JP2012188977A - 燃料噴射装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】応答性を向上可能な燃料噴射装置の駆動部構造を提供する。
【解決手段】本発明では、磁気コア１０７の内周面に可動子１０２側へ向けて内径が次第に大きくなる磁気的な絞り２０１を設ける。コイルに電流を供給すると、渦電流の影響によってコイル１０５の近傍に位置する磁気コア１０７の外周面側から磁化が始まり、磁気コア１０７の内周面側へ向けて磁化が進行する。コイル１０５への電流供給を停止すると、磁気コア１０７の外周面側から消磁が始まる。磁気コア１０７の内周面に磁気的な絞り２０１を設けることで、コイル１０５に電流を供給してから磁束が立ち上がるまでの開弁時の磁気的な遅れ時間と、コイルへの電流供給を停止してから磁束が減少するまでの閉弁時の磁気的な遅れ時間の短縮が可能となり、開弁時及び閉弁時における動的な応答性を向上することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば内燃機関に使用される燃料噴射装置に関するものである。
例えば特許文献１には、固定コアの可動コアとは反対側の外径が、可動コアの外径よりも大きくなる大径部を有し、固定コアの可動コアと向き合う対向端面側が固定コアの大径部よりも径方向内側に凹み、固定コアの対向端面の外径が大径部の外径よりも小さくなることにより、固定コアの対向端面が可動コアの外周に設置されている磁性部材と向き合う面積を小さくして、固定コアと可動コアの間を流れる磁束の減少を低減し、吸引力を向上した燃料噴射弁が開示されている。
特開２００５−２０７４１２号公報
可動コアの動的な吸引力の応答性を決定づける因子として、磁気回路中に発生する渦電流がある。渦電流は、コイルに電流を供給することで発生する磁束を打ち消す方向に発生し、コイルへの電流供給を停止した際にも、磁束を打ち消す方向とは逆に発生し、常に磁界の変化を妨げる方向に発生する。電磁式の燃料噴射装置においては、コイルに電流を供給してから磁束が発生して吸引力が立ち上がるまでと、コイルへの電流の供給を打ち切ってから磁束が減少して吸引力が低下するまでには、磁気的な遅れが生じる問題となる。例えば特許文献１に記載された燃料噴射弁（燃料噴射装置）のように、固定コアの反可動コア側の外径を可動コアの外径よりも大きくすることで、固定コアの磁路断面積が増加し、吸引力は向上する。一方で、固定コアの磁路断面積が増加することで、電流をコイルに供給してから磁束が立ち上がるまでの磁気的な遅れ時間とコイルへの電流供給を停止してから磁束が切れるまでの磁気的な遅れ時間が増加する可能性がある。特許文献１に記載された燃料噴射弁では、動的な応答性を決定づける渦電流についての配慮が必ずしも十分でなかった。
本発明の目的は、上記の問題を解決することを目的とし、動的な応答性に優れた燃料噴射装置を提供することにある。
本発明では、磁気コア（固定コア）の内周面に可動子側へ向けて内径が大きくなる磁気的な絞りを設ける。
電磁石を用いた燃料噴射装置では、コイルに電流を供給すると、渦電流の影響によってコイルの近傍（内周面側）に位置する磁気コアの外周面側から磁化が始まり、コイルから遠く離れている磁気コアの内周面側へ向けて磁化が進行する。一方でコイルへの電流供給を停止すると、コイルに近い磁気コアの外周面側から消磁が始まる。本発明において、磁気コアの可動子側端面における内径側の肉厚を削ることで、すなわち、磁気コア（固定コア）の内周面に可動子側へ向けて内径が大きくなる磁気的な絞りを設けることで、コイルに電流を供給してから磁束が立ち上がるまでの開弁時の磁気的な遅れ時間とコイルへの電流供給を停止してから磁束が減少するまでの閉弁時の磁気的な遅れ時間の短縮が可能となり、開弁時及び閉弁時における動的な応答性を向上することができる。
さらに、磁気コア（固定コア）の外径をノズルホルダにおける可動子の外周を包囲する部分の内径よりも大きくするとよい。このような構成によって磁気コアの磁気抵抗の低減と吸引面の磁束密度の向上を行い、磁気吸引力を向上させることが可能となる。
具体的には以下のように構成するとよい。
（１）弁座と接することによって燃料通路を閉じ弁座から離れることによって燃料通路を開く弁体と、前記弁体と協働して開閉弁動作を行わせる可動子と、コイルに通電することにより励磁されて前記可動子を駆動する磁気力を発生する磁気コアとを備えた燃料噴射装置において、前記磁気コアは、前記可動子と対向する端面に開口して弁軸に沿う方向に形成された孔を有し、前記孔は、前記端面への開口部に、前記孔の奥側から前記端面向かって内径が次第に拡大していく内径拡大部を有し、前記内径拡大部の形成面と前記可動子との弁軸に沿う方向の間隔が、前記磁気コアの前記端面から前記孔の奥側に向かうほど拡大するように構成する。
（２）（１）において、前記可動子と前記磁気コアの少なくとも前記可動子側の一部とを内包する筒状部材を備え、前記筒状部材は、その内周面に形成された大径部と小径部とを有し、前記磁気コアは、前記筒状部材の前記小径部の内径よりも大きな外径を有し、前記大径部の内側に固定する。
（３）（２）において、前記内径拡大部が前記磁気コアの前記端面に開口する開口半径と磁気コアに形成された前記孔の半径との差は、前記大径部の半径と前記小径部の半径との差よりも大きくする。
（４）（３）において、前記筒状部材の前記大径部から前記小径部に変化する位置と前記磁気コアの前記端面との弁軸に沿う方向の距離を、閉弁状態で前記可動子と前記弁体とが静止した状態において、前記磁気コアの前記端面と前記可動子との間の距離よりも大きく設定する。
