CN111512403B - 电磁阀 - Google Patents

Abstract

根据本发明，提供一种用于燃料系统的电磁阀，其中，在电磁驱动部中，构成磁回路的部件的至少一部分由以质量％计，含有：0.15％≤Ni≤0.45％、0.65％≤Al≤1.0％、9.2％≤Cr≤10.3％、0.90％≤Mo≤1.6％，余量为Fe和不可避免的杂质构成的合金材料构成。以质量％计，上述合金材料可以进一步含有0.05％≤Pb≤0.15％。

Description

电磁阀

技术领域

本发明涉及电磁阀，进一步详细而言，涉及在电磁驱动部中，构成磁回路的部件由软磁性材料构成，并用于燃料系统的电磁阀。

背景技术

在汽油发动机的燃烧室内喷射燃料时，使用电磁驱动式的燃料喷射阀。在这种燃料喷射阀的电磁驱动部中，作为铁芯或阀体(housing)等构成磁回路的部件中所使用的材料，广泛地使用耐腐蚀性高、且显示出软磁性的电磁不锈钢。例如，专利文献1中公开了使用这种电磁不锈钢的燃料喷射阀。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平1-290749号公报

发明内容

[本发明要解决的课题]

近年来，在汽油发动机的燃料喷射阀中，从减少CO₂排放量、节能化、提高燃费等观点出发，正在实行高压喷射化或多段喷射化。在电磁阀中，为了实现高压喷射化，要求构成磁回路的材料中具有高磁通密度。为了进行高压喷射，电磁阀的开关控制需要较大的磁吸引力，但是构成磁回路的材料越具有高的饱和磁通密度，则越能够跟随高磁场中的电磁驱动部的运转，因而越可以产生较大的磁吸引力。另外，为了有效地进行多段喷射，要求电磁驱动部具有高响应性。构成磁回路的材料越具有高电阻，则越能提高电磁驱动部的响应性。这样，在构成用于燃料系统的电磁阀的磁回路的材料中，除了具有高的耐腐蚀性以外，还要求其具有高的饱和磁通密度和电阻。

作为饱和磁通密度，期望其具有(例如)1.8T以上的高值。但是，如专利文献1所公开的那样，使用传统的电磁不锈钢，难以实现那样高的饱和磁通密度。

本发明要解决的课题是提供一种用于燃料系统的电磁阀，该电磁阀的耐腐蚀性优异，并且其电磁驱动部具备由具有高饱和磁通密度和高电阻的合金材料构成的磁回路。

[解决课题的手段]

为了解决上述课题，本发明涉及的电磁阀是用于燃料系统的电磁阀，在电磁驱动部中，构成磁回路的部件的至少一部分由以质量％计含有：0.15％≤Ni≤0.45％、0.65％≤Al≤1.0％、9.2％≤Cr≤10.3％、0.90％≤Mo≤1.6％，余量为Fe和不可避免的杂质构成的合金材料而构成。

这里，所述电磁阀可以为燃料喷射阀。

进一步，以质量％计，所述合金材料可以含有0.05％≤Pb≤0.15％。

所述合金材料的组织可以由α相单相构成。

[本发明的效果]

本发明涉及的电磁阀中，电磁驱动部的磁回路由具有上述成分组成的合金材料构成。由于成分组成的效果，该合金材料除了具有高耐腐蚀性以外，还具有高饱和磁通密度和电阻。结果，在电磁阀中，容易因高磁吸引力而实现高压喷射化、以及容易因响应性提高而实现多段喷射化。

这里，在电磁阀为燃料喷射阀的情况下，可以特别有效地利用高耐腐蚀性、因高磁吸引力而实现的高压喷射化、以及因响应性提高而实现的多段喷射化的效果。

进一步，以质量％计，在合金材料含有0.05％≤Pb≤0.15％的情况下，合金材料的切削性提高，在电磁阀中容易对构成磁回路的部件进行加工。

在合金材料的组织由α相单相构成的情况下，在合金材料中，确保低矫顽力，从而容易得到优异的软磁特性。结果，容易提高电磁阀的响应性。

附图说明

[图1]表示本发明的一个实施方式涉及的燃料喷射阀的构成的示意性剖面图。

[图2]表示磁场解析的结果的图。

具体实施方式

本发明的实施例涉及的电磁阀为用于燃料系统的电磁阀，可以举例示出燃料喷射阀作为具体的电磁阀的方式。以下，作为本发明实施方式涉及的电磁阀的一个实例，对于燃料喷射阀进行详细地说明。

