JP3659857B2 - 電磁弁 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ソレノイドの電磁力を利用して弁体を開閉駆動する電磁弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン用の燃料噴射装置として、フィードポンプで圧力調整された燃料を各気筒毎に独立した電子制御式のユニットインジェクタに供給するようにしたものが知られている。
【０００３】
この種のユニットインジェクタは、フィードポンプで圧力調整された燃料が供給される燃料通路を有し、この燃料通路の途中にエンジンに同期して駆動されるプランジャと、エンジンの運転状況に応じて燃料噴射時期を電子的に制御する電磁弁とが設置されている。
【０００４】
電磁弁は、プランジャよりも燃料の供給方向に沿う上流側に位置されており、この電磁弁を閉じることで燃料通路が密閉空間に移行し、この燃料通路に供給された燃料がプランジャによって加圧されるようになっている。そして、この燃料の圧力がノズルニードルを閉じ方向に付勢しているばね力に打ち勝つと、このノズルニードルがリフトしてノズルボディの先端の噴孔を開き、この噴孔を通じて加圧された燃料がエンジンの燃焼室に噴射されるようになっている。
【０００５】
ところで、図８および図９は、従来のユニットインジェクタに用いられる電磁弁１を開示している。この電磁弁１は、ユニットインジェクタのインジェクタボディ２に一体的に組み込まれている。インジェクタボディ２は、フィードポンプ３から燃料が供給される燃料通路４を有し、この燃料通路４の途中に形成された凹部５に電磁弁１が装着されている。
【０００６】
電磁弁１は、ポペット弁６と、このポペット弁６を開閉駆動する駆動部７とを備えている。ポペット弁６は、弁体９を支持するハウジング１０を有している。ハウジング１０は、凹部５の開口端にねじ込まれた固定部材１１を介してインジェクタボディ２に固定されている。
【０００７】
ハウジング１０は、その中央部にガイド孔１２を有する中空の筒状をなしている。ハウジング１０の外周面には、周方向に連続する燃料供給溝１３が形成されており、この燃料供給溝１３は燃料通路４の上流部分に連なっている。
【０００８】
弁体９は、ハウジング１０のガイド孔１２内に軸方向に摺動可能に嵌合されている。弁体９の外周面には、周方向に連続する溝部１４が形成されている。溝部１４は、ガイド孔１２の内周面と協働してリング状の燃料室１５を構成しており、この燃料室１５の上部は、複数の供給孔１６を介して燃料供給溝１３に連なっている。また、溝部１４の下端の外周部には、テーパ状のシール部１７が形成されている。
【０００９】
燃料室１５の底部には、弁体９の径方向に外側に向けて広がるように拡張された燃料溜り１８が形成されている。燃料溜り１８は、連通口１９を介して燃料通路４の下流部分に連通されており、この燃料溜り１８に臨むガイド孔１２の角部には、上記弁体９のシール部１７に対応する弁座２０が形成されている。
【００１０】
このため、弁体９は、シール部１７が弁座２０に着座する閉じ位置と、シール部１７が弁座２０から離脱する開き位置とに亙って昇降動可能にハウジング１０に支持されている。そして、弁体９が閉じ位置に移動された状態では、燃料室１５と燃料通路４の下流部分との連通が遮断され、この燃料通路４の下流部分が密閉空間に移行するようになっている。
【００１１】
弁体９は、上向きに突出する弁軸２２を備えている。弁軸２２の外周部分には、プレッシャスプリング２３が装着されており、このプレッシャスプリング２３は、弁体９を常に開き位置に押し下げている。弁軸２２は、固定部材１１を貫通しており、この弁軸２２の上端にアーマチュア２４がねじ止めされている。
【００１２】
駆動部７は、ソレノイド８を有している。ソレノイド８は、インジェクタボディ２の上面にスペーサ２５を介して設置され、上記アーマチュア２４と向かい合っている。ソレノイド８は、電磁コイル２６と、この電磁コイル２６を保持する鉄芯２７とを備えている。鉄芯２７はカバー２８によって覆われており、この鉄芯２７とカバー２８との間、および鉄芯２７と電磁コイル２６との間には、夫々合成樹脂製の封止材２９が充填されている。
【００１３】
ソレノイド８は、エンジンの運転状況を判断するエンジンコントローラ（図示せず）からの制御信号によって励磁される。すなわち、図１０に示すように、ソレノイド８に制御信号Sが付与されると、電磁コイル２６に電流が流れ、これにより電磁コイル２６が励磁されて鉄芯２７が磁化される。このため、アーマチュア２４がプレッシャスプリング２３に抗して吸引され、このアーマチュア２４と一体化された弁体９が開き位置から閉じ位置にリフトされる。
【００１４】
この結果、燃料通路４の下流部分が密閉空間に移行し、プランジャの作動に伴い燃料通路４の下流部分の燃料圧力が急激に上昇する。この燃料圧力がノズルニードルを閉じ方向に付勢しているばね力に打ち勝つと、このノズルニードルがリフトしてノズルボディの先端の噴孔を開き、この噴孔から加圧された燃料がエンジンの燃焼室に噴射される。
【００１５】
電磁コイル２６の励磁が解除されると、プレッシャスプリング２３の付勢力により弁体９が閉じ位置から開き位置に戻され、燃料通路４が開放される。この結果、燃料通路４内の燃料圧力が一気に低下し、燃焼室への燃料の噴射が終了する。
【００１６】
ところで、上記従来のユニットインジェクタでは、ポペット弁６の弁体９を開閉するタイミングや弁体９を閉じ位置に保持する時間をソレノイド８によって制御することで、燃焼室への燃料の噴射タイミングや噴射量をエンジンの運転状況に応じて設定している。この際、ポペット弁６は、燃料通路４を開放する開き位置又は燃料通路４を閉じる閉じ位置のいずれかの位置に保持されるのみであり、この燃料通路４内の燃料圧力を上昇させるタイミングおよび燃料圧力を下降させるタイミングを制御するに止まっている。
【００１７】
すなわち、プランジャの作動により燃料通路４を流れる燃料は、弁体９が開き位置にある限り、図９に矢印で示すように弁座２０とシール部１７との間を通って燃料室１５に流れ込む。この燃料は、溝部１４の底に沿って上向きに流れた後、この溝部１４の上端に突き当たり、その流れが供給孔１６を向くように横方向に変化する。このため、弁体９は、燃料室１５に流れ込む燃料により閉じ位置に向けて押し上げるような力を受けるので、電磁コイル２６が励磁された時には、速やかに開き位置から閉じ位置にリフトされることになり、それ故、ポペット弁６は燃料通路４を開放するか閉じるかのいずれかの状態にしか切り換え操作することができない。
【００１８】
よって、噴射行程中の燃料の噴射割合（噴射率）は、プランジャを作動させるカムのプロフィールによって一様に定まり、噴射行程中の前半と後半とで燃料の噴射圧力を自由に変化させることができなくなる。
【００１９】
一方、近年のディーゼルエンジンは、低公害化への対応が強く求められており、特にNOx排出量の低減が課題となっている。このNOxの排出量を低減するためには、噴射行程の前半の燃料噴射圧力を後半の燃料噴射圧力よりも低く設定することが有効であることが知られている。
【００２０】
噴射行程の前半に低い圧力で燃料を噴射すると、燃焼開始圧力が低く抑えられて燃焼が穏やかとなり、燃焼圧の急激な上昇が回避される。このため、燃焼温度が低くなり、NOxの発生が極めて少なくなるとともに、燃焼騒音（エンジン騒音）も低く抑えることができる。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、電子制御式のユニットインジェクタの噴射タイミング、噴射量の制御にはポペット弁が使われている。ポペット弁を閉じると、プランジャにより圧送される燃料の出口が閉じて圧力が上がり、開弁圧以上になると燃料噴射が開始される。また、ポペット弁を開くと、高圧燃料がハウジングから排出され、圧力が閉弁圧以下になると燃料噴射は終了する。このように、ポペット弁を閉じるタイミングで噴射開始時期を制御し、閉じている期間で噴射量を制御している。
【００２２】
ユニットインジェクタをエンジンの制御に用いる場合、インジェクタが安定して噴射量を制御できる最小量の限界は、ポペット弁を閉じて直ちに開いた時の噴射量であり、その量はポペット弁の応答性により決定される。しかし、燃料の圧力、流れによる力がポペット弁動作時の抵抗となり、応答性の向上が困難であるという問題がある。
【００２３】
本発明の目的は、応答性を向上させ、制御可能な最低噴射量の低減を図る電磁弁を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の電磁弁は以下の如く構成されている。
【００２５】
