JP2007064364A - 電磁弁 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な構造によるコストアップを招くことなく、且つアーマチャ３０の強度低下を回避しながら、アーマチャ３０が燃料中を高速で移動した時に発生する流体抗力を低減できる電磁弁６を提供する。
【解決手段】電磁弁６のアーマチャ３０は、高磁性材である珪素鋼によって形成され、燃料で満たされたバルブ室４１に配置される。このアーマチャ３０には、吸引面の径方向中央部に中心溝が形成されると共に、吸引面から反吸引面までアーマチャ３０を貫通する貫通孔３０ｂが形成され、更に中心溝と貫通孔３０ｂとを連通する連通溝３０ｃが吸引面に形成されている。これにより、バルブ室４１とステータ２９の中心孔３５との間に燃料がスムーズに行き来できる通路が形成される。その結果、バルブ室４１に満たされた燃料中をアーマチャ３０が高速に移動する際に発生する流体抗力を低減でき、安定した応答性を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料噴射弁に用いられる電磁弁に関する。

近年、環境改善のため、ＣＯ₂ 排出量の低減、車両からの排出ガスの浄化が進められている。とりわけ、ディーゼルエンジンでは、上記の問題に対し、噴射燃料の高圧化、多段噴射化等の技術の向上が求められている。これらを実現するインジェクタの電磁弁には、高い応答性と噴射間隔が短いことが求められる。
ところで、インジェクタの電磁弁は、電磁コイルへの通電によってステータが磁化されると、そのステータに吸引されてアーマチャが燃料中を高速に移動する際に燃料の抵抗（流体抗力）を受けるため、この流体抗力が応答性に悪影響を与える。

そこで、特許文献１では、アーマチャの周囲に燃料で満たされているバルブ室とインジェクタの排出通路とを連通する通路を設ける構成が示されている。しかし、同文献１に示される構成では、電磁弁以外の他部品に別系統の通路を設けることにより、インジェクタの構造が複雑になるため、コストアップの要因となっている。
これに対し、図７に示す様に、アーマチャ１００の外周に切欠き１１０を設けて、この切欠き１１０とアーマチャ１００の中央部に凹設された中心溝１２０とを連通する連通溝１３０を形成することにより、アーマチャ１００が燃料中を高速で移動した時に発生する流体抗力を低減する技術が公知である。
特開２００１−３０４４４８号公報

ところが、電磁弁の応答性を高めるために、アーマチャ１００を高磁性材（例えば珪素鋼）によって形成すると、アーマチャ１００の強度が低下する（例えば珪素鋼は高磁性を有するが、低強度材である）ため、応力が集中しやすいアーマチャ１００の薄肉部（切欠き１１０と中心溝１２０との間）に十分な通路面積を有する連通溝１３０を形成することが困難である。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、燃料噴射弁に用いられる電磁弁において、複雑な構造によるコストアップを招くことなく、且つアーマチャの強度低下を回避しながら、アーマチャが燃料中を高速で移動した時に発生する流体抗力を低減できる技術を提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明は、燃料を噴射する燃料噴射弁に用いられ、燃料通路を開閉する電磁弁であって、通電時に電磁石を形成する電磁コイルと、電磁石によって磁化されるステータと、燃料で満たされる内部空間に配置され、ステータが磁化された時に、その磁化されたステータに吸引されて内部空間を移動するアーマチャとを備え、このアーマチャには、ステータに吸引される吸引面の中央部に中心溝が形成されると共に、吸引面から反吸引面までアーマチャを貫通する貫通孔が形成され、更に中心溝と貫通孔とを連通する連通溝が吸引面に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、アーマチャに形成された貫通孔と連通溝とを介して、燃料で満たされた内部空間とアーマチャの中心溝との間を燃料が行き来できる通路が形成される。これにより、磁化されたステータにアーマチャが吸引されて燃料中を高速で移動した時に発生する流体抗力を低減でき、安定した応答性を確保できる。
また、アーマチャの吸引面に形成される連通溝は、前述の公知技術（図７参照）に示されるアーマチャの切欠きと中心溝とを連通するのではなく、貫通孔と中心溝とを連通しているので、アーマチャに切欠きを設ける場合でも、その切欠きを回避して連通溝を形成できる。これにより、アーマチャに外力（例えば、吸引されたアーマチャがステータに衝突した時に発生する衝撃力）が加わった時に、連通溝に応力が過大に集中することはない。つまり、切欠きに連通溝を形成した従来品と比較すると、連通溝への応力の集中が低減されるので、連通溝の通路面積を十分に確保できる。
さらに、上記の構成では、アーマチャに中心溝と貫通孔および連通溝を形成しているので、電磁弁以外の他部品に流体抗力を低減するための通路を形成する必要がなく、構造の複雑化を回避できる。

