JP6838244B2 - 電磁弁及び高圧燃料供給ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、たとえば電磁石（ソレノイド）の磁力を用いて弁体を動かすことにより流体流路の開閉を行う電磁弁に関し、たとえば、この電磁弁を電磁吸入弁として用いた高圧燃料供給ポンプに関する。

昨今、内燃機関の小型・高出力・高効率化が精力的に進められている。これを受け、高圧燃料供給ポンプには内燃機関への搭載性を向上させるボディの小型化、および高出力・高効率化に対応する吐出燃料の高圧化や可動子の信頼性向上が強く求められている。特に、可動子の信頼性向上は、年々厳しくなる使用環境に対応するため必須の課題となっている。

電磁弁が適用された高圧燃料供給ポンプの一例としてたとえば特許文献１に示すものがある。この特許文献１には、「プランジャロッド付勢ばね内包空間にキャビテーションが発生した場合、内包空間を形成する固定コアの表面がキャビテーションにより壊食されるのを防止するため、固定コアを二分割化しプランジャロッド付勢ばね着座部の部材を固定コアよりも表面硬度の高い硬質のカップ状部材とし、固定コアに圧入し固定した。」と記載されている（要約参照）。

電磁弁の磁性材は一般的な構造用鋼に比べて表面硬度が低いため、衝突部の損傷を抑える方法としては、表面に硬質めっき皮膜もしくは保護部材を設ける構造が考えられる。特許文献２には、燃料噴射弁の電磁弁の可動子とストッパ両方に硬質めっき皮膜を設ける構造が開示されており（特許文献２の図３参照）、特許文献３では、ストッパの衝突面にストッパディスクを設ける構造が開示されている（特許文献３の図２参照）。

特開２０１４−１３６９６６号 特開２０１０−７１１２３号 特許第４４８９９５１号

しかしながら、特許文献２および３の構造では、衝突面に硬質めっき処理を施す、もしくは衝突面に別の保護部材を設けるために、部品点数と工程数が多くなりコストが高くなる。また、磁性材と比較して磁気特性に劣る硬質めっき皮膜や保護部材を、可動子とストッパの間に設けると、磁気吸引力が低下して可動子の応答性が下がるため、これらの硬質めっき皮膜や保護部材は一定以上の厚みにはできず、可動子の使用環境が更に厳しくなった場合に、下地の磁性材の保護が難しくなると考えられる。

本発明は上記の課題に鑑み、磁気吸引力を低下させることなく、可動子の高応答性と高信頼性を両立する低コストの電磁弁と、それを搭載した高圧燃料供給ポンプを提供することを目的とする。

電磁吸引力により吸引される可動部と、前記可動部を吸引する面を有する吸引部と、を備え、前記吸引部と対向する前記可動部の対向面の外周側において可動部側曲面部を形成するとともに、前記可動部と対向する前記吸引部の対向面の外周側において前記可動部側曲面部と対応する位置に前記可動部側曲面部と同じ向きに傾斜する吸引部側曲面部を形成し、前記可動部は、前記可動部側曲面部の傾斜開始部から内周側が前記吸引部に吸引される面となる平面部で形成され、前記吸引部は、前記吸引部側曲面部の傾斜開始部から内周側が前記可動部を吸引する面となる平面部で形成され、前記可動部側の平面部が前記吸引部側の平面部に対して傾斜した状態で吸引された場合に前記可動部側曲面部と前記吸引部側曲面部が衝突する。

以上のように構成した本発明によれば、磁気吸引力を低下させることなく、可動子の高応答性と高信頼性を両立する低コストの電磁弁と、それを搭載した高圧燃料供給ポンプを提供することが可能である。

本発明のその他の構成、作用、効果については以下の実施例において詳細に説明する。

電磁弁衝突部周辺の断面図の一例を示す図である。 高圧燃料供給ポンプ全体のシステム概略図である。 高圧燃料供給ポンプを正面から見た断面図である。 高圧燃料供給ポンプの電磁弁の可動子の衝突の説明図である。 本発明の第一実施例における電磁吸入弁の詳細な断面図である。 本発明の第一実施例の効果を示す応力解析結果である。 本発明の第一実施例の変形例における電磁吸入弁の詳細な断面図である。 本発明の第一実施例の変形例における電磁吸入弁の詳細な断面図である。 本発明の第二実施例における電磁吸入弁の詳細な断面図である。 本発明の第三実施例における電磁吸入弁の詳細な断面図である。

本発明はたとえば電磁石（ソレノイド）の磁力を用いて弁体を動かすことにより流体流路の開閉を行う弁機構に関する。本実施例では、この弁機構を電磁吸入弁として用いた高圧燃料供給ポンプを一例として説明する。それ以外にも本発明の弁機構は燃料噴射弁（インジェクタ）に用いることも可能であるし、あるいは電磁弁に限らず、高圧燃料供給ポンプのリリーフ弁に採用しても良い。

