JP5178683B2

JP5178683B2 - 電磁式燃料噴射弁

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Publication number: JP5178683B2
Application number: JP2009241926A
Authority: JP
Inventors: 寿大和田; 石川　　亨; 元幸安部
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2029-10-21
Also published as: US20120204839A1; EP2492488A4; WO2011048736A1; CN102575627A; EP2492488A1; JP2011089432A; US9291135B2; EP2492488B1; CN102575627B

Description

本発明は、自動車等の内燃機関に用いられる電磁式燃料噴射弁に関する。本発明の電磁式燃料噴射弁は、筒内噴射型の内燃機関に用いられる筒内噴射用電磁式燃料噴射弁へ適用できるものである。

自動車等の内燃機関においては、エンジン制御ユニットからの電気信号により駆動する電磁式の燃料噴射弁が用いられている。電磁式燃料噴射弁は、内燃機関へ供給する燃料の流通及び遮断を正確に行うために、弁座に着座および離座する弁体を、可動子の移動によって着離させる構造を有する。可動子及び弁体からなる可動弁体は、固定コアと可動子の周囲に配置された電磁コイルが固定コアと可動子間に磁気吸引力を発生させることによって移動する。

可動子と固定コアは磁気吸引力によって接離され、可動子と固定コアが接するときには衝突が発生する。また、磁気吸引力による加速と、弁体を着座方向に付勢するリターンスプリングとにより、可動子と弁体とは互いに一度離間してから衝突する。それらの衝突による衝突面の磨耗を防ぐべく、衝突面の表面には硬質クロム層等を設けているものがある。

特に、特許文献１には、固定コアと可動弁体の間の液体密着力を小さくし、衝突面の磁化防止とともに応答性の向上を図るために、可動弁体の衝突面を含めた端面をクロム被膜で覆い、衝突面の内周側と外周側にテーパー面を形成する方法が開示されている。

特開２００５−３６６９６号公報

特許文献１に開示された電磁式燃料噴射弁は、可動弁体の衝突面が一面で更に、限られた幅の衝突面であれば衝突面のクロム被膜表面を比較的平坦にするために有効であるが、可動弁体は可動子と弁体が別体であって、固定コアと衝突する環状の衝突面とその内側に弁体と衝突する別の衝突面を有する構造の電磁式燃料噴射弁においては、可動子の上部端面で固定コアと衝突する箇所（以下、上部衝突面）と、可動子の内部端面で弁体と衝突する箇所（以下、内部衝突面）の両方に強固なクロム被膜層を形成する必要がある。可動子の上部衝突面と内部衝突面の両面にクロム被膜層を形成するためには、陽電極を可動子の中心軸に挿入して、可動子の上部衝突面にクロム被膜処理を行い、それとは別の工程にて、上記の電極とは別の陽電極を可動子の中心軸に挿入して、可動子の内部衝突面にクロム被膜処理を行う方法がある。また、可動子の中心軸に被膜処理を施すための単一な陽電極を挿入して、同一工程で前記の両面にクロム被膜処理を行う方法もある。

しかしながら、いずれの処理方法でも陽電極から最も近い衝突端面の一部に電流密度が集中するために、クロム被膜層の厚さが平坦にならずに、陽電極へ近づくにつれてクロム被膜層の厚さが徐々に増加し、衝突面は傾斜面となってしまう。衝突面が平坦面ではなく可動子の中心軸に向かってクロム被膜層の厚さが徐々に増す傾斜面となると、可動子は固定コアまたは弁体と衝突する際の受圧面積が不足する。受圧面積が不足すると、衝突面が塑性変形するため、可動子または弁体が軸方向に往復運動する距離が変化し、燃料の噴射量が変化してしまう。

本発明の目的は、上記課題を解決すべく、クロム被膜処理を施して形成される可動子の固定コアとの衝突面及び弁体との衝突面を低コストで平坦面に形成し、燃料噴射量の変化を抑制することができる電磁式燃料噴射弁を提供することにある。