（５）（４）において、前記弁体と前記可動子とは相対変位可能に別部材で構成され、前記弁体は、前記可動子の前記弁体に対する開弁方向の相対変位を規制する規制部を有し、前記磁気コアに形成された前記孔の内径が最小となる部位は、前記規制部の位置よりも前記孔の奥部に形成する。
（６）（４）において、前記筒状部材は、その外周面に環状の凹部を有し、前記凹部の弁軸に沿う方向の位置は前記磁気コアの前記可動子と対向する端面の位置と重なるようにする。
（７）（４）において、前記可動子は弁軸に沿う方向に形成された燃料通路孔を有し、前記燃料通路孔の中心位置が前記磁気コアに形成された前記孔の最小径よりも外周側に設ける。
（８）（４）において、前記磁気コアの前記可動子と対向する側の端面の面積よりも前記可動子の前記磁気コアと対向する平面部の面積の方が大きく設定する。
（９）（４）において、前記可動子の磁気コアと対向する端面とは反対側の面に、外径方向に向かって内径が拡大する内径拡大部を設け、前記拡大部の半径方向における始点位置を前記磁気コアの前記可動子と対向する端面の内径よりも外周側に設ける。
本発明によれば、動的な応答性に優れた燃料噴射装置を提供することができる。
本発明に係る一実施例の燃料噴射装置の縦断面図である。 本発明の第一実施例の燃料噴射装置の駆動部断面の拡大図である。 図２における可動子の外径側下面部の拡大図Ｃである。 図２におけるノズルホルダ上端面と磁気コアとの接触部Ａの拡大図である。 本発明の第二実施例の燃料噴射装置の駆動部断面の拡大図である。 図５における磁気コア外周部Ｂの拡大図である。 図５におけるノズルホルダ上端面と磁気コアとの接触部Ｅの拡大図である。 本発明の第三実施例における燃料噴射装置の駆動部断面の拡大図である。 図８における磁気コア外周部Ｄの拡大図である。 本発明の第四実施例における燃料噴射装置の駆動部断面の拡大図である。 本発明の第五実施例における燃料噴射装置の駆動部断面の拡大図である。 図８における可動子内径部Ｆの拡大図である。 本発明の第六実施例の燃料噴射装置の駆動部断面の拡大図である。 本発明の第七実施例の燃料噴射装置の駆動部断面の拡大図である。 本発明の第八実施例における燃料噴射装置の駆動部構造の拡大図である。 本発明の第九実施例における燃料噴射装置の駆動部構造の拡大図である。 本発明の第十実施例における燃料噴射装置の駆動部構造の拡大図である。
以下図１〜図１５を用いて、本発明の実施例による燃料噴射装置の動作および構成について説明する。
最初に図１を用いて本発明に係る第一の実施例における燃料噴射装置の構成と動作について説明する。図１は、本発明の燃料噴射装置の一実施例を示す縦断面図である。
本実施例では、可動子（可動コア）１０２は弁体１１４に固定されておらず、弁体１１４に対して弁軸方向に相対変位可能に組み付けられている。可動子１０２は弁体１１４の規制部（ストッパ部）１１４ａによって開弁方向への相対変位が規制されている。規制部１１４ａは弁体１１４の弁ニードル部１１４ｃよりも大きな径を有する拡径部によって形成されている。可動子１０２は規制部１１４ａに対して他端側に設けられ、弁座１１８と接触する接触部（シート部１１４ｂ）側への相対変位、すなわち閉弁方向への相対変位は弁体１１４によって規制されることはない。
このように構成された図１における燃料噴射装置は、通常閉弁型の電磁式燃料噴射装置であり、コイル１０５に通電されていない状態では、弁体１１４はスプリング（第１スプリング）１１０によって閉弁方向に付勢され、弁座１１８に密着し閉弁状態となっている。この閉弁状態においては、可動子１０２はゼロスプリング（第２スプリング）１１２によって弁体１１４の規制部１１４ａに密着させられ、可動子１０２と磁気コア（固定コア）１０７との間に空隙を有している。燃料は燃料噴射装置の上部に設けられた燃料供給口１２３より供給され、弁座１１８で燃料をシールしている。閉弁時には、スプリング１１０による力および燃料圧力による力が弁体１１４に対して閉弁方向に作用し、弁体１１４は閉弁方向に押されている。スプリング（第１スプリング）１１０の弁体１１４と当接している端部とは反対側の端部はアジャスタピン１２０に当接しており、スプリング１１０のばね力がこのアジャスタピン１２０により調整される。
開閉弁のための電磁力を発生させる磁気回路は、磁気コア１０７と、可動子１０２と、磁気コア１０７の少なくとも可動子１０２側の一部と可動子１０２とを内包するようにこれらの外周側に配置された筒状部材であるノズルホルダ１０１と、ハウジング１０３とによって構成されている。ハウジング１０３はその下端部に径方向に延びる径方向延設部１０３ａが形成されており、この径方向延設部１０３ａの内周面１０３ｂがノズルホルダ１０１における可動子１０２の外周面１０２ａと対向する部分１０１ａの外周面に接触している。また、ハウジング１０３はコイル１０５の外周を取り囲み、コイル１０５よりも上位となる部分１０３ｃの内周面が磁気コア１０７のフランジ部１０７ａの外周面と接している。ハウジング１０３は磁気回路のヨーク部分を構成している。
コイル１０５に電流が供給されると、磁気回路中に磁束が発生し、可動部品である可動子１０２と固定部品である磁気コア１０７との間に磁気吸引力が発生する。可動子１０２に作用する磁気吸引力がスプリング１１０による荷重と、燃料圧力によって弁体１１４に作用する力の和を超えると、可動子１０２が上方へ動く。このとき弁体１１４は可動子１０２と共に上方へ移動し、可動子１０２の上端面が磁気コア１０７の下面に衝突するまで移動する。その結果、弁体１１４のシート部１１４ｂが弁座１１８より離間し、供給された燃料が、複数の噴射口１１９から噴射される。なお、噴射口１１９の孔数は単孔であってもよい。なお、噴射口１１９及び弁座１１８はノズルホルダ１０１の先端部に取り付けられたオリフィスカップ１１６に形成されている。また、オリフィスカップ１１６の上流側には、弁体１１４をガイドするプランジャロッドガイド１１５が設けられている。
