排出通路とが交わる角部に面取り部を設けた場合は、角部近傍における排出燃料の流れの向きは緩やかに変わるため、流体研磨作用力を低減することができる。

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の全体構成を模式的に示す断面図である。図１のオリフィスボデー１４のコーティング後の状態を示す断面図である。図１のオリフィスボデー１４の研磨前の状態を示す断面図である。図１のオリフィスボデー１４の研磨後の状態を示す断面図である。面取り部６の面取り寸法またはＲ寸法に対する排出燃料の流量特性を示す図である。オリフィスボデー１４の第１変形例を示す断面図である。オリフィスボデー１４の第２変形例を示す断面図である。オリフィスボデー１４の第３変形例を示す断面図である。本発明の第２実施形態に係る燃料噴射弁における要部の構成を示す断面図である。本発明の第３実施形態に係る燃料噴射弁における要部の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、各実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態の燃料噴射弁は、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、コモンレール（図示せず）内に蓄えられた高圧燃料を内燃機関の燃焼室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、ノズルボデー１０とロアボデー１２とオリフィスボデー１４とアッパーボデー１６とを一体化して構成されている。

ロアボデー１２には、コモンレールから供給される高圧燃料をボデー１内に導入する流入ポート１２０が形成されている。流入ポート１２０は、ロアボデー１２に形成された高圧燃料通路１２１、およびノズルボデー１０に形成された高圧燃料通路１００を介して、ノズルボデー１０に形成された燃料溜まり室１０１に連通されている。

ノズルボデー１０は、燃料溜まり室１０１に導かれた高圧燃料を内燃機関の燃焼室に噴出させる噴孔１０２、および噴孔１０２の上流側に設けられたテーパ状のノズルボデーシート部１０３を備えている。

ノズルボデー１０およびロアボデー１２内には、段付き円柱状のノズルニードル２が配置されている。

ノズルニードル２には、噴孔１０２側から反噴孔側に向かって順に、テーパ状のノズルニードルシート部２１、小径円柱部２２、受圧部２３、大径円柱部２４、およびピン部２５が形成されている。

ノズルニードル２は、大径円柱部２４においてノズルボデー１０およびロアボデー１２に摺動自在に且つ液密に保持されている。

ノズルニードルシート部２１、小径円柱部２２、および受圧部２３は、燃料溜まり室１０１に配置されている。

ピン部２５は、ロアボデー１２に形成されたスプリング室１２２に配置されている。ピン部２５の先端側は、後述する低圧室１２４に位置し、ピン部２５の先端面は後述するコマンドピストン４に当接している。

スプリング室１２２は、ロアボデー１２に形成された低圧燃料通路１２３、オリフィスボデー１４に形成された低圧燃料通路１４０、オリフィスボデー１４とアッパーボデー１６とによって形成されたアクチュエータ室１４１、およびアッパーボデー１６に形成された流出ポート１６０を介して、図示しない燃料タンクに接続されている。

噴孔１０２は、ノズルニードルシート部２１がノズルボデーシート部１０３に接離することにより開閉される。受圧部２３には燃料溜まり室１０１の高圧燃料の圧力が作用し、これにより、ノズルニードル２が開弁向きに付勢される。また、スプリング室１２２に配置されたノズルスプリング３により、ノズルニードル２が閉弁向きに付勢されている。

ロアボデー１２には、段付き円柱状のコマンドピストン４にて隔てられた低圧室１２４と制御室１２５が形成されている。

低圧室１２４は、ロアボデー１２の隔壁部１２６とピン部２５との隙間を介して、スプリング室１２２に接続されている。

制御室１２５は、ロアボデー１２に形成された導入通路１２７、およびオリフィスボデー１４に形成された導入通路１４２を介して、流入ポート１２０に接続されている。これにより、導入通路１２７、１４２を介して制御室１２５にコモンレールから高圧燃料が供給される。そして、コマンドピストン４は、制御室１２５に導入される高圧燃料の圧力を受けてノズルニードル２を閉弁向きに付勢するようになっている。

制御室１２５は、オリフィスボデー１４に形成された排出通路１４３を介してアクチュエータ室１４１に接続されている。そして、制御室１２５内の高圧燃料は、排出通路１４３を介して、低圧部としてのアクチュエータ室１４１に排出されるようになっている。なお、排出通路１４３は、径が一定の円柱状の空間である。