上記目的を達成すべく本発明に係る電磁式燃料噴射弁は、固定コアの端面と可動弁体の端面とが衝突するよう構成されたものであって、前記可動弁体は、筒状構造の可動子と、該可動子の中空部側に前記可動子とは別体に設けられて往復移動する弁体とを備え、前記可動子は、前記固定コアの端面と衝突する第一の衝突面と、前記弁体の端面と衝突する第二の衝突面とを有し、前記第一の衝突面及び第二の衝突面がクロム被膜層で覆われてなる電磁式燃料噴射弁において、前記クロム被膜層は、前記可動子の中心軸線に陽電極を配置しためっき処理により積層されたものであり、前記第一の衝突面及び第二の衝突面の少なくとも一方が形成される可動子母材の端面は、前記クロム被膜層の厚さが中心軸線に向かって徐々に増す傾斜面の傾斜量に対して逆の傾斜量を有する傾斜面が形成され、その傾斜面上に前記クロム被膜層が設けられて、前記第一の衝突面及び第二の衝突面の少なくとも一方が平坦面に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、クロム被膜処理を施して形成される可動子の固定コアとの衝突面及び弁体との衝突面を平坦面に形成し、燃料噴射量の変化を抑制することができる。

本発明の第一の実施形態に係る電磁式燃料噴射弁の全体構成を示す断面図である。図１の電磁式燃料噴射弁における可動子の衝突面付近を示す拡大断面図である。本発明の第二の実施形態に係る電磁式燃料噴射弁の可動子の衝突面付近を示す拡大断面図である。本発明の第三の実施形態に係る電磁式燃料噴射弁の可動子の衝突面付近を示す拡大断面図である。本発明の第四の実施形態に係る電磁式燃料噴射弁の可動子の衝突面付近を示す拡大断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
［第一の実施形態］
図１は、第一の実施形態の電磁式燃料噴射弁の全体構成を示す断面図である。

電磁式燃料噴射弁は、燃料ポンプ（図示せず）から加圧された燃料が燃料配管（図示せず）を介して一端に供給され、内部の燃料通路を経由して他端から燃料を噴射するものである。図１に示すように、電磁式燃料噴射弁は、ハウジング４と、ハウジング４に一部圧入固定されるノズルホルダ１０と備える。ハウジング４内には、内部を燃料通路とする長尺な中空筒状の固定コア１が設けられ、ノズルホルダ１０内には、固定コア１の中心軸と同軸に配置されノズルホルダ１０内を往復移動する可動弁体２０が設けられる。可動弁体２０は、固定コア１の燃料出口側の端面に対向する筒状の可動子２と、可動子２の中空部内に挿通され、ノズルホルダ１０先端の弁座面１２に接離する長尺の弁体３とで構成される。可動子２と弁体３は、互いに別体に形成され、可動弁体２０の往復移動時には互いに接離する。

固定コア１及び可動子２の外周には、可動弁体２０に駆動力を発生させるための電磁コイル５が設けられる。電磁コイル５には、外装モールド１４内を通って外部の電源に接続されるターミナル１３を介して通電される。固定コア１の上方の燃料入口には、燃料に混入された異物を除去するフィルタ１７、燃料漏れを防止するＯリング１６及びバックアップリング１５が設けられている。

ノズルホルダ１０の先端には、燃料噴射孔１２ａが形成されたオリフィスカップ１２が設けられる。オリフィスカップ１２内部には弁体３が着座する弁座面（シート面）１２ｂが形成されており、弁体３が弁座面１２ｂに着座及び離座することで燃料通路の開閉を行い、燃料噴射孔１２ａからの燃料噴射量を制御する。

可動子２は、可動子２の下方でノズルホルダ１０内に固定されたロッドガイド９にばね部材である第２のリターンスプリング８を介して支持される。可動子２の中空部には弁体３を支持する段差部２１が形成され、弁体３が段差部２１の上面に当接して支持される。固定コア１の中空部にはアジャスタピン７が圧入され、アジャスタピン７と弁体３との間にはばね部材である第１のリターンスプリング６が介在する。第１及び第２のリターンスプリング６，８は、電磁コイル５に通電されず磁気吸引力がない時は、可動子２と弁体３とを当接させる状態で弁体３を弁座面１２ｂに押し付けて閉弁させている。

ターミナル１３を介して電磁コイル５に通電されると、磁束が発生して固定コア１、ハウジング４、可動子２を磁路として通り、固定コア１、ハウジング４と可動子２との間に磁気吸引力が発生する。これにより、可動子２と、可動子２に支持される弁体３が弁座面１２ｂから離れる方向（図1上側）に変位して、可動子２の上部端面が固定コア１と当接する。更に、開弁時に可動子２から加速度を得た弁体３は、可動子２の上部端面が固定コア１の下端面と接した際に、可動子２の段差部２１からから更に離れる方向（図１上側）に変位して、再度リターンスプリング６の荷重と燃料圧力によって可動子２と弁体３が再接する。これにより、燃料噴射孔１２ａから必要燃料量が噴射される。可動子２と固定コア１との当接、及び可動子２と弁体３との再接は、磁気吸引力とバネ力とによる衝突である。