次に、可動子１０２の上端面１０２ｂが磁気コア１０７の下面（可動子側端面）２０６に衝突した後、弁体１１４の規制部１１４ａは可動子１０２から離脱し、オーバーシュートするが、一定の時間の後に弁体１１４は規制部１１４ａが可動子１０２に接触することにより、可動子１０２上で静止する。コイル１０５への電流の供給が切れると、磁気回路中に発生していた磁束が減少し、磁気吸引力が低下する。磁気吸引力がスプリング１１０による荷重と、燃料圧力によって弁体１１４および可動子１０２が受ける流体力とを合わせた力よりも小さくなると、可動子１０２および弁体１１４は下方へ動き、弁体１１４が弁座１１８と衝突した時点で、可動子１０２の規制部１１４ａは弁体１１４から離脱する。一方弁体１１４は弁座１１８と衝突した後に静止し、燃料の噴射が停止する。
なお、可動子１０２と弁体１１４とは相対変位しない同じ部材として一体成形するかもしくは、別部材で構成し溶接もしくは圧入等の方法で相対変位しないように結合されていてもよい。可動子１０２と弁体１１４とが相対変位しない同じ部材である場合、ゼロスプリング１１２は構成上必要ない。このような構成であっても、本発明の効果は変わらない。
次に、図１乃至４を用いて本発明における第一実施例の構成について説明する。図２は図１における燃料噴射装置の駆動部断面の拡大図であり、図３は図２における可動子１０２の外径側下面部Ｃの拡大図である。また、図４は図２におけるノズルホルダ１０１の上端面と磁気コア１０７との接触部Ａの拡大図である。なお、図２，図３，図４において図１と同一の構成部品には同一符号を付す。
本発明に係る燃料噴射装置では、コイル１０５に電流を供給することにより、磁気コア１０７，可動子１０２，ハウジング１０３及びノズルホルダ１０１で構成される磁気回路に磁束が発生し、磁気コア１０７と可動子１０２との間に磁気吸引力が発生する。磁気コア１０７を通る磁束は、磁気コア１０７の可動子１０２側の端面２０６の位置で、ノズルホルダ１０１側へ流れる磁束と、磁気コア１０７の吸引面側、すなわち磁気コア１０７と可動子１０２との間の磁気ギャップ側に流れる磁束とに分配される。このとき、磁気コア１０７と可動子１０２との間を通る磁束の数と磁束密度が磁気吸引力を決定する。
本実施例では、磁気コア１０７の可動子側端面２０６の内径側に、吸引面に向かって内径が拡大する内径拡大部２０１を設ける。磁気コア１０７にはその中央部に弁軸方向に貫通する貫通孔２１０が形成され、この貫通孔２１０が燃料通路を構成している。内径拡大部２０１はこの貫通孔２１０の出口部近傍に形成されており、可動子側端面２０６から燃料の流れ方向の上流側に向かって次第に内径が小さくなるように形成されている。この効果により、磁気コア１０７の可動子側端面２０６から可動子１０２に対して遠く離れる側の磁束が通過する箇所の断面積を確保しながら、可動子側端面２０６の面積を絞ることで、吸引面の磁束密度を高めることができ、磁気吸引力を向上できる。なお、内径拡大部２０１は、可動子１０２との弁軸に沿う方向の磁気的なギャップが、内径拡大部２０１の内径が小さくなるにつれて、すなわち磁気コア１０７の径方向の中心に近づくに従って、拡大するように構成するとよい。これは、内径拡大部２０１における磁気コア１０７と可動子１０２との磁気的なギャップ（弁軸方向の間隔）の大きさを、可動子側端面２０６と可動子１０２との磁気的なギャップの大きさよりも大きくし、磁気的な抵抗を大きくするためである。これにより、磁束は内径拡大部２０１を通過する磁束を減らし、可動子側端面２０６を通過する磁束を増やすことができ、可動子側端面２０６の磁束密度を高めることができる。また、コイル１０５上側に位置する磁気コア１０７の下面２０７と内径拡大部２０１の上端までの高さＬAは、内径拡大部２０１の弁軸方向の高さＬBよりも大きく設定すると効果が大きい。このように設定することで、コイル１０５の内径側に位置する磁気コア１０７の磁路断面積を確保しつつ、吸引面の絞りによって磁束密度を高める効果が得やすくなり、吸引力向上が向上できる。なお、内径拡大部２０１は例えばテーパーで構成するとよい。
内径拡大部２０１をテーパーで構成する場合、加工の都合上、内径拡大部２０１の上流部と下流部に内径拡大部２０１のテーパーとは角度が異なるテーパーを設けるとよい。この場合、内径拡大部２０１を３段のテーパー部で構成するという見方もできる。そして下流側に位置するテーパー部ほど、弁軸心２０９と成す角度θが大きくなるようにする。この効果により、内径拡大部２０１の上流部と下流部に加工上のバリが発生しにくくなるため、加工コストを低減できる。
また、コイル１０５に電流を供給すると、磁化は渦電流の影響によってコイル内側から外側へ向かって進行する。一方で、コイル１０５への電流供給を停止すると、コイル１０５に近い位置から磁束が消滅する。コイル１０５へ電流を供給した状態から電流の供給を停止する場合、コイル１０５から離れた位置にある磁気コア１０７の内径側には、最後まで磁束が残留する。従って、コイル１０５への電流供給を停止しても磁気吸引力が低下するまでには磁気的な遅れ時間が存在し、この磁気的な遅れ時間が閉弁時の応答性を悪化させる要因となる。そこで、磁性材料において磁化が進行する方向の幅を狭くすることにより、磁気的な遅れ時間を短縮することができる。
本発明では、磁気コア１０７に内径拡大部２０１を設けることで、磁気コア１０７の可動子側端面２０６の肉厚が小さくなるように構成する。すなわち、内径拡大部２０１により磁気コア１０７の内周側（内径側）の磁性材料を削り、その分だけ磁気コア１０７の肉厚を薄くしている。この効果によって、コイル１０５に電流を供給してから磁束が立ち上がるまでの開弁時の磁気的な遅れ時間とコイル１０５への電流供給を停止してから磁束が減少するまでの閉弁時の磁気的な遅れ時間の短縮が可能となり、開・閉弁時における応答性を向上させることが可能となる。以上の理由により、本発明の第一実施例によれば、磁気吸引力と動的な応答性の向上を両立することが可能となる。
