(57)【要約】【課題】耐エロージョン性に優れた高圧噴射用部品を提供する。【解決手段】内部を高圧流体が流れる通路を有する高圧噴射用部品において、窒化ケイ素の粒子に焼結助剤を加えて成形体とし、その成形体を焼結して得られる窒化ケイ素セラミックスからなり、該窒化ケイ素セラミックスの四点曲げ強度を、９８０ＭＰａ以上としたものである。【選択図】図１５
2010005495.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を高圧流体が流れる通路を有する高圧噴射用部品において、
窒化ケイ素の粒子に焼結助剤を加えて成形体とし、その成形体を焼結して得られる窒化ケイ素セラミックスからなり、
該窒化ケイ素セラミックスの四点曲げ強度を、９８０ＭＰａ以上としたことを特徴とする耐エロージョン性に優れた高圧噴射用部品。
【請求項２】
前記窒化ケイ素セラミックスは、焼結後の窒化ケイ素の粒子のアスペクト比が１．８以上、且つ、粒子体積が０．１μｍ3以下である請求項１に記載の耐エロージョン性に優れた高圧噴射用部品。
【請求項３】
ノズルボディに設けられた圧力制御室内の燃圧を受けて押し下げられている弁体を、前記燃圧をリリーフすることでリフトさせる燃料噴射弁であって、
前記圧力制御室内の燃圧を逃がすリリーフ穴と該リリーフ穴の出口の周囲に形成されたシート面とを有する弁座部を備え、
請求項１又は２に記載の高圧噴射用部品が、柱体からなり、内部に軸方向に沿って前記通路が形成され、前記通路の出口の周囲にアッパー面が形成され、
前記高圧噴射用部品を、前記通路が前記リリーフ穴を構成し且つ前記アッパー面が前記シート面を構成するように前記ノズルボディに装着したことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項４】
前記高圧噴射用部品を、前記ノズルボディに圧入する請求項３に記載の燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐エロージョン性に優れた高圧噴射用部品及びそれを用いた燃料噴射弁に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
コモンレール式の燃料噴射システムの概要を図１９に示す。図示するように、このシステムにあっては、燃料タンク２１内の燃料は、フィルタ２２及びフィードポンプ２３を介して高圧ポンプ２４に供給され、高圧ポンプ２４によって高圧（数十〜数百ＭＰａ）に昇圧された後、通路２５を介してコモンレール２６と呼ばれる蓄圧容器に供給される。コモンレール２６内の燃料は、燃料供給通路２７を介して各燃料噴射弁（インジェクタ）２８に供給される。
【０００３】
各燃料噴射弁２８に供給された高圧の燃料は、図２０に示すように、その一部が通路２９を介して圧力制御室３０に供給され、残りが通路３１を介してニードル弁３２の先端側の燃料溜り３３に供給される。圧力制御室３０内の燃圧は、リリーフ弁３４によって保持・解放される。リリーフ弁３４は、通常バネ３５に押圧されてリリーフ穴３６を塞ぎ、圧力制御室３０内の燃圧を保持し、電磁ソレノイド３７が通電されるとバネ３５に抗して引き上げられてリリーフ穴３６を開放し、圧力制御室３０内の燃圧を解放する。また、ニードル弁３２は、バネ３８によって常時下方に付勢されている。
【０００４】
かかる燃料噴射弁２８は、電磁ソレノイド３７の通電を切ると、バネ３５で押し下げられるリリーフ弁３４によってリリーフ穴３６が塞がれ、圧力制御室３０内の燃圧が保持されるため、その燃圧及びバネ３８によるニードル弁３２の下降力がニードル弁３２の先端側（燃料溜り３３）の受圧部３９の燃圧によるニードル弁３２の上昇力よりも大きくなり、ニードル弁３２が下降する。よって、ニードル弁３２の先端の円錐部４０がシート部４１に着座し、燃料噴射弁２８の噴孔４２が塞がれ、燃料の噴射は行われない。
【０００５】
また、電磁ソレノイド３７が通電されると、リリーフ弁３４がバネ３５に抗して引き上げられ、リリーフ穴３６が開放されて圧力制御室３０内の燃圧が解放（リリーフ）されるため、ニードル弁３２の先端側（燃料溜り３３）の受圧部３９の燃圧によるニードル弁３２の上昇力がバネ３８によるニードル弁３２の下降力よりも大きくなり、ニードル弁３２が上昇する。よって、ニードル弁３２の円錐部４０がシート部４１から離間し、燃料噴射弁２８の噴孔４２から高圧の燃料が噴射される。なお、圧力制御室３０から流出した燃料は、燃料回収通路４３を介して燃料タンク２１に戻る（図１９参照）。
【０００６】
