JP3888177B2

JP3888177B2 - 燃料噴射弁

Info

Publication number: JP3888177B2
Application number: JP2002043342A
Authority: JP
Inventors: 幸夫犬塚; 正晃小西
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-04-23
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2022-02-20
Also published as: JP2003013822A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料加熱ヒータを備えた燃料噴射弁およびその燃料加熱ヒータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近のガソリンエンジンやディーゼルエンジンは、高出力、低騒音等に加え、低燃費で、厳しい排ガス規制を満足することが求められる。このため、エンジンへの燃料供給は燃料噴射弁によって正確に行われる。この燃料噴射弁は制御装置（ＥＣＵ）によって制御され、燃料噴射弁内の電磁弁への印可電圧を調整することにより、吸気管やシリンダ内へ噴射される燃料の噴射時期や噴射量等が高精度に制御されている。
ところが、例えば、エンジンが始動時等の冷間状態にある場合、燃料噴射弁による噴射量の調整のみでは、所望の空燃比や均一な混合気を得ることが困難である。なぜなら、低温時、燃料噴射弁から噴射された燃料は、気化や霧化がし難く、噴射された燃料が液滴（液相）状態で吸気管やシリンダ内に供給され得るからである。特に、供給される燃圧が比較的低い燃料噴射弁の場合（例えば、吸気管内に燃料を噴射する燃料噴射弁の場合）、燃料の微粒化が起りにくく、燃料の液相化が生じ易い。
【０００３】
液滴状態の燃料がシリンダ内に吸入されると、均一な燃焼が妨げられ、アイドル不調、応答性の悪化、プラグのかぶり、未燃焼燃料の残存による排ガス中のＨＣ等の増加、燃費の悪化等が生じ得る。特に、吸気管内に燃料を噴射する構造の場合、冷間時、吸気管内壁への燃料の付着が生じ得る。そのため、実質的にシリンダ内に流入する燃料量が減少し（空燃比が大きくなり）、始動性の悪化やエンジン不調の原因となる。これは、冷間時に噴射する燃料を増量することで回避できるが、それは燃費の悪化に直結する。
そこで、噴射前（または噴射中）の燃料をセラミックヒータで積極的に加熱して、噴射された燃料の気化や霧化を促進することが考えられる。例えば、特開昭６３−１７０５５５号公報や特開平５−２６１３０号公報にそれに関する開示がある。
【０００４】
前者の公報に開示されたものを図６に示す。この場合、セラミックヒータ２１０が波板ばね２４０により付勢されて噴孔プレート２２０に当接している。そして、セラミックヒータ２１０は噴孔プレート２２０を介して噴射孔２３０近傍に溜っている燃料を加熱している。また、セラミックヒータ２１０が環状であるため、その内周部を通過する燃料を直接加熱できるようにもなっている。
後者の公報に開示されたものを図７に示す。この場合、セラミックヒータ３１０が燃料噴射弁３００の手前にある分岐燃料管３２０内に設けられ、燃料噴射弁に供給される燃料を直接加熱している。
なお、噴射後の燃料をセラミックヒータで直接加熱するものとして、特開平９−８８７４０にその開示がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、燃料の気化や霧化を促進させるためにセラミックヒータが使用される。ところが、セラミックヒータの大部分を構成するセラミックスは、周知のように、圧縮側の強度は高いが引張側の強度は弱い。過度の引張応力がセラミックヒータに作用すると、セラミックヒータに亀裂等が生じ得る。そのため、図６や図７からも判るように、何れも、セラミックヒータに引張応力が殆ど作用しない状態で使用されており、その使用方法が限定され、全体構造が複雑化する傾向にあった。
