JP3873068B2

JP3873068B2 - 燃料噴射弁とその製造法

Info

Publication number: JP3873068B2
Application number: JP2004199013A
Authority: JP
Inventors: 竹治吉田; 勲上林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-07-06
Filing date: 2004-07-06
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2024-07-06
Also published as: JP2006022655A

Description

この発明は、筒内噴射型の内燃機関に好適であり、広い範囲の運転領域において燃料噴射率を制御することが可能な燃料噴射弁及びその製造法に関するものである。

ガソリンを燃料とする内燃機関に使用される燃料噴射弁は、低速回転（アイドリング）時における最小燃料噴射量から高出力運転時における最大燃料噴射量までの広い範囲の運転領域において高精度の燃料噴射調量が要求され、燃料を内燃機関の気筒内に直接噴射させる筒内噴射型の内燃機関においては広い範囲の運転領域を得るために、供給燃料圧を可変とする制御システムが使用されている。この制御システムは低速回転域では供給燃料を低燃料圧とし、高出力運転時には高燃料圧とすることにより燃料噴射率を可変とするもので、最大流量と最小流量との比率であるダイナミックレンジを大きくすることにより広い範囲の運転領域を得るようにしたものである。

このように供給燃料圧を可変とした場合、燃料噴射弁はある一定の燃料圧で流量調整が行われるため、供給燃料圧の変化に対しては必ずしも最適な動作状態とはならず、結果として内燃機関の制御範囲を狭めることになる。すなわち、一般的には燃料噴射弁は低速回転時における最小量の燃料での調量精度を確保するために、低燃料圧時において所望の流量値が得られるように内蔵するバネの力量が調整されて固定され、このように調量された燃料噴射弁を最大量の燃料を要する高出力時の高燃料圧で使用すると最適な応答性が得られず、燃料圧の上昇分ほどには燃料噴射量が増加しないという問題があった。

このような問題点に対して燃料噴射弁の閉弁圧を得るためのバネの力量を可変にすることにより応答性を確保する技術、あるいは、燃料噴射弁の可動部である弁体のリフト量を可変にすることにより燃料噴射率を可変にする技術が各種開示されている。

例えば特許文献１に開示された技術は、デューティ制御された電流を電磁コイルに対してＯＮ−ＯＦＦ制御することにより弁座と弁体との開閉制御を行う燃料噴射弁において、弁体を取り付ける可動側のロッドに動作量を規制する受け面を設けると共に、固定側のヨークにストッパを設け、ストッパには体積可変部材（ストローク可変部材）として圧電素子を取り付け、圧電素子に対する電圧印加の有無によりロッドのストローク、従って、弁体のリフト量を制御するようにし、リフト量の制御により燃料噴射率を可変制御するようにしたものである。また、同文献には体積可変部材を介してスプリングを取り付けることにより、電磁コイルと共に弁の開閉を制御するバネの力量を圧電素子に対する印加電圧を変えることにより可変にし、燃料噴射率を可変制御して運転条件に対応した燃料噴射量を得る技術も開示されている。

さらに特許文献２には、積層された圧電素子に対する電圧印加の有無により開弁動作を行う燃料噴射弁の、弁の開閉を行うニードルピストンの弁側に燃圧室を形成すると共に燃圧室とは反対側の圧電素子側に差圧室を形成し、圧電素子の印加電圧を遮断して圧電素子の体積減少により差圧室の圧力を低下せしめることにより開弁を行うように構成したものにおいて、燃圧室と差圧室との圧力差が所定値以下のときはニードルピストンがプランジャーと当接する位置までの開弁ストロークに規制され、圧力差が所定値以上になればプランジャーのバネを圧縮して全ストローク開弁し、この圧力差を圧電素子の印加電圧により制御して開弁リフト量を可変にすることにより、運転条件に対応した燃料噴射率を得る技術が開示されている。