このような圧力バランス型の燃料噴射弁は、特許文献１等にも記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３２０４１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述の燃料噴射弁２８においては、噴射圧力２００ＭＰａ以上で使用すると、リリーフ穴３６が形成された弁座部４４（図２０参照）のシート面に内周側から放射状に破壊（エロージョン）が進行し、静的リーク量が増大する。放射状のエロージョンが弁座部４４のシート面の外周まで達するとポンプ吐出量をリーク量と噴射量の和が上回り、燃料噴射弁２８が使用不可能となる。この原因はキャビテーションである。
【０００９】
流れが剥離する部分で負圧が発生することで、減圧沸騰を引き起こし気泡（燃料蒸気）が形成される。次に、気泡が下流の高圧域に入ると急激に消滅し、このときに衝撃波が発生する。この衝撃波が繰り返し発生することで金属表面に疲労破壊（エロージョン）が発生する。
【００１０】
ここで、キャビテーション係数は、以下の式（１）で表され、係数が小さくなるに伴いキャビテーションが発生しやすいことを示す指標として一般に用いられている。
【００１１】
【数１】
2010005495.tif 000003
【００１２】
式（１）中、Ｋはキャビテーション係数、Ｐ∞は一様流れにおける圧力、Ｐνは飽和蒸気圧、ρは密度、Ｖは一様流れにおける速度である。
【００１３】
圧力バランス型の燃料噴射弁２８の場合、燃料噴射に際しては圧力制御室３０内の燃圧を低圧側へ開放する必要があり、このとき生じる圧力制御室３０と低圧側との差圧によりリリーフ穴３６内の流速が決定される。従って、噴射圧力の高圧化においては動圧項（式（１）の分母）の増加は不可避であり、キャビテーションが発生しやすい状態とならざるをえない。また、弁座部４４のシート面の面積（オリフィスシート径）はリリーフ弁３２を駆動するアクチュエータ（電磁ソレノイド３７）の推力によっても制限を受けており、搭載性を考慮するとアクチュエータの大型化は難しい状況である。従って、噴射圧力を高圧化した場合でも受圧によりリリーフ弁３２が受ける荷重を現状程度に抑制するために、リリーフ穴３６は小型化する必要がある。この結果、リリーフ穴３６内の流速は更に増加する傾向となる。
【００１４】
図１８に示すように、噴射圧力を低圧にする程、キャビテーション係数が増加する（キャビテーションが発生しづらくなる）。一般に、噴射圧力１６０ＭＰａ程度の低圧ではエロージョンは発生しない。高圧での耐久性向上のために、前記弁座部４４のシート面にＣｒＮ、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクコーティング）等の硬質被膜を形成しても、噴射圧力３００ＭＰａでは約２時間程度で放射状の破壊が弁座部４４のシート面の外周まで達する。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、耐エロージョン性に優れた高圧噴射用部品及び高圧噴射に好適な燃料噴射弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明は、内部を高圧流体が流れる通路を有する高圧噴射用部品において、窒化ケイ素の粒子に焼結助剤を加えて成形体とし、その成形体を焼結して得られる窒化ケイ素セラミックスからなり、該窒化ケイ素セラミックスの四点曲げ強度を、９８０ＭＰａ以上としたものである。
【００１７】
ここで、前記窒化ケイ素セラミックスは、焼結後の窒化ケイ素の粒子のアスペクト比が１．８以上、且つ、粒子体積が０．１μｍ3以下であっても良い。
【００１８】
また、本発明は、ノズルボディに設けられた圧力制御室内の燃圧を受けて押し下げられている弁体を、前記燃圧をリリーフすることでリフトさせる燃料噴射弁であって、前記圧力制御室内の燃圧を逃がすリリーフ穴と該リリーフ穴の出口の周囲に形成されたシート面とを有する弁座部を備え、前記高圧噴射用部品が、柱体からなり、内部に軸方向に沿って前記通路が形成され、前記通路の出口の周囲にアッパー面が形成され、前記高圧噴射用部品を、前記通路が前記リリーフ穴を構成し且つ前記アッパー面が前記シート面を構成するように前記ノズルボディに装着したものである。
【００１９】
ここで、前記高圧噴射用部品を、前記ノズルボディに圧入しても良い。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、耐エロージョン性に優れた高圧噴射用部品及び高圧噴射に好適な燃料噴射弁を得ることができるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２２】
本実施形態に係る高圧噴射用部品は、内部を高圧流体が流れる通路を有するものにおいて、窒化ケイ素の粒子に焼結助剤を加えて成形体とし、その成形体を焼結して得られる窒化ケイ素セラミックスからなり、この窒化ケイ素セラミックスの四点曲げ強度を、９８０ＭＰａ以上としたものである。
