JP4143097B2 - 電磁式燃料噴射弁 - Google Patents

Description

この発明は内燃機関（以降「エンジン」という）に使用され、特に高応答性タイプとして好ましく用いることができる電磁式燃料噴射弁に関する。

近年、自動車などの排出ガス規制が強化されて、エンジンの各気筒を理論空燃比に近い状態で燃焼させることが求められており、特に噴射燃料量が微小となる軽負荷運転時についても排出ガスのクリーン化が要求されている。この微小噴射領域ではニードル弁体の応答遅れに起因した噴射精度の悪化が増大するため、ニードル弁体の応答性を向上させるべく各種の検討がなされている。例えばコイル周囲に配置された電磁弁の磁気回路の一部に圧粉材を構成して、圧粉材の電気抵抗が高い性質を利用してニードル弁体を開閉動作させる際の磁束変化により発生する渦電流を抑制するようにしたものがある。この圧粉材は従来の電磁ステンレス材に対して電気抵抗率が１０倍から１００倍大きく、ニードル弁体の閉動作に際しては電流遮断後に圧粉材に発生する渦電流が非常に少ないため高応答で閉弁動作が可能となり、微小燃料量の精度が向上する（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６−２２７５７号公報（第６頁、図１０）

上記のような従来の技術においては、圧粉材を用いて渦電流の発生を抑制しているが、例えば上記特許文献１の図１０に示された第２ヨークとの間の磁気接続部に軸方向のすきまを設けており、この間での磁気損失により磁束数の減少が発生しているという課題があった。また、圧粉材は鉄粉を樹脂により結合しているため耐力が低く、圧入による締結を行なおうとすると破壊が発生し、樹脂の融点が鉄の融点に対して極めて低いため溶接による接合もできないため、これらの接合手段を使用して磁気的な接続を行なうことができなかったので、該特許文献１の例においても、第２ヨークの外周とアウターコアの内周の間に径方向のすきまが存在するのを防ぐことができず、磁気損失が避けられないという課題があった。

この発明は上記のような従来技術の課題を解消するためになされたもので、高い応答性を維持しつつ、磁気損失が一層抑制された電磁式燃料噴射弁を得ることを目的とする。

この発明による電磁式燃料噴射弁は、ニードル弁体を駆動するプランジャと、このプランジャに磁束を貫通させるためのコイルが巻装され中心部に軸方向の貫通孔が設けられたＥ型コアと、このＥ型コアの貫通孔に挿通され上記プランジャに対してエアギャップを介して対面すると共に、上記Ｅ型コアの中心側コア端面に対する当接部を有し、中心部に燃料の流路が形成されたインナーコアと、上記プランジャに対してサイドエアギャップを介して対面する内周面が形成され、軸方向端部に上記Ｅ型コアの外周側コア端面に対する当接面を有し、上記Ｅ型コア、インナーコア、エアギャップ、プランジャ及びサイドエアギャップと共に磁気回路を形成するヨークと、上記Ｅ型コアの中心側コア端面及びインナーコアの当接部、並びに上記Ｅ型コアの外周側コア端面及び上記ヨークの当接面を密着させるように上記Ｅ型コアを軸方向に押圧する弾性部材とを備えたものである。

この発明においては、Ｅ型コアの中心側コア端面とインナーコアの当接部との接触面、及びＥ型コアの外周側コア端面とヨークの当接面との接触面を密着させる弾性部材を備えたことにより、Ｅ型コアとインナーコア及びヨークとは隙間なく接触され、磁気損失を減少させることができる。このため、電磁吸引力を同一とした場合にコイル電流を少なくできるので、省電力化を図ることもできる。また、Ｅ型コアは圧粉材を用いて構成することができるので高い応答性も維持できる。