特開平０５−３２１７８６号公報（第３〜５頁、第１〜８図）特開２０００−３３７２２３号公報（第４〜５頁、第１〜７図）

特許文献１に開示された技術のように運転条件に応じて弁体のリフト量を制御したり、バネの力量を可変にすることにより応答性の悪化を改善することは可能であるが、この文献に開示された制御は、燃料圧を常にモニターしておき、燃料圧に応じて体積可変部材に加える電圧を制御して弁体のリフト量やバネの力量を制御する必要があり、制御システムが複雑になると共に製造原価の高騰を招くことになる。また、特許文献２に開示された技術では、ニードルピストンのストロークを規制するプランジャーがバネを介して保持される必要があって、ガソリンを燃料とする内燃機関の燃料噴射弁に適用するには構造が複雑化し、安価に製造することが困難なものであった。

この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、弁の動作を制御するバネの力量を、燃料圧に対応して自動的に変化させることにより、単純且つ安価な構成で、燃料噴射率を広い範囲の運転条件に対応させることが可能な燃料噴射弁を得ることを目的とするものである。

この発明に係る燃料噴射弁は、電流パルスが与えられる電磁コイル、前記電磁コイルの磁路を構成すると共に内径に燃料を流通させる燃料通路が形成された固定鉄心、前記固定鉄心に対向して設けられると共に弁体と一体に構成され、前記電磁コイルに与えられる電流の通電と遮断とにより弁の開閉駆動を行う可動鉄心、前記固定鉄心の燃料通路内に固定される固定部材と前記燃料の圧力に応動して前記固定部材に対して変位する圧力応動部材とを有するバネ支持体、前記バネ支持体の前記圧力応動部材と前記可動鉄心との間に設けられ前記弁体を押圧して弁に閉弁圧を与える圧縮バネを備え、前記圧力応動部材が前記燃料の圧力に応動して変位することにより前記閉弁圧が変化するようにしたものである。

また、この発明に係る燃料噴射弁の製造法は、電流パルスが与えられる電磁コイル、前記電磁コイルの磁路を構成すると共に内径に燃料を流通させる燃料通路が形成された固定鉄心、前記固定鉄心に対向して設けられると共に弁体と一体に構成され、前記電磁コイルに与えられる電流の通電と遮断とにより弁の開閉駆動を行う可動鉄心、前記固定鉄心の燃料通路内に固定された第一部材と前記燃料の圧力を受ける受圧面を有すると共に前記第一部材とは弾性体を介して結合された第二部材とから構成されたバネ支持体、前記第二部材と前記可動鉄心との間に設けられ前記弁体を押圧して弁に閉弁圧を与える圧縮バネとを備えた燃料噴射弁の製造法であって、前記第二部材の保持部の断面積または受圧面の面積を調整することにより前記閉弁圧の設定を行うようにした燃料噴射弁の製造法である。

この発明に係る燃料噴射弁とその製造法では以上のような構成と製造法としたので、固定鉄心内の燃料通路に充填される燃料の圧力により第二部材が弾性体を変形させながら固定された第一部材に対して移動し、バネの圧縮長さを変化させることにより弁の閉弁圧、従って、開弁に要する力量を変化させるので、燃料圧の変化以上に燃料噴射量を変化させてダイナミックレンジを拡大することができ、簡単な構成で広い範囲の運転領域に適合可能な燃料噴射弁を得ることができるものであり、また、この閉弁圧を製造時に簡単に調整することができるものである。

実施の形態１．図１ないし図５はこの発明の実施の形態１による燃料噴射弁の構成と動作とを説明するもので、図１は燃料噴射弁の全体構成を示す断面図、図２はこの実施の形態の特徴を説明する部分断面図、図３は動作を説明する説明図、図４は燃料噴射の状態を説明する動作特性図、図５は効果を説明する動作特性図である。

図１において、燃料噴射弁はソレノイド部１と弁装置２とからなり、ソレノイド部１は外殻を形成するヨーク３と、磁路を形成する固定鉄心４と、ヨーク３内に固定され図示しない制御部から必要時期に必要時間通電される電磁コイル５と、固定鉄心４とは対向して設けられ電磁コイル５の通電により固定鉄心４に吸引される可動鉄心６などから構成されている。また、弁装置２は一端が可動鉄心６に固定され他端に球状弁７ａが形成された弁体７と、ヨーク３の一端にカシメ付けられた弁本体８と、弁本体８の先端に固定され球状弁７ａと共に弁を形成し噴射孔９ａを有する弁座９と、噴射孔９ａから噴射される燃料に旋回流を与えるスワラー１０と、弁本体８に設けられ弁体７の当接面７ｄと協働して弁体７の移動範囲を規制するストッパ１１とから構成されている。

