JP4211762B2 - 流体噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、高圧流体の通路を成す第１、第２高圧通路が交差して形成され、一方向に荷重が加えられた状態で使用される流体噴射弁に関し、例えばコモンレール式燃料噴射装置の燃料噴射弁におけるオリフィスプレートに適用されて好適な技術に関する。

発明の背景技術を、コモンレール式燃料噴射装置に用いられる燃料噴射弁（インジェクタ）を例に説明する。
（従来の技術）
コモンレール式燃料噴射装置に用いられる燃料噴射弁は、高圧燃料が供給される圧力制御室の燃料圧力を制御して燃料噴射をコントロールしている。
この種の燃料噴射弁は、圧力制御室に高圧燃料を供給する入口側燃料通路（燃料通路内には入口オリフィスを備える）と、圧力制御室と低圧側とを連通させる出口側燃料通路（燃料通路内には出口オリフィスを備える）とを備え、出口側燃料通路を開閉することによって圧力制御室の燃料圧力を制御して、燃料噴射をコントロールしている。

ここで、入口側燃料通路を形成しているオリフィスプレートについて説明する。
オリフィスプレートは、高圧燃料が供給される圧力制御室と低圧側とを区画するプレートであり、高圧側の燃料漏れを防ぐために、燃料噴射弁を構成するバルブボディとロアボディ（図３参照）の間において軸方向に強く圧縮された状態で組み付けられている。

一方、オリフィスプレートには、高圧燃料を圧力制御室に供給するための入口側燃料通路が形成されている。この入口側燃料通路は、ロアボディに形成された燃料通路（高圧燃料をオリフィスプレートの外周側の下面に導く通路）と圧力制御室とを連通する通路であり、図１（ａ）に示すように、ロアボディの燃料通路に連通する入口オリフィス（第１高圧通路に相当する）１７ａと、圧力制御室に連通する第２高圧通路１７ｂとが交差することで形成されている（例えば、特許文献１参照）。

（従来技術の問題点）
上述したように、オリフィスプレートは、軸方向に強い荷重を受けている。一方、入口側燃料通路内にはコモンレールで蓄圧された高圧燃料が供給される。
ここで、問題点を図５（ａ）〜（ｃ）に示す３つのモデルを用いて説明する。
（荷重）
図５（ａ）に示すように、横方向に通路Ｍ１が形成された部材Ｍ２に縦方向の荷重を加えると、通路Ｍ１の開口には縦方向の圧縮応力Ａが発生するとともに、横方向の引張応力（第１の引張応力Ｂ）が発生する。
（高圧圧力）
図５（ｂ）に示すように、縦方向の通路Ｍ３に横方向の小径の通路Ｍ１を形成し（２つの通路は交差）、通路内を高圧にすると、小径の通路Ｍ１の開口には縦方向より横方向へ大きな引張応力（第２の引張応力Ｃ）が発生する。

（荷重＋高圧圧力）
図５（ｃ）に示すように、２つの通路Ｍ１、Ｍ３が交差する部材Ｍ２に縦方向の荷重を加え、且つ通路内を高圧にすると、小径の通路Ｍ１の開口の横方向には「第１の引張応力Ｂ＋第２の引張応力Ｃ」が同時に発生する。
このように、「荷重＋高圧圧力」の状態では、小径の通路Ｍ１の開口に「第１の引張応力Ｂ＋第２の引張応力Ｃ」が「同一方向」に発生するため、小径の通路Ｍ１の開口は破損しやすい状態になる。
この不具合がオリフィスプレートにおける入口オリフィス（第１高圧通路）と第２高圧通路の交点（交差開口）においても生じる。

上記の不具合を図１（ａ）、図２（ａ）を参照して説明する。
第２高圧通路１７ｂは、オリフィスプレート内において中心側（制御室側）から外方向に向けて斜めに形成されている。
入口オリフィス（第１高圧通路）１７ａは、オリフィスプレート内において、外径側（ロアボディの燃料通路側）から第２高圧通路１７ｂと連通するように斜めに形成され、第２高圧通路１７ｂ内で開口する。