本発明の電磁弁は、流体が供給されるとともに、この供給された流体を加圧する加圧手段を有する流体通路に設置される電磁弁であって、上記加圧手段よりも流体の供給方向に沿う上流側に設置されたハウジングと、このハウジングに支持され、上記流体通路を閉じる閉じ位置と、上記流体通路を開放する開き位置とに亙って移動可能な弁体と、この弁体を上記開き位置に向けて押圧するスプリングと、電流値に応じて電磁力が変化するソレノイドを有し、このソレノイドが励磁された時の電磁力により上記弁体をスプリングの付勢力に抗して上記閉じ位置に移動させる駆動部と、を具備し、上記ハウジングと弁体との間に、上記弁体が開き位置にある限り上記流体通路を流れる流体が導かれる圧力室を形成し、この圧力室は、ハウジングにより流体の流れ方向を下向きに反転させることで上記弁体を上記開き位置に向けて押圧する流体圧を発生させるとともに、所定期間、上記弁体が流体から受ける力を上記開き位置の方向とする流体制御手段を有し、上記ソレノイドを所定の電流値で励磁させた時に、上記弁体が上記スプリングの付勢力および上記流体圧に抗して閉じ位置に移動される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図１〜図７に基づいて説明する。
【００２７】
図１は、例えば発電機、舶用機械あるいは建設機械等に用いられるディーゼルエンジンの燃料噴射システムを開示している。この燃料噴射システムは、電子制御式のユニットインジェクタ３１を備えている。ユニットインジェクタ３１は、ディーゼルエンジンのシリンダヘッド３２に取り付けられている。シリンダヘッド３２は、ピストン３３の頂部と協働して燃焼室３４を構成しており、この燃焼室３４にユニットインジェクタ３１を通じて燃料が噴射されるようになっている。
【００２８】
ユニットインジェクタ３１は、インジェクタボディ３６を備えている。インジェクタボディ３６は、プランジャバレル３７と、このプランジャバレル３７と一体化された電磁弁取り付け部３８とを含んでいる。プランジャバレル３７の先端部には、リテーニングナット３９を介してスプリングケージ４０、ディスタンスピース４１およびノズルボディ４２が同軸状に固定されている。
【００２９】
プランジャバレル３７の内部には、シリンダ４４と、このシリンダ４４の底に連なる加圧室４５とが形成されている。シリンダ４４の内部には、プランジャ４６が軸方向に摺動可能に嵌合されている。このプランジャ４６の先端は、加圧室４５に臨んでいる。プランジャ４６の加圧室４５とは反対側の端部には、タペット４７が連結されている。タペット４７は、プランジャバレル３７に支持されているとともに、このプランジャバレル３７の外方に突出されている。そして、タペット４７は、プランジャスプリング４８を介してプランジャ４６を加圧室４５から引き出す方向に付勢されている。
【００３０】
タペット４７は、ロッカアーム５０、プッシュロッド５１およびカムフォロア５２を介して燃料噴射用カム軸５３に連携されている。ロッカアーム５０は、ロッカ軸５４を介してシリンダヘッド３２に支持されており、このロッカアーム５０の一端がタペット４７に突き当たっている。プッシュロッド５１は、ロッカアーム５０の他端とカムフォロア５２との間に介在されている。カムフォロア５２は、タペットローラ５５を介して燃料噴射用カム軸５３上のカム５６に接している。燃料噴射用カム軸５３は、エンジンのクランク軸（図示せず）によって図１の時計回り方向に回転駆動されるようになっている。
【００３１】
そのため、燃料噴射用カム軸５３が回転駆動されると、カムフォロア５２がカム５６の輪郭形状に応じて揺動運動を繰り返すとともに、このカムフォロア５６の揺動運動がプッシュロッド５１、ロッカアーム５０およびタペット４７を介してプランジャ４６に伝えられ、これによりプランジャ４６が軸方向に往復動するようになっている。
【００３２】
図２に示すように、ノズルボディ４２は、その先端に小径な円頂部５８を有している。円頂部５８は、燃焼室３４に突出されているとともに、この燃焼室３４に開口された複数の噴孔５９を有している。
【００３３】
ノズルボディ４２の内部には、ガイド孔６０が形成されている。ガイド孔６０は、円頂部５８に隣接された一端に燃料溜り室６１を有し、この燃料溜り室６１は、サック部６２を通じて噴孔５９に連なっている。また、ガイド孔６０の燃料溜り室６１とは反対側の他端は、スプリングケージ４０の内部のスプリング収容室６３に連なっている。
【００３４】
ガイド孔６０には、ノズルニードル６５が軸方向に摺動可能に嵌合されている。ノズルニードル６５の一端は、燃料溜り室６１を貫通しており、このノズルニードル６５の一端にサック部６２を開閉するシール部６６が形成されている。このため、ノズルニードル６５は、サック部６２を塞ぐ閉じ位置と、サック部６２を開放する開き位置とに亙って往復動可能にノズルボディ４２に支持されている。
【００３５】
ノズルニードル６５のシール部６６とは反対側の端部は、ディスタンスピース４１を貫通してスプリング収容室６３に臨んでいる。スプリング収容室６３には、リターンスプリング６７が収容されている。リターンスプリング６７は、スプリングリテーナ６８を介してノズルニードル６５をサック部６２に向けて付勢しており、このノズルニードル６５を常に閉じ位置に保持している。
【００３６】
図１や図２に示すように、ユニットインジェクタ３１のインジェクタボディ３６は、流体通路としての燃料通路７０を備えている。燃料通路７０の上流端は、インジェクタボディ３６の電磁弁取り付け部３８に導かれているとともに、この燃料通路７０の下流端は、燃料溜り室６１に連なっている。また、燃料通路７０は、プランジャバレル３７の内部において加圧室４５に連なっている。
【００３７】
そのため、燃料通路７０は、加圧室４５を境として、この加圧室４５の上流側に位置された燃料導入部７０ａと、加圧室４５の下流側に位置された燃料吐出部７０ｂとに区分けされている。
【００３８】
燃料通路７０の燃料導入部７０ａは、燃料導管７１を介してフィードポンプ７２に連なっている。フィードポンプ７２は、燃料タンク７３に貯えられた燃料（流体）を一定のフィード圧で燃料通路７０に供給するためのものであり、このフィードポンプ７２と燃料通路７０とを結ぶ燃料導管７１の途中には、上流側から順に燃料フィルタ７４および減圧弁７５が設置されている。
【００３９】
燃料導管７１は、減圧弁７５の下流側で分岐された燃料戻し管７６を有している。燃料戻し管７６は、燃料タンク７３に連なっており、この燃料戻し管７６の途中には、燃料タンク７３に戻される燃料の流通のみを許容する逆止弁７７が設置されている。
【００４０】
図１や図３に示すように、インジェクタボディ３６の電磁弁取り付け部３８には、上向きに開口された凹部７８が形成されている。凹部７８は、燃料通路７０の燃料導入部７０ａに連なる第１および第２の連通口７９ａ，７９ｂを有している。第１の連通口７９ａは、燃料導入部７０ａの上流部分を介して燃料導管７１に連なっている。第２の連通口７９ｂは、燃料導入部７０ａの下流部分を介して加圧室４５に連なっている。
【００４１】
凹部７８には、燃料噴射時期や噴射時間を制御するための電磁弁８１が設置されている。この電磁弁８１は、主にそのポペット弁８２に関する構成が図８に示す従来の電磁弁１と相違しており、それ以外の電磁弁８１の基本的な構成は従来の電磁弁１と同様である。そのため、本実施の形態の電磁弁８１において、従来の電磁弁１と同一の構成部分には同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００４２】
図３に示すように、ポペット弁８２は、凹部７８に固定されたハウジング８３と、このハウジング８３に支持された弁体８４とを備えている。ハウジング８３は、その中央部にガイド孔８５を有する筒状をなしている。ガイド孔８５の内周面には、周方向に連続する溝部８６が形成されている。溝部８６は、ガイド孔８５の軸線方向に沿う中央部に位置されている。
【００４３】
このため、ガイド孔８５は、溝部８６を境として、凹部７８の底側に位置された第１の孔部８５ａと、凹部７８の開口側に位置された第２の孔部８５ｂとに区分けされている。第１の孔部８５ａの口径D1は、第２の孔部８５ｂの口径D2よりも大きく設定されている。
【００４４】
弁体８４は、ガイド孔８５を貫通するような円柱状をなしている。この弁体８４は、ガイド孔８５の第１の孔部８５ａに対応する第１のジャーナル部８７ａと、ガイド孔８５の第２の孔部８５ｂに対応する第２のジャーナル部８７ｂと、これら第１および第２のジャーナル部８７ａ，８７ｂの間に位置された中間部８７ｃとを有している。
【００４５】
