JP2004011717A - 電磁弁 - Google Patents

Abstract

【課題】応答性の向上と応答時間のばらつきの抑制が図れる電磁弁を提供する。
【解決手段】磁性材料よりなるコア２１と、電磁コイル２２と、可動子２３と、可動子２３の移動を規制可能なストッパ２４とを備え、可動子２３が、定置の弁座１１と協働する弁閉鎖体１２を操作し、電磁コイル２２の励磁が解除された状態でストッパ２４の衝突面２４ａに向かって衝突する電磁弁であって、ストッパ２４は、可動子２３に当接する衝突面２４ａに、流体を導くことが可能な経路２４ｂを備えている。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁弁に関し、特に内燃機関へ高圧燃料を供給する燃料噴射装置等に使用される電磁弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電磁弁としては、例えばディーゼル機関の燃料噴射装置としての燃料噴射ポンプに用いられ、内燃機関へ噴射する高圧燃料の噴射制御を行なう電磁弁が知られている。この種の電磁弁は、近年、排気ガス浄化等の社会的要請から、噴射燃料の高圧化が図られその噴射特性を満足するために、高応答性が必要となる。
【０００３】
なお、この電磁弁は、高圧燃料を流通、遮断を行なう弁部と、弁部を駆動する電磁駆動部とを含んで構成され、この弁部の開閉の応答性向上を図るため、電磁駆動部の応答性、つまり電磁駆動部を構成する可動子としてのアーマチャの移動速度等の向上が図られている（図５参照）。弁部の開弁時に、アーマチャがそのリフトを規制するストッパに当たった際には、その移動速度の向上に伴って、アーマチャがストッパへ及ぼす衝撃力が高くなっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術による構成では、その衝撃力でアーマチャとストッパの当接部が弾性変形してしまって、その結果、両当接部が全面密着してしまうという問題がある。これによって、閉弁時つまり電磁コイルの励磁によってアーマチャをストッパから離間させようとするとき、その全面密着面に負圧が生じる恐れがある。負圧が発生してしまうと、ストッパから離間させようとするアーマチャが、負圧によって貼り付いた状態となって、閉弁開始、弁全閉のタイミングのばらつきを生じる。その結果、応答時間がばらつくという問題がある（図５（ｅ）参照）。
【０００５】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、したがってその目的は、応答性の向上と応答時間のばらつきの抑制が図れる電磁弁を提供することにある。
【０００６】
別の目的は、応答性向上と応答時間のばらつき抑制を図るとともに、信頼性の向上が図れる電磁弁を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１によれば、磁性材料よりなるコアと、電磁コイルと、可動子と、可動子の移動を規制可能なストッパとを備え、可動子が、定置の弁座と協働する弁閉鎖体を操作し、電磁コイルの励磁が解除された状態でストッパの衝突面に向かって衝突する電磁弁であって、ストッパは、可動子に当接する衝突面に、流体を導くことが可能な経路を備えている。
【０００８】
これにより、可動子がストッパに衝突する際、可動子に当接する衝突面が全面密着を回避することが可能である。また、全面密着したとしても、衝突面に設けられた経路に導かれた流体によって、全面密着面するストッパから可動子を引き離す際に生じる負圧の発生を抑制可能である。したがって、負圧発生に起因する可動子の移動開始から終了までの挙動時間、つまり弁の応答時間のばらつきを抑制することが可能である。
【０００９】
本発明の請求項２によれば、ストッパは、衝突面に略平行な横孔と、この横孔から衝突面に向けて開口する縦孔とを備え、縦孔は、衝突面に流体を導くことが可能な経路である。