ここで、磁気コア１０７の外側に筒状のノズルホルダ１０１を設ける構成においては、コイル１０５から磁気コア１０７までの距離がノズルホルダ１０１の厚さ分大きくなる。コイル１０５と磁気コア１０７の距離が大きくなると、渦電流の影響によって磁化が進行する速度および、消磁する速度が遅くなり、動的な応答性が悪化する。従って、渦電流の影響を低減できる磁気コア１０７の内径拡大部２０１の効果が顕著になる。
また、磁気コア１０７に設けた内径拡大部２０１は下流方向に内径が拡大するように構成しているため、磁気コア１０７と弁体１１４との間に流体通路を確保することができる。なお、可動子１０２と弁体１１４とが相対変位可能に別部材として構成されている場合、内径拡大部２０１の範囲は、磁気コア１０７の可動子側端面２０６から弁体１１４に設けた規制部（ストッパ部）１１４ａよりも上流部まで構成するとよい。この効果により、弁体１１４と磁気コア１０７の間に十分な流体通路を確保することが可能となる。なお、弁体１１４と磁気コア１０７の間を通る燃料は、可動子１０２に設けた燃料通路孔２０３を通過し、下流方向へ流れる。燃料通路孔２０３の中心位置は、磁気コア１０７の内径ｄcよりも外径側に配置することで、可動子１０２を通過する燃料の流体通路面積の確保が可能となる。また、可動子１０２の燃料通路孔２０３の中心位置は、磁気コア１０７の可動子側端面２０６の内径よりも内径側に配置するとよい。磁気コア１０７の可動子側端面２０６の内径よりも外径側が可動子１０２の磁束の主経路となるため、燃料通路孔２０３の中心位置を規定することで、可動子１０２の磁路断面積が燃料通路によって減少するのを抑える効果がある。なお、燃料通路孔は、可動子１０２ではなく、弁体１１４に設けてもよい。
また、磁気コア１０７の可動子側端面２０６の内径よりも可動子１０２の磁気コア１０７と対向する平面部の内径の方が小さくなるように設定するとよい。この効果により、可動子１０２が中心位置からずれて偏心した場合であっても磁気コア１０７の可動子側端面２０６で吸引面積が決まるため、磁気吸引力のばらつきを抑制することができる。この効果により、噴射毎の噴射量のばらつきや個体差による噴射量のばらつきを抑制することが可能となる。
また、磁気コア１０７と可動子１０２との間の磁気ギャップの弁軸方向における位置は、可動子１０２が弁体１１４の規制部１１４ａと接触して静止した状態において、コイル１０５とボビン１０４とで構成されているコイルスペースの弁軸方向における位置と重なるようにするとよい。これは磁気ギャップが、コイルスペースよりも下部にくると、可動子１０２の側面部の面積が十分にとれないためである。可動子１０２の側面部とノズルホルダ１０１との間には、隙間があるため、可動子１０２の側面部の磁気抵抗は大きくなり易い。この部分の磁気抵抗を小さくするため、磁束が通過するための側面積を大きくする必要がある。このため、可動子１０２の側面部の面積、すなわち可動子１０２の高さを大きくする必要がある。従って、磁気ギャップの軸方向の位置をコイルスペース内にすることで、可動子１０２の高さを十分に確保しても、可動子側面がハウジング１０３の内径部分に近づくようにできるため、吸引力の向上が可能となる。
また、図４に示すように、ノズルホルダ１０１の上端面の内径側に、磁気コア１０７と圧入ための逃げ部１５０を構成するとよい。ノズルホルダ１０１と磁気コア１０７を圧入などの方法によって組み立てる場合、ノズルホルダ１０１の上端面と接触する磁気コア１０７の隅部には、加工上のＲが生じてしまうため、接触部に逃げを設ける必要がある。磁気コア１０７ではなく、ノズルホルダ１０１に逃げ部１５０を設けることで、磁気コア１０７の磁路断面積が圧入のための逃げによって縮小されるのを抑制し、吸引力を向上できる。一般的に、強度が必要になるノズルホルダ１０１には、磁気特性の劣る材料を使わざるを得ないが、このようにノズルホルダ１０１側に逃げを設けることで、磁気特性に優れる磁気コア１０７の断面積を縮める必要がなく、有利である。なお、ノズルホルダ１０１に設けた逃げ部１５０は例えばテーパーで構成するとよい。
ここで、可動子１０２の磁気コア１０７と対向する端面とは反対側の面（裏面）には、外径方向に向かって内径が拡大する内径拡大部２０５を設けるとよい。ここで、吸引力を向上するための磁路断面積を確保する目的で可動子１０２の内径部の肉厚を増加させると質量が大きくなり、開・閉弁時における可動子１０２の加速度が小さくなるため、開閉弁に要する時間が増加してしまう。従って、可動子１０２では、磁路断面積の確保と質量低減を両立させることが望ましい。
磁気コア１０７と可動子１０２の構成では、磁気コア１０７の可動子側端面２０６の内径側よりも外径側が、可動子１０２の磁束が通る主経路となるため、可動子１０２の外径側で磁路断面積が確保できるように、磁性体を配置する必要がある。従って、可動子１０２に設けた内径拡大部２０５の始点２０８が、磁気コア１０７の可動子側端面２０６の内径よりも外径側に位置するように構成することで、可動子１０２の必要な磁気路断面積を確保しながら質量も低減することができる。本発明では、磁気コア１０７に内径拡大部２０１を設けているため、内径拡大部２０５の体積を必要最小限に抑制することができ、可動子１０２の質量低減が可能になる。
