以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による燃料噴射弁を図1に示す。燃料噴射弁1は、例えば図示しない直噴式ガソリンエンジンの燃料噴射装置に用いられ、燃料としてのガソリンをエンジンに噴射供給する。
燃料噴射弁1は、ハウジング20、ニードル40、可動コア50、固定コア60、コイル70、スプリング81、およびスプリング82などを備える。
ハウジング20は、図1に示すように、第1筒部材21、第2筒部材22、第3筒部材23、および噴射ノズル30から構成されている。第1筒部材21、第2筒部材22、および第3筒部材23は、いずれも略円筒状に形成され、第1筒部材21、第2筒部材22、第3筒部材23の順に同軸となるよう配置され、互いに接続する。
第1筒部材21および第3筒部材23は、例えばフェライト系ステンレス等の磁性材料により形成され、磁気安定化処理が施されている。第1筒部材21および第3筒部材23は、硬度が比較的低い。一方、第2筒部材22は、例えばオーステナイト系ステンレス等の非磁性材料により形成されている。
噴射ノズル30は、第1筒部材21の第2筒部材22とは反対側の端部に設けられる。噴射ノズル30は、例えばマルテンサイト系ステンレス等の金属により形成されている。噴射ノズル30は、所定の硬度を有するよう焼入れ処理が施されている。
噴射ノズル30は、略有底筒状に形成され、底部31および筒部32を有する。底部31は、筒部32の一方の端部を塞いでいる。底部31には、内壁と外壁とを接続する噴孔311が形成されている。また、底部31の内壁には、噴孔311を囲むようにして環状の弁座312が形成されている。筒部32は、外壁が第1筒部材21の内壁に嵌合するよう第1筒部材21に接続している。筒部32と第1筒部材21との嵌合箇所は溶接される。
ニードル40は、例えばフェライト系ステンレス等の磁性材料により棒状に形成されている。ニードル40は、磁気安定化処理が施されている。ニードル40は、所定の硬度を有するよう焼入れ処理が施される。ニードル40の硬度は、噴射ノズル30の硬度とほぼ同等に設定されている。
ニードル40は、ハウジング20の軸方向へ往復移動可能にハウジング20内に収容されている。ニードル40は、本体41、シール部42、ニードル大径部44、およびスプリング当接部48などを有している。本体41は、略円筒の棒状に形成されている。シール部42は、本体41の弁座312側の端部に形成され、弁座312に当接可能である。
ニードル大径部44は、本体41のシール部42とは反対側に形成される。板状のニードル大径部44は、本体41より外径が大きく形成され、本体41と一体に形成されている。ニードル大径部44と本体41との間には、ニードル大径部44の軸に対し垂直となるよう円環状の第1段差面45が形成される。
スプリング当接部48は、ニードル大径部44の本体41とは反対側に形成されている。スプリング当接部48は、ニードル大径部44より外径が小さく形成され、ニードル大径部44と一体に形成される。ニードル大径部44とスプリング当接部48との間には、ニードル大径部44の軸に対し垂直となるよう円環状の第2段差面49が形成される。第2段差面49は、特許請求の範囲に記載の「ニードル大径部端面」に相当する。
また、本体41のシール部42近傍には、摺接部46が形成されている。摺接部46は、略円筒状に形成され、外壁461の一部が面取りされている。摺接部46は、外壁461の面取りされていない部分が、噴射ノズル30の筒部32の内壁321と摺接可能である。これにより、ニードル40の噴孔311側に形成される先端部の往復移動が案内される。
ニードル40は、シール部42が弁座312から離間、または弁座312に当接することで噴孔311を開閉する。以下、図1に示すように、ニードル40が弁座312から離間する方向を開弁方向といい、ニードル40が弁座312に当接する方向を閉弁方向という。なお、ニードル40の本体41のニードル大径部44側の端部、およびニードル大径部44は、中空筒状に形成されている。本体41のニードル大径部44側の端部には、内壁と外壁とを接続する孔411が形成されている。
可動コア50は、例えばニードル40と同じ材料であるフェライト系ステンレス等の磁性材料により略円筒状に形成されている。可動コア50は、磁気安定化処理が施されている。
可動コア50は、大径内壁面51、小径内壁面52、および段差面53などを有している。固定コア60側に形成される環状突出部56の大径内壁面51の内径は、ニードル40のニードル大径部44の外径より大きい。小径内壁面52は、可動コア50の内壁のうち大径内壁面51に対しシール部42側の内壁に形成される。小径内壁面52の内径は、大径内壁面51の内径より小さく、かつ、ニードル40の本体41の外径より大きい。小径内壁面52の軸に対し垂直となるよう小径内壁面52と大径内壁面51との間に円環状の段差面53が形成される。
燃料噴射弁1が閉弁しているとき、ニードル40の第1段差面45と可動コア50の段差面53とは当接している。このとき、固定コア60の弁座312側の端面61とニードル40の第2段差面49との距離は、図2に示すように距離d1となるように形成されている。また、端面61と環状突出部56の固定コア60側の端面57との距離は、距離d2となるように形成されている。端面61は、特許請求の範囲に記載の「固定コア端面」に相当する。端面57は、特許請求の範囲に記載の「可動コア反弁座側端面」に相当する。
