JP5773476B2 - インジェクションノズル - Google Patents

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Description

本発明は、ディーゼルエンジンなどの内燃機関用の燃料噴射装置の一種である高圧型コモンレールのインジェクションノズル、とくに、その先端部を金属ガラスによって形成したインジェクションノズルに関する。
従来の内燃機関、とりわけディーゼルエンジンの直噴エンジンは、１サイクルで１回の燃料噴射であり、燃焼効率が低いものであった。
これに対して、近年、システム中に与圧部を設けることによって、あらかじめ、システム中を高気圧の燃料ガスで満たしておき、ニードルバルブを電子制御で開閉させることによって、１サイクル中に適時・適量の燃料をシリンダー内に例えば５回噴射することによって完全燃焼を行うことが可能になった。このシステムは、コモンレールシステムと称されている。
このシステムを、さらに、高性能化するためには、第１には、燃料噴射圧力の高圧化と、その第２には、そのためのインジェクションノズルの応答性の向上が必要である。
前記燃料噴射圧力の高圧化については、現在、係るコモンレールシステムの内圧は180〜200MPa程度であるが、さらに、高圧化することよって噴射される燃料液滴を微細化することができ、完全燃焼させることができる。そのため、さらに250〜300MPaまで高圧力化が進むことが予想されている。
図３は、ディーゼルエンジンの高圧型コモンレールのインジェクションノズルの先端部の断面構造を示す。同図において、インジェクションノズル１は、その内孔に配置されたニードル２を、電子制御によって上下動させて、燃料噴射孔１１を開閉させて燃料ガスを噴霧する仕組みとなっている。
この燃料噴射孔１１の開閉を適切に保つためには、ノズル１の先端部とニードル２の加工精度を高くし、さらに高い圧力でニードル２を押さえつけることによってニードル２に僅かに弾性変形を生じさせて噴射孔１１のシール性を保っている。
ところが、このインジェクションノズルの先端部とニードルとは、鍛造合金鋼が使用されている。そのために、長期の使用によって表面の劣化が発生し、燃料漏れを発生して本来の適時・適量の燃料供給ができなくなり、燃料の完全燃焼を阻害することになる。そして、この問題は、コモンレールの高圧化により燃料漏れの拡大をもたらし、頻繁な部材の交換の必要性を生じさせている。
特開２００６−８８２０１号公報 国際公開番号 WO2009/041221
本発明は、内燃機関、とりわけディーゼルエンジンの高圧型コモンレールの燃料噴射圧力の高圧化に対応して、インジェクションノズルを、長期にわたって高い応答性を維持できるようにすることにある。
本発明は、内孔に配置されたニードルバルブを電子制御によって上下動させて、ノズルの噴射口を開閉し燃料ガスを噴霧するインジェクションノズルにおいて、前記ニードルバルブの基部が結晶金属からなるとともに、少なくともその先端部側には中空部が設けてあり、前記ニードルバルブの先端部が金属ガラスからなるとともに、その基部側には前記中空部と同径の凹部が設けてあり、前記ニードルバルブが前記基部に前記先端部をビーム照射による溶接によって接合したものとすることによって、その課題を達成した。
金属ガラスとしては、(Zr４１Be２３Ti１４Cu１２Ni１０)または（Zr５５Al１０Ni５Cu３０）の組成を有するものが使用できるが、金属ガラスは、従来から使用されてきた鍛造合金鋼（ＳＵＳ３１６L）と比較して、高強度と高弾性変形能と高耐摩耗性とを有し、高耐食性であって、その上、超精密鋳造性を有する。具体的には、ステンレス網の引張り強度が６５０MPaであるのに対して、金属ガラスの引張り強さは１７００MPaであり、また、ヤング率GPaとしてはステンレス網のヤング率が２０４GPaであるのに対して、金属ガラスのヤング率は８６GPaである。
本発明は、低ヤング率を有する金属ガラスをインジェクションノズルの先端部に適用することによって、あたかも、このインジェクションノズルの先端部にゴムのような弾力を持たせることによって、燃料噴射圧力の高圧化と、高い応答性と、高いシール性とを併せ持たせたものである。
