JP2015204345A - 流体制御ソレノイド - Google Patents

Abstract

【課題】磁気吸引力を低下させることなく、可動部が傾いて衝突した際に過大な応力が発生することを防止する衝突部形状とすることで、より高い信頼性を有する電磁弁構造と、それを搭載した高圧燃料供給ポンプを提供する。
【解決手段】固定磁気コア５０５と、固定磁気コアに吸引されて駆動される可動部５０３とを備え、可動部の固定磁気コア側端面部５０６に、凸方向の曲率半径を有する曲面で形成された凸部５０７が、周方向全周に設けられ、可動部が傾斜して固定磁気コアに衝突した際、凸部が衝突部となる構造とし、凸部の曲率半径Ｒ２が、可動部の最外周部５０８と端面部をつなぐ角Ｒ部５０９の曲率半径Ｒ１よりも大きくなる形状とする。また、凸部から、内径側の平坦部および外径側の角Ｒ部に続く部分の曲率半径が、径方向に連続的に変化する形状とする。さらに、凸部を、衝突部に施された表面処理の結果生成される、表面処理層５１２によって形成する。
【選択図】図６

Description

本発明は、流体制御ソレノイドに関し、特に内燃機関に燃料を高圧で供給する高圧燃料供給ポンプに係る電磁弁内の衝突部形状に関する。

従来、電磁弁内の衝突部形状に関して各種提案がなされている。その中で、例えば特許文献１には、電磁駆動部を備えた、燃料噴射弁の衝突部に関して、周方向の一部に凸部を設ける形状が開示されている。同様に特許文献２にも、燃料噴射弁の衝突部に関して、磁気吸引面に、内径方向に傾斜して延びるテーパー形状を設け、その結果、衝突部が所定の幅を有する形状が開示されている。

特開２００４−１０８２１９号公報 特許３７４２６５１

昨今、内燃機関の小型・高出力・高効率化が精力的に進められている。これを受け、高圧燃料供給ポンプには内燃機関への搭載性を向上させるボディの小型化、および高出力・高効率化に対応する吐出燃料の高圧化や可動部の信頼性向上が強く求められている。特に、可動部の信頼性向上は、年々厳しくなる使用環境に対応するため必須の課題となっている。可動部の信頼性向上には、衝突部の応力低減が課題であり、可動部が傾いて衝突した際にも過大な応力が発生しないよう、衝突部形状を設計する必要がある。

電磁駆動部の衝突面形状に関する例として、特許文献１に示したような燃料噴射弁が挙げられる。この例では、燃料中における衝突部の貼り付きと、それによる応答性の低下を防ぐため、周方向の一部に凸部を設ける衝突部形状としている。高圧燃料供給ポンプの電磁弁は、先に述べた小型化やコスト低減の観点から、可動部が傾いて衝突することを許容し設計する必要がある。また、衝突箇所は特定されず、周方向にランダムに形成される場合が多い。このため、特許文献１に示されているような衝突部形状の場合、凸部がない部分で衝突する可能性が高く、応力の低減が困難である。

特許文献２でも同様に、応答性の低下を防止する燃料噴射弁の衝突部形状が開示されている。しなしながら、この構造では可動部の傾斜を前提としておらず、傾いて衝突した際、衝突部は角当たりを起こし、所定の幅を有すことが困難である。この結果、特許文献１と同様に応力の低減は困難である。

