(57)【要約】【課題】  弁体面や弁座面の非真円性により生じる弁体面と弁座面との広幅な接触を避け、シール性能の低下を抑制する。【解決手段】          弁座面２０３を有するシート部材１０２と、弁座面２０３と当接する弁体面２０４を有する弁部材１０１と、弁部材１０１を往復動作させる弁駆動手段とを備え、弁駆動手段により弁部材１０１を往復動作させることにより弁体面２０４を弁座面２０３に接触させることにより弁を閉じ、弁体面２０４を弁座面２０３から離間させることにより弁を開く燃料噴射弁において、弁座面２０３または弁体面２０４の少なくともどちらか一方の、弁体面２０４と弁座面２０３とが接触するシール座２０２に対して上流側部分および下流側部分に凹部５０１，５０２を設ける。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁座面を有するシート部材と、前記弁座面と当接する弁体面を有する弁部材と、前記弁部材を往復動作させる弁駆動手段とを備え、前記弁駆動手段により弁部材を往復動作させることにより前記弁体面を前記弁座面に接触させることにより弁を閉じ、前記弁体面を前記弁座面から離間させることにより弁を開く燃料噴射弁において、
前記弁座面または前記弁体面の少なくともどちらか一方の、前記弁体面と前記弁座面とが接触するシール座に対して上流側部分および下流側部分に凹部を設けたことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料噴射弁において、
前記凹部は予め形成された前記弁座面に加工された形状部分であることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料噴射弁において、
前記上流側の凹部と前記下流側の凹部とが球面の一部として形成され、前記上流側の凹部の球面の曲率半径は前記下流側の凹部の曲率半径よりも大きいことを特徴とする燃料噴射弁。 
【請求項４】
請求項３に記載の燃料噴射弁において、
前記上流側の凹部と前記下流側の凹部との間に平坦部を有することを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料噴射弁において、
前記上流側の凹部と前記下流側の凹部とは、径の異なる球面状のツールを使用して形成されたことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料噴射弁において、
前記上流側の凹部と前記下流側の凹部との間に球面部を形成したことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料噴射弁において、
前記凹部は前記弁体面に設けられ、前記弁体の曲率線より凹んだ形状に形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射弁、特に内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁であって、弁体を操作するためのアクチュエータが設けられており、弁体が噴射側端部に球面部を有しており、該球面部が弁座体に形成された弁座面と当接することで座接触箇所にシール座を形成して、燃料の漏洩を防止するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
特開平９−４２１１４号公報には、弁閉鎖体がエッジ座部として形成された弁座と協働し、弁座が互いに異なる角度をもって形成された２つの面を直接に連続させて２つの面の接触線にエッジ座部を形成しており、上流側の一方の面と弁長手方向軸線との間の角度αが下流側の他方の面と弁長手方向軸線との間の角度βよりも大きく形成された燃料噴射弁が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−４２１１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
エンジンに燃料を供給する燃料噴射弁(インジェクタ)では、先端に設けられている燃料噴射孔からの燃料漏れを低減する必要がある。
【０００５】
燃料噴射弁は、燃料の漏れを防止するために、その開閉弁が主として円錐状の弁座面を有する弁座と、弁座の円錐面と接触するように配置された球面状または円錐状の弁体面を有する弁部材からなり、弁体面を弁座面に密着・離間させることで、弁の開閉を行う構成となっているのが一般的である。
【０００６】
閉状態においては、付勢スプリングなどによって弁体面が弁座面に押し付けられ、弁体面と弁座面とが接触して接触変形が生じることにより、シール座を形成する。このシール座により燃料がシールされ、エンジンの燃焼室に燃料が漏洩するのを遮断している。
