JP4123384B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関（以下、内燃機関を「エンジン」という。）に燃料を噴射する燃料噴射弁に関する。

従来、弁部材を電磁的に駆動する燃料噴射弁が公知である。このような燃料噴射弁の場合、固定コアと、固定コアと対向し弁部材と一体に往復移動する可動コアとの間に磁気吸引力が発生する。固定コアと可動コアとの間に発生する磁気吸引力を高める場合、互いに対向する固定コアおよび可動コアの断面積を拡大することが考えられる（例えば特許文献１、２参照）。固定コアおよび可動コアの断面積を拡大することにより、固定コアおよび可動コアを通過可能な磁束の量が増加する。その結果、固定コアと可動コアとの間に発生する磁気吸引力が増大する。

特表平１１−５００５０９号公報 特表２００２−５２８６７２号公報

しかしながら、磁気吸引力の増大を図るため、可動コアの断面積を拡大すると、可動コアは重量が増加する。可動コアの重量が増加すると、コイルへの通電に対する可動コアの作動応答性が悪化する。その結果、燃料の噴射量を精密に制御することが困難になる。
そこで、本発明の目的は、可動コアの重量の増加を招くことなく固定コアと可動コアとの間の磁気吸引力が増大し、作動応答性が高く、燃料の噴射量が精密に制御される燃料噴射弁を提供することにある。

請求項１記載の発明では、コイル部品は可動コア側ほど巻線の巻数が多くなっている。固定コアと可動コアとの間に発生する磁気吸引力は、固定コアと可動コアとの間の磁束の量に関係する。可動コア側における巻線の巻数を多くすることにより、固定コアと可動コアとの間を流れる磁束が増加し、固定コアと可動コアとの間の磁気吸引力は増大する。また、磁束は、コイル部品を中心に径方向へ放射状に流れる。そのため、可動コアから離れた位置では、巻線の巻数が少なくなるほど、固定コアへ漏れる磁束が減少する。その結果、可動コア側の巻数を多くすることにより、固定コアと可動コアとの間を流れる磁束は相対的に増加する。これにより、磁束の流れを確保するために可動コアの断面積を拡大することなく、固定コアと可動コアとの間の磁気吸引力は増大する。したがって、可動コアの重量の増加を招かず、可動コアの作動応答性が向上し、燃料の噴射を精密に制御することができる。

請求項２または３記載の発明では、コイル部品は軸に沿った断面の形状が台形状または三角形状である。これにより、可動コア側ほど径方向の長さが長くなる。また、コイル部品の断面積は、可動コア側ほど大きくなる。そのため、可動コア側への磁束の流れが円滑になり、固定コアと可動コアとの間に発生する磁気吸引力を高めることができる。
請求項４記載の発明では、コイル部品は径方向外側が軸に対し傾斜している。これにより、コイル部品の断面が台形状または三角形状となる場合でも、ボビンは径方向内側を軸と概ね平行にすることができる。そのため、コイル部品と固定コアとの間の距離は小さくなる。したがって、固定コアと可動コアとの間に発生する磁気吸引力を高めることができる。

従来、燃料噴射弁のコイル部品は円筒状である。そのため、コイル部品を覆う磁性部材は、軸方向の両端部が径方向内側に突出した円筒状に形成する必要がある。しかし、このような形状の磁性部材は、一体成形が困難で加工が複雑になる。そのため、磁性部材は、加工が容易な形状とするため、軸方向の上方および下方に分割されている。その結果、部品点数は増加するという問題がある。これに対し、請求項５記載の発明では、コイル部品は可動コアに近い側ほど巻線の巻数が多い。そのため、コイル部品は径方向外側が軸に対し傾斜している。これにより、コイル部品は略円錐形状となる。その結果、コイル部品を覆う一体のホルダおよびハウジングは、成形加工が容易な形状となる。したがって、ホルダおよびハウジングを一体に成形することができ、部品点数を低減することができる。