ここで、入口オリフィス（第１高圧通路）１７ａと第２高圧通路１７ｂの交点、入口オリフィス（第１高圧通路）１７ａを成す軸線、および第２高圧通路１７ｂを成す軸線を含む平面αは、図１（ａ）に示すように、軸方向（荷重の印加方向）に沿っている。
即ち、オリフィスプレートの軸中心からオリフィスプレートの半径方向（入口側燃料通路が形成される方向）をＸ軸、このＸ軸と垂直なオリフィスプレートの半径方向をＹ軸、軸方向をＺ軸とした場合、平面αはＺ軸に沿う面であり、Ｙ軸に対して垂直の面であった。

第２高圧通路１７ｂ内における入口オリフィス（第１高圧通路）１７ａの開口を図１（ａ）のβ方向から見た図を、図２（ａ）に示す。
オリフィスプレートには、軸方向（Ｚ軸方向）に荷重が加えられているため、入口オリフィス（第１高圧通路）１７ａの開口には、Ｚ軸方向の「圧縮応力Ａ」が発生するとともに、Ｚ軸に垂直な「第１の引張応力Ｂ」が発生する。
一方、入口側燃料通路内には高圧の燃料圧力が加えられるため、入口オリフィス（第１高圧通路）１７ａの開口には、Ｚ軸に垂直（平面αに垂直）な方向へ大きな「第２の引張応力Ｃ」が発生する。
このように、「荷重＋高圧圧力」により、入口オリフィス（第１高圧通路）１７ａの開口には、「第１の引張応力Ｂ＋第２の引張応力Ｃ」が「同一方向（Ｚ軸に垂直な方向）」に発生するため、入口オリフィス（第１高圧通路）１７ａの開口は破損しやすい状態になる。

従来では、入口オリフィス（第１高圧通路）１７ａの開口の破損を防ぐために、入口オリフィス（第１高圧通路）１７ａの開口の面粗度を低下させて割れのキッカケになる部分の発生を防いだり、オリフィスプレートの材料強度を高めている。
しかし、近年における燃料圧力の高圧化（例えば、供給燃料圧力が１６０Ｍｐａ以上）が進んだ場合、上記２つの手段（面粗度低下と材料強化）では飛躍的な耐久性の向上は望めない。
特開２００３−１６６４５７号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は例えば「荷重＋高圧圧力」が進んでも第１、第２高圧通路の交点部分の破損を防ぐことが可能な流体噴射弁の提供にある。

［請求項１の手段］
請求項１の手段を採用する流体噴射弁は、第１、第２高圧通路の交点、第１高圧通路を成す軸線、および第２高圧通路を成す軸線を含む平面が、荷重の印加方向に対して傾斜している。
これによって、第１高圧通路と第２高圧通路が交差する部分の開口において発生する「第２の引張応力Ｃ（高圧圧力で開口にかかる引張応力）」の発生方向が、「圧縮応力Ａ（荷重によって開口にかかる圧縮応力）」の発生方向と傾斜して交差し、第１高圧通路と第２高圧通路が交差する部分の開口において発生する「第２の引張応力Ｃ」が「圧縮応力Ａ」によって打ち消される。
これにより、第１高圧通路と第２高圧通路が交差する部分の開口に生じる応力が緩和されることになり、「荷重＋高圧圧力」が進んでも、第１高圧通路と第２高圧通路が交差する部分の開口の破損を防ぐことができる。

［請求項２の手段］
請求項２の手段を採用する流体噴射弁は、第１、第２高圧通路の交点にオリフィスが形成されている。
このため、「荷重＋高圧圧力」が進んでも、オリフィスの破損を防ぐことができる。

