JP6091684B1 - 流体制御弁及びそれを用いた内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】自励振動による自動弁の機能を活かしつつ、自動弁の流体制御性を飛躍的に向上させるとともに、低コストで信頼性の高い流体制御弁を得る。【解決手段】流体噴射弁１は、対向するそれぞれの面に、テーパ面５ｃが形成された固定鉄心５と、テーパ面７ａが形成された可動鉄心７と、可動鉄心７を摺動駆動させる電磁力を発生するソレノイドコイル６と、可動鉄心７により遊動保持され、その遊動保持部９ａが磁性体で構成された弁９と、弁９を着座させる弁座１０と、可動鉄心７を固定鉄心５の方向に付勢する弾性体１１とで構成され、ソレノイドコイル６に通電される電流により可動鉄心７が摺動され、弁９と弁座１０との間隙量が調整されることで、弁９の自励振動により吐出される流体の流量が制御される。【選択図】図１

Description

この発明は、各種流体の流量などを制御するようにした流体制御弁、特に、自動車用の燃料噴射のための流体噴射弁に使用される流体制御弁及びそれを用いた内燃機関に関するものである。

流体制御弁の駆動源としては、電磁石（ソレノイド）、モータ、熱（温度）、流体圧力など種々のものがあるが、一般に産業界で多く使用されている流体制御弁は、バネ−ｍａｓｓ系などのように機械式（流体、熱）制御による機械式自動弁と、ソレノイドやモータを用いた電子式制御による電子制御弁とに大別される。また、弁の形態、制御方法にも種々のものがあり、これらを組み合わせることによってさまざまな流体制御弁が開発、利用されている。

これらの流体制御弁は、種々のシステムの中で、より高度な機能、特性が求められる一方で、より安価で使いやすいことも求められている。これらの要求に対して、現在までに製造面、生産技術面においては、材料、加工方法、組立て方法、精度の向上など種々の改良開発が行なわれてきた。また、設計面においては、小型軽量化、応答性の向上、ダイナミックレンジの拡大、精度の向上、バラツキの減少、機能の追加などの改良開発が行なわれてきた。特に、電子制御弁の場合は、制御方法の高度化、制御回路の能力、信頼性向上により、その機能と特性は大きな進展を遂げてきた。

しかしながら、電子制御弁においては、ソレノイドやモータを駆動源とすることに変わりないため、磁気回路の効率化設計や動弁系の改良にも限界が見え始めている。そこで、近年では、例えば、開弁動作と閉弁動作のそれぞれに別のソレノイドを用いたり、またソレノイドと永久磁石を併用したりして、機能及び特性の向上を図るための多くの方法が提案されている。
しかし、これらの方法においては、流体制御弁の大型化や費用の増大を招き、必ずしも費用対効果に優れるものではなかった。つまり、ソレノイドを２個使用する場合においては、新たに電気エネルギを消費することになり、また、永久磁石を使用する場合においては、永久磁石に必要な最大エネルギを付与しなければならないため、システムの作動時、不作動時に拘わらず、無駄なエネルギが必要とされる。

また、ピエゾ素子を駆動源とするような新しいアクチュエータも実用化されてきているが、信頼性やコストの面から、使われる対象や市場が限定されている。また、自動弁についても、かなり古くから使用されているが、駆動源や弁形態としての大幅な変更はなされておらず、電子制御弁とは別の範疇のものとして扱われてきた。

そこで、例えば、特許文献１の燃料噴射ノズルでは、加圧燃料が導入される燃料通路と、燃料通路を開閉する電磁弁と、電磁弁を介して燃料通路に連通する燃料溜室と、燃料溜室内の燃料の圧力に応じて開閉する自動弁と、自動弁をその開閉方向に付勢可能な電磁コイルと、エンジンの運転状況に応じて電磁コイルへの通電を制御する通電制御手段とを備えたものが提案されている。
この燃料噴射ノズルは、自動弁の開弁圧力をエンジンの運転状況に応じて制御するようにしているため、被噴射雰囲気の圧力が低い場合においても、燃料噴射ノズルの応答性を向上させることができるので、微小噴射量の制御を確実に行うことができる。また、被噴射雰囲気の圧力が高い場合においても、自動弁の開弁圧力を小さくすることができるため、燃料噴射が可能となる。

また、特許文献２の励振式燃料供給装置では、燃料吐出部を弁、弁座、及びばねで構成し、弁を支える可動円筒部を外部的な信号によって、強制励振する際に、少なくとも弁が自励振動を起こしている間、マイクロコンピュータによりクロック周波数を変調させてパワートランジスタを駆動させることにより強制的に励振源を振動させている。これにより、燃料圧力、ばね及び管径、管長等によって振動条件が定まる自励振動弁において、燃料圧力が低く、かつ低質な燃料（気化性が悪い、粘性が高い等）を使用しても、充分燃料を微粒化することができる燃料供給系が提案されている。

