JP2006220072A

JP2006220072A - 燃料噴射弁

Info

Publication number: JP2006220072A
Application number: JP2005034617A
Authority: JP
Inventors: Yurio Nomura; 由利夫野村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2006-08-24

Abstract

【課題】本発明は、燃料噴孔の周辺部へのデポジットの堆積を抑制することでデポジットの堆積によって生じる燃料噴射特性の経時変化を防止し、常に良好な燃料噴射量の制御性を維持することができる燃料噴射弁を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明の燃料噴射弁１は、少なくとも燃料噴孔７の内周面７ａと、燃料噴孔７の開口部周辺７ｂの表面（デポジット対策表面）がフラクタル構造に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室内へ燃料を噴射する燃料噴射弁に関する。より詳しくは燃料噴孔の周辺にデポジットが堆積するのを防止する機能を有する燃料噴射弁に関する。

燃料噴射弁においては、一般的に十分な保守、点検をしないで内燃機関を長期間にわたって使用していると、燃料噴射弁の燃料噴孔の周辺に固形のデポジット（堆積物）が付着して正常な燃料噴射が妨げられるとか、燃料噴射の状態が変化するという問題がある。デポジットの量が燃料噴孔を完全に閉塞するほどの量に達していなくても、燃料噴孔の部分的な閉塞によって、燃料噴射時における単位時間当たりの噴射量が減少したり、噴射された燃料噴霧の形状や粒子の大きさが変化するというような、燃料噴射特性についての経時的な変化が現れるので、燃料噴射弁の制御性が悪化する。

燃料噴射弁においてデポジットが発生しやすい部位は、運転停止時に燃料が付着したままで残りやすい部位であるとか、燃料噴孔内の燃料が残留しやすい部位であって、しかも容易に温度が低下しない部位である。内燃機関の運転が停止されたときに燃料噴射弁の燃料噴孔の周辺部に少量の燃料が残留したり付着していると、その残留燃料が高温のもとで化学反応を起こして変質し、硬い固形物となって燃料噴孔の周辺にこびりつく。具体的には、残留燃料中の特定の炭化水素成分が脱水素反応によって分解して析出する炭素分や、燃焼室内に残っていた燃焼ガスに含まれている腐食性の酸性ガス、あるいは燃料に含まれている特定の成分の化学反応によって生成される物質が固形物として徐々に燃料噴孔の近傍に堆積してデポジットになり、燃料噴孔の断面積を減少させたり、燃料噴孔の形状を変化させる。そして、燃料の流れを妨げて噴射量を減少させるとか、あるいは、噴出方向を変化させて燃料噴霧の形状を異常な形に変化させる。それらはいずれも燃料噴射弁の制御性の低下という結果をもたらす。

このため、燃料噴射弁の噴射孔周縁に堆積するデポジットを抑制するために、堆積抑制効果の高い撥水撥油性被膜を備えた内燃機関用の燃料噴射弁の弁座部材が提案されている（特許文献１参照）。この弁座部材は、その表面に有機珪素化合物からなる撥水撥油性被膜を有している。具体的には炭素数１〜１０のパーフルオロアルキル基を有する有機珪素化合物であり、いわゆるフッ素コーティングである。

しかし、益々厳しくなる排気ガス規制を満足するには、燃料噴射量をさらに高精度に制御することが要求される。一方、燃焼室内で燃料を成層燃焼するためには、燃料噴射弁位置を燃焼室側面から上部中央に配置することが必要になる。しかし、燃料噴射弁を上部中央に配置すると、燃料噴射弁の先端部（燃料噴孔周辺部を含む）が高温の燃焼ガスに曝される時間が増えるため、この先端部の温度が従来の１５０℃前後度から２５０℃〜３００℃に上昇する。このため、従来のフッ素コーティングでは被覆膜の劣化が生じてデポジット付着により燃料噴射量が変化するおそれがあり、より高温でデポジット堆積抑制効果の高い燃料噴射弁の開発が望まれている。
特開平１１−３４３４８１号公報

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、燃料噴孔の周辺部へのデポジットの堆積を抑制することでデポジットの堆積によって生じる燃料噴射特性の経時変化を防止し、常に良好な燃料噴射量の制御性を維持することができる燃料噴射弁を提供することを課題とする。