以下、図１〜図５を用いて、本発明の第一実施例を説明する。

まず図１に電磁石（ソレノイド）の磁力を用いて弁体を動かすことにより流体流路の開閉を行う弁機構の一例として、図１に高圧燃料供給ポンプにおける電磁弁の断面図を示す。高圧燃料供給ポンプは電磁石と、弁体と、磁性材からなる可動子とストッパの他に、第一のばねと第二のばね、および可動子に直結されたロッド部（可動子とロッド部は同一の運動をするため、可動部と記す）を有する。第一のばねは、図１右方向の力を、第二のばねは図１左方向の力を、弁体に与えており、ばね力は第一のばねの方が第二のばねより強い。電磁石が非通電の状態では、第一のばねのばね力により、ロッド部を介して、弁体は開弁方向に押圧され、燃料が吸入通路から加圧室方向へ流れる。

電磁石が強く通電されると、図１に示す磁気回路が形成され、可動子に、第二のばね力と同じ方向の磁気吸引力が働き、第一のばねに抗して可動子およびロッド部が移動するため、第二のばねのばね力により、弁体は閉弁方向（図１の左方向）に押圧される。ポンプの動作周期に合わせて可動子の動作を制御することで、弁体の開閉弁タイミングを変化させている。

高圧燃料供給ポンプでは特に、弁部を通過する流量が大きいために可動子のストロークが大きく、また、小型化やコスト低減の観点から最小限のガイド部しか設けることができないため、可動子が傾いて、図１に示すように可動子の外周部が片当たりでストッパの平坦部と衝突する。衝突部に過大な応力が発生することを抑えるため、可動子外周部には曲面が形成されている。

ここで上記の特許文献２又は３に示すような衝突部の強度を向上させる以外に、衝突部の信頼性を向上する方法として、可動部の角部を、図１の破線で示すような大きな曲率半径にすることで、片当たりした際にも過大な応力の発生を防止する方法が考えられる。しかしながらこの方法では、大きなＲ形状を設けると、可動部の磁気吸引面積が減少して、可動子の応答性が下がるため、十分に大きなＲ形状を確保することが難しい。

そこで本実施例においては、磁気吸引力を低下させることなく、可動子が傾いて衝突した際の応力を低減可能な衝突部形状とすることで、可動子の高応答性と高信頼性を両立する低コストの電磁弁と、それを搭載した高圧燃料供給ポンプを提供することを目的とする。
まず図２の全体概略図を用いてシステムの構成と動作を説明する。図２は高圧燃料供給ポンプの全体の構成を模式的に表した図である。

破線で囲まれた部分が高圧燃料供給ポンプ本体を示し、この破線の中に示されている機構、部品は高圧燃料供給ポンプ本体１に一体に組み込まれていることを示す。燃料タンク２０の燃料はフィードポンプ２１によって汲み上げられ、吸入配管２８を通してポンプ本体１の吸入ジョイント１０ａに送られる。吸入ジョイント１０ａを通過した燃料は圧力脈動低減機構９、吸入通路１０ｂを介して容量可変機構を構成する電磁吸入弁３０の吸入ポート３０ａに至る。

電磁吸入弁３０は電磁コイル３０ｂを備え、この電磁コイル３０ｂが通電されていない状態では可動子３４が図２の右方に移動した状態で、ばね３３が圧縮されていない状態である。可動子３４の先端に取り付けられた吸入弁体３１が高圧ポンプの加圧室１１につながる吸入口３２を開いている。このばね３３の付勢力により、吸入弁体３１は開弁方向に付勢され吸入口３２は開いた状態となっている。

具体的には以下のように動作する。

後述するカム５の回転により、プランジャ２が図２の下方に変位して吸入工程状態にある時は、加圧室１１の容積は増加し加圧室１１内の燃料圧力が低下する。この工程で加圧室１１内の燃料圧力が吸入通路１０ｂ（吸入ポート３０ａ）の圧力よりも低くなり、吸入ポート３０ａから吸入口３２を通り燃料が加圧室１１内に流れ込む。

プランジャ２が吸入工程を終了し、圧縮工程（図２の上方へ移動する状態）に移る時、
依然として吸入弁体３１は開弁したままである。加圧室１１の容積は、プランジャ２の圧縮運動に伴い減少するが、この状態では、一度加圧室１１に吸入された燃料が、再び開弁状態の吸入弁体３１を通して吸入通路１０ｂ（吸入ポート３０ａ）へと戻されるので、加圧室の圧力が上昇することは無い。この工程を戻し工程と称す。この状態にて、エンジンコントロールユニット２７（以下ＥＣＵと称す）からの制御信号が電磁吸入弁３０に印加されると電磁吸入弁３０の電磁コイル３０ｂには電流が流れ、磁気吸引力により可動子３４が図２の左に移動し、ばね３３が圧縮される。その結果、吸入弁体３１も図２の左に移動し、吸入口３２が閉じられる。