第１のジャーナル部８７ａは、第１の孔部８５ａに液密を保って軸方向に摺動可能に嵌合されているとともに、第２のジャーナル部８７ｂは、第２の孔部８５ｂに液密を保って軸方向に摺動可能に嵌合されている。このため、第１のジャーナル部８７ａの直径は、第２のジャーナル部８７ｂの直径よりも大きく設定されている。
【００４６】
弁体８４の中間部８７ｃは、ハウジング８３の溝部８６によって取り囲まれている。この中間部８７ｃの外周面には、全周に亙ってガイド溝９０が形成されている。ガイド溝９０は、大径な第１のジャーナル部８７ａに連なる一端部の深さ寸法が最も大きく設定されており、このガイド溝９０の一端部には、弁体８４の径方向内側に向けて延びる受圧面９１が形成されている。受圧面９１は、弁体８４の径方向内側に進むに従い第２のジャーナル部８７ｂに近づく方向に傾斜されている。受圧面９１の外周部は、リング状のシール部９２を構成しており、このシール部９２の外周縁部は、弁体８４の第１のジャーナル部８７ａに連なっている。
【００４７】
ガイド溝９０の底は、受圧面９１から弁体８４の第２のジャーナル部８７ｂに近づくに従い弁体８４の径方向外側に向けて傾斜された第１のガイド面９３をなしている。第１のガイド面９３は、ハウジング８３の溝部８６と向かい合っており、この溝部８６の内面は、第１のガイド面９３と協働して圧力室９５を構成している。圧力室９５は、ハウジング８３と弁体８４との間に位置され、このハウジング８３の供給孔１６を通じて燃料供給溝１３に連なっている。
【００４８】
圧力室９５は、大径な第１のジャーナル部８７ａ側に位置された底部を有し、この底部に燃料溜り９６が形成されている。燃料溜り９６は、ハウジング８３の溝部８６を弁体８４の径方向外側に向けて拡張することにより構成され、この燃料溜り９６は、上記第２の連通口７９ｂを通じて燃料導入部７０ａの下流部分に連なっている。
【００４９】
ハウジング８３の溝部８６は、その燃料溜り９６とは反対側の上部に円弧状に湾曲された第２のガイド面９７を有している。第２のガイド面９７は、第１のガイド面９３に連なっているとともに、弁体８４の受圧面９１と向かい合うように圧力室９５に露出されている。
【００５０】
また、ハウジング８３の溝部８６は、弁体８４のシール部９２に向けて突出する壁部９８を有している。壁部９８は、弁体８４のシール部９２を周方向に連続して取り囲んでおり、この壁部９８の先端は、シール部９２が接離可能に接触する弁座９９を構成している。
【００５１】
そのため、弁体８４は、シール部９２が弁座９９に接する閉じ位置（図４に示す）と、シール部９２が弁座９９から離脱する開き位置（図３に示す）とに亙って移動可能にハウジング８３に支持されている。弁体８４が開き位置にある状態では、圧力室９５と燃料溜り９６とが互いに連通されており、これにより燃料通路７０の燃料導入部７０ａが開放されている。弁体８４が閉じ位置にある状態では、圧力室９５と燃料溜り９６との連通が遮断されており、これにより燃料通路７０の燃料導入部７０ａの下流部分、燃料吐出部７０ｂおよび加圧室４５が密閉空間に移行するようになっている。
【００５２】
図３に示すように、弁体８４の端部には、プレッシャスプリング２３を受け止めるリング状のスプリングシート１００が設置されている。スプリングシート１００は、弁体８４が開き位置にある状態においてハウジング８３の端面に突き当たっており、このことにより、弁体８４の弁軸２２側の端面とスプリングシート１００との間に隙間d1が形成されるようになっている。
【００５３】
同様に、弁体８４が開き位置にある状態において、弁体８４のシール部９２とハウジング８３の弁座９９との間には隙間d2が形成されている。隙間d2は、隙間d1よりも大きく設定され、この隙間d2を通じて燃料が流通するようになっている。
【００５４】
なお、弁体８４は、その軸線上に貫通孔１０１を有している。貫通孔１０１は、弁軸２２と固定部材１１との間の空間に開口されているとともに、ここから弁軸２２の貫通部分を通じて上記アーマチュア２４や電磁コイル２６が収められたカバー２８の下側の空間に連なっている。
【００５５】
図１に示すように、電磁弁８１のソレノイド８は、エンジンコントローラ１０３によって駆動されるようになっている。エンジンコントローラ１０３は、CPU１０４と、エンジンの運転状況に応じた最適な燃料噴射時期および噴射時間を記憶したROM１０５とを備えている。CPU１０４には、エンジン運転中、例えばエンジン回転数、スロットル開度あるいは吸入空気温度のような実際のエンジンの運転状況を示す各種の信号S1が入力される。そして、CPU１０４は、信号S1に基づいてその時のエンジンの運転状況を総合的に判断するとともに、この運転状況に最適な燃料噴射時期および噴射時間をROM１０５から読み出し、この燃料噴射時期および噴射時間を実現するような制御信号S2をソレノイド８に送出するようになっている。
【００５６】
この点について具体的に述べると、図５の（ａ）に示すように、ソレノイド８の電磁コイル２６は、トランジスタ１０６を介して電源としてのバッテリ１０７に電気的に接続されている。トランジスタ１０６のベースは、エンジンコントローラ１０３のCPU１０４に接続されている。トランジスタ１０６のベースに制御信号S2が入力されると、電磁コイル２６にバッテリ１０７から電流が流れ、この電磁コイル２６が励磁されて弁体８４を閉じ位置にリフトするための電磁力が発生する。この電磁コイル２６に流れる電流値I、つまり電磁コイル２６の導通度は、エンジンコントローラ１０３から出力される制御信号S2によって適宜設定される。
【００５７】
すなわち、制御信号S2は、図５の（ｂ）に示すように特定の周期でON・OFFを繰り返すので、本実施の形態では制御信号S2の一周期のうちのON期間とOFF期間とのデューティ比を変更することで電磁コイル２６の導通度を設定している。ON期間では、電磁コイル２６の抵抗値、バッテリ１０７の電圧等によって定められる値を上限として、電磁コイル２６に流れる電流値Iは増加し続ける。これに対し、OFF期間では、電流値Iは０にならない限り減少していく。このため、制御信号S2のデューティ比を大きく設定することで、一周期中のON期間の割合をOFF期間よりも十分多くすると、電流値Iの増加時間が減少時間よりも長くなり、一周期を通じて見ると、電流値Iは増加していく。よって、図６に示すように、電磁コイル２６を流れる電流値Iが増加し、この電流値Iの立ち上がり角度θが大きくなる。
【００５８】
逆に制御信号S2のデューティ比を小さく設定することで、一周期中のON期間に対するOFF期間の割合を増やしていくと、電磁コイル２６を流れる電流の一周期当りの増加量が小さくなる。よって、電流値Iの立ち上がり角度θが小さくなる。
【００５９】
そして、エンジンの運転状況に促した最適な制御信号S2のデューティ比は、エンジンコントローラ１０３のROM１０５にデータとして予め記憶されているので、CPU１０４は、刻々と変化する実際のエンジンの運転状況に最適なデューティ比をROM１０５から読み出してトランジスタ１０６のベースに出力する。これにより弁体８４を閉じ位置にリフトさせるに必要な電磁力が定まるようになっている。
【００６０】
次に、上記燃料噴射システムの作動について説明する。
【００６１】
エンジンのクランク軸によって燃料供給用カム軸５３が回転駆動されると、カム５６の輪郭形状に基づいてカムフォロア５２が揺動運動する。このカムフォロア５２の揺動運動は、プッシュロッド５１、ロッカアーム５０およびタペット４７を介してプランジャ４６に伝えられ、このプランジャ４６が往復運動を繰り返す。
【００６２】
プランジャ４６が加圧室４５に向けて押し下げられていくと、加圧室４５の容積が次第に減じられる。この加圧室４５の容積は、プランジャ４６が下死点位置に押し下げられた時点で最も小さくなる。プランジャ４６が上昇に転じてシリンダ４４から引き抜かれていくと、加圧室４５の容積が次第に増大し、この加圧室４５が負圧となる。
【００６３】
この際、燃料通路７０の電磁弁８１は、ソレノイド８が励磁されない限り燃料通路７０の燃料導入部７０ａを開放しているので、上記負圧となった加圧室４５にフィードポンプ７２から供給された燃料が満たされ、加圧室４５や燃料溜り室６１内の燃料圧力が一定のフィード圧に保たれる。
【００６４】
この状態において、プランジャ４６が再び下降に転じて加圧室４５の容積が減じられても、燃料通路７０の燃料導入部７０ａは開放されたままであるので、加圧室４５内の燃料は、燃料通路７０の燃料導入部７０ａに押し戻され、ここから燃料導管７１や燃料戻し管７６を通じて燃料タンク７３に戻される。よって、加圧室４５や燃料通路７０に満たされた燃料の圧力の上昇は少ない。
【００６５】