固定コア60は、例えばフェライト系ステンレス等の磁性材料により略円筒状に形成されている。固定コア60は、磁気安定化処理が施されている。固定コア60は、ハウジング20の内側に固定されるようにして設けられている。固定コア60とハウジング20の第3筒部材23とは溶接されている。
コイル70は、略円筒状に形成され、ハウジング20の第2筒部材22および第3筒部材23の径方向外側を囲むようにして設けられている。コイル70は、電流が流れると磁束を発生する。コイル70が磁束を生じると、燃料噴射弁1には、図4に示すように2つの磁路が形成される。第1磁路M1は、固定コア60、第3筒部材23、ホルダ17、第1筒部材21、可動コア50を通って再び固定コア60に戻る磁路である。また、第2磁路M2は、固定コア60、第3筒部材23、ホルダ17、第1筒部材21、可動コア50、ニードル40のニードル大径部44を通って再び固定コア60に戻る磁路である。
スプリング81は、一端がニードル40のスプリング当接部48に当接するように設けられる。「第1付勢部材」としてのスプリング81の他端は、固定コア60の内側に圧入固定されたアジャスティングパイプ11の一端に当接する。スプリング81は、可動コア50とともにニードル40を閉弁方向に付勢する。
スプリング82は、一端が可動コア50の段差面54に当接するように設けられる。スプリング82の他端は、ハウジング20の第1筒部材21の内側に形成された環状の段差面211に当接する。スプリング82は、可動コア50とともにニードル40を開弁方向に付勢する。
第1実施形態による燃料噴射弁1では、スプリング81の弾性による付勢力は、スプリング82の弾性による付勢力よりも大きく設定されている。したがって、スプリング81、82がニードル40に作用する付勢力は、スプリング81の弾性による付勢力からスプリング82の弾性による付勢力を引いた付勢力(以下、「スプリング付勢力」という)となる。コイル70に電流が流れていない場合、ニードル40のシール部42は、スプリング付勢力により弁座312に当接した状態、すなわち閉弁状態となる。
図1に示すように、第3筒部材23の第2筒部材22とは反対側の端部には、略円筒状の燃料導入パイプ12が圧入および溶接されている。燃料導入パイプ12の内側には、フィルタ13が設けられている。フィルタ13は、燃料導入パイプ12の導入口14から流入した燃料の中の異物を捕集する。
燃料導入パイプ12および第3筒部材23の径方向外側は、樹脂によりモールドされている。当該モールド部分にはコネクタ15が形成されている。コネクタ15には、コイル70へ電力を供給するための端子16がインサート成形されている。また、コイル70の径方向外側には、コイル70を覆うようにして筒状のホルダ17が設けられている。
燃料導入パイプ12の導入口14から流入した燃料は、固定コア60、アジャスティングパイプ11、ニードル40のスプリング当接部48、ニードル大径部44および本体41の内側、孔411、第1筒部材21とニードル40との間、噴射ノズル30とニードル40との間を流通し、噴孔311付近に導かれる。つまり、ハウジング20の内側には、燃料が流通する燃料通路18が形成されている。なお、燃料噴射弁1の作動時、可動コア50の周囲は燃料で満たされた状態となる。
次に、燃料噴射弁1の作動について図2〜5に基づいて説明する。図5は、燃料噴射弁1の作動時における固定コア60、可動コア50およびニードル40の位置関係を説明する模式図である。
コイル70に電流が流れていないとき、コイル70は磁束を発生しないため、図4に示す第1磁路M1および第2磁路M2は形成されない。したがって、固定コア60と可動コア50およびニードル40との間には電磁吸引力は発生しない。このとき、ニードル40は、図5(a)に示すように弁座312に当接したままである。
コイル70に電流が流れると磁束が発生し、コイル70の周辺に第1磁路M1および第2磁路M2が形成される。これら磁路が形成されると、可動コア50およびニードル40はそれぞれ固定コア60に吸引される。固定コア60と可動コア50およびニードル40との間に発生する電磁吸引力は、主にコイル70を流れる電流の電流値の大きさによって変化する。
ここで、コイル70に流れる電流の電流値の時間変化および大きさについて図3に基づいて説明する。コイル70に流れる電流の電流値は、通電の初期段階、例えば図3中の時刻t0に最大となったのち、ある程度減少して一定の値となる。燃料噴射弁1が所定の燃料量を噴射した後、通電が終了する。
固定コア60と可動コア50およびニードル40との電磁吸引力が最大となるのは、コイル70が発生する磁束密度が最大となるとき、すなわちコイル70を流れる電流の電流値が最大となるときである。そこで、以下の燃料噴射弁1の作動の説明において、図3(a)に示す時刻t0における電流値に基づいて説明する。
コイル70に流れる電流の電流値の時間変化が図3(a)に示す電流波形線L0の場合、時刻t0における電流値は電流値A1より小さい電流値A10である。この場合、固定コア60と可動コア50およびニードル40との間に発生する電磁吸引力は、図3(b)の曲線C1から電磁吸引力F10となり、電磁吸引力F10は図3(b)に示す抗力F1より小さい。
