WO2017163574A1 - 燃料噴射装置 - Google Patents

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WO2017163574A1
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injection device
mover
magnetic
sectional area
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貴敏 飯塚
清隆 小倉
威生 三宅
真士 菅谷
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Hitachi Automotive Systems Ltd
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    • F02M2200/08—Fuel-injection apparatus having special means for influencing magnetic flux, e.g. for shielding or guiding magnetic flux

Definitions

  • the present invention relates to a fuel injection device used for an internal combustion engine, and more particularly to a fuel injection device that performs fuel injection by opening and closing a fuel passage by an electromagnetically driven mover.
  • JP 2012-188977 as a background art in this technical field.
  • a magnetic aperture whose inner diameter gradually increases toward the mover is provided on the inner circumferential surface of the magnetic core, so that the magnetism at the time of valve opening from when current is supplied to the electromagnetic coil until magnetic flux rises is provided. Delay time and the magnetic delay time when the valve is closed from when the current supply to the electromagnetic coil stops until the magnetic flux rises. It states that it can be improved (see summary).
  • the fuel injection device When the fuel injection device is attached to a common rail filled with high pressure fuel, for example, in the case of the fuel injection device described in Patent Document 1, the direction in which the high fuel pressure closes the valve element that opens and closes the flow path. Act on.
  • This fuel injection device generates a magnetic flux in a magnetic gap between the magnetic core and the mover by flowing an electric current through the electromagnetic coil, and thereby attracts the mover to the magnetic core by generating an electromagnetic attractive force.
  • the electromagnetic attracting force generated by flowing the same current to the electromagnetic coil as before can not attract the mover to the magnetic core and can open the valve. There is a possibility that it cannot be done.
  • the electromagnetic attraction force is small, the valve opening speed of the valve body is slow, and there is a possibility that the desired minute fuel cannot be injected.
  • an object of the present invention is to provide a fuel injection device that makes the electromagnetic attractive force generated in the magnetic gap between the magnetic core and the mover equal to or greater than a desired value.
  • the present invention provides a fuel injection device including a mover attracted by a magnetic core and a housing facing the mover in a direction orthogonal to the axial direction.
  • the movable element is configured such that the length in the direction is 1.25 to 1.46 times the length in the axial direction of the housing.
  • FIG. 1 shows a basic configuration of a fuel injection device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 2 and 3 are partial enlarged views of the periphery of the drive unit structure of FIG. 1
  • FIG. 4 is an enlarged view of one side of the periphery of the drive unit structure
  • FIG. 5 is an enlarged view of the junction in the magnetic circuit.
  • valve element 114 is urged in the valve closing direction by the spring 110, and when the energization of the electromagnetic coil 105 is OFF, the fuel passage is closed and the energization of the electromagnetic coil 105 is turned ON. Then, the mover 102 is driven by electromagnetic attractive force to open the fuel passage and perform fuel injection.
  • the magnetic core 107, the mover 102, the nozzle holder 101, and the housing 103 constitute a magnetic path.
  • a throttle portion 213 is formed in a portion corresponding to the gap between the mover 102 and the magnetic core 107 of the nozzle holder 101.
  • the electromagnetic coil 105 is attached to the outer peripheral side of the nozzle holder 101 while being wound around the bobbin 104, and maintains insulation by the resin molded body 121.
  • the nozzle holder 101 includes a small-diameter cylindrical portion 22 having a small diameter and a large-diameter cylindrical portion 23 having a large diameter.
  • a guide member 115 and an orifice cup 116 provided with the fuel injection port 10 are inserted and provided inside the distal end portion of the small diameter cylindrical portion 22.
  • the guide member 115 is provided inside the orifice cup 116, and is fixed to the orifice cup 116 by press-fitting or plastic bonding, or has an integral structure with the orifice cup.
  • the orifice cup 116 is welded and fixed to the distal end portion of the small diameter cylindrical portion 22 along the outer peripheral portion of the distal end surface.