[燃料喷射阀的构造]

本发明的一个实施方式涉及的燃料喷射阀(喷射器)通过电磁驱动部而被驱动，将燃料喷射到发动机、特别是汽油发动机的燃烧室内。在本实施方式涉及的燃料喷射阀中，在电磁驱动部中，构成磁回路的各种部件的至少一部分由特定的合金材料构成。对燃料喷射阀的具体的构造没有特别地限定，但是可以将日本特开2017-89425号公报中公开的燃料喷射装置的构造作为优选的。构造的详细情况可以参照上述专利公报，以下对构造进行简单的说明。

图1表示燃料喷射阀1的示意性剖面构造。需要说明的是，图1与日本特开2017-89425号公报中作为图1所公开的附图相同。

燃料喷射阀1具备：喷嘴10、阀体20、阀针30、可动铁芯40、固定铁芯50、弹簧53、55、线圈54等。

喷嘴10具有喷嘴筒部11、以及堵住喷嘴筒部11的一端的喷嘴底部12。喷嘴底部12上形成有多个喷孔，并在喷孔的周围形成有环状的阀座14。阀体20具有第1筒部21、第2筒部22、第3筒部23，并以此顺序相互连接。第1筒部21和第3筒部23由磁性材料形成，第2筒部22由非磁性材料形成。在前端侧，第1筒部21连接到喷嘴筒部11。另外，入口部24连接到第3筒部23。在阀体20和喷嘴筒部11的内侧设置有燃料通路100。若将燃料供给到入口部24，则燃料流入到燃料通路100。

阀针30以在燃料通路100内沿着阀体20的轴可以往返运动的方式而容纳在阀体20内。通过使设置在阀针30的阀针主体31的前端侧的密封部32相对于喷嘴10的阀座14分开或相接，从而使设置在喷嘴底部12的喷孔打开或关闭。

可动铁芯40具有由磁性材料构成的可动铁芯主体41，并且以阀针主体31插入设置在可动铁芯主体41内的轴孔部42的状态而容纳在阀体20内。与阀针30相同，可动铁芯20也可以在燃料通路100内沿着阀体20的轴方向往返移动。

在阀体20的内侧，固定铁芯50相对于可动铁芯40而设置在与阀座14相反的一侧。固定铁芯主体51由磁性材料构成，并且与阀体20的第3筒部23和入口部24形成为一体。

弹簧53可以使阀针30和可动铁芯40向阀座14侧施力。弹簧55以弱于弹簧53的施力，可以使可动铁芯40向固定铁芯50侧施力。线圈54设置在阀体20的径向的外侧，通电时产生磁力。

当向线圈54通电以产生磁力时，在固定铁芯主体51、可动铁芯主体41、第1筒部21、第3筒部23等由磁性材料构成的部件中形成磁回路。由此，在固定铁芯主体51与可动铁芯主体41之间产生磁吸引力，可动铁芯40被吸引到固定铁芯50一侧。此时，阀针30和可动铁芯40同时向开阀方向移动，且密封部32从阀座41分开，从而打开阀门。结果，设置在喷嘴底部12的喷孔打开，燃料从喷孔喷射出来。

在上述燃料喷射阀1中，在使线圈54通电时构成磁回路的各部件的至少一部分由下述详细说明的特定的合金材料构成。尽管优选的是构成磁回路的各部件全部都由下述特定的合金材料构成，但是其一部分也可以由其他软磁性材料构成。特别地，优选的是，至少第1筒部21、可动铁芯主体41、以及彼此形成为一体的第3筒部23、入口部24、固定铁芯主体51由下述特定的合金材料构成。需要说明的是，在可动铁芯40和阀针30能够相对移动的部件中，使线圈54通电、可动铁芯40被吸引到固定铁芯主体51时，在可动铁芯40以预定量向开阀方向移动的状态下，若将下述特定的合金材料适用于可动铁芯40和阀针30发生碰撞的燃料喷射阀，则是更优选的。另外，若将下述特定的合金材料适用于分别设置有多个可动铁芯40和线圈54的燃料喷射阀，则是优选的。