吸入口３２が閉じるとこのときから加圧室１１の燃料圧力はプランジャ２の上昇運動と共に上昇する。そして、燃料吐出口１２の圧力以上になると、吐出弁機構８を介して加圧室１１に残っている燃料の高圧吐出が行われ、コモンレール２３へと供給される。この工程を吐出工程と称す。すなわち、プランジャ２の圧縮工程（下死点から上死点までの間の上昇工程）は、戻し工程と吐出工程からなる。この状態で、ＥＣＵ２７からの制御信号を解除して、電磁コイル３０ｂへの通電を断つと、可動子３４に働いている磁気吸引力は一定の時間後（磁気的、機械的遅れ時間後）に消去される。可動子３４にはばね３３による付勢力が働いているので、図２の右方向に移動しようとする。しかし、プランジャ２の圧縮行程中は加圧室１１内の圧力が高く、その圧力によって吸入弁体３１は閉弁状態が維持される。そのため可動子３４はＥＣＵ２７からの制御信号が解除された後でも、プランジャ２の圧縮行程中は図２の左に移動した状態が維持される。
プランジャ２の圧縮行程が終了し再び吸入行程が開始すると、加圧室１１内の圧力が下がり吸入弁体３１は図２の右に移動し吸入口３２が開かれる。これに伴い可動子３４も図２の右に移動する。

電磁吸入弁３０の電磁コイル３０ｂへの通電を開始するタイミングを制御することで、吐出される高圧燃料の量を制御することができる。電磁コイルへ３０ｂへの通電を開始するタイミングを早くすれば、圧縮工程中の戻し工程の割合が小さく、吐出工程の割合が大きい。すなわち、吸入通路１０ｂ（吸入ポート３０ａ）に戻される燃料が少なく、高圧吐出される燃料は多くなる。一方、入力電圧を開始するタイミングを遅くすれば、圧縮工程中の、戻し工程の割合が大きく、吐出工程の割合が小さい。すなわち、吸入通路１０ｂに戻される燃料が多く、高圧吐出される燃料は少なくなる。電磁コイルへ３０ｂへの通電を解除するタイミングは、ＥＣＵからの指令によって制御される。

以上のように構成することで、電磁コイルへ３０ｂへの通電を解除するタイミングを制
御することで、高圧吐出される燃料の量を内燃機関が必要とする量に制御することが出来
る。

加圧室１１の出口には吐出弁機構８が設けられている。吐出弁機構８は吐出弁シート８ａ、吐出弁８ｂ、吐出弁ばね８ｃを備え、加圧室１１と燃料吐出口１２に燃料差圧が無い状態では、吐出弁８ｂは吐出弁ばね８ｃによる付勢力で吐出弁シート８ａに圧着され閉弁状態となっている。加圧室１１の燃料圧力が、燃料吐出口１２の燃料圧力よりも大きくなった時に始めて、吐出弁８ｂは吐出弁ばね８ｃに逆らって開弁し、加圧室１１内の燃料は燃料吐出口１２を経てコモンレール２３へと高圧吐出される。

かくして、燃料吸入口１０ａに導かれた燃料はポンプ本体１の加圧室１１にてプランジャ２の往復動によって必要な量が高圧に加圧され、燃料吐出口１２からコモンレール２３に圧送される。

コモンレール２３には、インジェクタ２４、圧力センサ２６が装着されている。インジェクタ２４は、内燃機関の気筒数に合わせて装着されており、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２７の制御信号にてしたがって開閉弁して、燃料をシリンダ内に噴射する。

ポンプ本体１にはさらに、吐出弁８ｂの下流側と加圧室１１とを連通するリリーフ通路１００Ａが吐出流路とは別に吐出弁をバイパスして設けられている。リリーフ通路１００Ａには燃料の流れを吐出流路から加圧室１１への一方向のみに制限するリリーフ弁１０２が設けられている。リリーフ弁１０２は、押付力を発生するリリーフばね１０４によりリリーフ弁シート１０１に押付けられており、加圧室内とリリーフ通路内との間の圧力差が規定の圧力以上になるとリリーフ弁１０２がリリーフ弁シート１０１から離れ、開弁するように設定している。

インジェクタ２４の故障等によりコモンレール２３等に異常高圧が発生した場合、リリーフ通路１００Ａと加圧室１１の差圧がリリーフ弁１０２の開弁圧力以上になると、リリーフ弁１０２が開弁し、異常高圧となった燃料はリリーフ通路１００Ａから加圧室１１へと戻され、コモンレール２３等の高圧部配管が保護される。

以下に高圧燃料ポンプの構成、動作を図３を用いてさらに詳しく説明する。図３は高圧燃料供給ポンプの正面から見た断面図である。

ポンプ本体には中心に加圧室１１が形成されており、さらに加圧室１１に燃料を供給するための電磁吸入弁３０と加圧室１１から吐出通路に燃料を吐出するための吐出弁機構が設けられている。