図２は、図１の電磁式燃料噴射弁における可動子２の衝突面付近を示す拡大断面図である。

図２に示すように、可動子２は、弁体３が挿入される中空部に環状の段差部２１を備える。弁体３には、段差部２１の上方（第１のリターンスプリング６側）に位置し、段差部２１の内径よりも大きく形成され、段差部２１の上面に係合して弁体３を支持する係合部３１が形成されている。可動子２の環状の上端面は、固定コア１の下端面１ａに対向し、可動子２の往復移動時に固定コアの下端面（以下、「固定コアの衝突面１ａ」と称する）と衝突する第一の衝突面（以下、「上部衝突面２ａ」と称する）となる。段差部２１の上端面は、弁体３の係合部３１の下端面３ａに対向し、可動子２及び弁体３の往復移動時に係合部３１の下端面（以下、「弁体３の衝突面３ａ」と称する）と衝突する第二の衝突面（以下、「内部衝突面２ｂ」と称する）となる。

本実施形態では、可動子２の外径Ｄ１を約１０．４ｍｍ、中空部の小径部の直径（段差部２１より下側の孔径）Ｄ２を約２．１ｍｍ、中空部の大径部の直径（段差部２１より上側の孔径）Ｄ３を約５．４ｍｍとした。上部衝突面２ａについては、可動子２の環状の上端面において、最内側から幅０．３５ｍｍ程度の部分がその外側よりもわずかに高く（後述するクロム被膜層積層後の高さｈが約０．０２ｍｍ）形成され、そのわずかに高い面を上部衝突面２ａとしている。下部衝突面２ｂについては、段差部２１の環状の上面において、最内側から０．９９ｍｍ程度の部分を弁体３と衝突する内部衝突面２ｂとしている。

可動子２は、フェライト系電磁ステンレス鋼（例えば、ＫＭ３５ＦＬ）で形成された可動子母材２２の上部衝突面２ａ及び内部衝突面２ｂとなる面に、強固なクロム被膜層（例えば、硬質クロム層）４０が設けられてなる。クロム被膜層４０の厚さは、固定コア１は、フェライト系電磁ステンレス鋼（例えば、ＫＭ３５ＦＬ）で形成された固定子母材１１の衝突面１ａを構成する面に、強固なクロム被膜層（例えば、硬質クロム層）４１が設けられてなる。クロム被膜層４０，４１は、可動子２と固定コア１との衝突及び可動子２と弁体３との衝突による磨耗を防止するために設けられる。耐摩耗性向上のための被膜層を構成する材料としてクロムを用いることにより、可動子母材２２及び固定母材１１との密着性を向上させている。本実施形態では、クロム被膜層４０の厚さを５〜１０μｍとした。なお、弁体３は、可動子２との衝突による磨耗が生じない程度に硬質なステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ４２０Ｊ２）で形成されているため、弁体３の衝突面３ａにはクロム被膜層は設けられていない。

クロム被膜処理法としては、電気めっき法が用いられる。電気めっきは、可動子母材２２の中心軸Ｃ上に陽電極（図示せず）を配置し、可動子母材２２を陰極側に接続して行われる。ただし、通電前に予め、段差部２１より下側の内壁２１ａには、クロム被膜４０が形成されないようマスキングが施される。電極間に通電すると、可動子母材２２の上部端面及び段差部２１の上面にクロム被膜層４０が同一工程で積層される。なお、固定コアの衝突面１ａのクロム被膜処理は、可動子２のクロム被膜処理工程とは別工程で、固定コア１の衝突面１ａに対向して平板状の陽電極を配置して行われる。

しかしながら、可動子２の上部衝突面２ａ及び内部衝突面２ｂのクロム被膜４０は、陽電極に近いほど膜厚が厚くなる。特に、可動子母材２２の上部端面と内壁との境界である角部２ｅ、及び段差部２１の上面と内壁との境界である角部２ｆでは、電流密度が集中して膜厚がさらに厚くなる。

そこで、本実施形態では、クロム被膜処理前の可動子母材２２において、クロム被膜処理後に上部衝突面２ａ及び内部衝突面２ｂとなる面２ｃ，２ｄが予め傾斜面に形成されている。この可動子母材２２の傾斜面２ｃ，２ｄは、可動子２の中心軸Ｃに向かってクロム被膜層４０の厚さが徐々に増す傾斜面の傾斜量（膜厚の勾配）に対して、逆の傾斜量と有するように構成されている。すなわち、クロム被膜処理後の上部衝突面２ａ及び内部衝突面２ｂが平坦になるように、可動子母材２２の端面に傾斜面２ｃ，２ｄを形成している。傾斜面２ｃ，２ｄの傾斜量は、中心軸Ｃに配置される陽電極からの距離、及び上部衝突面２ａ及び内部衝突面２ｂにおける電流密度分布から算出する。

