JP4277158B2 - 電磁弁及びそれを用いた燃料噴射装置 - Google Patents

電磁弁及びそれを用いた燃料噴射装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は電磁弁及びそれを用いた燃料噴射装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電磁弁は内燃機関の燃料噴射ノズル等に幅広く用いられている。電磁弁では、コイルに流れる電流を遮断した後の残留磁気による応答不良を防止するため、ステータとアーマチュアの間に適正なエアギャップを確保している。尚、本明細書では、弁部材がフルリフトした状態においてステータとアーマチュアの間に確保される隙間のことをエアギャップというものとする。例えば特開平10−153155号公報に開示される燃料噴射装置の電磁弁では、図7に示すように円盤状のアーマチュア104の中央からステータ101側に突出している突部103によってエアギャップHが確保されている。また、アーマチュア104とともに往復移動する弁部材107は、ハウジング106に設けられている軸受け105によってがたつかないように支持されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
図7に示すように、アーマチュア104の中央に設けられた突部103によってエアギャップを確保し、軸受け105によって弁部材107を支持することによってエアギャップが適正に保たれるような構成を採用する場合、軸受け105を軸方向に十分長く設計し、軸受け105と弁部材107とのクリアランスを例えば5〜10μmに設定して極めて精度よく軸受け105及び弁部材107を加工することにより、弁部材107のがたつきを防止する必要がある。
【0004】
アーマチュア104の中央部分に突部103を形成してエアギャップを確保する場合、突部103の突出量は極めて小さいため、弁部材107及びアーマチュア104の往復移動の軌道にずれがあるとステータ101にアーマチュア104の外周縁が当接し、突部103とアーマチュア104の外周縁とがステータ101に当接した状態でアーマチュア104がステータ101に吸着される恐れがある。このような場合には、ステータ101及びアーマチュア104の対向隙間全体における隙間の大きさが場所によって大きく異なり、電磁弁の作動不良を誘発することとなる。
【0005】
しかし、軸受け105を軸方向に長く設計して弁部材107のがたつきを防止する場合、電磁弁の体格が軸方向に大きくなり、小型化の要請に反することとなる。また、数μmの製造公差で軸受け105と弁部材107とを精密加工して弁部材107のがたつきを防止する場合、製造コストの増大を招くこととなる。
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであって、簡素な構成によりエアギャップを適正に確保できる小型化可能な電磁弁及びそれを用いた燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1記載の電磁弁によると、エアギャップを確保するためのスペーサは、ステータ本体とアーマチュア本体との間に、ステータ本体にアーマチュア本体を当接させない程度にステータ本体又はアーマチュア本体の外周縁近傍に設けられる。すなわち、スペーサはそれ単体でエアギャップを適正に確保することができるように、ステータ本体及びアーマチュア本体の中心軸近傍ではなく、この中心軸からある程度離れた位置に設けられている。スペーサは、中心軸からある程度離れた位置においてステータ本体とアーマチュア本体とを突っ張ることができる形状であればよく、例えば、ステータ本体及びアーマチュア本体の中心軸を中心とする環状、放射状等の形状を採用することができる。スペーサは連続的な形状すなわち一部材であってもよく、また、離散的に設けられる多部材であってもよい。また、スペーサはステータ本体又はアーマチュア本体と一体に構成されるものであってもよく、ステータ本体及びアーマチュア本体と別体に構成されるものであってもよい。