本発明の燃料噴射弁は、中空形状を持ち、燃料流路を区画する内周円筒面と、ノズル孔を区画する内周円錐状面と、この内周円錐状面上に形成された弁座とを有するノズルボディと、ノズルボディの中空部内に軸方向に移動可能に配置され、内周円筒面に対向する外周円筒面を持つ本体部と、内周円錐状面に対向する外周円錐状面を持つ先細部と、前記弁座に着座可能な弁部とを有するニードルバルブと、このニードルバルブをその軸線方向に移動させるバルブリフト機構と、ノズルボディの先端部に前記ノズル孔の開口部に連通する燃料噴孔とを備えている燃料噴射弁において、少なくとも前記燃料噴孔の内周面と、前記燃料噴孔の開口部周辺の表面（以後、デポジット対策表面と総称する。図１の円Ａで囲んだ先端部の表面）がフラクタル構造に形成されていることを特徴とする。

本発明の燃料噴射弁は、ノズルボディの少なくともデポジット対策表面がフラクタル構造に形成されてなるため、これらの表面は撥水・撥油性が高い。従って、燃料噴射停止時に燃料噴孔の周辺部に燃料が残存しにくく、また、燃料を噴射することで残存した燃料を容易に噴射除去することができるのでデポジットの堆積を抑制することができる。

ここでフラクタルとは、非整数の次元を持つ図形の総称を意味し、フラクタル構造とは、そのような図形に形成された構造を意味する。例えば、後述する発明の実施の形態に記載するように、複雑な凹凸形状を有する構造を意味する。

また、本発明の燃料噴射弁には、ノズルボディに取り付けられノズル孔の開口部に対向する複数の燃料噴孔が形成されたノズルプレートを有する燃料噴射弁をも含む。このような形状の燃料噴射弁では、ノズルプレートの複数の燃料噴孔を種々の態様で形成することにより、種々の形状の噴霧パターンを得ることができる。

本発明の燃料噴射弁において、少なくともノズルボディの先端部はステンレスであることが望ましい。ステンレスは耐熱性とともに耐食性が高いので、高温に曝されるノズルボディの先端部には好適な材料であり、イオンビーム加工などによりノズルボディ先端部のデポジット対策表面をフラクタル構造に形成することがでる。従って、本発明の燃料噴射弁では、デポジットの堆積を抑制し、常に良好な燃料噴射量の制御性を維持することが可能である。

また、本発明の燃料噴射弁において、デポジット対策表面にアルミニウムの陽極酸化被膜を有していることが望ましい。アルミニウムの陽極酸化被膜には陽極酸化時の微細な通電孔が形成されており、その表面をフラクタル構造となすことができる。従って、本発明の燃料噴射弁では、デポジットの堆積を抑制し、常に良好な燃料噴射量の制御性を維持することが可能である。

また、本発明の燃料噴射弁において、デポジット対策表面にニッケル−クロム−モリブデン合金層を有していることが望ましい。例えば、ニッケル−クロム自溶性合金とモリブデンとの混合粉末をレーザを用いてステンレス表面で合金化することにより、得られた合金層の表面をフラクタル構造とすることができる。従って、このような合金層を有する燃料噴射弁では、デポジットの堆積を抑制し、常に良好な燃料噴射量の制御性を維持することが可能である。

さらに本発明の燃料噴射弁において、デポジット対策表面にフッ素樹脂被膜を有することが望ましい。フラクタル構造を形成したステンレス表面にフッ素樹脂被膜を形成することで撥水・撥油性を更に向上して、デポジットの堆積を抑制することができ、常に良好な燃料噴射量の制御性を維持することが可能である。

以下、本発明の第１の実施形態について図１〜図５を参照して説明する。

図１に内燃機関用の燃料噴射弁の概要を例示する。

図１に示すように、燃料噴射弁１の概ね筒状のノズルボディ２の内部にはニードルバルブ３がその軸線方向に移動可能に装入されており、バルブリフト機構４の作動によって上下方向に駆動される。図１の場合は、バルブリフト機構４の一部であるソレノイドコイル４ａへ通電されたときにニードルバルブ３が吸引されて上昇し、ニードルバルブ先端の円錐形部分３ａが、ノズルボディ２の内周円錐状面上に形成されたシート部（弁座）５から離れてノズル孔６を開くようになる。ソレノイドコイル４は図示しない制御装置に接続されており、燃料噴射弁１によって燃料が噴射される期間に見合う電気的なパルスが制御装置によってソレノイドコイル４へ供給される。

液状の燃料は図示しないポンプによって加圧された後に、配管を介して燃料噴射弁１の本体２の中心部を通過して、ニードルバルブ３の円錐部分３ａの先端によって閉鎖されているシート部５の上流側の空間２ａへ到達し、ニードルバルブ３が上昇してシート部５から離れることによりノズル孔６が開いたときに、ノズル孔６に連通する燃料噴孔７を通って霧化され、図示しない燃焼室内へ噴射される。

