JP2006170192A - 燃料噴射ノズル及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シート面１６またはシート部１７の磨耗の方向性を統一し、経時変化に伴う噴射量の補正を一律的に行うことができるノズル１を提供することにある。
【解決手段】製造時に、ボディ３をエンジンによる被熱温度よりも高い温度で焼き戻す。これにより、ボディ３は、焼き戻し温度よりも高い被熱温度に達することなく使用されるため、使用においてボディ３の焼き戻し軟化は発生しない。このため、磨耗の方向性は、シート部１７が磨耗する方向に統一され、磨耗後のシート部１７´は、製造時のシート部１７よりも径小の部分に移動し、噴射開始タイミングが早まり噴射量が増加する。したがって、噴射量の補正は、噴射開始タイミングが早まり噴射量が増加する方向にのみ対処できればよく、噴射開始タイミングが遅れ噴射量が減少する方向を考慮しなくてもよい。以上より、経時変化に伴う噴射量の補正を一律的に行うことができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関（エンジン）に燃料を噴射供給する燃料噴射ノズルに関する。

〔従来の技術〕
従来より、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、エンジンに燃料を噴射供給する燃料噴射ノズル１００は、噴孔１０１が形成されたボディ１０２、および噴孔１０１を開閉する弁体としてのニードル１０３を備える。そして、ニードル１０３が駆動されてシート部１０４がシート面１０５から離座すると、噴孔１０１が開放され燃料が噴射供給される。また、シート部１０４がシート面１０５に着座すると、噴孔１０１が閉鎖され燃料の噴射供給が停止される。

〔従来技術の不具合〕
この燃料噴射ノズル１００のボディ１０２は、一般に機械構造用肌焼き鋼を焼き戻すことにより製造される。しかし、燃料噴射ノズル１００が、ディーゼルエンジンのような直噴型エンジンに搭載されて用いられる場合、燃料噴射ノズル１００は、燃焼室における燃焼熱を直接的に伝達され、エンジンの運転状態に応じた被熱温度まで昇温してしまう。

このため、この被熱温度が、製造時の焼き戻し温度よりも高いと、ボディ１０２が軟化してしまい、図７（ｃ）に示すように、シート面１０５がシート部１０４により磨耗させられる虞がある。そして、シート面１０５が磨耗すると、製造時のシート部１０４は、より径大のシート部１０４´に移動する。このため、噴孔１０１を開放する方向（開孔方向）に作用する燃料圧力の受圧面積が小さくなり、磨耗前よりも噴射開始タイミングが遅れ噴射量が減少する虞がある。

一方、被熱温度が、製造時の焼き戻し温度よりも低いと、ボディ１０２が軟化せず、図７（ｄ）に示すように、シート部１０４の方がシート面１０５により磨耗させられる虞がある。そして、シート部１０４が磨耗すると、製造時のシート部１０４は、より径小のシート部１０４″に移動する。このため、開孔方向に作用する燃料圧力の受圧面積が大きくなり、磨耗前よりも噴射開始タイミングが早まり噴射量が増加する虞がある。

このように、機械構造用肌焼き鋼を素材としてボディ１０２を製造すると、図８に示すように、被熱温度および製造時の焼き戻し温度のいずれが高いかによって、噴射量の経時変化の方向性が正反対になってしまう。このため、経時変化に伴う噴射量の補正を、一律的に行うことができず煩雑な処理が必要になる。

また、近年の黒煙低減などの要望に伴う噴射圧力の上昇により、噴孔１０１を閉鎖するための付勢力、すなわち、シート部１０４をシート面１０５に押し付ける力が、ますます大きくなっている。このため、シート面１０５またはシート部１０４が磨耗する虞は、ますます高まっている。

なお、このような問題に対し、シート面１０５自体の硬度を向上させる技術が公知となっている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
特許文献１に記載の技術によれば、機械構造用肌焼き鋼を素材とするボディ１０２のシート面１０５に浸炭処理が施され、硬度の向上が図られている。また、特許文献２に記載の技術によれば、機械構造用肌焼き鋼を素材とするボディ１０２のシート面１０５に浸炭浸窒処理が施され、硬度の向上が図られている。