【0007】
アーマチュア本体及び弁部材の往復移動の軌道に遊びがある場合、コイルに電流が流れステータ本体に吸引力が発生すると、アーマチュア本体のステータ対向面がステータ本体のアーマチュア対向面に対して傾いた状態でアーマチュア本体が弁部材と共にステータ本体に吸引される。
【0008】
本発明の請求項1記載の電磁弁によると、ステータ本体又はアーマチュア本体の外周縁近傍にスペーサが設けられているため、アーマチュアが傾いた状態で吸引されたとしても、最終的にはスペーサ全体がステータ本体又はアーマチュア本体に当接することにより、ステータ本体の中心軸に対するアーマチュア本体の中心軸の傾きが補正され、適正なエアギャップが確保される。
【0009】
したがって、本発明の請求項1記載の電磁弁によると、弁部材を往復移動自在に支持するための部材を軸方向に短くでき、或いはその部材と弁部材の製造公差を大きく設定することができ、或いはその部材が不要になり、簡素化及び小型化が可能となる。
【0010】
、アーマチュア本体は一部材から構成されるものであってもよいし、多部材から構成されるものであってもよい。
【0011】
本発明の請求項記載の電磁弁によると、スペーサは、アーマチュア本体のステータ対向面の外周縁近傍に固着しアーマチュア本体より硬質の固体膜である。このような固体膜は、例えば湿式めっき、乾式めっき、接着によってアーマチュア本体に固着させることができる。
本発明の請求項記載の電磁弁によると、スペーサは前記アーマチュア本体の外周縁近傍に部分的に設けられている。このようにスペーサを設けることにより、スペーサのステータ本体当接面は複数の互いに非連続な面によって画定される。
【0012】
、ステータ本体は一部材から構成されるものであってもよいし、多部材から構成されるものであってもよい。例えば、比較的もろい磁性材料の周囲に高強度のケースを設けるようなステータ本体の構成を採用することができる。
【0013】
本発明の請求項記載の電磁弁によると、スペーサは、ステータ本体のアーマチュア対向面の外周縁近傍に固着しステータ本体より硬質の固体膜である。このような固体膜は、例えば湿式めっき、乾式めっき、接着によってステータ本体に固着させることができる。
本発明の請求項記載の電磁弁によると、スペーサはステータ本体の外周縁近傍に部分的に設けられている。このようにスペーサを設けることにより、スペーサのアーマチュア本体当接面は複数の互いに非連続な面によって画定される。
【0014】
本発明の電磁弁に、弁部材を往復移動自在に支持する軸受け部材を設けると、弁部材の移動量を大きく設定し、或いは弁部材の高速作動等の過酷な使用条件に耐えることができる。また、スペーサ単独で適正なエアギャップを確保することができるため、軸受け部材と弁部材とのクリアランスを、例えば100μm程度とする等、大きく設定することができる。このため、軸受け部材及び弁部材の製造公差を大きく設定することができ、加工が容易である。
【0015】
本発明の請求項記載の燃料噴射装置によると、噴孔を開閉するノズル弁部材と、ノズル弁部材を往復移動自在に支持し、ノズル弁部材に噴孔閉塞方向に燃料圧力を加える圧力室が形成されているノズル本体と、圧力室の燃料圧力を制御する請求項1〜のいずれか一項に記載の電磁弁とを備えるため、簡素化及び小型化が可能となる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示す複数の実施例を図に基づいて説明する。
(第1実施例)
本発明の第1実施例による燃料噴射装置としてのインジェクタ1を図2に示す。インジェクタ1は図示しないエンジンのエンジンヘッドに挿入搭載され、エンジンの各気筒内に燃料を直接噴射するように構成されている。
【0017】
ホルダボディ11とノズルボディ12とはリテーニングナット14で締結されている。ホルダボディ11及びノズルボディ12は、特許請求の範囲に記載されたノズル本体を構成している。ホルダボディ11にはニードル収納孔11dが形成され、ノズルボディ12にはニードル収納孔12eが形成されている。ニードル収納孔11d、12eにはノズル弁部材20が収納されている。