上記燃料噴射システムにおいて、ポペット弁８２が閉じる間際には、ポペット弁８２が十分に加速されていて動作が速いため、燃料通路７０が絞られる時間は比較的短時間である。それに対して、ポペット弁８２が開く間際には、ポペット弁８２は加速されておらず動作が遅いため、燃料通路７０が絞られる期間は長くなる。フローフォースはポペット弁８２の開時、閉時共に働くが、ポペット弁リフト期間のうち、燃料通路が絞られている状態では、ポペット弁８２が開く時の方がフローフォースが働く時間が長いため、閉じる時の応答性の悪化以上に、開く時の応答性が向上し、噴射量の最低限界を広げることができる。
【００６６】
以下、図６の（ａ）〜（ｄ）を基に、ポペット弁が開く時の応答性が向上することにより最低噴射量を低減できる理由を説明する。なお図６の（ａ）〜（ｄ）では、それぞれ、電磁コイル２６に流れる電流、ポペット弁８２のリフト量、燃料通路７０の断面積、噴射圧の各時間変化を示している。各図のグラフ上では、従来の状態を細線で、本実施の形態の状態を太線で示している。
【００６７】
ポペット弁８２を閉じている期間の長さで噴射量を制御する際には、ポペット弁８２を閉じて直ちに開いた時の噴射量が安定して制御できる最小の噴射量となる。この時、図６の（ｄ）に示すｔF1、ｔF2に相当する期間では、ポペット弁８２が完全に閉じる前から、排出される流量に対して出口通路が小さすぎるため、圧力の上昇が始まり、噴射が開始される。また、ポペット弁が開き始める際には、ポペット弁８２の通路面積が小さいので、圧力は急激には低下せず、噴射が継続する。
【００６８】
そのため、ポペット弁８２を閉じて直ちに開いただけでも、図６の（ｄ）にｔF1、ｔF2で示すように一定期間燃料は噴射される。この時の噴射量がポペット弁８２で制御できる最低噴射量となる。この最低噴射量を低減するためには、図６の（ｃ）にｔA1、ｔA2で示すポペット弁の動作中に通路が絞られる期間を短くする必要がある。その方法としては、ポペット弁８２の全開から全閉までの動作速度を向上することと、全閉から全開までの動作速度を向上することの２点が挙げられる。
【００６９】
本実施の形態では、燃料がハウジングから排出される時にポペット弁が流体から受ける力（流体力）をポペット弁の開き位置の方向になるように弁、ホルダの形状、及び寸法を工夫したため、ポペット弁が開く際の動作速度を向上させることができる。ポペット弁を閉じる際には動作速度が遅くなる方向に流体力が働くが、その時間は開く時と比較して小さく、全体としてはポペット弁の応答性を向上させることができる。
【００７０】
このようにポペット弁の応答性を向上させることで、ポペット弁を開くと直ちに十分な通路面積を確保でき、直ちに圧力を低下させて噴射を終了させることができる。すなわち、ポペット弁の応答性を向上させれば、より少ない噴射量までポペット弁を用いた制御が可能となる。
【００７１】
以下、図７を基に、本実施の形態における燃料噴射システムの動作を説明する。以下の説明にて示す各番号（１）〜（５）は、図７に示した各番号（１）〜（５）に対応している。
【００７２】
CPU１０４により電磁コイル２６の通電期間を延ばしていくと、ポペット弁８２の挙動は以下の様に変化する。
【００７３】
（１）．弁体８４は途中まで磁力で引き上げられ、慣性でさらに途中までリフトし、ばね力で元の状態に戻る。
【００７４】
（２）．弁体８４は途中まで磁力で引き上げられ、慣性によりちょうどポペット弁８２が閉じる位置までリフトし、一瞬ポペット弁８２は閉じられる。その後、弁体８４はばね力により元の状態に戻る。
【００７５】
（３）．弁体８４は途中まで磁力で引き上げられ、慣性でリフトしてポペット弁８２は一瞬閉じられる。その後、弁体８４はばね力により元の状態に戻る。（２）の場合よりも弁体８４が磁力により引き上げられる時間が延びるため、ポペット弁８２が開いてから閉じるまでにかかる時間は短くなる。
【００７６】
（４）．ポペット弁８２が閉じるまで弁体８４は磁力により引き上げられ、閉じた瞬間に磁力を無くす。弁体８４が慣性でリフトする期間がない。
【００７７】
（５）．ポペット弁８２が閉じ、一定期間後、磁力を無くす。弁体８４はばね力により元の状態に戻る。
【００７８】
上記の（１），（２），（３）を比較すると、ポペット弁８２の通路が絞られている時間が最も長くなるのは（２）である。したがって、（１）〜（３）の間では、（２）の状態で噴射量は最大となる。
【００７９】
また、（２）〜（４）の間では、通電期間を延ばすほど弁体８４が磁力で引き上げられる期間が増え、慣性でリフトする期間が減る。そのため、ポペット弁８２が開いている状態から閉じるまでにかかる時間が短くなり、ひいては燃料通路７０が絞られている時間が短くなる。したがって、（２）〜（４）の間では通電期間を延ばすほど噴射量は減り、（４）の状態で噴射量が最小となる。
【００８０】
また、（５）のように（４）の状態より通電期間を延ばすと、ポペット弁８２の閉じている期間が増加し、噴射量もそれに応じて単調増加する。
【００８１】
このように、通電期間に応じて噴射量が単調増加する（４）以降の状態が、エンジンの制御に用いられる。この時、（４）の状態が制御可能な最低噴射量となる。以上のようにポペット弁の応答性（開閉時の速度）を向上することで、この時の噴射量を低減することができる。
【００８２】
なお、上記した図６の（ａ）〜（ｄ）は、図７の（４）の状態の電流、ポペット弁リフト、ポペット弁部通路面積、噴射圧の各時間変化を示したものである。フローフォースはポペット弁が開く方向に働くため、図６の（ｂ）に示すように、従来のものと比較して全閉〜全開の速度は流体力により速くなっているが、全開〜全閉の速度は低下している。しかし、流体力の影響はポペット弁が開く時の方が大きく、全開〜全閉〜全開にわたって、ポペット弁の応答速度は向上している。そのため本実施の形態によれば、燃料通路７０が絞られる期間を従来のものより短縮でき（ｔA2<ｔA1）、噴射期間も短縮できる（ｔF2<ｔF1）ため、噴射量を低減できる。
【００８３】
なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されず、要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施できる。
【００８４】
【発明の効果】
本発明の電磁弁によれば、流体力を利用し電磁弁が流体から受ける力をポペット弁の開き位置の方向とすることで、電磁弁の開時の速度を上げて応答性を向上でき、安定した制御が可能な燃料の最低噴射量をさらに低減し、ディーゼルエンジン等を安定して制御できる運転可能領域を拡大することができる。これにより、エンジンのアイドル回転数を落として消費燃料を低減したり、アイドル時の制御幅に余裕をもたせ、より安定したエンジン制御を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料噴射システムの断面図。
【図２】ノズルボディの部分を拡大して示すユニットインジェクタの断面図。
【図３】ポペット弁の弁体が開き位置に移動された状態を示す電磁弁の断面図。
【図４】ポペット弁の弁体が閉じ位置にリフトされた状態を示す電磁弁の断面図。
【図５】（ａ）は、ソレノイドの駆動回路を示す回路図。
（ｂ）は、ソレノイドを駆動するトランジスタに印加される電圧のデューティ比を示す特性図。
【図６】時間に対する電流、ポペット弁リフト、ポペット弁部通路面積、噴射圧を示した図。
【図７】時間に対する噴射量、ポペット弁リフトを示した図。
【図８】従来のユニットインジェクタに用いられる電磁弁の断面図。
【図９】ポペット弁の弁体が開き位置にリフトされた状態を示す電磁弁の断面図。
【図１０】ポペット弁を閉じ位置に動作させるタイミングとポペット弁のリフト量および燃料の噴射圧力との関係を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
７…駆動部
８…ソレノイド
２３…スプリング（プレッシャスプリング）
３４…燃焼室
４６…プランジャ
５９…噴孔
７０…燃料通路（流体通路）
７２…フィードポンプ
８１…電磁弁
８２…ポペット弁
８３…ハウジング
８４…弁体
９３，９７…第１および第２のガイド面
９５…圧力室
【発明の属する技術分野】
本発明は、ソレノイドの電磁力を利用して弁体を開閉駆動する電磁弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン用の燃料噴射装置として、フィードポンプで圧力調整された燃料を各気筒毎に独立した電子制御式のユニットインジェクタに供給するようにしたものが知られている。
【０００３】
この種のユニットインジェクタは、フィードポンプで圧力調整された燃料が供給される燃料通路を有し、この燃料通路の途中にエンジンに同期して駆動されるプランジャと、エンジンの運転状況に応じて燃料噴射時期を電子的に制御する電磁弁とが設置されている。
