JP6488134B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に用いられる燃料噴射弁に係り、特に、コイルに電流を流すことにより可動子と固定鉄心とを含む磁気回路に磁束を発生させ、可動子を固定鉄心側に引き付ける磁気吸引力を作用させることにより、弁体の開閉を行う電磁式燃料噴射弁に関する。

内燃機関の排気低減のためには、エンジンに燃料を供給する燃料噴射弁(インジェクタ)の噴射量を正確に計量し、制御不能な燃料の噴射を抑制することが求められている。そのため、インジェクタには、閉弁時の弁体と弁座のバウンドが起因して噴射される燃料の噴射量を低減する必要がある。

従来では、コイルへの通電によって発生する磁気吸引力を用いて噴孔からの燃料を噴射する燃料噴射弁が公知である。このような燃料噴射弁では、コイルに通電すると、固定鉄心と可動鉄心との間に磁気吸引力が発生する。可動固定鉄心と一体となった弁体は、可動鉄心と固定鉄心の間に発生した磁気吸引力によって可動鉄心が固定鉄心側に引き寄せられ、弁体に力を伝達し、弁体を弁座とは離間する方向に運動させる。一体となった可動鉄心および弁体は、固定鉄心と衝突することにより移動が規制され、停止位置が決定される。この場合、弁体と一体の可動鉄心が固定鉄心に衝突し、衝突の衝撃によって可動鉄心は固定鉄心から跳ね返る。コイルへの通電を中止すると、可動鉄心と固定鉄心の間に作用している磁気吸引力が消失し、弁体に付勢された弾性部材の弾性力よりも小さくなると、弁体は弁座側すなわち閉弁方向運動を開始する。弁体および可動鉄心は、弁体と弁座が衝突することにより、移動が規制され、静止位置が決定される。この場合、弁体は弁座に衝突するため衝突の衝撃によって弁体は弁座と離間する方向に運動し、弁体と弁座の間に隙間が生じた場合、制御不能な燃料として、噴射孔から外部に噴射される。

このような制御不能な燃料の噴射を抑制するために特許文献１に開示されているように、可動鉄心と弁体とを別体にする構成が提案されている。

特開２００７−２１８２０４号公報

しかし、燃料噴射弁は弁体が弁座に衝突した後、閉弁の過程で蓄えられた運動エネルギの影響により、弁体は伸縮し、弾性変形を伴うことになる。その後、衝突の過程で蓄えられた弾性エネルギは開弁方向への運動エネルギとなって弁体と弁座を離間させる方向に働き、バウンシングをもたらす。可動鉄心と弁部材を分割する構成では、弁体の初期エネルギを低減させることは可能であるが、弁体の伸縮によって発生するバウンシング現象の抑制まで至らず、弁体の伸縮に伴った弁体のバウンドを低減する必要がある。

そこで、本発明の目的は、弁体が弁座への衝突時に発生する弁体の伸縮によるバウンドを低減する燃料噴射弁を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料噴射弁は、弁座に接離して噴射孔を開閉する弁体と、前記弁体を前記弁座の方向に付勢する弾性部材と、前記弁体から接離した可動鉄心と、前記可動鉄心に対向する固定鉄心と、前記可動鉄心を移動させるために電磁力を発生するコイルとを有する燃料噴射弁において、前記弁体に弾性部材の付勢力を伝達する付勢力の伝達面と、前記弁体と前記弁座が接離するシート部との間に、軸方向の単位長さ当たりの剛性が減じられた低剛性部を少なくとも一つ有し、前記弁体の軸方向の中心点より上流側の軸方向の剛性値と前記中心点より下流側の剛性値は、前記弁体の重心を有する側の剛性値の方が小さいことを特徴とする。

本発明によれば、弁体が弁座への衝突時に発生する弁体の伸縮によるバウンドを低減することができる。

本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の実施形態を示す断面図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の弁体のバウンド時の挙動を示した図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の弁体のバウンド時の運動を示した図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の実施形態を示す弁体の断面図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の弁体のバウンド時の挙動を示した図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の弁体のバウンド時の運動を示した図である。 本発明の第二実施例に係る燃料噴射弁の実施形態を示す弁体の断面図である。 本発明の第三実施例に係る燃料噴射弁の実施形態を示す弁体の断面図である。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明は、弁体の一部に軸方向の単位長さあたりの剛性が他の部位よりも柔となる低剛性部を設けることで形成された振動吸収部を備えており、振動吸収が弁体の軸方向に振動しやすくなるように構成されている。