実開昭５８−８６４７３号公報 特開昭５８−１５８３６６号公報

しかしながら、特許文献１の燃料噴射ノズルでは、自動弁の端部に電磁機構の磁気回路の一部を連結することにより、電磁機構の作動によって自動弁の開弁圧力を変更できるようにして、流量制御に寄与するようにしたものである。つまり、自動弁と電磁機構という別々の機構を連結することによって、それぞれの機能も結合させたものである。
しかし、装置全体としては大型化やコストアップの要因になっていた。さらに、新たな電磁機構は流体中に浸されているので、信頼性上の課題も多い。また、電磁機構による制御は、流量制御の適正化を図るという補助手段としての位置づけであり、積極的に流量制御を行うという考え方や意図は見られない。ここで用いられている通常のソレノイドでは、アマチュアのストロークを細かく制御することは困難であり、目的とする制御性に関しては、不充分であるという課題があった。

また、特許文献２の励振式燃料供給装置では、自動弁にムービングコイル式アクチュエータを連結させて、自動弁の自励振動を制御して微粒化を維持しようとするものである。つまり、自動弁とムービングコイルという別々の機構を連結させることによって、それぞれの機能も結合させたものである。これにより、ムービングコイルを用いて制御することで、自励振動周波数の適正化を計っている。コイルが直接燃料内に配置されているため、信頼性上の課題が大きい。また、ムービングコイルによる制御は、あくまでも自励振動周波数の適正化を図るという補助手段としての位置づけであり、積極的に流量制御を行うという考え方や意図は見受けられず、目的とする制御性に関しては、不充分であるという課題があった。
さらに、特許文献１および２ともに、噴霧角などの噴霧形状や、噴霧構造、ペネトレーション、噴霧分布、粒径などの噴射特性を制御する意図は全くない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、自励振動による自動弁の機能を活かしつつ、自動弁の流体制御性を飛躍的に向上させるとともに、低コストで信頼性の高い流体制御弁及びそれを用いた内燃機関を提供することを目的とするものである。

この発明に係る流体制御弁は、筒状体と、筒状体の内壁に固定され、一方に流体の流入口を有し、他方にテーパ面が形成された流体の流出口を有する固定鉄心と、筒状体の内壁に軸方向に摺動可能に保持され、流体の流路を有し、固定鉄心のテーパ面に対して間隙を設けて対向配置されたテーパ面が形成された可動鉄心と、可動鉄心のテーパ面が形成された側とは反対側において、流体が流通可能に可動鉄心により遊動保持されて、その遊動保持部が磁性体である弁と、筒状体に固定され弁を着座させる弁座と、可動鉄心を軸方向に摺動駆動させる電磁力を発生するソレノイドコイルと、可動鉄心を固定鉄心の方向に付勢する弾性体とを備え、弾性体は、流体の圧力に対して弁の自励振動が可能となる付勢力が設定され、ソレノイドコイルに通電される電流により可動鉄心を摺動して、弁と弁座との間隙量を調整することで、流体の流量を制御するようにしたものである。

この発明の流体制御弁によれば、固定鉄心と可動鉄心との対向面をテーパ形状にするとともに、可動鉄心が弁に付勢する弾性体を保持する機能を兼ねるように構成されていて、可動鉄心により遊動保持される弁の遊動保持部が磁性体であるので、弁の制御性を飛躍的に向上させ、流量制御や噴霧制御の自由度を大きく向上させるとともに部品点数を減らすことができ、小型軽量化を図ることができるという効果がある。

この発明の実施の形態１に係る流体制御弁の全体構成を示す断面図である。 図１の要部拡大図である。 この発明の実施の形態２に係る流体制御弁の全体構成を示す断面図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係る流体制御弁を図１および図２に基づいて詳細に説明する。
図１は実施の形態１に係る流体制御弁の全体構成を示す断面図である。ここでは、流体制御弁の例として、内燃機関に使用される燃料噴射のための流体噴射弁について説明する。
図１において、流体制御弁である流体噴射弁１は、電気駆動機構であるソレノイド機構２と非電気駆動式弁機構である弁機構３とから構成されている。