（請求項２の発明）
請求項１に記載した電磁弁において、アーマチャには、貫通孔が周方向等間隔に複数箇所設けられ、それぞれの貫通孔と中心溝とを連通する複数の連通溝が形成されていることを特徴とする。
この場合、アーマチャに形成された貫通孔と連通溝とを介して、燃料で満たされた内部空間とアーマチャの中心溝との間を燃料が行き来できる通路がアーマチャの周方向等間隔に複数箇所形成されるため、アーマチャの周方向で流体抗力の偏りが生じることはなく、より安定した応答性を確保できる。

（請求項３の発明）
請求項１または２に記載した電磁弁において、アーマチャの反吸引面側の角部に面取り、あるいは段差が形成され、前記面取り、あるいは段差を通じて貫通孔が内部空間に連通していることを特徴とする。
この場合、アーマチャがステータに吸引される前の状態、つまりアーマチャが反ステータ側に押し戻されている静止状態において、アーマチャの反吸引面に開口する貫通孔の開口面と、その開口面に対向する壁面との間に生じる隙間が小さくても、アーマチャに形成された面取り、あるいは段差を通じて、貫通孔と内部空間とを連通させることができる。 その結果、アーマチャがステータに吸引されて移動を開始した時に、その移動初期から内部空間とアーマチャの中心溝との間を燃料がスムーズに行き来できる。

（請求項４の発明）
請求項１〜３に記載した何れかの電磁弁において、アーマチャは、珪素鋼を材料として形成されていることを特徴とする。
高磁性を有する珪素鋼によってアーマチャを形成することにより、磁化されたステータに吸引されるアーマチャの移動速度を高めることができるので、応答性の高い電磁弁を提供できる。なお、アーマチャの材料に強度の低い珪素鋼を採用した場合には、前述の公知技術（図７参照）に示される様に、アーマチャの切欠きと中心溝との間に連通溝を形成すると、アーマチャに外力が加わった時に連通溝に応力が集中するため、十分な通路面積を有する連通溝を形成することは困難である。
これに対し、本発明では、アーマチャの貫通孔と中心溝との間に連通溝を形成しているので、アーマチャに外力が加わった時に、連通溝に応力が過大に集中することはなく、低強度材である珪素鋼であっても、十分な通路面積を有する連通溝を形成することができる。

（請求項５の発明）
請求項１〜４に記載した何れかの電磁弁において、アーマチャには、外周から内周に向かって切り取られた切欠きが形成されることを特徴とする。
アーマチャに切欠きが形成されることにより、アーマチャの吸引面側及びアーマチャの反吸引面側に確保される僅かなギャップの燃料を逃がすことができ、アーマチャに対する流体抗力を低減できる。

（請求項６の発明）
請求項１〜５に記載した何れかの電磁弁において、中心溝は、ステータの径方向中央部を貫通する中心孔を通じて低圧側に連通していることを特徴とする。
これにより、磁化されたステータにアーマチャが吸引されて燃料中を高速で移動した時に、内部空間の燃料圧力が低圧側へ速やかに開放されるので、アーマチャに対する流体抗力を低減でき、安定した応答性を確保できる。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

図１は燃料噴射弁１に用いられる電磁弁６の断面図、図２は電磁弁６に用いられるアーマチャ３０の平面図、図３は燃料噴射弁１の全体断面図である。
実施例１に係る燃料噴射弁１は、例えば、ディーゼル機関用のコモンレール式燃料噴射システムに使用されるもので、図３に示す様に、ノズル２、ノズルホルダ３、制御ピストン４、オリフィスプレート５、及び電磁弁６等より構成される。
ノズル２は、以下に説明するノズルボディ７とニードル８とで構成され、リテーニングナット９を介してノズルホルダ３の図示下側（反電磁弁側）に固定されている。

