(57)【要約】  噴射孔１１ｂに向かって先細りの円錐空間を区画した弁座１１ａを有したバルブシート１１と、弁座１１ａと当接可能な曲面が形成されたバルブ部１２ｂおよび弁座１１ａより上流側に円柱形状の摺動部１２ａを有したニードル１２と、摺動部１２ａを摺動可能に保持したスワラー１０とを備え、バルブ部１２ｂと弁座１１ａとの隙間の開閉によって、噴射孔１１ｂから噴射される燃料の調節を行う燃料噴射弁１において、バルブ部１２ｂの弁座１１ａと当接した点における軸線方向の曲率半径をＲ、摺動部１２ａの外径をＤとすると、Ｒ＞Ｄ／２である。
2008065698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴射孔に向かって先細りの円錐空間を区画した弁座を有したバルブシートと、
前記弁座と当接可能な曲面が形成されたバルブ部および前記弁座より上流側に円柱形状の摺動部を有したニードルと、
前記摺動部を摺動可能に保持したガイド体とを備え、
前記バルブ部と前記弁座との隙間の開閉によって、前記噴射孔から噴射される燃料の調節を行う燃料噴射弁において、
前記バルブ部の前記弁座と当接した点における軸線方向の曲率半径をＲ、前記摺動部の外径をＤとすると、Ｒ＞Ｄ／２であることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
前記バルブ部の外径は、最大外径が前記摺動部の外径Ｄと同一であり、先端部に向かって漸次小さくなっていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
【請求項３】
前記弁座と前記バルブ部とが当接する当接円の直径であるシート径をＳ、前記円錐空間の頂点における内側の角度であるシート角度をθとすると、下式を満たすことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料噴射弁。
Ｓ＜２×Ｒ×ｓｉｎ（９０°−θ／２）
【請求項４】
前記シート角度θは、８０°≦θ≦１００°であることを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射弁。
【請求項５】
前記当接円における単位長さ当たりの線荷重をＱ、前記バルブ部の縦弾性係数をＥ1、前記弁座の縦段数係数をＥ2、前記バルブ部のポアソン比をν1、前記弁座のポアソン比をν2、前記バルブ部と前記弁座との当接による接触応力をＰとすると、前記曲率半径Ｒは下式から算出されることを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の燃料噴射弁。
Ｒ＝（１／π）×（Ｑ／Ｐ2）×１／{（１−ν12）／Ｅ1＋（１−ν22）／Ｅ2}
【請求項６】
前記曲率半径Ｒは、１ｍｍ≦Ｒ≦１．５ｍｍであることを特徴とする請求項５に記載の燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、弁座を有したバルブシートと、弁座と当接可能なバルブ部を有したニードルとを備え、弁座とバルブ部との隙間の開閉によって、噴射孔から噴射される燃料の調節を行う燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、噴射孔に向かって先細りの円錐空間を区画した弁座を有したバルブシートと、前記弁座と当接するバルブ部を有したニードルとを備え、前記バルブ部と前記弁座との隙間の開閉によって、前記噴射孔から噴射される燃料の調節を行う燃料噴射弁が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特に、バルブ部が半球形状に形成されたものが一般的に知られている。【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１０７８２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、通常、燃料を高圧化すると、バルブ部と弁座との接触応力が増大する。特に、バルブ部が半球形状の場合、接触応力の増大を抑制するには、接触面積が大きくなるように、バルブ部と弁座との当接円の径を大きくすることが必要であり、バルブ部の半径を大きくしなければならない。バルブ部の半径を大きくすると、ニードルの径が大きくなり、ニードルの重量が増加して、燃料噴射弁の応答性が悪化するという問題点があった。【０００５】