【０００４】
電磁弁は、プランジャよりも燃料の供給方向に沿う上流側に位置されており、この電磁弁を閉じることで燃料通路が密閉空間に移行し、この燃料通路に供給された燃料がプランジャによって加圧されるようになっている。そして、この燃料の圧力がノズルニードルを閉じ方向に付勢しているばね力に打ち勝つと、このノズルニードルがリフトしてノズルボディの先端の噴孔を開き、この噴孔を通じて加圧された燃料がエンジンの燃焼室に噴射されるようになっている。
【０００５】
ところで、図８および図９は、従来のユニットインジェクタに用いられる電磁弁１を開示している。この電磁弁１は、ユニットインジェクタのインジェクタボディ２に一体的に組み込まれている。インジェクタボディ２は、フィードポンプ３から燃料が供給される燃料通路４を有し、この燃料通路４の途中に形成された凹部５に電磁弁１が装着されている。
【０００６】
電磁弁１は、ポペット弁６と、このポペット弁６を開閉駆動する駆動部７とを備えている。ポペット弁６は、弁体９を支持するハウジング１０を有している。ハウジング１０は、凹部５の開口端にねじ込まれた固定部材１１を介してインジェクタボディ２に固定されている。
【０００７】
ハウジング１０は、その中央部にガイド孔１２を有する中空の筒状をなしている。ハウジング１０の外周面には、周方向に連続する燃料供給溝１３が形成されており、この燃料供給溝１３は燃料通路４の上流部分に連なっている。
【０００８】
弁体９は、ハウジング１０のガイド孔１２内に軸方向に摺動可能に嵌合されている。弁体９の外周面には、周方向に連続する溝部１４が形成されている。溝部１４は、ガイド孔１２の内周面と協働してリング状の燃料室１５を構成しており、この燃料室１５の上部は、複数の供給孔１６を介して燃料供給溝１３に連なっている。また、溝部１４の下端の外周部には、テーパ状のシール部１７が形成されている。
【０００９】
燃料室１５の底部には、弁体９の径方向に外側に向けて広がるように拡張された燃料溜り１８が形成されている。燃料溜り１８は、連通口１９を介して燃料通路４の下流部分に連通されており、この燃料溜り１８に臨むガイド孔１２の角部には、上記弁体９のシール部１７に対応する弁座２０が形成されている。
【００１０】
このため、弁体９は、シール部１７が弁座２０に着座する閉じ位置と、シール部１７が弁座２０から離脱する開き位置とに亙って昇降動可能にハウジング１０に支持されている。そして、弁体９が閉じ位置に移動された状態では、燃料室１５と燃料通路４の下流部分との連通が遮断され、この燃料通路４の下流部分が密閉空間に移行するようになっている。
【００１１】
弁体９は、上向きに突出する弁軸２２を備えている。弁軸２２の外周部分には、プレッシャスプリング２３が装着されており、このプレッシャスプリング２３は、弁体９を常に開き位置に押し下げている。弁軸２２は、固定部材１１を貫通しており、この弁軸２２の上端にアーマチュア２４がねじ止めされている。
【００１２】
駆動部７は、ソレノイド８を有している。ソレノイド８は、インジェクタボディ２の上面にスペーサ２５を介して設置され、上記アーマチュア２４と向かい合っている。ソレノイド８は、電磁コイル２６と、この電磁コイル２６を保持する鉄芯２７とを備えている。鉄芯２７はカバー２８によって覆われており、この鉄芯２７とカバー２８との間、および鉄芯２７と電磁コイル２６との間には、夫々合成樹脂製の封止材２９が充填されている。
【００１３】
ソレノイド８は、エンジンの運転状況を判断するエンジンコントローラ（図示せず）からの制御信号によって励磁される。すなわち、図１０に示すように、ソレノイド８に制御信号Sが付与されると、電磁コイル２６に電流が流れ、これにより電磁コイル２６が励磁されて鉄芯２７が磁化される。このため、アーマチュア２４がプレッシャスプリング２３に抗して吸引され、このアーマチュア２４と一体化された弁体９が開き位置から閉じ位置にリフトされる。
【００１４】
この結果、燃料通路４の下流部分が密閉空間に移行し、プランジャの作動に伴い燃料通路４の下流部分の燃料圧力が急激に上昇する。この燃料圧力がノズルニードルを閉じ方向に付勢しているばね力に打ち勝つと、このノズルニードルがリフトしてノズルボディの先端の噴孔を開き、この噴孔から加圧された燃料がエンジンの燃焼室に噴射される。
【００１５】
電磁コイル２６の励磁が解除されると、プレッシャスプリング２３の付勢力により弁体９が閉じ位置から開き位置に戻され、燃料通路４が開放される。この結果、燃料通路４内の燃料圧力が一気に低下し、燃焼室への燃料の噴射が終了する。
【００１６】
ところで、上記従来のユニットインジェクタでは、ポペット弁６の弁体９を開閉するタイミングや弁体９を閉じ位置に保持する時間をソレノイド８によって制御することで、燃焼室への燃料の噴射タイミングや噴射量をエンジンの運転状況に応じて設定している。この際、ポペット弁６は、燃料通路４を開放する開き位置又は燃料通路４を閉じる閉じ位置のいずれかの位置に保持されるのみであり、この燃料通路４内の燃料圧力を上昇させるタイミングおよび燃料圧力を下降させるタイミングを制御するに止まっている。
【００１７】
すなわち、プランジャの作動により燃料通路４を流れる燃料は、弁体９が開き位置にある限り、図９に矢印で示すように弁座２０とシール部１７との間を通って燃料室１５に流れ込む。この燃料は、溝部１４の底に沿って上向きに流れた後、この溝部１４の上端に突き当たり、その流れが供給孔１６を向くように横方向に変化する。このため、弁体９は、燃料室１５に流れ込む燃料により閉じ位置に向けて押し上げるような力を受けるので、電磁コイル２６が励磁された時には、速やかに開き位置から閉じ位置にリフトされることになり、それ故、ポペット弁６は燃料通路４を開放するか閉じるかのいずれかの状態にしか切り換え操作することができない。
【００１８】
よって、噴射行程中の燃料の噴射割合（噴射率）は、プランジャを作動させるカムのプロフィールによって一様に定まり、噴射行程中の前半と後半とで燃料の噴射圧力を自由に変化させることができなくなる。
【００１９】
一方、近年のディーゼルエンジンは、低公害化への対応が強く求められており、特にNOx排出量の低減が課題となっている。このNOxの排出量を低減するためには、噴射行程の前半の燃料噴射圧力を後半の燃料噴射圧力よりも低く設定することが有効であることが知られている。
【００２０】
噴射行程の前半に低い圧力で燃料を噴射すると、燃焼開始圧力が低く抑えられて燃焼が穏やかとなり、燃焼圧の急激な上昇が回避される。このため、燃焼温度が低くなり、NOxの発生が極めて少なくなるとともに、燃焼騒音（エンジン騒音）も低く抑えることができる。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、電子制御式のユニットインジェクタの噴射タイミング、噴射量の制御にはポペット弁が使われている。ポペット弁を閉じると、プランジャにより圧送される燃料の出口が閉じて圧力が上がり、開弁圧以上になると燃料噴射が開始される。また、ポペット弁を開くと、高圧燃料がハウジングから排出され、圧力が閉弁圧以下になると燃料噴射は終了する。このように、ポペット弁を閉じるタイミングで噴射開始時期を制御し、閉じている期間で噴射量を制御している。
【００２２】
ユニットインジェクタをエンジンの制御に用いる場合、インジェクタが安定して噴射量を制御できる最小量の限界は、ポペット弁を閉じて直ちに開いた時の噴射量であり、その量はポペット弁の応答性により決定される。しかし、燃料の圧力、流れによる力がポペット弁動作時の抵抗となり、応答性の向上が困難であるという問題がある。
【００２３】
本発明の目的は、応答性を向上させ、制御可能な最低噴射量の低減を図る電磁弁を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の電磁弁は以下の如く構成されている。
【００２５】
本発明の電磁弁は、流体が供給されるとともに、この供給された流体を加圧する加圧手段を有する流体通路に設置される電磁弁であって、上記加圧手段よりも流体の供給方向に沿う上流側に設置されたハウジングと、このハウジングに支持され、上記流体通路を閉じる閉じ位置と、上記流体通路を開放する開き位置とに亙って移動可能な弁体と、この弁体を上記開き位置に向けて押圧するスプリングと、電流値に応じて電磁力が変化するソレノイドを有し、このソレノイドが励磁された時の電磁力により上記弁体をスプリングの付勢力に抗して上記閉じ位置に移動させる駆動部と、を具備し、上記ハウジングと弁体との間に、上記弁体が開き位置にある限り上記流体通路を流れる流体が導かれる圧力室を形成し、この圧力室は、ハウジングにより流体の流れ方向を下向きに反転させることで上記弁体を上記開き位置に向けて押圧する流体圧を発生させるとともに、所定期間、上記弁体が流体から受ける力を上記開き位置の方向とする流体制御手段を有し、上記ソレノイドを所定の電流値で励磁させた時に、上記弁体が上記スプリングの付勢力および上記流体圧に抗して閉じ位置に移動される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図１〜図７に基づいて説明する。