図１、図４に示すように、オリフィスボデー１４には、後述する弁体５３が接離する平坦なオリフィスボデーシート面１４４、およびオリフィスボデーシート面１４４を囲む環状のオリフィスボデー凹部１４５が形成されている。オリフィスボデーシート面１４４は、排出通路１４３の軸線に対して直交する平面である。また、オリフィスボデーシート面１４４は、排出通路１４３におけるアクチュエータ室１４１側の端部（すなわち、排出通路１４３における下流側端部）を囲んでいる。

アクチュエータ室１４１には、電磁式の制御弁５が配置されている。制御弁５は、通電時に磁気吸引力を発生するソレノイド５１、その磁気吸引力により吸引されるアーマチャ５２、アーマチャ５２に接合されるとともに平坦な弁体シート面５３０がオリフィスボデーシート面１４４に接離して排出通路１４３を開閉する弁体５３、アーマチャ５２を付勢するバルブスプリング５４を備えている。

アーマチャ５２および弁体５３は、ソレノイド５１によりオリフィスボデーシート面１４４から離れる向きに吸引され、バルブスプリング５４によりオリフィスボデーシート面１４４に向かって付勢される。

図２、図４に示すように、オリフィスボデー１４には、オリフィスボデーシート面１４４と排出通路１４３とが交わる角部に、面取りが施されて面取り部６が形成されている。また、オリフィスボデーシート面１４４および面取り部６には、耐摩耗性を向上させるためにコーティングが施されてコーティング層７が形成されている。なお、オリフィスボデー１４はステンレスよりなる。また、コーティングは、ステンレスよりも耐摩耗性に優れる窒化クロムコーティングである。

次に、オリフィスボデー１４の詳細な構成および加工手順について説明する。まず、図３に示すように、オリフィスボデー１４は、切削加工、放電加工、プレス加工等によって、排出通路１４３、オリフィスボデー凹部１４５、面取り部６が形成される。なお、この時点では、オリフィスボデーシート面１４４は形成されていない。

面取り部６は、テーパになっている。また、オリフィスボデー凹部１４５における内周側の面１４５ａもテーパになっている。

次に、図４に示すように、オリフィスボデー１４におけるオリフィスボデー凹部１４５や面取り部６が形成された側の面を研磨して、オリフィスボデー凹部１４５と面取り部６との間にオリフィスボデーシート面１４４を形成する。

面取り部６は、オリフィスボデーシート面１４４に対する角度θが３０°である。換言すると、面取り部６は、Ｃ面取りではなく、オリフィスボデーシート面１４４に対する角度θが４５°以外のテーパ面である。より詳細には、面取り部６は、オリフィスボデーシート面１４４に対する角度θが４５°未満のテーパ面である。

ここで、面取り部６の最大径をＤ１、面取り部６の最小径をＤ２としたとき、（Ｄ１−Ｄ２）／２を面取り寸法Ｌとする。この面取り寸法Ｌは、後述するように、０．００５〜０．０４（ｍｍ）に設定するのが望ましい。

研磨によりオリフィスボデーシート面１４４を形成した後、図２に示すように、オリフィスボデーシート面１４４および面取り部６に、コーティング層７を形成する。

次に、上記燃料噴射弁の作動を説明する。ソレノイド５１に駆動電流が供給されると、アーマチャ５２および弁体５３が吸引され、弁体５３がオリフィスボデーシート面１４４から離れて排出通路１４３が開かれる。

これにより、制御室１２５の燃料は、排出通路１４３およびアクチュエータ室１４１を介して燃料タンクへ戻される。その結果、制御室１２５の圧力が低下し、コマンドピストン４を介してノズルニードル２を閉弁向きに付勢する力が小さくなるため、受圧部２３に作用する燃料の圧力によってノズルニードル２が開弁向きに駆動され、ノズルニードルシート部２１がノズルボデーシート部１０３から離れて噴孔１０２が開かれ、噴孔１０２から内燃機関の燃焼室内に燃料が噴射される。

ここで、オリフィスボデーシート面１４４と排出通路１４３とが交わる角部に面取り部６を設けているため、オリフィスボデーシート面１４４と排出通路１４３とが交わる角部近傍における排出燃料の流れは、図２に矢印Ａで示すように流れの向きが緩やかに変わる。したがって、オリフィスボデーシート面１４４と排出通路１４３とが交わる角部に対する流体研磨作用力が小さくなる。