ノズルボディ７には、ニードル８を収容するガイド孔１０と、このガイド孔１０に燃料を導く燃料通路１１と、ニードル８のリフト時に燃料を噴射する噴孔１２等が形成されている。
ガイド孔１０は、ノズルボディ７の上端面からノズルボディ７の先端部に向かって穿設され、ガイド孔１０の先端部に円錐状のシート面が形成されている。また、ガイド孔１０の途中には、内径が拡大する燃料溜室１３が形成されている。
燃料通路１１は、上流端がノズルボディ７の上端面に開口して、ノズルホルダ３に形成される燃料通路１４に接続され、下流端が燃料溜室１３に接続されている。

ニードル８は、燃料溜室１３より図示上方のガイド孔１０に摺動自在に挿入される摺動部８ａと、燃料溜室１３より図示下方のガイド孔１０に隙間を有して挿入される軸部８ｂとが設けられている。軸部８ｂは、摺動部８ａより外径が少し小さく設けられて、ガイド孔１０の内周面と軸部８ｂの外周面との間に環状の隙間（この隙間を燃料通路１５と呼ぶ）が確保されている。また、軸部８ｂの先端部にシートラインが設けられ、このシートラインがノズルボディ７のシート面に着座して、燃料通路１５と噴孔１２との間を遮断している。

ノズルホルダ３には、配管継手１６が設けられ、この配管継手１６に接続される燃料配管（図示せず）を介してコモンレールより高圧燃料が供給される。配管継手１６の内部通路１７には、燃料を濾過するバーフィルタ１８が配設されている。
ノズルホルダ３の内部には、制御ピストン４及びプレッシャピン１９を収容する筒孔２０と、配管継手１６に導入された高圧燃料をノズル２側へ導く前記の燃料通路１４とオリフィスプレート５側へ導く燃料通路２１等が形成されている。また、ノズルホルダ３の上端部には、電磁弁６を取り付けるための円筒壁部２２が設けられている。

制御ピストン４は、ノズルホルダ３の筒孔２０に摺動自在に挿入され、自身の上端面に圧力室２３（後述する）の油圧が作用している。
プレッシャピン１９は、制御ピストン４の下部（反圧力室側）に連接され、プレッシャピン１９の下端面がニードル８の上端面に当接している。このプレッシャピン１９は、制御ピストン４と一体に可動し、プレッシャピン１９の下部周囲に配設されるスプリング２４のバネ荷重を受けて、ニードル８を閉弁方向（図３の下方向）に押圧している。

オリフィスプレート５は、ノズルホルダ３に設けられた円筒壁部２２内の端面上に配置され、同じく円筒壁部２２内に配置されるバルブボディ２５を円筒壁部２２の内周に螺子結合して固定される。オリフィスプレート５には、図１に示す様に、ノズルホルダ３の筒孔２０に連通する圧力室２３と、ノズルホルダ３に形成された燃料通路２１に連通して圧力室２３に高圧燃料を導く入口オリフィス２６と、電磁弁６の開弁時に圧力室２３より高圧燃料を排出する出口オリフィス２７（本発明の燃料通路）等が形成されている。

電磁弁６は、通電時に電磁石を形成する電磁コイル２８と、この電磁コイル２８の周囲に磁気回路を形成するステータ２９と、このステータ２９に対向して可動するアーマチャ３０と、このアーマチャ３０と一体に可動して出口オリフィス２７を開閉するボール弁３１等より構成され、リテーニングナット３２を介してノズルホルダ３の円筒壁部２２に固定されている。
電磁コイル２８は、樹脂製のボビン３３に巻線されてステータ２９の内部に保持され、樹脂材３４によってモールドされている。
ステータ２９は、例えば、鉄等の強磁性体によって形成され、電磁コイル２８に通電されて電磁石が形成されると、その電磁石の発生磁束によって磁化される。このステータ２９は、径方向中央部を貫通する中心孔３５を有し、この中心孔３５が、ステータ２９の反アーマチャ側に配置されるエンドハウジング３６に設けられた燃料の排出通路３７に連通している。