ソレノイド部１に設けられた固定鉄心４の内径は燃料通路１２を形成しているが、この燃料通路１２には中空の第一部材１３が挿入されて固定鉄心４に固定されており、第一部材１３の弁装置２側には図２に示すように接続部材１４および１５を介して第二部材１６が設けられている。そして、第二部材１６は接続部材１４に嵌合される保持部１６ａと燃料圧を受ける鍔部１６ｂとからなり、接続部材１４に移動可能に嵌合されると共に、第二部材１６と接続部材１５との間には弾性部材１７が介挿されており、第二部材１６と可動鉄心６との間には球状弁７ａが噴射孔９ａを常時は閉弁するように圧縮バネ１８が介挿されている。すなわち第一部材１３と接続部材１４および１５と第二部材１６と弾性部材１７とは圧縮バネ１８の一端を支持するバネ支持体を構成している。第一部材１３は、バネ支持体を固定鉄心４に固定するの固定部材を構成し、第二部材１６は、燃料圧に応動してその固定部材に対して変位し位置が移動する移動部材を構成している。

なお、接続部材１４には適宜図示しないスリットが設けられており、燃料通路１２からの燃料は第一部材１３の中空部から図２に示した矢印のように接続部材１４の図示しないスリットを通って弁装置２に供給される。また、弁装置２の弁体７はその大径部７ｂおよび７ｃにて弁本体８の内径に摺動可能に支承され、球状弁７ａと弁座９の噴射孔９ａとからなる弁を開閉する。第二部材１６の弾性部材１７と当接する側とは反対側の端面に設けられた鍔部１６ｂは上記したように燃料圧を受ける受圧面として形成され、この受圧面は圧縮バネ１８と当接する側の面、すなわち、可動鉄心６側の面が他方の面に対して保持部１６ａの断面積に相当する面積分大きく設定されており、加圧燃料が充填された場合、燃料圧により弾性部材１７を圧縮する方向に力が働き、第一部材に対して第二部材が移動するように構成されている。

このように構成されたこの発明の実施の形態１による燃料噴射弁において、常時は圧縮バネ１８により球状弁７ａが弁座９の噴射孔９ａを閉塞して閉弁状態にあるが、図示しない制御部から電磁コイル５に通電がなされると固定鉄心４とヨーク３と可動鉄心６とからなる磁路に磁束が発生し、可動鉄心６が弁体７と共に圧縮バネ１８の押圧力に抗して固定鉄心４に吸引されることにより球状弁７ａが弁座９の噴射孔９ａを開弁し、スワラー１０により旋回力が与えられた燃料が噴射孔９ａから図示しない内燃機関の燃焼室内に噴射され、電磁コイル５に対する通電期間の終了と共に球状弁７ａが噴射孔９ａを閉塞して燃料噴射が終了する。

このときの燃料の噴射量は燃料圧力と通電時間と圧縮バネ１８の力量とで決まるが、この実施の形態における燃料噴射弁の流量調整は次のようにして行われる。すなわち、燃料噴射弁の組み立て時において、第一部材１３と接続部材１４と弾性部材１７を有する接続部材１５および第二部材１６を組み立てた状態で固定鉄心４内の燃料通路１２に挿入し、第一部材１３に上部から押圧力を加えて圧縮バネ１８に一定の力量を与えた状態で一定圧力の燃料を供給し、電磁コイル５に駆動信号を与えて燃料噴射量を測定し、第一部材１３に対する押圧力を変化させて所定の噴射量が得られた状態で第一部材１３を固定鉄心４に固定する。可変燃料圧のシステムにおいてはこの流量調整を低燃料圧時に行って圧縮バネ１８の力量を決め燃料噴射量を設定する。

