JP6538495B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料を噴射する燃料噴射弁に関する。
本技術分野の背景技術として、特開2005−207412号公報(特許文献1)に記載された燃料噴射弁が知られている。この燃料噴射弁は、コイルの内側に設置した筒状部材で可動コア及び固定コアの外周を覆い、筒状部材と可動コア及び固定コアとで磁気回路を形成している。固定コアは、可動コアとの対向側にテーパ部が設けられ、テーパ部の反可動コア側に大径部が設けられている。テーパ部の外径は、可動コアとの対向端面側から大径部に向かって、大きくなっている。テーパ部の可動コアとの対向端面の外径は、可動コアの外径とほぼ等しい。固定コアの大径部の外径は可動コアの外径よりも大きく、大径部の磁路面積は可動コアの固定コアとの対向側の磁路面積よりも大きい(以上、要約参照)。
これにより、特許文献1の燃料噴射弁では、固定コアの反可動コア側(大径部)の磁路面積を、可動コア(可動鉄心)の固定コアとの対向側の磁路面積よりも大きくし、可動コアと固定コアとの間に流れる磁束量を増加させ、開弁応答性を向上させている(段落0029参照)。また、固定コアの可動コアとの対向端面側をテーパ部により径方向内側に窪ませることで、可動コアと対向する対向端面の面積を小さくし、磁束の一部が可動コアの外周を覆う部材と固定コアとの間に流れることを抑制している(段落0030参照)。さらに、特許文献1の燃料噴射弁では、テーパ部が磁気絞りとして作用することにより、可動コアと固定コアとの間に必要以上の磁束が流れるのを防止することができ、飽和吸引力を低減することができる。これは閉弁時の残存磁束量を減少させ、閉弁応答性の向上につながる(段落0031参照)。
特開2005−207412号公報
特許文献1の燃料噴射弁では、固定コア(固定鉄心)の外周面側にテーパ部が設けられ、磁束量の増加による開弁応答性の向上、可動コアの外周を覆う部材と固定コアとの間に流れる漏れ磁束の抑制、及び残存磁束量の減少による閉弁応答性の向上を実現しようとしている。
しかし、特許文献1の燃料噴射弁では、可動鉄心(可動コア)側に磁気絞りを設けることについての配慮がない。磁気絞りは、固定鉄心だけでなく、可動鉄心側にも設けることで、可動コア及び固定コアと、可動コア及び固定コアの外周を覆う筒状部材とで形成される磁気回路(磁気通路)を、弁体の動作をより適切な状態にすることができる。
本発明の目的は、弁体動作の応答性を向上することができ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、本発明の燃料噴射弁は、
協働して燃料通路を開閉する弁座及び弁体と、
前記弁体が一端部に設けられ他端部に可動鉄心が設けられた可動子と、
前記可動鉄心と対向し、前記可動鉄心に磁気吸引力を作用させて吸引する固定鉄心と、
前記固定鉄心と前記可動鉄心とを内包し、前記固定鉄心と前記可動鉄心とが対向する対向部の外周部に非磁性部又は弱磁性部を有する磁性材で構成される筒状部材と、
を備え、
前記固定鉄心は、前記可動鉄心と対向する側の外周面に縮径部を有し、
前記可動鉄心は、前記固定鉄心と対向する側の外周面に縮径部を有し、
前記固定鉄心の前記縮径部の反可動鉄心側の端部は、前記非磁性部又は弱磁性部の反可動鉄心側の端部よりも反可動鉄心側に位置し、
前記可動鉄心の前記縮径部の反固定鉄心側の端部は、開弁時において、前記非磁性部又は弱磁性部の反固定鉄心側の端部よりも反固定鉄心側に位置する。
本発明によれば、弁体動作の応答性に優れた燃料噴射弁を提供することができる。
本発明に係る燃料噴射弁の一実施例について、中心軸線1aに沿う断面を示す断面図である。 図1に示すノズル部8の近傍を拡大して示す断面図である。 図1に示す可動鉄心27a及び固定鉄心25の近傍を拡大して示す拡大断面図である。 図3に示す可動鉄心27aと固定鉄心25との対向部(IV部)を拡大して示す拡大断面図である。 図3に示す可動鉄心27aの近傍(V部)を拡大して示す拡大断面図である。 本発明の一実施例について、パルス波形に対する吸引力及び弁挙動の応答を応答波形図である。 可動鉄心27aのテーパ面27amと固定鉄心25のテーパ面25mとを説明するための断面図である。 可動鉄心27aのテーパ面27amと固定鉄心25のテーパ面25mとの変更例を示す断面図である。 図3に対して非磁性部5cの構成を変更した変更例を示す断面図である。 本発明との比較例について、可動鉄心27aと固定鉄心25との対向部を拡大して示す拡大断面図である。 燃料噴射弁1が搭載された内燃機関の断面図である。
本発明に係る実施例について、図1乃至図3を用いて説明する。
図1を参照して、燃料噴射弁1の全体構成について説明する。図1は、本発明に係る燃料噴射弁の一実施例について、中心軸線1aに沿う断面を示す断面図である。なお、中心軸線1aは、弁体27c、ロッド部(接続部)27b及び可動鉄心(可動コア)27aが一体に設けられた可動子(弁組立体)27の軸心(弁軸心)に一致し、筒状体5の中心軸線に一致している。
図1において、燃料噴射弁1の上端部(上端側)を基端部(基端側)と呼び、下端部(下端側)を先端部(先端側)と呼ぶ場合がある。基端部(基端側)及び先端部(先端側)という呼び方は、燃料の流れ方向或いは燃料配管に対する燃料噴射弁1の取り付け構造に基づいている。また、本明細書において説明される上下関係は図1を基準とするもので、燃料噴射弁1を内燃機関に搭載した形態における上下方向とは関係がない。
