JP2011052557A

JP2011052557A - 燃料噴射弁

Info

Publication number: JP2011052557A
Application number: JP2009200399A
Authority: JP
Inventors: Kiyotaka Ogura; 清隆小倉; Yasuo Namaizawa; 保夫生井沢; Yusuke Irino; 裕介入野
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2029-08-31
Also published as: JP5222253B2

Abstract

【課題】
燃料噴射弁において、弁体の繰り返し作動により初期可動ギャップの変化を最小限抑制し燃料噴射量の変化量を最小にする。
【解決手段】可動コア４０の、固定コア２の対向面には、円環状の内側突起部４０Ａと、その外周側に設けられた円環状の外側突起部４０Ｂとを備える。外側突起部４０Ｂの高さは内側突起部４０Ａの高さよりも低い。また、可動コア４における、可動弁体の倒れ角と可動コア自身の倒れを和した角度αに対して、可動コアの内側突起部４０Ａと外側突起部４０Ｂを結ぶ線が基準面に対してなす角度θ°を大きくしている。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関に用いられる燃料噴射弁に係り、特に、燃料噴射量の制御可能な最小噴射量を低減するに好適な燃料噴射弁に関する。

従来、内燃機関に用いられる燃料噴射弁は、コイルに電流を流すことにより可動子の可動コア（アンカー）と固定コアとを含む磁気通路に磁束を供給し、可動子の可動コア端面と固定コア端面との間の磁気吸引ギャップに磁気吸引力を発生させて可動子を固定コア側に引き付けることにより、弁体の開閉を行う構成となっている。具体的には、金属円筒の内側に固定コアを固定し、可動子をこの金属円筒内で、固定コアに対して引き付けられたり引き離されたりできるように配置し、金属円筒の外側にコイルとハウジングを装着して可動コアと固定コアに磁束を供給する。

ここで、少ない起磁力で磁気吸引力を得ることにより、良好な磁気吸引力を得て燃料噴射量の制御可能な最小噴射量（可制御最小噴射量）を低減するため、固定コアと可動コア端面の磁気吸引ギャップ部は対向面を備えるものとが知られている（例えば、特許文献１参照）。

なお、本願発明に類似する構成を有するものとして、固定コアに対向する可動子の端面に、内側の突起と外側の突起を設けたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

また、別の例として、固定コアに対向する可動子の端面に、３個の凸部を設けたものが知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００８−１９７８５号公報特開２００３−１０６２３６号公報特開２００７−２０５２３４号公報

しかしながら、特許文献１記載のものにあっては、可動コアとプランジャロッド部は両者とも協働することが可能であるため、可動コアが対向面である固定コアに接触する姿勢は、プランジャロッド自体の傾き角・可動コアとプランジャロッド摺動クリアランスによって生じる傾き角をもち接触する可能性が非常に高いものである。このように片当りによる弊害として、初期に設定した磁気吸引部のギャップ対向面が、衝突による作動を繰り返し受けることで永久的にひずみを生じ変形する。特に、磁気吸引力を得るために軟磁性材を可動コア、固定コアに用いることによりその可能性は大きくなる。それにより、燃料噴射弁の弁体ストロークが過大となるため弁体応答性が悪化し、初期に得られる可制御最小噴射量から変大する恐れがある。

なお、特許文献２記載のものにあっては、固定コアに対向する可動子の端面に凹部を設け、この凹部によるダンパー作用を得るため、外側の突起を設けているため、外側の突起と、内側の突起の高さの差は、極力小さくした方がダンパー効果が高いものである。

また、特許文献３記載のものにあっては、固定コアと可動子の間に流れる磁束の量を増加する目的で、３個の突起を可動子の端面に設けているため、これらの突起の高さは同じくする必要があるものである。