実施の形態１．
図１〜図５はこの発明の実施の形態１による電磁式燃料噴射弁（以下、単に燃料噴射弁という）を筒内直接噴射エンジンに用いた場合について説明するもので、図１はシリンダヘッドに取り付けたときの全体構成を示す断面図、図２〜図５は製造工程の要部を工程順に説明する断面図である。なお、断面図は端面図で示している部分がある。図において、燃料噴射弁１は先端部がエンジンシリンダ内２ａに臨み、図示しないパーツによりフランジ上面１ａまたは１ｂに軸方向荷重が図の下方向にかけられた状態でシリンダヘッド２に固定されている。シリンダヘッド２の挿通孔２ｂと燃料噴射弁１の外周囲との間にはエンジンシリンダ内２ａのガスをシールするシール材１０１が介挿されている。

燃料噴射弁１の図の上方に配設された例えばガソリンや軽油などの燃料を流入させるための接続パイプ３の端部に形成された連結部３ａには、図示しない燃料タンクに連通して燃料圧力の脈動を抑制するための容積を有するフューエルレール４が結合され、フューエルレール４と燃料噴射弁１の連結部３ａとの間には燃料をシールするラバーリング１０２とラバーリング１０２の燃料圧力による下流側へのはみ出しを防止するバックアップリング１０３、及びこのバックアップリング１０３の剛性補強用のスペーサ１０４が介挿されている。

燃料噴射弁１はニードル弁体５を駆動するプランジャ６と、このプランジャ６に磁束を貫通させるためのコイル７が巻装され中心部に軸方向の貫通孔８ａが設けられたＥ型コア８と、貫通孔８ａに挿通されプランジャ６に対してエアギャップ６ａを介して対面すると共に、Ｅ型コア８の中心側コア端面８ｂに対する当接部９ａを有し、中心部に燃料の流路９ｂが形成されたインナーコア９と、プランジャ６に対してサイドエアギャップ６ｂを介して対面する内周面１０ａが形成され、軸方向上端部にＥ型コア８の外周側コア端面８ｃに対する当接面１０ｂを有し、上記Ｅ型コア８、インナーコア９、エアギャップ６ａ、プランジャ６及びサイドエアギャップ６ｂと共に磁気回路を形成するヨーク１０と、Ｅ型コア８の中心側コア端面８ｂ及びインナーコア９の当接部９ａ、並びにＥ型コア８の外周側コア端面８ｃ及びヨーク１０の当接面１０ｂを密着させるようにＥ型コア８を軸方向図の下方に押圧する皿ばねからなる弾性部材１１などを備えている。

ニードル弁体５は、図の上端部がプランジャ６に一体的に結合され、下端部は中央部に噴射口１２ａを有するバルブシート１２に接離可能に設けられ、周囲がバルブボディ１３に包囲されている。プランジャ６はコイル７に通電されたときにエアギャップ６ａを介して作用する電磁吸引力により図の上方に移動し、ニードル弁体５を上方に駆動して噴射口１２ａを開く。移動のためのエアギャップ６ａを構成するコア部分はインナーコア９とＥ型コア８に分割されている。インナーコア９の上部には、磁気回路部よりも流路の上流側に伸びる突出部９ｃを有し、該突出部９ｃの周囲がケース１４の一端部側に形成された小径部１４ａの内周面に周接されている。インナーコア９の下部にはフランジ部９ｄが設けられ、上記当接部９ａはこのフランジ部９ｄの上面によって形成されている。

ケース１４は小径部１４ａに対して段部１４ｂを介して他端部側に一体に設けられた大径部１４ｃが上記磁気回路部を覆うように形成されている。なお、段部１４ｂの上面は燃料噴射弁１のフランジ部１ａの機能も有している。また、ヨーク１０の内周側上端角部はリング状の非磁性部材１５を介してインナーコア９のフランジ部９ｄの外周側下端角部と接合され、ヨーク１０の外周面は燃料噴射弁１の外周面の中央部を構成し、２段のフランジ１０ｃ上部でケース１４の下端部を固定している。