【００１０】
これにより、横孔を通じて縦孔から流体を衝突面に導くことが容易となる。
【００１１】
さらに、衝突面に流体を導く経路を衝突面に形成する手段として、可動子に当接する衝突面の当接可能面積うちの一部を、縦孔を開ける開口部とすればよい。従って、ストッパの衝突面は、可動子と当接する有効面積の確保が容易である。つまり、応答時間ばらつきの抑制と、信頼性の向上とを図ることが可能である。
【００１２】
本発明の請求項３によれば、ストッパは、衝突面の略中央に凹部を備え、凹部は、可動子が衝突面に衝突するとき、流体を収容可能な上記経路である。
【００１３】
これにより、衝突面の略中央に設けた凹部によって、全面密着する状態を防止することが可能である。また、凹部を挟み、ストッパと可動子とが密着状態となったとしても、凹部に収容可能な流体の体積の微小な変化から負圧を発生させるのは容易でなく、負圧発生の回避が可能である。
【００１４】
さらに、衝突面に流体を導く経路を衝突面に形成する手段として、衝突面の略中央に凹部を設けるだけでよいとともに、略中央の外側の衝突面は全周に渡って当接に有効な面積を確保することが容易となる。従って、ストッパによる可動子の位置規制の安定化が図れ、可動子の位置規制に係わる信頼性の向上が図れる。
【００１５】
上記凹部は、本発明の請求項４に記載するように、略中央側に向かってテーパ状に形成されている。
【００１６】
これにより、凹部が形成する流体を収容可能な空間の断面積を径方向に向かって徐々に変えるような形状となるので、ストッパから可動子を引き離す際に、ストッパと可動子の間に流入する流体の流れは、凹部がない従来の衝突面での流体の流れとほぼ同じとなる。したがって、負圧発生の回避を図れるとともに、流体の流れ等に起因したエロージョン等の信頼性低下の防止が図れる。
【００１７】
本発明の請求項５によれば、弁閉鎖体は、略カップ状に形成されており、弁座と弁閉鎖体とで区画される内部には、弁閉鎖体を前記可動子側に付勢する付勢スプリングが配置されている。
【００１８】
少なくとも、略カップ状に形成され、その開口端が弁座に当接、離間可能な弁閉鎖体を備えた電磁弁に好適である。これにより、例えば燃料噴射装置に本発明の電磁弁を用いる場合、内燃機関へ噴射される高圧燃料の噴射特性に係わる応答性の向上およびばらつき抑制が図れる。例えば、高圧流体、例えば高圧燃料の圧力を低下させることで燃料噴射を終了させる場合、弁閉鎖体のリフトが同一であっても、カップ状の開口端の大きさに応じて、高圧燃料の低下速度を変化させることが容易となる。
【００１９】
なお、弁座と弁閉鎖体とで区画される内部に配置される付勢スプリングは、弁閉鎖体を弁座と協働させるとともに、弁閉鎖体を操作する可動子の作動力発生手段を構成する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の電磁弁を、具体化した実施形態を図面に従って説明する。
【００２１】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の電磁弁の構成を表す断面図である。図２は、図１に示す発明の要部である可動子およびストッパ周りを示す部分拡大断面図である。
【００２２】
図１に示すように、電磁弁１は、内燃機関へ燃料噴射弁（図示せず）を介して高圧燃料を噴射供給する燃料噴射装置１００に取付けられている。なお、この電磁弁１は、高圧燃料を噴射供給する燃料噴射装置１００に限らず、高圧流体等の圧力媒体により駆動する駆動装置、あるいはその圧力媒体を供給する供給装置等に用いられてもよい。また、電磁弁１としては、高圧流体の圧力を所定圧力に減圧するもの、あるいは高圧流体の流量特性を調整するものでもよく、高圧流体の流量を調整するものであればいずれでもよい。