【００２７】
図１は、例えば発電機、舶用機械あるいは建設機械等に用いられるディーゼルエンジンの燃料噴射システムを開示している。この燃料噴射システムは、電子制御式のユニットインジェクタ３１を備えている。ユニットインジェクタ３１は、ディーゼルエンジンのシリンダヘッド３２に取り付けられている。シリンダヘッド３２は、ピストン３３の頂部と協働して燃焼室３４を構成しており、この燃焼室３４にユニットインジェクタ３１を通じて燃料が噴射されるようになっている。
【００２８】
ユニットインジェクタ３１は、インジェクタボディ３６を備えている。インジェクタボディ３６は、プランジャバレル３７と、このプランジャバレル３７と一体化された電磁弁取り付け部３８とを含んでいる。プランジャバレル３７の先端部には、リテーニングナット３９を介してスプリングケージ４０、ディスタンスピース４１およびノズルボディ４２が同軸状に固定されている。
【００２９】
プランジャバレル３７の内部には、シリンダ４４と、このシリンダ４４の底に連なる加圧室４５とが形成されている。シリンダ４４の内部には、プランジャ４６が軸方向に摺動可能に嵌合されている。このプランジャ４６の先端は、加圧室４５に臨んでいる。プランジャ４６の加圧室４５とは反対側の端部には、タペット４７が連結されている。タペット４７は、プランジャバレル３７に支持されているとともに、このプランジャバレル３７の外方に突出されている。そして、タペット４７は、プランジャスプリング４８を介してプランジャ４６を加圧室４５から引き出す方向に付勢されている。
【００３０】
タペット４７は、ロッカアーム５０、プッシュロッド５１およびカムフォロア５２を介して燃料噴射用カム軸５３に連携されている。ロッカアーム５０は、ロッカ軸５４を介してシリンダヘッド３２に支持されており、このロッカアーム５０の一端がタペット４７に突き当たっている。プッシュロッド５１は、ロッカアーム５０の他端とカムフォロア５２との間に介在されている。カムフォロア５２は、タペットローラ５５を介して燃料噴射用カム軸５３上のカム５６に接している。燃料噴射用カム軸５３は、エンジンのクランク軸（図示せず）によって図１の時計回り方向に回転駆動されるようになっている。
【００３１】
そのため、燃料噴射用カム軸５３が回転駆動されると、カムフォロア５２がカム５６の輪郭形状に応じて揺動運動を繰り返すとともに、このカムフォロア５６の揺動運動がプッシュロッド５１、ロッカアーム５０およびタペット４７を介してプランジャ４６に伝えられ、これによりプランジャ４６が軸方向に往復動するようになっている。
【００３２】
図２に示すように、ノズルボディ４２は、その先端に小径な円頂部５８を有している。円頂部５８は、燃焼室３４に突出されているとともに、この燃焼室３４に開口された複数の噴孔５９を有している。
【００３３】
ノズルボディ４２の内部には、ガイド孔６０が形成されている。ガイド孔６０は、円頂部５８に隣接された一端に燃料溜り室６１を有し、この燃料溜り室６１は、サック部６２を通じて噴孔５９に連なっている。また、ガイド孔６０の燃料溜り室６１とは反対側の他端は、スプリングケージ４０の内部のスプリング収容室６３に連なっている。
【００３４】
ガイド孔６０には、ノズルニードル６５が軸方向に摺動可能に嵌合されている。ノズルニードル６５の一端は、燃料溜り室６１を貫通しており、このノズルニードル６５の一端にサック部６２を開閉するシール部６６が形成されている。このため、ノズルニードル６５は、サック部６２を塞ぐ閉じ位置と、サック部６２を開放する開き位置とに亙って往復動可能にノズルボディ４２に支持されている。
【００３５】
ノズルニードル６５のシール部６６とは反対側の端部は、ディスタンスピース４１を貫通してスプリング収容室６３に臨んでいる。スプリング収容室６３には、リターンスプリング６７が収容されている。リターンスプリング６７は、スプリングリテーナ６８を介してノズルニードル６５をサック部６２に向けて付勢しており、このノズルニードル６５を常に閉じ位置に保持している。
【００３６】
図１や図２に示すように、ユニットインジェクタ３１のインジェクタボディ３６は、流体通路としての燃料通路７０を備えている。燃料通路７０の上流端は、インジェクタボディ３６の電磁弁取り付け部３８に導かれているとともに、この燃料通路７０の下流端は、燃料溜り室６１に連なっている。また、燃料通路７０は、プランジャバレル３７の内部において加圧室４５に連なっている。
【００３７】
そのため、燃料通路７０は、加圧室４５を境として、この加圧室４５の上流側に位置された燃料導入部７０ａと、加圧室４５の下流側に位置された燃料吐出部７０ｂとに区分けされている。
【００３８】
燃料通路７０の燃料導入部７０ａは、燃料導管７１を介してフィードポンプ７２に連なっている。フィードポンプ７２は、燃料タンク７３に貯えられた燃料（流体）を一定のフィード圧で燃料通路７０に供給するためのものであり、このフィードポンプ７２と燃料通路７０とを結ぶ燃料導管７１の途中には、上流側から順に燃料フィルタ７４および減圧弁７５が設置されている。
【００３９】
燃料導管７１は、減圧弁７５の下流側で分岐された燃料戻し管７６を有している。燃料戻し管７６は、燃料タンク７３に連なっており、この燃料戻し管７６の途中には、燃料タンク７３に戻される燃料の流通のみを許容する逆止弁７７が設置されている。
【００４０】
図１や図３に示すように、インジェクタボディ３６の電磁弁取り付け部３８には、上向きに開口された凹部７８が形成されている。凹部７８は、燃料通路７０の燃料導入部７０ａに連なる第１および第２の連通口７９ａ，７９ｂを有している。第１の連通口７９ａは、燃料導入部７０ａの上流部分を介して燃料導管７１に連なっている。第２の連通口７９ｂは、燃料導入部７０ａの下流部分を介して加圧室４５に連なっている。
【００４１】
凹部７８には、燃料噴射時期や噴射時間を制御するための電磁弁８１が設置されている。この電磁弁８１は、主にそのポペット弁８２に関する構成が図８に示す従来の電磁弁１と相違しており、それ以外の電磁弁８１の基本的な構成は従来の電磁弁１と同様である。そのため、本実施の形態の電磁弁８１において、従来の電磁弁１と同一の構成部分には同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００４２】
図３に示すように、ポペット弁８２は、凹部７８に固定されたハウジング８３と、このハウジング８３に支持された弁体８４とを備えている。ハウジング８３は、その中央部にガイド孔８５を有する筒状をなしている。ガイド孔８５の内周面には、周方向に連続する溝部８６が形成されている。溝部８６は、ガイド孔８５の軸線方向に沿う中央部に位置されている。
【００４３】
このため、ガイド孔８５は、溝部８６を境として、凹部７８の底側に位置された第１の孔部８５ａと、凹部７８の開口側に位置された第２の孔部８５ｂとに区分けされている。第１の孔部８５ａの口径D1は、第２の孔部８５ｂの口径D2よりも大きく設定されている。
【００４４】
弁体８４は、ガイド孔８５を貫通するような円柱状をなしている。この弁体８４は、ガイド孔８５の第１の孔部８５ａに対応する第１のジャーナル部８７ａと、ガイド孔８５の第２の孔部８５ｂに対応する第２のジャーナル部８７ｂと、これら第１および第２のジャーナル部８７ａ，８７ｂの間に位置された中間部８７ｃとを有している。
【００４５】
第１のジャーナル部８７ａは、第１の孔部８５ａに液密を保って軸方向に摺動可能に嵌合されているとともに、第２のジャーナル部８７ｂは、第２の孔部８５ｂに液密を保って軸方向に摺動可能に嵌合されている。このため、第１のジャーナル部８７ａの直径は、第２のジャーナル部８７ｂの直径よりも大きく設定されている。
【００４６】
弁体８４の中間部８７ｃは、ハウジング８３の溝部８６によって取り囲まれている。この中間部８７ｃの外周面には、全周に亙ってガイド溝９０が形成されている。ガイド溝９０は、大径な第１のジャーナル部８７ａに連なる一端部の深さ寸法が最も大きく設定されており、このガイド溝９０の一端部には、弁体８４の径方向内側に向けて延びる受圧面９１が形成されている。受圧面９１は、弁体８４の径方向内側に進むに従い第２のジャーナル部８７ｂに近づく方向に傾斜されている。受圧面９１の外周部は、リング状のシール部９２を構成しており、このシール部９２の外周縁部は、弁体８４の第１のジャーナル部８７ａに連なっている。
