JP2003269289A - 電磁式燃料噴射弁およびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡素で、特別な駆動回路を必要とせず、かつ安
定した性能を有した可変ストローク機構を有する電磁式
燃料噴射弁を実現すること。 【解決手段】磁気吸引力を発生し、かつストローク量を
変化させる可動コア８を燃料噴射弁内部に、弁体１３１
を駆動するための磁気吸引力により変位するように構成
することによりインジェクタ制御装置１００を提供す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関に燃料を供
給する電磁式燃料噴射弁に関わり、特に弁体のストロー
ク量を可変とし、燃料流路面積を変化させて単位時間あ
たりの噴射量（噴射率）を制御するための技術に関わ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来自動車等に搭載される内燃機関にお
いてはエンジン制御ユニットからの電気信号により駆動
する電磁式の燃料噴射弁が広く用いられている。近年、
エンジンには低燃費かつ高出力化が要求されている。こ
のため、電磁式燃料噴射弁の燃料調量範囲の要求も拡大
しつつある。つまり低燃費を満足するために、アイドル
回転時の噴射量を小さく設定したときに高い調量精度が
要求されると同時に、高出力化を満足するために、多く
の燃料を短期間に噴射できることが要求される。これら
は相反する課題であり、両立させるのは困難であった。
従来の技術として、特開平11-200917号公報に記載され
ているように弁体の全ストローク量を規制するためのス
トッパ部分に圧電素子を用い、外部指令により圧電素子
の厚さを変化させることにより弁体のストロークできる
量を変化させて噴射率を変化させる方法が開示されてい
る。これにより、少ない噴射量が必要なときは短いスト
ロークで噴射し、多くの噴射量が必要なときは長いスト
ロークで噴射するような方法が取られていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来例として上に示し
た技術は以下のような課題を有する。 1)ストローク可変量 一般に、燃料噴射弁のストロークは50から100ミクロン
程度であり、その上下限を可変幅とした場合には50ミク
ロン程度の可変幅を必要とする。この可変幅を実現する
ためには、圧電素子を多層に積層する必要があり、圧電
素子の長さだけでも数センチメートル台の長さとなり燃
料噴射弁のコンパクト化が困難となる。 2)駆動回路 圧電素子の駆動には数百ボルト以上の高電圧が必要であ
る。当該燃料噴射弁を自動車用エンジンに適用する場
合、バッテリ電圧（約12V）を高電圧に昇圧するための
昇圧回路が必要となる。また、燃料噴射弁自体の駆動回
路と独立した駆動回路が必要となりコスト増加となる。 3)圧電素子への配線 弁体を駆動するための電磁コイルへの配線に加え、スト
ローク制御用の圧電素子への配線も必要となり、複雑と
なる。 4)圧電素子のばらつき 圧電素子自体の長さばらつきのため、ストロークの初期
設定が困難である。 5)圧電素子温度変化 圧電素子は温度膨張係数が高く、温度変化によりストロ
ークが変化する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めには、圧電素子等、外部指令により長さが変化するよ
うな素子を用いず、燃料噴射弁内部の部材が、弁体を駆
動するための磁気吸引力により変位するように構成され
れば良い。このために、本発明では、弁座の下流側に設
けられた燃料噴射孔と、この弁座に弁体を押圧するスプ
リングと、この弁座から前期弁体を離間させるコイルと
磁気回路を備え、前期弁体と前記弁座との開閉時間を制
御することにより燃料の噴射量を制御する電磁式燃料噴
射弁において、前記磁気回路は固定鉄心と少なくとも２
つ以上の可動鉄心が直列に配置され、固定鉄心から最も
遠い可動鉄心に、弁体を固定する。また、前記固定鉄心
と前記固定鉄心から最も遠い可動鉄心との距離から、前
記固定鉄心と前記固定鉄心から近い可動鉄心との距離を
差し引いた距離が弁体のストローク量となり、ストロー
ク量により単位時間あたりの噴射量が変化することを特
徴とする。また、固定鉄心と可動鉄心間に弾性部材を有
し、固定鉄心と可動鉄心の距離が変化することを特徴と
する。また、固定鉄心と複数の可動鉄心間に配置される
弾性部材が、固定鉄心と複数の可動鉄心間に及ぼす初期
荷重がそれぞれ異なることを特徴とする。また、固定鉄
心と複数の可動鉄心間に配置される弾性部材の弾性係数
が、それぞれ異なることを特徴とする。さらに前記固定
鉄心と可動鉄心間の距離はコイルに通電された電流量で
制御されることを特徴とする。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の燃料
噴射弁の一実施形態を詳細に説明する。

