JP2013151915A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】プランジャロッドと分離しているアンカーに加わる横力がプランジャロッドを経由して弁体のシート部に伝達することを防ぐアンカー、プランジャロッドのガイド方法を提供する。
【解決手段】アンカー１０２とプランジャロッド１１４Ａとが弁軸方向に相対運動可能に構成された電磁式燃料噴射弁において、プランジャロッド１１４Ａの外径部１１４Ａａを案内する第１の案内部１２７と、アンカー１０２の内径部２０１ａを案内する第２の案内部２００ａとを有するガイド部品１１３をノズル内径部に備える。このとき、ガイド部品１１３に第１の案内部１２７を構成する内径部と第２の案内部２００ａを構成する外径部とを設けると良い。第２の案内部２００ａは第１の案内部１２７に対して、径方向において、径が大きくなる側に設けられていると良い。
【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関し、特に電磁的に駆動される可動子によって、燃料通路を開閉するものに関する。

内燃機関には、運転状態に応じた適切な燃料量を燃料噴射弁の噴射時間に変換する演算を行い、燃料を供給する燃料噴射弁を駆動させる燃料噴射制御装置が備えられている。燃料噴射弁は、内部のソレノイドに流れる電流によって発生する磁気力によって燃料噴射弁を構成している弁体の開閉を行い、燃料の噴射を行う。噴射される燃料量は、主に燃料の圧力と燃料噴射弁の噴口部の雰囲気圧力との差圧、並びに弁体を開いた状態に維持し、燃料が噴射されている時間により決定される。

自動車に搭載された内燃機関の燃焼によって発生する排気ガスに含まれる未燃燃料や窒素酸化物の量は、自動車の製品寿命に渡って規制値以下となることが求められる。

燃料噴射弁の先端では閉弁時に弁体と弁座により燃料がシールされ、意図しないタイミングで燃料が燃料噴射弁から漏れ出ることを防いでいる。

しかしながら燃料噴射弁の初期特性では漏れ量がゼロであっても、長時間の使用によるシート構成部品の経時変化により、極微量の燃料が漏れ出てしまう可能性は否定できない。

このような極微量の漏れ燃料がある場合、内燃機関の停止中であっても燃料噴射弁に接続された燃料レールに残存する燃料が内燃機関内部のピストンとシリンダから構成される燃焼室に供給、蓄積され、次回内燃機関始動時に未燃燃料成分として排出される。近年の法規制値は、このような未燃燃料成分が排気ガスとして排出されると満足できないレベルにまで厳格化されているため、燃料噴射弁には製品寿命に渡って漏れ燃料を限りなくゼロにすることが要求されている。

燃料噴射弁先端からの漏れ量が製品使用期間中に増加する原因として、シート部の経時変化またはシート面圧の低下が考えられる。シート部が経時変化する原因として、可動子を構成するアンカーに横力が加わり、プランジャロッドが開弁から閉弁に向かう際に、ププランジャロッド軸方向以外の変位が発生し、弁体が弁座のシートとは異なる位置に着座し、シート部の幾何学的形状に偏った摩耗が発生し、弁体と弁座が燃料をシールするのに不適な形状に経時変化してしまうことが考えられる。

またシート面圧が低下する原因として、可動子を構成するアンカーに横力が加わり、プランジャロッドを通じて弁体のシート部に横力が発生し、弁体のシート面圧が横力によって減少することが考えられる。

以上より燃料噴射弁からの極微量の漏れ量を製品寿命に渡って低減するには、プランジャロッドの弁体に伝わる横力を低減することが重要である。

従来技術においては上記問題を緩和するために、アンカーのガイド方法を工夫する技術が開示されている。

従来技術の一例として、アンカーのガイド直径を拡大することで案内特性を改善し、弁ニードルは傾倒又はロックの影響を受けにくくなる。又、案内が可動子に近づくことでモーメントは減少させられることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

別の従来技術の一例として、アンカーと弁体を別体化すると同時に、アンカーの摺動部をアンカー外径部と、アンカー外径部と対向する面であるノズルホルダ内径部とで構成することが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特表２００３−５１１６０２号公報 特開２０１０−２８１２４８号公報