本発明の目的は、燃料噴射量の制御可能な最小噴射量の変化を低減できる燃料噴射弁を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、固定コアと、先端にシート部を有するノズルボディと、該ノズルボディの内部で往復動可能であり、前記シート部と当接する可動弁体を有する可動子とを有し、前記可動子の可動コアと前記固定コアとを含む磁気通路に磁束を供給し、前記可動子の可動コア端面と前記固定コア端面との間の磁気吸引ギャップに磁気吸引力を発生させて前記可動子を固定コア側に引き付け、前記弁体を前記シート部から引き離すことによって燃料通路を開く燃料噴射弁であって、前記可動コア若しくは前記固定コアの対向面の一方に設けられた円環状の第一の突起部と、該第一の突起部の外周側に設けられた円環状の第二の突起部とを備え、前記第二の突起部の高さは前記第一の突起部の高さよりも低く、前記可動コアにおける、前記可動弁体の倒れ角と前記可動コア自身の倒れを和した角度αに対して、前記可動コアの前記第一の突起部と前記第二の突起部を結ぶ線が基準面に対してなす角度θ°を大きくしたものである。
かかる構成により、燃料噴射量の制御可能な最小噴射量の変化を低減できるものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記可動コアは、前記第一の突起部の円環部を遮断する位置に、燃料噴射弁本体軸に一致する方向に形成された複数の貫通孔を備えるようにしたものである。

本発明によれば、固定コアと可動コアの対向面に永久的に生じる変形を抑制でき、繰り返し作動による弁体ストローク変化量を最小に抑えることで、燃料噴射量の制御可能な最小噴射量の変化を低減できるものとなる。

本発明の一実施形態による燃料噴射弁の全体構成を示す縦断面図である。本発明の一実施形態による燃料噴射弁の要部詳細構成を示す部分拡大断面図である。本発明の一実施形態による燃料噴射弁に用いる可動コアの上面図である。外側突起部が無い場合の、燃料噴射弁の要部詳細構成を示す部分拡大断面図である。本発明の一実施形態による燃料噴射弁の要部詳細構成を示す部分拡大断面図である。本発明の一実施形態による燃料噴射弁における可動コアの移動量の説明図である。本発明の一実施形態による燃料噴射弁における突起部の寸法の説明図である。本発明の一実施形態による燃料噴射弁における突起部の寸法の変化に対する面圧減少効果の説明図である。

以下、図１〜図８を用いて、本発明の一実施形態による燃料噴射弁の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による燃料噴射弁の全体構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による燃料噴射弁の全体構成を示す縦断面図である。

本実施形態の燃料噴射弁は、ガソリン等の燃料をエンジンの気筒（燃焼室）に直接噴射する燃料噴射弁である。

燃料噴射弁本体１は、中空の固定コア２と、ハウジングを兼ねるヨーク３と、可動子４と、ノズルボディ５とを有する。可動子４は、可動コア４０と、可動弁体４１とからなる。ここで、固定コア２とヨーク３と可動コア４０は、磁気回路の構成要素となる。

ヨーク３とノズルボディ５と固定コア２とは、溶接により結合される。この結合態様は、種々のものがあるが、本例では、ノズルボディ５の一部内周が、固定コア２の一部外周に嵌合した状態でノズルボディ５と固定コア２とが溶接結合されている。さらに、ノズルボディ５の一部外周をヨーク３が囲むようにして、ノズルボディ５とヨーク３とが溶接結合されている。ヨーク３の内側には、電磁コイル６が組み込まれる。電磁コイル６は、ヨーク３と樹脂カバー２３とノズルボディ５の一部によって、シール性を保って覆われている。

ノズルボディ５の内部には、可動子４が軸方向に移動可能に組み込まれている。ノズルボディ５の先端には、ノズルボディの一部となるオリフィスカップ７が溶接により固定されている。オリフィスカップ７は、シート部７Ｂを含む円錐面７Ａを有する。

固定コア２の内部には、可動子４をシート部７Ｂに押し付けるばね８と、このばね８のばね力を調整するアジャスタ９と、フィルタ１０とが組み込まれている。

ノズルボディ５の内部及びオリフィスカップ７の内部には、可動子４の軸方向の移動を案内するガイド部材１１，１２が設けられている。ガイド部材１１は、ノズルボディ５に固定されている。ガイド部材１２は、オリフィスカップ７に固定されている。可動子４は上下に配置された２個のガイド部材１１，１２とにより、軸方向の移動を案内されている。

