JP2006258074A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 開弁応答性を確保しながら液密性能を向上可能な燃料噴射弁を得る。
【解決手段】 燃料噴射弁１において、弁体９に当接する可動体１９と、可動体１９を介して弁体９を閉弁方向に付勢するコイルスプリング２２と、を設け、電磁コイル１５が発生した磁気吸引力によって可動体１９を弁体９から離間させることにより、コイルスプリング２２による弁体９に対する付勢を解除できるようにした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関用の燃料噴射弁に関する。

従来より種々の燃料噴射弁が提案されている。特許文献１は、その一例としての燃料噴射弁を開示する。

特許文献１の燃料噴射弁は、弁座が形成された弁座部材と、弁座に離着座する弁体と、弁体を閉弁方向に付勢する付勢手段と、磁気吸引力を発生させて弁座を離座させる電磁コイルと、を備えており、電磁コイルを通電して弁体を弁座から離座させたときに燃料が噴射される一方、電磁コイルの通電を解除すると、付勢手段によって弁体が弁座に着座して、燃料噴射が停止するようになっている。
特開平１０−１２２０８５号公報

この種の燃料噴射弁では、閉弁状態における弁体と弁座との接触面での液密性能を向上させる方策として、付勢手段の付勢力（コイルスプリングのセット荷重）を増大させて、当該接触面における接触面圧を増大することが考えられる。

しかしながら、接触面圧を増大させるべく、付勢手段の付勢力を大きくすると、弁体の開弁応答性が悪化し、その対策として磁気吸引力の大きい電磁コイルを装着すると、燃料噴射弁が大型化するという問題が生じてしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、開弁応答性を確保しながら液密性能を向上可能な燃料噴射弁を得ることにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、燃料噴射弁において、弁体に当接する可動体と、可動体を介して弁体を閉弁方向に付勢する第二の付勢手段と、を設け、電磁コイルが発生した磁気吸引力によって弁体から可動体を離間させることにより、第二の付勢手段による弁体に対する付勢を解除できるようにしたことを趣旨とする。

また、請求項２の発明は、上記請求項１の発明において、弁体が離座する前に、電磁コイルが発生した磁気吸引力によって可動体を弁体から離間させて、第二の付勢手段による弁体に対する付勢が解除されるようにしたものである。

また、請求項３の発明は、上記請求項２の発明において、通電開始からの時間ｔにおける電磁コイルから弁体に作用する磁気吸引力の大きさをＦ１（ｔ）、通電開始からの時間ｔにおける電磁コイルから可動体に作用する磁気吸引力の大きさをＦ２（ｔ）、第一の付勢手段による弁体に作用する付勢力の大きさをＦｓ１、第二の付勢手段から可動体に作用する付勢力の大きさをＦｓ２としたとき、少なくとも通電開始（ｔ＝０）からＦ２（ｔ）が増大してＦ２（ｔ）−Ｆｓ２＝０となるまでの間は、Ｆ２（ｔ）−Ｆｓ２＞Ｆ１（ｔ）−Ｆｓ１となるようにしたものである。

請求項１の発明によれば、第二の付勢手段によって弁体への閉弁方向の付勢力を増大させることができ、その分、弁体と弁座との接触面における接触面圧を増大させて、液密性能を向上させることができる。さらに、電磁コイルによる磁気吸引力によって弁体から可動体を離間させることにより、第二の付勢手段による弁体に対する付勢を解除できるようにしたため、付勢手段の付勢力を増大させた場合に比べて、開弁応答性を大幅に向上することができる。

請求項２の発明によれば、弁体が離座する前に、第二の付勢手段による付勢を解除して弁体に作用する付勢力を減らすことができるため、弁体をより迅速に離座させることができる。

請求項３の発明によれば、少なくとも通電開始から、Ｆ２（ｔ）−Ｆｓ２が０となって、可動体が弁体から離間するまでの間は、Ｆ１（ｔ）−Ｆｓ１が、Ｆ２（ｔ）−Ｆｓ２より小さくなるように構成することで、弁体が離座する前に可動体を弁体から離間させることができるため、弁体をより迅速に離座させることができる。