この発明は、上述のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、燃料を高圧化しても、応答性を悪化させずに、バルブ部と弁座との間の接触応力の増大を抑制する燃料噴射弁を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る燃料噴射弁は、噴射孔に向かって先細りの円錐空間を区画した弁座を有したバルブシートと、前記弁座と当接可能な曲面が形成されたバルブ部および前記弁座より上流側に円柱形状の摺動部を有したニードルと、前記摺動部を摺動可能に保持したガイド体とを備え、前記バルブ部と前記弁座との隙間の開閉によって、前記噴射孔から噴射される燃料の調節を行う燃料噴射弁において、前記バルブ部の前記弁座と当接した点における軸線方向の曲率半径をＲ、前記摺動部の外径をＤとすると、Ｒ＞Ｄ／２である。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る燃料噴射弁によれば、燃料を高圧化しても、応答性を悪化させずに、バルブ部と弁座との間の接触応力の増大を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１に係る燃料噴射弁の断面図である。
【図２】図１の燃料噴射弁の要部拡大図である。
【図３】図１の弁座のシート角度とニードルの調芯力との関係を示す説明図である。
【図４】接触応力を算出する円柱と平面とを用いたモデルを示す説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る燃料噴射弁１の断面図、図２は図１の燃料噴射弁１の要部拡大図である。
実施の形態１に係る燃料噴射弁１は、電磁力を発生させるソレノイド部２と、ソレノイド部２の電磁力により、開閉して燃料の噴射を調節する弁本体３とを備えている。
ソレノイド部２は、中空円柱形状のコア４と、このコア４の端部に設けられた非磁性体であるリング５と、コア４の外側に設けられたコイル６と、リング５およびコイル６の下側に設けられた非磁性体のホルダ７と、コイル６の外側に設けられた非磁性体のハウジング８と、コア４の内側に設けられたロッド１５とを備えている。
コイル６は、ターミナル９と接続され、外部から通電により励磁可能となっている。【００１０】
弁本体３は、燃料に旋回流を発生させるガイド体であるスワラー１０と、弁座１１ａを有し噴射孔１１ｂが形成されたバルブシート１１と、スワラー１０を貫通し、弁座１１ａと当接可能なニードル１２と、ニードル１２のコア４側の端部に固定され、コア４の軸線方向に沿ってホルダ７に対して摺動可能なアマチュア１３とを備えている。
弁座１１ａは、噴射孔１１ｂに向かって先細りの円錐空間を区画している。
ニードル１２は、スワラー１０に摺動可能に保持された摺動部１２ａと、弁座１１ａと当接可能なバルブ部１２ｂとを有している。
弁本体３の外側には、弁本体３を収納したボディ１４が設けられている。【００１１】
ロッド１５とアマチュア１３との間には、スプリング１６が備えられている。このスプリング１６により、ニードル１２は弁座１１ａ側に付勢されている。
ボディ１４のコア４側には、ニードル１２のリフト量を規制するストッパ１７が設けられており、ニードル１２に設けられたフランジ部がストッパ１７と当接したときに、バルブ部１２ｂと弁座１１ａとの開口面積が最大となる。【００１２】
この燃料噴射弁１の閉弁時は、ニードル１２の周囲に高圧の燃料が充填されており、スプリング１６の付勢力と、燃料の圧力とを合わせた力により、バルブ部１２ｂが弁座１１ａに押圧されている。
図示しない制御コントローラからの開弁信号によりコイル６が励磁されると、コア４が磁化し、このコア４により、アマチュア１３およびニードル１２への引力が発生する。