【0018】
ホルダボディ11のインレット部11fには燃料流入通路11aが形成され、燃料流入通路11aにはバーフィルタ13が収納されている。燃料流入通路11aは燃料通路11bを通じてノズルボディ12に形成されている燃料通路12dと連通している。燃料通路12dは燃料溜まり12cにおいてニードル収納孔12eと連通している。ニードル収納孔12eは噴孔12bを通じて図示しないエンジンの気筒内空間に連通している。従って、図示しない燃料ポンプによって供給される燃料は、バーフィルタ13を通じてインジェクタ1の内部に導入され、燃料流入通路11a、燃料通路11b、12d、燃料溜まり12c、ニードル収納孔12e、噴孔12bを通じてエンジンの各気筒に至る。また、ホルダボディ11にはニードル収納孔11dに連通しているリーク通路11cが形成されている。
【0019】
ノズル弁部材20は、噴孔12b側からニードル20c、ロッド20b及び制御ピストン20aにより構成されている。
ニードル20cは噴孔12b側からシート部、小径部、テーパ部、大径部により構成されている。大径部はニードル収納孔12eの内壁に往復移動自在にかつほぼ液密に支持されている。テーパ部は燃料溜まり12cの燃料から図2の上向きに圧力を受けるように形成されている。小径部の外壁とニードル収納孔12eの内壁との間に周方向の隙間が形成されている。シート部は弁座12aに着座し噴孔12bを閉塞することができる形状である。ロッド20bは一方の端部がニードル20cに当接し、他方の端部が制御ピストン20aに当接している。ロッド20bの周囲に第一スプリング15が設けられ、第一スプリング15はロッド20bを介してニードル20cを弁座12aに付勢している。制御ピストン20aはニードル収納孔11dの内壁に往復移動自在にかつほぼ液密に支持されている。
【0020】
図1に示すように、ニードル収納孔11dの反ノズルボディ側に第一プレート16が設けられている。第一プレート16には、ニードル収納孔11dに連通している貫通孔16aと貫通孔16aと燃料流入通路11aとを連通しているオリフィス16bとが形成されている。制御ピストン20aの端部外壁、ニードル収納孔11dの内壁、及び貫通孔16aの内壁によって圧力室16cが形成されている。
【0021】
第一プレート16の反ニードルボディ側に第二プレート18と第三プレート17が設けられている。第二プレート18及び第三プレート17は特許請求の範囲に記載のハウジングを構成している。第三プレート17の外周部は雄ねじを形成しており、第三プレート17がホルダボディ11にねじ込まれることによって、第一プレート16及び第二プレート18が第三プレート17とホルダボディ11とに挟持されている。第三プレート17には流体通路としての貫通孔17a、17bが形成されている。貫通孔17aの内壁は弁室を形成している。第二プレート18には圧力室16cと貫通孔17aとを連通している弁孔18aが形成されている。第一プレート16及び第二プレート18の外壁とホルダボディ11の内壁の間には周方向に隙間11eが形成され、この隙間はリーク通路11cと連通している。また、この隙間は、第三プレート17の第二プレート側端面に形成されている凹部17cを通じて貫通孔17a、17bに連通している。
【0022】
ステータ31は釣鐘状のケース33に収納されている。ステータ31及びケース33は特許請求の範囲に記載されたステータ本体を構成している。ケース33にはフランジ33aが形成されている。フランジ33aが環状部材19とともにリテーニングナット52とホルダボディ11とに挟持され、ケース33がホルダボディ11に固定されている。ケース33の一方の開口部はエンドボディ53によって閉塞されている。ケース33の縁部をかしめることによってケース33にエンドボディ53を固定している。エンドボディ53の端面はステータ31の端面に当接しているため、エンドボディ53がケース33に固定されるとステータ31もケース33に固定される。ステータ31にはボビン34とボビン34に巻回されたコイル32とが樹脂により固定されている。コイル32はコネクタ50に延伸しているターミナル51と電気的に接続されている。