以下、本発明を具現化した実施形態について図面を参照して説明する。ここでは、内燃機関に用いられる燃料噴射弁を例示する。図１は、本発明の実施形態にかかる燃料噴射弁の断面図（軸方向に沿った断面の図）、図２は、燃料噴射弁のコア筒より先端側の部分を拡大した断面図であって、弁体が着座し、かつ可動体が弁体に当接した状態を示す図、図３は、燃料噴射弁のコア筒より先端側の部分を拡大した断面図であって、弁体が着座し、かつ可動体が弁体から離間した状態を示す図、図４は、燃料噴射弁のコア筒より先端側の部分を拡大した断面図であって、弁体が離座し、かつ可動体が弁体から離間した状態を示す図である。

本実施形態にかかる燃料噴射弁１は、燃料配管に設けられたボス部（いずれも図示せず）に接続され、燃料配管内を流れる燃料を内燃機関内（吸気ポートやシリンダ内等）に噴射するものである。

燃料噴射弁１は、本体部として、ケーシング２や、磁性筒体３、コア筒５、ヨーク１３、樹脂カバー１６等を含んでいる。

このうち、磁性筒体３は、例えば、磁性を有するステンレス材料等の素材に深絞り加工等のプレス加工を施すことにより、段差を有する薄肉の金属管として形成される。本実施形態では、磁性筒体３の軸方向の一端側には大径部３ａが、また他端側にはより小径の小径部３ｂが、それぞれ形成されており、大径部３ａの端部が燃料配管のボス部内に挿入された状態で、磁性筒体３が燃料配管に接続されるようになっている。

この磁性筒体３（大径部３ａ）の入口側の外周面には、磁性筒体３と燃料配管のボス部との間の液密を確保するＯリング１８が外装される。

また、磁性筒体３の入口側（上流側）の開口部には、フィルタ２１が装着される。フィルタ２１は、磁性筒体３の大径部３ａ内に圧入される筒状の芯金２１ａと、磁性筒体３よりも軟質な樹脂材料、例えばナイロン、フッ素樹脂等を用いて芯金２１ａと一体に形成（射出成形）されたフレーム２１ｂと、当該フレーム２１ｂに取付けられて燃料を透過させるメッシュ２１ｃとによって大略構成されている。

そして、磁性筒体３の内側には、コア筒５が嵌挿される。コア筒５は、弁体９のアンカ部１０、ヨーク１３と共に電磁コイル１５による閉磁路を形成するとともに、弁体９の開弁位置ならびに可動体１９の弁体９に対する離間位置を規定するものである。本実施形態では、コア筒５は、磁性筒体３の小径部３ｂ内に圧入して取付けられている。

また、磁性筒体３の下流側端部には、筒状の弁座部材７が配設される。この弁座部材７には、弁部１１が挿入される断面略円形の凹部７ａと、弁部１１を着座させるとともに開弁時には当該弁部１１を取り囲んで環状の燃料流路を形成する弁座７ｂと、燃料通路４内の燃料を噴射する噴射口７ｃとが形成される。本実施形態では、小径部３ｂ内に圧入した磁性筒体３の外周側を当該小径部３ｂに全周に亘って溶接することで、弁座部材７が当該磁性筒体３の下流側端部に固定されている。また、弁座部材７の先端面の噴射口７ｃを覆う位置には、ノズルプレート８が例えば溶接によって固定されており、このノズルプレート８に設けられた噴射孔（図示せず）から所定の位置あるいは方向に燃料を噴出できるようにしてある。

コア筒５と弁座部材７との間には、磁性筒体３の小径部３ｂ内で軸方向に変位可能な弁体９が収容される。本実施形態では、弁体９を、磁性金属材料により軸方向に延びる段付筒状に形成されたアンカ部１０と、アンカ部１０の先端部に固着されて弁座部材７の弁座７ｂに離着座する球状の弁部１１とを備える構成としている。