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものである。つまり、比較的簡易な構造の燃料加熱ヒータを備えた燃料噴射弁と、その燃料加熱ヒータとを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、環状のセラミックヒータを燃料噴射弁のノズルホルダに圧入して用いることを考えた。そして、その圧入によりセラミックヒータの外周部に生じる引張応力は、保護リングをセラミックヒータの外周部に圧入することで抑制、防止できることを思い付き、本発明を完成させるに至ったものである。
【０００７】
（燃料噴射弁）
すなわち、本発明の燃料噴射弁は、燃料噴射孔を有するノズル部と該燃料噴射孔の開閉を行う弁体と該ノズル部から延出して内部に弁体を収納し該弁体の周囲に燃料溜りを形成する筒状のノズルホルダとを備えるインジェクタ本体と、該ノズルホルダの外周面に圧入され電力供給源から電力の供給を受けて発熱し該ノズルホルダを介して該燃料溜りにある燃料を加熱する環状のセラミックヒータと、該セラミックヒータの外周側に圧入された環状の保護リングと、を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の燃料噴射弁では、弁体周囲の燃料溜りにある噴射前の燃料がノズルホルダを介してセラミックヒータにより加熱される。このとき、環状のセラミックヒータがノズルホルダに圧入されているため、ノズルホルダの外周面とセラミックヒータの内周面とが密着し熱伝達が効率よく行われる。従って、ノズルホルダの外周面とセラミックヒータの内周面との間に高熱伝導性の充填剤等を塗布する必要もないし、付勢部材等を使用して両者間の密着性を確保する必要もない。よって、非常に簡易な構造としつつ燃料噴射弁内の燃料の加熱ができる。
但し、単に環状のセラミックヒータをノズルホルダに圧入すると、セラミックヒータの外周部にはその締め代（圧入代）に応じた引張応力が作用して、セラミックヒータの割れやクラック等の発生原因となり得る。
そこで、本発明では、セラミックヒータの外周側に保護リングを圧入した。この保護リングの圧入により、セラミックヒータの外周部では、圧縮応力が作用するか、前述の引張応力が低減され、いずれにしてもセラミックヒータの割れ等が防止され得る。
【００１０】
本発明に係る燃料噴射弁および燃料加熱ヒータについて、次のことが言える。
セラミックヒータの内周側とその外周側との締め代等は適宜決定される設計事項である。但し、少なくとも、セラミックヒータをノズルホルダに圧入したときに、セラミックヒータと保護リングとの間に締め代が存在する（圧入状態である）ようにする。逆に言えば、セラミックヒータのノズルホルダへの圧入前においては、セラミックヒータと保護リングとが必ずしも圧入状態である必要はない。勿論、セラミックヒータと保護リングとが圧入されていると、両者を一体的に取扱えるので好ましい。
【００１１】
この圧入により生じる応力は、保護リングとセラミックヒータとの間の締め代（外周側締め代）に対するノズルホルダとセラミックヒータとの間の締め代（内周側締め代）の割合である締め代比に関係する。この圧入比を変化させてＦＥＭ解析等を行い、セラミックヒータに作用する引張応力がセラミックヒータの許容応力となる締め代比の限界値（限界締め代比）を算出する。そして、締め代比を限界締め代比以下にすることでセラミックヒータに作用する引張応力をセラミックヒータの許容応力以下とすることができる。