しかし、これらの技術によれば、製造時における硬度は保証されるものの、使用に伴う磨耗等の経時変化に関する問題では、なお、改善の余地がある。
また、機械構造用肌焼き鋼の替わりに、軟化抵抗の高い素材（例えば、高速度工具鋼）を用いてボディ１０２を製造する技術も考えられるが、材料コストが高くなってしまう。
米国特許第４８０１０９５号 特開２００４−３４３５号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、シート面（ボディ）またはシート部（ニードル）の磨耗の方向性を統一することができるとともに、経時変化に伴う噴射量の補正を一律的に行うことができる燃料噴射ノズルを提供することにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の手段は、燃料噴射ノズルの製造方法に関する。この製造方法により製造される燃料噴射ノズルは、噴孔が形成されたボディと、ボディに移動自在に収容され噴孔を開閉する弁体とを備え、内燃機関に燃料を噴射供給するとともに、ボディが内燃機関から熱伝達を受け所定の被熱温度に達する。そして、この燃料噴射ノズルの製造方法は、ボディを焼き戻す焼き戻し工程を備え、焼き戻し工程は、所定の被熱温度よりも高い温度でボディを焼き戻す。

これにより、ボディは、製造時の焼き戻し温度よりも高い被熱温度に達することなく使用されるため、使用において焼き戻されなくなる。このため、ボディは軟化しないので、磨耗の方向性は、ニードルのシート部が磨耗する方向に統一される。したがって、噴射量の補正は、噴射開始タイミングが早まり噴射量が増加する方向にのみ対処できればよく、噴射開始タイミングが遅れ噴射量が減少する方向を考慮しなくてもよい。
以上より、請求項１に記載の手段を採用すれば、ボディ（シート面）またはニードル（シート部）の磨耗の方向性を統一することができるとともに、経時変化に伴う噴射量の補正を一律的に行うことができる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の燃料噴射ノズルでは、燃料が１５０ＭＰａ以上の加圧状態で内燃機関に噴射供給される。
これにより、近年の噴射圧力の上昇によりシート面またはシート部が磨耗する虞が高まっている状況でも、ボディ（シート面）またはニードル（シート部）の磨耗の方向性を統一することができるとともに、経時変化に伴う噴射量の補正を一律的に行うことができる。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の燃料噴射ノズルでは、ボディを焼き戻す温度が、２７０℃以上である。
近年のエンジンによれば、ボディの被熱温度は２２０℃〜２７０℃である。よって、２７０℃以上の温度でボディを焼き戻せば、この燃料噴射ノズルをいかなる品種のエンジンに搭載しても、ボディの焼き戻しによる軟化は発生しなくなる。

〔請求項４の手段〕
請求項４に記載の燃料噴射ノズルは、異なる品種のエンジンに搭載して作動させることができる互換性を有する。
ボディの被熱温度が最も高いエンジンに合わせて製造時の焼き戻し温度を設定すれば、いかなる品種のエンジンでこの燃料噴射ノズルを使用しても、ボディの軟化は生じない。よって、燃料噴射ノズルが互換性を有していても、磨耗の方向性を統一することができる。この結果、互換性を有する燃料噴射ノズルについて、エンジンの品種に応じて製造時の焼き戻し温度を変更する必要がなくなる。

〔請求項５の手段〕
請求項５に記載の燃料噴射ノズルでは、ボディが、機械構造用肌焼き鋼を素材として製造され、弁体が着座するシート面では、炭素および窒素の表面含有率が、内部含有率よりも大きい。
炭素および窒素の含有率を上げれば、「被熱温度よりも高い温度」のような高温度で焼き戻してもシート面の硬度の低下を抑えることができる。このため、炭素および窒素の表面含有率を上げれば、シート面が磨耗する虞をさらに低減することができる。この結果、補正の方向性確保に対する信頼性を高めることができる。