この弁体９に閉弁方向の付勢力を与える付勢手段として、コイルスプリング１２が設けられている。本実施形態では、コイルスプリング１２の上側を、コア筒５に形成された下方に開放する円環状の凹部５ｂ内に挿入する一方、コイルスプリング１２の下端部を、弁体９のアンカ部１０の上部に形成された凹部１０ａ内に挿入している。そして、このコイルスプリング１２を、凹部５ｂの底面５ｈとアンカ部１０の凹部１０ａの底面１０ｂとの間に狭持して、軸方向に伸びる方向の弾性力を発生させる圧縮バネとして機能させ、弁体９に対し、コア筒５から離間する方向、すなわち閉弁方向（各図では下方向）に付勢力を作用させている。

また、コア筒５と弁体９との間には、コイルスプリング１２内で軸方向に変位可能な可動体１９が収容される。本実施形態では、可動体１９を、略円筒状に形成し、断面略円形の凹部１９ａを下側に向けてアンカ部１０の底面１０ｂ上に伏せる姿勢で、コイルスプリング１２の内側に収容している。

そして、この可動体１９を弁体９に押し付け、弁体９に閉弁方向の付勢力を与える第二の付勢手段として、コイルスプリング２２が設けられている。本実施形態では、コア筒５の凹部５ｂの内側の円柱部５ｃの下端部に、その上部より径が細い小径部５ｄを形成し、その小径部５ｄに、コイルスプリング２２を外装している。このとき、円柱部５ｃには、コイルスプリング１２が外装されているため、コイルスプリング２２は、コイルスプリング１２の内側に収容されることになる。よって、これらコイルスプリング１２，２２が相互に干渉しないよう、径方向に所定の間隙をあけて配置している。そして、このコイルスプリング２２を、小径部５ｄの上端の棚面５ｅと、可動体１９の上面１９ｅとの間に狭持して、軸方向に伸びる弾性力を発生させる圧縮バネとして機能させ、可動体１９に対し、コア筒５から離間する方向、すなわち弁体９の閉弁方向に付勢力を作用させ、もって、可動体１９を介して弁体９に対して閉弁方向に付勢力を作用させている。

なお、コア筒５の円柱部５ｃには、上下に貫通する貫通穴５ｇを設ける一方、可動体１９には、当該貫通穴５ｇの軸線に沿って可動体１９の上面１９ｅと凹部１９ａとを連通する貫通穴１９ｆや、凹部１９ａの周壁（側壁）１９ｂを貫通する貫通穴１９ｃを設け、可動体１９の位置によらず、燃料の通路を確保できるようにしている。

磁性筒体３の外周側には、段付筒状に形成されたヨーク１３が設けられている。本実施形態では、ヨーク１３を、磁性筒体３の小径部３ｂの外周側に圧入して固着している。また、ヨーク１３と磁性筒体３の小径部３ｂとの間は、連結コア１４が設けられている。本実施形態では、連結コア１４を、小径部３ｂの外周側を取囲む略Ｃ字状の磁性体として形成している。

磁性筒体３とヨーク１３との間には、電磁コイル１５が設けられる。本実施形態では、電磁コイル１５を、樹脂材料により形成された筒状のコイルボビン１５ａと、該コイルボビン１５ａに巻装されたコイル１５ｂとを有するものとし、コイルボビン１５ａを磁性筒体３の小径部３ｂに外装させている。なお、電磁コイル１５は、コネクタ１７のピン２０および樹脂カバー１６内に形成される導電経路を介して通電される。

樹脂カバー１６は、磁性筒体３の外周側に設けられる。この樹脂カバー１６は、例えば、磁性筒体３の外周側に、ヨーク１３や、連結コア１４、電磁コイル１５等を組付けた状態で射出成形することによって形成することができる。なお、樹脂カバー１６とコネクタ１７は一体成形されている。

以上の構成を備える燃料噴射弁１において、弁体９には付勢手段としてのコイルスプリング１２から閉弁方向の付勢力が作用しており、電磁コイル１５が通電されない状態では、弁部１１が弁座７ｂに着座した状態が維持される（閉弁状態；図１および図２）。このとき、アンカ部１０とコア筒５との間には、軸方向の隙間δ１が形成される。