  • the guide member 115 guides the outer periphery 114B of the valve body provided at the distal end of the valve body 114 constituting the movable portion 106 described later.
  • a conical valve seat 39 is formed on the orifice cup 116 on the side facing the guide member 115.
  • a valve body 114B provided at the tip of the valve body 114 abuts on the valve seat 39 to guide or block the fuel flow to the fuel injection port 10.
  • a groove is formed on the outer periphery of the nozzle holder 101, and a seal member 131 typified by a resin-made chip seal is fitted into the groove.
  • a magnetic core 107 is press-fitted into the inner peripheral portion of the large-diameter cylindrical portion 23 of the nozzle holder 101 and welded and joined at the press-fit contact position, and a gap formed between the inside of the large-diameter cylindrical portion 23 and the outside air. Is sealed.
  • a through hole (center hole) is provided at the center of the magnetic core 107, and fuel is guided to the through hole.
  • Another member (adapter) 108 is press-fitted on the fuel supply port 118 side of the magnetic core 107 and welded and joined at the press-fitting contact position, and a gap formed between the inside and the outside air is sealed.
  • a through hole is provided in the inner diameter of the adapter 108 in the same manner as the magnetic core 107, and communicates with the fuel supply port 118.
  • the magnetic core 107 and the adapter 108 may have an integrated structure that communicates with a fuel supply port 118 provided at the upper end (the end opposite to the fuel injection port 10) of the fuel injection device.
  • a filter 113 is provided inside the fuel supply port 118.
  • a seal member 130 is provided on the outer peripheral side of the fuel supply port 118 to ensure liquid-tightness with the connecting portion on the fuel pipe side when connecting to the fuel pipe.
  • FIG. 1 shows a normal state in which the electromagnetic coil 105 is not energized.
  • the valve body 114 is biased by the spring 110 in the valve closing direction. Therefore, the seat 114B of the valve body 114 is in contact with the valve seat 39 of the orifice cup on the downstream side of the nozzle holder, and the fuel is sealed.
  • the movable element 102 is supported by the valve body 114 and is urged in the valve opening direction by a zero spring 112 supported by the nozzle holder between the nozzle holder 101 and the movable element 102.
  • the magnetic flux passing through the magnetic core 107 is a magnetic gap that flows toward the nozzle holder 101 at the position of the end surface of the magnetic core 107 on the mover 102 side and the magnetic gap between the magnetic core 107 and the mover 102 on the attracting surface side of the magnetic core 107. Is distributed to the magnetic flux flowing to the side. At this time, the number of magnetic fluxes passing between the magnetic core 107 and the mover 102 and the magnetic flux density determine the magnetic attractive force.
  • the configuration of the movable portion 106 will be described with reference to an enlarged view of the drive portion structure in the valve closing state of the fuel injection device in FIG.
  • the magnetic core 107 is press-fitted to the inner peripheral portion of the large-diameter cylindrical portion 23 of the nozzle holder 101 and is welded and joined at the press-fit contact position.
  • the movable element 102 is enclosed in the large-diameter cylindrical portion 23 of the nozzle holder 101.
  • the mover 102 In the normal state in which the fuel injection device is not energized, the mover 102 is biased toward the magnetic core 107 by receiving the biasing force of the zero spring 112.
  • the magnetic core 107 is a component that attracts the mover 102 in the valve opening direction by applying a magnetic attraction force to the mover 102.
  • the lower end surface (collision surface) 107B of the magnetic core 107 and the upper end surface (collision surface) 102B of the mover 102 may be appropriately plated to improve durability. Even when relatively soft soft magnetic stainless steel is used for the mover 102 and the magnetic core 107, durability reliability can be ensured by using hard chrome plating or electroless nickel plating.
  • the through hole 107A provided as a fuel passage in the center of the magnetic core 107 has a diameter slightly larger than the diameter of the sliding portion 114A of the valve body 114.
  • the lower end of the initial load setting spring 110 is in contact with the spring receiving surface formed on the upper end surface of the valve body 114.