ここで、図3(b)の曲線C1は、噴孔311が開放される前および噴孔311が開放された直後の燃料噴射弁1において適用される電流と電磁吸引力との関係を示す曲線である。また、抗力F1は、燃料通路18内の燃料の圧力がニードル40に作用する作用力とスプリング付勢力との合力と同じ大きさの力である。コイル70に電流値A1の電流が流れると、図3(b)に示すように抗力F1と同じ大きさの電磁吸引力が発生する。したがって、電流値A10の電流が流れるとき発生する電磁吸引力F10では、可動コア50およびニードル40は固定コア60側に移動しないため、固定コア60と可動コア50およびニードル40との位置関係は図5(a)に示すようにニードル40は弁座312に当接したままであり、噴孔311は開放されない。
次に、コイル70に流れる電流の時間変化が図3(a)に示す電流波形線L1の場合、時刻t0における電流値は電流値A1より大きい「第1の電流値」としての電流値A11である。コイル70に電流値A11の電流が流れる場合、固定コア60と可動コア50およびニードル40との間に発生する電磁吸引力は、図3(b)の曲線C1から電磁吸引力F11となり、図3(b)に示す抗力F1より大きい値となる。
コイル70に電流値A11の電流が流れると、発生する電磁吸引力により可動コア50の端面57が固定コア60の端面61に当接する。一方、ニードル40は、固定コア60に当接する可動コア50によって開弁方向に移動するが、ニードル40の第2段差面49と固定コア60の端面61との間の距離d1は、可動コア50の端面57と固定コア60の端面61との間の距離d2より長いため、ニードル40の第2段差面49は端面57に当接しない。また、コイル70に電流値A11の電流が流れることにより発生する電磁吸引力F11は、固定コア60とニードル40とを当接するだけの大きさがないため、ニードル40の第2段差面49と端面57とは当接しない。これにより、電流波形線L1の場合、ニードル40は、図5(b)に示すように図5(a)の状態から距離d2だけリフトするため、ニードル40は弁座312から離間し、噴孔311は開放される。これにより、燃料通路18内の燃料は、噴孔311より噴射される。
次に、コイル70に流れる電流の時間変化が図3(a)に示す電流波形線L2の場合、時刻t0における電流値は電流値A2より大きい「第2の電流値」としての電流値A12である。コイル70に電流値A12の電流が流れるとき、固定コア60と可動コア50およびニードル40との間に発生する電磁吸引力は、図3(b)の曲線C2から電磁吸引力F12となり、電磁吸引力F12は図3(b)に示す抗力F2より大きい。
ここで、図3(b)の曲線C2は、噴孔311が開放された後燃料通路18内の燃料がある程度噴射された後の燃料噴射弁1において適用される電流と電磁吸引力との関係を示す曲線である。また、抗力F2は、スプリング付勢力と同じ大きさの力である。コイル70に電流値A2の電流が流れると、図3(b)に示すように抗力F2と同じ大きさの電磁吸引力が発生する。
コイル70に電流値A12の電流が流れると、発生する電磁吸引力により最初に可動コア50の端面57が固定コア60の端面61に当接し、続いてニードル40の第2段差面49が端面57に当接する。これにより、電流波形線L2の場合、図5(c)に示すようにニードル40は図5(a)の状態から距離d1リフトするため、ニードル40は弁座312から離間し、噴孔311は開放される。これにより、燃料通路18内の燃料は、噴孔311より噴射される。
このように、燃料噴射弁1ではコイル70に流れる電流の最大値を変更するとニードル40のリフト量が変更される。
時刻t0以降、電流値がある程度減少し一定となると、燃料噴射弁1は開弁状態、すなわち、図5(b)または(c)の状態を維持し、所定量の燃料を噴射する。
コイル70への通電がオフされると、固定コア60と可動コア50およびニードル40との間に発生する電磁吸引力は0となるため、スプリング付勢力によりニードル40は可動コア50とともに閉弁方向に付勢される。これにより、ニードル40は弁座312に当接し、噴孔311は閉塞される。
第1実施形態による燃料噴射弁1では、コイル70に流れる電流の電流値の大きさによって、ニードル40のリフト量が変更される。図6に、燃料噴射弁1の燃料噴射率の時間変化を示す。コイル70に図3(a)の電流波形線L1の電流が流れると、可動コア50のみが固定コア60に当接するため、ニードル40は距離d2の低リフト量で弁座312から離間する。これにより、燃料噴射率の時間変化は図6の波形線L11のようになる。また、コイル70に図3(a)の電流波形線L2の電流が流れると、可動コア50だけでなくニードル40も固定コア60に当接するため、ニードル40は距離d2より長い距離d1の高リフト量で弁座312から離間する。これにより、図6の波形線L12のように波形線L11より大きな燃料噴射率で燃料を噴射するため、コイル70に通電する電流値を変更することでニードル40のリフト量を変更することができる。したがって、第1実施形態の燃料噴射弁1は、1つのコイル70で燃料噴射率を変更することができる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態による燃料噴射弁を図7〜10に基づいて説明する。第2実施形態は、第1実施形態と異なり、固定コアの構成が異なる。なお、第1実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第2実施形態の燃料噴射弁2は、固定コアを2つ有している。図7に示すように、第1固定コア65の径方向内側に第2固定コア67が形成されている。
第1固定コア65は、例えばフェライト系ステンレス等の磁性材料により略円筒状に形成されている。第1固定コア65は、第2固定コア67を収容する凹部651を有しており、ニードル40の同軸上に設けられている。