【０００６】図１は本発明の第一の実施例の全体構成を
示す図である。

【０００７】基本的には中空筒型の固定コア6と可動コ
ア8の周りに電磁コイル18、ヨーク7が配置され、ヨーク
の下部には弁体131（プランジャロッドの下端）とアン
カ10を有する可動子（プランジャ）を内装したノズルホ
ルダ9が取り付けられ、この可動鉄心がリターンスプリ
ング5の力を受けて弁座111側に付勢される構造をなして
いる。

【０００８】加圧された燃料は燃料配管によりパイプ3
上方から供給され、燃料噴射弁への異物混入を防ぐため
の燃料フィルタ17を経由し燃料噴射弁100に供給され
る。エンジン制御ユニットからの電気信号により電磁コ
イル18への通電が開始されると固定コア6、可動コア8、
アンカ10間に電磁吸引力が発生し、燃圧による力とリタ
ーンスプリング力との合力よりも大きくなった場合に弁
体131は弁座から離れ燃料が噴射される。噴射燃料には
スワーラ12により旋回力が与えられ、燃料液的は十分微
粒化され噴射される。また、エンジン制御ユニットから
の電気信号が立ち下がると電磁コイル18への通電が停止
され磁気吸引力は減少し、リターンスプリング力と燃料
圧力による力で弁体は弁座111側に押し戻され燃料噴射
が終了する。

【０００９】固定コア6と可動コア8は図１に示すように
直列に配置されている。固定コア6はノズルホルダ9に、
例えば溶接等により固定されている。可動コア8および
アンカ10はノズルホルダ9内を図１では上下方向に摺動
して固定コア6に対して変位することができる。固定コ
ア6と可動コア8の間には、両者の相対位置を調整するス
プリング15が配置される。また、可動コア8の下方には
アンカー10があり、アンカー10にはジョイントパイプ14
を用いてプランジャーロッド13が取り付けられその先端
部は弁体131となっている。またオリフィスプレート11
にはシート面111及びオリフィス110が形成されている。

【００１０】一般的に燃料噴射弁における単位時間あた
りの噴射量（噴射率）は開弁時に弁体とシート面で形成
される開口面積に比例する。また開口面積は燃料噴射弁
で用いられる50から100マイクロメートルの弁体リフト
（開弁時、弁体とシート面との距離）範囲では、ほぼリ
フト量に比例する。従って噴射率はリフト量により可変
とすることができ、本発明においてはリフト量を変化す
る機構を有する。

【００１１】図2は本発明のリフト可変機構を示す模式
図である。図2においては、コイル18、ヨーク7等は省略
されており、各部材も簡素化して表記している。

【００１２】固定コア6と可動コア8の間にはスプリング
15があり下側にスプリング力Fs2により可動コアストッ
パ部91の凸部に付勢されている。

【００１３】固定コア6と可動コア8にはスプリング15が
全圧縮される前に固定コア6と可動コア8のそれぞれの端
面が接触するように凹部を有している。図２ではこの凹
部が固定コア6と可動コア8の両側に分担されて設けられ
ているが、どちらか一方に設けられていてもよい。ま
た、可動コア8の下側には、可動コアストッパ部91との
軸方向の受け部を形成するために外側に段差加工がされ
ている。

【００１４】コイル18通電時には固定コア6と可動コア8
の間にFmag2の磁気吸引力が発生する。

【００１５】アンカ10の可動コア8側の端面は外周段差
加工がなされており可動コアストッパ部91との干渉を避
け、可動コア8の下面に接触するまでのアンカ10の変位
を可能としている。