また、図３に示すように、可動子１０２の傾斜面３０２よりも下部に弁軸心に平行な周面である下部内径面３０３を設け、下部内径面３０３と対向する可動子１０２の外周面に凹部３０１を設けるとよい。ここで、磁気コア１０７と可動子１０２が接触する燃料噴射装置では、衝突面の耐久性を高めるため磁気コア１０７と可動子１０２の接触面にクロムなどのメッキ処理を行う場合がある。可動子１０２にメッキ処理を行う場合、可動子１０２の位置を固定するための溝が外径面に必要となる。しかし、可動子１０２の外径は、磁束が通過する磁路であるため、可動子１０２の凹部３０１の位置を可動子１０２の上部に構成すると、可動子１０２の外径とノズルホルダ１０１との間の磁気抵抗が増加し、吸引力が低下するという問題がある。上記構成によれば、吸引力の低下を抑制し、可動子１０２のメッキ処理が容易となる。
図５，図６，図７を用いて本発明に係る第二実施例について説明する。図５は第二実施例における燃料噴射装置の駆動部断面の拡大図であり、図６は図５における磁気コアの外周部Ｂの拡大図である。また、図７は図５におけるノズルホルダ上端面と磁気コア接触部Ｅの拡大図である。なお図５，図６，図７において図１，図２と同一の構成部品には同一符号を付す。
図５，図６に示した例では、第一の実施例に加えて、ノズルホルダ１０１に内径の大きい内径大径部６０５と内径の小さい内径小径部６０６を設けている。これにより、磁気コア１０７の外径がノズルホルダ１０１の内径小径部６０６よりも大きくなる。ここで、断面積の幾何学的関係から、コイル１０５の内径側へ配置された磁気コア１０７の断面積を確保することは、コイル１０５の外径側に配置されたハウジング１０３の断面積を確保することよりも困難である。従って、磁気コア１０７の吸引面は磁路断面積が小さいために、ハウジング１０３に比べて先に磁気飽和する。そこで、本実施例では、磁気コア１０７の外径をノズルホルダ１０１の内径小径部６０６よりも大きくすることで、磁気コア１０７の径方向の断面積を確保しやすくした。また、磁気コア１０７の可動子側端面６０４の面積は、内径拡大部２０１よりも上流部の磁気コア１０７の断面積に比べて１０％以上小さくするように構成するとよい。これは、磁気コア１０７が飽和磁束密度に達するのを抑制できる効果があり、磁気コア１０７の磁束密度を下げることで、磁気回路に発生する磁束数を増加することができる。
また、磁気コア１０７に軟磁性体を用いる場合には、磁気コア１０７可動子側端面６０４の面積は、内径拡大部２０１よりも上流位置での断面積に比べて１０％以上小さく絞るように構成するとよい。一般的な軟磁性体では、飽和磁束密度よりも１０％程度磁束密度が小さくなると、磁気飽和の状態ではなくなって透磁率が大きくなる。したがって、磁気コア１０７の可動子側端面６０４の面積よりも大きい断面積を磁気コア１０７が持つことによって、磁気コア１０７の吸引面以外の部分の磁束密度を抑制でき、透磁率が大きい状態で吸引面だけを飽和磁束密度に近づけることができる。この効果によって、磁気コア１０７の磁気抵抗が低下し、吸引力を増大させることができる。また、磁気コア１０７の可動子側端面６０４の外径は、ノズルホルダ１０１の内径小径部６０６よりも大きくするとよい。これは、渦電流の影響により、コイル１０５の内径側から磁化するため、磁気コア１０７とコイル１０５の距離を小さくすることによって、磁化の速度を促進させて、動的な応答性を向上するためである。
また、図６に示すように、ノズルホルダ１０１は、内径大径部６０５から内径小径部６０６へ切り替わる切替え位置６０７を有している。この切替え位置６０７と磁気コア１０７の可動子側端面６０４との軸方向のギャップｈgは、閉弁状態において弁体１１４と可動子１０２とが静止した状態における磁気コア１０７と可動子１０２との距離Ｈstよりも大きく設定するとよい。これは、磁気コア１０７の外径をノズルホルダ１０１の内径小径部６０６よりも大きくすることで、磁気コア１０７の可動子側端面６０４から切替え位置６０７へ磁束が漏れやすい問題があるためである。このようにギャップｈgを設定することで、磁気コア１０７の可動子側端面６０４からノズルホルダ１０１の切替え位置６０７に流れる磁束を最小限に抑制できる。つまり、磁気コア１０７と可動子１０２との間に流れる磁束を増加することができ、磁気吸引力の向上が可能となる。なお、ノズルホルダ１０１の切替え位置６０７の形状は、図６では平面状の例を示している。このように平面状にすることで、ノズルホルダ１０１の内径小径部６０６が可動子１０２の側面に近傍する範囲を大きくすることができ、可動子１０２と内径小径部６０６との間の磁気抵抗が小さくなるため、大きい磁気吸引力を得やすくなる。但し、切替え位置は、下流に向けて内径が小さくなるテーパーもしくは曲率を含んだ形状であってもよい。
また、内径小径部６０６と内径大径部６０５との距離Δｒは、可動子１０２とノズルホルダ１０１の内径小径部６０６とのギャップＳgよりも大きくなるように構成するとよい。距離ΔｒをギャップＳgよりも大きくすることで、ギャップＳgを小さくすることができ、可動子１０２とノズルホルダ１０１の間の磁気抵抗を低減することができる。この効果により、磁気吸引力を向上できる。
また、図５，図７に示すように、寸法の幾何学的な関係から、コイル１０５の外側に位置する磁気コア１０７の磁路断面積よりも、コイル１０５の内径側に位置する磁気コア１０７の断面積を確保することが難しい。従って、磁気コア１０７に逃げを設ける場合、磁気コア１０７がノズルホルダ１０１の内径と接触する円筒面１７２ではなく、逃げ部１７０のようにノズルホルダ１０１の上端面と接触する接触面１７１に設けるとよい。この効果により、磁気コア１０７の磁路断面積の縮小を抑えることができ、磁気吸引力の向上ができる。