第2固定コア67は、例えばパーメンジュールなど第1固定コア65に比べて高磁性材料により略円筒状に形成されている。第2固定コア67は、ニードル40のニードル大径部44の外径と同一の外径を有しており、凹部651に収容される。
燃料噴射弁2では、図8に示すようにニードル40の第2段差面49と第2固定コア67の弁座312側の端面68との距離は、距離d1となるように形成されている。また、可動コア50の端面57と第1固定コア65の弁座312側の端面66との距離は、距離d1より短い距離d2となるように形成されている。
燃料噴射弁2のコイル70に電流が流れると、コイル70の周辺には2つの磁路が形成される。図9に示すように、第3磁路M3は、第1固定コア65、第3筒部材23、ホルダ17、第1筒部材21、可動コア50を通って再び第1固定コア65に戻る磁路である。また、第4磁路M4は、第2固定コア67、第1固定コア65、第3筒部材23、ホルダ17、第1筒部材21、可動コア50、ニードル40のニードル大径部44を通って再び第2固定コア67に戻る磁路である。
第2実施形態による燃料噴射弁2では、第1実施形態による燃料噴射弁1において可動コア50と固定コア60とが当接する電流値A1より小さい電流値によって、可動コア50と第1固定コア65とを当接することができる。また、第1実施形態による燃料噴射弁1においてニードル40と固定コア60とが当接する電流値A2より小さい電流値によって、ニードル40と第2固定コア67とを当接することができる。
具体的に説明すると、図10(b)に示すように、通電初期時には、点線の曲線C1に比べて小さい電流値で大きな電磁吸引力を発生する曲線C4が適用される。曲線C4を適用すると、燃料噴射弁2では電流値A1より小さい電流値A4によって抗力F1と同じ電磁吸引力を発生する。これにより、可動コア50を距離d2リフトするために必要な電流の電流値は、図10(a)の電流波形線L4に示すように電流値A1より小さく、かつ電流値A4より大きい、例えば電流値A14となり、第1実施形態の燃料噴射弁1に比べて必要とする電流値が小さくなる。
ニードル40が可動コア50とともに距離d2リフトした後、燃料噴射弁2では、点線の曲線C2に比べて小さい電流値で大きな電磁吸引力を発生する曲線C3が適用される。曲線C3を適用すると、燃料噴射弁2では電流値A2より小さい電流値A3によって抗力F2と同じ電磁吸引力を発生する。これにより、ニードル40を距離d1リフトするために必要な電流の電流値は、図10(a)の電流波形線L3に示すように電流値A2より小さく、かつ電流値A3より大きい、例えば、「第1の電流値」としての電流値A23となり、第1実施形態の燃料噴射弁1に比べて必要とする電流値が小さくなる。したがって、第2実施形態の燃料噴射弁2は、第1実施形態の効果に加えて、ニードル40をリフトするときの電力消費量を少なくすることができる。
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態による燃料噴射弁を図11〜16に基づいて説明する。第3実施形態は、第1実施形態と異なり、可動コアの弁座側にスプリングの代わりにニードルガイドが設けられている点が異なる。なお、第1実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第3実施形態の燃料噴射弁3に設けられているニードルガイド83は、例えばフェライト系ステンレス等の磁性材料により略円筒状に形成されている。
ニードルガイド83は、ニードル40の外壁に沿って固定コア60側に形成されるガイド小径部84、およびガイド小径部84の弁座312側に形成されるガイド大径部85から構成されている。ガイド小径部84の固定コア60側の端面841は、ニードル40が弁座312に当接しているとき、可動コア50に形成されている環状流路55の径方向内側の「可動コア弁座側端面」としての端面58に当接している。ガイド大径部85の弁座312側の端面851は、第1筒部材21の弁座312側の内壁に固定されている。また、ガイド大径部85には、燃料噴射弁3の軸方向に貫通する環状流路852が形成されている。環状流路852は、第1筒部材21に形成されている流路212に連通する。
また、ガイド小径部84の「ガイド端面」としての端面841と可動コア50の端面58とが当接する面積S1は、可動コア50の端面57と固定コア60の端面61とが当接する面積S2と、ニードル40の第2段差面49と固定コア60の端面61とが当接する面積S3との合計より小さくなるように形成されている。
ニードルガイド83には、ガイド小径部84およびガイド大径部85を貫通する貫通孔86が形成されている。貫通孔86には、ニードル40の本体41が挿通される。
燃料噴射弁3のコイル70に電流が流れると、コイル70の周辺には3つの磁路が形成される。図14に示すように、第1磁路M1は、固定コア60、第3筒部材23、ホルダ17、第1筒部材21、可動コア50を通って再び固定コア60に戻る磁路である。また、第2磁路M2は、固定コア60、第3筒部材23、ホルダ17、第1筒部材21、可動コア50、ニードル40のニードル大径部44を通って再び固定コア60に戻る磁路である。また、第5磁路M5は、固定コア60、第3筒部材23、ホルダ17、第1筒部材21、ニードルガイド83のガイド大径部85およびガイド小径部84、可動コア50を通って再び固定コア60に戻る磁路である。