【００４７】
ガイド溝９０の底は、受圧面９１から弁体８４の第２のジャーナル部８７ｂに近づくに従い弁体８４の径方向外側に向けて傾斜された第１のガイド面９３をなしている。第１のガイド面９３は、ハウジング８３の溝部８６と向かい合っており、この溝部８６の内面は、第１のガイド面９３と協働して圧力室９５を構成している。圧力室９５は、ハウジング８３と弁体８４との間に位置され、このハウジング８３の供給孔１６を通じて燃料供給溝１３に連なっている。
【００４８】
圧力室９５は、大径な第１のジャーナル部８７ａ側に位置された底部を有し、この底部に燃料溜り９６が形成されている。燃料溜り９６は、ハウジング８３の溝部８６を弁体８４の径方向外側に向けて拡張することにより構成され、この燃料溜り９６は、上記第２の連通口７９ｂを通じて燃料導入部７０ａの下流部分に連なっている。
【００４９】
ハウジング８３の溝部８６は、その燃料溜り９６とは反対側の上部に円弧状に湾曲された第２のガイド面９７を有している。第２のガイド面９７は、第１のガイド面９３に連なっているとともに、弁体８４の受圧面９１と向かい合うように圧力室９５に露出されている。
【００５０】
また、ハウジング８３の溝部８６は、弁体８４のシール部９２に向けて突出する壁部９８を有している。壁部９８は、弁体８４のシール部９２を周方向に連続して取り囲んでおり、この壁部９８の先端は、シール部９２が接離可能に接触する弁座９９を構成している。
【００５１】
そのため、弁体８４は、シール部９２が弁座９９に接する閉じ位置（図４に示す）と、シール部９２が弁座９９から離脱する開き位置（図３に示す）とに亙って移動可能にハウジング８３に支持されている。弁体８４が開き位置にある状態では、圧力室９５と燃料溜り９６とが互いに連通されており、これにより燃料通路７０の燃料導入部７０ａが開放されている。弁体８４が閉じ位置にある状態では、圧力室９５と燃料溜り９６との連通が遮断されており、これにより燃料通路７０の燃料導入部７０ａの下流部分、燃料吐出部７０ｂおよび加圧室４５が密閉空間に移行するようになっている。
【００５２】
図３に示すように、弁体８４の端部には、プレッシャスプリング２３を受け止めるリング状のスプリングシート１００が設置されている。スプリングシート１００は、弁体８４が開き位置にある状態においてハウジング８３の端面に突き当たっており、このことにより、弁体８４の弁軸２２側の端面とスプリングシート１００との間に隙間d1が形成されるようになっている。
【００５３】
同様に、弁体８４が開き位置にある状態において、弁体８４のシール部９２とハウジング８３の弁座９９との間には隙間d2が形成されている。隙間d2は、隙間d1よりも大きく設定され、この隙間d2を通じて燃料が流通するようになっている。
【００５４】
なお、弁体８４は、その軸線上に貫通孔１０１を有している。貫通孔１０１は、弁軸２２と固定部材１１との間の空間に開口されているとともに、ここから弁軸２２の貫通部分を通じて上記アーマチュア２４や電磁コイル２６が収められたカバー２８の下側の空間に連なっている。
【００５５】
図１に示すように、電磁弁８１のソレノイド８は、エンジンコントローラ１０３によって駆動されるようになっている。エンジンコントローラ１０３は、CPU１０４と、エンジンの運転状況に応じた最適な燃料噴射時期および噴射時間を記憶したROM１０５とを備えている。CPU１０４には、エンジン運転中、例えばエンジン回転数、スロットル開度あるいは吸入空気温度のような実際のエンジンの運転状況を示す各種の信号S1が入力される。そして、CPU１０４は、信号S1に基づいてその時のエンジンの運転状況を総合的に判断するとともに、この運転状況に最適な燃料噴射時期および噴射時間をROM１０５から読み出し、この燃料噴射時期および噴射時間を実現するような制御信号S2をソレノイド８に送出するようになっている。
【００５６】
この点について具体的に述べると、図５の（ａ）に示すように、ソレノイド８の電磁コイル２６は、トランジスタ１０６を介して電源としてのバッテリ１０７に電気的に接続されている。トランジスタ１０６のベースは、エンジンコントローラ１０３のCPU１０４に接続されている。トランジスタ１０６のベースに制御信号S2が入力されると、電磁コイル２６にバッテリ１０７から電流が流れ、この電磁コイル２６が励磁されて弁体８４を閉じ位置にリフトするための電磁力が発生する。この電磁コイル２６に流れる電流値I、つまり電磁コイル２６の導通度は、エンジンコントローラ１０３から出力される制御信号S2によって適宜設定される。
【００５７】
すなわち、制御信号S2は、図５の（ｂ）に示すように特定の周期でON・OFFを繰り返すので、本実施の形態では制御信号S2の一周期のうちのON期間とOFF期間とのデューティ比を変更することで電磁コイル２６の導通度を設定している。ON期間では、電磁コイル２６の抵抗値、バッテリ１０７の電圧等によって定められる値を上限として、電磁コイル２６に流れる電流値Iは増加し続ける。これに対し、OFF期間では、電流値Iは０にならない限り減少していく。このため、制御信号S2のデューティ比を大きく設定することで、一周期中のON期間の割合をOFF期間よりも十分多くすると、電流値Iの増加時間が減少時間よりも長くなり、一周期を通じて見ると、電流値Iは増加していく。よって、図６に示すように、電磁コイル２６を流れる電流値Iが増加し、この電流値Iの立ち上がり角度θが大きくなる。
【００５８】
逆に制御信号S2のデューティ比を小さく設定することで、一周期中のON期間に対するOFF期間の割合を増やしていくと、電磁コイル２６を流れる電流の一周期当りの増加量が小さくなる。よって、電流値Iの立ち上がり角度θが小さくなる。
【００５９】
そして、エンジンの運転状況に促した最適な制御信号S2のデューティ比は、エンジンコントローラ１０３のROM１０５にデータとして予め記憶されているので、CPU１０４は、刻々と変化する実際のエンジンの運転状況に最適なデューティ比をROM１０５から読み出してトランジスタ１０６のベースに出力する。これにより弁体８４を閉じ位置にリフトさせるに必要な電磁力が定まるようになっている。
【００６０】
次に、上記燃料噴射システムの作動について説明する。
【００６１】
エンジンのクランク軸によって燃料供給用カム軸５３が回転駆動されると、カム５６の輪郭形状に基づいてカムフォロア５２が揺動運動する。このカムフォロア５２の揺動運動は、プッシュロッド５１、ロッカアーム５０およびタペット４７を介してプランジャ４６に伝えられ、このプランジャ４６が往復運動を繰り返す。
【００６２】
プランジャ４６が加圧室４５に向けて押し下げられていくと、加圧室４５の容積が次第に減じられる。この加圧室４５の容積は、プランジャ４６が下死点位置に押し下げられた時点で最も小さくなる。プランジャ４６が上昇に転じてシリンダ４４から引き抜かれていくと、加圧室４５の容積が次第に増大し、この加圧室４５が負圧となる。
【００６３】
この際、燃料通路７０の電磁弁８１は、ソレノイド８が励磁されない限り燃料通路７０の燃料導入部７０ａを開放しているので、上記負圧となった加圧室４５にフィードポンプ７２から供給された燃料が満たされ、加圧室４５や燃料溜り室６１内の燃料圧力が一定のフィード圧に保たれる。
【００６４】
この状態において、プランジャ４６が再び下降に転じて加圧室４５の容積が減じられても、燃料通路７０の燃料導入部７０ａは開放されたままであるので、加圧室４５内の燃料は、燃料通路７０の燃料導入部７０ａに押し戻され、ここから燃料導管７１や燃料戻し管７６を通じて燃料タンク７３に戻される。よって、加圧室４５や燃料通路７０に満たされた燃料の圧力の上昇は少ない。
【００６５】
上記燃料噴射システムにおいて、ポペット弁８２が閉じる間際には、ポペット弁８２が十分に加速されていて動作が速いため、燃料通路７０が絞られる時間は比較的短時間である。それに対して、ポペット弁８２が開く間際には、ポペット弁８２は加速されておらず動作が遅いため、燃料通路７０が絞られる期間は長くなる。フローフォースはポペット弁８２の開時、閉時共に働くが、ポペット弁リフト期間のうち、燃料通路が絞られている状態では、ポペット弁８２が開く時の方がフローフォースが働く時間が長いため、閉じる時の応答性の悪化以上に、開く時の応答性が向上し、噴射量の最低限界を広げることができる。
【００６６】