Ｅ型コア８は、この実施の形態１では高電気抵抗率の磁性材料である圧粉材を用いて構成され、中心側コア端面８ｂ及び外周側コア端面８ｃは同一平面上に形成されている。また、インナーコア９の当接部９ａ及びヨーク１０の当接面１０ｂも同一平面上に形成されており、Ｅ型コア８の上端面８ｄとケース１４の段部下面１４ｄとの間に介挿された皿ばねからなる弾性部材１１によりＥ型コア８は荷重をかけられた状態でインナーコア９の当接部９ａ及びヨーク１０の当接面１０ｂ上に隙間なく密着固定され相互の磁路を接続している。さらに、Ｅ型コア８の上端面８ｄは、弾性部材１１との接触部に発生する局所応力による変形または割れを防止するため、射出成型にて形成される樹脂層で構成されている。なお、射出成型の変わりに該樹脂層をコーティングにより形成する方法や、厚めの電気メッキ層により同様の効果を得ることも可能である。

また、インナーコア９のフランジ部９ｄはＥ型コア８を支えるため、厚さｔ１を１ｍｍ以上として剛性を確保し、Ｅ型コア８を固定するときに変形しないようにされている。そして、インナーコア９及びヨーク１０はフェライト系ステンレス、いわゆる電磁ステンレス材を用いて構成されている。非磁性部材１５は非磁性材であるオーステナイト系ステンレスを使用して、エアギャップ６ａを介さない非磁性部材１５を通る磁束を少なくしている。また、ケース１４の材質はここではオーステナイト系ステンレスを用いているが、これに限定されるものではなく、例えばフェライト系ステンレス、いわゆる電磁ステンレスなどとすることも可能である。

なお、電流遮断時に渦電流は図１の×印で示す主にコイル側表面部８ｅに発生するが、ケース１４はコイル７の外側に配置されているので、該ケース１４を電磁ステンレスとしても応答性の悪化は抑えられつつ、磁気回路面積の拡大により電磁吸引力が増加する。一方、燃料噴射は、燃料噴射弁１のニードル弁体５の先端とバルブシート１２のシート面とが開閉することにより行なわれる。閉弁状態においてニードル弁体５は、圧縮ばね１６により押圧されており、下流側はバルブシート１２のシート面と接触して、上流側はバルブボディ１３の内周と燃料を通流させるための複数の流路を保持して接触している。

次に、図２から図５を参照して組み立て手順を含めて説明する。図２の結合パーツの製作において、リング状の非磁性部材１５はヨーク１０に圧入され溶接部Ａでシール溶接される。次にインナーコア９が非磁性部材１５に圧入され、溶接部Ｂでシール溶接される。インナーコア９はフランジ部９ｄの肉厚ｔ１を厚くしているので圧入による変形が回避される。また溶接部Ａ、Ｂは、エアギャップ６ａに対面するエアギャップ対向面９ｅ及びサイドエアギャップ６ｂに対面する内周面１０ａから若干の距離をとっているので溶接の高熱による変形が回避される。これらにより上記結合パーツは高精度な状態で組み立てられる。この結合パーツにおけるインナーコア９の当接部９ａ及びヨーク１０の当接面１０ｂを研削加工機の砥石１７にて同時に端面加工を行い、同一平面を形成する。

この結合パーツはインナーコア９のフランジ部９ｄの肉厚ｔ１を厚くしているので、研削加工時の加工抵抗によるインナーコア９の変形が回避され、精度のある後加工が可能となる。次に図３に示すように、ボビン７ａにマグネットワイヤ７ｂを巻きつけ、ボビン７ａに一体成型されたターミナル７ｃとマグネットワイヤ７ｂを電気的に接続したコイル７、Ｅ型コア８、弾性部材１１、及びケース１４を図２の製造工程で得られた結合パーツに組み付ける。その後、図４に示すように、弾性部材１１がＥ型コア８の上端面８ｄと段部下面１４ｄとの隙間からなるセット長Ｌ１で荷重をセットされた状態でヨーク１０とケース１４の軸方向接合部Ｃを溶接により接合する。