図１では燃料噴孔７は断面が略扇型であり、ノズル孔６に対向する開口部７ｃと噴出側の開口部７ｄとはスリット状に形成されている。

このような構成を有する燃料噴射弁１において、本発明は、燃料噴孔７の周辺部表面、特に燃料噴孔７の内周面７ａや燃料噴孔７の開口部周辺７ｂの表面（以後、デポジット対策表面という。）を、図２に例示するような複雑な凹凸形状を有する表面構造Ｆ、すなわち、フラクタル構造に形成したことにある。

なお、本発明の燃料噴射弁には、その先端部が図１（ｂ）に示す形状のものも含まれる。すなわち、ノズルボディ２の先端部にソケット９でノズルボディ２に取り付けられノズル孔６の開口部に対向する複数の燃料噴孔７が形成されたノズルプレート８を有する燃料噴射弁である。この形態の燃料噴射弁では、燃料噴孔７の内周面７ａと燃料噴孔７の下流側開口部（ノズルプレート８の下面側）周辺７ｂ、およびソケット９の中央孔９ａの内周面がデポジット対策表面である。

フラクタルとは、非整数の次元を持つ図形の総称を意味し、フラクタル構造とは、そのような図形に形成された構造を意味する。例えば、自分自身を何分の一かに縮小した構造が自分自身の一部になっている、いわゆる自己相似性を有する構造を意味する。フラクタル図形が自分自身をａ分の１に縮小した図形ｂ個から構成されているとき、その図形の次元（相似性次元）はｌｏｇｂ／ｌｏｇａで与えられる。例えば、図２に示す表面Ｆが描く図形は、ａ＝３，ｂ＝４であるとすると、ｌｏｇ４／ｌｏｇ３＝１．２６・・となるため、１．２６・・次元の図形である。

このようなフラクタル構造に形成された表面Ｆでは、燃料などの液体Ｌは図３に示すように固体Ｓとの接触角θが大きくなるのでフラクタル化された表面Ｆは超撥水・撥油特性を有する。なお、接触角θは、次式で表すことができる。

ｃｏｓθ＝（α２−α１）／α３・・・（１）
（１）式において、α１、α２およびα３は、図３に示すように、液体Ｌと固体Ｓとの接触点Ｐに働く三つの力を示し、α１は、固体Ｓと液体Ｌ間の界面張力であり、α２は、固体Ｓと気体Ｇ間の界面張力であり、α３は、気体Ｇと液体Ｌ間の界面張力である。なお、接触点Ｐはフラクタル構造を有する表面を拡大して示した図２では、液体Ｌと接触している点ｐ１、ｐ２・・・の各々に対応する。

以上のようなデポジット対策表面を有する燃料噴射弁において、本発明の第１の実施の形態は、少なくともデポジット対策表面を含むノズルボディの先端部がステンレスで形成されている燃料噴射弁であり、デポジット対策表面は図２に示すようなフラクタル構造を有している。このようなフラクタル構造は、例えば、ステンレス表面に０．１μｍφに絞ったＧａイオンビームを照射する集束イオンビーム加工などによって形成することができる。

本発明の第２の実施の形態は、ステンレスで形成された燃料噴孔周辺のデポジット対策表面にアルミニウムの陽極酸化被膜を有する燃料噴射弁である。アルミニウムの陽極酸化被膜は通電孔を有するフラクタル構造を形成しているのでデポジットの堆積を抑制することができる。

このようなアルミニウムの陽極酸化被膜は、例えば、まず、デポジット対策表面に溶射あるいは蒸着などの方法でアルミニウムを被覆し、次に、このステンレス表面に被覆したアルミニウムを陽極酸化することでアルミニウムの陽極酸化被膜を形成することができる。

また、本発明の第３の実施の形態は、ステンレスで形成された燃料噴孔周辺のデポジット対策表面に、ニッケル−クロム−モリブデン合金層を有している燃料噴射弁である。例えば、ニッケル−クロム自溶性合金とモリブデンとの混合粉末を炭酸ガスレーザを用いてステンレス表面で合金化することにより、デポジット対策表面にニッケル−クロム−モリブデン合金層を形成することができる。このようにして得られた合金層の表面はフラクタル構造を形成しているのでデポジットの堆積を抑制することができる。

