JP2006307870A - 燃料ポンプ用電磁弁 - Google Patents

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Abstract

【課題】 高耐久性と高応答性とを両立する燃料ポンプ用電磁弁を提供する。
【解決手段】 内周側に燃料溜り22を形成するボディ12と、ボディ12に固定される固定コア30と、固定コア30に対向してボディ12の内周側に配置される可動コア40と、ボディ12の内周面28,29と可動コア40の外周面43との間に形成され燃料溜り22の燃料が流入出するサイドギャップ44と、固定コア30の可動コア側端面35と可動コア40の固定コア側端面41との間に形成されサイドギャップ44により燃料の流入出が絞られるコアギャップ42と、ボディ12、サイドギャップ44、可動コア40、コアギャップ42及び固定コア30を通過する磁束を発生するコイル82を設ける。そして、固定コア30の可動コア側端面35及び可動コア40の固定コア側端面41の少なくとも一方に、表面硬度を高める機械的表面処理を施す。
【選択図】 図1

Description

本発明は、燃料ポンプに用いられる電磁弁に関する。
従来、例えば高圧燃料ポンプの燃料調量に好適な電磁弁として、特許文献1に開示されるような電磁弁が開発されている。この特許文献1の電磁弁では、燃料溜りを形成する部材の内周面と可動コアの外周面との間に、燃料溜りの燃料が流入出するサイドギャップを形成し、固定コアの可動コア側端面と可動コアの固定コア側端面との間に、サイドギャップによって燃料の流入出が絞られるコアギャップを形成している。そして、特許文献1の電磁弁では、ボディ、サイドギャップ、可動コア、コアギャップ及び固定コアを通過する磁束をコイルにより発生させることにより、可動コアを弁部材と共に駆動している。
特開2001−304446号公報
上記特許文献1の電磁弁では、図13(A)に示すようにコアギャップ1への燃料流入出がサイドギャップ2により絞られているため、固定コア3に対して最接近状態にある可動コア4が離間方向へ移動を開始すると、コアギャップ1内の燃料が減圧される。この減圧により燃料の内圧が飽和蒸気圧以下になると、図13(B)に示すようにキャビテーション5が発生する。そして、可動コア4の離間方向への移動がさらに進むと、図13(C)に示すようにキャビテーション5が崩壊するが、この崩壊に伴って固定コア3の可動コア側端面6や可動コア4の固定コア側端面7に疲労破壊が生じる。このような疲労破壊は一般にエロージョンと呼ばれ、電磁弁の吸引力を低下させるものであるため、発生を抑制する必要がある。尚、コアギャップ1やサイドギャップ2を大きく形成することによりキャビテーション5の発生、ひいてはエロージョンの発生を抑制することが可能であるものの、この場合には、各ギャップ1,2を通過する磁束密度の減少を招いてしまうため、電磁弁の応答性を高めることができなくなる。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、高耐久性と高応答性とを両立する燃料ポンプ用電磁弁を提供することにある。
請求項1に記載の発明によると、固定コアの可動コア側端面及び可動コアの固定コア側端面の少なくとも一方には、表面硬度を高める機械的表面処理が施されているので、当該少なくとも一方の端面は疲労破壊し難い。故に、固定コアの可動コア側端面と可動コアの固定コア側端面との間に形成されるコアギャップ内においてサイドギャップの絞り作用に起因するキャビテーションが発生したとしても、機械的表面処理が施された端面にエロージョンがキャビテーションの崩壊に伴って発生することを抑制できる。しかも、このエロージョンの発生抑制効果は、コアギャップ及びサイドギャップを大きくしなくても得ることができるので、電磁弁の応答性を低下させることもない。以上、請求項1に記載の発明によれば、高耐久性と高応答性とを両立することができる。
請求項2に記載の発明によると、固定コアの可動コア側端面及び可動コアの固定コア側端面の少なくとも一方には、熱処理並びに当該熱処理後の表面硬度を高める機械的表面処理が施されているので、それら端面の表面硬度を十分に高めることができる。それ故、電磁弁の耐久性がより一層高められるのである。