請求項６または７記載の発明では、燃料噴射弁のコイル部品はボビンと巻線とを備えている。巻線は、軸方向の一方の端部側の巻数が他方の端部側の巻線よりも多い。そのため、コイル部品は、軸方向の位置によって巻数が異なっている。これにより、通電したとき、巻数の多い側では発生する磁界が大きくなる。また、巻数の少ない側では磁束の漏れが小さくなる。

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（以下、燃料噴射弁を「インジェクタ」という。）を図１に示す。第１実施形態によるインジェクタ１０は、例えばガソリンエンジンの燃焼室に吸入される吸気に燃料を噴射する。なお、インジェクタ１０は、ガソリンエンジンの燃焼室に直接燃料を噴射する直噴式のガソリンエンジン、またはディーゼルエンジンに適用してもよい。

インジェクタ１０の収容パイプ１１は、薄肉の筒状に形成されている。収容パイプ１１は、第一磁性部１２、非磁性部１３および第二磁性部１４を有している。非磁性部１３は、第一磁性部１２と第二磁性部１４との磁気的な短絡を防止している。収容パイプ１１は、一方の端部に燃料入口１５を有している。燃料入口１５には、図示しない燃料ポンプから燃料が供給される。燃料入口１５に供給された燃料は、燃料フィルタ１６を経由して収容パイプ１１の内周側に流入する。燃料フィルタ１６は、収容パイプ１１の端部に設置され、燃料に含まれる異物を除去する。

収容パイプ１１の燃料入口１５とは反対側、すなわち第一磁性部１２の内周側には弁ボディ２０が設置されている。弁ボディ２０は、略円筒状に形成され、第一磁性部１２の内周側に固定されている。弁ボディ２０は、先端に近づくにつれて内径が小さくなる円錐状の内壁面に弁座２１を有している。弁ボディ２０は、収容パイプ１１とは反対側の端部に噴孔プレート２２を有している。噴孔プレート２２は、弁ボディ２０側の端面と弁ボディ２０とは反対側の端面とを接続する噴孔２３を有している。

弁部材としてのニードル２４は、第一磁性部１２および弁ボディ２０の内周側に軸方向へ往復移動可能に収容されている。ニードル２４は、収容パイプ１１および弁ボディ２０と概ね同軸上に配置されている。ニードル２４は、噴孔プレート２２側の端部近傍にシール部２５を有している。シール部２５は、弁ボディ２０に形成されている弁座２１に着座可能である。ニードル２４は、弁ボディ２０との間に燃料が流れる燃料通路２６を形成する。ニードル２４のシール部２５が弁座２１から離座することにより、燃料通路２６と噴孔２３とは連通する。本実施形態の場合、ニードル２４は、筒状に形成されている。ニードル２４は、内部に燃料通路２７を形成している。ニードル２４は、燃料通路２７と燃料通路２６を接続する燃料孔２８および燃料孔２９を有している。なお、ニードル２４は、筒状に限らず、中実の柱状でもよい。

インジェクタ１０は、ニードル２４を駆動する駆動部３０を有している。駆動部３０は、電磁駆動部である。駆動部３０は、コイル部品４０、ハウジング３１、ホルダ３２、固定コア３３および可動コア３４を有している。ハウジング３１およびホルダ３２は磁性材料から形成されている。ハウジング３１は、コイル部品４０の外周側を覆っている。ホルダ３２は、収容パイプ１１の外周側に配置され、噴孔２３側からコイル部品４０を保持している。ハウジング３１およびホルダ３２は、磁性材料から形成され、磁気的に接続している。コイル部品４０、ハウジング３１、ホルダ３２および収容パイプ１１の外周側は、樹脂モールド３５によって覆われている。コイル部品４０は、配線部材３６を経由してコネクタ３７に設置されているターミナル３８と電気的に接続している。

固定コア３３は、収容パイプ１１を挟んでコイル部品４０の内周側に固定されている。固定コア３３は、例えば鉄などの磁性材料により略円筒状に形成されている。固定コア３３は、可動コア３４との間に所定の隙間を形成して設置される。この固定コア３３と可動コア３４との間の隙間は、ニードル２４のリフト量に対応する。