可動子母材２２の傾斜面２ｃ，２ｄはテーパー形状に形成されている。また、陽電極により近い内部衝突面２ｂ（傾斜面２ｄ）の電流密度は上部衝突面２ａ（傾斜面２ｃ）の電流密度より大きくなるので、内部衝突面２ｂにおけるクロム被膜４０の厚さの勾配は、上部衝突面２ａにおけるクロム被膜４０の厚さの勾配よりも大きくなる。そこで、傾斜面２ｃの角度θ１と傾斜面２ｄの角度θ２との関係を、θ１＜θ２としている。本実施形態では、θ２は、θ１の概ね２倍程度とした。これにより、上部衝突面２ａと内部衝突面２ｂの両面に同時にクロム被膜処理を施しても、両方の衝突面２ａ，２ｂを平坦面に形成することができる。

また、各角部２ｅ，２ｆは、緩やかな曲率を有する面取り形状とするように構成されている。これにより、上部衝突面２ａ側の角部２ｅ及び内部衝突面２ｂ側の角部２ｆへの電流密度の集中を緩和し、角部２ｅ，２ｆにおいてクロム被膜層４０の膜厚が局部的に増大することを防止することができる。

以上、本実施形態の電磁式燃料噴射弁によれば、可動子母材２２の上部衝突面２ａと内部衝突面２ｂとなる面２ｃ，２ｄを、可動子２の中心軸Ｃに向かってクロム被膜層４０の厚さが徐々に増す傾斜面の傾斜量に対して逆の傾斜量を有するように形成し、その傾斜面２ｃ，２ｄ上にクロム被膜層４０を設けて上部衝突面２ａ及び内部衝突面２ｂを平坦面に形成したことにより、衝突面２ａ，２ｂの塑性変形を防止し、燃料噴射量の変化を抑制することができる。また、本実施形態では、同一被膜処理工程で上部衝突面２ａと内部衝突面２ｂとを同時にクロム被膜処理して、可動子２の上部衝突面２ａと内部衝突面２ｂの両面を平坦面とすることにより、低コストで平坦な衝突面を構成することができる。

なお、本実施形態では、クロム被膜処理を、可動子２の中心軸Ｃに単一な陽電極を挿入して同一工程で処理する方法について説明したが、可動子２の上部衝突面２ａと内部衝突面２ｂを別々な陽電極でそれぞれクロム被膜処理をする方法で行ってもよい。
［第二の実施形態］
図３は、本発明の第二の実施形態の電磁式燃料噴射弁の可動子の衝突面付近の構成を示す断面図である。本実施形態の電磁式燃料噴射弁は、図１及び図２で説明した電磁式燃料噴射弁と基本的には同様の構成を有する。ただし、図３に示すように、可動子母材２３の傾斜面の形状が図２で説明した傾斜面とは異なる。

本実施形態の電磁式燃料噴射弁では、上部衝突面２ａ及び内部衝突面２ｂを形成する可動子母材２３の傾斜面２ｇ，２ｈは、緩やかな曲率を有する曲面形状に形成されている。本実施形態においても、図２で説明した可動子２と同様に、同一被膜処理工程で可動子２の上部衝突面２ａと内部衝突面２ｂの両面を平坦面とすることができ、低コストで燃料噴射量の変化を抑制することができる。
［第三の実施形態］
図４は、本発明の第三の実施形態の電磁式燃料噴射弁の可動子の衝突面付近の構成を示す断面図である。本実施形態の電磁式燃料噴射弁は、図１及び図２で説明した電磁式燃料噴射弁と基本的には同様の構成を有する。ただし、図４に示すように、可動子母材２４の傾斜面の形状が図２で説明した傾斜面とは異なる。

本実施形態の電磁式燃料噴射弁では、上部衝突面２ａ及び内部衝突面２ｂを形成する可動子母材２４の傾斜面２ｉ，２ｊは、上部衝突面２ａ側ではテーパー形状に形成され、内部衝突面２ｂ側では緩やかな曲率を有する曲面形状に形成されている。本実施形態においても、図２で説明した可動子２と同様に、同一被膜処理工程で可動子２の上部端面の衝突面２ａと内部端面の衝突面２ｂの両面を平坦面とすることができ、低コストで燃料噴射量の変化を抑制することができる。