尚、請求項1,2に記載の発明において「表面硬度を高める機械的表面処理」とは、表面状態を機械的に改質する処理のうち表面硬化作用が得られるものであり、例えば請求項5に記載の発明の如きバレル研磨処理や、請求項6に記載の発明の如きショットブラスト処理等である。
請求項3に記載の発明によると、固定コア及び可動コアの少なくとも一方には、その表面全体に機械的表面処理が施されている。したがって、例えばバレル研磨処理やショットブラスト処理により多数のコアを一挙に表面処理することによって、コストアップを抑えることができる。
請求項4に記載の発明によると、固定コア及び可動コアの双方に、機械的表面処理が施されているので、それら各コアの端面にエロージョンが発生することを抑制して電磁弁の耐久性をより一層高めることができる。
請求項7に記載の発明によると、固定コアの可動コア側端面と可動コアの固定コア側端面との間に形成されるコアギャップの間隔は外周側へ向かうほど増大している。これにより、固定コアに対して最接近状態にある可動コアが離間方向へ移動を開始したときには、サイドギャップからコアギャップへ燃料が流入し易くなるため、コアギャップにおける減圧、ひいてはエロージョンを招来するキャビテーションの発生自体を抑制することができる。しかも、このキャビテーションの発生抑制効果を得る上では、例えばコアギャップの平均間隔を従来と同様に設定することができ、またサイドギャップを大きくする必要がないので、電磁弁の応答性の低下を抑制することも可能になる。以上、請求項7に記載の発明によれば、高耐久性と高応答性とを両立することができる。
請求項8に記載の発明によると、固定コアの可動コア側端面及び可動コアの固定コア側端面の少なくとも一方である特定端面はテーパ面状に形成されているので、外周側へ向かうほど間隔が増大するコアギャップを簡素な構成により実現することができる。
請求項9に記載の発明によると、固定コアの可動コア側端面及び可動コアの固定コア側端面の少なくとも一方である特定端面は、階段面状に形成されているので、外周側へ向かうほど間隔が増大するコアギャップを簡素な構成により実現することができる。
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。
(第一実施形態)
図2は、本発明の第一実施形態による電磁弁10を示している。電磁弁10は、例えばガソリン気筒内直接噴射エンジンへ燃料を供給する高圧燃料ポンプに用いられ、燃料を調量する燃料調量弁として機能する。この燃料ポンプ用の電磁弁10は、駆動側ボディ12、固定コア30、可動コア40、弁側ボディ50、弁部材60、コイルスプリング70、電磁駆動部80を備えている。
駆動側ボディ12は、ステンレス鋼等からなる磁性部材14,16と、非磁性部材18とを組み合わせて形成されている。第一磁性部材14は、通路形成部20及びフランジ部21を有している。通路形成部20は円筒状であり、内周側に燃料溜り22を形成している。フランジ部21は、通路形成部20の外周面から径方向外側へ突出する厚肉板状である。第二磁性部材16は、円板部24及び脚部25を有している。円板部24の中央部には、それを板厚方向へ貫通する固定孔26が円筒孔状に形成されている。脚部25は円板部24の外周縁の一部に沿う断面円弧状であり、フランジ部21に対して略平行に配置された円板部24からフランジ部21側へ延伸している。この脚部25の延伸側先端面はフランジ部21の端面に当接している。非磁性部材18は、内径が通路形成部20の内径よりも僅かに小さい円筒状であり、通路形成部20と固定コア30の大径部33との間に同軸上に挟持されている。これにより非磁性部材18は、第一磁性部材14と固定コア30との間で磁束が短絡することを防止する。
固定コア30及び可動コア40はステンレス鋼等からなり、磁性部材14,16と共に磁気回路を構成している。
固定コア30は、軸方向の一端部側から他端部側へ向かって順に第一小径部32、大径部33、第二小径部34を有している。有底円筒状の第一小径部32及び円柱状の大径部33は第二磁性部材16内に配置され、特に第一小径部32は非磁性部材18の内周側に同軸上に嵌合している。円柱状の第二小径部34は第二磁性部材16の固定孔26に嵌合固定されている。