燃料噴射弁3では、上述した3つの磁路が形成されるとき、ニードル40には図12に示すように4つの力が作用する。電磁吸引力F31は、第1磁路M1により固定コア60と可動コア50との間に作用する電磁吸引力である。電磁吸引力F32は、第5磁路M5により可動コア50とニードルガイド83との間に作用する電磁吸引力である。電磁吸引力F33は、第2磁路M2により固定コア60とニードル40との間に作用する電磁吸引力である。付勢力Fs1は、スプリング81の弾性による付勢力である。
燃料導入パイプ12の導入口14から流入した燃料は、固定コア60、アジャスティングパイプ11、ニードル40のスプリング支持部47の外側、可動コア50とガイド大径部85との間、環状流路55、環状流路852、流路212、第1筒部材21とニードル40との間、噴射ノズル30とニードル40との間を流通し、噴孔311付近に導かれる。つまり、ハウジング20の内側には、燃料が流通する燃料通路18が形成されている。なお、燃料噴射弁3の作動時、可動コア50およびニードルガイド83の周囲は燃料で満たされた状態となる。
次に第3実施形態の燃料噴射弁3の作動について図12〜16に基づいて説明する。図13は、通電初期時の電磁吸引力F31、F32、F33、付勢力Fs1、および電磁吸引力F31、F32、F33、付勢力Fs1の大小関係から導かれるニードル40にかかる合力Fopenの時間変化を示す。なお、図13の縦軸は、電磁吸引力(F31+F33)、F32、付勢力Fs1、または合力Fopenの大きさを表し、いずれも、正の値のときニードル40を弁座312から離間する方向に作用する。
コイル70に通電が開始されると固定コア60の端面61と可動コア50の端面57との間に電磁吸引力F31が発生し、端面61とニードル40の第2段差面49との間に電磁吸引力F33が発生する(図13(a))とともに、当接している可動コア50の端面58とニードルガイド83の端面841との間に電磁吸引力F32が発生する(図13(b))。通電初期時には、端面61と端面57および第2段差面49とは離れているため、第1磁路M1および第2磁路M2にはギャップが形成されており、電磁吸引力は小さい。一方、端面58と端面841とは当接しているため、第5磁路M5が形成する電磁吸引力F32は電磁吸引力(F31+F33)に比べて大きい。
通電により発生する電磁吸引力F31、F32、F33と付勢力Fs1との大小関係から、ニードル40に作用する合力Fopenが以下の式で導かれる。
Fopen=F31+F33−(F32+Fs1) ・・・(1)
なお、式(1)において、合力Fopen、電磁吸引力F31、F32、F33および付勢力Fs1の単位はいずれも(N)である。燃料噴射弁3では、合力Fopenが図13(d)に示すように0より大きくなったとき、ニードル40が弁座312より離間し、開弁となる。上述した通電開始時では、合力Fopenは0以下であるため、図15(a)に示すようにニードル40は弁座312に当接したままとなる。
コイル70に流れる電流の電流値が大きくなると、コイル70周辺の磁束密度が高くなる。磁束密度が高くなると、磁路が形成されている磁路断面内の磁束が増加する。図13に示す時刻t31のとき、面積(S2+S3)より小さい面積S1で当接する端面58と端面841との間では、電流の増加に合わせて磁束密度がこれ以上増加できなくなり、磁気飽和する。すなわち、電磁吸引力F32はこれ以上大きくすることができなくなる。一方、端面61と端面57および第2段差面94との間は面積S1より大きい面積(S2+S3)で当接しているため、磁束密度を増加することができる。これにより、電磁吸引力(F31+F33)は磁束密度の増加に合わせて増加する。電磁吸引力(F31+F33)が電磁吸引力F32より大きくなると、可動コア50はニードルガイド83より離れ、固定コア60側に移動を開始する。
可動コア50がニードルガイド83より離れると、第5磁路M5にギャップが形成されるため、電磁吸引力F32は急激に低下し、図13(b)に示すようにほぼ0となる。このとき、コイル70には、電磁吸引力F32に抗する電磁吸引力(F31+F33)を発生するために多くの電流が流れている。これにより、固定コア60側に移動を開始した可動コア50に作用する電磁吸引力(F31+F33)は従来に比べて大きな値となる。したがって、可動コア50がニードルガイド83より離れると、合力Fopenは急激に増加し、可動コア50は迅速に固定コア60側に移動する(図15(b)参照)。
図13(d)には、第3実施形態の燃料噴射弁3に作用する合力Fopenと比較するため、比較例としてのニードルガイドを備えない燃料噴射弁のニードルに作用する合力を波形線L32で示した。ニードルが弁座から離間し始める時刻t31を基準として、ニードルにかかる合力が所定の合力Fcに到達するまでの時間は、第3実施形態の燃料噴射弁3では時間p31であるのに対し、比較例の燃料噴射弁では時間p32である。すなわち、第3実施形態の燃料噴射弁3では、時間(p32−p31)だけ迅速に所定の合力Fcを得ることができる。
また、可動コア50が固定コア60側に移動したあと、第2磁路M2による電磁吸引力F33により、ニードル40は固定コア60側に移動し、図15(c)に示すようにニードル40のリフト量が変化することは第1実施形態の燃料噴射弁1と同様である。