【００１６】アンカ10にはコア6に固定されたスプリン
グアジャスタ4の位置によりセットされたスプリング5よ
りFs1が加えられている。また、アンカ10と可動コア8と
の間には、磁気吸引力Fmag1が発生する。

【００１７】固定コア6、可動コア8とアンカ10の端面間
の距離は図に示すように、それぞれSt1、St2となってい
る。上述のFmag1、Fmag2、Fs1、Fs2及び燃料が及ぼす各種
流体力のバランスによりアンカ10、ひいてはプランジャ
13の先端にある弁体とオリフィスプレート11に形成され
るシート面からの距離（ストローク）が変化する。

【００１８】本実施例では、Fs2は、Fs1よりも大きく、
かつ、ばね定数もスプリング15のほうが大きい。この関
係を踏まえ、以下、ストロークの各可変モードについて
説明していく。

【００１９】図3は本発明のリフト可変機構の各可変モ
ードを示す図である。説明を簡素化するために燃料が各
部材に及ぼす流体力は十分小さいとして、ここでは考慮
しないことにする。

【００２０】まず、図3(a)はコイル18に通電されていな
い場合で、Fmag1、Fmag2ともにゼロであり可動コア8は可
動コアストッパ部91の凸部に押し付けられ、アンカ10に
取り付けられたプランジャロッド13もオリフィスプレー
ト11のシート面111に押し付けられ燃料は噴射されな
い。このときの固定コア6と可動コア8の距離Ag2はSt2で
あり、可動コア8とアンカ10の距離Ag1はSt1である。外
部装置から燃料噴射指令が入力せず、コイル18へ通電さ
れていないときはこの状態で待機していることになる。

【００２１】つぎに図3(b)はコイル18に小さな電流が流
れている時の状況を示している。発生する磁気吸引力Fm
ag1、Fmag2が発生するが、その関係は、Fmag1>Fs1でか
つFmag2<Fs2の状態である。可動コア8の方は可動コアス
トッパ部91の凸部に押し付けられたままとなっており、
Ag1=St1となっている。これに対し、アンカ10は上方に
変位し、可動コア8の端面に接する位置まで変位する。
これにより、Ag1=0となり、結果としてプランジャロッ
ド13はシート111からSt1だけ離れることになり（ストロ
ーク=St1）、燃料通路が形成され、燃料噴射が開始され
る。

【００２２】コイル18の電流が増加し、磁気吸引力Fmag
2が増加し、Fs2を超えると可動コア8は可動コアストッ
パ部91から離れてストロークを開始する。当然、アンカ
10は可動コア8に接したままで、上方にさらにストロー
クすることになり、図3(c)に示すように図3(b)の状態に
比べ弁体ストロークが大きくなり、燃料通路の開口面積
が増加し、単位時間あたりの燃料噴射量（噴射率）が増
加する。

【００２３】さらに電流が増加し磁気吸引力が増加する
と図3(d)のように、可動コア8の上側端面が固定コア6の
下側端面に接することにより、変位が停止する。このと
き、固定コアと可動コア、可動コアと固定コアの隙間は
ゼロとなり、弁体のストロークはSt1+St2となり最大燃
料噴射率となる。

【００２４】低燃費を満足するために、アイドル回転時
の噴射量を小さく設定したときに高い調量精度が要求さ
れるときには図3(b)のような状態で燃料噴射弁を駆動
し、高出力化を満足するために、多くの燃料を短期間に
噴射することが要求されるときには、図3(c)あるいは図
3(d)のようなモードを用いればよい。

【００２５】図4は本発明のリフト可変機構の可変モー
ドのうち、図3(b)に示すような小さなストロークでの弁
体駆動状況を、図５はそのときの噴射指令信号に対する
噴射量特性を示す図である。

【００２６】長さTiの噴射指令信号に対し、電流をまず
Ip1まで立ち上げ、図3(b)に示すような小さなストロー
クまで開弁させ、その後Ih1となるように電流制御回路
で調整し開弁を保持する。これにより弁変位は図3(b)の
モードのストロークSt1までしか変位しない。これによ
り図5に示すように、低噴射量までの噴射指令パルス幅
に対する噴射量の直線性が確保できる。このことはアイ
ドル回転時の噴射量を小さく設定したときの高い調量精
度が実現できることを示している。