【００２３】
ここで、前記窒化ケイ素セラミックスは、焼結後の窒化ケイ素の粒子のアスペクト比が１．８以上、且つ、粒子体積が０．１μｍ3以下であることが好ましい。
【００２４】
この窒化ケイ素セラミックスを用いることにより、耐エロージョン性、耐摩耗性に優れた高圧噴射用部品を得ることができる。
【００２５】
焼結後の窒化ケイ素の粒子のアスペクト比を１．８以上、且つ、粒子体積を０．１μｍ3以下とするには、成形に用いる窒化ケイ素粉末は、平均粒径が１．０μｍ以下、さらには０．５μｍ以下の粒子を用いるのが好ましい。
【００２６】
ここで焼結後の粒子体積は、焼結体を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、撮影した画像を画像ソフトを使って窒化ケイ素の粒子を抽出し、短径と長径のサイズを求めて、粒子体積とアスペクト比を求める。
【００２７】
すなわち、窒化ケイ素の粒子は、六方晶系の柱状の結晶であるため、これを円柱と見立てて、短径を直径とし、長径を高さとして、
粒子体積＝（短径の２乗）÷４×π×長径
で求め、またアスペクト比は、
アスペクト比＝長径／短径
で求める。
【００２８】
窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）は、金属ケイ素粉末を原料とし、これを窒素雰囲気下で１４５０℃に長時間加熱することで、また金属ケイ素の成形体を窒素と反応させて得られた窒化ケイ素成形体を粉砕することで得られる。
【００２９】
一般に、低品位のものでは、粒径が５０μｍ前後で分布し、最大粒子サイズは１００μｍの粗い粒子であるが、高品位の窒化ケイ素では、純度９９％以上で、０．５μｍ以下の粒子分布が比較的そろった超微細粉末が市販されている。
【００３０】
この窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）粉末に、アルミナ、イットリアなどの焼結助剤を、窒化ケイ素粉末に対して１０ｍａｓｓ％以下を加えて造粒粉とし、これをゴム製の型に充填し、熱間等方プレス成形にて所望形状の成形体とした後、１〜１０ＭＰａの窒素雰囲気下で１７５０℃〜１９００℃に加熱して焼結させることで窒化ケイ素セラミックスが得られる。
【００３１】
ここで、焼結体の窒化ケイ素の粒子のアスペクト比が１．８以上、且つ、粒子体積が０．１μｍ3以下とすることで、四点曲げ強度９８０ＭＰａ以上で、耐摩耗試験後の表面粗さＲｚが０．５μｍ以下で、耐エロージョン性、耐摩耗性に優れた窒化ケイ素セラミックスとすることができる。
【００３２】
本実施形態において、窒化ケイ素と焼結助剤の他に、Ｍｏ、Ｗ等を加えるようにしても良い、このＭｏ、Ｗを含ませるには、成形体にＭｏ、Ｗ水溶液を含浸させた後これを乾燥、仮焼成させることで、成形体にＭｏ、Ｗを担持させ、しかる後、１９０〜２００ＭＰａの高圧の窒素雰囲気下で１９００℃に加熱して焼結させることでＭｏ、Ｗを含む窒化ケイ素セラミックスを得ることができる。
【００３３】
なお、成形体を成形する際には、適宜アルコール系のバインダーを加え、これを型に入れて所定形状に成形した後、型から取り出した後、熱間等方プレスで成形体とするようにしても良い。
〔実施例〕
以下に実施例１〜１０と比較例１〜３を表１と共に説明する。
【００３４】
【表１】
2010005495.tif 000004
【００３５】
実施例１〜７、比較例１〜３
窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）粉末に、焼結助剤としてアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、イットリア（Ｙ2Ｏ3）を９２：２：６の重量割合で混合した造粒粉を作製した。
【００３６】
この造粒粉をゴム型に充填し等方加圧成形によりφ８０ｍｍ×Ｌ４０ｍｍの成形体を作製した。
【００３７】
成形体は、大気炉にて５５０℃で脱脂を行った後、１〜１０ＭＰａの窒素中にて焼結を行った。焼結の温度は１７５０℃〜１９００℃とし、保持時間は４〜８時間として実施例１〜７、比較例１〜３の１０種類の試料を作製した。
【００３８】
実施例８〜１０
窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）粉末に焼結助剤としてアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、イットリア（Ｙ2Ｏ3）を混合した造粒粉を作製した。
【００３９】
この造粒粉をゴム型に充填し等方加圧成形によりφ８０ｍｍ×Ｌ４０ｍｍの成形体を作製した。得られた成形体は大気炉にて５５０℃で脱脂を行った後、０．９ＭＰａの窒素雰囲気中１４５０℃で仮焼成した。
