(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアフローメータ、スロットルバルブ、吸気管および吸気弁を介してシリンダに空気が吸入され、前記吸気弁よりも上流側の前記吸気管に設けられた燃料噴射弁からガソリンとアルコールの混合燃料が前記吸気管内の空気中に噴射により供給される内燃機関において、前記燃料噴射弁は、燃料噴射ノズルの燃料の通路を遮って設けられた弁座と、該弁座の開口に接離可能に設けられた弁体とを有し、前記弁座に電気的に接続した第一の犠牲腐食部材と、前記弁体に電気的に接続した第二の犠牲腐食部材とを有し、前記第一と第二の犠牲腐食部材はそれぞれ前記弁座と前記弁体を形成する金属よりもイオン化傾向の高い金属であって、燃料が通流される部位に設けられていることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
エアフローメータ、スロットルバルブ、吸気管および吸気弁を介してシリンダに空気が吸入され、前記吸気弁よりも上流側の前記吸気管に設けられた燃料噴射弁からガソリンとアルコールの混合燃料が前記吸気管内の空気中に噴射により供給される内燃機関において、前記燃料噴射弁は、中空筒形のノズルボディを仕切って形成された弁座と、該弁座の開口に対向させて設けられた弁体と、該弁体を前記開口に接離可能に摺動支持するロッドと、該ロッドを介して前記弁体を前記開口に接離駆動する弁駆動手段と、前記ノズルボディに連通された燃料通路とを具備し、前記ノズルボディと前記弁座と前記弁体がマルテンサイト系ステンレス鋼により形成され、前記ノズルボディの内壁面の一部と前記ロッドに、マルテンサイト系ステンレス鋼よりもイオン化傾向の高い金属を用いてなるリングをそれぞれ電気的に接続して設けてなることを特徴とする内燃機関。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の内燃機関を用いてなる自動車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関およびそれを用いた自動車に係り、特にアルコール混合燃料を用いる内燃機関の燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料噴射弁は内燃機関の気筒に吸入される空気中に燃料を噴射して混入するためのものであり、一般に、機関サイクルに同期させて電磁コイルにより弁を開閉駆動し、その開時間を調整することにより燃料噴射量の調整をするようにしている。また、噴射量の調整精度の向上、噴霧粒径の微細化、空気との混合をよくする等の要求から、燃料噴射弁の弁体、弁座および噴射ノズル等の形状や構造は高い精度で形成される。特に、燃料等によりそれらの構成部品が腐食されると、上記要求を満たすことが難しいことから、耐食性があり、かつ硬度の高い材料を用いて形成することが重要である。
【０００３】
一般に、自動車用内燃機関（以下、エンジンともいう）の燃料には、化石燃料、特にガソリンが主に用いられている。ガソリンの主成分は、オレフィン系やパラフィン系の鎖状炭化水素および芳香族炭化水素であり、これに硫黄等の不純物が若干含まれている。従来、ガソリン用の燃料噴射弁の弁体、弁座および噴射ノズル等の材料には鉄系材料が用いられており、特にガソリンの活性化によるそれら弁部品の腐食を防止するために、ＪＩＳで規定されているＳＵＳ４４０Ｃ，ＳＵＳ４２０Ｊ２等のマルテンサイト系ステンレス鋼が使用されている。これらの材料によれば、ガソリンによる弁体、弁座等の腐食を防止でき、燃料漏れなどの不具合を発生することはなかった。
【０００４】
一方、地球環境の汚染防止の点から、自動車の排気ガス規制が強化されつつある。特に、米国のカルフォルニア州で、排気ガス中の炭化水素（以下、ハイドロカーボン又は単にＨＣと称する）の排出量を、１９９４年から１０年間で、０．２５ｇ／ｍｉｌｅから０．０６２ｇ／ｍｉｌｅに削減するという規制が決定された。
【０００５】
このような規制を満足するためには、新たな触媒方式の開発、噴霧燃料の超微粒化、混合気の最適化等、大幅な技術革新が必要である。これとともに、従来のガソリン単独の燃料から、アルコールを混合したガソリン・アルコール混合燃料に変更して、ハイドロカーボンの排出量を減少することが検討されている。
【０００６】