また、図１に従来の高圧燃料供給ポンプにおける電磁弁衝突部の拡大図を示す。電磁弁内部には、固定磁気コアと、それに吸引されて燃料中を高速に往復動する可動部が存在し、ポンプの動作周期に合わせて可動部の動作を制御することで、弁の開閉弁タイミングを変化させている。また、高圧燃料供給ポンプでは特に、弁部を通過する流量が大きいために可動部のストロークが大きく、また、小型化やコスト低減の観点から最小限のガイド部しか設けることができないため、可動部が傾いて衝突することを許容して設計する必要がある。このため、可動部は図１のように片当たりを起こし、衝突部には過大な応力が発生する可能性がある。これに対し、可動部の角部を破線で示すようなＲ形状にすることで、片当たりした際にも過大応力の発生を防止する方法が考えられる。しかしながらこの方法では、Ｒ形状を設けた分、可動部の磁気吸引面積が減少してしまうため、十分に大きなＲ形状を確保することが困難である。また、磁気吸引力特性を向上させるため、可動部には磁性材が使用されることが多い。磁性材は一般的な構造用鋼に比べて表面硬度が低いため、耐摩耗の観点から衝突部表面にめっき処理等を施して使用する場合が多いが、可動部の傾きを考慮することなく、均一に処理をした場合、処理前と同様に衝突部は片当たりを起こし、過大な応力が発生する可能性がある。

本発明では、磁気吸引力を低下させることなく、可動部が傾いて衝突した際に過大な応力が発生することを防止する衝突部形状とすることで、より高い信頼性を有する電磁弁構造と、それを搭載した高圧燃料供給ポンプを提供することを目的とする。

固定磁気コアと、固定磁気コアに吸引されて駆動される可動部とを備え、可動部の固定磁気コア側端面部に、凸方向の曲率半径を有する曲面で形成された凸部が、周方向全周に設けられ、可動部が傾斜して固定磁気コアに衝突した際、凸部が衝突部となる構造とし、凸部の曲率半径が、可動部の最外周部と端面部をつなぐ角Ｒ部の曲率半径よりも大きくなる形状とする。

また、凸部から、内径側の平坦部および外径側の角Ｒ部に続く部分の曲率半径が、径方向に連続的に変化する形状とする。さらに、凸部を、衝突部に施された表面処理の結果生成される、表面処理層によって形成する。

以上のように構成した本発明によれば、以下の効果を奏する。

磁気吸引面に凸部を形成し、局所的に所定の曲率半径を持たせることで、可動部が傾いて衝突した際にも凸部で衝突する構成とし、吸引面積を低下させることなく、応力低減の観点から、十分なR形状を設定することができる。

また、凸部とその周囲を繋ぐ形状の曲率半径が、連続的に変化する形状とすることで、衝突時の不要な応力集中を回避することができる。

先に述べたように、可動部には磁性材を使用することが多く、表面硬度が比較的低いことから、耐摩耗性の向上のために表面処理を施すことが一般的である。このため、表面処理により凸部形状を形成することができれば、新たな加工工程を追加することなく、本発明の効果を得ることができる。

総じて、本発明の構成を用いれば、磁気吸引力を低下させることなく、より高い信頼性を有する電磁弁構造と、それを搭載した高圧燃料供給ポンプを、小型かつ簡便な構造で実現することができる。

は、従来技術に係る電磁弁衝突部周辺の断面図を示す。 は、実施例１から実施例３を実施するシステムの全体構成を示す。 は、本発明の実施例１に係る電磁弁衝突部周辺の断面図を示す。 は、本発明の実施例２に係る電磁弁衝突部周辺の断面図を示す。 は、本発明の実施例３に係る電磁弁衝突部周辺の断面図を示す。 は、本発明の実施例４に係る電磁弁衝突部周辺の断面図を示す。

