JP2006183470A - 電磁駆動装置およびそれを用いた燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】
簡単な構造の変更で可動子と固定子との衝突時のバウンシングを抑制する電磁駆動装置およびそれを用いた燃料噴射弁を提供する。
【解決手段】
電磁駆動装置は、略円筒状に形成されているハウジング１０と、ハウジング１０の外壁に設けられている電磁コイル３１と、ハウジング１０の内壁に設けられ、電磁コイル３１への通電によって磁気吸引力を発生する固定子４０と、その磁気吸引力により固定子４０に吸引される可動子５０と、可動子５０と固定子４０とが、当接した時、可動子５０の外壁面５２、固定子４０の可動子側端面４１、および可動子５０の外壁面５２に対向するハウジング１０の内壁面８１とで囲まれている容積部６０とを設け、容積部６０の一部に、可動子５０の外壁面５２と、それに対向するハウジング１０の内壁面８１とで形成され、可動子５０の移動に伴い、外壁面５２と内壁面８１との距離が変化する隙間７０が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、電磁駆動装置およびそれを用いた内燃機関（以下、エンジンと呼ぶ）の燃料噴射弁に関する。

電磁駆動装置の電磁コイルへの駆動電流の供給を断続により、可動子と一体の弁部材を駆動させ、弁ボディに形成されている噴孔を開閉し、燃料の噴射を断続させる燃料噴射弁がある。このような形式の燃料噴射弁では、噴孔を開弁する際、可動子が固定子に衝突し、その時に生じる反発力により可動子が跳ね返る、いわゆる（開弁）バウンシングが起こる。このため、燃料噴射量に微小なばらつきが生じていた。これに対し、従来では、可動子、または弁部材にバネなどの緩衝部材を設けてバウンシングを低減させ、上記のような問題を解消していた（特許文献１および特許文献２参照）。
特表２００２−５２８６７２号公報 特開２００２−２６６７２０号公報

ところが、上記従来技術の燃料噴射弁には、可動子が固定子に衝突する時に起こるバウンシングをバネなどの緩衝部材によって上記問題点を解消しているため、そのための部品が余分に必要となり、構造が複雑となる。

そこで、本発明の目的は、簡単な構造の変更で可動子と固定子との衝突時のバウンシングを抑制する電磁駆動装置およびそれを用いた燃料噴射弁を提供することにある。

本発明の請求項１記載の電磁駆動装置では、略円筒状に形成されているハウジングと、ハウジングの外壁に設けられている電磁コイルと、ハウジングの内壁に設けられ、電磁コイルへの通電によって磁気吸引力を発生する固定子と、その磁気吸引力により固定子に吸引される可動子と、可動子と固定子とが、当接した時、可動子の外壁面、固定子の可動子側端面、および可動子の外壁面に対向するハウジングの内壁面とで囲まれている容積部とを設け、容積部の一部に、可動子の外壁面と、それに対向するハウジングの内壁面とで形成され、可動子の移動に伴い、外壁面と内壁面との距離が変化する隙間が形成されていることを特徴としている。

請求項１の記載によると、可動子が固定子に当接した時にハウジングと可動子との間には、容積部が形成される。この容積部には、この容積部の内部と外部とが連通している隙間が形成されている。可動子が固定子に当接し、その後、可動子が反発力により固定子から離間しようとすると、容積部の容積が拡大する。すると、容積部の外部に存在している流体が、上記隙間を介して、容積部に流入しようとする。しかし、隙間を介して流入しようとする燃料の体積は、容積部の容積の変化量よりも小さいため、容積部内部の圧力は、その外部の圧力よりも低くなり、可動子には、固定子に引き寄せられる力が発生する。これにより、可動子のバウンシングが抑制される。

本発明の請求項２記載の電磁駆動装置の可動子の外壁面に対向するハウジングの内壁面には、可動子の外壁面に向かって隆起している隆起部が設けられていることを特徴としている。

ハウジングの内壁面に可動子の外壁面に向かって隆起した隆起部を設けることにより、請求項１に記載の隙間を有する容積部を形成することが可能となる。その隆起部の具体的な形状は、本発明の請求項３に記載されているように、固定子の可動子側端面に近いほどハウジングの内径が小さくなるような傾斜面となっていることを特徴としている。別の具体的な形状は、本発明の請求項４に記載されているように、可動子の移動方向に対して略垂直な面を有する段付部となっていることを特徴としている。