可動コア40は円筒状であり、通路形成部20及び非磁性部材18の内周側に固定コア30と同軸上に配置されて軸方向へ往復移動可能となっている。図1に示すように可動コア40の一端面41は、固定コア30の第一小径部32の開口側端面35に対して、コアギャップ42を挟んで対向している。ここでコアギャップ42は、可動コア40が固定コア30に対して最接近した状態でも確保されるようになっている。また、第一実施形態では、コア40,30の端面41,35が互いに平行な平坦面状に形成されており、それによってコアギャップ42の軸方向における間隔が径方向及び周方向の全域で略一定となっている。
可動コア40の外周面43と通路形成部20及び非磁性部材18の内周面28,29との間には、燃料溜り22の燃料が流入出するサイドギャップ44が形成されている。ここでサイドギャップ44は、可動コア40の周方向全域へ延びる断面円環状であり、コアギャップ42の外周縁に連通している。また、サイドギャップ44は、固定コア30に対して可動コア40が離間方向へ移動するときに変化するコアギャップ42の体積についての時間変化量(すなわち時間微分値)よりも十分に小さな断面積を有している。したがって、第一実施形態では、コアギャップ42への燃料の流入出がサイドギャップ44により絞られることとなる。
図2に示すように弁側ボディ50は全体として円筒状であり、内周側に燃料通路51を形成している。弁側ボディ50は通路形成部20に同軸上に装着されており、それによって燃料通路51が燃料溜り22と連通している。弁側ボディ50において通路形成部20とは反対側の端部には、燃料通路51に連通する燃料流入口52が形成されている。弁側ボディ50において軸方向の中間部には、燃料通路51に連通する燃料流出口53が形成されている。さらにまた、弁側ボディ50において燃料流入口52と燃料流出口53との間には、弁部材60が離着座可能な弁座54が形成されている。
弁部材60は一端部側において可動コア40に装着されており、通路形成部20及び弁側ボディ50の内周側に同軸上に配置されて可動コア40と共に軸方向移動可能となっている。弁部材60の可動コア40とは反対側の端部には、弁座54に対して離着座可能なシート部62が形成されている。したがって、弁部材60のシート部62が弁座54から離座するときには燃料流入口52と燃料流出口53とが連通し、一方、シート部62が弁座54に着座するときには燃料流入口52と燃料流出口53との連通が遮断される。
コイルスプリング70は、固定コア30と可動コア40との間に介装されている。したがって、このコイルスプリング70の付勢力は、可動コア40を固定コア30から離間させると共に弁座54からシート部62を離座させる方向(図2の下方)へ作用することとなる。
電磁駆動部80は、ボビン81、コイル82、樹脂カバー83及びターミナル84を有している。ボビン81は、非磁性部材18及びコア30,40の外周側に配置されており、コイル82が当該ボビン81に巻装されている。ボビン81及びコイル82は樹脂カバー83によって覆われており、ターミナル84が当該樹脂カバー83に埋設されている。ターミナル84はコイル82と電気接続されており、外部電源からの電力は当該ターミナル84を通じてコイル82へ供給される。
したがって、コイル82が通電されるときには、磁性部材14,16、サイドギャップ44、可動コア40、コアギャップ42及び固定コア30を通過する磁束が発生し、それによって可動コア40がコイルスプリング70の付勢力に抗して固定コア30側へと吸引される。その結果、シート部62が弁座54に着座するため、燃料流入口52から燃料流出口53への燃料流れが発生しない。一方、コイル82への通電が遮断されるときには、上記磁束が消滅するため、コイルスプリング70の付勢力によって可動コア40が固定コア30からの離間方向へ移動してシート部62が弁座54から離座させられる。その結果、燃料流入口52から燃料流出口53への燃料流れが発生する。