以下、図を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図２は、本発明の実施例１から実施例４を実施するシステムの全体構成を示す。高圧燃料供給ポンプはボディ１内に複数の部品や機構を一体に組み込んでおり、内燃機関のシリンダヘッド２０に取り付けられている。ボディ１には、吸入通路９、加圧室１１、吐出通路１２が形成されている。吸入通路９及び吐出通路１２には、電磁弁５、吐出弁８が設けられており、吐出弁８は燃料の流通方向を制限する逆止弁となっている。
プランジャ２は、シリンダ１２０に摺動可能に挿入されており、下端にはリテーナ３が取り付けられている。リテーナ３には戻しばね４の付勢力が図２の下方向に作用している。タペット６は、内燃機関のカム７の回転により、図２の上下方向に往復する。プランジャ２はタペット６に追従して変位するため、これにより加圧室１１の容積が変化してポンプ動作が可能となる。
また、電磁弁５はボディ１に保持されており、電磁コイル５００、可動子５０３、アンカーばね５０２、弁体ばね５０４が配されている。以降では、可動部５０３が１部材で形成される場合を前提に説明を進めるが、可動部５０３が磁気吸引面を形成するアンカー５０３ａと、摺動部を形成するロッド５０３ｂの２部材から形成された場合にも同様に実施例１から４を実施することが可能である。
以降では、ノーマルオープン方式電磁弁を用いたシステムを前提に説明を進める。電磁コイル５００がＯＦＦの状態で開弁状態、ＯＮの状態で閉弁状態となる電磁弁方式をノーマルオープン方式と称する。弁体５０１には、アンカーばね５０２の付勢力が可動部５０３を介して開弁方向に作用し、同様に弁体ばね５０４による付勢力が閉弁方向に作用している。ここで、アンカーばね５０２の付勢力は弁体ばね５０４の付勢力より大きいため、電磁コイル５００がＯＦＦ（無通電）時、弁体５０１は開弁状態となっている。一方で、これとは動作が逆転する、すなわち電磁コイル５００がＯＦＦ（無通電）時、弁体５０１が閉弁状態となるノーマルクローズ方式と称する電磁弁方式を用いたシステムを前提にしても、同様に実施例１から実施例４を実施することが可能である。
また、高圧燃料供給ポンプは、コモンレール５３に接続されており、昇圧された燃料が圧送される。その後、高圧の燃料はインジェクタ５４から内燃機関の筒内へと噴射される。コモンレール５３内の圧力は、圧力センサ５６により計測され、その信号はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）へ送られる。インジェクタ５４は、エンジンの気筒数にあわせて装着されており、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）４０の信号にて燃料を噴射する。
以上の構成において、動作を説明する。
内燃機関のカム７の回転により、プランジャ２が図２の下方向に変位している状態を吸入工程、上方向に変位している状態を圧縮工程と称する。吸入工程では、加圧室１１の容積は増加し、その中の燃料圧力は低下する。この工程において、加圧室１１内の燃料圧力が吸入通路９の燃料圧力よりも低くなると、弁体５０１は開弁し、燃料が加圧室１１内に吸入される。

この際、アンカーばね５０２の付勢力は可動部５０３を介して弁体５０１に作用しているため、プランジャ２が吸入工程から圧縮工程へと移行しても、弁体５０１は依然として開弁した状態を維持する。従って、圧縮工程時においても、加圧室１１の圧力は吸入通路９とほぼ同等の低圧状態を保つため、吐出弁８を開弁することができず、加圧室１１の容積減少分の燃料は、電磁弁５を通り、ダンパー室５１側に戻される。なお、この工程を戻し工程と呼ぶ。
戻し工程において電磁コイル５００へ通電すると、可動子５０３に磁気吸引力が作用し、アンカーばね５０２の付勢力に打ち勝って、可動部５０３は閉弁方向に移動する。そして、弁体ばね５０４の付勢力および戻り燃料の流体差圧力により、弁体５０１は閉弁する。すると、この直後から加圧室１１内の燃料圧力は、プランジャ２の上昇と共に上昇する。これにより吐出弁８が自動的に開弁し、燃料をコモンレール５３に圧送する。