これにより、振動吸収部に生じる変位と力は、弁体のシート部と同位相で振動するため、弁体の振動による慣性による力と逆位相の力が発生するようになる。従って、弁体のシート部の変位を低減することができ、結果としてバウンドを低減することが可能となる。

さらに、弁体における軸方向の中心位置より上流側の剛性値と軸方向の中心位置より下流側の剛性値は、重心を有する方の剛性値の方が小さくなるように構成することにより、弁体の重心から上流側の剛性と下流側の剛性値の差を軽減することで、弁体の軸方向の1次固有振動モードにおける弁体の上流側および下流側の端点の固有ベクトルが同程度の値となる。弁体の軸方向の1次固有振動モードは、上流側と下流側の端点において逆位相の振動となるため、バウンドを抑制する方向に振動する振動モードである。そのため、弁体の弁座の接触状態における振動モードにおいて逆位相で振動する振動モードを励起しやすくし、弁体のバウンドを効果的に低減することが可能となる。これにより、精密な噴射量制御が可能な燃料噴射弁を提供することができる。

なお、上記の説明では電磁式燃料噴射弁を例にとって説明を行なったが、電磁式に限定されるものではなく、ピエゾ素子や超磁歪素子によって弁を駆動する際においても同様の効果がある。

以下、図面を参照して本実施形態を説明する。

（燃料噴射弁の基本構成）
図１は、本発明にかかる燃料噴射弁の例として、電磁式燃料噴射弁の例を示す断面図である。図１に示した電磁式燃料噴射弁は、筒内直接噴射式のガソリンエンジン向けの電磁式燃料噴射弁の例であるが、ポート噴射式のガソリンエンジン向けの電磁式燃料噴射弁や、ピエゾ素子や磁歪素子で駆動される燃料噴射弁においても有効である。

（燃料噴射弁の基本動作）
図１において、燃料は燃料供給口１１２から供給され、燃料噴射弁の内部に供給される。電磁式燃料噴射弁１００は、内部に弁体１０１を有し、弁体１０１の対向する位置には、弁座１０２が設けられている。弁座１０２には、図示しない燃料噴射孔を有している。また弁体１０１は、上流側につば部１１３を有し、つば部１１３に接するようにスプリング１１０が設けられ、弁体１０１はつば部１１３に設けられた付勢力の伝達面１１４を介して、閉弁方向に付勢されている。さらに弁体１０１は、弁座１０２と接触してシール座を形成するシート部１１５を有しており、コイル１０８に通電がないときには、弁体１０１はスプリング１１０によって弁座１０２に押し付けられ、燃料をシールする構造となっている。

なお、燃料噴射弁１００の軸方向に対して燃料噴射孔側を上流側、弁座側を下流側として説明する。

図１に示したコイル１０８に通電されると、電磁弁の磁気回路を構成する固定鉄心１０７、ヨーク１０９、可動鉄心１０６に磁束を生じて、空隙のある固定鉄心１０７と可動鉄心１０６の間に磁気吸引力を生じる。磁気吸引力が、スプリング１１０の付勢力と燃料圧力による力よりも大きくなると、弁体１０１は可動鉄心１０６によって固定鉄心１０７側に吸引され、開弁状態となる。

一方で、コイル１０８への通電が中止されると、固定鉄心１０７内に生じていた磁束が消滅し、可動鉄心１０６に作用していた磁気吸引力も減少し、やがて消滅する。この結果、弁体１０１に作用する付勢スプリング１１０の力が、可動鉄心１０６に作用している磁気吸引力より大きくなると、弁体１０１は下流側に変位し、弁体１０１とシート部材１０２とが接触し、閉弁状態となる。

以上が電磁式燃料噴射弁の基本的な動作を説明したものである。燃料噴射弁は、コイル１０８への通電時間を制御することで、弁体１０１が開状態にある時間を制御して、燃料噴射量の制御を行うようになっている。

（課題およびバウンド現象の説明）
しかし、このようにコイル１０８への通電と非通電を切り替えて、弁体１０１を開閉する燃料噴射弁において、閉弁時、弁体１０１と弁座１０２の衝突による弾性変形によって、弁体１０１のバウンドが生ずる場合がある。図２、図３を用いて、本発明を用いない場合の一般的な燃料噴射弁における弁体のバウンドが生ずる現象について説明する。図２におけるＤ１は弁体１０１のつば部１１３の変位を示しており、Ｄ２は弁体のシート部１１５の変位を示している。

図２および図３に示すように、時刻Ｔ１で弁座１０２に衝突した弁体のつば部１１３およびシート部１１５は、ともに弁座１０２方向に運動する。その後、時刻Ｔ２において弁体のつば部１１３の変位が最小となり、衝突直前に蓄えられた運動エネルギは、弁体１０１の弾性エネルギへと変換される。