なお、Ｅ型コア８は皿ばねからなる弾性部材１１のばね定数と、図４に示すセット長Ｌ１を適正に設定して、エンジン振動による変位が起こらないように必要充分な荷重が加えられている。なお、弾性部材１１としては、皿ばねの代わりに弾性を有する他の手段として例えばスプリングワッシャや樹脂プレート、ラバーなどを用いることもできる。またＥ型コア８上部に樹脂層（図示省略）を形成して該樹脂層の厚みによる弾性力によってＥ型コア８に荷重を加えるようにしても良い。その場合には、その樹脂層が弾性部材１１を構成する。また、Ｅ型コア８は燃料に接触しないように配置されているが、自動車や船外機などの長期使用による錆の防止のため、Ｅ型コア８表面に例えば電気めっきによる防錆表面処理を施すことは好ましい。

次にターミナル７ｃを外周方向に直角に折り曲げた後、インナーコア９とケース１４の径方向接合部Ｄを溶接によりシール接合する。さらにコネクタ部１８ａの形成とターミナル７ｃの絶縁性確保のため、射出成型によりモールド部１８を形成する。
次に、プレート１９を挟持してニードル弁体５、バルブシート１２、ガイド２０を収容したバルブボディ１３をヨーク１０の下側の内周部に圧入した後、溶接部Ｅを溶接する。さらに、インナーコア９の内周面に圧縮ばね１６、カラー２１、フィルタ２２を組付ける。なお、プレート１９はニードル弁体５の軸に垂直な方向から挿入するため、切り欠きを有したＣ型形状（詳細図示省略）としている。また、カラー２１を圧入する際にはその位置によりバネ荷重を変化させて予め噴射量特性を調整する。

この後、噴射量特性及び噴霧特性などの性能検査工程において各種測定を行なう。図４に示すサブアッセンブリは、後行程で組付ける接続パイプ３の長さの種類に対応して燃料噴射弁の種類が複数存在しても単一形状で性能検査工程に供することもできるので、性能検査工程の測定装置は１種類で済む。
次に、図５に示すように、接続パイプ３がケース１４の小径部１４ａ外周に圧入されて径方向にガイドされ、接続パイプ３の中央部とケース１４の小径部１４ａの溶接部Ｆを全周シール溶接、接続パイプ３下部の溶接部Ｇを点状の溶接により接合した後、接続パイプ３のフランジ部３ｂ上部の連結部３ａに、図１に示すようにスペーサ１０４、バックアップリング１０３、及びラバーリング１０２を組付ける（図５では図示省略）。

次に、上記のように構成された実施の形態１の動作について説明する。コイル７が通電されると、エアギャップ６ａとインナーコア９とＥ型コア８とヨーク１０とサイドエアギャップ６ｂとプランジャ６とで構成される磁気回路に磁束が生じ、エアギャップ６ａに電磁吸引力が発生する。そして可動パーツであるプランジャ６がインナーコア９側へ移動を開始し、プランジャ６と一体化されたニードル弁体５も移動して噴射口１２ａが開弁され燃料の噴射が開始される。開弁途中の状態において、ニードル弁体５は下流側がガイド２０の内周と接触し、上流側がバルブボディ１３の内周と接触しつつ、摺動動作を行う。ニードル弁体５の中間面５ａがプレート１９の下面に衝突するとニードル弁体５は開弁状態となり、コイル７への通電が持続されて噴射状態が保持される。次にコイル７への通電が終了すると、エアギャップ６ａに発生していた電磁吸引力は急速に減少し、ニードル弁体５は圧縮ばね１６により押されて閉弁し燃料噴射は終了する。

上記のようにこの実施の形態１によれば、Ｅ型コア８に対するインナーコア９及びヨーク１０の接触面を同一平面とする一方、インナーコア９とリング状の非磁性部材１５及びヨーク１０はそれぞれ剛性の高い形状として、これらを一体化した結合パーツは溶接部Ａ、Ｂをエアギャップ６ａより離すことにより、高精度な寸法精度を維持した状態としている。そしてＥ型コア８を弾性部材１１を用いて荷重印加状態で固定した。これらによりＥ型コア８とインナーコア９及びヨーク１０とは隙間なく同一平面上で密着状態で接触させることが可能となり、エンジン使用時の振動などによる変位も回避することができる。また、インナーコア９及びヨーク１０の接触面を同一平面としたことで、加工が容易で、精度高く製造できると言う効果も得られる。