［請求項３の手段］
請求項３の手段を採用する流体噴射弁は、コモンレール式燃料噴射装置の燃料噴射弁である。
このため、燃料噴射弁に供給される燃料圧力の高圧化が進んでも、第１高圧通路と第２高圧通路が交差する部分の開口（例えば、オリフィス）の破損を防ぐことができる。

［請求項４の手段］
請求項４の手段を採用する流体噴射弁は、コモンレール式燃料噴射装置の燃料噴射弁であり、第１、第２高圧通路は圧力制御室に高圧燃料を供給する入口側燃料通路を成すものである。
このため、圧力制御室に供給される燃料圧力の高圧化が進んでも、第１高圧通路と第２高圧通路が交差する部分の開口（例えば、オリフィス）の破損を防ぐことができる。
［請求項５の手段］
請求項５の手段を採用する流体噴射弁は、第１、第２高圧通路が形成される高圧通路形成部材が、流体噴射弁のボディに押圧されて保持されることによって、高圧通路形成部材に荷重が発生するものである。

最良の形態１の流体噴射弁（例えば、コモンレール式燃料噴射装置の燃料噴射弁）は、高圧流体の通路を成す第１、第２高圧通路が交差して形成され、一方向に荷重が加えられた状態で使用される高圧通路形成部材（例えば、オリフィスプレート）を備える。
そして、第１、第２高圧通路の交点、第１高圧通路を成す軸線、および第２高圧通路を成す軸線を含む平面は、荷重の印加方向に対して傾斜して、第１高圧通路と第２高圧通路が交差する部分の開口において発生する「第２の引張応力Ｃ」が「圧縮応力Ａ」によって打ち消される。

実施例１を図１〜図４を参照して説明する。
この実施例１では、まず燃料噴射弁１の構成を説明し、その後で実施例１の特徴を説明する。

（燃料噴射弁１の構成）
燃料噴射弁１は、例えばディーゼルエンジン用のコモンレール式燃料噴射装置に用いられ、図示しないコモンレールから供給される高圧燃料（例えば、１６０Ｍｐａ以上の超高圧燃料）をエンジン燃焼室に噴射するものであり、図４に示すように、ノズル（後述する）、ノズルホルダ２、制御ピストン３、オリフィスプレート（高圧通路形成部材に相当する）４、電磁アクチュエータ５等より構成される。

ノズルは、先端に噴孔を有するノズルボディ６と、このノズルボディ６の内部に摺動自在に挿入されるニードル７とから構成され、リテーニングナット８によりノズルホルダ２の下部に締結されている。
ノズルホルダ２には、制御ピストン３を挿入するシリンダ９、コモンレールから供給された高圧燃料をノズル側へ導く燃料通路１１とオリフィスプレート４側へ導く燃料通路１２、および高圧燃料を低圧側へ排出する排出通路１３等が形成されている。

制御ピストン３は、ノズルホルダ２のシリンダ９に摺動自在に挿入され、同じくシリンダ９に挿入されたプレッシャピン１４を介してニードル７に連接されている。
プレッシャピン１４は、制御ピストン３とニードル７との間に介在され、プレッシャピン１４の周囲に配置されるスプリング１５に付勢されてニードル７を下方（閉弁方向）へ押圧している。

オリフィスプレート４は、シリンダ９の上端に開口するノズルホルダ２の端面上に配置され、シリンダ９と連通する圧力制御室１６が形成されている。
このオリフィスプレート４には、圧力制御室１６に高圧燃料を供給する入口側燃料通路１７と、圧力制御室１６内の高圧燃料を低圧側に排出する出口側燃料通路１８が設けられている。なお、オリフィスプレート４の詳細については後述する。

入口側燃料通路１７は、燃料通路１２と圧力制御室１６を連通するものであり、入口側燃料通路１７の途中には、入口側燃料通路１７の通路面積を絞る入口オリフィス１７ａが形成されている。
出口側燃料通路１８は、圧力制御室１６と排出通路１３（低圧側）を連通するものであり、出口側燃料通路１８の途中には、出口側燃料通路１８の通路面積を絞る出口オリフィス１８ａが形成されている。
ここで、出口オリフィス１８ａの流路径（内径）は、入口オリフィス１７ａの流路径（内径）よりも小さく設定されている。なお、「出口オリフィス１８ａの流路径（内径）」≧「入口オリフィス１７ａの流路径（内径）」であっても良い。