燃料噴射弁のシート部からの漏れ燃料を低減するには、弁体のシート部に加わる横力を低減する必要がある。公知の燃料噴射弁の構成では、依然としてプランジャロッドと分離しているアンカーに加わる横力がプランジャロッドを経由して弁体のシート部に伝達してしまう。

本発明の目的は、プランジャロッドと分離しているアンカーに加わる横力がプランジャロッドを経由して弁体のシート部に伝達することを防ぐアンカー、プランジャロッドのガイド方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、アンカーとプランジャロッドとが弁軸方向に相対運動可能に構成された電磁式燃料噴射弁において、プランジャロッドの外径部を案内する第１の案内部と、アンカーの内径部を案内する第２の案内部とを有するガイド部品をノズル内径部に備える。このとき、ガイド部品に第１の案内部を構成する内径部と第２の案内部を構成する外径部とを設けると良い。第２の案内部は第１の案内部に対して、径方向において、径が大きくなる側に設けられていると良い。また、プランジャロッドがアンカーの中央部を開閉弁方向に貫通して形成された貫通孔に挿通するように構成し、貫通孔の内周面とプランジャロッドの外周面との間のクリアランスを、第１の案内部におけるプランジャロッドとガイド部品との間のクリアランスと、第２の案内部におけるアンカーとガイド部品との間のクリアランスとの和よりも大きくすると良い。さらに、アンカーの外径とノズル内径との間のクリアランスを、第２の案内部におけるアンカーとガイド部品との間のクリアランスよりも大きくすると良い。

本発明の燃料噴射弁ではアンカーに加わる横力がプランジャロッドの弁体に伝達することを防止できるため、燃料噴射弁先端のシート部の経時変化またはシート面圧の低下が抑制され、燃料噴射弁のシート部からの漏れ燃料を低減することができる。

本発明の実施形態による燃料噴射弁の全体断面図である。 本発明の実施形態による燃料噴射弁の詳細断面図である。 本発明の実施形態による燃料噴射弁の詳細断面図である。

以下、図１〜図３を用いて、本発明の実施形態による燃料噴射弁の構成について説明する。図１は実施例の燃料噴射弁の縦断面図である。図２、図３は図１の部分拡大図で、実施例の燃料噴射弁の詳細を示したものである。

ノズルホルダ１０１は直径が小さい小径筒状部２２と直径が大きい大径筒状部２３とを備えている。小径筒状部２２の先端部分の内部に、ガイド部材１１５，燃料噴射口を備えたオリフィスカップ（燃料噴射口形成部材）１１６が小径筒状部２２の奥側からこの順に積層されて挿入され、オリフィスプカップ１１６の先端面の外周の縁部が全周溶接されることにより、ガイド部材１１５とオリフィスカップ１１６とが小径筒状部２２に固定される。ガイド部材１１５は後述する可動子を構成するプランジャロッド１１４Ａの先端に設けられた弁体１１４Ｂの外周をガイドする。オリフィスカップ１１６にはガイド部材１１５に面する側に円錐状の弁座３９が形成されている。この弁座３９にはプランジャロッド１１４Ａの先端に設けた弁体１１４Ｂが当接し、燃料の流れを燃料噴射口に導いたり遮断したりする。ノズルホルダ１０１の外周には溝が形成されており、この溝に樹脂材製のチップシール１３１に代表されるシール部材が嵌め込まれている。

プランジャロッド１１４Ａの弁体１１４Ｂが設けられている端部とは反対の端部にはプランジャロッド１１４Ａの直径より大きい外径を有する段付き部１２９を有する頭部１１４Ｃが設けられている。段付き部１２９の上端面にはプランジャロッド１１４Ａを閉弁方向に付勢するスプリング１１０の着座面が設けられており、中心にはチップシール１３１が形成されている。

可動子１１４はプランジャロッド１１４Ａが貫通する貫通孔１２８を中央に備えたアンカー１０２を有する。アンカー１０２とロッドガイド１１３との間にアンカー１０２を開弁方向に付勢するゼロスプリング１１２が保持されている。