【００２７】図6は本発明のリフト可変機構の各可変モ
ードのうち図3(d)に示すような大きなストロークでの弁
体駆動状況を、図7はそのときの噴射指令信号に対する
噴射量特性を示す図である（図4、5との比較のため点線
で小さなストロークにて駆動した状況を記載してあ
る）。

【００２８】長さTiの噴射指令信号に対し、電流をまず
Ip2(<Ip1)まで急速に立ち上げ、一気に図3(d)に示すよ
うな大きなストロークまで開弁させ、その後Ih2となる
ように電流制御回路で調整し大きなストローク(St1+St
2)での開弁を保持する。

【００２９】これにより図7に示すように、同一噴射指
令パルス幅に対して多くの燃料を噴射することができる
（高い噴射率）。このことは高出力化を満足するため
に、多くの燃料を短期間に噴射できることを示してい
る。

【００３０】以上のように、噴射量を小さく設定したと
きの高い調量精度が必要なときは図4に示すような電流
波形で駆動し、多くの燃料を短期間に噴射する必要があ
る場合には図6に示すような電流波形で駆動するように
切り替えれば良い。

【００３１】つぎに電流波形を工夫することにより、こ
れらの2つのモードを１つの電流波形で実現する方法を
図8に、そしてその電流波形で駆動した場合の噴射指令
パルスに対する噴射量特性を示す。

【００３２】この方法は、電流の立ち上がりを図６のと
きよりも遅くなるように、コイル18のインダクタンスを
変更するか、コイルへの印加電圧を低下させて、電流が
Ip2に到達するまでの時間を長くすることにより実現で
きる。電流が増加するまでに時間が必要となるので、例
えば図8中に示すように噴射指令信号がTi'と短いときに
は電流値はIp2に到達しないので、この時点で点線cのよ
うに電流が切れた場合、弁変位も点線で示したように、
図4に示した電流が小さい場合と同様にSt1だけ変位し、
その状態を保持した後、閉弁する。

【００３３】これが、噴射指令パルス幅がTiとなると電
流値はIp2に到達したあとでIh2となるように制御される
ため、弁変位は図8の実線dのような変位となる。この時
の最大ストロークはSt1+St2となり、図6と同様になる。

【００３４】結局、図８に示すような電流波形を採用し
た場合、噴射指令パルスに対する噴射量特性は図9に示
すように図5、図7を組み合わせたものと同等な噴射量特
性となる。Ti'で若干の変曲点を有するが、噴射量を小
さく設定したときの高い調量精度が必要なときは短い噴
射指令パルス幅で駆動し、多くの燃料を短期間に噴射す
る必要がある場合には長いパルス幅で駆動するように切
り替えれば良い。

【００３５】この方法は、電流波形を変化するための回
路素子が不要となるため低コスト化が可能となる。ま
た、噴射モード切換えのロジックも不要となるため、制
御ソフトの簡略化も可能となる。

【００３６】以上のように、本発明によると低燃費を満
足するために、アイドル回転時の噴射量を小さく設定し
たときに高い調量精度が要求されると同時に、高出力化
を満足するために、多くの燃料を短期間に噴射できるこ
とが要求されるが、これらの課題を解決することができ
る。

【００３７】また、図10はアンカ100へのスプリングセ
ット力を印加するためのスプリング50が固定コア60に固
定されるのではなく、可動コア80とアンカ100の間に挟
み込まれている場合である。本実施例においてもストロ
ークの可変機構は第一の実施例と同様に機能することが
できる。

【００３８】また、図11は、噴射指令終了後、閉弁時の
弁体バウンドに起因する二次噴射を低減するためのマス
リング20を組み込んだ、本発明の第3の実施例を示す図
である。マスリング20を有する構成でも本発明のストロ
ーク可変機構との干渉は無く、その有効性は確保でき
る。