【００４０】
次に仮焼成体をヘプタモリプデン酸アンモニウム１０ｍａｓｓ％水溶液、及びメタタングステン酸アンモニウム１０ｍａｓｓ％水溶液に浸漬させ、室温で乾燥後、２３０℃で熱処理を行なった。さらに１９６ＭＰａの窒素中にて焼結を行った。焼結の温度は１９００℃とし、保持時間は４時間として実施例８〜１０の３種類の試料を作製した。
【００４１】
実施例１〜１０、比較例１〜３の１３種類の試料は、それぞれ、ＪＩＳ  Ｒ１６０１に規定された曲げ試験片とピン・オン・ディスク磨耗試験用試験片に加工した。
【００４２】
試験片の強度は、ＪＩＳ  Ｒ１６０１に規定された試験方法で四点曲げ強度を測定し、試験片の摩耗測定は、図１に示すピン・オン・ディスク磨耗試験で測定した。
【００４３】
図１に示すように、ピン・オン・ディスク磨耗試験は、先端ＳＲ１８のＦＣＤ４００製のピン１１が半径２０ｍｍの円を描くように５０ｍｍ角で厚さ１０ｍｍの試験片（ディスク）１０を回転させた。この時のピン１１に掛ける荷重は、４９Ｎ、回転速度は０．５ｍ／ｓとした。
【００４４】
また、摺動面には２分置きに１０Ｗ−３０のエンジンオイルを数滴補給した。磨耗試験を１００時間行い、各試料の磨耗量を測定した。
【００４５】
また、各試料の粒子径の測定は、各試料の表面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、画像処理ソフトを使って粒子体積とアスペクト比を算出した。尚、これらの計測は１０００〜１５００粒子について行いその平均値を求めた。
【００４６】
この粒子体積は、（短径の２乗）÷４×π×長径で求め、アスペクト比Ａは、Ａ＝長径／短径で求めた。
【００４７】
図２に粒子のアスペクト比と粒子体積の関係を示す。
【００４８】
図２は、実施例１〜７と比較例１〜３の焼結体のアスペクト比と粒子体積（μｍ3）をプロットしたもので、黒丸印は実施例、黒四角印は比較例である。
【００４９】
実施例１〜７では、アスペクト比が１．８以上で、粒子体積が０．０１４〜０．０５８μｍ3の範囲にあるが、アスペクト比が１．８未満の比較例１〜３では、急激に粒子体積が増大する傾向となる。
【００５０】
図３〜図６に、実施例１〜１０で得られた窒化ケイ素セラミックス、図７に比較例１〜３で得られた窒化ケイ素セラミックスの代表的な粒子形態のセラミックス表面のＳＥＭ像（５．０ｋＶ、×１０，０００）を示した。またＳＥＭ像と併せてアスペクト比Ａ、粒子体積Ｖ、四点曲げ強度ＳＴも併せて示した。
【００５１】
図３〜図７において、黒く写った部分は、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）の粒子で、白く写った部分は焼結助剤などで形成される粒界層である。
【００５２】
図３〜図６に示すように、実施例１〜１０の窒化ケイ素セラミックスは、短径が０．５μｍ以下で、長径が１μｍ以上の窒化ケイ素粒子が絡み合った微細構造となっていることが判る。
【００５３】
これに対して、図７の比較例１〜３では、窒化ケイ素粒子の極端に大きいものを除き、平均的な窒化ケイ素粒子の短径は、１μｍ以上、長径は１．５μｍ以下のものが観察される。
【００５４】
次に図８に四点曲げ強度と粒子体積の関係を示す。
【００５５】
図８は、実施例１〜１０と比較例１〜３の焼結体を試験片として四点曲げ強度と粒子体積をプロットしたもので、黒丸印は実施例、黒四角印は比較例である。
【００５６】
図８に示すように、実施例１〜１０では、粒子体積が０．０１４〜０．０５８μｍ3と、０．１μｍ3以下であり、四点曲げ強度は、９８０ＭＰａ以上であるのに対し、比較例１〜３は、粒子体積が０．１μｍ3を超え、粒子体積が２．５１６μｍ3の比較例１は７３８ＭＰａと格段に四点曲げ強度が低下する。
【００５７】
また、表１の実施例２と実施例３を比較すると同じ粒子体積（０．０４８μｍ3）でも焼結温度が高い方（実施例３）が曲げ強度が高く、また実施例５と実施例６とを比較すると焼結時の窒素圧が高い方（実施例６）が曲げ強度が高いことが分かる。
【００５８】
図９は、図８の結果を四点曲げ強度とアスペクト比でプロットしたもので、黒丸印は実施例、黒四角印は比較例である。
【００５９】
図９より、実施例１〜１０ではアスペクト比が１．８以上であり、四点曲げ強度は、９８０ＭＰａ以上であるのに対し、比較例１、２は、アスペクト比が１．６４、１．７９と小さいため強度は７３８、８０３ＭＰａと低くなる。
【００６０】
また比較例３は、アスペクト比が１．７９、粒子体積が０．１２６μｍ3であり、曲げ強度は、１００１ＭＰａと高いが、後述する磨耗試験後の表面粗さＲｚが悪い。
【００６１】
図１０、図１１に磨耗試験後の代表的な試料表面ＳＥＭ像を示した。
【００６２】