第3実施形態の燃料噴射弁3では、第1筒部材21の内壁に固定されているニードルガイド83を備えることにより、ニードル40が弁座312に当接しているとき閉弁方向に電磁吸引力F32を作用させる一方、ニードル40が弁座312から離間し始めると電磁吸引力F32がほぼ0となり、ニードル40が迅速に弁座312から離間する。
図16に、第3実施形態の燃料噴射弁3における燃料噴射率の時間変化を示す。コイル70に通電が開始されニードル40がリフトし始めると、ニードル40は弁座312から迅速に離間するため、波形線L21、L22に示すように第1実施形態による燃料噴射弁1に比べて開弁初期時の燃料噴射率の時間変化を大きくすることができる。したがって、第1実施形態の効果に加えて、開弁初期時の燃料噴射弁3の燃料噴射率を変更することができる。
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態による燃料噴射弁を図17〜23に基づいて説明する。第4実施形態は、第1実施形態と異なり、可動コアの弁座側に第2可動コアが設けられている点が異なる。なお、第1実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第2可動コア90は、可動コア50の弁座312側に設けられている。第2可動コア90は、例えばフェライト系ステンレス等の磁性材料により略円筒状に形成されている。第2可動コア90は、固定コア60側にコア小径部91、コア小径部91の弁座312側にコア大径部92が形成されている。コア小径部91の固定コア60側の端面911は、可動コア50の端面58に当接可能である。コア大径部92の弁座312側の端面921には、スプリング82の一端が係止されている。可動コア50および第2可動コア90の径方向外側には、第1筒部材21が設けられている。
第1筒部材21は、可動コア50の外壁、第2可動コア90のコア小径部91およびコア大径部92の外壁に沿うように内壁が形成されている。すなわち、図18に示すようにコア小径部91の外壁に沿うように形成されている第1筒部材21の内壁面213の内径は、コア大径部92の外壁に沿うように形成されている第1筒部材21の内壁面214の内径より小さい。また、第1筒部材21には、スプリング82が収容されている凹部217の径方向外側に形成されている環状空間218と第2ダンパ室96とを連通する連通路219が形成されている。
また、内壁面213の軸方向の長さは、コア小径部91の軸方向の長さに比べて短い。これにより、燃料噴射弁3が閉弁しているとき、図18に示すようにコア大径部92の固定コア60側の端面922と端面922に対向する第1筒部材21の弁座312側の内壁215との間には、軸方向の長さが距離d4となる第1ダンパ室95が形成される。距離d4は、距離d2に比べて短い。端面922は、特許請求の範囲に記載の「コア大径部端面」に相当する。内壁215は、特許請求の範囲に記載の「ハウジング第1内壁」に相当する。
また、可動コア50の端面58と端面58に対向する第1筒部材21の固定コア60側の内壁216との間には軸方向の長さが距離d3となる第2ダンパ室96が形成される。内壁216は、特許請求の範囲に記載の「ハウジング第2内壁」に相当する。
コア小径部91の端面911と可動コア50の端面58とが当接する面積S4は、可動コア50の端面57と固定コア60の端面61とが当接する面積S5より小さくなるように形成されている。端面911は、特許請求の範囲に記載の「コア小径部端面」に相当する。
燃料噴射弁4のコイル70に電流が流れると、コイル70の周辺には3つの磁路が形成される。図20に示すように、第1磁路M1は、固定コア60、第3筒部材23、ホルダ17、第1筒部材21、可動コア50を通って再び固定コア60に戻る磁路である。また、第2磁路M2は、固定コア60、第3筒部材23、ホルダ17、第1筒部材21、可動コア50、ニードル40のニードル大径部44を通って再び固定コア60に戻る磁路である。また、第6磁路M6は、固定コア60、第3筒部材23、ホルダ17、第1筒部材21、第2可動コア90のコア大径部92およびコア小径部91、可動コア50を通って再び固定コア60に戻る磁路である。
燃料噴射弁3では、上述した3つの磁路が形成されるとき、図18に示すようにニードル40には8つの力が作用する。電磁吸引力F41は、第1磁路M1により固定コア60と可動コア50との間に作用する。電磁吸引力F42は、第6磁路M6により固定コア60と可動コア50との間に作用する。電磁吸引力F43は、第6磁路M6により可動コア50と第2可動コア90との間に作用する。電磁吸引力F44は、第2磁路M2により固定コア60とニードル40との間に作用する。付勢力Fs1は、スプリング81の弾性による付勢力である。付勢力Fs2は、スプリング82の弾性による付勢力である。作用力Ffは、燃料通路18内の燃料の圧力による作用力である。作用力Fdは、第1ダンパ室95の圧縮による作用力である。
燃料導入パイプ12の導入口14から流入した燃料は、2つの経路を通って噴孔311付近に導かれる。燃料の大部分は、固定コア60、アジャスティングパイプ11、ニードル40のスプリング当接部48、ニードル大径部44および本体41の内側、孔411、第1筒部材21とニードル40との間、噴射ノズル30とニードル40との間を流通する。また、燃料の一部は、固定コア60、アジャスティングパイプ11、ニードル40のスプリング当接部48から固定コア60と可動コア50との間の環状空間59に流れ、可動コア50の外壁と第1筒部材21の内壁との間を通って、第2ダンパ室96、連通路219、環状空間218、凹部217、第1筒部材21とニードル40との間、噴射ノズル30とニードル40との間を流通する。また、第2ダンパ室96に流入する燃料の一部は、第1筒部材21の内壁面213と第2可動コア90のコア小径部91の外壁との間を通って第1ダンパ室95に流入する。なお、燃料噴射弁1の作動時、可動コア50および第2可動コア90の周囲は燃料で満たされた状態となる。