本例の弁体（バルブロッド）４１は、先端が先細りのニードルタイプのものを示すが、先端に球体を設けたタイプのものであってもよい。

燃料噴射弁内の燃料通路は、固定コア２の内部と、可動コア４０に設けた複数の孔１３と、ガイド部材１１に設けた複数の孔１４と、ノズルボディ５の内部と、ガイド部材１２に設けた複数の側溝１５と、シート部７Ｂを含む円錐面７Ａとで構成される。

樹脂カバー２３には、電磁コイル６に励磁電流（パルス電流）を供給するコネクタ部２３Ａが設けられ、樹脂カバー２３により絶縁されたリード端子１８の一部がコネクタ部２３Ａに位置する。

リード端子１８を介して、外部駆動回路（図示せず）によりヨーク３に収納された電磁コイル６を励磁すると、固定コア２、ヨーク３及び可動コア４０が磁気回路を形成し、可動子４は固定コア２側にばね８の力に抗して磁気吸引される。この時、可動コア４０と固定コア２の可動ギャップ２００の分だけ可動子４は上方へ動作することになり、弁体４１はシート部７Ｂから離れ開弁状態になり、外部高圧ポンプ（図示せず）で予め昇圧（１ＭＰａ以上）されている燃料噴射弁本体１内の燃料が、噴孔７Ｃから噴射される。噴孔７Ｃは、複数個，例えば、６個設けられている。

電磁コイル６の励磁をオフすると、ばね８の力で弁体４１がシート部７Ｂ側に押し付けられ閉弁状態になる。

次に、図２及び図３を用いて、本実施形態による燃料噴射弁の要部詳細構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による燃料噴射弁の要部詳細構成を示す部分拡大断面図である。図３は、本発明の一実施形態による燃料噴射弁に用いる可動コアの上面図である。なお、図２は、図３のＡ−Ａ断面図である。また、図２，図３において、図１と同一符号は、同一部分を示している。

図２に示すように、可動コア４０の上面であって、固定コア２と可動コア４０の対向面に、内側突起部４０Ａを設けることで磁気回路を最適化し弁体の応答性を確保している。また、本例では、可動コア４０の端面に固定コアと直接衝突する内側突起部４０Ａを設け、さらにこの内側突起部４０Ａを囲むように外側突起部４０Ｂを設ける。ここで、内側突起部４０Ａの高さよりも、外側突起部４０Ｂの高さを低くし、初期の寸法設定では必ず内側突起部４０Ａのみが固定コア２と衝突する寸法に設定している。なお、内側突起部４０Ａと外側突起部４０Ｂの高さについては、図４以降を用いて後述する。

また、図３に示すように、内側突起部４０Ａは、円環状の突起である。但し、図３に示すように、内側突起部４０Ａの円環を遮断するように、燃料が通過するための４個の孔１３が、燃料噴射弁本体の軸方向に形成されている。これは、固定コア２に可動コア４０が衝突する時のスクイーズ効果などにより、可動コア４０が固定コア２に貼り付くことを防止するためと、燃料通路を確保するために必要な構造である。

また、外側突起部４０Ｂは、内側突起部４０Ａを囲むように、内側突起部４０Ａと同心に形成されるとともに、円環状の突起である。

なお、図３において、孔１３の周囲には半円の円弧として図示されている部分は、図２にも示される面取り部４０Ｃである。

次に、図４及び図５を用いて、本実施形態による燃料噴射弁における片当たり時の動作について説明する。
図４は、外側突起部が無い場合の、燃料噴射弁の要部詳細構成を示す部分拡大断面図である。図５は、本発明の一実施形態による燃料噴射弁の要部詳細構成を示す部分拡大断面図である。なお、図４及び図５において、図１〜図３と同一符号は、同一部分を示している。

固定コア２に衝突する時の可動コア４０の作動は、可動子４の摺動部寸法（クリアランス・クリアランス長さ）に制限を受けることになり、必ずしも対抗面同士が垂直に衝突するとは限らない。言い換えると、可動コア４０が固定コア２に衝突する際に、可動子４のクリアランスの制限を受けて、ある傾き角度α°の状態で片当たりする。角度α°は、可動子４の倒れ角と可動コア自身の倒れを和した角度である。