プランジャ２の進退運動をガイドするシリンダ６が加圧室１１に臨むようにして取り付けられている。シリンダ６は外周がシリンダホルダ７で保持され、ポンプ本体１に固定される。シリンダ６は加圧室内で進退運動するプランジャ２をその進退運動方向に沿って摺動可能に保持する。

プランジャ２の下端には、エンジンのカムシャフトに取り付けられたカム５の回転運動を上下運動に変換し、プランジャ２に伝達するタペット３が設けられている。これによりカム５の回転運動に伴い、プランジャ２を上下に進退（往復）運動させることができる。ダンパカバー１４には、ポンプ内で発生した圧力脈動が燃料配管２８へ波及するのを低減させる圧力脈動低減機構９が設置されている。

圧力脈動低減機構９を通った燃料は吸入通路１０ｂ、吸入ポート３０ａの順に吸入口３２を通って加圧室１１内へ流れる。先述の通り、電磁吸入弁３０は電磁コイル３０ｂを備え、この電磁コイル３０ｂが通電されていない状態では、磁性材料からなる可動子３４が図３の右方に移動した状態で、ばね３３が圧縮されていない状態である。可動子３４に直結したロッド部３４ａの先端に取り付けられた吸入弁体３１が高圧ポンプの加圧室１１につながる吸入口３２を開いている。このばね３３の付勢力により、吸入弁体３１は開弁方向に付勢され吸入口３２は開いた状態となっている。

プランジャ２の圧縮期間中に制御信号が電磁吸入弁３０に印加されると電磁吸入弁３０の電磁コイル３０ｂには電流が流れ、磁気吸引力により可動子３４が図３の左に移動し、ばね３３が圧縮される。この時可動子３４は磁性材料からなるストッパ３５まで移動する。可動子３４が移動すると、それに伴いロッド部３４ａも図３の左に移動するため、ばね３３の付勢力が吸入弁体３１にはたらかなくなり、吸入弁体３１は、ばね３７の付勢力により図３の左に移動する。吸入口３２が開いた状態では、可動子３４とストッパ３５の間隔が、吸入弁体３１と吸入口３２の間隔よりも長い。そのため、可動子３４がストッパ３５に吸引されることにより、吸入弁体３１がばね３６の付勢力により吸入口３２に接触した後も、ばね３３からの付勢力は吸入弁体３１にはたらかず、吸入口３２が閉じた状態が維持される。ＥＣＵ２７からの制御信号を解除して、電磁コイル３０ｂへの通電を断つと、可動子３４に働いている磁気吸引力は一定の時間後（磁気的、機械的遅れ時間後）に消去される。可動子３４にはばね３３による付勢力が働いているので、図３の右方向に移動しようとする。しかし、プランジャ２の圧縮行程中は加圧室１１内の圧力が高く、その圧力によって吸入弁体３１は閉弁状態が維持される。そのため可動子３４はＥＣＵ２７からの制御信号が解除された後でも、プランジャ２の圧縮行程中は図３の左に移動した状態が維持される。プランジャ２の圧縮行程が終了し再び吸入行程が開始すると、加圧室１１内の圧力が下がり吸入弁体３１は図３の右に移動し吸入口３２が開かれる。これに伴い可動子３４も図３の右に移動する。

以下に図４を用いて、可動子３４がストッパ３５に対して片当たりするメカニズムを説明する。なお、図４では、メカニズムを分かりやすくするため、クリアランスを誇張して書く等をしているため、説明に用いない部材、たとえばばね３３などは図示していない。可動部（可動子３４およびロッド部３４ａ）の図４の左方向への移動を許すため、ガイド部３８とロッド部３４ａにはクリアランスが設けられている。ロッド部３４ａの直径をΦ_１、ガイド部３８の孔の直径をΦ_２とすると、クリアランスはΦ_２−Φ_１で与えられる。電磁コイル３０ｂが通電して磁気回路が形成されると、可動子３４には、ストッパ３５からだけでなく、電磁コイル３０ｂから、図４の上もしくは下方向の磁気力も受ける。可動子３４の側面の２つの電磁コイル３０ｂからの磁気力の偏りが厳密に０であることはないので、磁気力の強い方向に可動子３４は若干引かれる。磁気力の強い方向へ近づくと、２つの電磁コイル３０ｂからの磁気力の偏りはさらに増大する。これの繰り返しにより、図４に示すように、ロッド部３４ａがガイド部３８に支持されるまで、可動子３４は一方向に動き続け、ストッパ３５に対して傾きが発生する。ガイド部３８の長さをＬとすると、傾き角θは、概ねｔａｎθ＝（Φ_２−Φ_１）／Ｌで与えられる。よって、傾き角θを小さくして片当たりを弱くし、衝突時の応力を低減するには、クリアランスΦ_２−Φ_１を小さくするか、ガイド部３８の長さＬを長くすることが有効である。しかしながら、クリアランスを小さくするには寸法精度を上げる必要があるためコストの増大を招き、また、ガイド部長さを長くすると、電磁弁のサイズ増大を招くため、小型化やコスト低減の観点から、傾き角θを小さくすることは難しい。