燃料噴射弁1には、金属材製の筒状体(筒状部材)5によって、その内側に燃料流路(燃料通路)3がほぼ中心軸線1aに沿うように構成されている。筒状体5は、磁性を有するステンレス等の金属素材を用い、深絞り加工等のプレス加工により中心軸線1aに沿う方向に段付きの形状に形成されている。これにより、筒状体5は、一端側5aの径が他端側5bの径に対して大きくなっている。すなわち、筒状体5の外周面及び内周面5eは円筒形状に形成されている。
筒状体5の基端部には燃料供給口2が設けられ、この燃料供給口2に、燃料に混入した異物を取り除くための燃料フィルタ13が取り付けられている。
筒状体5の基端部は径方向外側に向けて拡径するように曲げられた鍔部(拡径部)5dが形成され、鍔部5dとカバー47の基端側端部47aとで形成される環状凹部(環状溝部)4にOリング11が配設されている。
筒状体5の先端部には、弁体27cと弁座部材15とからなる弁部7が構成されている。弁座部材15は、筒状体5の先端側内側に挿入され、レーザ溶接19により筒状体5に固定されている。レーザ溶接19は、筒状体5の外周側から全周に亘って実施されている。この場合、弁座部材15を筒状体5の先端側内側に圧入した上で、弁座部材15をレーザ溶接により筒状体5に固定してもよい。
筒状体5の中間部には弁体27cを駆動するための駆動部9が配置されている。駆動部9は電磁アクチュエータ(電磁駆動部)で構成されている。具体的には、駆動部9は、筒状体5の内部(内周側)に固定された固定鉄心(固定コア)25と、筒状体5の内部において固定鉄心25に対して先端側に配置され、中心軸線1aに沿う方向に移動可能な可動子(可動部材)27と、固定鉄心25と可動子27に構成された可動鉄心(可動コア)27aとが微小ギャップδ1を介して対向する位置で筒状体5の外周側に外挿された電磁コイル29と、電磁コイル29の外周側で電磁コイル29を覆うヨーク33とによって構成されている。
筒状体5の内側には可動子27が収容されており、筒状体5は可動鉄心27aの外周面と対向して可動鉄心27aを囲繞する。筒状体5、弁座部材15及び固定鉄心25は、可動子27を収容する弁ハウジングを構成している。
可動鉄心27aと固定鉄心25とヨーク33とは、電磁コイル29に通電することにより生じる磁束が流れる閉磁路(磁気回路)を構成する。磁束は微小ギャップδ1を通過するが、微小ギャップδ1の部分で筒状体5を流れる漏れ磁束を低減するため、筒状体5の微小ギャップδ1に対応する位置(微小ギャップδ1の外周側)に、非磁性部或いは筒状体5の他の部分よりも弱磁性の弱磁性部5cが設けられている。以下、この非磁性部或いは弱磁性部5cは、単に非磁性部5cと呼んで説明する。非磁性部5cは、筒状体5に対する磁性を有する筒状体5に非磁性化処理を行うことにより形成することができる。このような非磁性化処理は、例えば熱処理によって行うことができる。或いは、筒状体5の外周面に環状凹部を形成することにより非磁性部5cに相当する部分を薄肉化して構成することができる。本実施例では、非磁性部5cを環状凹部で構成した例を示している。
電磁コイル29は、樹脂材料で筒状に形成されたボビン31に巻回され、筒状体5の外周側に外挿されている。電磁コイル29はコネクタ41に設けられたターミナル43に電気的に接続されている。コネクタ41には図示しない外部の駆動回路が接続され、ターミナル43を介して、電磁コイル29に駆動電流が通電される。
固定鉄心25は、磁性金属材料からなる。固定鉄心25は筒状に形成され、中心部を中心軸線1aに沿う方向に貫通する貫通孔25aを有する。固定鉄心25は、筒状体5の小径部5bの基端側に圧入固定され、筒状体5の中間部に位置している。小径部5bの基端側に大径部5aが設けられていることにより、固定鉄心25の組付けが容易になる。固定鉄心25は溶接により筒状体5に固定してもよいし、溶接と圧入を併用して筒状体5に固定してもよい。
可動子(弁組立体)27は、可動鉄心27aとロッド部(接続部)27bと弁体27cとで構成される。可動鉄心27aは円環状の部材である。弁体27cは弁座15b(図2参照)と当接する部材である。弁座15b及び弁体27cは協働して燃料通路を開閉する。ロッド部27bは細長い円筒形状であり、可動鉄心27aと弁体27cとを接続する接続部である。可動鉄心27aは、弁体27cと連結され、固定鉄心25との間に作用する磁気吸引力によって、弁体27cを開閉弁方向に駆動する。
本実施例では、ロッド部27bと可動鉄心27aとを一部材で構成しているが、別々の部材で構成したものを一体に組み付けてもよい。また本実施例では、ロッド部27bと弁体27cとを別部材で構成し、ロッド部27bに弁体27cを固定している。ロッド部27bと弁体27cとの固定は、圧入又は溶接により行われる。ロッド部27bと弁体27cとは一つの部材で一体化されて構成されてもよい。
ロッド部27bは円筒形状であり、ロッド部27bの上端に開口し軸方向に延設された孔27baを有する。ロッド部27bには内側と外側とを連通する連通孔(開口部)27boが形成されている。ロッド部27bの外周面と筒状体5の内周面との間には背圧室37が形成されている。固定鉄心25の貫通孔25a内の燃料通路3は、孔27ba及び連通孔27boを通じて背圧室37に連通している。孔27ba及び連通孔27boは貫通孔25a内の燃料通路3と背圧室37とを連通する燃料流路3を構成する。
固定鉄心25の貫通孔25aにはコイルばね39が設けられている。コイルばね39の一端は、可動鉄心27aの内側に設けられたばね座27ag(図3参照)に当接している。コイルばね39の他端部は、固定鉄心25の貫通孔25aの内側に配設されたアジャスタ(調整子)35に当接している。コイルばね39は、ばね座27agとアジャスタ(調整子)35の下端(先端側端面)との間に、圧縮状態で配設されている。