【００２３】
なお、本実施形態で説明する電磁弁１は、燃料噴射装置１００内部の図示しない圧送手段によって圧送された高圧燃料を、所定の燃料圧力（詳しくは、噴射圧特性）になるように、その燃料流量を調整するものとする。なお、燃料噴射装置１００には、電磁弁１を取付ける取付部（以下、弁ケーシング）１０２が設けられており、この弁ケーシング１０２は、電磁弁１を収容する収容室１２１、収容室１２１に接続される電磁弁１への流入側流体通路１２２、および流出側流体通路１２３を備えている。圧力媒体が流れる流入側流体通路２２と流出側流体通路２３とは、電磁弁１の収容室１２１（詳しくは、ガスケット６０を介してボディバルブ１１）への接触によって区画されている。さらに、電磁弁１と収容室１２１の螺合により発生する締付軸力を利用して気密に区画される。
【００２４】
次に、電磁弁１の構造について、以下説明する。電磁弁１は、略段付き円柱状体であって、高圧流体としての燃料を流通、遮断する弁部Ｂと、弁部Ｂを駆動する電磁駆動部Ｓとを含んで構成されている。弁部Ｂは、弁座としてのボディバルブ１１と、ボディバルブ１１に当接、離間可能な弁閉鎖体（以下、スプールバルブ）１２とを含んで構成されている。一方、電磁駆動部Ｓは、強磁性材料等の磁性材料からなるコア２１と、電磁コイル２２と、可動子としてのアーマチャ２３と、アーマチャ２３の一方方向へ移動を規制可能なストッパ２４とを含んで構成されている。
【００２５】
詳しくは、非磁性材料からなるハウジング５０が、略段付き円筒状に形成されている。ハウジング５０の下部側の外周には、収容室１２１に螺合可能なねじ部５１が形成されており、図１に示すように、ボディバルブ１１とガスケット６０を挟み込んで、収容室１２１に螺着している。また、ハウジング５０には、ねじ部５１と同一の軸心を有する弁部収容孔５２が形成されている。この弁部収容孔５２には、カップ状をなすスプールバルブ１２が収容されている。このスプールバルブ１２は、ハウジング５０によって定置されたボディバルブ１１と協働可能である。なお、スプールバルブ１２の開口端１２ａは、ボディバルブ１１のシート部１１ａに当接、離間することで、ボディバルブ１１内に形成される燃料通路１１ｂから導かれる燃料の流通、遮断をする。なお、スプールバルブ１２とボディバルブ１１とで区画されるばね室Ｓｂには、付勢スプリング４０が配設されている。開口端１１ａとシート部１２ａは、この付勢スプリング４０により常に離反する方向に付勢されている。なお、付勢スプリング４０は、スプールバルブ１２をアーマチャ２３側へ付勢するように配置されている。この付勢スプリング４０は、スプールバルブ１２をボディバルブ１１と協働可能にさせるとともに、スプールバルブ１２を操作するアーマチャ２３の作動力発生手段である（詳しくは、電磁コイル２２が非通電時）。
【００２６】
なお、燃料通路１１ｂは、ボディバルブ１１内にＴ字状に形成され、図１に示すばね室Ｓｂに開口している。さらに、下流側には、スプールバルブ１２と弁部収容孔５の間に燃料通路δが形成されており、燃料通路δは、図１の上方に示すアーマチャ室Ｓａと連通可能である。さらになお、燃料通路δの下流側には、ハウジング５０の下部を略径方向に貫通する内通路５４が形成されており、内通路５４は、流出側流体通路１２３に連通している。これにより、弁部Ｂが開弁時、流入側流体通路１２２から電磁弁１すなわち弁部Ｂに導入された燃料は、流出側流体通路１２３へ流出する。
【００２７】