〔請求項６の手段〕
請求項６に記載の表面含有率とは、シート面の表面から０．０５ｍｍの深さまでの表層部における含有率であり、炭素の表面含有率は、０．６重量％以上１．０重量％以下であり、窒素の表面含有率は、０．４重量％以上０．９重量％以下である。
上記のように、炭素および窒素の表面含有率を規制することにより、製造時の焼き戻しにおけるシート面の硬度低下を抑えるとともに、シート面の靭性を確保することができる。

〔請求項７の手段〕
請求項７に記載の燃料噴射ノズルにおいて採用される機械構造用肌焼き鋼は、ケイ素が添加増量されたクロムモリブデン鋼である。
この結果、より強度の高い素材からボディが製造されるため、シート面が磨耗する虞をさらに低減することができる。この結果、補正の方向性確保に対する信頼性を、さらに高めることができる。

〔請求項８の手段〕
請求項８に記載の燃料噴射ノズルにおいて採用されるクロムモリブデン鋼のケイ素含有率は、０．５重量％以上１．０重量％以下である。
上記のようにケイ素含有率を規制することにより、製造時の焼き戻しによる硬度低下を抑えることができる。

最良の形態１の燃料噴射ノズルは、噴孔が形成されたボディと、ボディに移動自在に収容され噴孔を開閉する弁体とを備え、内燃機関に燃料を噴射供給するとともに、ボディが内燃機関から熱伝達を受け所定の被熱温度に達する。そして、この燃料噴射ノズルの製造方法は、ボディを焼き戻す焼き戻し工程を備え、焼き戻し工程は、所定の被熱温度よりも高い温度でボディを焼き戻す。
また、この燃料噴射ノズルによれば、燃料が１５０ＭＰａ以上の加圧状態で内燃機関に噴射供給される。
また、この燃料噴射ノズルのボディを焼き戻す温度は、２７０℃以上である。
また、この燃料噴射ノズルは、異なる品種の内燃機関に搭載して作動させることができる互換性を有する。

また、この燃料噴射ノズルのボディは、機械構造用肌焼き鋼を素材として製造され、弁体が着座するシート面では、炭素および窒素の表面含有率が、内部含有率よりも大きい。この表面含有率とは、シート面の表面から０．０５ｍｍの深さまでの表層部における含有率であり、炭素の表面含有率は、０．６重量％以上１．０重量％以下であり、窒素の表面含有率は、０．４重量％以上０．９重量％以下である。

最良の形態２の燃料噴射ノズルにおいて採用される機械構造用肌焼き鋼は、ケイ素が添加増量されたクロムモリブデン鋼である。
また、クロムモリブデン鋼のケイ素含有率は、０．５重量％以上１．０重量％以下である。

〔実施例１の構成〕
実施例１の燃料噴射ノズル１（以下、ノズル１と呼ぶ）の構成を、図１を用いて説明する。
ノズル１は、図１に示すように、噴孔２が形成されたボディ３と、ボディ３の内部に移動自在に収容され噴孔２を開閉する弁体としてのニードル４とを備え、ノズルホルダ（図示せず）に保持されて、ＥＣＵからの指令に応じて作動する電磁弁（図示せず）とともに燃料噴射弁を構成する。

この燃料噴射弁は、例えば、多気筒ディーゼルエンジンのような直噴型エンジン（図示せず：以下、単にエンジンと呼ぶ）の各気筒に搭載され、気筒およびピストンにより形成される燃焼室に燃料を噴射供給するために用いられる。このため、ボディ３は、燃焼室における燃焼熱を直接的に伝達され、エンジンの運転状態に応じた被熱温度まで昇温する。
なお、ノズル１から噴射される燃料は、周知の噴射ポンプ（図示せず）により高圧化して吐出されたものであり、周知のコモンレール（図示せず）を介してエンジンに噴射供給される。