ソレノイド機構２は、固定鉄心であるコア５と、コア５に対して磁気的な間隙ｄを設けて配置された可動鉄心であるアマチュア７と、コア５を固定して収容するとともに、アマチュア７を軸方向（図１で、Ｚ軸方向）に摺動可能に収容する筒状体８と、アマチュア７をＺ軸方向に摺動駆動させる電磁力を発生するソレノイドコイル６と、これらを収納する筐体４とで構成されている。

ここで、コア５の一方端（図１では上端）には流体の流入口５ａを有し、コア５の中心内部には流入口５ａから入った流体が流れる流路５ｂを有し、さらにコア５の他方端にはテーパ面５ｃが形成された流体の流出口を有している。
また、アマチュア７の中心内部には流体が流れる流路７ｂを有し、またコア５のテーパ面５ｃに対向する面には、間隙ｄを介してテーパ面７ｃが形成されている。
コア５側のテーパ面５ｃには、円錐外面形状が形成されたコア側のテーパ面５ｃが形成され、アマチュア７側のテーパ面７ｃには、円錐内面形状が形成されたアマチュア側のテーパ面７ｃが形成されている。

ここで、磁気的な間隙ｄは、コア側のテーパ面５ｃとアマチュア側のテーパ面７ｃとの最短距離（両テーパ面に直角な方向の距離)であるが、コア５の位置を基準とした場合のアマチュア７の摺動可能距離は、図１に示すＺ軸方向の移動距離である。つまり、コア５とアマチュア７の対向面がテーパ形状であることによって、通常のソレノイド機構における対向面が平面同士である場合に比べて、間隙に対するアマチュアの可動距離を大きくすることが可能となる。これにより、任意の可動距離でアマチュア７の位置を決定することができる。このソレノイド機構２は、間隙ｄに対する磁気吸引力をなだらかにして、コア５に対するアマチュア７の摺動距離範囲を大きくしたリニア駆動タイプのソレノイド機構である。

また、弁機構３は、アマチュア７により保持された弁９と、弁９を着座させる弁座１０と、アマチュア７をコア５の方向に付勢する弾性体であるスプリング１１で構成されている。弁９は、アマチュア７のテーパ面７ｃが形成された側とは反対側において、流体が流通可能にアマチュア７により遊動保持されて、その遊動保持部は磁性体で構成されている。これらについては図２で詳しく説明する。弁座１０は筒状体８の一端に固定され、その開口部で弁９を着座させる。

スプリング１１は弁座１０とアマチュア７との間に保持され、ソレノイド機構２のアマチュア７は、スプリング１１を保持する弁機構３のスプリングホルダとしての機能も兼ね備えている。弁９は、所謂外開弁であり、弁９の開弁動作方向が流体の流出方向（ここでは、Ｚ軸方向）と同じとなる自動弁である。弁座１０に接する弁９の弁体面は、多段を含む円錐形状や球状で形成されており、また、弁９に接する弁座１０の弁座面は、エッジ形状を有する円形もしくは内面が多段を含む円錐形状などで形成されている。なお、弁９に接するアマチュア７の接触面７ｄには、流体を流すための溝（図示せず）が形成されている。

また、スプリング１１は、所定の荷重でもって、弁９を弁座１０に押し付ける方向に作用する。なお、スプリング１１を保持する座面は、弁座１０及びアマチュア７の座面７ｅである。スプリング１１に加えられる所定の荷重は、流体噴射弁１に流入する流体の圧力が所望値になった時に、スプリング１１の所定の荷重に打ち勝って、弁９が押し下げられ、弁９が開弁されるように設定されている。流入される流体の圧力が大きくなって弁９が開弁されると、流体噴射弁１内の流体の圧力が下がるので、スプリング１１の復原力によって、再度弁９が閉弁される。

実際には、弁９が再度閉弁するまでに流体の圧力が復帰するように、流体噴射弁１内の体積や圧力損失、弁９のリフトと開口面積の関係などを調整して連続流を維持できるように設定する。更に、この連続流を安定させるために弁９を所定のリフトを平均として自励振動させるようにしてある。すなわち、自励振動により、流体噴射弁１内の流体の圧力が一定になるように保たれている。自励振動条件は、弁機構３のばね−ｍａｓｓ（質量）系と流体が流れる流体噴射弁１の内管部の流体振動系とによって決まる。所謂、一定の流量を噴射する自動弁として機能する。