上記のような動作をする電磁弁５を用いれば、電磁コイル５００をON状態にするタイミングを調節することで、ポンプが吐出する流量を制御することができる。
図３は、本発明の実施例１に係る電磁弁５の衝突部周りの断面図を示す。図３において、５０３は可動部、５０５は固定磁気コア、５０６は固定磁気コア側端面、５０７は凸部、５０８は最外周部、５０９は角Ｒ部を、それぞれ表している。
可動部５０３が、固定磁気コア５０５に対し傾斜して衝突した際、コア側端面５０６が平坦であると、最外周部５０８が衝突部となり、接触面積が微小なために、いわゆる片当たりを起こして過大な応力が発生してしまう可能性がある。これに対し、可動部５０３の固定磁気コア側端面５０６に、凸方向の曲率半径を有する曲面で形成された凸部５０７を、周方向全周に設けると、可動部５０３が傾斜して衝突した際、凸部５０７が衝突部となる。ここで、凸部５０７の曲率半径Ｒ２を、可動部５０３の、最外周部５０８と端面部５０６をつなぐ角Ｒ部５０９の曲率半径Ｒ１よりも大きくなるように設定する。このように、局所的に曲率半径を大きくすることで、衝突部の曲率を従来よりも大きくとることができ、接触面積を拡大することで応力を低減することができる。また、角Ｒ部５０９を単に拡大した場合、Ｒの拡大にともない、可動部５０３の外周部において固定磁気コア５０５とコア側端面５０６の隙間が大きくなり、有効な磁気吸引面直径が減少していく。ここで、衝突部Ｒ形状の開始点に自由度を持たせたり、Ｒ形状の中心点を可動子５０３の中心線より角Ｒ側にすることで局所的に曲率半径を大きくすれば、形状の自由度が増し、有効な磁気吸引面直径を減少させることなく、衝突部の曲率半径を従来よりも大きくとることができる。これにより磁気吸引面積を減らすことなく、衝突部に過大な応力が発生することを防止することができる。
ここで、曲率半径Ｒ１は、加工時に面取りの目的で設けられるもので、一般にＲ０．１〜０．３ｍｍ程度である。これに対し、曲率半径Ｒ２はＲ７０ｍｍ以上が好ましい。Ｒ７０ｍｍ以上では、衝突部に発生する応力を、一般的な可動子の大きさや質量、および傾きの最大値に対して、一般的な磁性材に許容される面圧よりも低くでき、十分な信頼性を確保することができる。
以上をまとめると、本実施例により、磁気吸引面積を減らすことなく、衝突部に十分な曲率半径を設定することが可能であり、可動部５０３が傾いて固定磁気コア５０５に衝突した際にも、衝突部に過大な応力が発生することを防止することができる。
なお、以上では、可動部５０３側に凸部５０７を設ける場合について説明したが、固定磁気コア５０５側に凸部５０７を設けてもよい。固定磁気コア５０５側に凸部５０７を設けても、同様に可動部５０３の角Ｒ部５０９が衝突することはなく、凸部５０７とコア側端面５０６の平坦部が衝突するため、過大な応力が発生することを防止することができる。

図４は、本発明の実施例２に係る電磁弁５の衝突部周りの断面図を示す。図４において、５０３は可動部、５０５は固定磁気コア、５０６は固定磁気コア側端面、５０７は凸部、５０８は最外周部、５０９は角Ｒ部、５１０および５１１は接続部を、それぞれ表している。
本実施例では、凸部５０７とコア側端面５０６の平坦部を接続する接続部５１０、および凸部５０７と外径側の角Ｒ部５０９を接続する接続部５１１の曲率半径が、径方向に連続的に変化する形状となっている。この場合にも、実施例１と同様に、凸部５０７の曲率半径Ｒ２が、可動部５０３の、最外周部５０８と端面部５０６をつなぐ角Ｒ部５０９の曲率半径Ｒ１よりも大きい。さらに、実施例１と同様の理由で、曲率半径Ｒ２はＲ７０ｍｍ以上が好ましい。
このような形状とすることで、衝突部に荷重が作用した際に、曲率半径が不連続に変化している部分で不要な応力集中が発生することを回避することができる。また、可動部５０３の周りは燃料で満たされているため、その動きにともない、周囲に高速流が発生する。固定磁気コア５０５と可動部５０３の間にも、動作にともなう径方向の高速流が頻繁に発生するため、可動部５０３の表面形状が不連続に変化していると、渦が発生して流れが乱れる可能性がある。この結果、可動部５０３に不要な外力が作用して動作が不安定になるだけでなく、局所的に低圧領域が生じることでキャビテーションが発生し、可動部５０３および固定磁気コア５０５の表面で崩壊することで過大な応力が作用してしまう可能性がある。ここで、接続部５１０および接続部５１１の曲率半径が径方向に連続的に変化する形状とすれば、先に述べた流れの乱れを防止することができる。
以上をまとめると、本実施例により、磁気吸引面積を減らすことなく、可動部５０３が傾いて固定磁気コア５０５に衝突した際にも、衝突部に過大な応力が発生することを防止することができるだけでなく、衝突時の不要な応力集中を緩和し、さらには動作により発生する周囲の燃料流れを整流して、キャビテーション崩壊により部材表面に過大な応力が発生することも防止することができる。