以下に図５を用いて、本発明の第一の実施例について説明する。電磁コイル３０ｂに通電することにより磁気回路を形成し、可動子３４をストッパ３５に吸引して、吸入弁体３１を閉弁方向に移動させる動作原理および、衝突の際に可動子３４がストッパ３５に対して傾いて、可動子３４の外周側で衝突することは、前述の通りであるので、詳細は割愛する。

図５（Ａ）に開弁時の可動子近傍の拡大図を示す。可動子３４には、ガイド部３８の孔の中央を通る電磁弁３０の中心軸に近い、中央側の側面３４ｂと、外周部側の側面３４ｃが形成されている。ストッパと対向する可動子３４の対向面には、磁気吸引面となる平坦部３４ｄが形成され、外周側において曲面部３４ｆが形成される。平坦部３４ｄと曲面部３４ｆの接続部を傾斜開始部３４ｅと定義する。可動子３４と対向するストッパ３５の対向面には、磁気吸引面となる平坦部３５ｄが形成され、外周側において曲面部３５ｆが形成される。平坦部３５ｄと曲面部３５ｆの接続部を傾斜開始部３５ｅと定義する。ここで、ストッパ側の曲面部３５ｆは、可動子側の曲面部３４ｆと対応する位置に形成され、かつ、可動子側の曲面部３４ｆと同じ向きに傾斜している。

図５（Ｂ）に閉弁時の衝突部近傍の拡大図を示す。可動子３４はストッパ３５に対して傾斜して外周側の曲面部３４ｆで片当たりをする。本実施例においては、可動子側の曲面部３４ｆに対応する位置に、ストッパ側の曲面部３５ｆを設けており、かつストッパ側の曲面部３５ｆの傾斜方向は、可動子側の曲面部３４ｆと同じ向きであるため、衝突面が凸状の曲面と凹状の曲面の組み合わせとなる。一方、従来の電磁弁は図１に示すように、ストッパの平坦部と可動子の曲面部が衝突しているため、衝突面が凸状の曲面と平坦面の組み合わせとなる。そのため、本実施例は、従来の電磁弁と比較して、衝突部接触面積を増大し、衝突力を分散させることができるため、可動子３４の形状を変更せずに、衝突部の応力を低減できる。また、本実施例では、ストッパ３５の外周側曲面３５ｆは、可動子３４の曲面部３４ｆと同じ向きに傾斜しているため、可動子３４とストッパ３５の間のギャップを、対向面全域において小さく抑えることが可能となり、磁気吸引力の低下を防止でき、可動子３４の応答性が確保される。

次に、本実施例における曲面部３４ｆと３５ｆが満たすべき条件について説明する。

図５においては、可動子３４は、外周部側面の３９との摺動をさけるため一定以上の大きさにはできない。磁気吸引力を確保するためにはストッパ３５を大きくする必要があるため、図５（Ａ）に示すように、ストッパ３５の外周面３５ｃの直径は、可動子３４の外周面３４ｃの直径よりも大きくしている。また、図５（Ｂ）に示すように、可動子３４はストッパ３５に対して傾いて、外周側で衝突する。よって、本実施例においては、可動子３４の曲面部３４ｆとストッパ３５の曲面部３５ｆを衝突させるため、図５（Ｂ）に示すように、可動子側の曲面部３４ｆは、中央側３４ｂから外周側３４ｃに向かって、ストッパ３５から可動子３４への方向に傾斜するように形成し、ストッパ３５の曲面部３５ｆも、中央側３５ｂから外周側３５ｃに向かって、ストッパ３５から可動子３４への方向に傾斜するように形成し、可動子３４の曲面部３４ｆの衝突部近傍の曲率半径は、ストッパ３５の曲面部３５ｆの衝突部近傍の曲率半径より小さくしている。

図５の変形例として、ストッパ３５の外周面３５ｃの直径を、可動子３４の外周面３４ｃの直径よりも小さくすることも考えられる。この場合は、可動子側の曲面部３４ｆは、中央側３４ｂから外周側３４ｃに向かって、可動子３４からストッパ３５への方向に傾斜するように形成し、ストッパ３５の曲面部３５ｆも、中央側３５ｂから外周側３５ｃに向かって可動子３４からストッパ３５への方向に傾斜するように形成し、可動子３４の曲面部３４ｆの衝突部近傍の曲率半径を、ストッパ３５の曲面部３５ｆの衝突部近傍の曲率半径より大きくとれば、可動子３４の曲面部３４ｆとストッパ３５の曲面部３５ｆを衝突させ、応力を低減できる。しかしこの場合は磁気吸引力が図５に示す実施例１と比較して下がるため、図５に示すように、ストッパ３５の対向面の外周側端部３５ｃは、可動子３４の対向面の外周側端部３４ｃよりも外周側に位置するように、ストッパ３５及び可動子３４が配置されることが望ましい。