一方、ハウジング５０の上部には、コア２１が配設され、このコア２１の上端側には、電磁コイル２２が収容されている。この電磁コイル２２とコア２１は、いわゆる電磁石Ｃを構成している。コア２１の中心部は中空となっており、図１の上下方向に延びるロッド２３ａが摺動自在に配置されている。このロッド２３ａの上端には、アーマチャ２３が一体的に取付けられ、下端はスプールバルブ１２に係合している。アーマチャ２３は、電磁コイル２２が励磁された状態で、コア２２の上端側に引き寄せられ、その結果、ロッド２３ａを介して付勢スプリング４０の付勢力に抗して、開口端１１ａとシート部１２ａを閉弁させる。一方、電磁コイル２２の励磁が解除された状態で、付勢スプリング４０の付勢力により開口端１１ａとシート部１２ａを開弁するとともに、アーマチャ２３は、スプールバルブと一体となって図１上方へ移動する。そして、アーマチャ２３の上端（詳しくは、当設部２３ｂ）は、ストッパ２４の衝突面２４ａに衝突することで、移動が規制される。なお、このストッパ２４は、電磁弁１の天井を形成するカバー５３に設けられている。
【００２８】
なお、電磁コイル２２の励磁が解除された状態で、アーマチャ２３が衝突するストッパ２４の詳細については、後述する。
【００２９】
なお、カバー５３は、電磁コイル２２から延びる端部（以下、ターミナルと呼ぶ）２２ａが突出して配置されており、カバー５３とターミナル２２ａは絶縁体５９でシールされている。一方、カバー５３の外周にはＯリング９１が配置され、このＯリング９１によってカバー５３は、ハウジング５０の上端と気密にシールされている。図１に示すアーマチャ室Ｓｂ内の燃料が気密に導入可能である。なお、このアーマチャ室Ｓａは、電磁コイル２２の励磁、励磁の解除（電磁コイル２２の通電、非通電）に応じて移動するアーマチャ２３の作動室を構成する。
【００３０】
次に、本発明の特徴であるアーマチャ２３およびストッパ２４回りの構成を、以下図１および図２に従って説明する。なお、図６は、本発明の効果を説明するための比較例である。図２および図６は、アーマチャ２３の移動状態を示す各過程（従来例で示す図５（ａ）から図５（ｄ）に対応）のうち、電磁コイル２２の励磁が解除され、ストッパ２４の衝突面２４ａからアーマチャ２３の当設部２３ｂが離間する直後の状態（図５（ｃ）に対応）を示す。
【００３１】
まず、図５に示す従来の電磁弁でのアーマチャ２３の挙動を説明する。電磁コイル２２が通電状態では、電磁石Ｃにアーマチャ２３を吸引する吸引力が発生しており、この吸引力によって、アーマチャ２３は、付勢スプリング４０の付勢力に抗してスプールバルブ１２を操作し、開口端１２ａとシート部１１ａが当接して閉弁している。次に電磁コイル２２への通電を停止すると、電磁コイル２２の励磁が解除され、電磁石Ｃは吸引力を失う。アーマチャ２３とスプールバルブ１２は、付勢スプリング４０の付勢力によって、一体的にストッパ２４側へ移動を開始し（図５（ａ）参照）、すなわち弁リフトを開始する。さらに、付勢力によってアーマチャ２３が図１上方へリフトすると、アーマチャ２３がストッパ２４に衝突する（図５（ｂ）参照）。これにより弁全開状態となる。このときの衝突による衝撃力は、アーマチャ２３およびスプールバルブ１２の運動エネルギーおよび付勢スプリング４０の付勢力によって発生する。この衝撃力によってアーマチャ２３の当接面２３ｂとストッパ２４の衝突面２４ａが弾性変形する。場合によっては、この弾性変形による反発力によってバウンズが発生し、反発力の低下とともにバウンズが収束する（図５参照）。その結果、その弾性変形に起因して当接面２３ｂと衝突面２４ａが全面密着して開弁動作が終了する。そして、所定の開弁期間つまり燃料噴射装置１００から燃料噴射される燃料噴射量が所望の噴射量となる開弁期間が経過すると、再び電磁コイル２２に通電を開始する。すなわち、電磁コイル２２は励磁され、電磁石Ｃの吸引力によって、ストッパ２４の衝突面２４ａからアーマチャ２３（詳しくは、当接部２３ｂ）を引き離そうとする（図５（ｃ）参照）。このとき、所定の開弁期間は約１μｓｅｃ程度であり、当接部２３ｂは衝突面２４ａに全面密着しており、当接部２３ｂの引き離し開始直後の微小隙間で負圧が発生する。このため、アーマチャ２３とストッパ２４の間で負圧による貼り付きが一時的に発生する。なお、この貼り付き時間は発生する負圧の大きさΔＰ（図６参照）によりばらつきを生じる。その結果、閉弁開始タイミングのばらつきが発生する（図５（ｅ）参照）。結果として、閉弁動作が終了する状態（図５（ｄ）参照）まで、その負圧によって生じた貼り付き時間に応じてばらつきの影響が及ぶ（図５（ｅ）参照）。つまり従来の電磁弁では閉弁応答時間のばらつきが生じる。