次に、燃料噴射弁4の作動について図18〜21に基づいて説明する。なお、図19は、コイル70への通電開始前から可動コア50が固定コア60に当接するまでのコイルに流れる電流の電流値、電磁吸引力F41、F42、F43、付勢力Fs1、Fs2、作用力Ff、Fd、およびニードル40のリフト量の時間変化を示す。図19(b)、(c)の縦軸は、それぞれ電磁吸引力、付勢力または作用力の大きさを表し、いずれも正の値のとき、ニードル40を弁座312から離間する方向に作用する。
コイル70に通電を開始する前、すなわち図19の時刻t40より前には、付勢力(Fs2−Fs1)、および作用力Ffが閉弁方向に作用する(図19(c))。これらの作用力の合計によりニードル40は弁座312に当接している。このとき、コイル70には電流が流れていないため、複数の磁路による電磁吸引力は発生していない。
時刻t40において、コイル70に電流が流れ始めると、電磁吸引力F41、F42、F43が発生する。図19(a)に示すように、通電が開始される時刻t40から時刻t41の間では、電磁吸引力F41は、ニードル40に対して開弁方向に作用し、電流値の増加に応じて単調に増加する。電磁吸引力F42は、ニードル40に対して開弁方向に作用するものの、第6磁路M6がコイル70より離れた位置に形成されているため、電磁吸引力F41に比べると小さい力となる。電磁吸引力F43は、ニードル40に対し閉弁方向に作用する。付勢力(Fs2−Fs1)、および作用力Ff、Fdの大きさおよび作用する方向は、時刻t40より前の時刻での大きさおよび方向と同じである。このとき、ニードル40、可動コア50および第2可動コア90の位置関係は、図21(a)に示すように、可動コア50は第2可動コア90に当接しており、ニードル40は弁座312に当接している。
コイル70に通電される電流の電流値が大きくなると、第1磁路M1、第2磁路M2、第6磁路M6を通る磁束密度が大きくなる。これにより、第1磁路M1による電磁吸引力F41が大きくなるため、可動コア50は第2可動コア90とともに固定コア60側に移動を開始する(図19の時刻t41)。一方、コア小径部91の端面911と可動コア50の端面58とが当接する面の面積S4は、可動コア50の端面57と固定コア60の端面61とが当接する面積S5より小さく形成されているため、第6磁路M6は、他の磁路に比べて早く磁気飽和する。これにより、第6磁路M6による電磁吸引力F42、F43は、一定の値となる(図19(b)の時刻t41から時刻t42までの間)。
可動コア50、ニードル40、および第2可動コア90が固定コア60側に移動を開始すると、第1ダンパ室95内の燃料が第2可動コア90の移動により圧縮されるため、作用力Fdが大きくなる(図19(c)の時刻t41から時刻t42までの間)。ただし、作用力Fdは、電磁吸引力F43にくらべて小さいため、第2可動コア90は、可動コア50より離れることはない。これにより、可動コア50、可動コア50に支持されているニードル40、および第2可動コア90の固定コア60側への移動速度は、ダンパ室がない場合に比べて遅くなる。
可動コア50、ニードル40、および第2可動コア90が固定コア60側に移動し、第2可動コア90の端面922が第1筒部材21の内壁215と当接する(図21(b)参照)と、作用力Fdは0となる(図19の時刻t42)。また、第2可動コア90は、これ以上固定コア60側に移動できなくなるので、可動コア50から離れる。これにより、第6磁路M6にギャップが形成されるため、第6磁路M6による電磁吸引力F42、F43が小さくなる。また、時刻t41においてニードル40は弁座312から離間しているので、燃料通路18内の燃料は噴射され、燃料の圧力による作用力Ffも時刻t41以降小さくなる。したがって、可動コア50の開弁方向への移動速度は、第2可動コア90が一体で移動していた場合に比べて速くなる。この後、固定コア60側に移動する可動コア50は、固定コア60に当接する(図21(c))。このときのニードル40のリフト量は、図19(d)に示すように距離d2となる。
可動コア50が固定コア60に当接した後、コイル70に通電される電流値が大きくなると、可動コア50に支持されていたニードル40が、第2磁路M2による電磁吸引力F44により固定コア60に当接する。これにより、燃料噴射弁3のリフト量は最大の距離d1となる。(図21(d))
所定の燃料を噴射した後、コイル70への通電が終了する。コイル70への通電が終了すると、燃料噴射弁4内に形成されていた磁路がなくなるため、電磁吸引力F41、F42、F43は0になる。ニードル40が弁座312側に移動し、可動コア50に当接する。次に、ニードル40が当接した可動コア50が弁座312側に移動し、第2可動コア90と当接する。このとき、可動コア50と第2可動コア90との間に形成されている第2ダンパ室96内の燃料の圧縮反力により可動コア50の閉弁方向への移動速度が遅くなる。
第4実施形態の燃料噴射弁4において、開弁初期時に可動コア50およびニードル40の移動速度が第1実施形態の燃料噴射弁1に比べて遅くなることによる効果について図22〜23に基づいて説明する。