なお、解析により限界締め代比は、例えば、０．７とすると好ましい。締め代比が０．７以下であれば、確実にセラミックヒータに作用する引張応力をその許容応力以下にすることができる。締め代比を０．６以下とすると、セラミックヒータに引張応力が生じないためより好ましい。
【００１２】
また、圧入により生じる応力は、締め代のみならず各部材の剛性（縦弾性係数（ヤング率Ｅ）と形状係数（断面２次モーメントＩ））にも関係する。セラミックヒータの外周部で引張応力を低減させ、または圧縮応力を発生させるためには、その外周側での締め代を大きくするか、保護リングの剛性を大きくすることが有効となる。もっとも、その締め代を過度に大きくすると組付け性が悪くなる。また、その剛性を形状面から大きくすると、保護リングの大型化を招く。そこで、保護リングに高張力材料を用いると、セラミックヒータの引張応力の低減と保護リングのコンパクト化との両立を図れる。高張力材料として、例えば、鉄系材料がある。また、前記保護リングが、前記セラミックヒータに用いられるセラミックスよりも引張強度の大きな高張力材料からなると、好適である。
【００１３】
また、セラミックヒータによる発熱が効率よく燃料溜り内の燃料に伝達されると、セラミックヒータの小型化や消費電力の削減が可能となる。そこで、保護リングは、低熱伝導性材料からなると好ましい。低熱伝導性材料として、例えば、ステンレス系材料がある。前記保護リングは、前記ノズルホルダに用いられる材料よりも熱伝導率が低い低熱伝導性材料からなると、燃料溜り内の燃料に熱がより伝達され易くなり好適である。
【００１４】
ところで、セラミックヒータは、耐熱性の他、耐蝕性にも優れるため、エンジンへの使用に適する。通常のセラミックヒータは、金属発熱体とその金属発熱体を被覆等するセラミックス本体とからなる。そして、電力供給源から供給される電力量に応じて金属発熱体が発熱し、その熱がセラミックス本体に伝達される。発熱時期や発熱量はＥＣＵ等により制御される。
もっとも、セラミックヒータは、そのようなヒータに限らず、正特性半導体素子からなるヒータ（いわゆるＰＴＣヒータ）でも良い。ＰＴＣヒータは、低温時、電気抵抗が小さく発熱量が多くなるが、セラミックスの温度が上昇してある温度領域に達すると、電気抵抗が急増大して発熱量が小さくなる。従って、このＰＴＣヒータの自己温度制御機能を利用すると、セラミックヒータの制御を簡素化することができる。
【００１５】
なお、ノズルホルダを円筒状とすると共にセラミックヒータおよび保護リングを円環状とすると、製作、加工、組付け等が容易となり、圧入した際に作用する応力も均一となり好ましい。
また、本発明でいう燃料噴射弁は、ガソリンエンジン用でもディーゼルエンジン用でも良く、筒内に噴射するものでもインテークマニホールド内に噴射するものでも良い。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより具体的に説明する。
本発明の実施形態である燃料噴射弁１の縦断面図を図１に示す。この燃料噴射弁１は、自動車用ガソリンエンジンの吸気管（インテークマニホールド）に配設されるものである。この燃料噴射弁１は、インジェクタ本体１０と燃料加熱ヒータ２０とからなる。
（１）インジェクタ本体
インジェクタ本体１０は、筐体１１と、筐体１１内に収納された弁部１２と、弁部１２を電磁駆動する電磁駆動部１３とからなる。
筐体１１は、円筒状のケース１１１とリング１１２とノズルホルダ１１３とカップ状のバルブボディ１１４とからなり、それぞれがそれぞれの端部で溶接されている。
【００１７】
ケース１１１とノズルホルダ１１３とは鉄系の磁性材料であり、リング１１２は鉄系の非磁性材料からなる。バルブボディ１１４は、内部に円錐状のシート面１１４ａを有し、その中央（頂部）に燃料噴射孔１１４ｂが形成されている。また、バルブボディ１１４の下端面には噴孔プレート１１５が溶接されている。その噴孔プレート１１５には、吸気バルブに向けた二股の噴孔１１５ａが穿設されている。このバルブボディ１１４が本発明でいうノズル部に相当する。