【０００７】
しかしながら、このような方式の燃料噴射弁では、弁体面や弁座面の表面粗さや非真円性による凹凸が、弁体面と弁座面との接触による変形量よりも大きい場合には、弁体面と弁座面との間に隙間が残留し、残留した隙間から、燃料が漏洩してしまうことがある。
【０００８】
さらに、弁体面あるいは弁座面が非真円性を有して凹凸がある場合には、閉弁状態おける、弁体面と弁座面との接触状態を微視的に観察すると、弁体面の凸部と弁座面の凸部とが接触している。このような凸部同士の接触箇所は、必ずしも設計上意図したシート幅の中に存在するとは限らない。ここで、設計上意図したシート幅とは、設計上シートすべき位置を中心として、理想的な真球である弁体面と理想的な円錐である弁座面とが、弁体に作用する荷重の範囲内で、弁体面と弁座面とがヘルツ応力によって変形した結果生じる接触の斜面方向の幅である。
【０００９】
実際の接触箇所と設計上意図した接触位置とが異なっていた場合には、意図しない箇所で接触が生じた状態(広幅な接触状態と称する)でシール座を形成することになる。広幅な接触状態では、接触箇所が増えてしまうため接触部の剛性が上がり、シール座の接触面圧が低下する。シール座の接触面圧の低下は、弁体面と弁座面との間に生じる接触による変形量を低下させる。この接触による変形量の低下により、非真円性に起因した凹凸により生じた隙間を埋めることができなくなり、シール性能の低下をもたらし、燃料の漏洩が生じる。従って、シール性能を向上させるには、広幅な接触を避ける必要がある。
【００１０】
特許文献１の燃料噴射弁では、上記した構成により、広幅な接触を避け、シール性能を向上することができる。
【００１１】
しかしながら、広幅な接触を回避し、シール性能を向上させるためには、エッジ座部の位置を極めて精度良く製造しなくてはならない。エッジ座部の位置精度が十分でないと、弁体と弁座の接触位置がずれ、広幅な接触となり、シール性能の低下を引き起こす原因となってしまう。
【００１２】
エッジ座部の製造方法として、弁座を構成する部材を焼入れ処理した後で研削によって仕上げる方法が考えられるが、上記の製造方法では、２つの円錐面の研削量や母材の寸法精度のばらつきが、すべてエッジ座部の位置に影響してしまうため、エッジ座部の位置を精度よく製作することが困難である。また、２つの円錐面の同軸度が悪い場合、エッジ座部の真円性を悪化させる。この結果、弁体とエッジ座部との間に隙間を生じてシール性が低下することになる。特に小径の軸付砥石を高速で回転させて弁座面の研削仕上げを行う場合、エッジ部を高精度に形成するのは難しく、品質管理や設備操作や段取りなどには作業者の熟練が必要になる、或いは設備が高価になる。
【００１３】
また、球面を成した弁体がエッジ部と接触した場合、弁体の面と弁座のエッジ部との接触応力が、従来の燃料噴射弁と比べて大きくなる。そのため、摩耗や経年劣化を引き起こす要因となってしまう場合もある。
【００１４】
そこで、本発明では、弁体面と弁座面との間における広幅な接触を回避し、所定のシール性能よりも向上させ、かつ摩耗や経年劣化を引き起こし難くした燃料噴射弁を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
弁座面を有するシート部材と、弁座面と当接する弁体面を有する弁部材と、弁部材を付勢するスプリングや電磁力の力で弁部材を往復動作させる弁駆動手段とを備え、弁駆動手段により弁部材を往復動作させることにより弁部材の弁体面をシート部材の弁座面に接触させることにより弁を閉じ、弁体面を弁座面から離間させることにより弁を開く燃料噴射弁において、弁座面または弁体面の少なくともどちらか一方に、弁体面と弁座面とが接触して形成するシール座の上流側および下流側に凹面を設けた構造とする。このような構成により、弁体面や弁座面の表面粗さや非真円性の影響によって生じる、弁体面と弁座面との広幅な接触を回避する。広幅な接触を回避することで、接触箇所が増えることにより生じる接触剛性の増大を抑制し、シール座の接触面圧が低下するのを抑制する。これにより、シール座の接触面圧が低下することなく、弁体面と弁座面との間の接触変形量を維持し、シール性能を向上させる。
【００１６】
シール座の上流側および下流側に凹部を設ける場合、弁体の球の径とは異なる球面ツールを用いて、研磨または切削加工を行うことで、円錐面を有した弁座のシート部と球面ツールの接触の位置は、球面とテーパの幾何学関係により一意に定まるため、凹部を高精度で製造することができる。
【００１７】