電磁アクチュエータ５には、出口側燃料通路１８を開閉するボール弁２３が下端に装着されたアーマチャ２４、このアーマチャ２４を軸方向に摺動自在に支持するバルブボディ２４ａ、アーマチャ２４を下方（閉弁方向）へ付勢するスプリング２５、およびアーマチャ２４を上方（開弁方向）へ駆動するソレノイド２６等を内蔵する。
この電磁アクチュエータ５は、ノズルホルダ２の上部にオリフィスプレート４を組み入れてバルブボディ２４ａを固定した後、他の電磁アクチュエータ５の構成部品をバルブボディ２４ａの上部に組み付け、リテーニングナット２７をノズルホルダ２の上部に締結することで、ノズルホルダ２の上部に固定される。

ここで、オリフィスプレート４の具体的な組み付けについて説明する。
オリフィスプレート４は、ノズルホルダ２の上部筒の内部にオリフィスプレート４を組み入れた後、外周に雄ネジが形成されたバルブボディ２４ａを、ノズルホルダ２の上部筒の内側に形成された雌ネジに強固に締結することで固定されている。即ち、オリフィスプレート４は、ノズルホルダ２とバルブボディ２４ａの間において軸方向の圧縮荷重を受けた状態で固定される。

ソレノイド２６がＯＦＦの状態では、スプリング２５の付勢力によってアーマチャ２４が下方に押し付けられ、ボール弁２３がオリフィスプレート４に着座して出口側燃料通路１８を塞ぐ。
ソレノイド２６がＯＮの状態では、スプリング２５の付勢力に抗してアーマチャ２４が上方に移動する。これによって、ボール弁２３がオリフィスプレート４から離座して、出口側燃料通路１８が開かれる。

ここで、燃料噴射弁１の作動を説明する。
コモンレールから燃料噴射弁１に供給される高圧燃料は、ノズルの内部通路２９（図４参照）と圧力制御室１６とに導かれる。
この時、電磁アクチュエータ５がＯＦＦ状態（ボール弁２３が出口側燃料通路１８を閉じた状態）であると、圧力制御室１６に導入された高圧燃料の圧力が制御ピストン３およびプレッシャピン１４を介してニードル７に作用し、スプリング１５とともにニードル７を下方（閉弁方向）へ強く付勢する。

一方、ノズルの内部通路２９に供給された高圧燃料は、ニードル７の受圧面（ノズルの有効シート面積）に作用してニードル７を上方（開弁方向）へ押し上げる。但し、電磁アクチュエータ５がＯＦＦ状態では、ニードル７を下方へ押し下げる力が上回っているため、ニードル７はリフトすることなく噴孔を閉じるので燃料は噴射されない。

電磁アクチュエータ５がＯＮされると、ボール弁２３が出口側燃料通路１８を開いて出口側燃料通路１８が排出通路１３と連通するため、圧力制御室１６の燃料が出口側燃料通路１８を通って排出通路１３より排出され、圧力制御室１６の圧力が低下する。
圧力制御室１６の圧力が所定の開弁圧力まで低下すると、ニードル７を押し上げる力が上回り、ニードル７がリフトして噴孔が開かれ、燃料の噴射が開始される。

その後、電磁アクチュエータ５がＯＦＦされると、ボール弁２３が出口側燃料通路１８を閉じ、再び圧力制御室１６の燃料圧力が上昇する。
そして、圧力制御室１６の圧力が所定の閉弁圧力まで上昇すると、ニードル７を押し下げる力が上回り、ニードル７が押し下げられて噴孔が閉じられ、噴射が終了する。