可動コア３４は、収容パイプ１１の内周側に収容されている。可動コア３４は、収容パイプ１１の内周側を軸方向へ往復移動可能である。可動コア３４は、噴孔２３とは反対側の端部が固定コア３３と対向している。可動コア３４は、例えば鉄などの磁性材料から略円筒状に形成されている。ニードル２４は、シール部２５とは反対側の端部が可動コア３４の内周側に固定されている。これにより、ニードル２４および可動コア３４は、一体となって軸方向へ往復移動する。

可動コア３４は、弾性部材としてのスプリング１７と接している。スプリング１７は、軸方向の一方の端部が可動コア３４と接し、他方の端部がアジャスティングパイプ１８と接している。アジャスティングパイプ１８は、固定コア３３の内周側に固定されている。スプリング１７は、軸方向へ伸長する力を有している。そのため、一端が固定されているスプリング１７は、他端側において一体の可動コア３４およびニードル２４を弁座２１側へ押し付ける。スプリング１７の荷重は、アジャスティングパイプ１８の固定コア３３への圧入量により調整される。コイル部品４０に通電していないとき、一体の可動コア３４およびニードル２４は弁座２１側へ押し付けられる。これにより、シール部２５は弁座２１に着座する。

次に、コイル部品４０について詳細に説明する。
コイル部品４０は、ボビン４１および巻線４２から構成されている。ボビン４１は、樹脂により筒状に形成されている。ボビン４１は、図２に示すように筒部４３と保持部４４とを有している。筒部４３は、筒状に形成され、外周側に巻線４２が巻かれている。保持部４４は、筒部４３から軸方向に立ち上がって形成されている。保持部４４には、図１に示すように配線部材４５が保持されている。配線部材４５は、一端が巻線４２に接続し、他端が配線部材３６に電気的に接続している。巻線４２は、公知の導電材料から形成され、筒部４３の外周側に巻かれている。コイル部品４０は、収容パイプ１１を挟んで固定コア３３の外周側に設置されている。ボビン４１の筒部４３には収容パイプ１１が挿入される。巻線４２とハウジング３１およびホルダ３２との間には、樹脂部４６が充填されている。樹脂部４６は、巻線４２とハウジング３１およびホルダ３２との間を絶縁する。

ボビン４１に巻かれている巻線４２は、軸方向の一方の端部側から他方の端部側にかけて巻数が異なっている。本実施形態の場合、巻線４２は、保持部４４側の巻数が少なく、保持部４４と反対側の巻数が多くなっている。すなわち、コイル部品４０をインジェクタ１０に組み付けたとき、巻線４２の巻数は可動コア３４側ほど多くなる。そのため、図２に示すようにコイル部品４０は外形が略円錐状または略円錐台状となる。巻線４２の巻数は、軸方向へ段階的に変化している。これにより、コイル部品４０を軸に沿って切断したとき、コイル部品４０の断面は図１に示すように略台形状となる。

また、コイル部品４０は略円錐状であるため、巻線４２は外周側の端部が軸に対し傾斜している。巻線４２の外周側の端部を傾斜させることにより、可動コア３４側の巻線の巻数を多くしても、ボビン４１の筒部４３は軸と概ね平行にすることができる。これにより、ボビン４１の筒部４３は、収容パイプ１１の外周壁と概ね平行となり、収容パイプ１１と近づけて配置することができる。そのため、コイル部品４０と固定コア３３とは接近する。その結果、発生した磁束の漏れが低減され、磁束は円滑に固定コア３３を流れる。

可動コア３４側ほど巻線４２の巻数を多くすることにより、通電したとき、固定コア３３と可動コア３４との間に発生する電磁吸引力は増大する。固定コア３３と可動コア３４と間の磁気吸引力は、固定コア３３と可動コア３４との間を流れる磁束の量に関係する。磁束は、巻線４２の巻数が多くなるほど増大する。そのため、可動コア３４側ほど巻線４２の巻数を多くすることにより、固定コア３３と可動コア３４との間を流れる磁束が増加する。その結果、固定コア３３と可動コア３４との間の磁気吸引力は増大する。