このように燃料噴射量が設定されたこの実施の形態による燃料噴射弁を可変燃料圧のシステムに使用した場合の動作を図３に基づき説明する。燃料噴射弁に加圧された燃料が供給されると燃料通路１２から球状弁７ａの手前まで所定圧力の燃料が満たされ、第二部材１６の鍔部１６ｂが形成する受圧面には上記したように圧縮バネ１８側から鍔部１６ｂの両側面積の差に相当する燃料圧が印可される。低燃料圧時に行う流量調整により、燃料圧が低いときには第二部材１６と可動鉄心６との間に介在する圧縮バネ１８は図３（Ａ）に示すように長さＬ１に、また、このときのバネ荷重はＳＦ１に設定される。

燃料噴射弁に与えられる燃料圧が高燃料圧になった場合、第二部材１６の受圧面に加わる圧力が高くなるため、第二部材１６の保持部１６ａは接続部材１４内を摺動して接続部材１５との間に介在する弾性部材１７を押圧し、弾性部材１７を変形させる結果、第二部材１６の第一部材１３に対する位置が変化し、図３（Ｂ）に示すように圧縮バネ１８の長さはＬ２に変化してバネ荷重もＳＦ１より小さい値のＳＦ２に変化する。すなわち、燃料圧が高くなるほど圧縮バネ１８による可動鉄心６に対する力量すなわち閉弁圧が低下することになる。

このように燃料圧により圧縮バネ１８のバネ荷重が変化した場合の電磁コイル５に与えられる入力電流パルスと噴射時間との関係を示したのが図４の動作特性図である。同一入力電流パルスに対し、可動鉄心６に対するバネ荷重すなわち閉弁圧が低下すると開弁時には開弁動作が早くなり、逆に閉弁時には閉弁動作が遅くなって、結果的には実質の開弁時間の延長が図れることになる。図６の点線は低燃料圧時の開弁動作であり、実線は高燃料圧時の開弁動作であって、同一入力電流パルスに対して高燃料圧時には斜線部分の燃料噴射時間（開弁時間）の拡大が図れることになる。

図５は入力電流パルス幅に対する燃料噴射量の関係を示したもので、従来装置では燃料圧がＰ１のときにはパルス幅に対して比例的に燃料噴射量が増加し、燃料圧がＰ２になれば燃料圧がＰ１の場合とほぼ並行的に燃料噴射量が増加するのに対し、この発明の燃料噴射弁によれば図４の斜線部分が増加するのでさらにΔＱの上乗せが可能になる。なお、図５の鎖線特性は燃料圧に対してリニアに第二部材１６が移動した場合の特性である。

以上に説明したように、この実施の形態による燃料噴射弁の構成によれば、可変燃料圧の内燃機関に使用した場合に燃料圧に対して自動的に開弁時間の拡大が図れ、簡単な構成で燃料圧の可変範囲以上にダイナミックレンジを拡大することが可能になるもので、内燃機関の運転条件の変化に対して良好な応答性を有する燃料噴射弁が得られると共に、バネ支持体が第一部材１３とこれに弾性体１７を介して設けられる第二部材１５とで構成されており、組み立て時に低燃料圧時の燃料噴射量を第一部材の１３位置にて設定するので、容易に基本噴射量の設定を行うことが可能になる。

実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２による燃料噴射弁の構成を説明する部分断面図であり、この実施の形態による燃料噴射弁は、実施の形態１による燃料噴射弁に対し、第二部材１６と接続部材１５との間に介在する弾性部材１７として、ベローズ１８を使用するようにしたものであり、このような構成することにより容易に且つ精度よくダイナミックレンジの拡大を図ることが可能な燃料噴射弁を得ることができるものである。

実施の形態３．
図７はこの発明の実施の形態３による燃料噴射弁の構成を説明する部分断面図である。実施の形態１では第二部材１６の鍔部１６ｂに形成された受圧面により燃料圧による圧縮バネ１８の長さ変化と、これによる燃料噴射量ΔＱの増加について説明したが、第二部材１６の受圧面に加わる燃料圧は、受圧面の面積と第二部材１６の接続部材１４に対する嵌合部である保持部１６ａの断面積との比により決定するものである。この実施の形態による燃料噴射弁は、第二部材１６の保持部１６ａの断面積、または、鍔部１６ｂの直径を変更することにより燃料噴射量の増加量ΔＱを設定するもので、内燃機関の種類により容易に特性の異なる燃料噴射弁を得ることができるものである。