以下、図６の（ａ）〜（ｄ）を基に、ポペット弁が開く時の応答性が向上することにより最低噴射量を低減できる理由を説明する。なお図６の（ａ）〜（ｄ）では、それぞれ、電磁コイル２６に流れる電流、ポペット弁８２のリフト量、燃料通路７０の断面積、噴射圧の各時間変化を示している。各図のグラフ上では、従来の状態を細線で、本実施の形態の状態を太線で示している。
【００６７】
ポペット弁８２を閉じている期間の長さで噴射量を制御する際には、ポペット弁８２を閉じて直ちに開いた時の噴射量が安定して制御できる最小の噴射量となる。この時、図６の（ｄ）に示すｔF1、ｔF2に相当する期間では、ポペット弁８２が完全に閉じる前から、排出される流量に対して出口通路が小さすぎるため、圧力の上昇が始まり、噴射が開始される。また、ポペット弁が開き始める際には、ポペット弁８２の通路面積が小さいので、圧力は急激には低下せず、噴射が継続する。
【００６８】
そのため、ポペット弁８２を閉じて直ちに開いただけでも、図６の（ｄ）にｔF1、ｔF2で示すように一定期間燃料は噴射される。この時の噴射量がポペット弁８２で制御できる最低噴射量となる。この最低噴射量を低減するためには、図６の（ｃ）にｔA1、ｔA2で示すポペット弁の動作中に通路が絞られる期間を短くする必要がある。その方法としては、ポペット弁８２の全開から全閉までの動作速度を向上することと、全閉から全開までの動作速度を向上することの２点が挙げられる。
【００６９】
本実施の形態では、燃料がハウジングから排出される時にポペット弁が流体から受ける力（流体力）をポペット弁の開き位置の方向になるように弁、ホルダの形状、及び寸法を工夫したため、ポペット弁が開く際の動作速度を向上させることができる。ポペット弁を閉じる際には動作速度が遅くなる方向に流体力が働くが、その時間は開く時と比較して小さく、全体としてはポペット弁の応答性を向上させることができる。
【００７０】
このようにポペット弁の応答性を向上させることで、ポペット弁を開くと直ちに十分な通路面積を確保でき、直ちに圧力を低下させて噴射を終了させることができる。すなわち、ポペット弁の応答性を向上させれば、より少ない噴射量までポペット弁を用いた制御が可能となる。
【００７１】
以下、図７を基に、本実施の形態における燃料噴射システムの動作を説明する。以下の説明にて示す各番号（１）〜（５）は、図７に示した各番号（１）〜（５）に対応している。
【００７２】
CPU１０４により電磁コイル２６の通電期間を延ばしていくと、ポペット弁８２の挙動は以下の様に変化する。
【００７３】
（１）．弁体８４は途中まで磁力で引き上げられ、慣性でさらに途中までリフトし、ばね力で元の状態に戻る。
【００７４】
（２）．弁体８４は途中まで磁力で引き上げられ、慣性によりちょうどポペット弁８２が閉じる位置までリフトし、一瞬ポペット弁８２は閉じられる。その後、弁体８４はばね力により元の状態に戻る。
【００７５】
（３）．弁体８４は途中まで磁力で引き上げられ、慣性でリフトしてポペット弁８２は一瞬閉じられる。その後、弁体８４はばね力により元の状態に戻る。（２）の場合よりも弁体８４が磁力により引き上げられる時間が延びるため、ポペット弁８２が開いてから閉じるまでにかかる時間は短くなる。
【００７６】
（４）．ポペット弁８２が閉じるまで弁体８４は磁力により引き上げられ、閉じた瞬間に磁力を無くす。弁体８４が慣性でリフトする期間がない。
【００７７】
（５）．ポペット弁８２が閉じ、一定期間後、磁力を無くす。弁体８４はばね力により元の状態に戻る。
【００７８】
上記の（１），（２），（３）を比較すると、ポペット弁８２の通路が絞られている時間が最も長くなるのは（２）である。したがって、（１）〜（３）の間では、（２）の状態で噴射量は最大となる。
【００７９】
また、（２）〜（４）の間では、通電期間を延ばすほど弁体８４が磁力で引き上げられる期間が増え、慣性でリフトする期間が減る。そのため、ポペット弁８２が開いている状態から閉じるまでにかかる時間が短くなり、ひいては燃料通路７０が絞られている時間が短くなる。したがって、（２）〜（４）の間では通電期間を延ばすほど噴射量は減り、（４）の状態で噴射量が最小となる。
【００８０】
また、（５）のように（４）の状態より通電期間を延ばすと、ポペット弁８２の閉じている期間が増加し、噴射量もそれに応じて単調増加する。
【００８１】
このように、通電期間に応じて噴射量が単調増加する（４）以降の状態が、エンジンの制御に用いられる。この時、（４）の状態が制御可能な最低噴射量となる。以上のようにポペット弁の応答性（開閉時の速度）を向上することで、この時の噴射量を低減することができる。
【００８２】
なお、上記した図６の（ａ）〜（ｄ）は、図７の（４）の状態の電流、ポペット弁リフト、ポペット弁部通路面積、噴射圧の各時間変化を示したものである。フローフォースはポペット弁が開く方向に働くため、図６の（ｂ）に示すように、従来のものと比較して全閉〜全開の速度は流体力により速くなっているが、全開〜全閉の速度は低下している。しかし、流体力の影響はポペット弁が開く時の方が大きく、全開〜全閉〜全開にわたって、ポペット弁の応答速度は向上している。そのため本実施の形態によれば、燃料通路７０が絞られる期間を従来のものより短縮でき（ｔA2<ｔA1）、噴射期間も短縮できる（ｔF2<ｔF1）ため、噴射量を低減できる。
【００８３】
なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されず、要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施できる。
【００８４】
【発明の効果】
本発明の電磁弁によれば、流体力を利用し電磁弁が流体から受ける力をポペット弁の開き位置の方向とすることで、電磁弁の開時の速度を上げて応答性を向上でき、安定した制御が可能な燃料の最低噴射量をさらに低減し、ディーゼルエンジン等を安定して制御できる運転可能領域を拡大することができる。これにより、エンジンのアイドル回転数を落として消費燃料を低減したり、アイドル時の制御幅に余裕をもたせ、より安定したエンジン制御を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料噴射システムの断面図。
【図２】ノズルボディの部分を拡大して示すユニットインジェクタの断面図。
【図３】ポペット弁の弁体が開き位置に移動された状態を示す電磁弁の断面図。
【図４】ポペット弁の弁体が閉じ位置にリフトされた状態を示す電磁弁の断面図。
【図５】（ａ）は、ソレノイドの駆動回路を示す回路図。
（ｂ）は、ソレノイドを駆動するトランジスタに印加される電圧のデューティ比を示す特性図。
【図６】時間に対する電流、ポペット弁リフト、ポペット弁部通路面積、噴射圧を示した図。
【図７】時間に対する噴射量、ポペット弁リフトを示した図。
【図８】従来のユニットインジェクタに用いられる電磁弁の断面図。
【図９】ポペット弁の弁体が開き位置にリフトされた状態を示す電磁弁の断面図。
【図１０】ポペット弁を閉じ位置に動作させるタイミングとポペット弁のリフト量および燃料の噴射圧力との関係を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
７…駆動部
８…ソレノイド
２３…スプリング（プレッシャスプリング）
３４…燃焼室
４６…プランジャ
５９…噴孔
７０…燃料通路（流体通路）
７２…フィードポンプ
８１…電磁弁
８２…ポペット弁
８３…ハウジング
８４…弁体
９３，９７…第１および第２のガイド面
９５…圧力室
Claims (1)
- 流体が供給されるとともに、この供給された流体を加圧する加圧手段を有する流体通路に設置される電磁弁であって、
上記加圧手段よりも流体の供給方向に沿う上流側に設置されたハウジングと、
このハウジングに支持され、上記流体通路を閉じる閉じ位置と、上記流体通路を開放する開き位置とに亙って移動可能な弁体と、
この弁体を上記開き位置に向けて押圧するスプリングと、
電流値に応じて電磁力が変化するソレノイドを有し、このソレノイドが励磁された時の電磁力により上記弁体をスプリングの付勢力に抗して上記閉じ位置に移動させる駆動部と、を具備し、
上記ハウジングと弁体との間に、上記弁体が開き位置にある限り上記流体通路を流れる流体が導かれる圧力室を低圧流体通路側に形成し、この圧力室は、ハウジングにより流体の流れ方向を下向き反転させることで上記弁体を上記開き位置に向けて押圧する流体圧を発生させるとともに、所定期間、上記弁体が流体から受ける力を上記開き位置の方向とする流体制御手段を有し、上記ソレノイドを所定の電流値で励磁させた時に、上記弁体が上記スプリングの付勢力および上記流体圧に抗して閉じ位置に移動されることを特徴とする電磁弁。
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