また、上記構造としたことにより、磁気損失が減少されたので、電磁吸引力を同一とした場合にコイル７への電流を少なくすることが可能となり、省電力化が図られた。さらに、インナーコア９とヨーク１０との間に非磁性部材１５を設けたことにより、この部分を通る磁束を非常に少なくすることができたので、エアギャップ６ａを通る磁束が十分に得られ高い電磁吸引力が得られる。なお、実施の形態１ではＥ型コア８に圧粉材を使用したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば高電気抵抗磁性材であるコバルト系の合金材などを用いることもできる。

実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２による電磁式燃料噴射弁を示す断面図である。この実施の形態２になる燃料噴射弁は、エンジンによって異なる筒内と図示していない燃料レール４との距離に応じてラバーリング１０２の位置を調整可能とするため、接続パイプ３０をインナーコア９及びケース１４とは別体に構成している。接続パイプ３０は、ケース１４の上流側の小径部１４ａ外周を径方向のガイドとして組付けられるようにしており、例示した接続パイプ３０は実施の形態１のものに比べて長さの長いものが用いられている。該接続パイプ３０は、一端部側がケース１４の小径部１４ａに固定され、他端部側が燃料の供給源に対してラバーリング１０２などのシール部材を用いて連結し得る連結部３ａを有する長さ等が異なる複数の接続パイプとして用意され、燃料噴射弁１の噴射量を決定する磁気回路部とは独立したパーツとなっている。そして、所望の寸法の任意に選ばれたものが製造工程において燃料噴射弁の性能を測定した後に燃料噴射弁に組付けられる。その他の構成は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

上記のように構成された実施の形態２においては、磁気回路構成パーツとは別体に長さ等の異なる複数の接続パイプ３０を構成し、製造過程において噴射量調整・性能測定などの工程の後に、選択された任意の接続パイプ３０を組付けられるようにした。そしてＯリングなどのラバーリング１０２位置の異なる複数の燃料噴射弁を製造する際に、それぞれの工程における生産設備の変更を不要としたので、燃料噴射弁の製造費用を安くすることができる。また、接続パイプ３０をケース１４の上流側の小径部１４ａの外周により支持固定したので、接続パイプ３０の全長が長い燃料噴射弁の場合でも接続パイプ３０の質量が過大にならない構造にすることができる。

なお、上記実施の形態の説明では、Ｅ型コア８の中心側コア端面８ｂと外周側コア端面８ｃ、及びインナーコア９の当接部９ａとヨーク１０の当接面１０ｂをそれぞれ同一平面上に形成して密着させたが、必ずしも同一平面に限定されるものではない。同一平面の場合、加工が容易であるという利点があるが、例えば内周側と外周側の２つの当接面に段差を設けてそれぞれの当接面で密着させても同様の効果が期待できる。

この発明の実施の形態１による電磁式燃料噴射弁をシリンダヘッドに取り付けたときの全体構成を示す断面図。 実施の形態１の製造工程において、インナーコアのフランジ状の当接部と、ヨークの当接面を同一平面に加工する方法を示す断面図。 実施の形態１の製造工程において、図２の加工後、コイル、Ｅ型コア、弾性部材、及びケースを組付ける状況を示す断面図。 実施の形態１の製造工程において、図３の加工後、プランジャ、ニードル弁体、バルブボディなどを組付け完了した状態を示す断面図。 実施の形態１の製造工程において、図３の加工後、接続パイプ取付けた状態を示す断面図。 この発明の実施の形態２による電磁式燃料噴射弁を示す断面図。