内径拡大部２０１の開口径ｄaと磁気コア１０７の内径（燃料通路２１０の直径）ｄcとの差の半分、すなわち内径拡大部２０１の開口の半径と磁気コア１０７の貫通孔２１０ａの半径との差Δｄは、内径小径部６０６と内径大径部６０５との距離Δｒよりも大きくしている。Δｄは内径拡大部２０１の開口円と磁気コア１０７の内周円との径方向（弁軸に直交する方向）における間隔でもある。径方向におけるこの間隔の範囲に内径拡大部２０１のテーパー部が設けられる。異なる半径を有する２つの円周の間に挟まれた部分の面積を、円の中心から遠い半径位置と近い半径位置とで同じにするためには、円の中心から遠い半径位置の方が近い半径位置の場合よりも２つの円周の半径の差を小さくすることができる。従って、磁気コア１０７の可動子１０２と対向する端面において内径拡大部２０１を設けるために減少する面積を磁気コア１０７の外周部で補う場合、Δｄに対してΔｒは小さくてもよい。逆の見方をすれば、確保できるΔｒに対してΔｄを大きくする必要がある。
図８，図９を用いて本発明における第三実施例について説明する。図８は本発明に係る第三実施例の燃料噴射装置の駆動部断面の拡大図であり、図９は、図８における磁気コア外周部Ｄの拡大図である。なお、図５，図９において図１，図２，図５，図６と同一の構成部品には同一符号を付す。
図８，図９に示した例では、第二実施例に加えて、ノズルホルダ１０１の外周面にノズルホルダ１０１の外径よりも小さい外径小径部９０８を設け、磁気コア１０７と接触しているノズルホルダ１０１の内径大径部６０５と外径小径部９０８とで磁気的な絞り部９０９を構成したものである。外径小径部９０８はノズルホルダ１０１の外周面に弁軸心を取り巻くように形成された環状の凹部（溝部）を構成する。ノズルホルダ１０１に磁気的な絞り部９０９を設けることで、ノズルホルダ１０１を流れる磁束を減少させ、磁気コア１０７と可動子１０２との間を流れる磁束を増加させることができる。この磁束の増加によって磁気吸引力が向上できる。また、磁気コア１０７とノズルホルダ１０１を流れる磁束は、磁気コア１０７の可動子側端面６０４の位置で、可動子１０２へ流れる磁束とノズルホルダ１０１の磁気的な絞り部９０９に流れる磁束に分配される。ここで、外径小径部９０８の弁軸方向の位置を、磁気コア１０７の可動子側端面６０４の外径方向の延長上にすることで、磁気的な絞り部６０９に流れる磁束を抑えることができ、磁束を可動子１０２側へ多く流すことができるため、吸引力が向上できる。また、磁気的な絞り部９０９を設けることで、磁気的な絞り部９０９の磁路断面積を小さくすることができるため、電流をコイル１０５に供給してから磁気的な絞り部９０９が磁気飽和するまでの時間を短縮することが可能となる。この効果によって、磁気コア１０７と可動子１０２の内径側に磁化が進行する速度を上げることができ、動的な吸引力の応答性を向上できる。
図１０を用いて本発明に係る第四実施例について説明する。図１０は本発明に係る燃料噴射装置の駆動部断面の拡大図である。なお、図１０において図１，図２，図６と同一の構成部品には同一符号を付す。
図１０に示した例では、第二実施例に加えて、磁気コア１０７の内径側に第一のテーパー７０１と第二のテーパー７０２の複数のテーパーを設けることである。ここで、本発明に係る燃料噴射装置では、磁気コア１０７の内径を燃料通路として使用するため、吸引力の向上のために必要な磁気コア１０７の磁路断面積と燃料通路のために必要な弁体１１４と磁気コア１０７の間の燃料通路断面積の確保の両立が望ましい。以上の理由により、磁気コア１０７の内径に設けたテーパーの角度を切替えることで、第一のテーパー７０１により、磁気コア１０７の可動子側端面６０４から離れた位置の磁路断面積を確保しつつ、第二のテーパー７０２により、下流方向へ向かって燃料通路断面積を大きくすることができ、燃料噴射装置の設計が容易となる。
図１１，図１２を用いて本発明に係る第五実施例について説明する。図１１は第五実施例における燃料噴射装置の駆動部断面の拡大図であり、図１２は図１１における可動子１０２の内径部Ｆの拡大図である。なお、図１１，図１２において図１，図２，図６と同一の構成部品には同一符号を付す。
図１１に示した例では、第二実施例に加えて、磁気コア１０７の内周面に吸引面に向かって内径が拡大する内径拡大部２０１を、曲率を含む形状とした内径拡大部８０１とした。ここで、磁気コア１０７の内径側の燃料通路断面積が最も小さくなるのは、弁体１１４に設けた規制部１１４ａと磁気コア１０７との間である。磁気コア１０７の内径側に設けた磁気的な絞りを内径拡大部８０１のような曲率を含む形状にすることで、燃料通路断面積が最も縮小される部分の磁気コア１０７の内径ｄaを変化させずに、上流部と下流部の磁気コア１０７の磁路断面積を大きくすることができる。これにより、磁気コア１０７に発生可能な磁束の数が増加し、吸引力を向上できる。
また、可動子１０２とノズルホルダ１０１内径の隙間は、可動子１０２が傾いても接触しない隙間を有することが望ましい。これは、可動子１０２とノズルホルダ１０１が接触すると、可動子１０２が受ける摩擦抵抗が大きくなり、開閉弁の応答性が低下するためである。
また、可動子１０２には、弁体１１４と接触する摺動面を延長する摺動延長部８１０を設ける構成になっている。ここで、可動子１０２の弁体１１４に対する傾きは、可動子１０２と弁体１１４の摺動部の隙間および摺動高さで決定される。本実施例では、可動子１０２に摺動延長部７１０を設けることで、弁体１１４と可動子１０２の摺動高さが延長され、可動子１０２の弁体１１４に対する傾きおよび偏心を抑制できる。この効果により、可動子１０２とノズルホルダ１０１の隙間を小さくでき、可動子１０２の外径部の磁気抵抗が小さくなるため、磁気吸引力を向上できる。また、可動子１０２が偏心すると、可動子１０２の外径とノズルホルダ１０１内径との間を流れる流量が大きくなり、可動子１０２が受ける流体抵抗が変化する。この流体抵抗の変化によって、１噴射ごとに可動子１０２の挙動が異なり、噴射量ばらつきが大きくなる。以上の理由により、摺動延長部８１０を設けることで可動子１０２の偏心を抑制し、噴射量ばらつきを低減できる。また、摺動延長部８１０は、可動子１０２に設けた燃料通路よりも内径側に設けるとよい。これにより、摺動延長部８１０を設けたことによる可動子１０２の質量の増加を抑制できるため、開・閉弁時の応答性の低下を抑えることができる。