コイルばね39は、弁体27cが弁座15b(図2参照)に当接する方向(閉弁方向)に可動子27を付勢する付勢部材として機能している。中心軸線1aに沿う方向におけるアジャスタ35の位置を貫通孔25a内で調整することにより、コイルばね39による可動子27(すなわち弁体27c)の付勢力が調整される。
アジャスタ35は、中心部を中心軸線1aに沿う方向に貫通する燃料流路3を有する。燃料供給口2から供給された燃料は、アジャスタ35の燃料流路3を流れた後、固定鉄心25の貫通孔25aの先端側部分の燃料流路3に流れ、可動子27内に構成された燃料流路3に流れる。
ヨーク33は、磁性を有する金属材料でできており、燃料噴射弁1のハウジングを兼ねている。ヨーク33は大径部33aと小径部33bとを有する段付きの筒状に形成されている。大径部33aは電磁コイル29の外周を覆って円筒形状を成しており、大径部33aの先端側に大径部33aよりも小径の小径部33bが形成されている。小径部33bは筒状体5の小径部5bの外周に圧入又は挿入されている。これにより、小径部33bの内周面は筒状体5の外周面に緊密に接触している。このとき、小径部33bの内周面の少なくとも一部は、筒状体5を介して、可動鉄心27aの外周面と対向しており、この対向部分に形成される磁路の磁気抵抗を小さくしている。
ヨーク33の先端側端部の外周面には周方向に沿って環状凹部33cが形成されている。環状凹部33cの底面に形成された薄肉部において、ヨーク33と筒状体5とがレーザ溶接24により全周に亘って接合されている。
筒状体5の先端部にはフランジ部49aを有する円筒状のプロテクタ49が外挿され、筒状体5の先端部がプロテクタ49によって保護されている。プロテクタ49はヨーク33のレーザ溶接部24の上を覆っている。
プロテクタ49のフランジ部49aと、ヨーク33の小径部33bと、ヨーク33の大径部33aと小径部33bとの段差面とによって環状溝34が形成され、環状溝34にOリング46が外挿されている。Oリング46は、燃料噴射弁1が内燃機関に取り付けられる際に、内燃機関側に形成された挿入口の内周面とヨーク33における小径部33bの外周面との間で液密及び気密を確保するシールとして機能する。
燃料噴射弁1の中間部から基端側端部の近傍までの範囲に、樹脂カバー47がモールドされている。樹脂カバー47の先端側端部はヨーク33の大径部33aの基端側の一部を被覆している。また、樹脂カバー47を形成する樹脂によりコネクタ41が一体的に形成されている。
次に、図2を参照して、ノズル部8の構成ついて、詳細に説明する。図2は、図1に示すノズル部8の近傍を拡大して示す断面図である。
弁座部材15には、中心軸線1aに沿う方向に貫通する貫通孔15d,15c,15v,15eが形成されている。この貫通孔の途中には下流側に向かって縮径する円錐面15vが形成されている。円錐面15v上には弁座15bが構成され、弁体27cが弁座15bに離接することにより、燃料通路の開閉が行われる。なお、弁座15bが形成された円錐面15vを弁座面と呼ぶ場合もある。また、弁座15bと、弁体27cの弁座15bに当接する部位とを、シール部という。
貫通孔15d,15c,15v,15eにおける、円錐面15vから上側の孔部分15d,15c,15vは、弁体27cを収容する弁体収容孔を構成する。弁体収容孔15d,15c,15vの内周面に、弁体27cを中心軸線1aに沿う方向に案内するガイド面15cが形成されている。
下流側ガイド面15cとこの下流側ガイド面15cに摺接する弁体27cの摺接面27cbとは、可動子27の変位を案内する下流側ガイド部50Aを構成する。
ガイド面15cの上流側には、上流側に向かって拡径する拡径部15dが形成されている。拡径部15dは弁体27cの組付けを容易にすると共に、燃料通路断面を拡大するのに役立っている。一方、弁体収容孔15d,15c,15vの下端部は燃料導入孔15eに接続され、燃料導入孔15eの下端面が弁座部材15の先端面15tに開口している。
弁座部材15の先端面15tには、ノズルプレート21nが取り付けられている。ノズルプレート21nは弁座部材15にレーザ溶接23により固定されている。レーザ溶接部23は、燃料噴射孔110が形成された噴射孔形成領域を取り囲むようにして、この噴射孔形成領域の周囲を一周している。
また、ノズルプレート21nは板厚が均一な板状部材(平板)で構成されており、中央部に外方に向けて突き出すように突状部21naが形成されている。突状部21naは曲面(例えば球状面)で形成されている。突状部21naの内側には燃料室21aが形成されている。この燃料室21aは弁座部材15に形成された燃料導入孔15eに連通しており、燃料導入孔15eを通じて燃料室21aに燃料が供給される。
突状部21naには複数の燃料噴射孔110が形成されている。燃料噴射孔の形態は特に問わない。燃料噴射孔110の上流側に燃料に旋回力を付与する旋回室を有するものであってもよい。燃料噴射孔の中心軸線110aは燃料噴射弁の中心軸線1aに対して平行であってもよいし、傾斜していてもよい。また、突状部21naが無い構成であってもよい。
本実施例において、燃料噴射孔110を開閉する弁部7は弁座部材15と弁体27cとによって構成され、燃料噴霧の形態を決定する燃料噴射部21はノズルプレート21nによって構成される。そして、弁部7と燃料噴射部21とは、燃料噴射を行うためのノズル部8を構成している。すなわち、本実施例におけるノズル部8は、ノズルプレート21nがノズル部8の本体側(弁座部材15)の先端面15tに接合されて構成されている。