ところで、図５は、面取り寸法Ｌに対する、排出通路１４３を通過する排出燃料の流量（以下、排出燃料流量という）の特性を示している。図５における縦軸は、面取り部６を設けていない燃料噴射弁の排出燃料流量Ｑ１に対する、面取り部６を設けた燃料噴射弁の排出燃料流量Ｑ２の流量比Ｒｑ（すなわち、Ｒｑ＝Ｑ２／Ｑ１×１００）である。

そして、コモンレール内に蓄えられた高圧燃料の圧力が２００ＭＰａ、弁体５３とオリフィスボデーシート面１４４との間の隙間寸法である弁リフト量が、５μｍ、２５μｍ、４５μｍの条件下での、排出燃料流量Ｑ１、Ｑ２を算出し、流量比Ｒｑを求めた。

この図５から明らかなように、面取り寸法Ｌが０．００５（ｍｍ）以上の場合、流量比Ｒｑの変動が小さくなっており、排出燃料流量Ｑ２が安定する。このように、排出燃料流量Ｑ２が安定すれば、燃料噴射弁の開弁応答性が安定する。ただし、弁リフト量が、５μｍ、および２５μｍの場合、面取り寸法Ｌが０．０４（ｍｍ）を超えると面取り寸法Ｌが大きくなるのに伴って流量比Ｒｑが緩やかに漸増する傾向になる。したがって、面取り寸法Ｌは０．００５（ｍｍ）以上が望ましく、また、面取り寸法Ｌは０．００５〜０．０４（ｍｍ）がさらに望ましい。

一方、ソレノイド５１への駆動電流の供給が停止されると、吸引力が消滅するため、アーマチャ５２および弁体５３がバルブスプリング５４に付勢され、弁体５３がオリフィスボデーシート面１４４に当接して排出通路１４３が閉じられる。

これにより、導入通路１２７、１４２を介して供給される高圧燃料により制御室１２５の圧力が上昇し、コマンドピストン４を介してノズルニードル２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２が閉弁向きに駆動され、ノズルニードルシート部２１がノズルボデーシート部１０３に当接して噴孔１０２が閉じられ、燃料噴射が終了する。

ここで、オリフィスボデーシート面１４４と排出通路１４３とが交わる角部に面取り部６を設けているため、ソレノイド５１への駆動電流の供給が停止されて弁体５３がオリフィスボデーシート面１４４に当接する際に、弁体５３とオリフィスボデーシート面１４４との間に異物を噛み込んでも、オリフィスボデーシート面１４４と排出通路１４３とが交わる角部は排出通路１４３側に変形しにくく、クラックが発生しにくい。

以上述べたように、本実施形態によると、オリフィスボデーシート面１４４と排出通路１４３とが交わる角部に面取り部６を設けたことにより、異物噛み込みによるクラックの発生を抑制することができるとともに、流体研磨作用力を低減することができる。

なお、上記実施形態においては、面取り部６を１つのテーパ面で構成したが、図６に示す第１変形例のように、面取り部６を２つのテーパ面で構成してもよい。

また、上記実施形態においては、排出通路１４３の径を一定にしたが、図７に示す第２変形例のように、排出通路１４３を、座ぐり部１４３ａと、この座ぐり部１４３ａよりも小径の小径排出通路１４３ｂとによって構成してもよい。

また、上記実施形態においては、オリフィスボデー凹部１４５における内周側の面１４５ａをテーパにしたが、図８に示す第３変形例のように、オリフィスボデー凹部１４５における内周側の面１４５ａをオリフィスボデーシート面１４４に対して垂直な面にしてもよい。

これによると、オリフィスボデー凹部１４５における内周側の径Ｄ３の加工寸法精度が向上し、オリフィスボデーシート面１４４のシート面積のばらつきを小さくすることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態について、図９を用いて説明する。本実施形態では、面取り部６の構成を変更した点が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。

図９に示すように、面取り部６は、オリフィスボデーシート面１４４に対する角度θが４５°の、所謂Ｃ面取りが施されている。この場合でも、面取り寸法Ｌと流量比Ｒｑとの関係は図５に示すようになる。したがって、面取り寸法Ｌは０．００５（ｍｍ）以上が望ましく、また、面取り寸法Ｌは０．００５〜０．０４（ｍｍ）がさらに望ましい。