さて、上述したように第一実施形態では、コアギャップ42の間隔が略一定であると共に、コアギャップ42への燃料の流入出がサイドギャップ44により絞られるようになっている。そのため、固定コア30に対して最接近状態にある可動コア40がコイル82への通電遮断に伴って離間方向へ移動を開始するときには、コアギャップ42内の燃料が減圧されてキャビテーションが発生する。そこで第一実施形態では、固定コア30の可動コア側端面35と可動コア40の固定コア側端面41とに所定の処理を施すことによって、それら端面35,41の表面硬度を高めている。以下では、かかる処理を含むコア30,40の製造方法について図3のフローチャートに基づき説明する。
まず、ステップS101では、コア30,40を切削加工により形成する。
次に、ステップS102では熱処理として、コア30,40を焼なましする。
続いて、ステップS102では機械的表面処理として、バレル研磨処理又はショットブラスト処理を実施する。バレル研磨処理では、例えば図4(a)の如く複数のポット1を自転且つ公転可能に設けた研磨装置2を用い、図4(b)の如く複数の研磨対象コア30,40(同図は固定コア30の例)を水、砥粒等からなる研磨液3及び適量の砥石4と共に各ポット1内に入れ、遠心力を利用してコア30,40を研磨する。また、ショットブラスト処理では、例えば図5の如く鉛直軸に対する傾斜軸5周りに回転可能にポット6を設けたショットブラスト機7を用い、ポット内6に入れた研磨対象コア30,40(同図は固定コア30の例)へノズル8から研磨材9を吹き付けながら、遠心力を利用してコア30,40を研磨する。尚、こうしたバレル研磨処理又はショットブラスト処理による機械的表面処理は、例えばコア30,40の素材がステンレス鋼である場合、コア30,40の端面35,41を含む表面の硬度が180Hv以上、望ましくは200Hv以上となるように実施される。
このように第一実施形態では、ステップS102の実行によりコア30,40の端面35,41を含む表面全体の硬度がステップS102の実行前よりも高められ、さらにステップS103の実行によりコア30,40の表面全体の硬度がステップS102の実行前よりも高められる。故にコア30,40の表面は、疲労破壊し難い状態となる。したがって、固定コア30に対して最接近状態にある可動コア40が離間方向へ移動を開始するとき(以下、コア離間開始時という)にキャビテーションが発生したとしても、当該キャビテーションの崩壊によりコア30,40の端面35,41にエロージョンが発生することを抑制できる。このエロージョンの発生抑制効果については、図6に示すように、コア30,40の端面35,41の表面硬度が高くなるほど端面35,41の全面積に対するエロージョン発生部位の面積の割合が小さくなることからも明らかである。
したがって、第一実施形態によれば、ギャップ42,44の間隔を増大しないで、例えば従来の電磁弁と同一間隔に設定したとしても、コア30,40の端面35,41にはエロージョンが発生し難い。それ故に、電磁弁10の耐久性と応答性とを共に高めることができるのである。
以上、第一実施形態では、駆動側ボディ12が特許請求の範囲に記載の「ボディ」に相当し、駆動側ボディ12を構成する通路形成部20及び非磁性部材18の内周面28,29が特許請求の範囲に記載の「ボディの内周面」に相当する。
尚、第一実施形態では、ステップS102の熱処理を実施しないようにしてもよい。また、第一実施形態では、ステップS102の熱処理及びステップS103の機械的表面処理の少なくとも一方(以下、熱及び/又は機械的処理という)を、各コア30,40の全表面のうち端面35,41のみに施すようにしてもよい。さらに第一実施形態では、熱及び/又は機械的処理を、コア30,40の端面35,41のうち一方のみに施すようにしてもよい。またさらに第一実施形態では、表面全体の熱及び/又は機械的処理をコア30,40の一方のみに施すようにしてもよい。
(第二〜第七実施形態)
本発明の第二〜第七実施形態は第一実施形態の変形例であり、第一実施形態と実質的に同一の構成部分には同一の符号を付すことで説明を省略する。
図7に示すように、第二実施形態の電磁弁100において可動コア110の固定コア30側の端面111は、外周縁112よりも内周縁113が固定コア30側へ突出するテーパ面状に形成されている。これにより、可動コア110の端面111と固定コア30の端面35との間に形成されるコアギャップ120の軸方向における間隔が外周側へ向かうほど増大している。