また、本実施例では、弁体27cは、球状を成すボール弁を用いている。このため、弁体27cにおけるガイド面15cと対向する部位には、周方向に間隔を置いて複数の切欠き面27caが設けられ、この切欠き面27caによって燃料通路が構成されている。弁体27cはボール弁以外の弁体で構成することも可能である。例えば、ニードル弁を用いてもよい。
図3を参照して、可動子27の可動鉄心27aの近傍の構成について、詳細に説明する。図3は、図1に示す可動鉄心27a及び固定鉄心25の近傍を拡大して示す拡大断面図である。なお図3では、可動子27の中心軸線(弁軸心)27lと燃料噴射弁1の中心軸線1aとが一致した状態を示している。
本実施例では、可動鉄心27aとロッド部27bとが一部材で一体に形成されている。可動鉄心27aの上端面27abの中央部には、下端側に向けて窪んだ凹部27aaが形成されている。凹部27aaの底部には、ばね座27agが形成され、コイルばね39の一端がばね座27agに支持されている。さらに、凹部27aaの底部には、ロッド部27bの内側に連通する開口部27afが形成されている。開口部27afは、固定鉄心25の貫通孔25aから凹部27aa内の空間27aiに流入した燃料を、ロッド部27bの内側の空間27biに流す燃料通路を構成する。
可動鉄心27aの上端面27abは、固定鉄心25の下端面25bと対向する。上端面27abと下端面25bとは、相互に磁気吸引力が作用する磁気吸引面を構成する。可動鉄心27aの外周面27acは筒状体5の内周面5eに摺動するよう構成されている。
すなわち内周面5eは、可動鉄心27aを囲繞して可動子27の開閉弁方向の移動を案内する案内面を構成する。特に内周面5eは、可動鉄心27aの外周面27acが摺接する上流側ガイド面を構成する。上流側ガイド面5eと可動鉄心27aの外周面27acとは、可動子27の変位を案内する上流側ガイド部50Bを構成する。
本実施例では、可動子27は、弁座部材15に構成されたガイド面(下流側ガイド面)15c、及び筒状体5の内周面で構成された上流側ガイド面5eの二点で開閉弁方向の移動を案内されている。すなわち可動子27は、上流側ガイド部50Bと下流側ガイド部50A(図1参照)との二点で案内されて、中心軸線1a方向に往復動作する。この場合、可動子27の弁体27cが下流側ガイド面15cにより案内され、可動鉄心27aの外周面27acが上流側ガイド面5eにより案内される。
図3乃至図5を参照して、本発明に係る固定鉄心25及び可動鉄心27aの特徴を、具体的に説明する。図4は、図3に示す可動鉄心27aと固定鉄心25との対向部(IV部)を拡大して示す拡大断面図である。図5は、図3に示す可動鉄心27aの近傍(V部)を拡大して示す拡大断面図である。
固定鉄心25の可動鉄心27aと対向する対向端面25b側には、外周部に磁気絞り部25mが形成されている。本実施例では、磁気絞り部25mはテーパ面(テーパ部)で構成される。テーパ面25mは、可動鉄心27aと対向する側とは反対側(以下、反可動鉄心側という)から対向端面25bに向かって、外径が漸減するように形成されている。すなわち、テーパ面25mにおいては、反可動鉄心側から対向端面25bに向かって、外径が縮径する。このため、固定鉄心25の外周側では、筒状体5の内周面5eと固定鉄心25との間に隙間25sが形成される。隙間25sは、反可動鉄心側から対向端面25b(可動鉄心27a)に向かって、内周面5eと固定鉄心25との間隔が拡がるように、形成されている。
固定鉄心25の対向端面25bの内周部には、角をとる面取り加工が行われている。本実施例では、面取り加工により、対向端面25bの内周の角部を斜めに削って、挟幅の傾斜面25nを形成している。
可動鉄心27aの固定鉄心25と対向する対向端面27ab側には、外周部に磁気絞り部27amが形成されている。本実施例では、磁気絞り部27amはテーパ面(テーパ部)で構成されている。テーパ面27amは、固定鉄心25と対向する側とは反対側(以下、反固定鉄心側という)から対向端面27abに向かって、外径が漸減するように形成されている。すなわち、テーパ面27amにおいては、反固定鉄心側から対向端面27abに向かって、外径が縮径する。このため、可動鉄心27aの外周側では、筒状体5の内周面5eと可動鉄心27aとの間に隙間27asが形成される。隙間27asは、反固定鉄心側から対向端面27ab(固定鉄心25)に向かって、内周面5eと可動鉄心27aとの間隔が拡がるように、形成されている。
可動鉄心27aの対向端面27abの内周部には、角をとる面取り加工が行われている。本実施例では、面取り加工により、対向端面27abの内周の角部を斜めに削って、挟幅の傾斜面27anを形成している。
図3乃至図5において、各部の寸法を、以下のように定義する。なお、以下の寸法は、閉弁時における可動子27の位置を基準として、定義される。
・S11:固定鉄心25の可動鉄心27aとの対向端面25bの面積。
・S12:コイル29の中心軸線1aに沿う方向の中心位置における、固定鉄心25の断面積。
・L11:固定鉄心25のテーパ面25mの中心軸線1aに沿う方向における長さ。
・L12:コイル29の中心軸線1aに沿う方向の中心位置から固定鉄心25の可動鉄心27aとの対向端面25bまでの長さ。
・L:固定鉄心25の傾斜面25nの中心軸線1aに沿う方向における長さ。
・S21:可動鉄心27aの固定鉄心25との対向端面27abの面積。
・S22:筒状体5の内周面5eと対向する範囲内における可動鉄心27aの最大断面積(中心軸線1aに垂直な断面積)。
・L21:可動鉄心27aのテーパ面27amの中心軸線1aに沿う方向における長さ。
・L22:ヨーク33と筒状体5との結合部の上端位置から可動鉄心27aの固定鉄心25との対向端面27abまでの長さ。