【0023】
弁部材40は弁孔18a側から球状部材40a、柱状部材40b、スプリング台座40cにより構成されている。球状部材40a、柱状部材40b、スプリング台座40cは互いに圧入等により結合されるものであっても一体に形成されるものであっても別体に形成されて互いに当接しているものであってもよい。球状部材40aの一部は弁孔18aを閉塞可能な平面状に形成されている。柱状部材40bはアーマチュア41に圧入されている。柱状部材40bは第三プレート17の貫通孔17aに挿入されている。
【0024】
ステータ31の貫通孔31aに付勢手段としての第二スプリング38が収納されている。第二スプリング38は、一端がエンドボディ53に圧入されているアジャスティングパイプ37に当接し、他端がスプリング台座40cに当接し、スプリング台座40c及び柱状部材40bを介して球状部材40aを弁孔18aに付勢している。
【0025】
アーマチュア41は円盤状の磁性部材である。アーマチュア41は第三プレート17とステータ31との間に往復移動自在に設けられている。アーマチュア41のステータ側端面の外周縁に環状のスペーサ42が固着している。
【0026】
スペーサ42は例えばクロム硬質膜、ニッケルリン硬質膜である。このようなスペーサ42は、図3(A)に示すように、例えば湿式めっき、蒸着等の乾式めっきによって形成することができ、また、予め機械加工等により形成したスペーサ42をアーマチュア41に接着してもよい。また、図3(B)に示す参考例のように、スペーサ42をアーマチュア41と同一部材から形成してもよい。すなわち、スペーサ42は切削等の機械加工により形成してもよい。
【0027】
本実施例では、スペーサ42の形状を環状とし、スペーサ42の内径はケース33の内径とほぼ等しく、スペーサ42の外径はアーマチュア41の外径と等しくしている。スペーサ42を設ける位置及び形状はこのようなものに限られず、それ自体でエアギャップを適正に確保できる形状であればよい。図4に種々の変形例を示す。図4において300はステータ本体を示している。第1変形例では形状を環状とし、外径をアーマチュア41の外径よりやや狭めている。第2変形例では環状に配列した直方体形状としている。尚、スペーサ42がステータ本体300のどの部材に当接するように設けてもよい。すなわち、本実施例のように、ケース33に当接するようにスペーサ42を設けた場合、ステータ31がもろい素材からなる場合に強度上有利であり、ステータ31が衝撃に耐えうる素材からなる場合にはステータ31にスペーサ42が当接する構成を採用することができる。また、第2変形例のようにスペーサ42を部分的に設け離散的な形状とする場合、各スペーサの周方向幅、スペーサ間の周方向距離、及び各スペーサの中心軸からの径方向位置は、アーマチュアの傾き時に、スペーサ間のアーマチュア外周縁が直接ステータと接触しないように適宜設定されている。
【0028】
また、図4に示す比較例では、スペーサ42の位置及び形状が適切でない例を示している。この比較例では、スペーサ42の外径が小さすぎるため、アーマチュア41の外周縁がステータ本体300に当接した状態でアーマチュア41がステータ本体に吸着され、スペーサ42自体でエアギャップを適切に確保できていない。
【0029】
一方、図5に示す第4〜7変形例および参考例のようにスペーサ42をケース33又はステータ31に設けてもよい。第4変形例ではケース33のアーマチュア側端面に環状のスペーサ42を固着している。第5参考例ではケース33のアーマチュア側端面に環状のスペーサ42をケース33と一体に形成している。第6変形例では、ステータ31のアーマチュア側端面に外径がアーマチュア41の外径より小さい環状のスペーサ42を固着している。第7参考例ではステータ31のアーマチュア側端面に外径がアーマチュア41の外径より小さい環状のスペーサ42をステータ31と一体に形成している。以上、インジェクタ1の構成を説明した。
【0030】
以下、インジェクタ1の燃料噴射作動を説明する。