図１０（ａ）は実施例１の試料表面ＳＥＭ像（×５，０００）、図１０（ｂ）は、実施例５の試料表面ＳＥＭ像（×１，０００）、図１０（ｃ）は実施例１０の試料表面ＳＥＭ像（×５，０００）を示し、図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は比較例１〜３の試料表面ＳＥＭ像（×１，０００）を示し、各ＳＥＭ像と併せて、アスペクト比Ａ、粒子体積Ｖ、強度ＳＴ、表面粗さＲｚを示した。
【００６３】
実施例１、５、１０とも磨耗試験後でも表面組織に変化が見られないが、比較例１〜３は、表面組織が粗くなっていることが分かる。
【００６４】
図１２は、実施例１〜１０と比較例１〜３の磨耗試験後の表面粗さＲｚと粒子体積の関係を示したもので、黒丸印は実施例、黒四角印は比較例である。
【００６５】
図１２より、実施例１〜１０は粒子体積が０．１μｍ3以下であり表面粗さＲｚは０．５μｍ以下であるが、比較例１〜３は、粒子体積が０．１μｍ3を超えるため、Ｒｚが１μｍ以上となり、急激に磨耗量が増加する結果となった。
【００６６】
以上の結果から、耐エロージョン性、耐摩耗性に優れ、且つ、高強度の窒化ケイ素セラミックスからなる高圧噴射用部品を得るためには、四点曲げ強度を９８０ＭＰａ以上とし、より好ましくは、アスペクト比が１．８以上、粒子体積が０．１μｍ3以下の微細構造とする必要があることがわかった。
【００６７】
次に、前述の高圧噴射用部品を用いた燃料噴射弁について説明する。
【００６８】
図１３は本発明の一実施形態に係る燃料噴射弁の概要図であり、図１４は上記燃料噴射弁の部分拡大図である。
【００６９】
図１３及び図１４に示す燃料噴射弁２８ａは、前述した図１９に示すコモンレール式燃料噴射システムに適用されるものであり、燃料供給通路２７と燃料回収通路４３とが接続されるノズルボディ４５を有する。燃料供給通路２７はノズルボディ４５内の第一通路４６及び第二通路４７に接続され、燃料回収通路４３はノズルボディ４５の第三通路４８に接続されている。ノズルボディ４５は、上部ノズルボディ４５ａと下部ノズルボディ４５ｂとが、筒状の連結部材４９によってネジ５０を介して一体化されて構成されており、その内部に形成された収容穴５１内にニードル弁５２を軸方向にスライド自在に収容している。
【００７０】
ニードル弁５２の上方には、圧力制御室５３が形成されている。図１４にも示すように、圧力制御室５３は、ニードル弁５２の頂面５４と、上部ノズルボディ４５ａ内に形成された収容穴５１の側面５５と、収容穴５１に上方から挿入された挿入部材５６の下端面部５７とから区画形成される。挿入部材５６の側部には、第一通路４６からの燃料が流入する環状の燃料貯留部５８が形成されている。挿入部材５６の内部には、燃料貯留部５８内の燃料を圧力制御室５３に導く中間通路５９と、圧力制御室５３内の燃圧（燃料）を上方へリリーフするリリーフ通路６０とが形成されている。
【００７１】
挿入部材５６の上部には、中央弁座部６３が凸状に形成されている。中央弁座部６３は、リリーフ通路６０の出口であって、内径がリリーフ通路６０の内径よりも小さいリリーフ穴（オリフィス孔）６１と、そのリリーフ穴６１の出口の周囲に形成されたシート面６３ａとを有している。中央弁座部６３の周囲には、環状に形成された周辺弁座部６４が、中央弁座部６３と略同等の高さとなるように、挿入部材６５の上部に形成されている。これら中央弁座部６３及び周辺弁座部６４には、円板状に形成されたリリーフ弁６２が着座・離間する。
【００７２】
リリーフ弁６２は、通常バネ６５によって下方へ押し付けられ弁座部６３、６４に着座してリリーフ穴６１を塞いでおり、電磁ソレノイド６６が通電されるとバネ６５に抗して上方に引き上げられ弁座部６３、６４から離間してリリーフ穴６１を開放する。すなわち、リリーフ弁６２は電磁ソレノイド６６のアーマチュアを兼ねている。バネ６５及び電磁ソレノイド６６は、上部ノズルボディ４５ａの頂部に装着される蓋部材６７に夫々設けられている。蓋部材６７の下面と挿入部材５６の上面との間には、圧力制御室５３からリリーフ通路６０、リリーフ穴６１を通って流出した燃料を液密に収容するリリーフ室６８が形成されている。
【００７３】
周辺弁座部６４には、リリーフ弁６２を囲繞するようにしてリング状に形成されたスペーサ６９が載置されている。スペーサ６９は、リリーフ弁６２の厚さより厚く形成されており、弁座部６３、６４と蓋部材６７の下面との間において、リリーフ弁６２の開閉ストロークを確保する。リリーフ弁６２には、その上下面を連通して通路７０が形成されている。通路７０は、リリーフ弁６２の昇降時にリリーフ室６８内の燃料をリリーフ弁６２の上下に流し、リリーフ弁６２の昇降抵抗を減らす。リリーフ室６８内の燃料は、挿入部材５６及び上部ノズルボディ４５ａに形成された第三通路４８を介し、図１９に示す燃料回収通路４３に導かれ、燃料タンク２１に戻る。