このガソリン・アルコール混合燃料として、現在ガソリン１５％、メタノールアルコール８５％の組成率の燃料（以下、Ｍ８５と称する）が有望視されており、これによればＨＣはもとより、ＮＯｘ，ＳＯｘ等の物質の排出量をも従来の１／２以下に低減できる見込である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、弁体と弁座部がマルテンサイト系ステンレス鋼で形成された燃料噴射弁を用い、ガソリン・アルコール混合燃料に対する燃料噴射弁の耐久試験および実車走行試験を実施した結果、弁体および弁座が著しく腐食により損傷されるという問題が発生した。このような、弁体および弁座が損傷すると締切り不良による燃料漏れを起こし、燃焼悪化、燃費悪化、エンジンの正常運転を阻害する等の不具合を生じさせることになる。
【０００８】
上記のガソリン・アルコール混合燃料による弁座等の腐食損傷の発生メカニズムについて検討したところ、次のようなメカニズムによるものと考えられる。すなわち、エンジンシリンダの頂部に設けられている吸気弁の隙間から、シリンダ内の燃焼ガスの吹き返しガスやＥＧＲガス（以下、吹き返しガスと総称する）が漏れ、この漏れた吹き返しガスが吸気管に設けられた燃料噴射弁の噴射ノズル部に達し、吹き返しガス中に含まれるＳＯ4−− 、ＮＯ3−、Ｃｌ−、ＨＣＯＯ−等のイオンが弁座部近傍で燃料に溶解し、この溶解により生じた酸により弁体や弁座が腐食されるものと考えられる。また、弁体、弁座の表面のクロム酸化膜は、弁の開閉動作によるたたき摩耗やすべり摩耗により破れ、新生面が露出しているものと考えられる。
【０００９】
このような腐食を防止するには、弁体、弁座等の材料を現在のマルテンサイト系ステンレス鋼よりも耐食性の大きなオーステナイト系又はフエライト系ステンレス鋼の材料を採用すればよい。しかし、弁体と弁座の表面硬度としては、ＨＲＣ５４〜６０程度の高い硬度が要求されるから、硬度が低いそれらオーステナイト系又はフエライト系ステンレス鋼は採用できない。また、ＳＵＳ６３０等の析出硬化型ステンレス鋼は、マルテンサイト系ステンレス鋼よりも耐食性は大きいが、熱処理による硬度上昇はせいぜいＨＲＣ４０が限度であるから、硬度の点で問題がある。このように、現在知られている材料では耐食性と硬度の双方を満たすことができない。
【００１０】
本発明の課題は、ガソリン・アルコール混合燃料に適用しても弁体と弁座の腐食損傷を抑制できる燃料噴射弁を備えた内燃機関およびそれを用いた自動車を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため、エアフローメータ、スロットルバルブ、吸気管および吸気弁を介してシリンダに空気が吸入され、吸気弁よりも上流側の吸気管に設けられた燃料噴射弁からガソリンとアルコールの混合燃料が吸気管内の空気中に噴射により供給される内燃機関において、燃料噴射弁は、燃料噴射ノズルの燃料の通路を遮って設けられた弁座と、該弁座の開口に接離可能に設けられた弁体とを有し、弁座に電気的に接続した第一の犠牲腐食部材と、弁体に電気的に接続した第二の犠牲腐食部材とを有し、第一と第二の犠牲腐食部材はそれぞれ弁座と弁体を形成する金属よりもイオン化傾向の高い金属であって、燃料が通流される部位に設けられていることを特徴とする。
【００１２】
この場合において、前記犠牲腐食部材は、前記燃料噴射ノズルのボディの内表面の少なくとも一部に層状に、又はリング状に設けてもよく、また弁体を接離駆動するロッドに装着してリング状に設けてもよい。
【００１３】
また、燃料噴射弁は、中空筒形のノズルボディを仕切って形成された弁座と、該弁座の開口に対向させて設けられた弁体と、該弁体を前記開口に接離可能に摺動支持するロッドと、該ロッドを介して前記弁体を前記開口に接離駆動する弁駆動手段と、前記ノズルボディに連通された燃料通路とを具備し、前記ノズルボディと前記弁座と前記弁体がマルテンサイト系ステンレス鋼により形成され、前記ノズルボディの内壁面の一部と前記ロッドに、マルテンサイト系ステンレス鋼よりもイオン化傾向の高い金属を用いてなるリングをそれぞれ電気的に接続して設けてなるものとすることができる。
【００１４】
【作用】