図１３を用いて本発明に係る第六実施例について説明する。図１３は、第六実施例における燃料噴射装置の駆動部構造の拡大図である。なお、図１３において、図１，図２と同一の構成部品には同一符号を付す。
図１３に示した例では、第二実施例に加えて、可動子１０２と弁体１１４を同一部材で構成することである。可動子１０２と弁体１１４は別部材を組み合わせて構成してもよいが、可動子１０２と弁体１１４が一体部材１３０として構成できればよい。一体部材１３０を用いることで、部品点数を抑えることができ、コストを低減することが可能となる。
また、可動子１０２と弁体１１４が別体となっている構造においては、閉弁時において、弁体１１４が弁座１１８と衝突する際に、可動子１０２が弁体１１４から離脱するため、弁体１１４と弁座１１８の衝突により、弁体１１４がバウンドして、２次的な燃料の噴射が発生するのを抑制できる。その反面、弁体１１４が弁座１１８と衝突すると、可動子１０２が弁体１１４から離脱し、下向き方向に運動するため、可動子１０２が静止するまでの時間が長くなるというデメリットがある。可動子１０２が静止するまでの時間は、可動子１０２の質量および弁体１１４と弁座１１８の衝突時の速度、ゼロスプリング１１２のスプリング力や可動子１０２が受ける流体力の力のバランスによって変化する。可動子１０２が静止するまえに次回の噴射を行うと、弁体１１４が動き始めてから開弁するまでの時間が変動し、噴射量を正確に管理することが困難になる。本実施例によれば、閉弁時に弁体１１４が弁座１１８に衝突してから可動子１０２が静止するまでの時間を短縮することができるため、次の噴射を行うまでの時間を短縮でき、応答性が向上する。
図１４を用いて本発明に係る第七実施例について説明する。図１４は、第七実施例における燃料噴射装置の駆動部構造の拡大図である。なお、図１４において、図１，図２と同一の構成部品には同一符号を付す。
図１４に示した例では、第二実施例に加えて、弁体１１４に燃料通路孔である燃料通路中心孔１４０を設け、可動子１０２の磁気コア１０７側端面に溝１９０を設けることである。溝１９０を設けることで、可動子１０２の磁気コア１０７側端面の面積が小さくなるため、吸引面の磁束密度が増加し、吸引力が向上できる。なお、溝１９０は例えば円環状にするとよい。
本実施例では、燃料通路中心孔１４０は弁体の中心位置に設けている。このような構成により、磁気コア１０７と弁体１１４との間に燃料通路を確保する必要がないため、磁気コア１０７の磁路断面積を大きくし、吸引力を向上できる。また、弁体１１４の質量が小さくなるため、閉弁時に弁体１１４が弁座１１８に衝突する際の衝撃力が小さくなり、弁体１１４が弁座１１８に衝突後に発生するバウンドを低減でき、バウンドによって発生する２次的な燃料の噴射を抑制できる。
図１５を用いて本発明に係る第八実施例について説明する。図１５は、第八実施例における燃料噴射装置の駆動部構造の拡大図である。なお、図１５において、図１，図２と同一の構成部品には同一の符号を付す。
図１５に示した例では、第二実施例に加えて、磁気コア１０７の内径の肉厚を小さくする目的で設けたテーパー１８１の上流部に磁気コア１０７の内径ｄcよりも内径が大きい大径部１８０を設けることである。この効果により、磁気コア１０７からスプリング１１０への磁束漏れを低減することができ、吸引力の向上ができる。また、磁気コア１０７と弁体１１４の間は、燃料の流体通路であるため、大径部１８０を設けることで、流体通路を拡大する効果がある。
図１６を用いて本発明に係る第九実施例について説明する。図１６は、第九実施例における燃料噴射装置の駆動部構造の拡大図である。なお、図１６において、図１，図２と同一の構成部品には同一の符号を付す。
図１６に示した例では、第二実施例に加えて、磁気コア１０７の内径に内径拡大部５５０を設けている。本実施例では、内径拡大部５５０を単純なテーパー形状とするのではなく、段差面を少なくとも２つ以上有する階段状の形状としている。この階段状の形状により、実質的にテーパー形状としたのと同じような効果を得ることができる。尚、本実施例では、３段で構成している。
図１７を用いて本発明に係る第十実施例について説明する。図１７は、第十実施例における燃料噴射装置の駆動部構造の拡大図である。なお、図１７において、図１，図２，図１１と同一の構成部品には同一の符号を付す。
図１７に示した例では、第二実施例に加えて、可動子１０２に弁体１１４との間で力を伝達する中面６２０を設け、可動子１０２に傾斜面６２１を構成する。すなわち、中面６２０は可動子１０２の磁気コア１０７との対向面１０２ｂに形成された凹部の底面を構成している。傾斜面６２１は、中面６２０と対向面１０２ｂとの間を繋ぐ面として形成されたものである。傾斜面６２１を設けることで、可動子１０２の磁気コア１０７側端面の面積が小さくなるため、吸引面の磁束密度が増加し、吸引力が向上できる。また、中面６２０を設けることで、可動子１０２の質量を小さくできるため、開・閉弁時における可動子１０２の加速度が大きくなり、開弁に要する時間を短縮できる。また、弁体１１４に設けた規制部１１４ａと可動子１０２の接触面が可動子１０２の上端面より下側にくることで、磁気コア１０７と弁体１１４との間に設けていた燃料通路２０２の通路面積が大きくなる。従って、磁気コア１０７の磁路断面積を大きくとることができるため、磁気吸引力が向上する。また、弁体１１４と磁気コア１０７間の隙間を大きくすることで、可動子１０２に設けた燃料通路孔２０３の位置を内径側に設けることができるため、可動子１０２の磁路断面積が燃料通路孔２０３によって小さくなるのを抑制でき、吸引力の向上が可能となる。