・L:可動鉄心27aの傾斜面27anの中心軸線1aに沿う方向における長さ。
・δ1:相互に対向する固定鉄心25の端面25bと可動鉄心27aの端面27abとの間のギャップ長さ。このギャップ長さは、閉弁時における最大ギャップ長、すなわち閉弁時の磁性体間ギャップに等しい。
・G:固定鉄心25の対向端面25bの外周と筒状体5の内周面5eとの間に形成されるギャップ長さ。このギャップ長さGは、固定鉄心25及び筒状体5の内周面5eの半径方向における長さである。
・G:可動鉄心27aの対向端面27abの外周と筒状体5の内周面5eとの間に形成されるギャップ長さ。このギャップ長さGは、可動鉄心27a及び筒状体5の内周面5eの半径方向における長さである。
ただし、上記寸法の定義おいては、以下の点に留意する必要がある。
・可動鉄心27aの固定鉄心25と対向する対向端面27abには、図5に示すように、凸形状部27apが設けられる場合がある。凸形状部27apは、可動鉄心27aの対向端面27abと固定鉄心25の対向端面25bとの張り付きを防止するために設けられるものであり、凸形状部27apの高さH27apは、通常50μm以下である。この場合、面積S21、長さL21及び長さL22は、凸形状部27apが無いものとして、定義される。すなわち、面積S21は、中心軸線1aに垂直な平面に対向端面27abを投影した場合に、対向端面27abの内周縁(内径)と外周縁(外径)とに囲まれた投影面積として定義される。また長さL21及び長さL22は、凸形状部27apを含まない対向端面27abまでの長さとする。
・凸形状部27apを可動鉄心27aの対向端面27abに設ける代わりに、固定鉄心25の対向端面25bに設ける場合がある。この場合、面積S11、長さL11及び長さL12は、凸形状部27apが無いものとして、可動鉄心27aにおける長さL21及び長さL22と同様に、定義される。
・可動鉄心27aの筒状体5の内周面5eと対向する外周面27acには、図5に示すように、凸形状部27aqが設けられる場合がある。凸形状部27aqは、筒状体5の内周面5eに対して摺動する摺動部を構成する。この場合、断面積S22には、凸形状部27aqを含めないものとする。
次に、図6を参照して、固定鉄心25のテーパ面25m及び可動鉄心27aのテーパ面27amの作用効果について説明する。図6は、本発明の一実施例について、パルス波形に対する吸引力及び弁挙動の応答を応答波形図である。
図6では、燃料の噴射時間に応じてOFFからONに切り替えられるパルス61と、パルス61に応じて可動鉄心27a(可動子27)に作用する吸引力(磁気吸引力)62a,62bと、吸引力(磁気吸引力)62a,62bにより駆動される可動子27の挙動(弁挙動)63a,63bとを示している。吸引力62a及び弁挙動63aは、固定鉄心25及び可動鉄心27aにテーパ面25m及びテーパ面27amが設けられた本実施例の特性を示している。吸引力62b及び弁挙動63bは、固定鉄心25及び可動鉄心27aにテーパ面25m及びテーパ面27amが設けられていない本発明との比較例(例えば図10に示す構成)の特性を示している。また、弁挙動の図において、「開弁」は、可動子27が最大ストローク分持ち上げられて、開弁する状態(位置)を意味する。具体的には、可動鉄心27aの端面27abが固定鉄心25の端面25bに当接する状態(位置)である。
(1)開弁応答性の改善
固定鉄心25及び可動鉄心27aにテーパ面25m及びテーパ面27amを設けることで、本実施例の吸引力62aの立ち上がりを、比較例の吸引力62bの立ち上がりに対して改善することができる。
これは、固定鉄心25及び可動鉄心27aの対向する対向端面25b,27abの面積S11,S21を、固定鉄心25及び可動鉄心27aの最大断面積S12,S22に対して小さく設定することで、低電圧時(最小駆動電圧時)に、固定鉄心25及び可動鉄心27aの対向面に磁束を集中させ、磁気吸引力を増大することができることを意味する。これは、閉弁した状態から開弁した状態になるまでの開弁動作時間の短縮につながる。すなわち、開弁時の応答性が向上する。
低電圧時の磁気吸引力を増大すると、ばね39のセット荷重を大きく設定することができる。
図6の弁挙動63aは、弁挙動63bに対して、ばね39のセット荷重を大きく設定した状態の弁挙動を示している。このため、弁挙動63aの立ち上がりは弁挙動63bの立ち上がりに対して差異がない状態になっている。しかし、ばね39のセット荷重を大きく設定することにより、後述する閉弁時の弁挙動63bを改善することができる。ばね39のセット荷重を弁挙動63bにおけるセット荷重と同等に設定すれば、弁挙動63aの立ち上がりは改善され、速くなる。
(2)閉弁応答性の改善
固定鉄心25及び可動鉄心27aにテーパ面25m及びテーパ面27amを設けることで、固定鉄心25及び可動鉄心27aの対向する対向端面25b,27abの面積S11,S21を小さくすることができ、最大磁束量(飽和磁束量)を抑制して小さくすることができる。図6では、本実施例の吸引力62aの最大値が比較例の吸引力62bの最大値よりも小さくなっている。
最大磁束量を小さくすることで、最大吸引力を小さくすることができ、コイル29への通電OFF時(パルス61のFF時)における消磁時間を短縮することができる。これにより、吸引力62aを、吸引力62bに対して速く消滅させることができる。これは、開弁した状態から閉弁した状態になるまでの閉弁動作時間の短縮につながる。すなわち、閉弁時の応答性が向上する。
さらに、前述したようにばね39のセット荷重を大きく設定していることにより、磁気吸引力を失った可動子27は、比較例の場合よりも速く、閉弁状態に至る。図6では、最大磁束量の低減効果とばね39のセット荷重の増加効果とが合わさって、本実施例の弁挙動63aが比較例の弁挙動63bよりも速く閉弁状態に至る様子が示されている。