この引力が、前述したバルブ部１２ｂを弁座１１ａに押圧する力より大きくなると、バルブ部１２ｂと弁座１１ａとの間が開き、開弁する。【００１３】
バルブ部１２ｂの弁座１１ａと当接する点における軸線方向の曲率半径Ｒは、摺動部１２ａの直径をＤとすると、下式（１）を満たすように形成されている。
Ｒ＞Ｄ／２      （１）
バルブ部１２ｂの曲率半径Ｒを大きくすると、微視的には、バルブ部１２ｂが弁座１１ａに押圧されて変形した状態では、バルブ部１２ｂと弁座１１ａとの間の接触面積が大きくなるので、バルブ部１２ｂと弁座１１ａとの間の接触応力が小さくなり、その結果、燃料を高圧化しても、バルブ部１２ｂと弁座１１ａとの間の接触応力の増大を抑制することができる。【００１４】
バルブ部１２ｂの外径は、最大外径が摺動部１２ａの外径と同一であり、先端部に向かって漸次小さくなっている。これにより、ニードル１２を組付ける際に、ニードル１２をスワラー１０へ容易に挿入可能である。また、バルブ部１２ｂの軸ズレを低減することができる。【００１５】
弁座１１ａとバルブ部１２ｂとが当接する当接円の直径であるシート径をＳ、弁座１１ａの円錐空間の頂点における内側の角度であるシート角度をθとすると、曲率半径Ｒは、下式（２）を満たしている。
Ｓ＜２×Ｒ×ｓｉｎ（９０°−θ／２）      （２）
シート径Ｓを小さくすると、燃料の圧力によるバルブ部１２ｂが弁座１１ａへ押圧する力が小さくなるので、燃料を高圧化しても、バルブシート１１からニードル１２を引き上げるのに必要な引力の増大を抑制することができる。
また、引力の増大を抑制することができるので、燃料を高圧化しても、より大きな引力を作るためにソレノイド部２を大きくする必要なく、燃料噴射弁１全体の大型化を抑制することができる。【００１６】
ニードル１２を摺動させるのに必要な吸引力は、シート角度θを大きくすることで、シート径Ｓを小さくする方法があるが、図３に示すように、ニードル１２への調芯力Ｆ１は下式（３）となり、シート角度θが大きくなると、ニードル１２の調芯性が小さくなり、不安定となる。
Ｆ１＝Ｆｃｏｓ（θ／２）      （３）
そこで、本願発明者は、ニードル１２の調芯性と弁座１１ａの加工性との兼ね合いから、シート角度θは、８０°〜１００°とするのが適当であることを見出した。【００１７】
バルブ部１２ｂの曲率半径Ｒが大きいほど、バルブ部１２ｂが弁座１１ａに押圧されて変形した状態では、バルブ部１２ｂと弁座１１ａとの間の接触面積が大きくなるので、バルブ部１２ｂと弁座１１ａとの間の接触応力が小さくなりバルブ部１２ｂおよび弁座１１ａの劣化を抑制することができるが、閉弁時のバルブ部１２ｂと弁座１１ａとの密閉性は悪化する。一般的には、バルブ部１２ｂと弁座１１ａとの間の接触応力は、４００ＭＰａ〜６００ＭＰａがよい。【００１８】
図４に示すように、接触する円柱と平面との間に発生する接触応力と、円柱の曲率半径Ｒとの関係は、ヘルツの公式から下式（４）が導出される。ただし、当接部における単位長さ当たりの線荷重をＱ、バルブ部１２ｂの縦弾性係数をＥ1、弁座１１ａの縦段数係数をＥ2、バルブ部１２ｂのポアソン比をν1、弁座１１ａのポアソン比をν2、バルブ部１２ｂと弁座１１ａとの当接による接触応力をＰとする。
Ｒ＝（１／π）×（Ｑ／Ｐ2）
×１／{（１−ν12）／Ｅ1＋（１−ν22）／Ｅ2}      （４）
この式（４）を用いることで、バルブシート１１およびニードル１２の材料、使用条件に合わせて、バルブ部１２ｂの曲率半径を簡単に算出することができる。【００１９】
実際、本願発明者は、縦弾性係数Ｅ1およびＥ2を２００ＧＰａ、ポアソン比ν1およびν2を０．３、接触応力Ｐを４００ＭＰａ〜６００ＭＰａとして、上式（４）を用いて、曲率半径Ｒを算出した。
ここで、縦弾性係数Ｅ1およびＥ2は、バルブ部１２ｂおよび弁座１１ａの材料として一般的に用いられるマルテンサイト形ステンレスのものである。
また、線荷重Ｑは、スプリング１６の付勢力によるバルブ部１２ｂと弁座１１ａとの接触円に加えられる力を１５Ｎ〜２０Ｎとし、高圧の燃料によるバルブ部１２ｂと弁座１１ａとの接触円に加えられる圧力を１５ＭＰａ〜２０ＭＰａとし、さらに、シート径Ｓを１．２ｍｍ〜１．４ｍｍとして算出されている。