本発明の請求項５記載の電磁駆動装置の隙間の距離は、この隙間よりも固定子の可動子側端面に近い方に形成される可動子の外壁面と、それに対向するハウジングの内壁面との間の距離よりも小さいことを特徴としている。

これにより、可動子が固定子に向かって移動する際、可動子と固定子との間に残留している流体が形成される容積部から流出しやすくなる。流体が流出しやすくなるので、可動子が固定子に向って移動する際の速度を妨げる力が低下し、素早く可動子を固定子まで移動させることが可能となる。

本発明の請求項６記載の燃料噴射弁は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電磁駆動装置と、噴孔が形成されている弁ボディと、可動子により駆動され、噴孔からの燃料の噴射を断続する弁部材とを備えていることを特徴としている。

これにより、可動子に駆動される弁部材もバウンシングすることがなくなり、燃料噴射量が不安定になることが防止できる。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態では、本発明に電磁駆動装置を燃料噴射弁に適用した例について説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態を、図１から図３に基づいて説明する。なお、本実施形態においては、燃料、特にガソリンをエンジンの燃焼室に直接噴射するための燃料噴射弁について説明する。しかし、本発明による燃料噴射弁は、いわゆるポート噴射用のガソリンエンジンにも適用することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態による燃料噴射弁を示す断面図である。図２は、図１の範囲Ｉの部分を拡大した部分断面図である。

この図１において、燃料タンク（図示しない）内に貯蔵された燃料は、サプライポンプ（図示しない）に内蔵されたフィードポンプ（図示しない）によってサプライポンプへ吸引される。サプライポンプは、吸引した燃料を高圧に圧縮した後、その燃料をデリバリパイプ（図示しない）に供給する。このデリバリパイプには、エンジンの各燃焼室に対して１つの燃料噴射弁１が接続されている。各燃料噴射弁１は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ：図示しない）からの駆動信号にしたがって噴射作動を行う。

次に、燃料噴射弁１の構成を詳しく説明する。燃料噴射弁１は、ハウジングとしての磁性パイプ１０、弁ボディ２０、および電磁コイル３１からなっている。

磁性パイプ１０は、磁性部材と非磁性部材とからなり、略円筒状に形成されている。磁性パイプ１０には、燃料通路１４が形成されており、この燃料通路１４に固定子４０、可動子５０、スプリング１００、およびアジャスティングパイプ１１０が収容されている。

磁性パイプ１０は、図１において下方の弁ボディ２０側から第１磁性部材１１、非磁性部材１２および第２磁性部材１３をこの順序で有している。第１磁性部材１１と非磁性部材１２、ならびに非磁性部材１２と第２磁性部材１３とは溶接により結合されている。溶接は、例えばレーザ溶接などにより行われている。非磁性部材１２は、第１磁性部材１１と、第２磁性部材１３との間で磁束が短絡することを防止するためのものである。第１磁性部材１１には、弁ボディ２０が溶接により固定されている。

図１に示すように弁ボディ２０は、磁性材料よりなり略円筒状に形成され、ボディ２１と弁座体２２からなっている。ボディ２１には、燃料通路１４に連通する中空部２５が形成されており、この中空部２５にニードル９１、および弁閉鎖体９２からなる弁部材９０が収容されている。ボディ２１の反ハウジング側の端部には、弁座体２２が溶接により固定されている。弁座体２２は、カップ状に形成されており、その内面には、弁座２３が形成されており、底部には、噴孔２４が形成されている。なお、弁座２３と噴孔２４とは、弁座体２２に形成するのではなく、ボディ２１をカップ状に形成し、その内面と底部に形成してもよい。

ニードル９１は、棒状に形成され、噴孔側先端に弁閉鎖体９２を有している。ニードル９１の反噴孔側端部は、可動子５０の噴孔側端部に溶接により固定されている。弁閉鎖体９２が弁座２３に着座すると、燃料通路１４および中空部２５と、噴孔２４との連通が閉塞され噴孔２４からは燃料が噴射されなくなる。

図１に示すように、固定子４０は、略円筒状に形成されている。固定子４０は、磁性パイプ１０の非磁性部材１２および第２磁性部材１３の内壁に挿入後、溶接されることにより、磁性パイプ１０に固定されている。さらに、固定子４０の噴孔側端部の磁性パイプ１０の内壁には、隆起部８０が設けられている。隆起部８０の形状などについては、後ほど詳細に説明する。