【００１８】
弁部１２は、ニードル弁１２１と、ニードル弁１２１をシート面１１４ａに付勢するスプリング１２２と、この付勢力を調整する円筒状のアジャスター１２３とからなる。ニードル弁１２１は有底円筒状となっており、側面上下２箇所に通孔１２１ａ、１２１ｂが穿設されている。ニードル弁１２１の下部にガイド１２１ｃが形成されており、ガイド１２１ｃはバルブボディ１１４の内周面に接してニードル弁１２１の往復動を案内する。ガイド１２１ｃの外周囲は、燃料が通過できるように面取りされている。ニードル弁１２１の下端部にはニードル部１２１ｄが形成されており、ニードル部１２１ｄはシート面１１４ａに当接して、燃料噴射孔１１４ｂを閉塞する。このニードル弁１２１が本発明でいう弁体に相当する。
【００１９】
電磁駆動部１３は、電磁コイル１３１と固定コア１３３と可動コア１３４と磁性リング１３２とからなる。固定コア１３３は、ケース１１１の内周側に一体的に形成されたものである。可動コア１３４は、ニードル弁１２１の上部に嵌装され、リング１１２とノズルホルダ１１３との内周面にガイドされて、ニードル弁１２１と一体的に往復動可能である。環状の磁性リング１３２は、磁性材料からなり、ケース１１１とノズルホルダ１１３とを磁気的に連結する。
【００２０】
電磁コイル１３１への電力供給は、コネクタ１５４に保持されたターミナル１５３から行われる。コネクタ１５４は、インジェクタ本体１０の上部を被覆する樹脂モールド１５５と一体に形成されている。
ここで、ターミナル１５３に電圧が印可されると、電磁コイル１３１に電流が流れ、その電流量に応じた磁束が発生する。この磁束は、ノズルホルダ１１３→磁性リング１３２→ケース１１１（固定コア１３３）→可動コア１３４と伝わり、磁気回路が形成される。その結果、可動コア１３４が固定コア１３３に吸引されると、ニードル弁１２１がシート面１１４ａから離座して、燃料噴射孔１１４ｂが開孔する。一方、そのターミナル１５３への印可電圧が遮断されると、可動コア１３４は、スプリング１２２に付勢されて、ニードル弁１２１をシート面１１４ａに着座させる。そして、燃料噴射孔１１４ｂは閉孔する。このように、ニードル弁１２１（ニードル部１２１ｄ）が燃料噴射孔１１４ｂを開閉することにより、燃料噴射が適宜行われる。
【００２１】
ところで、燃料は、筐体１１の上方（図上）にＯリング１５１を介して油密に接続されたデリバリパイプ（図略）から供給される。この燃料は、燃料フィルター１５２、筐体１１の円筒内部、ニードル弁１２１の円筒内部および通孔１２１ａ、ｂを通って、バルブボディ１１４の燃料噴射孔１１４ｂまで達する。この燃料は加圧されているため、燃料噴射孔１１４ｂの開閉に応じて燃料が燃料噴射孔１１４ｂから噴射される。また、ノズルホルダ１１３の内周面とニードル弁１２１の外周面との間には燃料溜り１１３ａが形成されており、そこに噴射直前の加圧燃料が蓄えられている。
【００２２】
（２）燃料加熱ヒータ
燃料加熱ヒータ２０は、円環状のセラミックヒータ２１とその外周面に圧入されたステンレス製の円環状の保護リング２２とからなる。
図１に示すように、セラミックヒータ２１はノズルホルダ１１３に圧入されている。つまり、セラミックヒータ２１の内周面とノズルホルダ１１３の外周面との間に圧縮応力が作用して密着固定されている。
【００２３】
図２（ａ）に示すように、燃料加熱ヒータ２０は、このノズルホルダ１１３への圧入前に、セラミックヒータ２１の外周側に高張力材料である保護リング２２が圧入される。つまり、セラミックヒータ２１の外周面と保護リング２２の内周面との間には、圧縮応力が作用した状態となっている。次に、図２（ｂ）に示すように、圧縮応力が作用した状態で燃料加熱ヒータ２０をノズルホルダ１１３に圧入する。組付けられた状態を図２（ｃ）に示す。その結果、前述の圧縮応力により、セラミックヒータ２１の外周部に作用する引張応力は少なくともその一部が打消される。よって、セラミックヒータ２１の外周部に過度の引張応力が作用せず、セラミックヒータ２１の割れ等が防止される。