また、上流側の凹部と下流側の凹部との幅を、真円の弁体面と真円の弁座面とが接触した際の線接触の幅と同程度の幅とすることで、接触面圧の増大を抑制し、経年劣化や耐摩耗性の低下を引き起こすことがなく、シール性能が向上する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、シール座の上流側および下流側に環状凹部を設けたことにより、弁体面と弁座面とが接触する際に、広幅な接触を避けることができ、シール性能を向上させることができる。また、凹面を設ける際に弁体の球径とは異なる球面ツールを用いることにより、接触位置を幾何学的に決めることが可能となり、コストの高騰を招くことなく位置決め精度を向上させる事ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る燃料噴射弁の実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の第一実施例に係る、弁体先端の近傍を拡大した断面図である。
【図３】本発明の第一実施例に係る、弁体と弁座との接触部を微視的に表した拡大図である。
【図４】本発明の第一実施例に係る、弁体と弁座とが荷重を受けて接触変形した後の接触部近傍をミクロ的に表した断面図である。
【図５】本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の弁体先端の形状を詳細に示した拡大図である。
【図６】本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁のシート位置より上流側及び下流側に凹部を設けた場合の弁体と弁座との接触部近傍の拡大図である。
【図７】本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の球面ツールを用いた形成方法に関する断面図である。
【図８】本発明の第二実施例に係る、弁体先端の近傍を拡大した断面図である。
【図９】本発明の第二実施例に係る、弁体と弁座との接触部を微視的に表した拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る実施例について説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明にかかる燃料噴射弁の例として、電磁式燃料噴射弁の例を示す断面図である。図１に示した電磁式燃料噴射弁は、筒内直接噴射式のガソリンエンジン向けの電磁式燃料噴射弁の例であるが、本発明の効果は、ポート噴射式のガソリンエンジン向けの電磁式燃料噴射弁や、ピエゾ素子や磁歪素子で駆動される燃料噴射弁においても有効である。
【００２２】
図１において、燃料は燃料供給口１１２から供給され、燃料噴射弁の内部に供給される。図１に示す電磁式燃料噴射弁は、通常時閉型の電磁駆動式であって、コイル１０８に通電がないときには、弁体１０１がスプリング１１０によって付勢され、円錐面を有したシート部材１０２に押し付けられ、弁体１０１の弁体面とシート部材１０２の弁座面との間にシール座を形成し、燃料をシールする構造となっている。図１に示したコイル１０８に通電されると、電磁弁の磁気回路を構成するコア１０７、ヨーク１０９、アンカー１０６に磁束密度を生じて、空隙のあるコア１０７とアンカー１０６との間に磁気吸引力を生じる。磁気吸引力が、スプリング１１０の付勢力と前述の燃料圧力による力よりも大きくなると、弁体１０１はアンカー１０６によって磁気コア１０７側、すなわち上流側に吸引され、弁体１０１が可動子１０６と接触して力を伝達し、弁体１０２も上流側に変位し、開弁状態となる。
【００２３】
一方で、コイル１０８への通電が中止されると、磁気コア１０７内に生じていた磁束が消滅し、可動子１０６に作用していた磁気吸引力も減少し、やがて消滅する。この結果、弁体１０１に作用する付勢スプリング１１０の力が、可動子１０６に作用している磁気吸引力より大きくなると、弁体１０１は下流側に変位し、弁体１０１とシート部材１０２とが接触し、閉弁状態となる。
【００２４】
以上が電磁式燃料噴射弁の基本的な動作を説明したものである。燃料噴射弁は、コイル１０８への通電時間を制御することで、弁体１０１が開状態にある時間を制御して、燃料噴射量の制御を行うようになっている。
【００２５】
図２は弁体の先端に設けられた弁体１０１の弁体面とシート部材１０２の弁座面の接触箇所の近傍を拡大した断面図である。燃料噴射弁が閉弁状態にあるときには、弁体１０１の表面に設けられた弁体面２０４とシート部材１０２に設けられた円錐面からなる弁座面２０３とが当接することによって、シール座２０２を形成することによって、弁座面２０３上に設けられた燃料噴射孔２０１から図示されていない直噴エンジンの燃焼室へ燃料が漏洩するのを防いでいる。このとき、弁体１０１の弁体面２０２は球面に形成されており、円錐面を有した弁座面２０３と球面をなした弁体面２０４との接触はシール座２０２を形成し、シール座２０２はほぼ線接触の状態になっている。燃料の漏洩を防ぐためには、弁体面２０４と弁座面２０３との間に形成されるシール座２０２が、円環状に途切れることなく形成されている必要がある。閉弁状態の時には燃料圧力にシール座２０２の直径を有する円（接触部が成す円）の面積を乗じた力が弁体１０１に作用した状態となる。