図５は、本発明の実施例３に係る電磁弁５の衝突部周りの断面図を示す。図５において、５０３は可動部、５０５は固定磁気コア、５０６は固定磁気コア側端面、５０７は凸部、５０８は最外周部、５０９は角Ｒ部を、それぞれ表している。
本実施例は、凸部５０７がコア側端面５０６の全域に渡って形成される場合に関する。この場合にも、実施例１と同様に、凸部５０７の曲率半径Ｒ２が、角Ｒ部５０９の曲率半径Ｒ１よりも大きい。さらに、実施例１と同様の理由で、曲率半径Ｒ２はＲ７０ｍｍ以上が好ましい。また、次に述べる実施例４に示すように、表面処理で凸部５０７の形状を形成し、それを量産する場合、その形状を安定させることが難しいため、寸法検査による選別が現実的な方法となる。この場合、生産した個々の部品に関して、逐一、曲率を計測することは、生産効率の低下につながり好ましくない。一方で、角Ｒ部５０９と凸部５０７の高さの差ΔＨを計測することは、比較的容易である。ここで、可動部５０３の幅をＸとした際、ΔＨ≦７０−｛７０＾２−（Ｘ／２）＾２｝＾０．５とすれば、凸部５０７の曲率半径Ｒ２がＲ７０ｍｍ以上となり、実施例１と同様の理由で好ましい。また、コア側端面５０６に平坦部が存在する場合、平坦部から凸部５０７の高さの差をΔＨとすれば、同様の効果が得られる。この場合、Ｘは可動部５０３の幅から平坦部を除いた幅と定義する。
以上のような構成とすることで、凸部５０７の曲率半径Ｒ２の代わりに、凸部５０７の高さにより形状を定義し、実施例１と同等の過大応力防止効果を維持できる。また、付随的な効果として、量産時の寸法検査による選別効率を向上させることができる。

図６は、本発明の実施例４に係る電磁弁５の衝突部周りの断面図を示す。図６において、５０３は可動部、５０５は固定磁気コア、５０６は固定磁気コア側端面、５０７は凸部、５０８は最外周部、５０９は角Ｒ部、５１２は表面処理の結果形成される表面処理層を、それぞれ表している。
本実施例は、可動部５０３のコア側端面５０６に表面処理を実施した場合に関する。表面処理の結果、コア側端面５０６の表面に一定の厚さを持った表面処理層５１２が形成される。表面処理の種類には、めっき処理や窒化処理などが挙げられ、従来の場合、摩耗防止が主な目的である。この際、コア側端面５０６を実施例１から実施例３のような形状として凸部５０７を形成した上で、均一厚さの表面処理を施してもよいが、コア側端面５０６を安易な加工で形成可能な平坦形状としておき、表面処理層５１２の形状を変化させることで、凸部５０７を形成してもよい。この場合にも、実施例１と同様に、凸部５０７の曲率半径Ｒ２が、可動部５０３の、最外周部５０８と端面部５０６をつなぐ角Ｒ部５０９の曲率半径Ｒ１よりも大きい。さらに、実施例１と同様の理由で、曲率半径Ｒ２はＲ７０ｍｍ以上が好ましい。
磁気吸引力特性を向上させるため、可動部５０７には磁性材が使われることが多い。磁性材は一般的な構造用鋼に対して、表面硬度が比較的低く、先にも述べたように、摩耗防止の観点から、衝突部の表面処理を前提として設計される場合が多い。このため、表面処理層５１２の形状を変化させることで、凸部５０７を形成させることができれば、新たな加工工程を増やすことなく、過大応力の発生を防止することができる。さらに、コア側端面５０６の内径側における表面処理層５１２の厚さt1に対し、外径側の凸部５０７における表面処理層５１２の厚さt2の方が厚くなるように処理を実施すれば、本来の表面処理の目的である耐摩耗の観点からも好ましい。
以上は実施例２の形状に関し代表として説明したが、実施例１や実施例３の形状に関して本実施例を適用しても、同様の効果を得ることが可能である。
また、他の実施例としては凸部を固定磁気コア側に持たせる構成としても良く、この場合固定磁気コア自身に凸部を設けても良いが、凸部のみ別部品とし固定コア側あるいは可動子側に配置する構成とすることもできる。