この発明による燃料噴射弁とその製造法は、特に、燃料圧が可変制御される内燃機関に使用する燃料噴射弁に適用されるものである。

この発明の実施の形態１による燃料噴射弁の構成を示す断面図である。この発明の実施の形態１による燃料噴射弁の構成を説明する部分断面図である。この発明の実施の形態１による燃料噴射弁の動作説明図である。この発明の実施の形態１による燃料噴射弁の燃料噴射状態を説明する動作特性図である。この発明の実施の形態１による燃料噴射弁の効果を説明する動作特性図である。この発明の実施の形態２による燃料噴射弁の構成を説明する部分断面図である。この発明の実施の形態３による燃料噴射弁の構成を説明する部分断面図である。

符号の説明

１ソレノイド部、２弁装置、３ヨーク、４固定鉄心、
５電磁コイル、６可動鉄心、７弁体、７ａ球状弁、７ｂ、７ｃ大径部、
７ｄ当接面、８弁本体、９弁座、９ａ噴射孔、１０スワラー、
１１ストッパ、１２燃料通路、１３第一部材、１４、１５接続部材、
１６第二部材、１６ａ保持部、１６ｂ鍔部、１７弾性部材、
１８圧縮バネ、１９ベローズ。

Claims

電流パルスが与えられる電磁コイル、前記電磁コイルの磁路を構成すると共に内径に燃料を流通させる燃料通路が形成された固定鉄心、前記固定鉄心に対向して設けられると共に弁体と一体に構成され、前記電磁コイルに与えられる電流の通電と遮断とにより弁の開閉駆動を行う可動鉄心、前記固定鉄心の燃料通路内に固定される固定部材と前記燃料の圧力に応動して前記固定部材に対して変位する圧力応動部材とを有するバネ支持体、前記バネ支持体の前記圧力応動部材と前記可動鉄心との間に設けられ前記弁体を押圧して弁に閉弁圧を与える圧縮バネを備え、前記圧力応動部材が前記燃料の圧力に応動して変位することにより前記閉弁圧が変化するように構成されたことを特徴とする燃料噴射弁。
前記バネ支持体が、前記固定鉄心の燃料通路内に固定された第一部材と、前記燃料の圧力を受ける受圧面を有すると共に前記第一部材とは弾性体を介して結合された第二部材とから構成され、前記第一部材は前記固定部材を構成し、前記第二部材と前記弾性体とは、前記圧力応動部材を構成することを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
前記第一部材が、組み立て時において、前記閉弁圧が所定値となるように位置決めされた上で前記固定鉄心の燃料通路内に固定されることを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射弁。
前記第一部材と前記第二部材との間に介在する前記弾性体がベローズであることを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射弁。
電流パルスが与えられる電磁コイル、前記電磁コイルの磁路を構成すると共に内径に燃料を流通させる燃料通路が形成された固定鉄心、前記固定鉄心に対向して設けられると共に弁体と一体に構成され、前記電磁コイルに与えられる電流の通電と遮断とにより弁の開閉駆動を行う可動鉄心、前記固定鉄心の燃料通路内に固定された第一部材と前記燃料の圧力を受ける受圧面を有すると共に前記第一部材とは弾性体を介して結合された第二部材とから構成されたバネ支持体、前記第二部材と前記可動鉄心との間に設けられ前記弁体を押圧して弁に閉弁圧を与える圧縮バネとを備えた燃料噴射弁の製造法であって、前記第二部材の保持部の断面積または受圧面の面積を調整することにより前記閉弁圧の設定を行うことを特徴とする燃料噴射弁の製造法。
組み立て時において、前記閉弁圧が所定値になるように前記第一部材を前記固定鉄心の燃料通路内に位置決めした上で固定することを特徴とする請求項５に記載の燃料噴射弁の製造法。