燃料は、図示しない燃料噴射ポンプから吐出され図示しない蓄圧管に送出される。蓄圧管の蓄圧室で所定の一定圧に蓄圧された高圧燃料はインレット部11fに接続される図示しない配管を通じてインジェクタ1に供給される。また、図示しないECUにより、エンジンの運転条件に応じた駆動電流が生成され、コイル32に供給される。コイル32に駆動電流が流れるとステータ31に吸引力が発生する。この吸引力及び圧力室16cの燃料圧力から受ける力の合力である弁孔開放方向の力が第二スプリング38の付勢力を上回るとステータ31にアーマチュア41が吸引される。アーマチュア41がステータ31に吸引されるとアーマチュア41とともに弁部材40は弁孔開放方向すなわち図1の上方に移動する。球状部材40aが弁孔18aを開放すると圧力室16cが弁孔18aを通じて低圧側の弁室に連通し、圧力室16cから弁室に燃料が導出される。弁室に導出された燃料は、貫通孔17a、17b、31a、アジャスティングパイプ37の内部空間等を通じて図示しない配管から燃料タンクに還流する。
【0031】
圧力室16cが弁室に連通すると、圧力室16cはオリフィス16bからの流入燃料量より弁孔18aからの流出燃料量が多いため燃料圧力が低下し始める。圧力室16cの燃料圧力が低下し、第一スプリング15の付勢荷重及び圧力室16cの燃料圧力から受ける力の合力である噴孔閉塞方向の力が燃料溜まり12cの燃料圧力から受ける噴孔開放方向の力より小さくなるとニードル20cは噴孔開放方向すなわち図1の上方に移動しはじめ弁座12aから離座する。ニードル20cが弁座12aから離座すると噴孔12bが開放され噴孔12bから燃料が噴射される。
【0032】
コイル32への駆動電流の供給が遮断されると、ステータ31の吸引力が消滅するため第二スプリング38は圧力室16cの燃料圧力から受ける力に抗って弁部材40を弁孔閉塞方向に移動させる。球状部材40aによって弁孔18aが閉塞された後にも圧力室16cにオリフィス16bから燃料が流入し続けるため、圧力室16cの燃料圧力は上昇し始める。圧力室16cの燃料圧力が上昇し、第一スプリング15の付勢荷重及び圧力室16cの燃料圧力から受ける力の合力である噴孔閉塞方向の力が燃料溜まり12cの燃料圧力から受ける噴孔開放方向の力より大きくなるとニードル20cは噴孔閉塞方向すなわち図1の下方に移動しはじめる。ニードル20cが弁座12aに着座すると噴孔12bが閉塞され燃料噴射が終了する。以上、インジェクタ1の燃料噴射作動を説明した。
【0033】
本発明の第1実施例に係るインジェクタ1によると、スペーサ42がケース33に当接することにより弁部材40のリフト量が規制される。スペーサ42はアーマチュア41の中心軸から径方向に十分離れた位置に形成されているため、アーマチュア41がステータ31又はケース33に当接することがなく、それ自体で適正なエアギャップを確保することができる。本実施例では第三プレート17の貫通孔17aと柱状部材40bとの隙間を大きく取っており、第三プレート17は柱状部材40bを支持していない。したがって、貫通孔17a及び柱状部材40bの製造公差を大きく取ることができ、貫通孔17a及び柱状部材40bの加工を容易にしている。また、スペーサ42がステータ31に衝突しない構成を採用しているため、ステータ31に比較的強度の低い部材を使用することができる。本実施例では、第三プレート17を設けているが、がたつきなく往復移動させるように弁部材40を支持する部材を必要としないため、第三プレート17を設けないこととし、インジェクタ1の軸方向長さを小さくすることも可能である。また、第三プレート17の軸方向長さを短くすることもできる。
【0034】
(第2実施例)
本発明の第2実施例による電磁弁2を図6に示す。電磁弁2は上述の第1実施例によるインジェクタ1の圧力室16cの燃料圧力を制御する電磁弁である。図6では、第1実施例によるインジェクタ1に用いた電磁弁と同一の構成部分に同一符号を付している。
【0035】
電磁弁2は、第1実施例によるインジェクタ1に用いた電磁弁に軸受け部材としてのブシュ60を追加して設けたものである。ブシュ60は、第三プレート17の貫通孔17aに圧入される薄肉かつ高硬度の円筒部材である。ブシュ60と柱状部材40bとのクリアランスは約100μmに設定している。