符号の説明

１ 燃料噴射弁、 １ａ、１ｂ フランジ上面、 ２ シリンダヘッド、 ２ａ エンジンシリンダ内、 ２ｂ 挿通孔、 ３、３０ 接続パイプ、 ３ａ 連結部、 ３ｂ フランジ部、 ４ フューエルレール、 ５ ニードル弁体、 ５ａ 中間面、 ６ プランジャ、 ６ａ エアギャップ、 ６ｂ サイドエアギャップ、 ７ コイル、 ７ａ ボビン、 ７ｂ マグネットワイヤ、 ７ｃ ターミナル、 ８ Ｅ型コア、 ８ａ 貫通孔、 ８ｂ 中心側コア端面、 ８ｃ 外周側コア端面、 ８ｄ 上端面、 ８ｅ コイル側表面部、 ９ インナーコア、 ９ａ 当接部、 ９ｂ 流路、 ９ｃ 突出部、 ９ｄ フランジ部、 ９ｅ エアギャップ対向面、 １０ ヨーク、 １０ａ 内周面、 １０ｂ 当接面、 １０ｃ フランジ、 １１ 弾性部材、 １２ バルブシート、 １２ａ 噴射口、 １３ バルブボディ、 １４ ケース、 １４ａ 小径部、 １４ｂ 段部、 １４ｃ 大径部、 １４ｄ 段部下面、 １５ 非磁性部材、 １６ 圧縮ばね、 １７ 砥石、 １８ モールド部、 １８ａ コネクタ部、 １９ プレート、 ２０ ガイド、 ２１ カラー、 ２２ フィルタ、 １０１ シール材、 １０２ ラバーリング、 １０３ バックアップリング、 １０４ スペーサ、 Ａ、Ｂ、Ｅ、Ｆ、Ｇ 溶接部、 Ｃ 軸方向接合部、 Ｄ 径方向接合部、 Ｌ１ セット長。

Claims (7)

1. ニードル弁体を駆動するプランジャと、このプランジャに磁束を貫通させるためのコイルが巻装され中心部に軸方向の貫通孔が設けられたＥ型コアと、このＥ型コアの貫通孔に挿通され上記プランジャに対してエアギャップを介して対面すると共に、上記Ｅ型コアの中心側コア端面に対する当接部を有し、中心部に燃料の流路が形成されたインナーコアと、上記プランジャに対してサイドエアギャップを介して対面する内周面が形成され、軸方向端部に上記Ｅ型コアの外周側コア端面に対する当接面を有し、上記Ｅ型コア、インナーコア、エアギャップ、プランジャ及びサイドエアギャップと共に磁気回路を形成するヨークと、上記Ｅ型コアの中心側コア端面及びインナーコアの当接部、並びに上記Ｅ型コアの外周側コア端面及び上記ヨークの当接面を密着させるように上記Ｅ型コアを軸方向に押圧する弾性部材とを備えたことを特徴とする電磁式燃料噴射弁。
2. 上記Ｅ型コアの中心側コア端面と外周側コア端面は同一平面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁式燃料噴射弁。
3. 上記インナーコアと上記ヨークとの間に非磁性部材が介装されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電磁式燃料噴射弁。
4. 上記インナーコアは上記磁気回路よりも上記流路の上流側に伸びて形成された突出部を有してなり、一端部側に形成された小径部がこの突出部の周りを包囲し、該小径部に対して段部を介して他端部側に形成された大径部が上記磁気回路の周りを包囲するように形成されたケースを備えてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れかに記載の電磁式燃料噴射弁。
5. 上記弾性部材は、上記ケースの段部下面と上記Ｅ型コアの間に介装されていることを特徴とする請求項４に記載の電磁式燃料噴射弁。
6. 一端部側が上記ケースの小径部に固定され、他端部側が燃料の供給源に対してシール部材を用いて連結し得る連結部を有する長さが異なる複数の接続パイプが用意され、これら複数の接続パイプから選ばれた任意の接続パイプを連結して用いるようにしたことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の電磁式燃料噴射弁。
7. 上記Ｅ型コアは、磁性体の粉末を用いた圧粉材からなることを特徴とする請求項１ないし請求項６の何れかに記載の電磁式燃料噴射弁。
   

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