また、可動体１９には第二の付勢手段としてのコイルスプリング２２から閉弁方向の付勢力が作用しており、電磁コイル１５が通電されない状態では、可動体１９がアンカ部１０の凹部１０ａの底面１９ｄに当接した状態が維持される（当接状態；図１および図２）。この状態で、コイルスプリング２２は、可動体１９を介して弁体９を付勢していることになる。なお、可動体１９の上面１９ｅとコア筒５の下端面５ｆとの間には、軸方向の隙間δ２が形成される。

電磁コイル１５が通電されると、コア筒５（の円柱部５ｃ）、可動体１９、アンカ部１０、およびヨーク１３等によって閉磁路が形成され、これにより、可動体１９には、コア筒５に近接する方向（開弁方向；各図では上方向）の磁力が作用する。ここで、この磁力（吸着力）は、コイルスプリング２２の付勢力（セット荷重）より大きくなるように設定してあるため、電磁コイル１５が通電されると、可動体１９がコア筒５に引き寄せられて、弁体９から離間する（離間状態；図３）。

また、電磁コイル１５が通電されると、コア筒５（の周壁部５ｉ）、アンカ部１０、およびヨーク１３等によって閉磁路が形成され、これにより、アンカ部１０にはコア筒５に近接する方向の磁力が作用する。ここで、この磁力（吸着力）は、コイルスプリング１２の付勢力より大きくなるように設定してあるため、電磁コイル１５が通電されると、弁体９がコア筒５に引き寄せられ、弁部１１が弁座７ｂから離座する（開弁状態；図４）。

この開弁状態において、燃料は、磁性筒体３およびコア筒５内の燃料通路４を流下した後、コア筒５内の貫通穴５ｇ、および可動体１９内の貫通穴１９ｆ，１９ｃや凹部１９ａ等を経由して、アンカ部１０の凹部１０ａ内に流入し、さらにその奥の凹部１０ｃ、およびその側壁に形成された開口窓部９ａを経由して弁体９の背圧室６に流入する。さらに、燃料は、背圧室６から、開弁時に弁部１１と弁座部材７の凹部との間に形成される隙間、ならびに弁部１１と弁座７ｂとの間に形成される隙間を経由して、噴射口７ｃに至り、ノズルプレート８の噴射孔（図示せず）から噴射される。

ここで、電磁コイル１５に通電した後の弁体９および可動体１９の動作について説明する。今、通電開始からの時間ｔにおける電磁コイル１５から弁体９に作用する磁気吸引力の大きさをＦ１（ｔ）、通電開始からの時間ｔにおける電磁コイル１５から可動体１９に作用する磁気吸引力の大きさをＦ２（ｔ）、コイルスプリング１２による弁体９に作用するセット荷重の大きさをＦｓ１、コイルスプリング２２から可動体１９に作用するセット荷重の大きさをＦｓ２とする。

まず、可動体１９については、当接状態において、Ｆｓ２＞Ｆ２（ｔ）＝０となっており、通電開始から時間ｔの経過とともにＦ２（ｔ）が増大し、これに伴ってＦ２（ｔ）−Ｆｓ２も増大して、Ｆ２（ｔ）＝Ｆｓ２（すなわち、Ｆ２（ｔ）−Ｆｓ２＝０）となった時点で、可動体１９が弁体９から離間する。

一方、弁体９については、閉弁状態において、Ｆｓ１＞Ｆ１（ｔ）＝０となっており、通電開始から時間ｔの経過とともにＦ１（ｔ）が増大し、これに伴ってＦ１（ｔ）−Ｆｓ１も増大する。

ここで、本実施形態では、例えば、コイルスプリング１２，２２のスペックや、隙間δ１，δ２、可動体１９とコア筒５とが対向する部分の面積、弁体９とコア筒５が対向する部分の面積等を適宜に設定することで、少なくとも通電開始（ｔ＝０）からＦ２（ｔ）が増大してＦ２（ｔ）−Ｆｓ２＝０となるまでの間は、Ｆ２（ｔ）−Ｆｓ２＞Ｆ１（ｔ）−Ｆｓ１となるようにしている。かかる設定は、例えば、δ２＜δ１としたり、Ｆｓ２＜Ｆｓ１としたりすることで具現化することができる。