可動子３４とロッド部３４ａは、ガイド部３８の孔の中央を通る電磁弁３０の中心軸周りに回転することが可能であり、衝突部は可動子３４とストッパ３５の対向面の全周にわたるため、ストッパ３５の曲面部３５ｆは、可動子３４との対向面の外周部の全域に渡って形成されるとともに、可動子３４の曲面部３４ｆは、ストッパ３５との対向面の外周部の全域に渡って形成されることが望ましい。

電磁弁の制御性の観点から、可動子３４の磁気吸引力を大きくして応答性を高めると同時に、可動子３４のストローク量を一定とする必要がある。磁気吸引力向上には、可動子３４の移動中、可動子３４とストッパ３５の間隔（図５（Ａ）のｘ）が、対向面全域で短いことが必要であるので、図５（Ａ）に示すように、可動子３４の傾斜開始部３４ｅよりも内周側には、内周側側面３４ｂまで、平面部３４ｄが形成され、ストッパ３５の傾斜開始部３５ｅよりも内周側には、内周側側面３５ｂまで、平面部が形成されることが望ましい（ただし、図５（Ａ）に示すように、平面部３４ｄもしくは３５ｄから、内周側側面３４ｂもしくは３５ｂまでの接続部において、面取りの目的でのＲ部を作成することは認めるものとする）。このような平面部３４ｄもしくは３５ｄを設けることにより、ストローク（図５（Ａ）のｘ＋ｙ）も安定する。

本実施例の効果を応力解析により検証した。一例として、図６（Ａ）に、可動子３４の曲面部３４ｆの曲率半径Ｒ_ｍに対し、ストッパ３５の曲面部３５ｆの曲率半径Ｒ_ｓを（４／３）Ｒ_ｍとした本実施例の構造の衝突応力と、従来構造（ストッパ３５の衝突面が平坦）での衝突応力を示す。衝突応力は、従来構造の衝突応力により規格化している。図６（Ａ）より、本実施例では、衝突応力を従来構造の約５割に低減できることが確認できる。本発明者らは、衝突解析により、衝突部の応力がＨｅｒｔｚの線接触に類似した応力分布となることを見出した。Ｈｅｒｔｚの線接触理論によると、接触面の有効曲率半径をＲ_ｅｆｆとし、荷重を一定とした場合、接触応力は（１／Ｒ_ｅｆｆ）^１／２となることが知られている。本実施例の場合、有効曲率半径は１／Ｒ_ｅｆｆ＝１／Ｒ_ｍ−１／Ｒ_ｓとなる。よって、衝撃力が一定と仮定すると、ストッパ３５の衝突面が平坦な従来構造の衝突応力は（１／Ｒ_ｍ）^１／２に、本実施例では（１／Ｒ_ｅｆｆ）^１／２に比例する。図６（Ａ）の例では、Ｒ_ｅｆｆ＝４Ｒ_ｍとなるので、本実施例の構造は従来構造と比較して（１／４）^１／２＝０．５となったと理解できる。

図６（Ｂ）に、可動子３４の曲面部３４ｆの曲率半径Ｒ_ｍを一定に保ちながら、曲面部３５ｆの曲率半径Ｒ_ｓを変化させた場合の、衝突部の応力の変化を示す。グラフの下の横軸は、曲率半径Ｒ_ｍと曲率半径Ｒ_ｓの比Ｒ_ｍ／Ｒ_ｓであり、グラフ上の横軸は、曲率半径Ｒ_ｓの実際の値である。なお衝突応力は、従来構造（衝突部曲率半径がＲ_ｍ）の衝突応力により規格化している。また、図６（Ｂ）に、本実施例のＲ_ｓと等しい衝突面の曲率半径を有する従来構造の衝突応力も示す。図６（Ｂ）より、曲面部３４ｆの曲率半径Ｒ_ｍ、曲面部３５ｆの曲率半径Ｒ_ｓが２Ｒ_ｍの場合は、従来構造において、曲面部３４ｆの曲率半径を２Ｒ_ｍ、衝突面は平坦とした場合と効果が変わらないことが分かる。このことは、（１／Ｒ_ｍ）^１／２＝（１／Ｒ_ｅｆｆ）^１／２を満たす解が、Ｒ_ｓ＝２Ｒ_ｍとなることからも理解できる。

以上の結果から、ストッパ３５の曲面部３５ｆの曲率半径Ｒ_ｓが２Ｒ_ｍ以上と、ストッパ３５と可動子３４の曲率半径の差が大きい場合は、接触面を十分大きくできないため、単純に従来構造で曲率半径を大きくした方が応力的にもコスト的にも優位となる（ただし、磁気吸引力は低下する）。よって、本実施例のストッパ側の曲面部３５ｆの曲率半径は、Ｒ_ｍ＜Ｒ_ｓ＜２Ｒ_ｍとすることが望ましい。