また、本実施形態では、可動子１０２に傾斜面６２１を設けることで、コイル１０５から離れた位置にある可動子１０２の内径側の肉厚が小さくなるように構成する。この効果により、コイル１０５へ電流を供給した状態から電流の供給を停止する際に、可動子１０２の内径側に残る残留磁束を小さくすることができるため、閉弁時の応答性を向上することができる。
このように、中面６２０を設けるような場合には、可動子１０２に摺動延長部８１０を設けるとよい。中面６２０を設けた場合には、弁体１１４との摺動長さが短くなってしまうが、摺動延長部８１０を設けることによって、可動子１０２の質量の増加を抑えながら摺動長さを確保でき、可動子１０２の傾きを抑制できる。
また、磁気コア１０７の可動子側端面と対抗する可動子１０２の面よりも内径側に内径拡大部２０１を設けるとよい。この効果により、内径拡大部２０１と可動子１０２の中面６２０との距離が大きくなるため、磁気コア１０７の吸引面に効率よく磁束を流すことができ、吸引力の向上が可能となる。
１０１ ノズルホルダ
１０２ 可動子
１０３ ハウジング
１０４ ボビン
１０５ コイル
１０７ 磁気コア
１１０ スプリング
１１２ ゼロスプリング
１１３ ロッドガイド
１１４ 弁体
１１４ａ 規制部
１１５ プランジャロッドガイド
１１６ オリフィスカップ
１１８ 弁座
１１９ 噴射口
１２０ アジャスタピン
１２１ シール部材
１２３ 燃料供給口
１３０ 一体部材
１８０ 大径部
１８１ テーパー
１９０ 溝
２０１，２０５，５５０，８０１ 内径拡大部
２０２ 燃料通路
２０３ 燃料通路孔
２０６，６０４ 可動子側端面
２１０ 貫通孔
３０１ 凹部
３０２ 傾斜面
３０３ 下部内径面
６０５ 内径大径部
６０６ 内径小径部
７０１ 第一のテーパー
７０２ 第二のテーパー
８１０ 摺動延長部
９０８ 外径小径部
９０９ 磁気的な絞り部

Claims (9)

  1. 弁座と接することによって燃料通路を閉じ弁座から離れることによって燃料通路を開く弁体と、前記弁体と協働して開閉弁動作を行わせる可動子と、コイルに通電することにより励磁されて前記可動子を駆動する磁気力を発生する磁気コアとを備えた燃料噴射装置において、
    前記磁気コアは、前記可動子と対向する端面に開口して弁軸に沿う方向に形成された孔を有し、
    前記孔は、前記端面への開口部に、前記孔の奥側から前記端面向かって内径が次第に拡大していく内径拡大部を有し、
    前記内径拡大部の形成面と前記可動子との弁軸に沿う方向の間隔が、前記磁気コアの前記端面から前記孔の奥側に向かうほど拡大するように構成されたことを特徴とする燃料噴射装置。
  2. 請求項１に記載の燃料噴射装置において、
    前記可動子と前記磁気コアの少なくとも前記可動子側の一部とを内包する筒状部材を備え、
    前記筒状部材は、その内周面に形成された大径部と小径部とを有し、
    前記磁気コアは、前記筒状部材の前記小径部の内径よりも大きな外径を有し、前記大径部の内側に固定されたことを特徴とする燃料噴射装置。
  3. 請求項２に記載の燃料噴射装置において、
    前記内径拡大部が前記磁気コアの前記端面に開口する開口半径と磁気コアに形成された前記孔の半径との差は、前記大径部の半径と前記小径部の半径との差よりも大きいことを特徴とする燃料噴射装置。
  4. 請求項３に記載の燃料噴射装置において、
    前記筒状部材の前記大径部から前記小径部に変化する位置と前記磁気コアの前記端面との弁軸に沿う方向の距離は、閉弁状態で前記可動子と前記弁体とが静止した状態において、前記磁気コアの前記端面と前記可動子との間の距離よりも大きく設定されたことを特徴とする燃料噴射装置。
  5. 請求項４に記載の燃料噴射装置において、
    前記弁体と前記可動子とは相対変位可能に別部材で構成され、
    前記弁体は、前記可動子の前記弁体に対する開弁方向の相対変位を規制する規制部を有し、
    前記磁気コアに形成された前記孔の内径が最小となる部位は、前記規制部の位置よりも前記孔の奥部に形成されていることを特徴とする燃料噴射装置。
  6. 請求項４に記載の燃料噴射装置において、
    前記筒状部材は、その外周面に環状の凹部を有し、前記凹部の弁軸に沿う方向の位置は前記磁気コアの前記可動子と対向する端面の位置と重なっていることを特徴とする燃料噴射装置。
  7. 請求項４に記載の燃料噴射装置において、
    前記可動子は弁軸に沿う方向に形成された燃料通路孔を有し、
    前記燃料通路孔の中心位置が前記磁気コアに形成された前記孔の最小径よりも外周側に設けられていることを特徴とする燃料噴射装置。
  8. 請求項４に記載の燃料噴射装置において、前記磁気コアの前記可動子と対向する側の端面の面積よりも前記可動子の前記磁気コアと対向する平面部の面積の方が大きく設定されたことを特徴とする燃料噴射装置。
  9. 請求項４に記載の燃料噴射装置において、
    前記可動子の磁気コアと対向する端面とは反対側の面に、外径方向に向かって内径が拡大する内径拡大部を設け、
    前記拡大部の半径方向における始点位置を前記磁気コアの前記可動子と対向する端面の内径よりも外周側に設けたことを特徴とする燃料噴射装置。
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