【００２６】
このとき、筒内噴射用燃料噴射弁では、供給される燃料圧力はおよそ２ＭＰａ乃至３０ＭＰａの範囲である。
【００２７】
図３は、本発明を用いない燃料噴射弁の弁体面２０４と弁座面２０３との接触状態を微視的に図示したものである。図３より、弁体面２０４および弁座面２０３の非真円性の影響により、弁体面２０４と弁座面２０３との接触箇所が、本来シートすべき設計上のシート幅３０２から外れた意図しない接触位置３０１にあり、広幅な接触状態となっている様子を表している。ここで、設計上のシート幅３０２とは、設計上シートすべき位置３０３を中心として、理想的な真球である弁体面２０４と理想的な円錐である弁座面２０３とが、弁体１０１に作用する荷重の範囲内で、弁体面２０４と弁座面２０３とがヘルツ応力によって変形した結果生じる接触の斜面方向の幅であり、この幅は通常５０μm程度以内である。
【００２８】
図４は、付勢スプリング１１０や燃料圧力による力などといった押付け力によって弁座面２０４および弁体面２０３が変形した時の接触状態を微視的に図示した模式図である。
図４に示すように、広幅な接触状態において、燃料の漏洩を防ぐためには、意図しない箇所３０１における凸部を、付勢スプリングや燃料圧力などの押付け力により、設計上のシート位置においてシート幅３０２に亘って接触するまで変形させ、シール座２０２を円環状に途切れることなく形成する必要がある。従って、非真円性によって生じた凸部３０２の分だけ接触剛性が向上し、設計上のシート部３０１が全周にわたって接触し、シール座２０２が円環状に形成するために必要な荷重が大きくなる。この時、シール座２０２を円環状に形成するための荷重が不足していた場合、弁体面２０３と弁座面２０４との間には、隙間が残留し、燃料漏れが発生することになる。
【００２９】
燃料漏れを抑制するためには、広幅な接触を回避する必要がある。本実施例では、図５で示すように、シート位置（シール座２０２の位置）の上流側の弁座面２０４に弁体の球径ＳＲ3より曲率半径が大きい上流側の凹部５０１を設け、シート位置の下流側には弁体の球径ＳＲ3より曲率半径が小さい下流側の凹部５０２を設ける構造とする。
【００３０】
このように、シート位置より上流の個所及び下流の箇所において弁体面２０４と弁座面２０３との距離を大きくとる事によって、非真円性によって生じる意図しない箇所での接触を抑制することができる。これにより、設計上意図しない個所での接触を抑制することができる。この結果、円環状のシール座２０２を形成する際の接触剛性を小さくすることができ、非真円性によって生じた隙間を少ない荷重で消失させ、燃料の漏洩を効果的に防ぐことができる。
【００３１】
また、図６に示すように上流側の凹部５０１と下流側の凹部５０２との間に平面部６０１を設けることで、弁体面２０４と平面部６０１とが接触することになり、弁体面２０４と弁座面２０３との間の接触力が増大するのを抑制することができる。なお球面部６０１の幅は、非真円性を有しない弁体面２０４と非真円性を有しない弁座面２０３とが接触した場合の線接触の幅より大きいことが望ましい。
【００３２】
シート位置の上流側凹部５０１および下流側凹部５０２を形成する際に、図７で示すように上流側の凹部５０１および下流側の凹部５０２と同じ球径ＳＲ1、ＳＲ2を有した球面状ツール７０１を用いる。球径ＳＲ1、ＳＲ2を有した球面状ツール７０１を用いることで、所望の上流側凹部５０１および下流側凹部５０２を得ることができる。球面状ツール７０１と弁座面２０３との接触位置は、球とテーパ円錐面の幾何学的関係から、接触は線接触となり、その接触位置は一意に決まるため、高精度で凹部を形成可能である。球径ＳＲ1を有した球面状ツール７０１と球径ＳＲ2を有した球面状ツール７０１の形成の順序と得られる効果とは無関係であり、上流側凹部５０１、下流側凹部５０２のどちらを先に形成しても良い。また、凹部を設ける前の弁座面２０３の角度が、例えば今より大きい場合もしくは、小さい場合でも、球とテーパの幾何学的関係は変わらないため、得られる効果は同じである。またＳＲ3とＳＲ1およびＳＲ2との球径の差が大きくなると、切削量が増すため、製造時間および製造コストが多くかかる。そこで、使用する上流側の凹部５０１を形成するのに使用する球径ＳＲ1は、弁体の球径ＳＲ3の１０〜２５％程度の大きい球径を使用し、下流側の凹部５０２を形成すために使用する球径ＳＲ2は弁体の球径ＳＲ3より１０〜２５％程度の小さい球径を使用すると、凹部を形成するための研削量を抑えつつ、所望の効果を得ることができる。また、研削後の、仕上げとして弁体と同じ球径ＳＲ3を有した球面ツール７０１を使用して、弁座面２０３と球面ツール７０１を磨り合わせることで、さらにシール性能を向上させる事ができる。