以上説明したように、本実施例の燃料噴射弁では、固定鉄心25及び可動鉄心27aにテーパ面25m及びテーパ面27amを設けることで、固定鉄心25及び可動鉄心27aの対向端面25b,27abに磁束を集中させることができる。特に、テーパ面25m及びテーパ面27amが固定鉄心25及び可動鉄心27aの外周面側に設けられることで、固定鉄心25及び可動鉄心27aの外周面寄りを通る磁束を径方向内側に向けることができ、磁束を固定鉄心25及び可動鉄心27aの対向端面25b,27abに効率よく集中させることができる。そして、本実施例の燃料噴射弁は、開弁時及び閉弁時の応答性を向上することができる。
本実施例では、図3乃至図5で定義した上記寸法の範囲を、以下のように設定する。
・固定鉄心25のテーパ面25mの長さL11は、L ≦ L11 ≦L12となる範囲に設定される。これは、コイル29の中心軸線1aに沿う方向の中心位置において、磁界が最も強くなるため、L11の上限をL12に設定している。また、面取り寸法Lは通常0.3mmよりも小さい。従ってL11は、0.3mm ≦ L11 ≦L12 の範囲に設定される。
・可動鉄心27aのテーパ面27amの長さL21は、L ≦ L21 ≦L22 となる範囲に設定される。これは、L21をL22よりも大きくすると、ヨーク33と可動鉄心27aとの間に構成される磁路は、テーパ面27amによるギャップを迂回するように構成されるため、磁気抵抗が増加する。L21 ≦L22 とすることにより、ヨーク33と可動鉄心27aとの間に構成される磁路が直線的になり、磁気抵抗の増加を防ぐことができる。また、面取り寸法Lは通常0.3mmよりも小さい。従ってL21は、0.3mm ≦ L21 ≦L22 の範囲に設定される。
・固定鉄心25の端面25bの外周と筒状体5の内周面5eとの間に形成されるギャップ長さGは、δ1 ≦ Gの範囲に設定されるとよい。また、可動鉄心27aの端面27abの外周と筒状体5の内周面5eとの間に形成されるギャップ長さGは、δ1 ≦ Gの範囲に設定されるとよい。これは、ギャップ長さG及びギャップ長さGを、固定鉄心15と可動鉄心27aとの間に構成されるギャップδ1よりも大きくすることにより、固定鉄心15と可動鉄心27aとの対向部(ギャップδ1部)から筒状体5側に磁束を漏れ難くすることができる。
・固定鉄心25の対向端面25bの面積S11は、0.5 ≦ S11/S12 ≦ 0.8の範囲に設定されるとよい。また、可動鉄心27aの対向端面27abの面積S21は、0.5 ≦ S21/S22 ≦ 0.8の範囲に設定されるとよい。これにより、磁束を固定鉄心25及び可動鉄心27aの対向端面25b,27abに効率よく集中させることができる。
・固定鉄心25の対向端面25bの外径と可動鉄心27aの対向端面27abの外径とは等しい。これにより、磁束を固定鉄心25及び可動鉄心27aの対向端面25b,27abに効率よく集中させることができる。
ここで、図10を参照して、本実施例のテーパ面25m及びテーパ面27amと比較例の面取り部25r及び27arとの差異を説明する。図10は、本発明との比較例について、可動鉄心27aと固定鉄心25との対向部を拡大して示す拡大断面図である。
通常、固定鉄心25の対向端面25bの外周部には面取り部(傾斜面)25rが設けられる。また、可動鉄心27aの対向端面27abの外周部には、面取り部(傾斜面)27arが設けられる。これらの面取り部25r,27arは、図4及び図5に示す面取り部(傾斜面)25n,27anと同様な形状及び寸法で設けられる。すなわち、面取り部25r,27arは、中心軸線1a,27lに沿う方向の長さが、図4及び図5に示す面取り部(傾斜面)25n,27anと同等な長さL,Lで設けられる。また、面取り部25r,27arは中心軸線1aに対して45度の角度で設けられることが多く、面取り部25r,27arの径方向における寸法は長さL,Lと同等である。このような微小な範囲に設けられた面取り部25r,27arでは、固定鉄心25及び可動鉄心27aの対向端面25b,27abに磁束を集中させる実質的な効果は得られない。
本実施例では、テーパ面25m及びテーパ面27amの長さL11,L12,L21,L22は、面取り部25r,27arの長さ寸法L,Lよりも実質的に長い寸法を有する。ここで、面取り部25r,27arの長さ寸法L,Lよりも実質的に長い寸法とは、上述したように、磁束を固定鉄心25及び可動鉄心27aの対向端面25b,27abに集中させる効果が得られる長さ寸法を意味する。
ここで、図7を参照して、固定鉄心25及び可動鉄心27aのテーパ面25m及びテーパ面27amについて、補足説明を行う。図7は、可動鉄心27aのテーパ面27amと固定鉄心25のテーパ面25mとを説明するための断面図である。
本実施例では、開弁時(弁体27cが弁座15bに当接している状態)における、テーパ面25mの上端部(反可動鉄心側の端部)とテーパ面27amの下端部(反固定鉄心側の端部)との間隔(中心軸線1a方向の長さ)Waは、中心軸線1a方向における非磁性部5cの長さWbよりも長く形成されている。
また、テーパ面25mの上端部は、非磁性部5cの上端部から上側に位置し、テーパ面27amの下端部は、少なくとも開弁時においては、非磁性部5cの下端部から下側に位置する。
これにより、テーパ面25m及びテーパ面27amは、筒状部5に構成した非磁性部5cによる漏れ磁束の低減効果を高めることができる。