【００３９】また本発明の各実施例では弾性部材として
コイルばねを利用したが、板ばねあるいはゴム部材等を
使用しても本発明と同等な効果を得ることが可能であ
る。

【００４０】

【発明の効果】本発明によると、電磁式燃料噴射弁にお
いて、圧電素子等、外部指令により長さが変化するよう
な素子を用いず、燃料噴射弁内部の部材が、弁体を駆動
するための磁気吸引力により変位するように構成されて
おり、弁体のストローク量を変化させて単位時間あたり
の噴射量（噴射率）を制御することが可能となる。これ
により電磁式燃料噴射弁の燃料調量範囲を拡大でき、エ
ンジンの低燃費化と高出力化が両立できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例の全体構成を示す図であ
る。

【図２】本発明のリフト可変機構を示す模式図である。

【図３】本発明のリフト可変機構の各可変モードを示す
図である。

【図４】本発明のリフト可変機構の小さなリフト量での
弁体駆動状況を示す図である。

【図５】本発明のリフト可変機構の小さなリフト量での
噴射指令信号に対する噴射量特性を示す図である。

【図６】本発明のリフト可変機構の大きなリフト量での
弁体駆動状況を示す図である。

【図７】本発明のリフト可変機構の大きなリフト量での
噴射指令信号に対する噴射量特性を示す図である。

【図８】本発明のリフト可変機構の弁体駆動状況を示す
図である。

【図９】本発明のリフト可変機構の噴射指令信号に対す
る噴射量特性を示す図である。

【図１０】本発明の第二の実施例の全体構成を示す図で
ある。

【図１１】本発明の第三の実施例の全体構成を示す図で
ある。

【符号の説明】

１００…インジェクタ駆動制御装置、１…Ｏリング、２
…バックアップリング、３…パイプ、４…スプリングア
ジャスタ、５…スプリング、６…固定コア、７…ヨー
ク、８…可動コア、９…ノズルホルダ、１０…アンカ、
１１…オリフィスプレート、１２…スワーラ、１３…プ
ランジャロッド、１４…ジョイントパイプ、１５…スプ
リング、１６…ダンパプレート、１７…フィルタ、１８
…コイル、１１０…オリフィス、１１１…シート、２０
…マスリング、９１…可動コア用ストッパ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石川 亨 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 Ｆターム(参考） 3G066 AD07 BA44 BA57 BA61 BA67 CC01 CC06U CC14 CC52 CC53 CC56 CE23 CE24 CE26 CE34 DA08

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】弁座の下流側に設けられた燃料噴射孔と、
   この弁座に弁体を押圧するスプリングと、この弁座から
   前記弁体を離間させるコイルと磁気回路を備え、前記弁
   体と前記弁座との開閉時間を制御することにより燃料の
   噴射量を制御する電磁式燃料噴射弁において、 前記磁気回路は固定鉄心と少なくとも２つ以上の可動鉄
   心が直列に配置され、固定鉄心から最も遠い可動鉄心
   に、弁体を固定する電磁式燃料噴射弁。
2. 【請求項２】前記固定鉄心の可動鉄心側の端面と前記固
   定鉄心から最も遠い可動鉄心の固定鉄心側の端面との距
   離から、前記固定鉄心の可動鉄心側の端面と前記固定鉄
   心から近い可動鉄心の固定鉄心から遠い側の端面までの
   距離を差し引いた距離が、弁体のストローク量となり、
   ストローク量により単位時間あたりの噴射量が変化する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電磁式燃料噴射弁。
3. 【請求項３】固定鉄心と複数の可動鉄心間に弾性部材を
   有し、弁体のストローク量が変化することを特徴とする
   請求項１又は２に記載の電磁式燃料噴射弁。
4. 【請求項４】固定鉄心と複数の可動鉄心間に配置される
   弾性部材が、固定鉄心と複数の可動鉄心間に及ぼす初期
   荷重がそれぞれ異なることを特徴とする請求項３に記載
   の電磁式燃料噴射弁。
5. 【請求項５】固定鉄心と複数の可動鉄心間に配置される
   弾性部材の弾性係数が、それぞれ異なることを特徴とす
   る請求項３又は４に記載の電磁式燃料噴射弁。
6. 【請求項６】前記固定鉄心と可動鉄心間の距離はコイル
   に通電された電流量で制御されることを特徴とする請求
   項５に記載の電磁式燃料噴射弁。