【００３３】
上記の形成方法は主として、上流側凹部５０１、下流側凹部５０２を研削により形成する方法について述べたが、上流側凹部５０１および下流側凹部５０２を形成するのに、必ずしも研削を用いる必要はない。例えば、磨り合わせによる加工が挙げられる。磨り合わせ加工により、シート位置の上流側または下流側で広幅な接触が起こり得る箇所の凸部を、球面ツール７０１を用いて平滑化することでも所望の効果を得ることができる。この磨り合わせは、上流側凹部５０１および下流側凹部５０２を形成する際、研削量が非常に微少で所望の効果を得られるため、極めて高精度に加工することが可能である。
【００３４】
その際、使用する上流側の凹部５０１を形成するために使用する球径ＳＲ1は、弁体の球径ＳＲ3の１〜１０％程度の大きい球径を使用し、下流側の凹部５０２を形成すために使用する球径ＳＲ2は１〜１０％程度の小さい球径を使用すると、広幅な接触が生じる可能性がある幅１００μm程度の領域を平滑な面に仕上げることが出来る。また、研削時と同様、仕上げとして弁体と同じ球径ＳＲ3を有した球面ツール７０１を使用して、弁座面と球面ツールとを磨り合わせることで、さらにシール性能を向上させる事ができる。この際、球径ＳＲ3を有した球面ツール７０１の押付け荷重を球径ＳＲ1、およびＳＲ2を有した球面ツール７０１の押付け荷重より小さく設定するもしくは、磨り合わせ時間を短く設定することで、上流側の凹部５０１および下流側の凹部５０２より、平滑部６０１の方が、弁体面２０１との距離を小さくすることが出来るため、広幅な接触を抑制する効果をより高めることが可能である。
【００３５】
また球面ツール７０１に使用する球体として、高精度かつ高硬度を得やすい鋼球を用いることで、コスト高を抑制しつつ、シール性能の高い燃料噴射弁を提供することができる。
【実施例２】
【００３６】
図８は、本発明に係る第二の実施例を示す、弁体８０１の近傍の拡大断面図である。第二実施例では、弁体８０１のシート位置より上流側、および下流側に環状の凹部８０１、８０２または斜面部を設ける。このように、弁体側に逃げを設けることで広幅な接触を避ける方法は、弁体の形状を転写して製造する場合に対して特に有効である。弁体を形成する場合には、砥石による研削で形成するため、弁体１０１を形成するための自由度が比較的高い。本実施例によれば、弁座側に加工を施さずに、弁体に加工を施すことで、シート位置より上流側および下流側で、弁体とシート円錐面との間の隙間を拡大することができ、広幅な接触による燃料の漏洩を防ぐという効果が得られる。この時、上流側凹部８０１と下流側凹部８０２との距離８０３を、非真円性を有しない弁体面２０４と非真円性を有しない弁座面２０３とが接触した際の線接触の幅より大きくとることにより、凹部８０１、８０２を付加したことによる接触面圧増大を抑制し、経年劣化や耐摩耗性を落とすことなく、シール性能が向上する。
【００３７】
図９は、弁体９０１と弁座部１０２のシート個所を微視的に表した拡大図である。弁体部８０１に上流側の凹部９０２および下流側の凹部８０３を設けることにより、非真円性による広幅な接触をさけることが出来る。その結果、広幅な接触による接触剛性の増加を抑制することができ、接触箇所燃料漏れを防ぐための連続した円環状のシール座を形成するのに必要な荷重を小さく設定できる。
【符号の説明】
【００３８】
１０１…弁体、１０２…シート部材、１０３…下流側プランジャロッドガイド、１０４…ノズルホルダ、１０５…上流側プランジャロッドガイド、１０６…可動子、１０７…磁気コア、１０８…コア、１０９…ヨーク、１１０…スプリング、１１１…コネクタ、１１２…燃料供給口、２０１…燃料噴射孔、２０２…シール座、２０３…弁座面、２０４…弁体面、３０１…意図しない箇所で接触、３０２…設計上のシート幅、３０３…設計上のシート位置、４０１…押付け力による変形後の弁体面、５０１…上流側の凹部、５０２…下流側の凹部、６０１…平面部、７０１…球面状ツール、８０１…上流側の凹部、８０２…下流側の凹部、８０３…球面部、９０１…非真円性を有した弁体面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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