ボディ３は、コモンレールから燃料を導く燃料供給路８、燃料供給路８を介して、常時、コモンレールから燃料の供給を受ける燃料溜り９、軸方向に設けられニードル４の本体部１０を収容するとともに燃料溜り９から噴孔２までの燃料通路を形成するガイド孔１１、本体部１０を軸方向に摺動自在に収容する摺動孔１３などを有する。

また、ガイド孔１１の先端側（すなわち、反燃料溜り９側）には、先端に向かい縮径するように円錐状のシート面１６が設けられ、このシート面１６にニードル４のシート部１７が着座および離座を繰り返す。さらに、シート面１６の先端側にはサック室１８が凹設され、このサック室１８を形成する内周面１９に、噴孔２が開口している。これにより、シート部１７がシート面１６から離座すると噴孔２が開放され、燃料の噴射が開始される。また、シート部１７がシート面１６に着座すると噴孔２が閉鎖され、燃料の噴射が停止される。

ニードル４は、略円柱状の本体部１０と、本体部１０の先端に形成された先端部２４とからなる。本体部１０の後端寄りの部分は、摺動孔１３に収容される摺動軸部２６をなす。先端部２４は、先端に向かい円錐状に縮径する２つの円錐面２７、２８を有し、円錐面２７、２８が交わって形成される稜線が、シート部１７をなす。

〔実施例１の特徴〕
実施例１のノズル１の特徴を用いて説明する。
実施例１のノズル１の製造方法は、ボディ３を焼き戻す焼き戻し工程を備える。ここで、このノズル１は、乗用車用ディーゼルエンジンやトラック用ディーゼルエンジンなどのように異なる品種のエンジンに搭載して作動させることができる互換性を有する。

そして、焼き戻し工程では、ボディ３の被熱温度が最も高いエンジンに合わせて焼き戻し温度が設定されている。すなわち、焼き戻し温度は、最も高い被熱温度よりも高い温度に設定されている。例えば、図２に示すように被熱温度が２２０〜２７０℃の場合、２７０℃以上の温度で焼き戻しが行われる。すなわち、この焼き戻し温度は、２７０℃としてもよく、２８０℃としてもよく、２９０℃または３００℃としてもよい。

ノズル１に供給される燃料は、噴射ポンプにより高圧化されコモンレールを介して供給されたものであり、１５０ＭＰａ以上の加圧状態でエンジンに噴射供給される。

ボディ３は、機械構造用肌焼き鋼を素材として製造され、シート面１６では、炭素および窒素の表面含有率が内部含有率よりも大きい。この表面含有率とは、シート面１６の表面から０．０５ｍｍの深さまでの表層部における含有率であり、炭素の表面含有率は、０．６重量％以上１．０重量％以下であり、窒素の表面含有率は、０．４重量％以上０．９重量％以下である。

〔実施例１の作用〕
実施例１のノズル１の作用を、図１を用いて説明する。
ＥＣＵからの指令により電磁弁が作動すると、噴孔２を閉じる方向（閉孔方向）に作用する付勢力が減少し、燃料溜り９の燃料圧力、およびシート面１６と円錐面２７との隙間の燃料圧力（先端部２４に作用する燃料圧力）により、ニードル４は噴孔２を開放する方向（開孔方向）に駆動される。この結果、シート部１７がシート面１６から離座して噴孔２とガイド孔とが連通状態となり、噴孔２から気筒内に高圧燃料が噴射供給される。

電磁弁が作動を停止すると、閉孔方向に作用する付勢力が増加する。そして、閉孔方向に作用する付勢力が、開孔方向に作用する付勢力（燃料溜まり９の燃料圧力および先端部２４に作用する燃料圧力による付勢力）よりも大きくなると、ニードル４は閉孔方向に駆動される。この結果、シート部１７がシート面１６に着座して噴孔２とガイド孔１１との間が遮断され、噴孔２から気筒内への高圧燃料の噴射供給が停止される。

〔実施例１の効果〕
実施例１のノズル１のボディ３は、製造時の焼き戻し工程で、エンジンによる被熱温度よりも高い温度で焼き戻される。
これにより、ボディ３は、製造時の焼き戻し温度よりも高い被熱温度に達することなく使用されるため、使用において焼き戻されなくなる。このため、ボディ３は軟化しないので、磨耗の方向性は、ニードル４のシート部１７が磨耗する方向に統一される。