次に、内燃機関へ燃料を供給する場合の流体噴射弁１の動作について、図１を参照して説明する。例えば、燃料は、流体噴射弁１の流入口５ａから導入されると、コア５とアマチュア７の流路を通り、燃料の内部圧力がスプリング１１の伸長力に打ち勝つと、弁９が押し下げられ、弁９と弁座１０との接触部１２で弁９が押し下げられ間隙が生じることによって弁９が開弁され、燃料が外部に噴射される。弁９の開弁により弁９と弁座１０との接触部１２から燃料が噴射されると、流体噴射弁１内の燃料の内部圧力が低下し、スプリング１１の伸長力に負けて、アマチュア７が押し上げられることにより、弁９がアマチュア７の接触面７ｄで保持されているため、弁９が押し上げられて、弁９と弁座１０との接触部１２で弁９が押し上げられ間隙がなくなることによって弁９が閉弁される。

これによって、再び、燃料の内部圧力が上昇し、弁９が開弁される。これも、前述した内容と同様に、弁９が閉弁するまでに流体の圧力が復帰するように諸条件を設定することにより、連続流とすることができ、更に自励振動させることができる。このように、弁９の開閉が自励振動により自動的に繰り返され、一定量の燃料の噴射が継続される。ここで、燃料による圧力に対して弁９の自励振動が安定して、継続できるようにスプリング１１の付勢力が設定されている。

通常、自励振動による自動弁は、弁９が比較的安定して開弁される状態において、一定の流量の流体の噴射を行う場合には、安定した連続流となり応答制御性も比較的良い。しかし、流体の流量が少ない場合には、弁９が開弁されて、一度に流体が噴射された後は、流体が流体噴射弁１内に補充されるまで、弁９が閉弁された状態になる。つまり、流体が不規則な断続流となり、流量の制御が困難になる。

また、弁９が安定して開弁されている場合には、自励振動により、噴流（噴霧）を微粒化することができる。しかし、弁９が安定して開弁されていない場合には、自励振動を生じさせることは困難であり、従って、噴流（噴霧）を微粒化することができない。
そこで、この実施の形態１の流体噴射弁１では、通電によりソレノイドコイル６に発生する電磁力で、コア５とアマチュア７間に吸引力を生じさせ、これによりアマチュア７を軸方向に移動させ、弁９のリフト位置にバイアスを掛けることで、弁９を安定して開弁させて自励振動を安定させることが可能である。

また、ソレノイドコイル６に通電することで弁９のリフト量を調整し、自励振動の安定化を図るとともに、流量を調整することも可能である。例えば、弁９のリフト量を小さくすることによって開弁時の開口面積を安定して小さくすることが可能となり、同じ流量制御に対して開弁時間を大きくすることができるので、流量の制御範囲を大幅に拡大することができ、また、微小流量制御時の安定化を図ることができる。また、リフト量を変化させることによって、開弁時の開口面積を変化させると流れ方が変わって噴霧角が少し変化するので、噴霧角を制御することも可能となる。さらに、コア５とアマチュア７の対向面をテーパ形状にすることで、アマチュア７の移動量を微調整することが可能である。

ここで、アマチュア７の位置、すなわち弁９のリフト量は、ソレノイドコイル６による電磁力、スプリング１１による付勢力によって決定される。また、弁９のリフト量の調整は、ソレノイドコイル６に通電される交流あるいは直流電流の通電量を変更することにより行う。

また、実施の形態１の流体噴射弁１では、弁機構３にソレノイド機構２による制御機能を組み込むことにより、新しい機能が付加されている。つまり、弁機構３のスプリングホルダとソレノイド機構２のアマチュア７とを一体化させ、アマチュア７をリニア駆動させることで、弁９の開弁リフト操作を実質的に緻密に制御することが可能となる。スプリングホルダとアマチュア７とを一体化させたことにより、機構部品が簡素化されるとともに、部品点数の削減を図ることができる。

なお、実施の形態１に係る流体噴射弁において、ソレノイドコイル６への通電により、アマチュア７の位置を調整することで、弁９のリフト量を調整して開弁中の弁９を強制的に閉弁させることも可能である。例えば、ソレノイドコイル６にパルス電流を周期的に通電することで、自励振動による弁９の開弁を周期的に閉弁させ、内燃機関のサイクルに同期させて、燃料噴射を連続噴射ではなく断続噴射とすることも可能である。また、パルス電流のパルス幅を制御することで、閉弁期間を制御し噴射流量を制御することも可能である。

また、実施の形態１に係る流体噴射弁において、ソレノイドコイル６に直流電流に重畳してパルス電流を通電することで、自励振動による開弁を安定させることができ、微小流量領域における流量制御が可能となる。これにより流量制御範囲をさらに拡大することができる。
また、実施の形態１に係る流体噴射弁において、ソレノイドコイル６に通電せずに、すなわち、ソレノイド機構２を作動させず、自励振動のみによる自動弁として、利用することも可能で、弁機構３のみで流体噴射することもできる。この場合は、電力を消費することがないので、必要に応じて、省エネ動作させることが可能である。