図8に示すように、第三実施形態の電磁弁150において固定コア160の可動コア40側の端面161は、外周縁162よりも内周縁163が可動コア40側へ突出するテーパ面状に形成されている。これにより、固定コア160の端面161と可動コア40の端面41との間に形成されるコアギャップ170の軸方向における間隔が外周側へ向かうほど増大している。
図9に示すように第四実施形態の電磁弁200では、第二実施形態の可動コア110と第三実施形態の固定コア160とが用いられている。これにより、可動コア110の端面111と、固定コア160の端面161との間に形成されるコアギャップ220の軸方向における間隔が外周側へ向かうほど増大している。
図10に示すように、第五実施形態の電磁弁250において可動コア260の固定コア30側の端面261は、外周部262よりも内周部263が固定コア30側へ突出する階段面状に形成されている。これにより、可動コア260の端面261と固定コア30の端面35との間に形成されるコアギャップ270の軸方向における間隔が外周側へ向かうほど増大している。
図11に示すように、第六実施形態の電磁弁300において固定コア310の可動コア40側の端面311は、外周部312よりも内周部313が可動コア40側へ突出する階段面状に形成されている。これにより、固定コア310の端面311と可動コア40の端面41との間に形成されるコアギャップ320の軸方向における間隔が外周側へ向かうほど増大している。
図12に示すように第七実施形態の電磁弁350では、第五実施形態の可動コア260と第六実施形態の固定コア310とが用いられている。これにより、可動コア260の端面261と、固定コア310の端面311との間に形成されるコアギャップ370の軸方向における間隔が外周側へ向かうほど増大している。
以上説明した第二〜第七実施形態によると、コアギャップ120,170,220,270,320,370の間隔が外周側へ向かうほど増大しているので、コア離間開始時においてそれらコアギャップには、サイドギャップ44から燃料が流入し易くなる。それ故、コアギャップ120,170,220,270,320,370における減圧、ひいてはエロージョンを引き起こすキャビテーションの発生自体が抑制されることとなる。しかも、例えば径方向におけるコアギャップ120,170,220,270,320,370の平均間隔を第一実施形態のコアギャップ42の間隔と略同一にすることで、サイドギャップ44を大きくしなくても上記キャビテーションの発生抑制効果を得ることができる。このように第二〜第七実施形態によれば、電磁弁100,150,200,250,300,350の耐久性と応答性とを共に高めることができる。
尚、第二〜第七実施形態では、第一実施形態と同様なステップS101〜S103を実行することにより、コア30,40,110,160,260,310を製造するようにしてもよい。またあるいは、第一実施形態のステップS101,S102のみを実行してコア30,40,110,160,260,310を製造するようにしてもよい。尚、前者の場合には、ステップS103による効果とコアギャップ120,170,220,270,320,370による効果との相乗効果を享受することができるので、電磁弁100,150,200,250,300,350の耐久性が一層高められる。
第一実施形態による電磁弁の要部を拡大して示す断面図である。 第一実施形態による電磁弁を示す断面図である。 第一実施形態による固定コア及び可動コアの製造方法を説明するためのフローチャートである。 図3のステップS103で実施するバレル研磨処理について説明するための模式図である。 図3のステップS103で実施するショットブラスト処理について説明するための模式図である。 第一実施形態による電磁弁の特性図である。 第二実施形態による電磁弁の要部を拡大して示す断面図である。 第三実施形態による電磁弁の要部を拡大して示す断面図である。 第四実施形態による電磁弁の要部を拡大して示す断面図である。 第五実施形態による電磁弁の要部を拡大して示す断面図である。 第六実施形態による電磁弁の要部を拡大して示す断面図である。 第七実施形態による電磁弁の要部を拡大して示す断面図である。 従来の電磁弁に内在する課題を説明するための模式図である。