【００７４】
上部ノズルボディ４５ａ内には、燃料供給通路２７に接続された第二通路４７が形成されている。第二通路４７の先端は、ニードル弁５２の外周にその軸方向に沿って形成された燃料通路７１に接続されている。燃料通路７１は、ニードル弁５２の表面に形成された溝や、ニードル弁５２をその収容穴５１よりも小径に形成することによって形成された隙間から構成される。ニードル弁５２は、上部に燃料通路７１と圧力制御室５３とを仕切る大径部７２を有し、中間部にバネ７３によって下方に押し付けられる鍔部７４を有し、下部にシート部７５に着座・離脱する円錐部７６を有する。下部ノズルボディ４５ｂの下端には、上記シート部７５及び噴孔７７が形成されている。
【００７５】
以上の構成によれば、図１９に示すコモンレール２６内の高圧（数十〜数百ＭＰａ）の燃料は、燃料供給通路２７を介して図１３に示す燃料噴射弁２８ａに供給され、第一通路４６、燃料貯留部５８及び中間通路５９を介して圧力制御室５３内に供給されると共に、第二通路４７を介してニードル弁５２の先端側に供給され、ノズルボディ４５内が高圧の燃料で満たされる。
【００７６】
ここで、電磁ソレノイド６６が通電オフのときには、バネ６５で押し下げられるリリーフ弁６２によってリリーフ穴６１が塞がれ、圧力制御室５３内の燃圧が保持される。従って、圧力制御室５３内の燃圧及びバネ７３によるニードル弁５２の下降力が、ニードル弁５２の先端側の受圧部７８の燃圧によるニードル弁５２の上昇力よりも大きくなり、ニードル弁５２が下降する。よって、ニードル弁５２の先端の円錐部７６がシート部７５に着座し、噴孔７７が塞がれ、燃料の噴射は行われない。
【００７７】
電磁ソレノイド６６が通電オンされると、リリーフ弁６２がバネ６５に抗して引き上げられ、リリーフ穴６１が開放されて圧力制御室５３内の燃圧が解放（リリーフ）される。従って、ニードル弁５２の先端側の受圧部７８の燃圧によるニードル弁５２の上昇力が、バネ７３によるニードル弁５２の下降力よりも大きくなり、ニードル弁５２が上昇する。よって、ニードル弁５２の円錐部７６がシート部７５から離間し、燃料が噴孔７７から高圧で噴射される。
【００７８】
ここで、本実施形態では、前述の窒化ケイ素セラミックス（四点曲げ強度が９８０ＭＰａ以上）からなる高圧噴射用部品７９（図１５参照）を、中央弁座部６３に用いている。この高圧噴射用部品７９は、円柱体又は角柱体等からなり、内部に軸方向に沿って形成され高圧流体（燃料）が流れ得る通路８０と、その通路８０の出口の周囲に形成されたアッパー面８２とを有している。高圧噴射用部品７９は、通路８０が上記リリーフ穴６１（図１４参照）を構成し、且つ、アッパー面８２が上記シート面６３ａ（図１４参照）を構成するように挿入部材５６に装着される。高圧噴射用部品７９は、挿入部材５６の上部にリリーフ通路６０に連続させて形成された収容穴８１に装着されている。高圧噴射用部品７９（中央弁座部６３）は、シール性向上のため、図１５に示すようにアッパー面８２と外側面との角部が面取り（例えば、面取りの角度θが６４度）されて、アッパー面８２の面積が小さくされている。
【００７９】
高圧噴射用部品７９の収容穴８１への装着は、圧入（しまりばめ）であることが好ましい。なお、ロー付け又は接着等を用いて、高圧噴射用部品７９を収容穴８１に装着しても良いことは勿論である。
【００８０】
中央弁座部６３のみをセラミックス製（窒化ケイ素セラミックス製）とした理由は、オリフィス孔として用いるリリーフ穴６１には精密加工が必要であるところ、焼結により成形するセラミックスは加工性に優れ、且つ圧縮応力に対して非常に強いためである。高強度の材質として超硬合金があるが、セラミックスと比較して加工性に劣る超硬合金を中央弁座部６３の材質とすることは不可とした。
【００８１】
また、挿入部材５６は、例えば炭素鋼等からなる。この種の材質は、高圧噴射用部品７９（中央弁座部６３）の材料であるセラミックスよりは軟らかい。
【００８２】
以上の構成からなる本実施形態の作用を述べる。
【００８３】
リリーフ穴６１が開放されると、圧力制御室５３内の高圧（数十〜数百ＭＰａ）の燃料は、リリーフ通路６０、リリーフ穴６１を通って、リリーフ室６８内に流入する。このとき、キャビテーションに起因して圧力制御室５３の燃料出口で発生する衝撃波は、挿入部材５６それ自体の材質（炭素鋼等）よりも遥かに硬質な窒化ケイ素セラミックスからなる高圧噴射用部品７９に作用する。このため、キャビテーションに起因して圧力制御室５３の燃料出口で発生する衝撃波が一箇所に繰り返し作用することにより長期の運転に伴って発生する、中央弁座部６３のシート面６３ａのエロージョンが、未然に防止される。
【００８４】