次に、図8を参照して、固定鉄心25及び可動鉄心27aのテーパ面25m及びテーパ面27amの変更例について、説明する。図8は、可動鉄心27aのテーパ面27amと固定鉄心25のテーパ面25mとの変更例を示す断面図である。
本変更例では、固定鉄心25のテーパ面25mの代わりに、磁気絞り部25mを、円筒面25maを用いて構成する。また、可動鉄心27aのテーパ面27amの代わりに、磁気絞り部27amを、円筒面27amaを用いて構成する。円筒面25ma及び円筒面27amaは、筒状体5の内周面5eに平行な円筒面で構成される。
円筒面25maは、磁気絞り部25mを構成するために、固定鉄心25の外径を縮径した縮径部を構成する。また円筒面27amaは、磁気絞り部27amを構成するために、可動鉄心27aの外径を縮径した縮径部を構成する。
円筒面25maの反可動鉄心側には、円筒面25maを固定鉄心25の最大径となる外周面部分と接続する傾斜面(テーパ面)25mbが形成されている。すなわち、固定鉄心25の円筒面(縮径部)25maの反可動鉄心側に形成される大径部と円筒面25maとの間に、大径部から円筒面25maに向かって、固定鉄心25の外径がテーパ状に縮径する傾斜面25mbが形成されている。
円筒面27amaの反固定鉄心側には、円筒面27amaを可動鉄心27aの最大径となる外周面部分と接続する傾斜面(テーパ面)27ambが形成されている。
すなわち、可動鉄心27aの円筒面(縮径部)27amaの反固定鉄心側に形成される大径部と円筒面27amaとの間に、大径部から円筒面27amaに向かって、可動鉄心27aの外径がテーパ状に縮径するテーパ面が形成されている。
円筒面25ma及び傾斜面25mbは共に縮径部を形成して磁気絞り部25mを構成し、円筒面27ama及び傾斜面27ambは共に縮径部を形成して磁気絞り部27amを構成する。
円筒面25maと円筒面27amaとは平行である。また、円筒面25maは筒状体5の内周面5eに平行であり、円筒面27amaは筒状体5の内周面5eに平行である。
本変更例でも、固定鉄心25の外周部に形成した円筒面25ma及び傾斜面25mbにより、固定鉄心25の外周部に形成したテーパ面25mと同様な効果を得ることができる。また、可動鉄心27aの外周部に形成した円筒面27ama及び傾斜面27ambにより、可動鉄心27aの外周部に形成したテーパ面27amと同様な効果を得ることができる。
ただし、円筒面25ma及び円筒面27amaは平行であるため、テーパ面25m及びテーパ面27amの場合と比べて、固定鉄心25及び可動鉄心27aの対向端面25b,27ab部において、磁束を径方向内側に向ける効果は小さくなる可能性がある。
本変更例においても、各部の寸法は、上述したように構成される。
本変更例において、磁気絞り部25m又は磁気絞り部27amのいずれか一方を、図3乃至図5で説明したテーパ面で構成してもよい。
次に、図9を参照して、非磁性部5cの変更例について、説明する。図9は、図3に対して非磁性部5cの構成を変更した変更例を示す断面図である。
本実施例では、非磁性部5cを非磁性材又は弱磁性材を用いて構成している。本変更例においても、図7で説明したWa及びWbの寸法関係が適用される。
また、磁気絞り部25m又は磁気絞り部27amのいずれか一方、或いは両方を、円筒面25ma,27amaを用いて構成してもよい。
筒状体5は、本変更例のように、非磁性部5cに非磁性材又は弱磁性材を用いることにより、複数の部材で構成してもよいし、上述した実施例のように非磁性部5cを含めて磁性材からなる一つの部材で構成してもよい。
図11を参照して、本発明に係る燃料噴射弁1を搭載した内燃機関について説明する。図11は、燃料噴射弁1が搭載された内燃機関の断面図である。
内燃機関100のエンジンブロック101にはシリンダ102が形成されおり、シリンダ102の頂部に吸気口103と排気口104とが設けられている。吸気口103には、吸気口103を開閉する吸気弁105が、また排気口104には排気口104を開閉する排気弁106が設けられている。エンジンブロック101に形成され、吸気口103に連通する吸気流路107の入口側端部107aには吸気管108が接続されている。
燃料噴射弁1の燃料供給口2(図1参照)には燃料配管110が接続される。
吸気管108には燃料噴射弁1の取付け部109が形成されており、取付け部109に燃料噴射弁1を挿入する挿入口109aが形成されている。挿入口109aは吸気管108の内壁面(吸気流路)まで貫通しており、挿入口109aに挿入された燃料噴射弁1から噴射された燃料は吸気流路内に噴射される。二方向噴霧の場合、エンジンブロック101に吸気口103が二つ設けられた形態の内燃機関を対象として、それぞれの燃料噴霧が各吸気口103(吸気弁105)を指向して噴射される。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、一部の構成の削除や、記載されていない他の構成の追加が可能である。また、上述した実施例とその変更例とは、それぞれの説明に記載された構成を、矛盾しない範囲内で、相互に適用可能である。
1…燃料噴射弁、1a…中心軸線、5…筒状体、5e…筒状体5の内周面(上流側ガイド面)、25…固定鉄心、25b…固定鉄心25の下端面(可動鉄心27aと対向する端面)、25m…磁気絞り部又はテーパ面、25n…傾斜面、25s…筒状体5の内周面5eと固定鉄心25との間に形成される隙間、27…可動子、27a…可動鉄心、27ab…可動鉄心27aの上端面(固定鉄心25と対向する端面)、27ac…可動鉄心27aの外周面、27ad…可動鉄心27aの下端面、27am…磁気絞り部又はテーパ面、27an…傾斜面、27as…筒状体5の内周面5eと可動鉄心27aとの間に形成される隙間、27c…弁体、27l…可動子27の中心軸線、33…ヨーク、33a…ヨーク33の大径部、33b…ヨーク33の小径部、33c…ヨーク33の段差部、50A…下流側ガイド部、50B…上流側ガイド部。