１…ボディ、２…プランジャ、３…リテーナ、４…戻しばね、５…電磁弁、６…タペット、７…カム、８…吐出弁、９…吸入通路、１１…加圧室、１２…吐出通路、５０３…可動部、５０５…固定磁気コア、５０７…凸部、５０８…最外周部、５０９…角Ｒ部、５１０および５１１…接続部、５０…燃料タンク、５３…コモンレール、５４…インジェクタ、５６…圧力センサ

Claims (11)

1. 固定磁気コアと、前記固定磁気コアに吸引されて駆動される可動部とを備え、前記可動部の前記固定磁気コア側端面部に、凸方向の曲率半径を有する曲面で形成された凸部が、周方向全周に設けられ、前記可動部が傾斜して前記固定磁気コアに衝突した際、前記凸部が衝突部となる流体制御ソレノイドであって、
   前記凸部の曲率半径が、前記可動部の、最外周部と前記端面部をつなぐ角Ｒ部の曲率半径よりも大きいことを特徴とする流体制御ソレノイド。
   
2. 請求項１の流体制御ソレノイドにおいて、前記凸部と内径側の平坦部、および前記凸部と外径側の角Ｒ部を接続する接続部の曲率半径が、径方向に連続的に変化することを特徴とする流体制御ソレノイド。
   
3. 請求項１ないし請求項２の流体制御ソレノイドにおいて、前記凸部の曲率半径がＲ≧７０ｍｍとなることを特徴とする流体制御ソレノイド。
   
4. 請求項１ないし請求項２の流体制御ソレノイドにおいて、前記衝突部の高さと前記平坦部または前記角Ｒ部の高さの差ΔＨｍｍが、前記端面部の径方向幅Ｘｍｍに対し、ΔＨ≦７０−｛７０＾２−（Ｘ／２）＾２｝＾０．５となることを特徴とする流体制御ソレノイド。
   
5. 請求項１から請求項４の流体制御ソレノイドにおいて、前記凸部が、前記端面部に施された表面処理の結果生成される、表面処理層によって形成されることを特徴とする流体制御ソレノイド。
   
6. 請求項５の流体制御ソレノイドにおいて、前記表面処理がめっき処理であることを特徴とする流体制御ソレノイド。
   
7. 請求項５の流体制御ソレノイドにおいて、前記表面処理が窒化処理であることを特徴とする流体制御ソレノイド。
   
8. 請求項５の流体制御ソレノイドにおいて、前記衝突部における前記表面処理層の厚さが、前記平坦部における厚さよりも厚くなることを特徴とする流体制御ソレノイド。
   
9. 固定磁気コアと、前記固定磁気コアに吸引されて駆動される可動部とを備え、前記固定磁気コアの前記可動部側端面部に、凸方向の曲率半径を有する曲面で形成された凸部が、周方向全周に設けられ、前記可動部が傾斜して前記固定磁気コアに衝突した際、前記凸部が衝突部となる流体制御ソレノイドであって、
   前記凸部の曲率半径が、前記固定磁気コアの、最外周部と前記端面部をつなぐ角Ｒ部の曲率半径よりも大きいことを特徴とする流体制御ソレノイド。
   
10. 請求項９記載の流体制御ソレノイドであって、
    前記凸部は、前記固定磁気コアと同一部材により一体成型されていることを特徴とする流体制御ソレノイド。
    
11. 請求項１から請求項１０の流体制御ソレノイドを内蔵することを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。