そして、かかる設定によれば、弁体９が離座するよりも早くＦ２（ｔ）−Ｆｓ２＝０となって可動体１９が弁体９から離間する。すなわち、可動体１９が弁体９から離間した状態を考えると、弁体９に作用する開弁方向の力の大きさはＦ１（ｔ）−Ｆｓ１となるが、上記設定によれば、Ｆ２（ｔ）−Ｆｓ２＝０となった時点で、Ｆ１（ｔ）−Ｆｓ１はＦ２（ｔ）−Ｆｓ２＝０より小さく、負の値となる。つまり、この時点では、弁体９に作用する開弁方向の力は負の値であって、弁体９は離座できないことになる。したがって、本実施形態によれば、弁体９が離座する前に、可動体１９を弁体９から離間させて、コイルスプリング２２から弁体９に作用する付勢力を解除し（図３）、それ以降は、コイルスプリング２２からの付勢が解除された分、弁体９に対する閉弁方向の付勢力が減るため、より迅速に弁体９を吸引して離座させることができる（図４）。よって、液密を向上すべく単純にコイルスプリング１２の付勢力を増大させた場合に比べて、開弁応答性を大幅に向上させることができる。

また、本実施形態では、Ｆｓ１＞Ｆｓ２、すなわち、コイルスプリング１２によるセット荷重をコイルスプリング２２によるセット荷重より大きくしている。こうすることで、コイルスプリング２２による可動体１９に対する閉弁方向の付勢力より、コイルスプリング１２による弁体９に対する閉弁方向の付勢力を大きくして、電磁コイル１５による磁気吸引力が解除されたときに、より迅速に弁体９を閉弁させることができ、閉弁応答性を向上することができる。

なお、上記構成では、通電開始（ｔ＝０）からＦ２（ｔ）が増大してＦ２（ｔ）−Ｆｓ２＝０となるまでの間は、弁体９は離座しないのであるから、この間、Ｆｓ１＋Ｆｓ２−Ｆ２（ｔ）＞Ｆ１（ｔ）となっていることは言うまでもない。また、上記構成では、可動体１９が弁体９から離間するのとほぼ同時に弁体９が離座するような設定も可能である。

以上の本実施形態によれば、コイルスプリング２２によって弁体９への閉弁方向の付勢力を増大させることができ、その分、弁体９と弁座７ｂとの接触面における接触面圧を増大させて、液密性能を向上させることができる。さらに、電磁コイル１５による磁気吸引力によって弁体９から可動体１９を離間させることにより、コイルスプリング２２による弁体９に対する付勢を解除できるようにしたため、コイルスプリング１２の付勢力を増大させた場合に比べて、開弁応答性を大幅に向上することができる。

また、本実施形態によれば、弁体９が離座する前に、コイルスプリング２２による付勢を解除して弁体９に作用する付勢力を減らすことができるため、弁体９をより迅速に離座させることができる。

また、本実施形態によれば、少なくとも通電開始から、Ｆ２（ｔ）−Ｆｓ２が０となって、可動体１９が弁体９から離間するまでの間は、Ｆ１（ｔ）−Ｆｓ１が、Ｆ２（ｔ）−Ｆｓ２より小さくなるように構成することで、弁体９が離座する前に可動体１９を弁体９から離間させることができるため、弁体９をより迅速に離座させることができる。

また、本実施形態によれば、コイルスプリング１２によるセット荷重をコイルスプリング２２によるセット荷重より大きくしたため（Ｆｓ１＞Ｆｓ２）、コイルスプリング２２による可動体１９に対する閉弁方向の付勢力より、コイルスプリング１２による弁体９に対する閉弁方向の付勢力を大きくすることができ、電磁コイル１５による磁気吸引力が解除されたときに、より迅速に弁体９を閉弁させ、閉弁応答性を向上することができる。また、Ｆｓ１＞Ｆｓ２とすることで、Ｆ２（ｔ）−Ｆｓ２＞Ｆ１（ｔ）−Ｆｓ１をより容易に実現でき、開弁応答性を向上する構成を得やすくなるという利点もある。