【００３２】
これに対して、本実施形態では、図１及び図２に示すように、衝突面２４ａに略平行な横孔２４ｃと、この横孔２４ｃから衝突面２４ａに向けて開口する縦孔２４ｂがスットパ２４に開けられている。すなわち、横孔２４ｃを通じて縦孔２４ｂから燃料を衝突面２４ａに導くことが容易となる。これにより、当接部２３ｂの引き離し開始直後の微小隙間が発生した段階で、その隙間の外周側からしか燃料の補填が行なえなかった従来の構成（図６参照）に比べて、隙間の内部からも燃料の補填を行なえるようになる。したがって、全面密着するストッパ２４からアーマチャ２３を引き離す際に生じる負圧の発生を抑制できる。その結果、上記閉弁応答時間のばらつきを抑制することが可能となる。
【００３３】
なお、本実施形態では、衝突面２４ａに燃料を導く経路として、衝突面２４ａに対して略平行な横孔２４ｃと開口する縦孔２４ｂを有する燃料通路としたが、衝突面２４ａに燃料を導く開口部を有する燃料通路であればよく、一つの曲がり孔で形成されるもの、あるいは一つの斜め孔で形成されるものであってもよい。
【００３４】
さらに、衝突面２４ａに燃料を導く燃料通路を形成する手段として、衝突面２４ａ上には、開口する縦孔２４ｂを形成するだけでよいので、衝突面２４ａ上に切欠き溝を延在させる場合等に比べて、アーマチャ２３に当接するストッパ２４の有効面積の低下を抑制することができる。したがって、有効面積の確保が容易となるので、信頼性の向上が図れる。
【００３５】
（第２の実施形態）
以下、本発明を適用した他の実施形態を説明する。なお、以下の実施形態においては、第１の実施形態と同じもしくは均等の構成には同一の符号を付し、説明を繰返さない。図３は、本実施形態の電磁弁の構成を表す断面図である。図４は、図３に示す要部である可動子およびストッパ周りを示す部分拡大断面図である。
【００３６】
第２の実施形態では、図３および図４に示すように、衝突面２４ａに凹部２４ｄを設ける。なお、凹部２４ｄは、衝突面２４ａの略中央に設ける。さらになお、この凹部２４ｄは、略中央側に向かってテーパ状に形成されていることが望ましい。
【００３７】
これにより、凹部２４ｄによって燃料を収容することが容易となる。しかも、凹部２４ｄを衝突面２４ａの略中央に設けるので、衝突面２４ａの内部から確実に燃料の補填が図れる。さらに、全面密着する状態を防止することが容易となる。さらになお、この凹部２４ｄを挟んで、スットパ２４とアーマチャ２３とが密着状態となったとしても、凹部２４ｄに収容可能な燃料の所定の体積に対し、微小な体積変化から所定の負圧を発生させるのは容易ではなく、したがって、負圧発生を回避可能である。
【００３８】
さらに、略中央の外側にある衝突面２４ａの部分は全周に渡って当接に有効な面積を確保することが容易となる。従って、ストッパ２４によるアーマチュア２３の位置規制の安定化が図れ、アーマチュア２３の位置規制に係わる信頼性の向上が図れる。
【００３９】
さらになお、凹部２４ｄの形状として、上記略中央側に向かってテーパ状に形成することで、ストッパ２４からアーマチャ２３を引き離す際に、ストッパ２４とアーマチャ２３の間に流入する燃料の流れは、凹部２４ｄのない従来の衝突面での燃料の流れとほぼ同じとなる。したがって、負圧発生の回避を図れるとともに、燃料の流れ等に起因したエロージョン等の信頼性低下の防止が図れる。
【００４０】