エンドハウジング３６には、樹脂製のコネクタ３８が取り付けられ、このコネクタ３８に設けられたターミナル３９と電磁コイル２８とが金属製のリード端子４０を介して電気的に接続されている。
アーマチャ３０は、例えば、高磁性材である珪素鋼によって形成され、ノズルホルダ３に設けられた円筒壁部２２の内側でステータ２９とバルブボディ２５との間に形成されるバルブ室４１に配置されると共に、径方向中央部に反ステータ側へ突き出るシャフト部４２が一体に設けられ、このシャフト部４２がバルブボディ２５の径方向中央部を貫通する摺動孔に摺動自在に挿入されている。
バルブ室４１は、燃料で満たされており、ステータ２９の中心孔３５を通じて排出通路３７に連通している。

このアーマチャ３０は、ステータ２９の中心孔３５を通って配設されるスプリング４３により反ステータ側（図１の下側）へ付勢されており、電磁コイル２８がＯＦＦされている時に、ステータ２９との間に所定のギャップが確保されている。電磁コイル２８への通電によりステータ２９が磁化されると、その磁化されたステータ２９に吸引され、上記ギャップ分だけ移動して、ステータ２９の端面に当接する。
バルブボディ２５には、上記のバルブ室４１に連通する連通孔４４と、ボール弁３１が出口オリフィス２７を開いた時に、その出口オリフィス２７に連通する油通路４５とが設けられ、連通孔４４の側面に油通路４５が接続されている。

ボール弁３１は、シャフト部４２の下端部に保持され、電磁コイル２８がＯＦＦされている時に、アーマチャ３０がスプリング４３に付勢されることで、圧力室２３の油圧に抗して出口オリフィス２７を閉弁している。また、電磁コイル２８がＯＮされて、磁化されたステータ２９にアーマチャ３０が吸引されると、圧力室２３の油圧に付勢されて出口オリフィス２７を開弁する。なお、電磁コイル２８がＯＦＦされている時、つまりボール弁３１が出口オリフィス２７を閉弁している状態では、アーマチャ３０の反吸引面（反ステータ側の端面）と、バルブボディ２５の上端部に保持されたプレート４６との間に僅かなギャップが確保されている。

次に、本発明に係るアーマチャ３０の特徴を説明する。
アーマチャ３０は、図２に示す様に、磁化されたステータ２９に吸引される吸引面（ステータ２９に対向する面）の径方向中央部に中心溝３０ａが形成されると共に、吸引面から反吸引面までアーマチャ３０を貫通する貫通孔３０ｂが形成され、更に中心溝３０ａと貫通孔３０ｂとを連通する連通溝３０ｃが吸引面に形成されている。また、アーマチャ３０の反吸引面側の角部には、例えば４５度の面取り３０ｄ（図１参照）が全周に施されている。
中心溝３０ａは、例えば、アーマチャ３０の肉厚（吸引面から反吸引面までの厚さ）の半分程度の深さまで凹設されている。

貫通孔３０ｂは、アーマチャ３０の周方向に３箇所、１２０度間隔に形成されている。なお、アーマチャ３０の反吸引面に開口する貫通孔３０ｂの開口面は、バルブボディ２５の上端部に保持されたプレート４６との間に確保されるギャップによってバルブ室４１に連通すると共に、アーマチャ３０の反吸引面側の角部に設けられた面取り３０ｄを通じてもバルブ室４１に連通している。
連通溝３０ｃは、例えば、断面矩形状に凹設され、各貫通孔３０ｂと中心溝３０ａとをそれぞれ連通している。
また、アーマチャ３０は、外周から内周に向かって略Ｖ字状に切り取られた切欠き３０ｅが形成され、この切欠き３０ｅが周方向に３箇所、１２０度間隔（貫通孔３０ｂと貫通孔３０ｂとの間）に形成されている。