本実施形態によると、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態について、図１０を用いて説明する。本実施形態では、面取り部６の構成を変更した点が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。

図１０に示すように、面取り部６は、排出通路１４３の軸線を通る断面の形状が円弧状の、所謂Ｒ面取りが施されている。この場合でも、Ｒ寸法と流量比Ｒｑとの関係は図５に示すようになる。したがって、Ｒ寸法は０．００５（ｍｍ）以上が望ましく、また、Ｒ寸法は０．００５〜０．０４（ｍｍ）がさらに望ましい。

また、排出通路１４３は、座ぐり部１４３ａと、この座ぐり部１４３ａよりも小径の小径排出通路１４３ｂとによって構成されている。

（他の実施形態）
なお、第３実施形態では、面取り部６の断面形状を円弧状にしたが、面取り部６は、排出通路１４３の軸線を通る断面の形状が、円弧以外の曲線であってもよい。具体的には、この断面形状が曲線の面取り部６は、面取り部６における排出通路１４３の径方向の長さを径方向面取り寸法Ｌ１とし、面取り部６における排出通路１４３の軸線方向の長さを軸線方向面取り寸法Ｌ２としたとき、径方向面取り寸法Ｌ１と軸線方向面取り寸法Ｌ２とが異なる。さらに、径方向面取り寸法Ｌ１は０．００５（ｍｍ）以上が望ましく、また、径方向面取り寸法Ｌ１は０．００５〜０．０４（ｍｍ）がさらに望ましい。

また、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。

また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。

また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

２ノズルニードル
６面取り部
１４オリフィスボデー
５３弁体
１０２噴孔
１２５制御室
１４１アクチュエータ室（低圧部）
１４３排出通路
１４４ボデーシート面

Claims

内燃機関に燃料を噴射するための噴孔（１０２）を開閉するノズルニードル（２）と、
前記ノズルニードルを閉弁向きに付勢する高圧の燃料が導入される制御室（１２５）と、
前記制御室内の燃料を低圧部（１４１）に排出させる排出通路（１４３）、および前記排出通路における下流側端部を囲む平坦なボデーシート面が形成されたオリフィスボデー（１４）と、
前記ボデーシート面（１４４）に接離して前記排出通路を開閉する弁体（５３）とを備え、
前記ボデーシート面と前記排出通路とが交わる角部に面取り部（６）が設けられており、
前記弁体は、前記面取り部に接触することなく、前記ボデーシート面に接離する平坦な弁体シート面（５３０）を有し、
前記オリフィスボデーよりも耐摩耗性に優れるコーティング（７）が、前記ボデーシート面と前記面取り部に亘り連続して施されていることを特徴とする燃料噴射弁。
前記面取り部は、前記ボデーシート面に対する角度が４５°以外のテーパ面であることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
前記面取り部の最大径をＤ１、前記面取り部の最小径をＤ２、（Ｄ１−Ｄ２）／２を面取り寸法Ｌとしたとき、前記面取り寸法Ｌは、０．００５（ｍｍ）以上であることを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射弁。
前記面取り寸法Ｌは、０．０４（ｍｍ）以下であることを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射弁。
前記面取り部は、Ｃ０．００５（ｍｍ）以上のＣ面取りであることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
前記面取り部は、Ｃ０．０４（ｍｍ）以下のＣ面取りであることを特徴とする請求項５に記載の燃料噴射弁。
前記面取り部は、Ｒ０．００５（ｍｍ）以上のＲ面取りであることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
前記面取り部は、Ｒ０．０４（ｍｍ）以下のＲ面取りであることを特徴とする請求項７に記載の燃料噴射弁。
前記面取り部における前記排出通路の径方向の長さを径方向面取り寸法Ｌ１とし、前記面取り部における前記排出通路の軸線方向の長さを軸線方向面取り寸法Ｌ２としたとき、
前記面取り部は、前記排出通路の軸線を通る断面の形状が曲線であり、且つ、前記径方向面取り寸法Ｌ１と前記軸線方向面取り寸法Ｌ２とが異なることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
前記径方向面取り寸法Ｌ１は、０．００５（ｍｍ）以上であることを特徴とする請求項９に記載の燃料噴射弁。
前記径方向面取り寸法Ｌ１は、０．０４（ｍｍ）以下であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料噴射弁。