したがって、本発明においては、金属ガラスの低ヤング率という特性を利用する点から云えば、金属ガラスに代えて、金属ガラスと同等の低ヤング率を有するゴムメタルもTi合金もインジェクションノズルの先端部に適用することもできる。
この金属ガラスをインジェクションノズルの先端部に適用するに当たっては、先端部のみを金属ガラスによって作成し、インジェクションノズルの基部をＳＵＳ３１６Lのような鍛造合金鋼で作製し、先端部の結晶金属と接合する必要があるが、この接合に際しては、特許文献１に開示された一部切欠き空間を有する開先による電子ビーム溶接のような高エネルギービームによる継ぎ手のような接合技術を適用して、基部の先端側の周囲に切欠空間を形成する。
その溶接に際しては、さらに、特許文献２に開示されたビーム照射位置を先端部の金属ガラス側にずらして溶接する接合技術を適用して、基部と先端部の当接面より先端側に照射位置をシフトしてビーム照射を行うことによって、結晶金属の溶け込みを抑えることができ、溶接箇所における結晶金属の溶け込みによる金属ガラスの特性の劣化を防ぐことができる。
従来に比べ、ほぼ１／３の負荷で、シール性と耐摩耗性、それに、小型化による高い応答性を向上せしめて、噴射圧の高圧化を可能にし、これによって、インジェクションノズルの長期にわたるメンテナンスフリー化を可能にした。
本発明によるインジェクションノズルの先端構造を示す。 インジェクションノズルのニードルの基部と先端部との溶接態様を示す。 従来のインジェクションノズルの先端構造を示す。
以下、実施例に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明によるディーゼルエンジンの高圧型コモンレールのインジェクションノズル１の先端構造を示すもので、その先端内孔部に配置され、ノズルの噴出孔１１を間欠的にカバーするニードル２の先端部２２を金属ガラスによって形成したものである。
図２は、ＳＵＳ３１６Lからなるニードルバルブ２の基部２１を、予め成形した金属ガラスからなる先端部２２の接合側と当接して、高エネルギービーム３によって溶接する状態を示す。
その溶接に際しては、当接面からニードル２の基部２１側に切欠空間を形成し、当接面から金属ガラスからなる先端部２２の側に高エネルギービーム３の照射位置をシフトして溶接を行った。
これによって、図１に示す金属ガラスからなる先端部２２と結晶金属からなる基部２１とが溶接部２３によって一体化したニ−ドル２が得られた。
メンテナンスフリーの高圧対応高性能燃料噴射装置およびそれに用いるインジェクションノズルの開発に寄与する。
高性能燃料噴射装置の開発（実現）によって、我が国におけるディーゼル車の排ガス規制をクリアすることが可能となり、ディーゼルエンジンハイブリッド車の普及に貢献する。
１ インジェクションノズル
１１ 燃料噴射孔
２ ニードルバルブ
２１ 基部 ２２ 先端部 ２３ 溶接部
３ 高エネルギービーム

Claims (3)

  1. 内孔に配置されたニードルバルブを電子制御によって上下動させて、ノズルの噴射口を開閉し燃料ガスを噴霧するインジェクションノズルにおいて、
    前記ニードルバルブの基部が結晶金属からなるとともに、少なくともその先端部側には中空部が設けてあり、
    前記ニードルバルブの先端部が金属ガラスからなるとともに、その基部側には前記中空部と同径の凹部が設けてあり、
    前記ニードルバルブが前記基部に前記先端部をビーム照射による溶接によって接合したものである
    ことを特徴とするインジェクションノズル。
  2. 前記金属ガラスが、(Zr４１Be２３Ti１４Cu１２Ni１０) または、（Zr５５Al１０Ni５Cu３０）の組成を有するZr基の金属ガラスからなる
    ことを特徴とする請求項１に記載のインジェクションノズル。
  3. 前記基部の先端側の周囲に切欠空間を形成するとともに、前記基部と前記先端部の当接面より先端側に照射位置をシフトしてビーム照射を行う
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載のインジェクションノズル。
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