[构成磁回路的合金材料]

接下来，在上述实施方式涉及的燃料喷射阀1中，对用于构成磁回路的部件的至少一部分的特定合金材料进行说明。

以质量％作为单位，本合金材料含有以下成分元素，余量由Fe和不可避免的杂质构成。

·0.15％≤Ni≤0.45％

·0.65％≤Al≤1.0％

·9.2％≤Cr≤10.3％

·0.90％≤Mo≤1.6％

通过具有上述成分组成，本合金材料显示出软磁特性。特别地，通过使含有的Ni和Al两者在上述范围内，可以成为能够维持低矫顽力、同时具有高饱和磁通密度的软磁性材料。

通过添加Ni，可以提高合金材料的饱和磁通密度。但是，当Ni的添加量过多时，反而会导致饱和磁通密度的降低。通过将Ni的含量设定在上述范围内，可以有效地提高合金材料的饱和磁通密度。

另一方面，如果在合金材料中只添加Ni，则结晶组织成为α相+γ相或马氏体相，矫顽力容易变大。因此，通过与Ni一起添加Al，能够促进显示出软磁性的α相单相的生成以确保低矫顽力，从而可以得到优异的软磁特性。由于合金材料具有低矫顽力，从而容易提高电磁阀的响应性。通过将Al的含量设定在上述范围内，可以充分地得到这样的效果。需要说明的是，“α相单相”也包括不可避免地少量含有γ相之类的α相以外的相的状态。一般来说，可以将α相的占有率为95体积％以上的状态认为是“α相单相”。

Cr和Mo具有提高合金材料的耐腐蚀性和电阻的效果。Cr和Mo的含量越多，这些特性特别是提高耐腐蚀性的效果越优异，但是当其过剩含有时，合金材料的饱和磁通密度降低。因此，从具有高饱和磁通密度、同时还实现高耐腐蚀性和高电阻的观点出发，将Cr和Mo的含量设定在上述范围内。

特别是，与Cr相比，即使少量添加Mo，也能够在提高耐腐蚀性和高电阻方面发挥较高效果。因此，从避免由Cr的过剩添加而引起的饱和磁通密度降低的观点出发，不仅添加Cr，还组合添加Mo。

本合金材料除了作为必要的添加元素Ni、Al、Cr、Mo以外，也可以根据需要含有作为任意元素的0.05质量％≤Pb≤0.15质量％。

Pb是能够提高合金的切削性的元素。通过以上述范围内的含量添加的Pb，可以充分地得到提高切削性的效果。由于合金材料具有高切削性，因而对于构成燃料喷射阀1的磁回路的各种部件容易进行加工成为必要的形状。

在本合金材料中，在不损害磁性和耐腐蚀性的范围内，允许含有不可避免的杂质。作为具体的不可避免的杂质的例子，以质量％作为单位，可以列举出：C≤0.015％、Mn≤0.3％、P≤0.03％、S≤0.02％、N≤0.06％、Cu≤0.3％、Co≤0.06％、O≤0.01％。

通过具有上述说明的成分组成，本合金材料显示出优异的软磁特性。例如，可以使在外部磁场H＝30000A/m下测定得到的磁通密度值B30000成为1.8T以上(B30000≥1.8T)。这里，在这种软磁性合金中，B30000为近似于饱和磁通密度的值。另外，在本合金材料中，容易确保低矫顽力。例如，可以得到1000A/m以下那样的低矫顽力。

进一步，本合金材料具有高电阻。例如，电阻率ρ可以实现ρ≥65μΩ·cm的高值。

进一步，本合金材料具有高耐腐蚀性。本合金材料的耐腐蚀性可以相对于各种腐蚀物质发挥作用，对汽油也具有高耐腐蚀性。

本合金材料是通过对上述各成分金属进行熔融，并适当地进行轧制、锻造等而制造得到的，可以使构成燃料喷射阀1的磁回路的部件成形为预定的形状。也可以对合金材料适当地进行磁性退火等热处理。作为磁性退火时的温度，可以示例为800～1200℃。

[合金材料的特性与燃料喷射阀的运行]