なお、図２に示す保護リング２２の形状が図１のものと異なるが、これはセラミックヒータ２１の組付けを容易にする形状としたためである。
【００２４】
本実施形態のセラミックヒータ２１は、内部に金属発熱体を有する通常のセラミックヒータである。セラミックヒータ２１への電力供給は、バッテリ等の電力供給源からなされる。電力の供給量やそのタイミングは、図示しない制御装置（ＥＣＵ）により制御される。セラミックヒータ２１に電力が供給されると、セラミックヒータ２１は発熱し、その熱はノズルホルダ１１３を介してその内部に形成された燃料溜り１１３ａ内の燃料に伝達される。
なお、保護リング２２を形成するステンレスは、低熱伝導性材料でもあるため、セラミックヒータ２１で生じた熱は、効率的にノズルホルダ１１３側に伝達される。
【００２５】
こうして、始動時等のエンジン冷間時に、噴射前の燃料の温度（燃温）を上昇させることができる。燃温の高い燃料は、吸気管内で容易に霧化や気化（減圧沸騰）し、吸気管内に液相燃料が滞留することが抑制、防止される。特に、本実施形態では、燃料噴射孔１１４ｂの近傍に存在する燃料を加熱するため、噴射燃料の霧化や気化を行う上で、より効率的な加熱が行える。
【００２６】
図２に示す保護リング２２を採用した燃焼噴射弁１の部分縦断面図を図３に示す。前述したセラミックヒータ２１への電力供給は、コネクタ２４に保持されたターミナル２３から行われる。コネクタ２４は、インジェクタ本体１０の中央部を被覆する樹脂モールド２５と一体に形成されている。
【００２７】
（３）締め代比を変化させた際のセラミックヒータ等に生じる応力解析
次に、本実施形態において、締め代比を変化させた際のセラミックヒータ２１等に生じる応力の解析をＦＥＭ解析により行った。締め代比とは、セラミックヒータ２１の外周側締め代に対するその内周側締め代の割合である。すなわち、内周側締め代比を外周側締め代で除した値である。なお、本解析は、セラミックヒータ２１を含む燃料噴出弁１の横断面について行った。また、解析条件として、各部品の形状を図４（ａ）に、材料物性を図４（ｂ）に示す。すなわち、ノズルホルダ１１３は、内径はφ５．６ｍｍ、外径はφ７ｍｍ、材質はステンレス、ヤング率は２００ＧＰａ、ポアソン比は０．３とする。セラミックヒータ２１は、内径はφ７ｍｍ、外径はφ１０ｍｍ、材質はアルミナ、ヤング率は２９４ＧＰａ、ポアソン比は０．２４とする。保護リング２２は、内径はφ１０ｍｍ、外径はφ１２ｍｍ、材質はステンレス、ヤング率は２００ＧＰａ、ポアソン比は０．３とする。また、本解析は、外周側締め代を４０μｍに固定しておき、内周側締め代を変化させることにより、締め代比を０〜１．０まで変化させて行った。その解析結果の応力分布（横断面図）を図５に示す。
【００２８】
図５に示すように、セラミックヒータ２１に引張応力が殆ど作用しない状態は締め代比が０．７以下の場合である。すなわち、セラミックヒータ２１に作用する引張応力がセラミックヒータ２１の許容応力となる締め代比の限界値（限界締め代比）を０．７にすると好ましい。ここで、図５から明らかなように、締め代比が０．７の場合には、セラミックヒータ２１の一部に引張応力が作用している。しかし、この引張応力がセラミックヒータ２１の許容応力以下であればよい。すなわち、解析結果によれば、締め代比を０．７以下（限界締め代比を０．７）にすることでセラミックヒータ２１の割れ等を防止できる。
なお、締め代比が０．６以下であるとより好ましい。この場合には、セラミックヒータ２１に全く引張応力が生じなくなるため、確実にセラミックヒータ２１の割れ等を防止できる。