弁体１０１のつば部１１３の変位が最小となった後は、つば部１１３は弁座１０２から離間する方向すなわち、開弁方向へと運動を開始する。つば部１１３は、スプリング１１０の付勢力や、シート部１１５の近傍に作用する燃料圧力によるつり合いの位置、時刻Ｔ３で最大速度を迎え、弁体１０１の伸縮に伴う復元力とシート部１１５での慣性による力により、シート部１１５は弁座１０２から離間し、時刻Ｔ４においてバウンシングが発生する。バウンド量は、シート部１１５と弁座１０２の軸方向の距離Ｇ１である。可動鉄心１１３を分割していることで、弁体１０１の初期エネルギを低減させることは可能であるが、弁体１０１の伸縮によって発生するバウンシング現象の抑制はすることはできず、弁体１０１の伸縮に伴ったバウンドの低減が必要となっていた。

以上より、本発明が解決すべき課題は、弁体１０１と弁座１０２の衝突時の弾性変形によって生ずるバウンドを低減することである。上記目的を達成するために、本発明のバウンド低減を可能にする弁体２００は、弁体２００の一部に剛性が柔となる低剛性部２０６を設けることで形成された振動吸収部２０８を備えている。それにより、振動吸収部２０８が弁体１０１の軸方向すなわち、開閉弁方向に振動しやすくなるように形成されている構成である。

（本発明の構成）
本発明では、弁体２００のバウンシングを低減するために、弁体２００の形状を図４に示すような形状にする。弁体２００のバウンドが低減可能な構成は、弁体２００に付勢されるばね力を弁体に伝える付勢力の伝達面２０２と、弁体２００と弁座１０２が接触することで燃料をシールするシート部２０５の間に、シート部より軸方向の単位長さ当たりの軸方向の剛性が柔となる低剛性部２０６を有する構成とする。また、弁体２００の中心点２１０より上流側と下流側に分けた場合、弁体２００の重心点２０１を有する方の剛性値Ｋ１をもう一方の剛性値Ｋ２よりも小さい。このような構成とすることにより、低剛性部２０６を有した弁体２００の重心２０１から上流側の剛性値Ｋ３と、重心からシート部までの剛性値Ｋ４の差を、小さくすることができる。また望ましくは、Ｋ３、Ｋ４を同程度の剛性値になるようにするために、例えば低剛性部の長さや幅を設定することで達成される。また弁体２００における質量の関係は、低剛性部２０６よりも上流側に位置する振動吸収部２０８の質量Ｍ１は、上記低剛性部２０６を含む下流側の質量Ｍ２よりも小さいことが望ましい。

上述したような剛性が柔となる低剛性部を簡便に形成する構成として、シート部２０５の上流側に現れる最初の極大値となる極大点２０９よりも径を減じた低剛性部２０６とし、上流側および下流側を連ねる連結部２０７ａ、２０７ｂを有し、少なくことも一つの変曲点をもつ曲面に形成し、これらを滑らかに接続する。

（作用・効果）
このように、付勢力の伝達面２０２とシート部２０５との間に、外径を減じることで実現する低剛性部２０６を設けることで、弁体２００が弁座１０２に衝突した際、振動吸収部２０８での変形量を大きくすることができる。振動吸収部２０８の変形量が大きくなると、閉弁の過程で弁体に蓄えられた運動エネルギは、振動吸収部２０８の変形量に変換されやすくなるため、シート部２０５と弁座部１０２の衝突位置での変形量を小さくすることができる。この変形を小さくすると、弁体２００が弁座１０２から離間しようとする方向に発生するシート部２０５での慣性による力が小さくなり、弁体のバウンドを抑制することが可能となる。さらに、弁体２００の重心２０１から付勢力の伝達面２０２までの剛性値Ｋ３と、重心２０１からシート部２０５までの剛性値Ｋ４は、同程度の剛性値すなわち、剛性値の差が２０％以内となるように、低剛性部２０６の長さや幅を設定すると、衝突時に励起される固有振動モードの寄与率を変え、バウンドを抑制する振動モードを励起しやすくすることができる。

一般的な燃料噴射弁の場合、弁体のバウンドに最も寄与率が高い振動モードは付勢力の伝達面１１４と弁体のシート部１１５が同位相で振動する振動モードである。しかしながら、弁体に前述した低剛性部２０６を設け、弁体の重心２０１から付勢力の伝達面２０２までの剛性値Ｋ３と、重心からシート部までの剛性値Ｋ４を同程度の剛性値になるように長さや幅を決めると、弁体単体の軸方向の1次固有振動モードにおける固有ベクトルの絶対値は同程度の値となり、なおかつ正負が反転した逆位相での振動モードとなる。