頭部１１４Ｃの段付き部１２９の直径より貫通孔１２８の直径の方が小さいので、プランジャロッド１１４Ａをオリフィスカップ１１６の弁座に向かって押付けるスプリング１１０の付勢力もしくは重力の作用下においては、ゼロスプリング１１２によって保持されたアンカー１０２の上側面とプランジャロッド１１４Ａの段付き部１２９の下端面が当接し、両者は係合している。これによりゼロスプリング１１２の付勢力もしくは重力に逆らう上方へのアンカー１０２の動きあるいは、ゼロスプリング１１２の付勢力もしくは重力に沿った下方へのプランジャロッド１１４Ａの動きに対して両者は協働して動くことになる。しかし、ゼロスプリング１１２の付勢力もしくは重力に関係なくプランジャロッド１１４Ａを上方へ動かす力、あるいはアンカー１０２を下方へ動かす力が独立して両者に作用したとき、両者は別々の方向に動くことができる。

ノズルホルダ１０１の大径筒状部２３の内周部には固定コア１０７が圧入され、圧入接触位置で溶接接合されている。この溶接接合によりノズルホルダ１０１の大径筒状部２３の内部と外気との間に形成される隙間が密閉される。固定コア１０７は中心にプランジャロッド１１４Ａの段付き部１２９の直径よりわずかに大きい直径Ｄの貫通孔１０７Ｄが燃料導入通路として設けられている。

固定コア１０７の下端面（衝突端面）や、アンカー１０２の上端面及び衝突端面にはメッキを施して耐久性を向上させることがある。アンカーに比較的軟らかい軟磁性ステンレス鋼を用いた場合においても、硬質クロムメッキや無電解ニッケルメッキを用いることで、耐久信頼性を確保することができる。

貫通孔の下端部内周にはプランジャロッド１１４Ａの段付き部１２９が非接触状態で挿通されており、固定コア１０７の貫通孔１０７Ｄとプランジャロッド１１４Ａの段付き部１２９の外周との間には図２に示す隙間Ｓ１が与えられている。これは固定コア１０７からプランジャロッド１１４Ａへの磁束漏洩防止と貫通孔１０７Ｄを通過してきた燃料をスムースに通過させるためである。

プランジャロッド１１４Ａの頭部１１４Ｃに設けられた段付き部１２９の上端面に形成されたスプリング受け面には初期荷重設定用のスプリング１１０の下端が当接しており、スプリング１１０の他端が固定コア１０７の貫通孔１０７Ｄの内部に圧入される調整子５４で受け止められることで、スプリング１１０が頭部１１４Ｃと調整子５４の間に保持されている。調整子５４の固定位置を調整することでスプリング１１０がプランジャロッド１１４Ａを弁座３９に押付ける初期荷重を調整することができる。

可動子１１４のストローク調整は、アンカー１０２をノズルホルダ１０１の大径筒状部２３内にセットし、ノズルホルダ１０１の大径筒状部２３外周に電磁コイル（１０４，１０５），ハウジング１０３を装着した後、プランジャロッド１１４Ａをアンカー１０２に挿通した状態で、治具によりプランジャロッド１１４Ａを閉弁位置に押下し、コイル１０５へ通電したときのプランジャロッド１１４のストロークを検出しながら、オリフィスカップ１１６の圧入位置を決定することで可動子１１４のストロークを任意の位置に調整できる。

初期荷重設定スプリング１１０の初期荷重が調整された状態で、固定コア１０７の下端面が可動子１１４のアンカー１０２の上端面に対して約４０乃至１００ミクロン程度の磁気吸引ギャップ１３６を隔てて対面するように構成されている。なお図中では寸法の比率を無視して拡大して表示している。