【0036】
本発明の第2実施例に係る電磁弁2によると、ブシュ60を設けるため弁部材40を支持する部材の耐摩耗性が向上し、経年劣化が少ない。また、弁部材40のリフト量を大きくしたり、コイル32に流す駆動電流を増大させる等の過酷な使用に耐えることができる。また、スペーサ42単独でエアギャップを適正に確保することができるため、ブシュ60と柱状部材40bとのクリアランスを大きく設定することができ、ブシュ60の加工が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施例によるインジェクタを示す部分断面図である。
【図2】 本発明の第1実施例によるインジェクタを示す断面図である。
【図3】 本発明の第1実施例に係るスペーサを説明するための模式図である。
【図4】 本発明の第1実施例に係るスペーサの変形例と比較例とを説明するための模式図である。
【図5】 本発明の第1実施例に係るスペーサの変形例及び参考例を説明するための模式図である。
【図6】 本発明の第2実施例による電磁弁を示す断面図である。
【図7】 従来の電磁弁を示す模式的な断面図である。

Claims (5)

  1. 互いに連通する弁孔及び流体通路を有すると共に内部に燃料を充満するハウジングと、
    前記ハウジングに支持されず、前記流体通路内を移動することにより前記弁孔を開閉すると共に、径外方向において前記ハウジングの内壁との間に前記流体通路を区画する弁部材と、
    前記弁部材の移動方向と同方向に移動するアーマチュア本体と、
    前記アーマチュア本体を弁孔開放方向に吸引するステータ本体と、
    前記ステータ本体に電磁吸引力を発生させるコイルと、
    前記ステータ本体と前記アーマチュア本体との間に、前記ステータ本体に前記アーマチュア本体を当接させない程度に前記ステータ本体又はアーマチュア本体の外周縁近傍のみに設けられるスペーサと、
    前記スペーサの径内方向に設けられ、前記弁孔閉方向に前記弁部材を付勢する付勢手段と、を備え
    前記スペーサは、前記アーマチュア本体のステータ対向面の外周縁近傍に固着し前記アーマチュア本体より硬質の固体膜であることを特徴とする電磁弁。
  2. 前記スペーサは、前記アーマチュア本体の外周縁近傍に部分的に設けられていることを特徴とする請求項1記載の電磁弁。
  3. 互いに連通する弁孔及び流体通路を有すると共に内部に燃料を充満するハウジングと、
    前記ハウジングに支持されず、前記流体通路内を移動することにより前記弁孔を開閉すると共に、径外方向において前記ハウジングの内壁との間に前記流体通路を区画する弁部材と、
    前記弁部材の移動方向と同方向に移動するアーマチュア本体と、
    前記アーマチュア本体を弁孔開放方向に吸引するステータ本体と、
    前記ステータ本体に電磁吸引力を発生させるコイルと、
    前記ステータ本体と前記アーマチュア本体との間に、前記ステータ本体に前記アーマチュア本体を当接させない程度に前記ステータ本体又はアーマチュア本体の外周縁近傍のみに設けられるスペーサと、
    前記スペーサの径内方向に設けられ、前記弁孔閉方向に前記弁部材を付勢する付勢手段と、を備え、
    前記スペーサは、前記ステータ本体のアーマチュア対向面の外周縁近傍に固着し前記ステータ本体より硬質の固体膜であることを特徴とする電磁弁。
  4. 前記スペーサは、前記ステータ本体の外周縁近傍に部分的に設けられていることを特徴とする請求項記載の電磁弁。
  5. 噴孔を開閉するノズル弁部材と、
    前記ノズル弁部材を往復移動自在に支持し、前記ノズル弁部材に噴孔閉塞方向に燃料圧力を加える圧力室が形成されているノズル本体と、
    前記圧力室の燃料圧力を制御する請求項1〜4のいずれか一項に記載の電磁弁と、
    を備えることを特徴とする燃料噴射装置。
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