弁体２００の逆位相の振動モードがバウンドを低減させるメカニズムを図６、図７を用いて説明する。図６は衝突時の弁体２００の振動吸収部２０８とシート部２０５の変位Ｄ１、Ｄ２を示している。また図７は、衝突中のある時刻における燃料噴射弁の可動部の運動を示しており、矢印は運動の方向を表している。時刻Ｔ１’で弁座に衝突した弁体の振動吸収部２０８およびシート部２０５の運動方向は、ともに弁座１０２の方向である。その後、時刻Ｔ２’において弁体の振動吸収部２０８の変位が最小となり、衝突直前に蓄えられた運動エネルギは、弁体２００の弾性エネルギへと変換される。弁体の振動吸収部２０８の変位が最小となった後、弁体の振動吸収部２０８は弁座１０２から離間する方向すなわち、開弁方向へと運動を開始する。時刻Ｔ３’において振動吸収部２０８は、付勢されるばね力や、燃料圧力によるつり合いの位置で最大速度を迎える。時刻Ｔ３’において、低剛性部２０６より上流側の質量Ｍ１よりも低剛性部２０６を含めた下流側の質量Ｍ２の方が大きく構成されているため、振動吸収部２０８の振動エネルギによって、弁体２００が伸縮し、シート部２０５と弁座１０２が離間するのを抑制可能である。また弁体単体の軸方向の1次固有振動モードにおける振動吸収部２０８とシート部２０５の固有ベクトルの絶対値は同程度の値であり、かつ逆位相であることから、振動吸収部２０８が最大速度となる時刻Ｔ３’において、弁体のシート部２０５での運動方向は、振動吸収部２０８とは逆方向の閉弁方向に運動する。その結果、時刻Ｔ４’において、弁体２００のバウンドを抑制することができる。このとき、シート部２０５の慣性力および弁体２００の復元力が燃料圧力による力よりも小さくなれば、弁体のバウンドは完全に抑制することができる。また、慣性力および弁体２００の復元力が燃料圧力による力よりも大きくなった場合でも、弁体２００のバウンドを抑制する方向にシート部２０５が運動することから、弁体２００のバウンドを低減することが可能となる。

以上述べたように、低剛性部２０６を有した弁体２００が弁座１０２に衝突すると、逆位相の振動モードが励起されやすくなる。この逆位相の振動モードは、弁体２００の上部、すなわち振動吸収部２０８が開弁方向に運動しようとするときに、シート部１１５では開弁方向とは逆の閉弁方向に運動を促そうとする方向に作用する。その結果、弁体２００のバウンドを抑制する方向に働き、低燃圧条件においてもバウンドを低減することが可能となる。
また、低剛性部２０６の上流側および下流側を連ねる連結部２０７ａ、２０７ｂは滑らかに接続されていることから、衝突によって発生する応力が集中するのを抑制することができる。

以上のような構成となることにより、バウンドは抑制され、制御不能な燃料噴射を抑制することができる。またバウンドが抑制されるので、例えば弁体２００に付勢されるばね１１０の力を大きくし、弁体２００と弁座１０２の衝突直前の速度が向上しても、バウンドは抑えることが可能となり、応答性を向上させることができるばかりでなく、付勢力による閉弁時の速度の向上により、弁体２００のリフト量が小さく、圧力損失が大きくなり燃料の流速が落ちる領域で発生する粗大粒子を低減することができる。

その結果、自動車から排出される有害ガスを低減可能な燃料噴射弁を提供できるようになる。また、本構成によれば、振動吸収部２０８が振動を吸収するため、弁体２００が弁座１０２に伝達する荷重を小さくすることができる。その結果、弁体２００と弁座１０８の衝突によって生ずる摩耗を抑制されるだけでなく、燃料噴射弁が起因して発生する騒音が低減されたエンジンシステムを提供することができる。

なお、本実施形態では、図４で示した剛性が柔となる個所が一つ有していた場合を用いて説明したが、複数個所にわたって剛性が減じられている場合であっても同じ効果を得ることができる。

図７は、本発明に係る第二の実施形態を示す、弁体３００の断面図である。 なお、第一実施例とは弁体の形状が異なる形状である。図中、第一実施例と同じ符号の部品については説明を省略する。