また、本実施形態によれば、二つのコイルスプリング１２，２２を二重に配置したり、弁体９の上部に設けた凹部１０ａ内（さらにコイルスプリング１２の内側）に可動体１９を収容したりすることで、装置構成が大型化するのを抑制している。

また、本実施形態によれば、コア筒５に円柱部５ｃと周壁部５ｉとを設け、その間の円管状の凹部５ｂ内にコイルスプリング１２を挿入し、円柱部５ｃの先端側を細くして小径部５ｄを形成し、その小径部５ｄにコイルスプリング２２を外装したため、コイルスプリング１２，２２を保持し、かつ弁体９および可動体１９の双方に磁気吸引力を発生させうる構造を、比較的簡素な構成として具現化することができる。

なお、本発明は、次のような別の実施形態に具現化することができる。以下の別の実施形態でも上記実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。

（１）コイルスプリングや弁体、可動体の形状ならびに材質、隙間等のスペックとしては、上記実施形態に開示したもの以外にも、種々の組み合わせが考えられる。

（２）コア筒の内側に別の磁性体を嵌挿するなど、上記実施形態で開示した以外の構成によっても、同様の効果を奏しうる。

（３）本発明は燃圧に応じたスペックで実現可能である。

また、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術思想について、以下にその効果と共に記載する。

（イ）請求項３に記載の燃料噴射弁では、Ｆｓ１＞Ｆｓ２とするのが好適である。

こうすれば、閉弁応答性を向上させることができる上、開弁応答性も向上させやすくなる。

（ロ）請求項１〜３に記載の燃料噴射弁では、コア筒によって付勢手段および第二の付勢手段の固定側端部を保持するのが好適である。

こうすれば、コア筒を所定位置に装着することで、弁体および可動体の双方に所期の付勢力を与える構成を得ることができる。

本発明の実施形態にかかる燃料噴射弁の断面図（軸方向に沿った断面の図）。 本発明の実施形態にかかる燃料噴射弁のコア筒より先端側の部分を拡大した断面図であって、弁体が着座し、かつ可動体が弁体に当接した状態を示す図。 本発明の実施形態にかかる燃料噴射弁のコア筒より先端側の部分を拡大した断面図であって、弁体が着座し、かつ可動体が弁体から離間した状態を示す図。 本発明の実施形態にかかる燃料噴射弁のコア筒より先端側の部分を拡大した断面図であって、弁体が離座し、かつ可動体が弁体から離間した状態を示す図。

符号の説明

１ 燃料噴射弁
７ 弁座部材
７ｂ 弁座
９ 弁体
１２ コイルスプリング（付勢手段）
１５ 電磁コイル
１９ 可動体
２２ コイルスプリング（第二の付勢手段）

Claims (3)

1. 弁座が形成された弁座部材と、
   前記弁座に離着座する弁体と、
   前記弁体を閉弁方向に付勢する付勢手段と、
   磁気吸引力を発生させて前記弁体を離座させる電磁コイルと、
   を備えた燃料噴射弁において、
   前記弁体に当接する可動体と、
   前記可動体を介して前記弁体を閉弁方向に付勢する第二の付勢手段と、
   を設け、前記電磁コイルが発生した磁気吸引力によって前記可動体を弁体から離間させることにより、前記第二の付勢手段による弁体に対する付勢を解除できるように構成したことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記弁体が離座する前に、前記電磁コイルが発生した磁気吸引力によって前記可動体を弁体から離間させて、前記第二の付勢手段による弁体に対する付勢が解除されるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 通電開始からの時間ｔにおける電磁コイルから弁体に作用する磁気吸引力の大きさをＦ１（ｔ）、通電開始からの時間ｔにおける電磁コイルから可動体に作用する磁気吸引力の大きさをＦ２（ｔ）、前記付勢手段による弁体に作用する付勢力の大きさをＦｓ１、前記第二の付勢手段から可動体に作用する付勢力の大きさをＦｓ２としたとき、少なくとも通電開始（ｔ＝０）からＦ２（ｔ）が増大してＦ２（ｔ）−Ｆｓ２＝０となるまでの間は、
   Ｆ２（ｔ）−Ｆｓ２＞Ｆ１（ｔ）−Ｆｓ１
   となるように構成したことを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射弁。

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