続いて、燃料噴射弁１の作動を説明する。
電磁コイル２８がＯＦＦされている時は、ボール弁３１が出口オリフィス２７を閉弁しているので、ニードル８を閉弁方向へ付勢する力（圧力室２３の油圧＋スプリング２４の付勢力）がニードル８を開弁方向へ押し上げる油圧力より大きくなる。その結果、ニードル８のシートラインがシート面に着座して、燃料通路１５と噴孔１２との間を遮断することにより、燃料は噴射されない。
電磁コイル２８に通電されて電磁石が形成されると、磁化されたステータ２９にアーマチャ３０が吸引され、スプリング４３の付勢力に抗してステータ２９側へ移動することにより、ボール弁３１が圧力室２３の油圧を受けて出口オリフィス２７を開弁する。

これにより、圧力室２３の油圧が出口オリフィス２７を通じて低圧側に開放されるため、圧力室２３の油圧が低下する。その結果、ニードル８を閉弁方向に付勢する力より、ニードル８を開弁方向へ押し上げる油圧力の方が上回った時点でニードル８がリフトして、燃料通路１５より供給される燃料が噴孔１２より噴射される。
その後、電磁コイル２８への通電が停止され、電磁石の吸引力が消滅すると、アーマチャ３０がスプリング４３に押し戻されて、ボール弁３１が出口オリフィス２７を閉じることにより、再び圧力室２３の油圧が上昇する。その結果、ニードル８を閉弁方向に付勢する力が、ニードル８を開弁方向へ押し上げる油圧力を上回った時点でニードル８が押し戻され、ニードル８のシートラインがシート面に着座して燃料通路１５と噴孔１２との間が遮断されることにより、噴射が終了する。

（実施例１の効果）
本実施例の燃料噴射弁１に用いられる電磁弁６は、アーマチャ３０がステータ２９に吸引されて移動する際に、バルブ室４１に満たされている燃料の抵抗（流体抗力）を受ける。これに対し、アーマチャ３０には、貫通孔３０ｂと中心溝３０ａとを連通する連通溝３０ｃが吸引面に形成されると共に、アーマチャ３０の反吸引面側の角部に面取り３０ｄが形成され、その面取り３０ｄを通じて貫通孔３０ｂとバルブ室４１とが連通しているので、バルブ室４１とステータ２９の中心孔３５との間に燃料がスムーズに行き来できる通路が形成される。その結果、バルブ室４１に満たされた燃料中をアーマチャ３０が高速に移動する際に発生する流体抗力を低減でき、安定した応答性を得ることができる。

また、実施例１に記載したアーマチャ３０は、高磁性材である珪素鋼を材料として形成されるため、高応答性に寄与できる反面、珪素鋼自体の強度が低いために、アーマチャ３０の吸引面に連通溝３０ｃを形成することでアーマチャ３０の強度不足を招く恐れがある。これに対し、アーマチャ３０の吸引面に形成される連通溝３０ｃは、アーマチャ３０の切欠き３０ｅと中心溝３０ａとを連通するのではなく、貫通孔３０ｂと中心溝３０ａとを連通している。この場合、アーマチャ３０に外力（例えば、吸引されたアーマチャ３０がステータ２９に衝突した時に発生する衝撃力）が加わった時に、連通溝３０ｃに応力が過大に集中することはないので、珪素鋼を使用したアーマチャ３０であっても、連通溝３０ｃの通路面積（深さ及び溝幅）を十分に確保できる。

図４はアーマチャ３０の平面図である。
この実施例２に示すアーマチャ３０は、中心溝３０ａと貫通孔３０ｂとを連通する連通溝３０ｃとは別に、アーマチャ３０の切欠き３０ｅと中心溝３０ａとを連通する第２の連通溝３０ｆを吸引面に形成した一例である。
この場合、実施例１に記載した連通溝３０ｃだけでなく、第２の連通溝３０ｆを形成することにより、バルブ室４１とステータ２９の中心孔３５との間を燃料が行き来できる２系統の通路が形成されるため、バルブ室４１に満たされた燃料中をアーマチャ３０が高速に移動する際に発生する流体抗力を更に低減でき、より安定した応答性を得ることができる。
但し、第２の連通溝３０ｆは、アーマチャ３０に外力（例えば、吸引されたアーマチャ３０がステータ２９に衝突した時に発生する衝撃力）が加わった時に応力が集中する恐れがあるため、アーマチャ３０に必要な強度を確保できる範囲内で、溝の深さ及び溝幅等を適宜に選択することができる。