アジャスティングパイプ１１０は、固定子４０の内壁に圧入されている。スプリング１００は、一方の端部がアジャスティングパイプ１１０に当接し、他方の端部が可動子５０に当接している。アジャスティングパイプ１１０の圧入量を調整することにより、スプリング１００の荷重は変更される。スプリング１００は、弁部材９０の弁閉鎖体９２が弁座体２２の弁座２３に着座する方向へ付勢している。

磁性部材１２０は、弁ボディ２０と磁気的に接続され、電磁コイル３１の外周側に設けられている。これにより、固定子４０、可動子５０、第１磁性部材１１、ボディ２１、磁性部材１２０、および第２磁性部材１３は、磁気回路を構成することとなる。

電磁コイル３１が巻回されているスプール３０は、磁性パイプ１０の外周に取り付けられている。端子１３０は、電磁コイル３１と電気的に接続されており、ＥＣＵの指示に基づき、電磁コイル３１に駆動電流が供給される。樹脂ハウジング１４０は、磁性パイプ１０および電磁コイル３１の外側を覆っている。

通電することにより励磁される電磁コイル３１、電磁コイル３１が励磁されることによって磁気回路を構成する固定子４０、可動子５０、第１磁性部材１１、ボディ２１、磁性部材１２０、および第２磁性部材１３、ならびに可動子５０を噴孔側方向へ付勢するスプリング１００は、電磁駆動装置を構成している。

電磁コイル３１に駆動電流が供給されていない時、固定子４０と可動子５０との間には磁気吸引力が生じていない。そのため、可動子５０は、スプリング１００の付勢力により固定子４０から離間する方向、すなわち噴孔側方向へ移動している。これにより、可動子５０と一体の弁部材９０の弁閉鎖体９２は、弁座体２２の弁座２３に着座しており、噴孔２４からの燃料の噴射は停止される。

電磁コイル３１に駆動電流が供給されると、電磁コイル３１が励磁され、固定子４０、可動子５０、第１磁性部材１１、ボディ２１、磁性部材１２０、および第２磁性部材１３には、磁気回路が形成される。これにより、固定子４０と可動子との間には磁気吸引力が発生する。固定子４０と可動子５０との間に発生した磁気吸引力がスプリング１００の付勢力よりも大きくなると、可動子５０は、固定子４０に向って移動する。可動子５０は、固定子４０と衝突するまで移動する。そのため、可動子５０と一体の弁部材９０は、図１の上方へ移動する。その結果、弁部材９０の弁閉鎖体９２は、弁座体２２の弁座２３から離座する。

図１において磁性パイプ１０の上方から燃料通路１４に流入する燃料は、フィルタ１５０により異物が除去される。異物が除去された燃料は、燃料通路１４、アジャスティングパイプ１１０の内周側、固定子４０の内周側、および可動子５０の内周側を経由してボディ２１の中空部２５に供給される。中空部２５に供給された燃料は、弁閉鎖体９２が弁座２３から離座すると、弁閉鎖体９２と弁座２３との間に形成される通路を通り噴孔２４へ流れ、噴孔２４から噴射される。

電磁コイル３１への駆動電流の供給が停止されると、固定子４０と可動子５０との間の磁気吸引力は消滅する。そのため、可動子５０は、スプリング１００の付勢力によって再び固定子４０から離間する方向へ移動する。これにより、可動子５０と一体の弁部材９０の弁閉鎖体９２は、弁座体２２の弁座２３に着座し、噴孔２４からの燃料の噴射が停止される。

次に、電磁駆動装置の固定子４０、可動子５０、および隆起部８０を図２に基づいて詳細に説明する。

固定子４０および可動子５０は、磁性材料から形成され、互いに対向して配置されている。可動子５０が固定子４０側に吸引されることにより、固定子４０と可動子５０とは互いに相対する側の端面同士が当接する。図２に示すように、固定子４０の可動子５０側の端面には、固定子端面４１が形成されている。一方、可動子５０の固定子４０側の端面には、可動子端面５１が形成されている。図２では、固定子端面４１と可動子端面５１とが当接している状態を示している。

そして、図２に示すように磁性パイプ１０の内壁には、隆起部８０が形成されている。本実施形態での隆起部８０は、磁性パイプ１０の内壁に対して傾斜した傾斜面としての内壁面８１を有しており、この内壁面８１は、固定子端面４１に近づくほど内径が小さくなるように傾斜している。なお、この隆起部８０は、磁性パイプ１０に対して一体的に形成してもよいし、磁性パイプ１０と隆起部８０とを別々に製造し、その後、磁性パイプ１０に隆起部８０を取り付けて一体としてもよい。磁性パイプ１０に取り付けられた隆起部８０の内壁面８１は、請求項に記載のハウジングの内壁面としての機能を果たす。