なお、本実施形態の可動子母材２４の傾斜面形状の組合せとは逆に、可動子母材２４の上部衝突面２ａ側の傾斜面を曲面形状に形成し、内部衝突面２ｂ側の傾斜面をテーパー形状に形成してもよい。
［第四の実施形態］
図５は、本発明の第四の実施形態の電磁式燃料噴射弁の可動子の衝突面付近の構成を示す断面図である。本実施形態の電磁式燃料噴射弁は、図１及び図２で説明した電磁式燃料噴射弁と基本的には同様の構成を有する。ただし、図５に示すように、可動子２５の形状が図１及び図２で説明した可動子２とは異なる。

図５に示すように、可動子２５は、固定コア１と衝突する第一の衝突面（上部衝突面）２ａと、弁体３の係合部３１と衝突する第二の衝突面（内部衝突面）２ｂとが同一面上に形成される。すなわち、可動子２５は、段差部を具備しない略円筒形に形成され、第二の衝突面２ｂは、可動子２５の上端面において第一の衝突面２ａの内周側に同軸環状に配置される。ただし、可動子母材２６に形成される傾斜面２ｋは、第二の衝突面２ｂとなる円筒上端面の最内側のみに形成され、可動子母材２６の第一の衝突面２ａが形成される箇所は平坦に形成される。

本実施形態においても、図２で説明した可動子２と同様に、同一被膜処理工程で可動子２の上部衝突面２ａと内部衝突面２ｂの両面を平坦面とすることができ、低コストで燃料噴射量の変化を抑制することができる。

１固定コア
２可動子
３弁体
２ａ上部衝突面
２ｂ内部衝突面
２ｃ上部衝突面側の可動子母材の傾斜面
２ｄ内部衝突面側の可動子母材の傾斜面
２ｅ上部衝突面側の角部
２ｆ内部衝突面側の角部

Claims

固定コアの端面と可動弁体の端面とが衝突するよう構成されたものであって、
前記可動弁体は、筒状構造の可動子と、該可動子の中空部側に前記可動子とは別体に設けられて往復移動する弁体とを備え、前記可動子は、前記固定コアの端面と衝突する第一の衝突面と、前記弁体の端面と衝突する第二の衝突面とを有し、前記第一の衝突面及び第二の衝突面がクロム被膜層で覆われてなる電磁式燃料噴射弁において、
前記クロム被膜層は、前記可動子の中心軸線に陽電極を配置しためっき処理により積層されたものであり、前記第一の衝突面及び第二の衝突面の少なくとも一方が形成される可動子母材の端面は、前記クロム被膜層の厚さが中心軸線に向かって徐々に増す傾斜面の傾斜量に対して逆の傾斜量を有する傾斜面が形成され、その傾斜面上に前記クロム被膜層が設けられて、前記第一の衝突面及び第二の衝突面の少なくとも一方が平坦面に形成されていることを特徴とする電磁式燃料噴射弁。
請求項１記載の電磁式燃料噴射弁において、前記可動子は、筒中空部側に環状に形成され端面で前記弁体を支持する段差部を有し、前記弁体は、前記段差部の前記端面に係合する係合部を有し、前記第一の衝突面は、可動子の外周側の上端面に配置され、前記第二の衝突面は、前記段差部の端面上に配置されることを特徴とする電磁式燃料噴射弁。
請求項２記載の記載の電磁式燃料噴射弁において、前記可動子母材の前記第二の衝突面を構成する傾斜面の傾斜角度は、前記第一の衝突面を構成する傾斜面の傾斜角度よりも大きいことを特徴とする電磁式燃料噴射弁。
請求項１記載の電磁式燃料噴射弁において、前記可動子の前記第一の衝突面と第二の衝突面とが前記固定コアに対向する同一端面上に形成され、前記可動子母材の傾斜面が第二の衝突面側のみに形成されていることを特徴とする電磁式燃料噴射弁。
請求項１乃至４のいずれか１項記載の電磁式燃料噴射弁において、前記可動子母材の前記第一の衝突面及び第二の衝突面の少なくとも一方を構成する端面の内壁側の角部は、緩やかな曲率を有する面取り形状に形成されている電磁式燃料噴射弁。
請求項１乃至５のいずれか１項記載の電磁式燃料噴射弁において、前記可動子母材の傾斜面はテーパー形状に形成されていることを特徴とする電磁式燃料噴射弁。
請求項１乃至５のいずれか１項記載の電磁式燃料噴射弁において、前記可動子母材の傾斜面は、可動子の内周側に向かって徐々に低くなる曲面に形成されている電磁式燃料噴射弁。