この結果、図３に示すように、磨耗後のシート部１７´は、製造時のシート部１７よりも径小の部分に移動する。これにより、先端部２４に作用する燃料圧力の受圧面積が大きくなるので、シート部１７´がシート面１６から離座するタイミングは、シート部１７がシート面１６から離座するタイミングよりも早くなる。このため、図４に示すように、使用を伴う経時とともに、噴射開始タイミングが早まり噴射量が増加する。したがって、噴射量の補正は、噴射開始タイミングが早まり噴射量が増加する方向にのみ対処できればよく、噴射開始タイミングが遅れ噴射量が減少する方向を考慮しなくてもよい。

以上より、実施例１のノズル１を採用すれば、シート面１６とシート部１７との間で生じる磨耗の方向性を統一することができるとともに、経時変化に伴う噴射量の補正を一律的に行うことができる。

実施例１のノズル１によれば、燃料が１５０ＭＰａ以上の加圧状態でエンジンに噴射供給される。
これにより、近年の噴射圧力の上昇によりシート面１６またはシート部１７が磨耗する虞が高まっている状況でも、ボディ３（シート面１６）またはニードル４（シート部１７）の磨耗の方向性を統一することができるとともに、経時変化に伴う噴射量の補正を一律的に行うことができる。

実施例１のノズル１では、ボディ３を焼き戻す温度が２７０℃以上である。
近年のエンジンによれば、ボディ３の被熱温度は２２０℃〜２７０℃である。よって、２７０℃以上の温度でボディ３を焼き戻せば、ノズル１をいかなる品種のエンジンに搭載しても、ボディ３の焼き戻しによる軟化は発生しなくなる。

実施例１のノズル１は、異なる品種のエンジンに搭載して作動させることができる互換性を有する。
ボディ３の被熱温度が最も高いエンジンに合わせて製造時の焼き戻し温度を設定すれば、いかなる品種のエンジンでノズル１を使用しても、ボディ３の軟化は生じない。よって、ノズル１が互換性を有していても、磨耗の方向性をシート部１７が磨耗する方向に統一することができる。この結果、互換性を有するノズル１について、エンジンの品種に応じて製造時の焼き戻し温度を変更する必要がなくなる。

実施例１のノズル１では、ボディ３が、機械構造用肌焼き鋼を素材として製造され、シート面１６では、炭素および窒素の表面含有率が内部含有率よりも大きい。
炭素および窒素の含有率を上げれば、「被熱温度よりも高い温度」のような高温度で焼き戻しても硬度の低下を抑えることができる。このため、炭素および窒素の表面含有率を上げれば、シート面１６が磨耗する虞をさらに低減することができる。この結果、補正の方向性確保に対する信頼性を高めることができる。

また、実施例１の表面含有率とは、シート面１６の表面から０．０５ｍｍの深さまでの表層部における含有率であり、炭素の表面含有率は、０．６重量％以上１．０重量％以下であり、窒素の表面含有率は、０．４重量％以上０．９重量％以下である。
上記のように、炭素および窒素の表面含有率を規制することにより、製造時の焼き戻しにおけるシート面１６の硬度低下を抑えるとともに、シート面１６の靭性を確保することができる。
なお、窒素の表面含有率と硬度低下との相関は、図５に示すとおりである。ここで、硬度低下量とは、３００℃にて焼き戻したときのビッカース硬さ（Ｈｖ）の低下量を示すものである。この図５によれば、窒素の表面含有率を０．５重量％以上０．９重量％以下にすれば、硬度低下量を６０以下に抑えることができる。

実施例２のノズル１では、ボディ３の素材である機械構造用肌焼き鋼がクロムモリブデン鋼であり、このクロムモリブデン鋼は、ケイ素が添加増量されている。
この結果、より強度の高い素材からボディ３が製造されるため、シート面１６が磨耗する虞をさらに低減することができる。この結果、補正の方向性確保に対する信頼性を、さらに高めることができる。