このように、本実施例ではストッパ３５の曲率半径Ｒ_ｓを適切に選定することにより、可動子３４の曲率半径Ｒ_ｍとストッパ３５の曲率半径Ｒ_ｓを、それぞれ小さく抑えつつ、応力の大幅な低減が可能となる。これにより、可動子３４とストッパ３５の材料は、従来構造と同様、表面硬度Ｈｖ２００程度の磁性系ステンレスを使用しながら、衝突面の硬質めっき処理を不要（メッキレス）とすることが可能となる。以上のことから、本発明の第一の実施例によると、可動子３４の衝突応力を大幅に低減できるため、衝突面の硬質めっき処理等が不要となり、低コストで信頼性の高い電磁弁を提供できる。

本実施例は、図５に示すような、可動子３４の最外周部で衝突が起きる構造だけに限定されず、たとえば図７に示すような、可動子３４の内周側で衝突が起きる構造（例えば、可動子の傾きが小さいインジェクタの可動子）に対しても適用可能である。また、可動子３４の内周側と外周側それぞれに曲面部を設け、それに応じてストッパにも曲面部を設けることも可能である。この場合、傾き角が一定とならず、外周側でも内周側でも衝突が起こる構造でも、衝突応力を低減できる。

また、本実施例は、図５に示すような、磁性材の可動子３４とストッパ３５の衝突だけに限定されず、例えば、図８に示すように、可動部（ロッド部３４ａに設けられた非磁性材のフランジ３９）が、フランジ３９と対向するガイド部のストッパ面３８ａで起きるような構造に対しても、もちろん適用可能である。

以上のように本実施例においては、衝突部となる可動部の外周側に曲面部を形成するとともに、可動部と対向するストッパの対向面の外周側においても、可動部側曲面部と対応する位置に可動部側曲面部と同じ向きに傾斜するストッパ側曲面部を形成することにより、衝突面が凸状の曲面と凹状の曲面の組み合わせとなるため接触面積が増大し、衝突力を分散させることができるため、衝突部の応力が低減する。

また、可動部とストッパの曲面部の曲率半径を適切に組み合わせることにより、それぞれのＲ形状は小さく抑えつつも、衝突面の有効的な曲率半径を大きくして応力を下げることが可能なので、磁気吸引面積の減少を抑制して、可動部の応答性を確保できる。また、衝突応力を下げることにより、磁性材同士を特別な表面処理もしくは保護材なしで衝突させることが可能になるため、コストを下げることができる。

総じて、本実施例の構成を用いれば、可動子の高応答性と高信頼性を両立する低コストの電磁弁と、それを搭載した高圧燃料供給ポンプを実現することができる。

図９に本発明の第二の実施例を示す。第一の実施例との相違は、可動子３４の曲面部３４ｆの傾斜開始部３４ｅは、ストッパ３５の曲面部３５ｆの傾斜開始部３５ｅよりも外周側に位置することである。電磁弁の動作原理は、第一の実施例と同一であるので、詳細は割愛する。

図４で示すように、高圧燃料供給ポンプの電磁弁では、可動子３４は、片側の電磁コイル３０ｂへ引き寄せられ、傾きながらストッパ３５に衝突する。そのため、図９に示すように、可動子３４がストッパ３５に吸引される際に、曲面部３４ｆは、開弁時よりも電磁弁中央寄りへ回転移動する。よって、可動子３４の曲面部３４ｆの傾斜開始部３４ｅを、ストッパ３５の曲面部３５ｆの傾斜開始部３５ｅよりも外周側に配置することにより、可動子３４が移動中に傾いて、曲面部３４ｆが回転移動した後も、確実に可動子３４の曲面部３４ｆを、ストッパ３５の曲面部３５ｆと衝突させることが可能となる。よって、本発明の第二の実施例によると、可動子３４が傾いた場合でも確実にストッパ３５の曲面部にさせて可動子３４の衝突応力を低減できるため、ガイド部３８を最小限にでき、小型で信頼性の高い電磁弁を提供できる。

図１０に本発明の第三の実施例を示す。本実施例においては、可動子３４とロッド部３４ａを分離した構造となっている。可動子３４には、一体成型もしくは圧入により、中継部材４０が固定されている。中継部材４０のフック部４０ａにより、ロッドのフランジ３４ｇをフックすることにより、電磁コイルが通電されて可動子３４が図１０の左側に移動する際に、ロッド部も左へ移動する。可動子３４とストッパ３５の衝突時には、ロッド部３４ａは慣性により図面左方向へ移動を続ける。よって、衝突にロッド部が寄与しない分、可動部の運動量が低減するので、衝突音を小さくすることが可能である。