このように構成されることから、本発明によれば、次の作用により上記課題を解決できる。すなわち、吹き返しガス中のＳＯ2−−等のイオンがガソリン・アルコール混合燃料等の燃料に溶解して酸が生成されても、弁体と弁座よりもイオン化傾向の高い金属の犠牲腐食部材が先に溶解されるから、その犠牲腐食部材が存在するかぎり弁体と弁座の腐食損傷を防止できる。その結果、燃料漏れなどの弁の締切り不良を防止でき、燃料噴射量の調整精度を高く維持でき、ガソリン・アルコール混合燃料等の腐食性を有する燃料を使用しても、エンジンの正常運転を確保することができる。
【００１５】
また、弁体と弁座をマルテンサイト系ステンレス鋼により形成したものによれば、弁の開閉動作により弁体と弁座のクロム酸化膜が破れても、弁体と弁座の腐食損傷を防止でき、しかも所望の高硬度を確保できるから、一層、弁の締切り不良を防止して燃料噴射量の調整精度を高く維持できる。
【００１６】
この場合の犠牲腐食部材の具体例としては、弁体と弁座の材料が、ＳＵＳ４４０Ｃ，ＳＵＳ４２０Ｊ２等のマルテンサイト系ステンレス鋼の場合、亜鉛、アルミニウム、亜鉛とアルミニウムの合金、アルミニウムを主体とする合金のいずれか１つが好ましい。これに限らず、要は第９図に示す周知のイオン化傾向の関係に従って選択すればよい。
【００１７】
【実施の形態】
以下、本発明を図示実施例に基づいて説明する。図１に本発明の一実施例の燃料噴射弁の断面図を示す。同図は燃料噴射弁１を図２に示すエンジンの吸気管に設けられたギャラリに取り付けた状態を示している。エンジン１の吸気工程において、エアフローメータ３、スロットルバルブ４、吸気管５、吸気弁６を介してシリンダ２に空気が吸入され、排気工程において、排気弁７と排気管８を介して燃焼排ガスが排気される。ガソリン・アルコール混合燃料（以下、単に混合燃料という）は、燃料噴射弁１０から吸気管５内の空気中に噴射することにより供給される。また、エンジンの排ガスの一部およびオイルパン内などに漏れた排ガスを吸気管５に戻す排ガス循環（ＥＧＲ）系が設けられている。
【００１８】
図１に示すように、燃料噴射弁１０の燃料噴射ノズルは円筒形のノズルボディ１１を有してなり、このノズルボディ１１の内部を仕切って弁座１２が形成され、この弁座の開口１３に接離可能にボール状の弁体１４が設けられている。ノズルボディ１１と弁座１２は一体に形成され、これと弁体１４は、それぞれマルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ又はＳＵＳ４２０Ｊ２）により形成されている。弁体１４はプランジャーロッド１５により接離方向に摺動可能に支持されている。プランジャーロッド１５の他端は磁気コア１６の空芯部に設けられたロッドガイド１７に挿入されている。また、プランジャーロッド１５は磁気コア１６の空芯部に挿入されたアジャスタ１８にスプリング１９を介して連結され、これらによって弁体１４の押圧力が調整されるようになっている。ノズルボディ１１の上端にストッパ２０が設けられており、プランジャーロッド１５に設けられた突起と協動して弁体１４の上限位置を規制している。また、弁座１２の上部に図３に示す形状のスワラ２９が取り付けられ、これによって噴出流に旋回力を与えて空気との混合を促進するようにしている。
【００１９】
磁気コア１６の外周に電磁コイル２１が巻回され、これを包囲してヨーク２２が設けられている。このヨーク２２はバルブボディを兼ねており、ノズルボディ１１と磁気コア１６が固定されている。
【００２０】
本発明の特徴部にかかる犠牲腐食部材として、本実施例では、図１及び図４の斜視図に示すように、ノズルボディ１１の内壁上端を切り欠いてなる凹部に亜鉛の第１のリング２３を装着している。また、図１及び図５の斜視図に示すように、プランジャーロッド１５のストッパ２０の上に位置する個所に亜鉛の第２のリング２４を嵌め込んでいる。それらリング２３，２４は塑性結合あるいは溶接によりプランジャーロッド１５、ノズルボディ１１に電気的に接続されている。
【００２１】
このように構成される燃料噴射弁１０は、ギャラリ２５に設けられた取付け穴にシール用のオーリング２８を介して取り付けられる。混合燃料はギャラリ２５に設けられた燃料通路２６に連通可能にヨーク２２の側壁に穿設された導入穴２７から供給される。導入穴２７からヨーク２２の内部に導入された混合燃料は、図示矢印で示した燃料通路を通ってノズルボディ１１内部に導かれる。
【００２２】