図５は電磁弁６の断面図である。
この実施例３に示す電磁弁６は、図５に示す様に、電磁コイル２８をモールドする樹脂材３４に環状溝３４ａを形成した一例である。この場合、樹脂材３４に形成された環状溝３４ａを介して、アーマチャ３０に形成された切欠き３０ｅと貫通孔３０ｂとが連通するため、貫通孔３０ｂだけでなく、切欠き３０ｅを通じても、バルブ室４１とステータ２９の中心孔３５との間に燃料が行き来できる通路が形成できる。

（変形例）
実施例１では、アーマチャ３０の反吸引面側の角部に面取り３０ｄを設けた例を記載したが、面取り３０ｄを設ける代わりに、例えば、図６に示す様に、段差３０ｇを形成して、その段差３０ｇを通じて貫通孔３０ｂとバルブ室４１とが連通する構成でも良い。
実施例１に記載した燃料噴射弁１は、ステータ２９の中心孔３５に連通する燃料の排出通路３７をエンドハウジング３６に設けているが、エンドハウジング３６以外の部品、例えば、ノズルホルダ３に排出通路３７を形成することもできる。

燃料噴射弁に用いられる電磁弁の断面図である（実施例１）。 電磁弁に用いられるアーマチャの平面図である（実施例１）。 燃料噴射弁の全体断面図である。 電磁弁に用いられるアーマチャの平面図である（実施例２）。 電磁弁の断面図である（実施例３）。 電磁弁に用いられるアーマチャの断面図である（変形例）。 電磁弁に用いられるアーマチャの平面図である（従来技術）。

符号の説明

１ 燃料噴射弁
６ 電磁弁
２７ 出口オリフィス（燃料通路）
２８ 電磁コイル
２９ ステータ
３０ アーマチャ
３０ａ 中心溝
３０ｂ 貫通孔
３０ｃ 連通溝
３０ｄ 面取り
３０ｅ 切欠き
３０ｇ 段差
３５ ステータの中心孔
３７ 排出通路（低圧側）
４１ バルブ室（内部空間）

Claims (6)

1. 燃料を噴射する燃料噴射弁に用いられ、燃料通路を開閉する電磁弁であって、
   通電時に電磁石を形成する電磁コイルと、
   前記電磁石によって磁化されるステータと、
   燃料で満たされる内部空間に配置され、前記ステータが磁化された時に、その磁化された前記ステータに吸引されて前記内部空間を移動するアーマチャとを備え、
   前記アーマチャには、前記ステータに吸引される吸引面の中央部に中心溝が形成されると共に、前記吸引面から反吸引面まで前記アーマチャを貫通する貫通孔が形成され、更に前記中心溝と前記貫通孔とを連通する連通溝が前記吸引面に形成されていることを特徴とする電磁弁。
2. 請求項１に記載した電磁弁において、
   前記アーマチャには、前記貫通孔が周方向等間隔に複数箇所設けられ、それぞれの前記貫通孔と前記中心溝とを連通する複数の前記連通溝が形成されていることを特徴とする電磁弁。
3. 請求項１または２に記載した電磁弁において、
   前記アーマチャの反吸引面側の角部に面取り、あるいは段差が形成され、前記面取り、あるいは前記段差を通じて前記貫通孔が前記内部空間に連通していることを特徴とする電磁弁。
4. 請求項１〜３に記載した何れかの電磁弁において、
   前記アーマチャは、珪素鋼を材料として形成されていることを特徴とする電磁弁。
5. 請求項１〜４に記載した何れかの電磁弁において、
   前記アーマチャには、外周から内周に向かって切り取られた切欠きが形成されることを特徴とする電磁弁。
6. 請求項１〜５に記載した何れかの電磁弁において、
   前記中心溝は、前記ステータの径方向中央部を貫通する中心孔を通じて低圧側に連通していることを特徴とする電磁弁。
   

Images