また、磁束は、コイル部品４０から径方向へ放射状にも流れる。そのため、軸方向に巻線４２が均一に巻かれていれば、コイル部品４０から固定コア３３へ軸方向へ均一に磁束が漏れる。可動コア３４から離れた位置では、固定コア３３を流れる磁束は可動コア３４との間に発生する磁気吸引力への関与が小さい。その結果、巻線４２の巻数を軸方向で均一にすると、可動コア３４から離れた位置では磁気吸引力への関与よりも磁束漏れの影響が大きくなる。そこで、可動コア３４から遠い位置では巻線４２の巻数を減らすことにより、固定コア３３へ漏れる磁束は低減する。したがって、可動コア３４側における巻線４２の巻数を多くすると、固定コア３３と可動コア３４との間の磁束の量は相対的に増加する。

ここで、コイル部品４０の巻線４２の巻き方と、固定コア３３と可動コア３４との間に発生する磁気吸引力との関係について図３に基づいて説明する。比較例１では、コイル部品の巻線の巻数は軸方向に均一である。すなわち、比較例１は、従来構造のコイル部品である。比較例２では、コイル部品の巻線は、本実施形態のコイル部品４０とは反対に可動コア３４から遠ざかるほど巻数が多くなっている。なお、本実施形態、比較例１および比較例２では、巻線の巻数の総数は一定である。

図３に示すように、本実施形態のコイル部品４０は、比較例１または比較例２よりも発生する磁気吸引力が大きい。また、比較例１と比較例２とを比較すると、比較例１の方が比較例２よりも磁気吸引力が大きい。可動コア３４側の端部における巻線４２の巻数は、本実施形態＞比較例１＞比較例２である。これらのことから、巻線４２の巻数の総数が一定であれば、可動コア３４側の端部における巻数が多いほど、磁気吸引力は大きくなることがわかる。

次に、上記構成のインジェクタ１０の作動について説明する。
コイル部品４０への通電が停止されているとき、固定コア３３と可動コア３４との間には磁気吸引力が発生しない。そのため、可動コア３４はスプリング１７の押し付け力によって固定コア３３とは反対側に移動する。これにより、可動コア３４と一体のニードル２４も固定コア３３とは反対側に移動している。その結果、コイル部品４０への通電が停止されているとき、ニードル２４のシール部２５は弁座２１に着座している。したがって、燃料は、噴孔２３から噴射されない。

コイル部品４０に通電されると、発生した磁界によりハウジング３１、第二磁性部１４、固定コア３３、可動コア３４、第一磁性部１２およびホルダ３２には磁気回路が形成され、磁束が流れる。これにより、スプリング１７の押し付け力によって互いに離れている固定コア３３と可動コア３４との間には、コイル部品４０への通電によって磁気吸引力が発生する。固定コア３３と可動コア３４との間に発生する磁気吸引力がスプリング１７の押し付け力よりも大きくなると、一体の可動コア３４およびニードル２４は固定コア３３方向へ移動する。これにより、ニードル２４のシール部２５は弁座２１から離座する。一体の可動コア３４およびニードル２４は、可動コア３４が固定コア３３に接するまで図１の上方へ移動する。

燃料入口１５からインジェクタ１０の内部へ流入する燃料は、燃料フィルタ１６、収容パイプ１１の内周側、アジャスティングパイプ１８の内周側、固定コア３３の内周側、可動コア３４の内周側、ニードル２４の内周側の燃料通路２７、燃料孔２８および燃料孔２９を経由して燃料通路２６へ流入する。燃料通路２６に流入した燃料は、弁座２１から離座したニードル２４と弁ボディ２０との間を経由して噴孔２３へ流入する。これにより、噴孔２３から燃料が噴射される。

コイル部品４０への通電を停止すると、固定コア３３と可動コア３４との間の磁気吸引力は消滅する。これにより、一体の可動コア３４およびニードル２４は、スプリング１７の押し付け力により固定コア３３とは反対側へ移動する。そのため、シール部２５は再び弁座２１に着座し、燃料通路２６と噴孔２３との間の燃料の流れは遮断される。したがって、燃料の噴射は終了する。