弁体１４は、通常は、スプリング１９の付勢力により弁座１２の開口１３の周辺に形成された弁座面（シート面）に押接されており、その状態では燃料の噴射が停止されている。電磁コイル２１に通電すると、磁力によりスプリング１９に坑してプランジャーロッド１５が引き上げられ、弁体１４が弁座面から離れ混合燃料が開口１３から噴射される。例えば、エンジン回転数が２０００ｒｐｍの場合１０００回／分の開閉動作が行われる。
【００２３】
このような頻繁な開閉動作により、弁座１２と弁体１４の接離する面のクロム酸化膜が破れ、混合燃料に吹き返しガスなどが溶解して生ずる酸により腐食される環境になる。しかし、本実施例によれば、第９図に示すように、マルテンサイト系ステンレス鋼よりもイオン化傾向の高い亜鉛で形成された第１と第２のリング２３，２４が燃料が充満されている燃料通路に、弁座１２と弁体１４に電気的に接続して設けられていることから、いわゆる局所電池作用により弁座１２と弁体１４が陰極となり、亜鉛のリング２３，２４が陽極となる（リング２４の場合の関係図を図６に示す。）。その結果、リング２３，２４が先に腐食されるから、リング２３，２４が存在する限りにおいて弁座１２と弁体１４の腐食を防止できる。
【００２４】
ここで、前述したガソリン・アルコール混合燃料による弁座１２と弁体１４の腐食メカニズムを試験により確認したデータを表１、図７、８に示すとともに、上記実施例の犠牲腐食部材による防食効果の実証データを示す。
【００２５】
試験に使用した混合燃料は、実用の可能性が高いＭ８５（ガソリン１５％・メタノールアルコール８５％）を用いた。これを図２に示した位置に取り付けられた従来の燃料噴射弁に供給し、通常の条件でエンジンを運転し、吸気弁６から漏れて燃料噴射弁の噴射ノズル部に吹き返されるガスおよびＥＧＲガスに含まれる酸成分がどの程度あるかを測定した。その結果、２種類のエンジンＡ，Ｂについていずれも表１に示すように、少なからぬ量のＳＯ4−−、ＮＯ3−、Ｃｌ−等の酸成分が検出された。
【００２６】
【表１】
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しかし、これらＳＯ4−−等の成分はガソリン単独の場合にも多かれ少なかれ検出される。したがって、Ｍ８５を使用すると何故腐食が生ずるのか確認するため、ガソリンとＭ８５とにそれぞれ塩酸、硫酸、硝酸を各１００ｐｐｍとなるように加え、それらの液中にＳＵＳ４４０ＣとＳＵＳ４２０Ｊ２を常温で浸漬した。その結果、図７に示すように、同じ酸濃度であってもガソリンに比べ、Ｍ８５の場合は材料の腐食が非常に強まることが判明した。
【００２７】
このことを溶媒の自己解離指数（解離定数の逆数の常用対数値、２５℃）の観点から考察してみる。一般に同種の酸をある溶媒に同濃度に溶解した場合、自己解離指数が小さいほど金属材料に対する腐食性が強くなることが知られている。これは酸の解離を促進させることによる。表２に水、メタノール、エタノールの自己解離指数を示す。
【００２８】
【表２】
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表２から、水の自己解離指数が最も小さく、次いでメタノール、エタノールの順になっている。したがって、水を溶媒としたときに酸は最も腐食性の強い溶液となることが判り、メタノールは水に近い自己解離指数であることから、比較的腐食性の強い溶液となることが判る。これに対して、ガソリンの自己解離指数は測定されていないが、ガソリンはアロマ、パラフィン、オレフィン等の芳香族又は鎖状炭化水素の混合物であるから、エタノールよりも自己解離指数が大きいと推察する。この自己解離指数の差により、ガソリン単独の場合に比べて混合燃料の場合の腐食が大きいものと考える。
【００２９】
次に、弁座と弁体の接離する面だけが腐食される理由について、前述したようにたたき摩耗やすべり摩耗により表面のクロム酸化膜が破れその部分の耐食性が低下すると予想した。これについて確認するため、ＳＵＳ４４０ＣとＳＵＳ４２０Ｊ２の試験片を、ぎ酸１５００ｐｐｍの溶液に常温下で浸漬する試験を行った。試験片は浸漬直前に研摩したものと、そうでないものとをそれぞれの材料について用意した。その結果は、図８に示すように、各材料とも研摩していないもの、すなわち表面に酸化膜を有する試験片は腐食が著しく少なく、直前に研摩した試験片は著しく腐食され易いことが確認できた。
【００３０】