即ち、仮に、比較的硬質な窒化ケイ素セラミックス（四点曲げ強度が９８０ＭＰａ以上）からなる高圧噴射用部品７９がなく、リリーフ穴６１及びシート面６３ａが形成された中央弁座部６３が挿入部材５６と一体のものであったとすると、圧力制御室５３の燃料出口で発生する衝撃波が、比較的軟らかい材質の挿入部材５６（炭素鋼等）に直接作用するため、圧力制御室５３の燃料出口で発生する衝撃波が作用した部分が破壊されてしまうのであるが、本実施形態では、圧力制御室５３の燃料出口で発生する衝撃波は、挿入部材５６の材質（炭素鋼等）よりも遥かに硬質な窒化ケイ素セラミックス（四点曲げ強度が９８０ＭＰａ以上）からなる高圧噴射用部品７９に作用するため、かかるエロージョンの発生が回避されるのである。
【００８５】
このように、本実施形態では、噴射圧力の高圧化に際して問題となっていた中央弁座部６３のシート面６３ａのエロージョンの発生が回避できるので、噴射圧力を高圧化した場合（３００ＭＰａ程度）であっても、リリーフ穴６１とリリーフ弁６２との的確なシールを確保でき、リリーフ弁６２が中央弁座部６３に着座したときの燃料のリークを防止できる。よって、噴射圧力を高圧化した場合（３００ＭＰａ程度）であっても、ニードル弁５２の昇降、即ち、噴孔７７からの燃料噴射を、精度良くコントロールできる。具体的には、リリーフ弁６２が中央弁座部６３に着座したとき（圧力制御室５３内の燃圧を保持するとき）、燃料がリークしないので、リークに起因する圧力制御室５３内の燃圧の上昇の遅れを回避できる。よって、噴射圧力を高圧化した場合（３００ＭＰａ程度）であっても、ニードル弁６２の下降レスポンスが良好に維持され、耐久性・信頼性が向上する。
【００８６】
図１５に示す高圧噴射用部品７９を燃料噴射弁２８ａに組み込み、噴射圧力３００ＭＰａで連続噴射試験を行った。
【００８７】
本実施形態の窒化ケイ素セラミックスの特性を表２に示す。
【００８８】
【表２】
2010005495.tif 000005
【００８９】
一方、図１７に示すように、比較材１は市販されている一般的な窒化ケイ素セラミックス（四点曲げ強度約７００〜８００ＭＰａ）、比較材２は基材（金属）にＣｒＮ膜（窒化クロム）を被覆したもの、比較材３は基材（金属）にＤＬＣ膜（ダイヤモンドライクコーティング）を被覆したもの、比較材４は被膜を形成しなかったもの（金属）（四点曲げ強度が７８０ＭＰａ）である。
【００９０】
図１６に連続噴射試験に用いた代表的な試料表面ＳＥＭ像を示した。
【００９１】
図１６（ａ）は本実施形態の試料表面ＳＥＭ像（×５，０００）、図１０（ｂ）は比較材１の試料表面ＳＥＭ像（×５，０００）を示し、各ＳＥＭ像と併せて、アスペクト比Ａ、粒子体積Ｖ、強度ＳＴを示した。
【００９２】
図１７に噴射圧力３００ＭＰａでの連続噴射試験の結果を示す。
【００９３】
図１７に示すように、本実施形態の窒化ケイ素セラミックスでは、５０時間経過後も、高圧噴射用部品７９のアッパー面８２（中央弁座部６３のシート面６３ａ）にエロージョン等の異常は生じなかった。
【００９４】
これに対して、図１７に示すように、比較材２では１．５時間、比較材３では２時間、比較材４では０．３時間以内で、中央弁座部６３のシート面６３ａに放射状のエロージョンが生じて試験続行が不可能となった。基材に被膜を被覆した比較材２及び３が短時間で試験続行不可能となったのは、中央弁座部６３のシート面６３ａに加わる衝撃波の衝撃力により基材と被膜の弾性係数の違いで被膜に亀裂や剥離が生じたこと、加えて基材と被膜の熱膨張係数の違いによる応力の発生で被膜における亀裂や剥離の発生を助長したこと、被膜の厚さが薄いため被膜の効果が続かなかったこと、等が考えられる。
【００９５】
また、比較材１では、中央弁座部６３のシート面６３ａにエロージョンが発生する以前に、３００ＭＰａの圧力に耐えられず数分で中央弁座部６３に内部から亀裂が入り、試験続行が不可能となった。前述のように、高圧噴射用部品７９（中央弁座部６３）は、シール性向上のため、アッパー面８２と外側面との角部が面取りされて、アッパー面８２の面積が小さくされている。このため、圧力制御室５３の燃料出口となる高圧噴射用部品７９の頂部付近は薄肉となり、高圧噴射用部品７９の通路８０（リリーフ穴６１）に３００ＭＰａの内圧がかかったとき、以下の式（２）より高圧噴射用部品７９の頂部付近の内圧は６４３ＭＰａとなる。
【００９６】
【数２】
2010005495.tif 000006
【００９７】
式（２）中、ｒ1はリリーフ穴内径Ｒｉ（Φ０．３８）／２、ｒ2は燃料出口外径（Φ０．６３）／２、ｐは内圧（３００ＭＰａ）である。
【００９８】
四点曲げ強度約７００〜８００ＭＰａの窒化ケイ素セラミックスを材質とする比較材１では、安全率は１．０８（７００ＭＰａ／６４３ＭＰａ）〜１．２４（８００ＭＰａ／６４３ＭＰａ）である。比較材１では、リリーフ穴６１の表面粗さや切り欠き等の応力集中を考えると安全率にほとんど余裕がないため、中央弁座部６３に数分で試験続行不可能となる亀裂が生じたと考えられる。