以上本実施形態で説明した衝突面２４ａに燃料を導く手段としては、第１の実施形態のように直接的に燃料を導く経路を設ける構成に限らず、第２の実施形態のように燃料を収容する経路であってもよく、燃料を導くことが可能な経路を有するものであればいずれでもよい。
【００４１】
さらになお、燃料を収容する経路を有する構成としては、第２の実施形態で説明したストッパ２４の衝突面２４ａ（詳しくは、凹部２４ｄ）をテーパ状に形成する構成に限らず、アーマチャ２３の上端面（詳しくは、当接部２３ｂ）をテーパ状に形成する構成としてもよい。この構成によっても、第２の実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００４２】
さらになお、本発明を適用する電磁弁として、少なくとも、略カップ状に形成され、その開口端１２ａがボディバルブ１１に当接、離間可能なスプールバルブ１２を備えたものに好適である。これにより、燃料噴射装置１００に本発明の電磁弁１を用いる場合、内燃機関へ噴射される高圧燃料の噴射特性に係わる応答性の向上およびばらつき抑制が図れる。例えば、高圧燃料の圧力を低下させることで燃料噴射を終了させる場合、スプールバルブ１２のリフトが同一であっても、開口端１２ａの大きさに応じて、高圧燃料の低下速度を変化させることが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の電磁弁の構成を表す断面図である。
【図２】図１に示す発明の要部である可動子およびストッパ周りを示す部分拡大断面図である。
【図３】第２の実施形態の電磁弁の構成を表す断面図である。
【図４】図２に示す可動子およびストッパ周りを示す部分拡大断面図である。
【図５】従来の電磁弁の動作、特に可動子およびストッパに係わる動作を示す図であって、図５（ａ）から図５（ｄ）は可動子の各移動の過程を示す断面図、図５（ｅ）は、電磁弁の開弁、閉弁の特性を、可動子のリフトによって示す弁リフト波形のグラフである。
【図６】図５に示す可動子およびストッパ周りを示す部分拡大断面図である。
【符号の説明】
１　電磁弁
１１　ボディバルブ（弁座）
１１ａ　シート部
１２　スプールバルブ（弁閉鎖体）
１２ａ　開口端
２１　コア
２２　電磁コイル
２３　アーマチャ（可動子）
２３ａ　当接部
２４　ストッパ
２４ａ　衝突面
２４ｂ、２４ｃ　縦孔、横孔
２４ｄ　凹部
４０　付勢スプリング
１００　燃料噴射装置

Claims (5)

1. 磁性材料よりなるコアと、電磁コイルと、可動子と、前記可動子の移動を規制可能なストッパとを備え、
   前記可動子が、定置の弁座と協働する弁閉鎖体を操作し、前記電磁コイルの励磁が解除された状態で前記ストッパの衝突面に向かって衝突する電磁弁であって、
   前記ストッパは、前記可動子に当接する前記衝突面に、流体を導くことが可能な経路を備えていることを特徴とする電磁弁。
2. 前記ストッパは、前記衝突面に略平行な横孔と、前記横孔から前記衝突面に向けて開口する縦孔とを備え、
   前記縦孔は、前記衝突面に流体を導くことが可能な前記経路であることを特徴とする請求項１に記載の電磁弁。
3. 前記ストッパは、前記衝突面の略中央に凹部を備え、
   前記凹部は、前記可動子が前記衝突面に衝突するとき、流体を収容可能な前記経路であることを特徴とする請求項１に記載の電磁弁。
4. 前記凹部は、略中央側に向かってテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電磁弁。
5. 前記弁閉鎖体は、略カップ状に形成されており、
   前記弁座と前記弁閉鎖体とで区画される内部には、前記弁閉鎖体を前記可動子側に付勢する付勢スプリングが配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電磁弁。

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