可動子５０は、可動子端面５１、上記内壁面８１に対向する外壁面５２、および段部５３が形成されている。外壁面５２は、固定子端面４１から遠ざかるほど可動子５０の外径が大きくなるように傾斜している。段部５３は、スプリング１００を支持するためのものである。この段部５３を介してスプリング１００の付勢力が可動子５０および弁部材９０に伝達されるようになっている。

図２に示すように、固定子端面４１と可動子端面５１とが当接している状態では、隆起部８０の内壁面８１、可動子５０の外壁面５２、および固定子端面４１の一部で囲まれる容積部６０が形成される。この容積部６０は、固定子端面４１から遠ざかるほど互いの距離が近づくような傾斜角度を有する内壁面８１と外壁面５２とを対向させることにより形成されている。さらに、この容積部６０の噴孔側には、可動子５０の全周にわたって所定の距離を有した隙間７０が形成されている。この隙間７０も、隆起部８０の内壁面８１と可動子５０の外壁面５２とを対向させることにより形成されている。隙間７０の距離については、後ほど詳細に説明する。

次に、可動子５０の固定子４０に対するバウンシング抑制の効果を図３に基づいて詳細に説明する。図３（ａ）は、第１の実施形態による燃料噴射弁の閉弁時の動作を示す部分断面図であり、図３（ｂ）は、第１の実施形態による燃料噴射弁の開弁時の動作を示す部分断面図である。

図３（ａ）に示すように、可動子５０が固定子４０から離間している状態、すなわち燃料噴射弁１が閉弁している状態から電磁コイル３１に駆動電流が供給されると、固定子４０と可動子５０との間に発生する磁気吸引力により、可動子５０は、固定子４０に吸引され、移動する。

すると、隆起部８０の内壁面８１と可動子５０の外壁面５２との間に存在している燃料は、これらの面に沿って（図中の矢印）、噴孔側に流出する。特に、内壁面８１の傾斜角度と外壁面５２の傾斜角度は、固定子端面４１から遠ざかるほど、内壁面８１と外壁面５２との距離が小さくなるように定められているため、燃料が噴孔側に流出しやすくなっている。燃料が流出しやすくなると、可動子５０が固定子４０に向かって移動する際、燃料が可動子５０の移動の妨げになることがなくなるので、可動子５０を素早く固定子４０まで移動させることが可能となる。

図３（ｂ）に示すように、可動子５０が固定子４０に当接すると、図２にも示したように、可動子５０と隆起部８０との間には、容積部６０および隙間７０が形成される。可動子５０が固定子４０に当接した直後、可動子５０は、反発力により固定子４０から離れようとする。すると、可動子５０が固定子４０から離間しようとするので、それに伴い容積部６０の容積が拡大する。容積が拡大すると、拡大する容積分の燃料が、隙間７０を介して、容積部６０に流入しようとする。

しかし、隙間７０の距離は、容積部６０の容積の変化量よりも、隙間７０を介して流入しようとする燃料の体積が小さくなるように定められているので、容積部６０内部の圧力は、その外部の圧力よりも一時的に低くなる。このため、可動子５０には、固定子４０に吸い寄せられる力、いわゆるスクイズ効果が働き、可動子５０のバウンシングが抑制される。

これにより、可動子５０のバウンシングが抑制されるので、可動子５０と一体にもうけられている弁部材９０のバウンシングも抑制される。弁部材９０のバウンシングが抑制されると噴孔２４からの燃料噴射量が安定する。

なお、この隙間７０の距離は、可動子５０が固定子４０に当接した時、最も接近するようになっている。これにより、この隙間７０を介して容積部６０内部に流入しようとする燃料を効果的に妨げることが可能となるので、スクイズ効果が得られやすくなる。

このとき、固定子端面４１と可動子端面５１との間も上記隙間７０よりも微小の隙間が形成され、燃料がそこからも流入しようとするが、上記隙間７０の現象と同様に、燃料が容積部６０に流入することが妨げられる。