その結果、曲率半径Ｒを、１．０ｍｍ〜１．５ｍｍの間に設定すると、閉弁時におけるバルブ部１２ｂと弁座１１ａとの間には、バルブ部１２ｂおよび弁座１１ａの劣化を抑制するとともに密閉性の悪化を抑制する適度な接触応力を得ることができる。
【図１】
2008065698.tif 000003
【図２】
2008065698.tif 000004
【図３】
2008065698.tif 000005
【図４】
2008065698.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成21年4月10日(2009.4.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴射孔に向かって先細りの円錐空間を区画した弁座を有したバルブシートと、
前記弁座と当接可能な曲面が形成されたバルブ部および前記弁座より上流側に円柱形状の摺動部を有したニードルと、
前記摺動部を摺動可能に保持したガイド体とを備え、
前記バルブ部と前記弁座との隙間の開閉によって、前記噴射孔から噴射される燃料の調節を行う燃料噴射弁において、
前記バルブ部の前記弁座と当接した点における軸線方向の曲率半径をＲ、前記摺動部の外径をＤとすると、Ｒ＞Ｄ／２であり、
前記弁座と前記バルブ部とが当接する当接円の直径であるシート径をＳ、前記円錐空間の頂点における内側の角度であるシート角度をθとすると、Ｓ＜２×Ｒ×ｓｉｎ（９０°−θ／２）であることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
前記バルブ部の外径は、最大外径が前記摺動部の外径Ｄと同一であり、先端部に向かって漸次小さくなっていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
【請求項３】
前記シート角度θは、８０°≦θ≦１００°であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料噴射弁。
【請求項４】
前記当接円における単位長さ当たりの線荷重をＱ、前記バルブ部の縦弾性係数をＥ１、前記弁座の縦段数係数をＥ２、前記バルブ部のポアソン比をν１、前記弁座のポアソン比をν２、前記バルブ部と前記弁座との当接による接触応力をＰとすると、前記曲率半径Ｒは下式から算出されることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の燃料噴射弁。
Ｒ＝（１／π）×（Ｑ／Ｐ２）×１／{（１−ν１２）／Ｅ１＋（１−ν２２）／Ｅ２}
【請求項５】
前記曲率半径Ｒは、１ｍｍ≦Ｒ≦１．５ｍｍであることを特徴とする請求項４に記載の燃料噴射弁。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
この発明に係る燃料噴射弁は、噴射孔に向かって先細りの円錐空間を区画した弁座を有したバルブシートと、前記弁座と当接可能な曲面が形成されたバルブ部および前記弁座より上流側に円柱形状の摺動部を有したニードルと、前記摺動部を摺動可能に保持したガイド体とを備え、前記バルブ部と前記弁座との隙間の開閉によって、前記噴射孔から噴射される燃料の調節を行う燃料噴射弁において、前記バルブ部の前記弁座と当接した点における軸線方向の曲率半径をＲ、前記摺動部の外径をＤとすると、Ｒ＞Ｄ／２であり、前記弁座と前記バルブ部とが当接する当接円の直径であるシート径をＳ、前記円錐空間の頂点における内側の角度であるシート角度をθとすると、Ｓ＜２×Ｒ×ｓｉｎ（９０°−θ／２）である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
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【国際調査報告】
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