図４は、可動コア４０に内側突起部４０Ａのみが存在し、片当たりした場合を示している。固定コア２への衝突時過渡領域では、内側突起部４０Ａが均一に衝突しないため、衝突面が微少に変形を起こす。衝突を繰り返すことにより衝突面の微少変形が永久的なものとなる。そのため可動ギャップ２００（図１）は、初期に設定されたギャップから増加することになる。その結果、シート部７Ｂと可動子４とのギャップも増加するため、噴孔７Ｃより噴射される燃料流量も初期に対して増加することになる。

それに対して、図５に示すように、本実施形態では、可動コア４０の端面に内側突起部４０Ａに加えて外側突起部４０Ｂを備えている。ここで、内側突起４０Ａと外側突起４０Ｂを結ぶ角度をθ°とするとき、可動子４のクリアランスの制限をうけ傾く角度α°より大きく設定している。なお、角度θ°は、内側突起４０Ａと外側突起４０Ｂを結ぶ線が基準面（突起部の形成されている面；突起部がない部分における平面）に対してなす角度である。これにより、内側突起部４０Ａが衝突時に過渡的に変形を起こす領域のみにおいて、外側突起部４０Ｂが固定コア２と衝突するが、内側突起４０Ａのみの場合に比べ衝突時の面圧が減じることから、衝突時のその変形量を低減することが可能となる。そのため、可動ギャップ２００は初期に設定されたギャップから僅かに増加することあるが、その量を制御可能である。

なお、内側突起部４０Ａが衝突時に過渡的に変形を起こさない領域においては、内側突起４０Ａが固定コア２に衝突しており、初期に設定されたギャップをほぼ維持できる。

次に、図６を用いて、本実施形態による燃料噴射弁における可動コア４０の移動量について説明する。
図６は、本発明の一実施形態による燃料噴射弁における可動コアの移動量の説明図である。

図６において、縦軸は可動コア４０の移動量を示し、横軸は時間を示している。

点線Ａで示す特性は、可動コア４０の端面に内側突起部４０Ａのみを備えた場合で、内側突起部４０Ａが衝突時に過渡的に変形を起こした場合の可動コア４０の移動量を示している。図示のように、過渡領域では微少変形量が初期設定可動ギャップを大きくオーバーシュートする。

実線Ｂで示す特性は、本実施形態において、内側突起４０Ａに加えて外側突起４０Ｂを備えた場合である。ここで、内側突起４０Ａと外側突起４０Ｂを結ぶ角度θ°および、内側・外側突起部４０Ａ、４０Ｂの寸法を所定の値とすることで、オーバーシュートを減じることできる。内側突起４０Ａと外側突起４０Ｂを結ぶ角度θ°は、可動子４により構成されるクリアランスにより一意に決定された角度（可動子４の倒れ角と可動コア自身の倒れを和した角度）α°に対して、θ＞αとする。

次に、図７及び図８を用いて、本実施形態による燃料噴射弁における突起部の寸法と衝突時の面圧減少効果について説明する。
図７は、本発明の一実施形態による燃料噴射弁における突起部の寸法の説明図である。図８は、本発明の一実施形態による燃料噴射弁における突起部の寸法の変化に対する面圧減少効果の説明図である。

図７に示すように、突起部は、突起幅ｔと突起開始位置ｄにより定義する。内側突起部４０Ａは、突起幅ｔ１、突起開始位置ｄ１とし、外側突起部４０Ｂは、突起幅ｔ２、突起開始位置ｄ２とする。

突起部面積Ａは、以下の（式１）で表される。

Ａ＝（π／４）（（ｄ＋２ｔ）^２−ｄ^２） …（１）

また、外側突起部４０Ｂによる衝突時の面圧減少率ｎ（ｎ＜１００％で任意）とした場合、（式２）が成り立つ。

（Ａ１／（Ａ１＋Ａ２））＝ｎ …（２）

ここで、ｄ１、ｄ２、ｔ１、ｔ２を整理すると、（式３）となる。

１＝ｎ×（１＋（（ｄ２×ｔ２＋ｔ２^２）／（ｄ１×ｔ１＋ｔ１^２））） …（３）

図８は、横軸をｄ２／ｄ１とし、縦軸ｔ２／ｔ１とした場合の内側突起４０Ａと外側突起４０Ｂ寸法の関係を示している。ここで、衝突時面圧減少率ｎとしては、３０％〜６０％時を図示している。