以上、説明した第１実施形態では、コイル部品４０の巻線４２は可動コア３４側ほど巻数が多い。そのため、発生する磁界は、可動コア３４側ほど大きくなる。これにより、固定コア３３と可動コア３４との間に発生する磁気吸引力は増大する。したがって、可動コア３４の断面積および体格を大型化することなく、固定コア３３と可動コア３４との間の磁気吸引力を増大することができる。また、これにより、可動コア３４の重量の増加を招かない。したがって、可動コア３４が軽量化され、一体の可動コア３４およびニードル２４の作動応答性を向上することができる。さらに、可動コア３４およびニードル２４の作動応答性が向上することにより、燃料通路２６と噴孔２３との間は迅速に開閉される。したがって、燃料の噴射量を精密に調整することができる。

（変形例）
第１実施形態の変形例を図４および図５に示す。
変形例では、コイル部品４０の巻線４２の巻数は、軸方向へ徐々に変化している。そのため、コイル部品４０を軸に沿って切断したとき、コイル部品４０の断面は巻線４２が巻かれている部分で略三角形状となる。これにより、コイル部品４０は、巻線４２の外周側が滑らかな傾斜面となる。したがって、コイル部品４０は、外形が略円錐状に形成される。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態によるインジェクタを図６に示す。なお、第１実施形態と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第２実施形態では、コイル部品４０の外周側に磁性部材６０が設置されている。磁性部材６０は、磁性体から形成されている。磁性部材６０は、軸方向の一方の端部６１が収容パイプ１１の第一磁性部１２に接しており、他方の端部６２が第二磁性部１４に接している。これにより、磁性部材６０は、収容パイプ１１の第一磁性部１２および第二磁性部１４に磁気的に接続している。すなわち、磁性部材６０は、第１実施形態におけるハウジング３１およびホルダ３２を一体に有している。また、磁性部材６０は、内側にコイル部品４０を収容している。磁性部材６０は、図７に示すように周方向の一部が開口している。これにより、磁性部材６０は、周方向においてコイル部品４０の一部を覆っている。

磁性部材６０は、コイル部品４０の外周側に沿った形状に形成されている。そのため、磁性部材６０は、第一磁性部１２側の端部６１における内径および外径が第二磁性部１４側の端部６２における内径および外径よりも大きい。その結果、磁性部材６０は、周方向の一部が開口した略円錐筒状、言い換えると周方向の一部が開口した傘状に形成されている。筒状となった磁性部材６０の内側に、コイル部品４０は収容されている。

コイル部品４０は、第１実施形態と同様に可動コア３４側ほど巻線４２の巻数が多い。そのため、コイル部品４０は、外周側が軸に対し傾斜した略円錐状となる。コイル部品４０が略円錐状に形成されることにより、磁性部材６０は略円錐筒状に形成することができる。磁性部材６０を略円錐筒状に形成することにより、上述のように磁性部材６０は成形が容易な形状、すなわち略円錐筒状となる。

例えば、コイル部品４０を従来のように円筒状に形成する場合、磁性部材６０も円筒状に形成する必要がある。しかし、磁性部材６０を円筒状に形成する場合、軸方向の両端部には扇形状に径方向内側へ突出する部分を形成する必要がある。そのため、円筒状の磁性部材は、形状が複雑になり、一体の成形加工が困難になる。その結果、従来では、磁性部材は、軸方向の上下にハウジングおよびホルダに分割され、成形加工を容易にしている。

一方、本実施形態では、コイル部品４０は、上述のように略円錐状になっている。そのため、磁性部材６０は、成形が容易な周方向の一部が開口した略円錐筒状となる。その結果、磁性部材６０は、軸方向の継ぎ目なく一体に成形可能となる。
第２実施形態では、コイル部品４０の外周側を覆う磁性部材６０は軸方向へ継ぎ目なく一体に成形されている。したがって、構造を簡単にすることができるとともに、部品点数を低減することができる。