在燃料喷射阀1中，通过利用具有上述特定成分组成的合金材料形成可动铁芯主体41和固定铁芯主体51之类的构成磁回路的部件，从而在燃料喷射阀1中能够得到优异的运行特性。

首先，构成燃料喷射阀1的磁回路的部件是与以汽油为首的燃料接触的部件，并且暴露于高温。但是，由于上述合金材料具有高耐腐蚀性，所以能够保护这些部件不受汽油的腐蚀。

然后，由于上述合金材料显示出具有高饱和磁通密度的优异的软磁特性和高电阻，因而可以合适地应对燃料喷射阀1的高压喷射化和多段喷射化。

当提高燃料喷射阀1中的燃料喷射的压力时，燃料喷射阀1的开关控制需要很大的力量。也就是说，需要增大固定铁芯主体51与可动铁芯主体41之间的磁吸引力。为此，增大在线圈54中流通的电流，从而产生高磁场。此时，如果构成磁回路的部件由具有高饱和磁通密度的材料构成，则磁通密度难以显示出饱和倾向，从而能够追随高磁场。由此，作为上述合金材料具有高饱和磁通密度的主要结果，容易在燃料喷射阀1中实现高压喷射。例如，可以适用于在30MPa中使用的电磁阀。

另外，在利用燃料喷射阀1进行多段喷射时，为了有效地进行多段喷射，需要高精度地进行阀针30的开关控制，要求具有高响应性。相对于输入到线圈54中的控制信号的波形，通过以高响应性地追随磁回路中的磁通量的变化，可以在燃料喷射阀1中实现高响应性。如果构成磁回路的部件由具有高电阻的材料构成，则由于涡电流损失变小，从而提高了相对于输入至线圈54的信号的磁通密度变化的响应性。由此，作为上述合金材料具有高电阻的主要结果，容易在燃料喷射阀1中进行多段喷射。进一步，如上所述，即使在高压喷射化的条件下，也期望得到高响应性。例如，利用脉冲电流进行开关控制的过程中，燃料喷射阀1的响应性可以以阀针30的开关状态的上升时间(To)和下降时间(Tc)的形式来进行评价。或者，可以通过燃料的最大喷射量与最小喷射量之间的差所规定的动态范围来进行评价。这里，燃料的喷射量取决于燃料喷射阀1实际上处于打开状态的时间的长度，燃料喷射阀1的响应性越高，动态范围就越大。

在燃料喷射阀1中，通过进行高压喷射化和多段喷射化，可以减少发动机中的CO₂排放量和节能化，并提高车辆的燃费等。

实施例

以下，利用实施例对本发明进行更具体地说明。

[合金材料的特性评价]

<样品的制备>

分别制作了含有表1所示的成分组成(单位：质量％)的合金材料作为实施例1、2和比较例1～5涉及的样品。在任意一个成分组成中，余量都为Fe和不可避免的杂质。作为具体的制造方法，将含有各组成比的金属材料在真空感应炉内熔融、铸造、热锻造。然后，将其加工成下述各试验中使用的测定试验片的形状，并在真空中进行850℃×2小时的磁性退火。

<磁通密度的测定>

将各合金材料加工成外径φ28mm、内径φ20mm、厚度t3mm的圆筒状，制成磁环(铁芯)。使用该磁环，形成一次线圈(480圈)和二次线圈(20圈)，作为测定样品。然后，利用磁性测量仪器(电子磁工业制造的“BH-1000”)来测量磁通密度。磁通密度的测量是这样进行的：使一次线圈中流通电流以在磁环中产生磁场H，并基于二次线圈中感应到的电压的积分值来计算得到磁环中产生的磁通密度。在测量中，将磁场H设为30000A/m，记录了此时的磁通密度值B30000。

<电阻率的测定>

将各合金材料加工成截面为10mm正方、长度为30mm的棱柱状，测定电阻率。利用四端子法进行测定。

<耐腐蚀性的评价>

评价了各合金材料相对于汽油的耐腐蚀性。具体而言，将各合金材料浸泡在80℃下的汽油组合物中336小时。之后，目视观察合金材料的表面，评价腐蚀的程度。作为评价基准，对于各合金材料的样品(φ50mm×t 20mm)，将因生锈而引起的变色部分的面积率为50％以下的情况设为合格“○”，将变色部分的面积率大于50％的情况设为不合格“×”。