本構造では、ロッド部３４ａとガイド部３８のクリアランスに加え、中継部材４０のガイド部４０ｂとロッド部３６のクリアランスもあるので、可動子３４とロッド部３８が一体となっている構造と比較して、回転子３４の傾き角度が大きくなるため、従来構造の場合、片当たりの際の衝突応力が増大する。一方、本実施例では衝突面が、曲面部３４ｆと曲面部３５ｆの組み合わせとなるため、傾き角が大きくなった場合でも、接触面積の変化が小さいため、応力の増大を抑えることが可能である。よって、本発明の第三の実施例によると、衝突音が小さく、かつ可動子３４の信頼性が高い電磁弁を提供できる。

中継部材４０が可動子３４と同一材料の場合は、可動子３４と中継部材４０を一括で形成できるため製造コストが抑えられる。一方、中継部材４０を可動子３４と異種材料とした場合、中継部材４０に可動子３４よりも高強度の鋼材を使用することにより、中継部材のガイド部４０ｂとロッド部３４ａ間の摺動による摩耗や、中継部材のフランジ３４ｇとロッド部３４ａ間の衝突に対する強度を向上できる。中継部材４０と可動子３４と同一材料で成形する場合は、中継部材のガイド部４０ｂとロッド部３４ａ間の摺動による摩耗防止のためにも、Ｈｖ３５０以上の磁性ステンレスを使用することが望ましい。

可動子３４とストッパ３５が衝突した際には、ロッド部３４ａは慣性により移動を続けるが、最終的にはばね３３の付勢力により図１０の右方向へ戻ってくるため、電磁コイルに通電して可動子３４をストッパ３５に吸引し続けると、中継部材４０のフック部４０ａとロッド部３４ａのフランジ３４ｇが衝突を起こすが、もちろん、本発明を、ロッド部３４ａのフランジ３４ｇと中継部材４０のフック部４０ａの衝突面に適用して、衝突に対する信頼性を向上させることも可能である。

１ 高圧燃料供給ポンプ本体
２ プランジャ
３ タペット
１１ 加圧室
１２ 燃料吐出口
８ 吐出弁機構
２３ コモンレール
２０ 燃料ランク
２１ フィードポンプ
２８ 吸入配管
１０ａ 吸入ジョイント
９ 圧力脈動低減機構
１０ｂ 吸入通路
３０ 電磁吸入弁
１０２ リリーフ弁
３０ａ 吸入ポート
３０ｂ 電磁コイル
３１ 吸入弁体
３２ 吸入口
３３ ばね
３４ 可動子
３４ａ ロッド部
３５ ストッパ

Claims (5)

1. 電磁吸引力により吸引される可動部と、
   前記可動部を吸引する面を有する吸引部と、を備え、
   前記吸引部と対向する前記可動部の対向面の外周側において可動部側曲面部が形成されるとともに、
   前記可動部と対向する前記吸引部の対向面の外周側において前記可動部側曲面部と対応する位置に前記可動部側曲面部と同じ向きに傾斜する吸引部側曲面部が形成され、
   前記可動部は、前記可動部側曲面部の傾斜開始部から内周側が前記吸引部に吸引される面となる平面部で形成され、
   前記吸引部は、前記吸引部側曲面部の傾斜開始部から内周側が前記可動部を吸引する面となる平面部で形成され、
   前記可動部側曲面部の傾斜開始部は、前記吸引部側曲面部の傾斜開始部よりも外周側に位置し、
   前記吸引部の対向面の外周側端部は、前記可動部の対向面の外周側端部よりも外周側に位置し、
   前記可動部側の平面部が前記吸引部側の平面部に対して傾斜した状態で吸引された場合に前記可動部側曲面部と前記吸引部側曲面部が衝突することを特徴とする電磁弁。
2. 請求項１に記載の電磁弁において、
   前記可動部側曲面部は、外周側に向かって前記吸引部から前記可動部への方向に傾斜するように形成され、
   前記吸引部側曲面部は、外周側に向かって前記吸引部から前記可動部への方向に傾斜するように形成されることを特徴とする電磁弁。
3. 請求項１に記載の電磁弁において、
   前記可動部側曲面部の曲率半径は、前記吸引部側曲面部の曲率半径より小さく、前記吸引部側曲面部の曲率半径の１／２より大きいことを特徴とする電磁弁。
4. 加圧室と、加圧室の吸入側に配置される電磁吸入弁と、加圧室の吐出側に形成される吐出弁と、を備えた高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記吸入弁に請求項１から３のいずれか一項に記載の電磁弁を用いたことを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
5. 請求項４に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記電磁弁は、弁体と、前記弁体を前記加圧室の側に向かって押すロッド部と、を備え、
   前記可動子は、前記ロッド部とは別体で独立して動くように構成され、電磁吸引力が作用した場合に前記ロッド部と連動して吸引されることを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。

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