【００９９】
以上、本実施形態に係る燃料噴射弁２８ａにより噴射圧力の高圧化（３００ＭＰａ程度）が可能となり、乱流混合速度の向上による迅速な希薄予混合気の形成が可能となる。同時に噴射時間の短縮も図れるため、混合気が均質化することから過薄領域が形成されづらく、未燃成分の排出も抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】図１は、本発明の実施例と比較例において、窒化ケイ素セラミックスの試験片の摩耗を測定するピン・オン・ディスク磨耗試験方法の説明図である。
【図２】図２は、本発明の実施例と比較例において、窒化ケイ素セラミックスの焼結体の窒化ケイ素粒子のアスペクト比と粒子体積の関係を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施例１〜３の窒化ケイ素セラミックスの表面組織状態をＳＥＭ像で撮影した組織図である。
【図４】図４は、本発明の実施例４、５の窒化ケイ素セラミックスの表面組織状態をＳＥＭで撮影した組織図である。
【図５】図５は、本発明の実施例６、７の窒化ケイ素セラミックスの表面組織状態をＳＥＭで撮影した組織図である。
【図６】図６は、本発明の実施例８〜１０の窒化ケイ素セラミックスの表面組織状態をＳＥＭで撮影した組織図である。
【図７】図７は、比較例１〜３の窒化ケイ素セラミックスの表面組織状態をＳＥＭで撮影した組織図である。
【図８】図８は、本発明の実施例と比較例において、窒化ケイ素セラミックスの四点曲げ強度と粒子体積の関係を示す図である。
【図９】図９は、本発明の実施例と比較例において、窒化ケイ素セラミックスの四点曲げ強度とアスペクト比の関係を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施例１、５、１０の摩耗試験後の窒化ケイ素セラミックスの表面組織状態をＳＥＭで撮影した組織図である。
【図１１】図１１は、比較例１〜３の摩耗試験後の窒化ケイ素セラミックスの表面組織状態をＳＥＭで撮影した組織図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施例８〜１０と比較例１〜３の摩耗試験後の表面粗さと粒子体積の関係を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の一実施形態に係る燃料噴射弁の概要図である。
【図１４】図１４は、上記燃料噴射弁の部分拡大図である。
【図１５】図１５は、弁座部の断面図である。
【図１６】図１６は、本実施形態、比較材１の表面組織状態をＳＥＭで撮影した組織図である。
【図１７】図１７は、噴射圧力３００ＭＰａでの連続噴射試験の結果を示す図である。
【図１８】図１８は、噴射圧力とキャビテーション係数の関係を示す図である。
【図１９】図１９は、コモンレール式の燃料噴射システムの概要図である。
【図２０】図２０は、従来例を示す燃料噴射弁の概要図である。
【符号の説明】
【０１０１】
２８ａ  燃料噴射弁
４５  ノズルボディ
５２  ニードル弁（弁体）
５３  圧力制御室
６１  リリーフ穴
６２  リリーフ弁
６３  中央弁座部（弁座部）
６３ａ  シート面
７９  高圧噴射用部品
８０  通路
８２  アッパー面
【図１】
2010005495.tif 000007
【図２】
2010005495.tif 000008
【図３】
2010005495.tif 000009
【図４】
2010005495.tif 000010
【図５】
2010005495.tif 000011
【図６】
2010005495.tif 000012
【図７】
2010005495.tif 000013
【図８】
2010005495.tif 000014
【図９】
2010005495.tif 000015
【図１０】
2010005495.tif 000016
【図１１】
2010005495.tif 000017
【図１２】
2010005495.tif 000018
【図１３】
2010005495.tif 000019
【図１４】
2010005495.tif 000020
【図１５】
2010005495.tif 000021
【図１６】
2010005495.tif 000022
【図１７】
2010005495.tif 000023
【図１８】
2010005495.tif 000024
【図１９】
2010005495.tif 000025
【図２０】
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