符号の説明
10,100,150,200,250,300,350 電磁弁(燃料ポンプ用電磁弁)、12 駆動側ボディ(ボディ)、14 第一磁性部材、16 第二磁性部材、18 非磁性部材、20 通路形成部、22 燃料溜り、28,29 内周面、30,160,310 固定コア、32 第一小径部、33 大径部、34 第二小径部、35,161,311 端面(可動コア側端面)、40,110,260 可動コア、41,111,261 端面(固定コア側端面)、42,120,170,220,270,320,370 コアギャップ、43 外周面、44 サイドギャップ、50 弁側ボディ、54 弁座、60 弁部材、62 シート部、80 電磁駆動部、82 コイル

Claims (9)

  1. 燃料ポンプに用いられる電磁弁であって、
    内周側に燃料溜りを形成するボディと、
    前記ボディに固定される固定コアと、
    前記固定コアに対向して前記ボディの内周側に配置される可動コアと、
    前記ボディの内周面と前記可動コアの外周面との間に形成され、前記燃料溜りの燃料が流入出するサイドギャップと、
    前記固定コアの可動コア側端面と前記可動コアの固定コア側端面との間に形成され、前記サイドギャップにより燃料の流入出が絞られるコアギャップと、
    前記ボディ、前記サイドギャップ、前記可動コア、前記コアギャップ及び前記固定コアを通過する磁束を発生するコイルと、
    を備え、前記固定コアの可動コア側端面及び前記可動コアの固定コア側端面の少なくとも一方には、表面硬度を高める機械的表面処理が施されていることを特徴とする燃料ポンプ用電磁弁。
  2. 前記固定コアの可動コア側端面及び前記可動コアの固定コア側端面の少なくとも一方には、熱処理並びに当該熱処理後の表面硬度を高める機械的表面処理が施されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料ポンプ用電磁弁。
  3. 前記固定コア及び前記可動コアの少なくとも一方には、その表面全体に前記機械的表面処理が施されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料ポンプ用電磁弁。
  4. 前記固定コア及び前記可動コアの双方に、前記機械的表面処理が施されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の燃料ポンプ用電磁弁。
  5. 前記機械的表面処理はバレル研磨処理であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の燃料ポンプ用電磁弁。
  6. 前記機械的表面処理はショットブラスト処理であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の燃料ポンプ用電磁弁。
  7. 燃料ポンプに用いられる電磁弁であって、
    内周側に燃料溜りを形成するボディと、
    前記ボディに固定される固定コアと、
    前記固定コアに対向して前記ボディの内周側に配置される可動コアと、
    前記可動コアの外周面と前記ボディの内周面との間に形成され、前記燃料溜りの燃料が流入出するサイドギャップと、
    前記固定コアの可動コア側端面と前記可動コアの固定コア側端面との間に形成され、前記サイドギャップにより燃料の流入出が絞られるコアギャップと、
    前記ボディ、前記サイドギャップ、前記可動コア、前記コアギャップ及び前記固定コアを通過する磁束を発生するコイルと、
    を備え、前記コアギャップの間隔は外周側へ向かうほど増大していることを特徴とする燃料ポンプ用電磁弁。
  8. 前記固定コアの可動コア側端面及び前記可動コアの固定コア側端面の少なくとも一方である特定端面は、テーパ面状に形成されていることを特徴とする請求項7に記載の燃料ポンプ用電磁弁。
  9. 前記固定コアの可動コア側端面及び前記可動コアの固定コア側端面の少なくとも一方である特定端面は、階段面状に形成されていることを特徴とする請求項7又は8に記載の燃料ポンプ用電磁弁。
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