<合金材料的组织的评价>

对于磁性退火后的各合金材料，利用光学显微镜和扫描电子显微镜进行组织观察并评价了组织的状态。

[燃料喷射阀中的特性的评价]

<燃料喷射阀的制作>

使用上述制备的实施例2和比较例5的各合金材料，制作了汽油发动机用燃料喷射阀。此时，燃料喷射阀的整体构造如图1所示，使用上述各合金材构成了第1筒部和可动铁芯主体、彼此一体地形成的第3筒部、入口部和固定铁芯主体。

<磁场解析>

对使用了实施例2和比较例5的各合金材料的喷射阀进行磁场解析，解析了施加相同的电流方式时所产生的吸引力的时间变化。

[评价结果]

表1示出了实施例1、2以及比较例1～5涉及的合金材料的成分组成和合金材料的特性评价结果。需要说明的是，比较例5的成分组成与专利文献1中公开的成分组成类似。

[表1]

实施例1、2涉及的合金材料对应于具有上述本发明实施方式中规定的成分组成，因而具有B30000≥1.8T的高磁通密度和ρ≥65μΩ·cm的高电阻率。另外，结晶组织由α相单相构成。另一方面，各比较例涉及的合金材料对应于不具有上述本发明实施方式中规定的成分组成，因而不具有B30000≥1.8T的磁通密度和ρ≥65μΩ·cm的电阻率中的至少一者。进一步，在比较例3中，由于Cr的含量较少，因而耐腐蚀性降低。另外，在比较例4中，由于Al的含量较少，因而在结晶组织中形成了α相+γ相的混相，而不是α相单相。

进一步，图2示出了磁场解析的结果。可知，与使用了比较例5的材料的情况相比，使用了实施例2的材料时，达到必要的吸引力所需要的时间较短。例如，对达到吸引力30MPa所需要的时间进行比较，实施例2的情况下(时间t1)比比较例5的情况下(时间t2)短17％。由此，如上所述，在使用本发明实施方式涉及的合金材料形成电磁阀的情况下，对应于具有高饱和磁通密度和高电阻率，能够提高电磁阀的吸引力和响应性。或者，在吸引力或响应性有富余的情况下，通过降低所施加的电流，可以降低能量消耗。

以上对本发明的实施方式进行了说明。本发明不特别地限定于这些实施方式，可以进行各种改变。

[工业实用性]

本发明涉及的电磁阀除了具有高耐腐蚀性以外，还具有高饱和磁通密度和电阻。结果，在电磁阀中，容易进行由高磁吸引力引起的高压喷射化，以及容易进行因响应性提高引起的多段喷射化。

尽管参照特定的实施方式对本发明进行了详细地说明，但是本领域技术人员应该知道可以在不脱离本发明的主旨和范围的情况下进行各种变化或修改。

本专利申请基于2017年12月22日提出的日本专利申请(特愿2017-245999)，其内容以引用方式并入本文。

[符号的说明]

1 燃料喷射阀

10 喷嘴

11 喷嘴筒部

12 喷嘴底部

14 阀座

20 阀体

21 第1筒部

22 第2筒部

23 第3筒部

24 入口部

30 阀针

31 阀针主体

32 密封部

40 可动铁芯

41 可动铁芯主体

50 固定铁芯

53、55 弹簧

54 线圈

Claims (5)

1.一种用于燃料系统的电磁阀，其特征在于：

在电磁驱动部中，构成磁回路的部件的至少一部分由合金材料构成，该合金材料仅由：以质量％计，

0.15％≤Ni≤0.45％、

0.65％≤Al≤1.0％、

9.2％≤Cr≤10.3％、

0.90％≤Mo≤1.6％，

Pb≤0.15％，

余量为Fe和不可避免的杂质构成。

2.根据权利要求1所述的电磁阀，其特征在于：所述电磁阀为燃料喷射阀。

3.根据权利要求1所述的电磁阀，其特征在于：以质量％计，0.05％≤Pb≤0.15％。

4.根据权利要求2所述的电磁阀，其特征在于：以质量％计，0.05％≤Pb≤0.15％。

5.根据权利要求1至权利要求4中任意一项所述的电磁阀，其特征在于：所述合金材料的组织由α相单相构成。

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