所定時間経過後、電磁コイル３１への駆動電流の供給が停止されると、固定子４０と可動子５０との間に発生していた磁気吸引力が消滅する。すると、可動子５０は、スプリング１００の付勢力によって再び固定子４０から離間する方向へ移動する。可動子５０のバウンシングが抑制されてから電磁コイル３１への駆動電流の供給が停止されるまでの間、容積部６０には、隙間７０を介して燃料が徐々に流入している。このため、容積部６０内部の圧力は、徐々に上昇し、可動子５０へのスクイズ効果がなくなるほどの圧力となっている。したがって、可動子５０は、妨げられることなく固定子４０から離間することが可能となる。

また、隆起部８０の内壁面８１と可動子５０の外壁面５２とで形成される隙間７０は、可動子５０が固定子４０から離間すると、その距離が広がる。すると、可動子５０から固定子４０の距離が大きくなればなるほど隙間７０から大量の燃料が流入することとなり、可動子５０へのスクイズ効果がなくなり、可動子５０の移動速度が速くなる。

（変形例）
次に、本発明の変形例による燃料噴射弁１について図４に基づいて説明する。図４は、本発明の変形例による燃料噴射弁１の要部を拡大した部分断面図である。なお、第１の実施形態と同一機能物は、同一符号を付して説明を省略する。

変形例の特徴は、図４に示すように隆起部８０が段付き形状となっており、可動子５０の移動方向に対して略平行、および略垂直な内壁面８１を有している点と、その内壁面８１に対向する可動子５０の外壁面５２が形成されているところである。

このように、隆起部８０を段付き形状としても、第１の実施形態の燃料噴射弁１と同様、容積部６０と隙間７０を形成することが可能である。したがって、これによっても可動子５０のバウンシングを抑制するスクイズ効果が望める。

本発明の第１の実施形態による燃料噴射弁を示す断面図である。 図１の範囲Ｉの部分を拡大した部分断面図である。 （ａ）は、第１の実施形態による燃料噴射弁の閉弁時の動作を示す部分断面図であり、（ｂ）は、第１の実施形態による燃料噴射弁の開弁時の動作を示す部分断面図である。 本発明の変形例による燃料噴射弁の要部を拡大した部分断面図である。

符号の説明

１ 燃料噴射弁
１０ 磁性パイプ（ハウジング）
２０ 弁ボディ
２４ 噴孔
３１ 電磁コイル
４０ 固定子
４１ 固定子端面（固定子の可動子側端面）
５０ 可動子
５１ 可動子端面
５２ 外壁面（可動子の外壁面）
６０ 容積部
７０ 隙間
８０ 隆起部
８１ 内壁面（ハウジングの内壁面）
９０ 弁部材

Claims (6)

1. （ａ）略円筒状に形成されているハウジングと、
   （ｂ）前記ハウジングの外壁に設けられている電磁コイルと、
   （ｃ）前記ハウジングの内壁に設けられ、前記電磁コイルへの通電によって磁気吸引力を発生する固定子と、
   （ｄ）その磁気吸引力により前記固定子に吸引される可動子と、
   （ｅ）前記可動子と前記固定子とが、当接した時、前記可動子の外壁面、前記固定子の可動子側端面、および前記可動子の前記外壁面に対向する前記ハウジングの内壁面とで囲まれている容積部とを設け、
   （ｆ）前記容積部の一部に、前記可動子の前記外壁面と、それに対向する前記ハウジングの前記内壁面とで形成され、前記可動子の移動に伴い、当該外壁面と当該内壁面との距離が変化する隙間が形成されていることを特徴とする電磁駆動装置。
2. 前記可動子の前記外壁面に対向する前記ハウジングの前記内壁面には、前記可動子の前記外壁面に向かって隆起している隆起部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電磁駆動装置。
3. 前記隆起部は、前記固定子の前記可動子側端面に近いほど前記ハウジングの内径が小さくなるような傾斜面となっていることを特徴とする請求項２に記載の電磁駆動装置。
4. 前記隆起部は、前記可動子の移動方向に対して略垂直な面を有する段付部となっていることを特徴とする請求項２に記載の電磁駆動装置。
5. 前記隙間の距離は、前記隙間よりも前記固定子の前記可動子側端面に近い方に形成される前記可動子の外壁面と、それに対向する前記ハウジングの前記内壁面との間の距離よりも小さい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駆動装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電磁駆動装置と、
   噴孔が形成されている弁ボディと、
   前記可動子により駆動され、前記噴孔からの燃料の噴射を断続する弁部材とを備えていることを特徴とする燃料噴射弁。

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