（オリフィスプレート４の説明）
入口側燃料通路１７および出口側燃料通路１８を形成しているオリフィスプレート４について図３を参照して説明する。
オリフィスプレート４は、高圧燃料が供給される圧力制御室１６と低圧側とを区画するプレート４であり、上述したように、バルブボディ２４ａとノズルホルダ２の間において軸方向に強く圧縮された状態で組み付けられ、高圧側の燃料が漏れないようになっている。
このオリフィスプレート４には、燃料通路１２と圧力制御室１６とを連通する入口側燃料通路１７と、圧力制御室１６と低圧側（オリフィスプレート４の上面側）とを連通する出口側燃料通路１８とが形成されている。

入口側燃料通路１７は、第１高圧通路に相当する入口オリフィス１７ａと第２高圧通路１７ｂが交差して形成される燃料通路である。
この入口オリフィス１７ａは、オリフィスプレート４の外側からオリフィスプレート４の内部に穴あけによって形成した外側穴の一部である。この外側穴は、燃料通路１２に連通する大径穴１７ｃ、この大径穴１７ｃの内部に形成された中径穴１７ｄ、この中径穴１７ｄの奥に形成した入口オリフィス１７ａからなり、この入口オリフィス１７ａが第２高圧通路１７ｂの通路壁面において開口する（図１参照）。
一方、第２高圧通路１７ｂは、圧力制御室１６の天井部を成すテーパ面１６ａから外方向（入口オリフィス１７ａの方向）に向けて斜めに形成された通路穴であり、第２高圧通路１７ｂの内径は、入口オリフィス１７ａの内径より大きい。

出口側燃料通路１８は、テーパ面１６ａから上方へ貫通形成された穴であり、出口側燃料通路１８の上側には通路径が狭くなる出口オリフィス１８ａが形成されている。

（実施例１の背景）
従来の技術では、図１（ａ）に示すように、入口オリフィス１７ａと第２高圧通路１７ｂの交点、入口オリフィス１７ａを成す軸線、および第２高圧通路１７ｂを成す軸線を含む平面αは、軸方向（圧縮荷重の印加方向）に沿うものであった。
即ち、オリフィスプレート４の軸中心から燃料通路１２（テーパ穴の中心）の方向に延びるオリフィスプレート４の半径方向をＸ軸、このＸ軸と垂直なオリフィスプレート４の半径方向をＹ軸、軸方向をＺ軸とした場合、平面αはＺ軸に沿う面であり、Ｙ軸に対して垂直の面であった。

このため、第２高圧通路１７ｂ内における入口オリフィス１７ａの開口を図１（ａ）のβ方向から見た場合、図２（ａ）に示すように、入口オリフィス１７ａの開口には、Ｚ軸方向の「圧縮応力Ａ」と軸方向と垂直な「第１の引張応力Ｂ」が発生するとともに、平面αに垂直な「第２の引張応力Ｃ」が発生する。
このように、「第１の引張応力Ｂ＋第２の引張応力Ｃ」が「同一方向（Ｚ軸に垂直方向）」に発生するため、入口オリフィス１７ａの開口は破損しやすい状態になる。

（実施例１の特徴）
そこで、実施例１では、入口オリフィス（第１高圧通路）１７ａと第２高圧通路１７ｂの交点、入口オリフィス１７ａを成す軸線、および第２高圧通路１７ｂを成す軸線を含む平面αを、図１（ｂ）に示すように、圧縮荷重の印加方向（Ｚ軸）に対して傾斜して設けている。
第２高圧通路１７ｂ内における入口オリフィス１７ａの開口を図１（ｂ）のβ方向から見た図を、図２（ｂ）に示す。