図22に第4実施形態の燃料噴射弁4での燃料噴射率の時間変化を示す。第4実施形態の燃料噴射弁4では、開弁初期時に可動コア50およびニードル40の移動速度が第1実施形態の燃料噴射弁1に比べて遅くなるため、波形線L31、L32に示すように、開弁初期時、すなわち、燃料噴射率が相対的に小さいとき、時間に対する燃料噴射率の変化が小さくなる。
ここで、1回の開弁においてコイル70に電流が流れる時間をパルス幅と定義する。図23にパルス幅の大きさと当該パルス幅の電流が流れたときの燃料噴射量との関係について示す。また、図23には、第1実施形態の燃料噴射弁1におけるパルス幅の大きさと燃料噴射量との関係を点線L40で示す。
第1実施形態の燃料噴射弁1では、コイル70に通電が開始されニードル40が弁座312から離間すると、ニードル40の移動速度に応じて点線L40に示すように燃料噴射率が増加する。特に、パルス幅が小さい領域では、所定の燃料噴射量V4となるパルス幅は、時間t44となる。このため、燃料噴射弁1では、所定の燃料噴射量V4以内の燃料噴射量に制御するとき、時間t44内の時間としなければならない。
一方、第4実施形態の燃料噴射弁4では、第1実施形態の燃料噴射弁1に比べてニードル40の移動速度が遅いため、パルス幅に対する開弁初期時の燃料噴射率の変化が小さい。これにより、図23の波形線L41に示すように、所定の燃料噴射量V4以内の燃料噴射量に制御するとき、時間t44より長い時間t45内の時間とすればよい。例えば、図22に示す波形線L31、L32ほど燃料噴射量が必要ない場合、パルス幅を小さくすることによりごく少量の燃料噴射を行うことができる。したがって、燃料噴射弁4は、第1実施形態の効果に加えて、ごく少量の燃焼噴射領域における燃料噴射の制御性を向上することができる。
また、コイル70への通電がなくなるとき、すなわち閉弁するとき、ニードル40とともに閉弁方向に移動する可動コア50は、第2ダンパ室96によって閉弁方向への移動速度が遅くなるとともに、第2可動コア90に当接することによってさらに閉弁方向への移動速度が遅くなる。これにより、従来、閉弁時にニードルおよび可動コアが有する慣性力によって閉弁方向側の壁面に衝突しバウンドすることにより、ニードルが弁座から不意に離間することを防止する。したがって、第4実施形態による燃料噴射弁4では、ニードル40および可動コア50のバウンドによる二次噴射の発生を防止することができる。
(第5実施形態)
次に、本発明の第5実施形態による燃料噴射弁を図24に基づいて説明する。第5実施形態は、第4実施形態と異なり、第1筒部材に第1ダンパ室と第2ダンパ室とを連通する連通路が設けられている点が異なる。なお、第4実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第5実施形態の燃料噴射弁5は、第1筒部材21に第1ダンパ室95と第2ダンパ室96とを連通する第1連通路97が形成されている。第1連通路97は、第1ダンパ室95および第2ダンパ室96内の燃料を相互に流通させる。
燃料噴射弁5では、第2可動コア90が可動コア50およびニードル40とともに固定コア60側に移動するとき、第1ダンパ室95内の燃料が第1連通路97を通って第2ダンパ室96に移動する。これにより、第4実施形態の燃料噴射弁4に比べて可動コア50およびニードル40の移動速度は速くなるが、第1実施形態よりは遅いため、第4実施形態の効果と同じ効果を奏することができる。
(第6実施形態)
次に、本発明の第6実施形態による燃料噴射弁を図25に基づいて説明する。第6実施形態は、第4実施形態と異なり、可動コアに連通路が設けられている点が異なる。なお、第4実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第6実施形態の燃料噴射弁6は、可動コア50に第2ダンパ室96と環状空間59とを連通する第2連通路98が形成されている。第2連通路98は、第2ダンパ室96と環状空間59内の燃料を相互に流通させる。
燃料噴射弁6では閉弁するとき、可動コア50がニードル40とともに第2可動コア90の方向に移動する。このとき、第2ダンパ室96は、可動コア50の第2可動コア90側への移動速度を第2ダンパ室96内の燃料の圧縮反力により抑える。第6実施形態では、第2ダンパ室96内の燃料は、第2連通路98を通って環状空間59に移動するものの、第2ダンパ室96内の燃料によって第4実施形態の燃料噴射弁4より速く閉弁することができる。
(他の実施形態)
(ア)上述の第2実施形態では、第2固定コアを第1固定コアに比べて高磁性材料とした。しかしながら、第2固定コアの材料特性はこれに限定されない。第2固定コアは第1固定コアに比べて低磁性材料であってもよい。この場合、燃料噴射弁の制御におけるロバスト性が向上する。
(イ)上述の第2実施形態では、第2固定コアの外径は、ニードルの大径部の外径と同じ大きさであるとした。しかしながら、第2固定コアの外径はこれに限定されない。ニードルの大径部の外径と同じ大きさでなくてもよい。
(ウ)上述の第3実施形態では、ニードルガイドの小径部はニードルの外壁に沿って形成されるとした。しかしながら、小径部が形成される位置はこれに限定されない。第2筒部材の内壁に沿って形成されてもよい。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の形態により実施可能である。