また、締め代比が０．８以上の場合にはセラミックヒータ２１の広い範囲に引張応力が作用しているが、この引張応力がセラミックヒータ２１の許容応力以下であれば、締め代比を０．８以上としてもよい。
【００２９】
（４）その他
前記実施形態では、保護リング２２を別途用意したが、必ずしもその必要はない。例えば、燃料噴射弁１を嵌装するシリンダヘッドに、円筒部を形成する。そして、その円筒部にセラミックヒータ２１を圧入する。そして、セラミックヒータ２１の内周側にノズルホルダ１１３を圧入する。この場合、その円筒部の内壁が本発明でいう保護リングに相当する。よって、シリンダヘッドの円筒部内壁を保護リングとして代替することも可能である。
【００３０】
また、本実施形態では、セラミックヒータ２１を圧入するノズルホルダ１１３とケース１１１とを溶接して一体としているが、当初から一体となっているハウジングを用いても良い。この場合は、そのハウジングが本発明でいうノズルホルダに相当する。
また、燃料加熱ヒータ２０の圧入位置は、ノズルホルダ１１３の中央付近に限らず、バルブボディ１１４の近傍、さらにはバルブボディ１１４に差掛かっても良い。
また、燃料加熱ヒータ２０を稼働する時期は始動時等に限らず、外気温の低いときなど、燃料の霧化や気化が困難なときに広く稼働させても良い。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の燃料加熱ヒータによれば、ノズルホルダへのセラミックヒータの圧入が可能となり、簡素な構造で噴射燃料の加熱ができる。
そして、その燃料加熱ヒータを備えた燃料噴射弁を用いると、簡易な構造で冷間時でも噴射燃料の霧化や気化を促進できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料噴射弁を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料加熱ヒータの組付け図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料噴射弁を示す断面図である。
【図４】締め代比を変化させた際のセラミックヒータ等に生じる応力解析の解析条件を示す図である。
【図５】応力解析の解析結果を示す図である。
【図６】従来の燃料噴射弁を示す部分断面図である。
【図７】従来の燃料加熱ヒータを示す模式図である。
【符号の説明】
１燃料噴射弁
１０インジェクタ本体
２０燃料加熱ヒータ
２１セラミックヒータ
２２保護リング
１１３ノズルホルダ
１１３ａ燃料溜り
１１４バルブボディ（ノズル部）
１１４ｂ燃料噴射孔
１２１ニードル弁（弁体）

Claims

燃料噴射孔を有するノズル部と該燃料噴射孔の開閉を行う弁体と該ノズル部から延出して内部に弁体を収納し該弁体の周囲に燃料溜りを形成する筒状のノズルホルダとを備えるインジェクタ本体と、
該ノズルホルダの外周面のみに圧入され電力供給源から電力の供給を受けて発熱し該ノズルホルダを介して該燃料溜りにある燃料を加熱する環状のセラミックヒータと、
該セラミックヒータの外周側に圧入された環状の保護リングと、
を備えることを特徴とする燃料噴射弁。
前記保護リングは、前記ノズルホルダに用いられる材料よりも熱伝導率が低い低熱伝導性材料からなる請求項１記載の燃料噴射弁。
前記保護リングは、前記セラミックヒータに用いられるセラミックスよりも引張強度の大きな高張力材料からなる請求項１記載の燃料噴射弁。
前記保護リングと前記セラミックヒータとの間の外周側締め代に対する前記ノズルホルダと前記セラミックヒータとの間の内周側締め代の割合である締め代比は、前記セラミックヒータに作用する引張応力が前記セラミックヒータの許容応力となる限界締め代比以下であることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
前記限界締め代比は０．７であることを特徴とする請求項４記載の燃料噴射弁。