ノズルホルダ１０１の大径筒状部２３の外周にはカップ状のハウジング１０３が固定されている。ハウジング１０３の底部には中央に貫通孔が設けられており、貫通孔にはノズルホルダ１０１の大径筒状部２３が挿通されている。ハウジング１０３の外周壁の部分はノズルホルダ１０１の大径筒状部２３の外周面に対面する外周ヨーク部を形成している。ハウジング１０３によって形成される筒状空間内には環状を成すように巻回された電磁コイル１０５が配置されている。コイル１０５は半径方向外側に向かって開口する断面がＵ字状の溝を持つ環状のコイルボビン１０４と、この溝の中に巻きつけられた銅線で形成される。コイル１０５の巻き始め，巻き終わり端部には剛性のある導体１０９が固定されており、固定コア１０７に設けた貫通孔より引き出されている。この導体１０９と固定コア１０７，ノズルホルダ１０１の大径筒部２３の外周はハウジング１０３の上端開口部内周から絶縁樹脂を注入して、モールド成形され、樹脂成形体１２１で覆われる。かくして、電磁コイル（１０４，１０５）の周りにトロイダル状の磁気通路が形成される。

導体１０９の先端部に形成されたコネクタ４３Ａには高電圧電源、バッテリ電源より電力を供給するプラグが接続され、図示しないコントローラによって通電，非通電が制御される。コイル１０５に通電中は、磁気回路１４０を通る磁束によって磁気吸引ギャップ１３６において可動子１１４のアンカー１０２と固定コア１０７との間に磁気吸引力が発生し、アンカー１０２がスプリング１１０の設定荷重を超える力で吸引されることで上方へ動く。このときアンカー１０２はプランジャロッドの頭部１１４Ｃと係合して、プランジャロッド１１４Ａと一緒に上方へ移動し、アンカー１０２の上端面が固定コア１０７の下端面に衝突するまで移動する。その結果、プランジャロッド１１４Ａの先端の弁体１１４Ｂが弁座３９より離間し、燃料が燃料通路１１８を通り、オリフィスカップ１１６先端にある噴射口から内燃機関の燃焼室内に噴出する。

電磁コイル１０５への通電が断たれると、磁気回路１４０の磁束が消滅し、磁気吸引ギャップ１３６における磁気吸引力も消滅する。この状態では、プランジャロッド１１４Ａの頭部１１４Ｃを反対方向に押す初期荷重設定用のスプリング１１０のばね力がゼロスプリング１１２の力に打ち勝って可動子１１４全体（アンカー１０２，プランジャロッド１１４Ａ）に作用する。その結果、アンカー１０２はスプリング１１０のばね力によって、弁体１１４Ｂが弁座３９に接触する閉位置に押し戻される。このとき、頭部１１４Ｃの段付き部１２９がアンカー１０２の上面に当接してアンカー１０２を、ゼロスプリング１１２の力に打ち勝ってロッドガイド１１３側へ移動させる。弁体１１４Ｂが弁座に衝突すると、アンカー１０２はプランジャロッド１１４Ａと別体であるため、慣性力にロッドガイド１１３方向への移動を継続する。このときプランジャロッド１１４Ａの外周とアンカー１０２の内周との間に流体による摩擦が発生し、弁座３９から再度開弁方向に跳ね返るプランジャロッド１１４Ａのエネルギが吸収される。慣性質量の大きなアンカー１０２がプランジャロッド１１４Ａから切り離されているので、跳ね返りエネルギ自体も小さくなる。また、プランジャロッド１１４Ａの跳ね返りエネルギを吸収したアンカー１０２は自らの慣性力がその分だけ減少し、ゼロスプリング１１２を圧縮した後に受ける反発力も小さくなるため、アンカー１０２自体の跳ね返り現象によってプランジャロッド１１４Ａが開弁方向に再び動かされる現象は発生し難くなる。かくして、プランジャロッド１１４Ａの跳ね返りは最小限に抑えられ、電磁コイル（１０４，１０５）への通電が断たれた後に弁が開いて、燃料が不作為に噴射される、いわゆる二次噴射現象が抑制される。

図２に可動子を構成するアンカー１０２周りの拡大図を示す。ノズルホルダ１０１の大径筒状部２３の内周下端部には可動子１１４のプランジャロッド１１４Ａをガイドするロッドガイド１１３が大径筒状部２３の絞り加工部２５に圧入固定されている。このロッドガイド１１３が本発明に係るガイド部品を構成している。