以上、複数の実施形態では、弁ボディ２０の先端に設置した噴孔プレート２２に噴孔２３を形成する例について説明した。しかし、噴孔２３は弁ボディ２０に直接設置してもよい。
また、複数の実施形態では、径が均一な巻線４２を用いる例について説明している。そのため、コイル部品４０は、可動コア３４側ほど巻線４２の巻数を多くすることにより、略円錐形状に形成される。しかし、例えば巻線４２の径を可動コア３４側ほど細くすることにより、コイル部品４０を略円筒形状に形成しつつ、可動コア３４側の巻線４２の巻数を多くする構成としてもよい。
さらに、複数の実施形態では、弁部材としてニードルを例に説明した。しかし、弁部材は、ニードルに限らずボール弁など、任意の形状に変更することができる。

本発明の第１実施形態によるインジェクタを示す断面図である。 本発明の第１実施形態によるインジェクタのコイル部品を示す概略斜視図である。 コイル部品に印加する電圧と磁気吸引力との関係を示す模式図であって、コイル部品の巻線の巻き方の影響を説明するための図である。 本発明の第１実施形態によるインジェクタの変形例を示す断面図である。 本発明の第１実施形態によるインジェクタの変形例を示す図であって、コイル部品を示す概略斜視図である。 本発明の第２実施形態によるインジェクタを示す断面図である。 本発明の第２実施形態によるインジェクタの磁性部材を示す概略斜視図である。

符号の説明

１０ インジェクタ（燃料噴射弁）、１１ 収容パイプ、２３ 噴孔、２４ ニードル（弁部材）、３１ ハウジング、３２ ホルダ、３３ 固定コア、３４ 可動コア、４０ コイル部品、４１ ボビン、４２ 巻線、６０ 磁性部材（ホルダ、ハウジング）

Claims (7)

1. 噴孔への燃料の流れを断続する弁部材と、
   前記弁部材と接続し、前記弁部材と一体に軸方向へ往復移動する可動コアと、
   前記可動コアの前記噴孔とは反対側の端部と対向して配置されている固定コアと、
   内周側に前記可動コアおよび前記固定コアを収容する円筒状の収容パイプと、
   前記収容パイプの外周に沿った筒状のボビンおよび前記ボビンに巻かれている巻線を有し、前記巻線は内径が軸方向に同径であり、前記固定コアと前記可動コアとの対向する位置を前記巻線の軸方向の一方の端部と他方の端部との中間位置とするように配置され、通電時に前記可動コアと前記固定コアとの間に磁気吸引力を発生させる磁界を発生し、前記可動コアに近い側ほど前記巻線の巻数が多いコイル部品と、
   を備えることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記コイル部品は、軸に沿った断面が前記可動コア側ほど径方向の長さが長い台形状であることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 前記コイル部品は、軸に沿った断面が前記可動コア側ほど径方向の長さが長い三角形状であることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
4. 前記コイル部品は、径方向外側が軸に対し傾斜していることを特徴とする請求項２または３記載の燃料噴射弁。
5. 内周側に前記可動コアおよび前記固定コアを収容する収容パイプと、
   前記収容パイプの前記噴孔側の端部において前記収容パイプの外周側に設置され、前記収容パイプの前記噴孔側の端部側から前記コイル部品を保持するホルダと、
   前記コイル部品の外周側に設置され、前記コイル部品で発生した磁界により前記可動コア、前記固定コア、前記収容パイプおよび前記ホルダとともに磁気回路を構成するハウジングとをさらに備え、
   前記ホルダと前記ハウジングとは、継ぎ目なく一体に形成され、前記コイル部品の外周側の周方向の一部を覆っていることを特徴とする請求項４記載の燃料噴射弁。
6. 対向して配置される可動コアおよび固定コアを備える燃料噴射弁に適用されるコイル部品であって、
   筒状のボビンと、
   前記ボビンの外周側に巻かれ、内径が軸方向に同径であり、軸方向の一方の端部側の巻数が他方の端部側の巻数よりも多い巻線と、
   を備えることを特徴とするコイル部品。
7. 前記燃料噴射弁に適用したとき、前記可動コアに近い端部側ほど前記巻線の巻数が多いことを特徴とする請求項６記載のコイル部品。

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