可動子４の倒れ角と可動コア自身の倒れを和した角度α°は、摺動部寸法（クリアランス・クリアランス長さ）や、可動コア自身の倒れ角により異なる。

ここで、図１に全体形状を示した燃料噴射弁の外形寸法はほぼ一定である。また、図１に示したように、可動子４の軸方向の移動を２カ所のガイド部材１１，１２により案内する構造では、可動子４の倒れ角はかなり小さく、かつ、ほぼ一定である。また、可動コア自身の倒れ角は工作精度により異なるとはいうものの、ほぼ一定である。本発明者らの実測では、角度α°は、０．５°であった。

それに対して、内側突起４０Ａと外側突起４０Ｂを結ぶ角度θ°は、角度α°よりも大きくする必要があるが、あまり大きすぎると、内側突起部４０Ａが衝突時に過渡的に変形を起こしても、外側突起部４０Ｂが固定コア２と衝突しないこととなり、その効果が発揮されない。角度θと、角度αの差（θ−α）は、０．１°〜１．５°が適当である。すなわち、角度αが０．５°のとき、角度θは０．６°〜２．０°とする。

ここで、具体例を挙げて説明すると、内側突起部４０Ａの突起幅ｔ１を０．３５ｍｍ、突起開始位置ｄ１を６．４φ、突起高さｈ１を０．０２ｍｍとし、外側突起部４０Ｂの突起幅ｔ２を０．３５ｍｍ、突起開始位置ｄ２を８．０φ、突起高さｈ２を０．０１５ｍｍとすると、ｄ２／ｄ１は１．２５であり、ｔ２／ｔ１は１．０であるので、図８における衝突時面圧減少率は約４０％となる。なお、このとき、角度θは、０．８°である。

なお、以上の説明では、突起部４０Ａ、４０Ｂは可動コア４０の固定コアとの対向面に儲けているが、固定コア２の可動コアとの対向面に設けてもよいものである。ただし、一般に可動コア４０の方が工作精度のよい切削が必要であるため、可動コア４０の切削の際に突起部４０Ａ、４０Ｂを形成する方が工作作業上は好ましいものである。

また、可動コア４０は可動子４とは別体の構成としているが、両者を一体化した構成にも本発明は適用できるものである。

１…燃料噴射弁本体
２…固定コア
３…ヨーク３
４…可動子
５…ノズルボディ
６…電磁コイル
７…オリフィスカップ
８…ばね
９…アジャスタ
１０…フィルタ
１１，１２…ガイド部材
１３，１４…孔
１５…側溝
１８…リード端子
２３…樹脂カバー
４０…可動コア
４０Ａ…内側突起部
４０Ｂ…外側突起部
４０Ｃ…面取り部
４１…可動弁体
２００…可動ギャップ

Claims

固定コアと、先端にシート部を有するノズルボディと、該ノズルボディの内部で往復動可能であり、前記シート部と当接する可動弁体を有する可動子とを有し、
前記可動子の可動コアと前記固定コアとを含む磁気通路に磁束を供給し、前記可動子の可動コア端面と前記固定コア端面との間の磁気吸引ギャップに磁気吸引力を発生させて前記可動子を固定コア側に引き付け、前記弁体を前記シート部から引き離すことによって燃料通路を開く燃料噴射弁であって、
前記可動コア若しくは前記固定コアの対向面の一方に設けられた円環状の第一の突起部と、該第一の突起部の外周側に設けられた円環状の第二の突起部とを備え、
前記第二の突起部の高さは前記第一の突起部の高さよりも低く、
前記可動コアにおける、前記可動弁体の倒れ角と前記可動コア自身の倒れを和した角度αに対して、前記可動コアの前記第一の突起部と前記第二の突起部を結ぶ線が基準面に対してなす角度θ°を大きくしたことを特徴とする燃料噴射弁。
請求項１記載の燃料噴射弁において、
前記可動コアは、前記第一の突起部の円環部を遮断する位置に、燃料噴射弁本体軸に一致する方向に形成された複数の貫通孔を備えることを特徴とする燃料噴射弁。