ロッドガイド１１３は中央にプランジャロッド１１４Ａをその軸方向（弁軸方向）に案内（ガイド）するガイド孔１２７が設けられており、その周囲に複数個の燃料通路１２６が穿孔されている。細長い形状のプランジャロッド１１４Ａはロッドガイド１１３のガイド孔１２７と図１に示すガイド部材１１５のガイド孔によってまっすぐに往復動するようガイドされる。すなわち、プランジャロッド１１４Ａは、その外径部１１４Ａａがロッドガイド１１３の内径部（ガイド孔１２７）によってガイドされている。なお、開閉弁方向、開弁方向または閉弁方向は上記の弁軸方向に沿う方向である。

一方、アンカー１０２は、ノズルホルダ１０１の大径筒状部２３の内周面とアンカー１０２の外周面との間や、アンカー１０２の貫通孔１２８の内周面とプランジャロッド１１４Ａの外周面との間で摺動したり、ガイドされたりしないようにしている。アンカー１０２は、ロッドガイド１１３の凸部２００の外周面（外径部）２００ａと、アンカー１０２のスカート部２０１の内周面（内径部）２０１ａとによって中心位置が保持されるように、ガイドされている。またアンカー１０２の下端面はロッドガイド１１３の上端面に対面しているが、ゼロスプリング１１２が介在していることで両者が接触することはない。

ガイド孔１２７はガイド部品（ロッドガイド１１３）に設けられる第１の案内部を構成し、ロッドガイド１１３の外周面（外径部）２００ａはガイド部品（ロッドガイド１１３）に設けられる第２の案内部を構成している。そして、第２の案内部を構成するロッドガイド１１３の外径部２００ａは、第１の案内部を構成するガイド孔１２７に対して、径方向において外側（径が大きくなる側）に設けられている。

上記のガイド構成により、ガイド部品（ロッドガイド１１３）の第１の案内部１２７はプランジャロッド１１４Ａの外径部１１４Ａａと接触しており、プランジャロッド１１４Ａの外径部１１４Ａａは第１の案内部１２７と摺動する。また、ガイド部品の第２の案内部２００ａはアンカーの内径部２０１ａと接触しており、アンカーの内径部２０１ａは第２の案内部２００ａと摺動する。

図３は図２に示すアンカー１０２の左半分のみをさらに拡大した図である。アンカー１０２の外周面とノズルホルダ１０１の大径筒状部２３の内周面との間にはサイドギャップ１３０が設けられている。このサイドギャップ１３０のギャップ長さｇ₁₃₀はロッドガイド１１３の凸部２００の外周面２００ａとアンカー１０２のスカート部２０１の内周面２０１ａとの間のクリアランス３０２よりも大きい。つまりアンカー１０２は固定コア１０７に発生する磁気吸引力や、ゼロスプリング１１２、図２に示す初期荷重設定スプリング１１０によって受ける力によって運動する場合でも、ノズルホルダ１０１の大径筒状部２３の内径と接触することは無く、常にサイドギャップ１３０が存在する。

プランジャロッド１１４Ａの外周面とアンカー１０２の内周面との間にはギャップ長さｇ₃₀₀で示すクリアランス３００が存在する。このクリアランス３００はプランジャロッド１１４Ａがロッドガイド１１３によってガイドされている部位のクリアランス３０１と、ロッドガイド１１３の凸部２００の外周面２００ａとアンカー１０２のスカート部２０１の内周面２０１ａとの間のクリアランス３０２の和よりも大きい。

つまりアンカー１０２は固定コア１０７に発生する磁気吸引力や、ゼロスプリング１１２、図２に示す初期荷重設定スプリング１１０によって受ける力によって運動する場合でも、プランジャロッド１１４Ａの外周面と接触することは無く、常にクリアランス３００が存在する。

上記ガイド形状とクリアランスの関係により、アンカー１０２に加わる横力は全てロッドガイド１１３に伝達し、プランジャロッド１１４Ａには伝達しない燃料噴射弁の可動子の構造を実現していることになる。