さらに、本発明の第４の実施の形態は、ステンレスで形成された燃料噴孔周辺のデポジット対策表面にフッ素樹脂被膜を有する燃料噴射弁である。このようなフッ素樹脂被膜は図４（ａ）に示すように、フラクタル構造を形成したステンレス１２の表面１２ｆにこのフラクタル構造に沿うように薄いフッ素樹脂被膜１４を形成して得ることができる。また、図４（ｂ）のように、ステンレス１２の表面に比較的厚いフッ素樹脂被膜１４を形成して、そのフッ素樹脂被膜１４の表面をフラクタル化してもよい。フッ素樹脂被膜１４は被膜のみでも良好な撥水・撥油性を呈するが、表面をフラクタル構造とすることで超撥水・撥油性を得ることができる。また、めっきを用いて表面をフラタクタル構造にすることもできる。

図５は、燃料噴射弁（インジェクタ）の先端温度による単位時間当たりの燃料流量の変化を示したグラフの一例である。実線（ア）はデポジット対策表面にフッ素皮膜を施した従来技術の燃料噴射弁の流量変化であり、破線（イ）は本発明の燃料噴射弁の流量変化である。従来技術（ア）では、フッ素樹脂皮膜は施されているものの、高温における撥油性が低下するので、インジェクタの先端温度が１６０℃を越えるとデポジットの堆積が生じ燃料流量が急激に低下する。しかし、デポジット対策表面をフラクタル構造とした本発明の燃料噴射弁では、フラクタル構造が超撥油性を発揮するのでデポジットの堆積を抑制することができ、インジェクタの先端温度が２５０℃を越えても燃料流量を安定して維持することが可能である。従って、常に良好な燃料噴射量の制御性を維持することができる。

本発明の燃料噴射弁は、燃料を噴射する燃料噴孔の内周面および燃料噴孔の周辺部表面（デポジット対策表面）がフラクタル構造に形成されているので、噴射停止時に燃料が燃料噴孔周辺に残存することが少なくデポジットの堆積を抑制することができる。従って、本発明の燃料噴射弁は、燃料噴孔周辺が高温となる筒内噴射エンジンで、特に燃焼室の上部中央に配置する燃料噴射弁として好適である。

燃料噴射弁の構成の一例を示す要部断面図である。（ａ）はノズルボディ先端に燃料噴孔を有するものであり、（ｂ）はノズルプレートに燃料噴孔を有するもので、その先端部の説明図である。フラクタル構造を説明する説明図である。フラクタル表面における液体の接触角を説明する説明図である。ステンレス表面に形成したフッ素樹脂被膜の断面模式図である。（ａ）はフラクタル構造を有するステンレス表面にフッ素樹脂被膜を形成したものであり、（ｂ）はフッ素侍史被膜の表面をフラクタル構造としたものである。燃料噴射弁の先端温度による燃料流量の変化を示すグラフである。

符号の説明

１：燃料噴射弁２：ノズルボディ３：ニードルバルブ６：ノズル孔７：燃料噴孔８：ノズルプレート１２：ステンレス（基材）１４：フッ素樹脂被膜Ａ：デポジット対策部位Ｆ：フラクタル構造面Ｇ：気体Ｌ：液体Ｓ：固体

Claims

中空形状を持ち、燃料流路を区画する内周円筒面と、ノズル孔を区画する内周円錐状面と、該内周円錐状面上に形成された弁座とを有するノズルボディと、前記ノズルボディの中空部内に軸方向に移動可能に配置され、前記内周円筒面に対向する外周円筒面を持つ本体部と、前記内周円錐状面に対向する外周円錐状面を持つ先細部と、前記弁座に着座可能な弁部とを有するニードルバルブと、該ニードルバルブをその軸線方向に移動させるバルブリフト機構と、前記ノズルボディの先端部に前記ノズル孔に連通する燃料噴孔とを備えている燃料噴射弁において、
少なくとも前記燃料噴孔の内周面と、前記燃料噴孔の開口部周辺の表面がフラクタル構造に形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
少なくとも前記ノズルボディの先端部はステンレスである請求項１に記載の燃料噴射弁。
前記燃料噴孔の内周面と、前記燃料噴孔の開口部周辺の表面にアルミニウムの陽極酸化被膜を有する請求項２に記載の燃料噴射弁。
前記燃料噴孔の内周面と、前記燃料噴孔の開口部周辺の表面にニッケル−クロム−モリブデン合金層を有する請求項２に記載の燃料噴射弁。
前記燃料噴孔の内周面と、前記燃料噴孔の開口部周辺の表面にフッ素樹脂被膜を有する請求項２に記載の燃料噴射弁。