さらに、以上の実施の形態１において、図２のように、アマチュア７により遊動保持される弁９の遊動保持部９ａを磁性体とすることで、コア５とアマチュア７との間に生じる吸引力（磁界）のごく一部が磁力線Ｂで示すようにこの遊動保持部９ａを経由するように構成することにより、アマチュア７と弁９の接触面７ｄでの接触力を大きくすることができるので、予想外に大きな外的振動や、ソレノイドの通電制御変更時の弁９の自励振動とのアンバランスなどによって接触面７ｄに隙間が生じて流量制御などが不正確になることを防止することができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る流体制御弁を図３に基づいて詳細に説明する。
図３は実施の形態２に係る流体制御弁の全体構成を示す断面図である。
実施の形態１の流体制御弁である流体噴射弁１は、コア５側のテーパ面５ｃには円錐外面形状が形成され、アマチュア７側のテーパ面７ｃには円錐内面形状が形成されたものについて説明したが、実施の形態２の流体制御弁である流体噴射弁１は、コア５側のテーパ面５ｃには円錐内面形状が形成され、アマチュア７側のテーパ面７ｃには円錐外面形状が形成されたものである。その他の構成は実施の形態１の図１と同じであり、同じまたは相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

このように、実施の形態２に係る流体噴射弁によれば、弁機構３のスプリングホルダとソレノイド機構２のアマチュア７とが一体化されるとともに、コア５とアマチュア７の対向面がテーパ形状にされていることで、アマチュア７の可動範囲を大きくすることができ、流量の制御範囲を拡大することが可能となり、また、微小流量制御時の安定化を図ることができるという効果がある。

また、上記実施の形態１、２では、流体制御弁の例として、車両用の内燃機関に使用される燃料噴射のための流体噴射弁について説明したが、他の目的で使用される液状流体に対しても適用可能である。
また、上記実施の形態１、２では、弾性体として、コイル状のスプリング１１を使用する場合について述べたが、これに限定されず、反発力があればよく、例えば、板状のばねであってもよい。

以上、この発明の実施の形態を記述したが、この発明は実施の形態に限定されるものではなく、種々の設計変更を行うことが可能であり、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

この発明の流体制御弁は、各種流体の流量、圧力、流通、流れの形態あるいは流路切り替え、特に、自動車用の燃料噴射のための流体噴射弁に使用される流体制御弁及びそれを用いた内燃機関として有用である。

１：流体噴射弁、２：ソレノイド機構、３：弁機構、４：筐体、５：固定鉄心（コア）、
５ａ：流入口、５ｂ：流体流路、５ｃ：コア側のテーパ面、６：ソレノイドコイル、
７：可動鉄心（アマチュア）、７ｂ：流体流路、７ｃ：アマチュア側のテーパ面、
７ｄ：接触面、７ｅ：アマチュアの座面、８：筒状体、９：弁、
９ａ：遊動保持部（磁性体部）、１０：弁座、１１：弾性体（スプリング）、１２：接触部

Claims (4)

1. 筒状体と、前記筒状体の内壁に固定され、一方に流体の流入口を有し、他方にテーパ面が形成された前記流体の流出口を有する固定鉄心と、前記筒状体の内壁に軸方向に摺動可能に保持され、前記流体の流路を有し、前記固定鉄心のテーパ面に対して間隙を設けて対向配置されたテーパ面が形成された可動鉄心と、前記可動鉄心のテーパ面が形成された側とは反対側において、前記流体が流通可能に前記可動鉄心により遊動保持されて、その遊動保持部が磁性体である弁と、前記筒状体に固定され、前記弁を着座させる弁座と、前記可動鉄心を前記軸方向に摺動駆動させる電磁力を発生するソレノイドコイルと、前記可動鉄心を前記固定鉄心の方向に付勢する弾性体とを備え、前記弾性体は、前記流体の圧力に対して前記弁の自励振動が可能となる付勢力が設定され、前記ソレノイドコイルに通電される電流により前記可動鉄心を摺動して、前記弁と前記弁座との間隙量を調整することで、前記流体の流量を制御するようにしたことを特徴とする流体制御弁。
2. 前記ソレノイドコイルには、パルス電流が通電されることを特徴とする請求項１に記載の流体制御弁。
3. 前記ソレノイドコイルには、直流電流に重畳してパルス電流が通電されることを特徴とする請求項１に記載の流体制御弁。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の流体制御弁が、燃料を供給する燃料噴射弁として用いられることを特徴とする内燃機関。

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