以上より、本発明の形状を適用すると、アンカー１０２に加わる横力がプランジャロッド１１４Ａの弁体１１４Ｂに伝達することを防止できるため、燃料噴射弁のシート部からの漏れ燃料を低減することができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではない。また、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。

２２ ノズルホルダ小径筒状部
２３ ノズルホルダ大径筒状部
３９ 弁座
４３Ａ コネクタ
５４ 調整子
１０１ ノズルホルダ
１０２ アンカー
１０３ ハウジング
１０４ コイルボビン
１０５ コイル
１０７ 固定コア
１０７Ｄ 固定コア貫通孔（燃料通路）
１０７Φ 固定コア燃料通路内径仮想位置
１０９ 導体
１１０ スプリング
１１２ ゼロスプリング
１１３ ロッドガイド
１１４ 可動子
１１４Ａ プランジャロッド
１１４Ｂ 弁体
１１４Ｃ プランジャロッド頭部
１１５ ガイド部材
１１６ オリフィスカップ
１１７Φ プランジャロッド頭部スプリング受け座外径位置
１１８、１２６、Ｓ１ 燃料通路
１２１ 樹脂成形体
１２２ アンカー上端面
１２７ ガイド孔
１２８、１７０、１７１、１７２、１７３ 貫通孔
１２９ 段付き部
１３０ サイドギャップ（燃料通路）
１３１ チップシール
１３２ 固定コアテーパ
１３４ プランジャロッド頭部外周エッジ
１４０ 磁気通路
１５０、１５１、１５２、１５３ ザグリ孔
１６０、１６１、１６２、１６３、１６４ アンカー衝突端面（接触面）
２００ ロッドガイド凸部
２０１ アンカースカート部
３００ プランジャロッド〜アンカークリアランス
３０１ プランジャロッド〜ロッドガイドクリアランス
３０２ アンカー〜ロッドガイドクリアランス
Ｄ 固定コア燃料通路直径

Claims (5)

1. アンカーと先端に弁体が設けられたプランジャロッドとを含み、前記アンカーとプランジャロッドとが開閉弁方向に相対運動できるように構成された可動子と、前記可動子を覆うノズルとを備え、中心部に燃料を導く燃料導入口を有する固定コアと、前記アンカーの端面と前記固定コアの端面との間に設けられた磁気ギャップを含む磁気通路に磁束を供給する電磁コイルとを備え、前記磁気ギャップを通る磁束によって前記アンカーの端面と前記固定コアの端面との間に生起された磁気吸引力で前記アンカーを前記固定コア側に引き付けて前記可動子を駆動し、前記弁体を弁座から引き離して当該弁座に設けた燃料通路を開く燃料噴射弁において、
   前記プランジャロッドの外径部を案内する第１の案内部と、前記アンカーの内径部を案内する第２の案内部とを有するガイド部品を前記ノズルの内径部に備えたことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 請求項１に記載の燃料噴射弁において、前記ガイド部品に第１の案内部を構成する内径部と第２の案内部を構成する外径部とを設けたことを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項１に記載の燃料噴射弁において、第２の案内部は第１の案内部に対して、径が大きくなる側に設けられていることを特徴とする燃料噴射弁。
4. 請求項３に記載の燃料噴射弁において、前記プランジャロッドは前記アンカーの中央部を開閉弁方向に貫通して形成された貫通孔に挿通しており、前記貫通孔の内周面と前記プランジャロッドの外周面との間のクリアランスを、前記第１の案内部における前記プランジャロッドと前記ガイド部品との間のクリアランスと、前記第２の案内部における前記アンカーと前記ガイド部品との間のクリアランスとの和よりも大きくしたことを特徴とする燃料噴射弁。
5. 請求項４に記載の燃料噴射弁において、前記アンカーの外径と前記ノズルの内径との間のクリアランスを、前記第２の案内部における前記アンカーと前記ガイド部品との間のクリアランスよりも大きくしたことを特徴とする燃料噴射弁。