第二の実施例では、弁体３００のバウンドが低減可能な構成は、弁体３００に付勢されるスプリング１１０の付勢力を伝達する付勢力の伝達面３０２と、弁体３００と弁座１０２が接触することで燃料をシールするシート部２０５の間に、シート部より軸方向の単位長さ当たりの軸方向の剛性が柔となる弁体３００に肉抜き部３０６を設ける。また、弁体３００の中心点３１０より上流側と下流側に分けた場合、弁体３００の重心点３０１を有する方の剛性値Ｋ１’をもう一方の剛性値Ｋ２’よりも小さくする。このような構成とすることにより、肉抜き部３０６を有した弁体３００の重心３０１から上流側の剛性値Ｋ３’と、重心からシート部Ｋ４’までの剛性値の差は、小さくすることができる。また望ましくは、Ｋ３’、Ｋ４’を同程度の剛性値になるように低剛性部の例えば長さや幅を設定することであるが、これに限ったものではない。また弁体３００における質量の関係は、肉抜き部３０６よりも上流側に位置する振動吸収部３０８の質量Ｍ１’よりも質量Ｍ２’の方が大きいことが望ましい。この結果、振動吸収部３０８が衝突時のエネルギを吸収し、弁体３００のバウンドを抑制することが可能となる。

図８は、本発明係る第三の実施形態を示す、弁体４００の断面図である。なお、第一実施例および第二実施例とは弁体の形状が異なる形状である。図中、第一実施例と付与される同じ符号の説明を省略する。

第三の実施例では、弁体４００のバウンドが低減可能な構成は、弁体４００に付勢される付勢力を弁体に伝える付勢力の伝達面４０２と、弁体４００と弁座１０２が接触することで燃料をシールするシート部４０５の間に、弾性部材４０６を介在させる構造とする。また、弁体４００の中心点３１０より上流側と下流側に分けた場合、弁体４００の重心点４０１を有する方の剛性Ｋ１”をもう一方の剛性値Ｋ２”よりも小さくする。このような構成とすることにより、弾性部材４０６を有した弁体４００の重心４０１から上流側の剛性値Ｋ３”と、重心からシート部Ｋ４”までの剛性値の差は、小さくすることができる。また望ましくは、Ｋ３”、Ｋ４”を同程度の剛性値になるように弾性部材４０６の剛性を設定することであるが、これに限ったものではない。また弁体４００における質量の関係は、弾性部材４０６よりも上流側に位置する振動吸収部４０８の質量Ｍ１”よりも質量Ｍ２”の方が大きいことが望ましい。上記構造とすることによって、振動吸収部４０８が衝突時のエネルギを吸収し、弁体４００のバウンドを抑制することが可能となる。

弁体・・・101、200、300、400、
弁座・・・102、
可動鉄心・・・106、
固定鉄心・・・107、
コイル・・・108、
ヨーク・・・109、
スプリング・・・110、
燃料供給口・・・112、
つば部・・・113、
付勢力の伝達面・・・114、202、302、402、
シート部・・・115、205、305、405、
重心点・・・201、301、401、
低剛性部・・・206、207a・・・
連結部・・・207a、207b
振動吸収部・・・208、308、408
中心点・・・210、310、410

Claims (5)

1. 弁座に接離して噴射孔を開閉する弁体と、前記弁体を前記弁座の方向に付勢する弾性部材と、前記弁体から接離した可動鉄心と、前記可動鉄心に対向する固定鉄心と、前記可動鉄心を移動させるために電磁力を発生するコイルとを有する燃料噴射弁において、
   前記弁体に弾性部材の付勢力を伝達する付勢力の伝達面と、前記弁体と前記弁座が接離するシート部との間に、軸方向の単位長さ当たりの剛性が減じられた低剛性部を少なくとも一つ有し、
   前記弁体の軸方向の中心点より上流側の軸方向の剛性値と前記中心点より下流側の剛性値は、前記弁体の重心を有する側の剛性値の方が小さいことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 請求項１記載の燃料噴射弁において、前記低剛性部よりも上流側に位置する弁体の質量は、前記低剛性部を含む下流側の弁体の質量に比べて軽いことを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項２記載の燃料噴射弁において、前記弁体の重心より上流側の軸方向の剛性値と前記重心より下流側の剛性値は、同じ程度の剛性値であることを特徴とする燃料噴射弁。
4. 請求項３記載の燃料噴射弁において、前記弁体の重心より上流側の軸方向の剛性値と前記重心より下流側の剛性値との差は、２０％以内であることを特徴とする燃料噴射弁。
5. 請求項１記載の燃料噴射弁において、前記弁体の低剛性部の外径は、前記シート部に現れる最初の極大値よりも径が小さいことを特徴とする燃料噴射弁。