オリフィスプレート４には、軸方向（Ｚ軸方向）に圧縮荷重が加えられているため、入口オリフィス１７ａの開口には、Ｚ軸方向の「圧縮応力Ａ」が発生するとともに、Ｚ軸に垂直な「第１の引張応力Ｂ」が発生する。
また、入口側燃料通路１７内には高圧の燃料圧力が加えられるため、入口オリフィス１７ａ（第１高圧通路）の開口には、平面αに垂直な方向へ大きな「第２の引張応力Ｃ」が発生する。
このように、入口オリフィス１７ａの開口いおいて発生する「第２の引張応力Ｃ」の発生方向と「圧縮応力Ａ」の発生方向が傾斜して交差し、「第２の引張応力Ｃ」の少なくとも一部が「圧縮応力Ａ」によって打ち消される。これにより、入口オリフィス１７ａの開口に生じる応力が小さくなり、燃料噴射弁１に供給される燃料圧力の高圧化が進んでも、入口オリフィス１７ａの破損を防ぐことができる。

なお、平面αの傾斜角（Ｙ軸方向に対する傾斜角）θは、「第２の引張応力Ｃ」が「圧縮応力Ａ」によって打ち消されて、入口オリフィス１７ａの破損を防ぐことができる角度であれば良く、使用される燃料圧力やオリフィスプレート４に加えられるＺ軸方向の圧縮荷重によって適宜設定されるものであるが、例えばコモンレール式燃料噴射弁に用いられる実施例１の燃料噴射弁１においては、７５度〜１５度の間が好ましく、具体的には４５度±５度の範囲に設けられるものである。

〔変形例〕
上記の実施例では、オリフィスプレート４内において外側から内側に延びる外側穴の一部に入口オリフィス１７ａを形成する例を示したが、特許文献１のように、オリフィスプレート４の中心から外方向に延びる内側穴に入口オリフィス１７ａを形成したものであっても良い。
上記の実施例では、第１、第２高圧通路の交点にオリフィスが存在する例を示したが、交点にオリフィスが無い場合であっても、本発明を適用することができる。
上記の実施例では、燃料噴射弁１において軸方向に圧縮された状態で使用されるオリフィスプレート４に本発明を適用する例を示したが、一方向に圧縮荷重が加えられた状態で使用され、内部に高圧流体（燃料に限定されず、他の流体であっても良い）が与えられる第１、第２高圧通路が交差して形成される流体噴射弁に本発明を適用しても良い。

特徴を示す説明図である。 図１のβ方向から見た入口オリフィスの開口の図である。 燃料噴射弁におけるオリフィスプレート近傍の断面図である。 燃料噴射弁の断面図である。 不具合を説明する補助図である。

符号の説明

１ 燃料噴射弁
４ オリフィスプレート（高圧通路形成部材）
１６ 圧力制御室
１７ 入口側燃料通路
１７ａ 入口オリフィス（第１高圧通路）
１７ｂ 第２高圧通路
α 平面（第１、第２高圧通路の交点、第１高圧通路を成す軸線および第２高圧通路を成す軸線が存在する面）
θ 傾斜角（荷重の印加方向に対する傾斜角）

Claims (5)

1. 高圧流体の通路を成す第１、第２高圧通路が交差して形成され、一方向に荷重が加えられた状態で使用される流体噴射弁において、
   前記第１、第２高圧通路の交点、前記第１高圧通路を成す軸線および前記第２高圧通路を成す軸線を含む平面が、前記荷重の印加方向に対して傾斜していることを特徴とする流体噴射弁。
2. 前記第１、第２高圧通路の交点には、オリフィスが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流体噴射弁。
3. コモンレール式燃料噴射装置の燃料噴射弁に用いられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流体噴射弁。
4. 弁座と、
   前記弁座に着座および離座するニードルと、
   前記ニードルの背圧を制御する圧力制御室とを備え、
   前記第１、第２高圧通路は、前記圧力制御室に高圧燃料を供給する入口側燃料通路を成すことを特徴とする請求項３に記載の流体噴射弁。
5. 前記第１、第２高圧通路が形成される高圧通路形成部材が、前記流体噴射弁のボディに押圧されて保持されることによって、前記高圧通路形成部材に前記荷重が発生することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の流体噴射弁。

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