また、このクロムモリブデン鋼のケイ素含有率は、０．５重量％以上１．０重量％以下である。
このようにケイ素含有率を規制することにより、製造時の焼き戻しによる硬度低下を抑えることができる。
なお、ケイ素含有率と硬度低下との相関は、図６に示すとおりである。この図６によれば、ケイ素含有率を０．５重量％以上１．０重量％以下にすれば、硬度低下量を５０以下に抑えることができる。

ノズルの断面図である（実施例１）。 比出力とボディの被熱温度との相関を示す相関図である（実施例１）。 （ａ）は、ノズル要部の断面図であり、（ｂ）は、ニードルとボディの接触状態を示す説明図である（実施例１）。 噴射量の経時変化を示すグラフである（実施例１）。 窒素の表面含有率と硬度低下量との相関を示す相関図である（実施例１）。 ケイ素含有率と硬度低下量との相関を示す相関図である（実施例２）。 （ａ）は、ノズル要部の断面図であり、（ｂ）は、磨耗前のニードルとボディの接触状態を示す説明図であり、（ｃ）は、被熱温度が焼き戻し温度よりも高い場合における磨耗後のニードルとボディの接触状態を示す説明図であり、（ｄ）は、被熱温度が焼き戻し温度よりも低い場合における磨耗後のニードルとボディの接触状態を示す説明図である（従来例）。 噴射量の経時変化を示すグラフである（従来例）。

符号の説明

１ ノズル（燃料噴射ノズル）
２ 噴孔
３ ボディ
４ ニードル（弁体）
１６ シート面

Claims (8)

1. 噴孔が形成されたボディと、このボディに移動自在に収容され前記噴孔を開閉する弁体とを備え、
   内燃機関に燃料を噴射供給するとともに、前記ボディが前記内燃機関から熱伝達を受け所定の被熱温度に達する燃料噴射ノズルの製造方法であって、
   前記ボディを焼き戻す焼き戻し工程を備え、
   前記焼き戻し工程は、前記所定の被熱温度よりも高い温度で前記ボディを焼き戻すことを特徴とする燃料噴射ノズルの製造方法。
2. 請求項１に記載の製造方法により製造される燃料噴射ノズルであって、
   前記燃料は、１５０ＭＰａ以上の加圧状態で前記内燃機関に噴射供給されることを特徴とする燃料噴射ノズル。
3. 請求項１に記載の製造方法により製造される燃料噴射ノズルであって、
   前記ボディを焼き戻す温度は、２７０℃以上であることを特徴とする燃料噴射ノズル。
4. 請求項２または請求項３に記載の燃料噴射ノズルであって、
   異なる品種の内燃機関に搭載して作動させることができる互換性を有することを特徴とする燃料噴射ノズル。
5. 請求項２または請求項４に記載の燃料噴射ノズルにおいて、
   前記ボディは、機械構造用肌焼き鋼を素材として製造され、
   前記弁体が着座するシート面では、炭素および窒素の表面含有率が、内部含有率よりも大きいことを特徴とする燃料噴射ノズル。
6. 請求項５に記載の燃料噴射ノズルにおいて、
   前記表面含有率とは、前記シート面の表面から０．０５ｍｍの深さまでの表層部における含有率であり、
   炭素の前記表面含有率は、０．６重量％以上１．０重量％以下であり、
   窒素の前記表面含有率は、０．４重量％以上０．９重量％以下であることを特徴とする燃料噴射ノズル。
7. 請求項５または請求項６に記載の燃料噴射ノズルにおいて、
   前記機械構造用肌焼き鋼は、ケイ素が添加増量されたクロムモリブデン鋼であることを特徴とする燃料噴射ノズル。
8. 請求項７に記載の燃料噴射ノズルにおいて、
   前記クロムモリブデン鋼のケイ素含有率は、０．５重量％以上１．０重量％以下であることを特徴とする燃料噴射ノズル。

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