次に、犠牲腐食部材を用いて弁座と弁体の腐食を防止できる効果を確認する試験を行った。犠牲腐食部材として亜鉛Ｚｎを用いた。ＳＵＳ４４０ＣとＳＵＳ４２０Ｊ２の試験片を表面研摩後、亜鉛板を鋼線で接続し、常温でぎ酸１５００ｐｐｍの溶液中に４８時間浸漬した。その結果、表３に示すごとく、Ｚｎだけが腐食し、ＳＵＳ４４０ＣとＳＵＳ４２０Ｊ２の試験片の減量は零であった。
【００３１】
【表３】
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また、各試験片の表面を観察したところ、若干粒界を確認できる部分があったことから、ごく微量の腐食が起こっていたものとみられる。しかし、図８の試験による試験片の表面にみられたようなマトリクスが腐食し、クロム酸化膜がいたるところで脱落しているという損傷状態から比べると、腐食損傷は皆無に等しいから、実用上何ら支障が無いものと考える。
【００３２】
以上の実験結果から、防食対象の金属よりもイオン化傾向の高い犠牲腐食部材（犠牲陽極）の採用により、弁体と弁座の材料に従来のマルテンサイト系ステンレス鋼を用いても、混合燃料に対する腐食損傷を防止できることが明らかである。  また、図１実施例では、犠牲腐食部材としてのリングを２か所に設けたが、いずれか一方でもよい。要は、できるだけ防食対象の弁体と弁座の近くに設けることが望ましい。特に、加工性と、組立て性を考慮すると、プランジャーロッドに嵌め込むリング２４よりも、ノズルボディ１１の内面に固着するリング２３が好ましい。
【００３３】
また、図１、図４、図５のような形状のリングに限られるものではなく、弁座１２及び弁体１４と電気的に接続され、かつ燃料に接する位置であれば、形状は任意に設計できる。
【００３４】
また、犠牲腐食部材としては、亜鉛Ｚｎに限らず、弁体と弁座の材料が、ＳＵＳ４４０Ｃ，ＳＵＳ４２０Ｊ２等のマルテンサイト系ステンレス鋼の場合、亜鉛、アルミニウム、亜鉛とアルミニウムの合金、アルミニウムを主体とする合金のいずれか１つを用いればよい。要は、弁体と弁座の材料よりもイオン化傾向の高い金属を犠牲腐食部材に用いればよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、吹き返しガス中のＳＯ2−−等のイオンがガソリン・アルコール混合燃料等の燃料に溶解して酸が生成されても、犠牲腐食部材が先に溶解されるから、その犠牲腐食部材が存在するかぎり弁体と弁座の腐食損傷を防止できる。その結果、燃料漏れなどの弁の締切り不良を防止でき、燃料噴射量の調整精度を高く維持でき、ガソリン・アルコール混合燃料等の腐食性を有する燃料を使用しても、エンジンの正常運転を確保することができる。
【００３６】
また、弁体と弁座をマルテンサイト系ステンレス鋼により形成したものによれば、弁の開閉動作により弁体と弁座のクロム酸化膜が破れても、弁体と弁座の腐食損傷を防止でき、しかも所望の高硬度を確保できるから、一層、弁の締切り不良を防止して燃料噴射量の調整精度を高く維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の燃料噴射弁の断面図である。
【図２】本発明の燃料噴射弁が適用されるエンジン回りの系統構成図である。
【図３】図１実施例のスワラの外観斜視図である。
【図４】図１実施例のノズルボディの外観斜視図である。
【図５】図１実施例の犠牲腐食部材のリングをプランジャーロッドに嵌め込んだ状態を示す斜視図である。
【図６】犠牲腐食部材のリングが犠牲陽極として腐食することを説明する図である。
【図７】ガソリンとガソリン・アルコール混合燃料の酸に対する腐食性を比較する浸漬試験の結果を示す図である。
【図８】クロム酸化膜の有無による腐食減量の比較をするために行った浸漬試験の結果を示す図である。
【図９】イオン化傾向の順列を示す図である。
【符号の説明】
１０  燃料噴射弁、
１１  ノズルボディ、
１２  弁座、
１３  開口、
１４  弁体、
１５  プランジャーロッド、
１６  磁気コア、
１７  プランジャーガイド、
２０  ストッパ、
２１  電磁コイル、
２２  ヨーク、
２３，２４  リング（犠牲腐食部材）
２５  ギャラリー
２６  燃料通路、
２７  導入穴。
【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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