Claims (13)

  1. 協働して燃料通路を開閉する弁座及び弁体と、
    前記弁体が一端部に設けられ他端部に可動鉄心が設けられた可動子と、
    前記可動鉄心と対向し、前記可動鉄心に磁気吸引力を作用させて吸引する固定鉄心と、
    前記固定鉄心と前記可動鉄心とを内包し、前記固定鉄心と前記可動鉄心とが対向する対向部の外周部に非磁性部又は弱磁性部を有する磁性材で構成される筒状部材と、
    を備え、
    前記固定鉄心は、前記可動鉄心と対向する側の外周面に縮径部を有し、
    前記可動鉄心は、前記固定鉄心と対向する側の外周面に縮径部を有し、
    前記固定鉄心の前記縮径部の反可動鉄心側の端部は、前記非磁性部又は弱磁性部の反可動鉄心側の端部よりも反可動鉄心側に位置し、
    前記可動鉄心の前記縮径部の反固定鉄心側の端部は、開弁時において、前記非磁性部又は弱磁性部の反固定鉄心側の端部よりも反固定鉄心側に位置することを特徴とする燃料噴射弁。
  2. 請求項1に記載の燃料噴射弁において、
    前記固定鉄心の前記可動鉄心と対向する対向端面の外径と前記可動鉄心の前記固定鉄心と対向する対向端面の外径とは等しいことを特徴とする。
  3. 請求項1に記載の燃料噴射弁において、
    前記固定鉄心の前記縮径部は、前記可動鉄心に向かって前記固定鉄心の外径が漸減するテーパ状に形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
  4. 請求項1に記載の燃料噴射弁において、
    前記固定鉄心の前記縮径部は、前記筒状部材の内周面に平行な円筒面を含んで構成されることを特徴とする燃料噴射弁。
  5. 請求項4に記載の燃料噴射弁において、
    前記縮径部は、前記固定鉄心の前記縮径部の反可動鉄心側に形成される大径部と前記円筒面との間に、前記大径部から前記円筒面に向かって、前記固定鉄心の外径がテーパ状に縮径するテーパ面を有することを特徴とする燃料噴射弁。
  6. 請求項1に記載の燃料噴射弁において、
    前記可動鉄心の前記縮径部は、前記固定鉄心に向かって前記可動鉄心の外径が漸減するテーパ状に形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
  7. 請求項1に記載の燃料噴射弁において、
    前記可動鉄心の前記縮径部は、前記筒状部材の内周面に平行な円筒面を含んで構成されることを特徴とする燃料噴射弁。
  8. 請求項7に記載の燃料噴射弁において、
    前記縮径部は、前記可動鉄心の前記縮径部の反固定鉄心側に形成される大径部と前記円筒面との間に、前記大径部から前記円筒面に向かって、前記可動鉄心の外径がテーパ状に縮径するテーパ面を有することを特徴とする燃料噴射弁。
  9. 請求項1に記載の燃料噴射弁において、
    前記固定鉄心は前記可動鉄心と対向する対向端面の内周縁に形成された面取りを有し、
    前記可動鉄心は前記固定鉄心と対向する対向端面の内周縁に形成された面取りを有し、
    前記固定鉄心の前記縮径部の、燃料噴射弁の中心軸線に沿う方向における長さ寸法は、前記固定鉄心に形成された前記面取り及び前記可動鉄心に形成された前記面取りの、前記中心軸線に沿う方向における長さ寸法よりも大きいことを特徴とする燃料噴射弁。
  10. 請求項9に記載の燃料噴射弁において
    記可動鉄心の前記縮径部は、前記可動子の中心軸線に沿う方向における長さ寸法が、前記固定鉄心に形成された前記面取り及び前記可動鉄心に形成された前記面取りの、前記中心軸線に沿う方向における長さ寸法よりも大きくなるように形成され、
    開弁時において、前記固定鉄心の前記縮径部の反可動鉄心側の端部と、前記可動鉄心の前記縮径部の反固定鉄心側の端部との間の間隔は、前記非磁性部又は弱磁性部の前記燃料噴射弁の前記中心軸線に沿う方向の長さ寸法よりも大きいことを特徴とする燃料噴射弁。
  11. 請求項1に記載の燃料噴射弁において、
    前記固定鉄心は前記可動鉄心と対向する対向端面の内周縁に形成された面取りを有し、
    前記可動鉄心は前記固定鉄心と対向する対向端面の内周縁に形成された面取りを有し、
    前記可動鉄心の前記縮径部の、前記可動子の中心軸線に沿う方向における長さ寸法は、前記固定鉄心に形成された前記面取り及び前記可動鉄心に形成された前記面取りの、前記中心軸線に沿う方向における長さ寸法よりも、大きいことを特徴とする燃料噴射弁。
  12. 請求項11に記載の燃料噴射弁において
    記固定鉄心の前記縮径部は、燃料噴射弁の中心軸線に沿う方向における長さ寸法が、前記固定鉄心に形成された前記面取り及び前記可動鉄心に形成された前記面取りの、前記中心軸線に沿う方向における長さ寸法よりも大きくなるように形成され、
    開弁時において、前記固定鉄心の前記縮径部の反可動鉄心側の端部と、前記可動鉄心の前記縮径部の反固定鉄心側の端部との間の間隔は、前記非磁性部又は弱磁性部の前記燃料噴射弁の前記中心軸線に沿う方向の長さ寸法よりも大きいことを特徴とする燃料噴射弁。
  13. 請求項10又は12に記載の燃料噴射弁において、
    前記筒状部材は、前記非磁性部又は弱磁性部が、前記磁性材で構成された筒状部材とは異なる部材で構成されたことを特徴とする燃料噴射弁。
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