  • the other end of the spring 110 is received by a regulator 54 that is press-fitted into the through hole 108 ⁇ / b> A of the adapter 108.
  • the spring 110 is fixed between the valve body 114 and the adjuster, and the initial load at which the spring 110 presses the valve body 114 against the valve seat 39 can be adjusted by adjusting the fixing position of the adjuster 54.
  • the mover 102 is set in the large diameter cylindrical portion 23 of the nozzle holder 101, and the electromagnetic coil 105 and the housing 103 wound around the bobbin 104 are mounted on the outer periphery of the large diameter cylindrical portion 23 of the nozzle holder 101. Thereafter, the valve body 114 is inserted into the mover 102 through the through hole 108 ⁇ / b> A of the adapter 108 and the through hole 107 ⁇ / b> A of the fixed core 107.
  • the movable body 106 is determined by determining the press-fitting position of the orifice cup 116 while detecting the stroke of the valve body 114 when the solenoid 114 is energized by pressing the valve body 114 to the closed position with a jig. Adjust the stroke to any position.
  • the lower end surface 107B of the magnetic core 107 is configured to face the upper end surface 102A of the movable element 102 of the movable portion 106 with a stroke G1 of about 40 to 100 microns. Has been.
  • a cup-shaped housing 103 is fixed to the outer periphery of the large-diameter cylindrical portion 23 of the nozzle holder 101.
  • a through hole is provided in the center of the bottom of the housing 103, and the large diameter cylindrical portion 23 of the nozzle holder 101 is inserted through the through hole.
  • a portion of the outer peripheral wall of the housing 103 forms an outer peripheral yoke portion facing the outer peripheral surface of the large-diameter cylindrical portion 23 of the nozzle holder 101.
  • An annular or cylindrical electromagnetic coil 105 is disposed in a cylindrical space formed by the housing 103.
  • the electromagnetic coil 105 is formed of an annular bobbin 104 having a U-shaped groove that opens outward in the radial direction, and a copper wire (electromagnetic coil 105) wound around the groove.
  • a rigid conductor is fixed to the winding coil end and winding end of the electromagnetic coil 105, and is drawn from a through hole provided in the magnetic core 107.
  • the outer periphery of the large-diameter cylindrical portion 23 of the conductor 109, the magnetic core 107, and the nozzle holder 101 is molded by injecting an insulating resin from the inner periphery of the upper end opening of the housing 103, and covered with the resin molded body 121.
  • An annular magnetic passage is formed in the magnetic core 107, the mover 102, the large diameter cylindrical portion 23 of the nozzle holder 101, and the housing 103 so as to surround the electromagnetic coil 105.
  • the fuel injection device of the present embodiment is not shown, it is attached to a common rail to which high pressure fuel is supplied from a high pressure fuel pump, and this high pressure fuel is directly injected into the cylinder of the internal combustion engine.
  • the fuel pressure of the common rail has become as high as 20 MPa or more in order to meet the stricter exhaust gas regulations and the need for low fuel consumption. This fuel pressure is expected to increase further in the future, and a fuel injection device capable of stably injecting fuel in such a case is required.
  • the axial length 201 of the mover 102 of the fuel injection device is 2.1 times the axial length 202 of the housing 103 facing the nozzle holder 101.
  • FIG. 6 shows the relationship between the ratio of the axial length 201 of the mover to the axial length 202 of the housing 103 and the magnetic attractive force generated in the mover 102.
  • the desired magnetic attraction force is 80 N in this embodiment as shown in FIG. 6, it cannot be obtained even if the applied current value is 20 A or more. That is, there is a possibility that the magnetic attractive force is insufficient and the valve cannot be opened. Therefore, even if the valve can be opened again, the valve opening speed is slow, so there is a possibility that the required minimum injection amount of fuel cannot be injected.
  • the axial length 201 of the mover 102 of the fuel injection device in this embodiment is set to the axial length 202 of the housing 103 facing the nozzle holder 101. And 1.25 to 1.46 times. That is, the fuel injection device includes a mover 102 attracted by the magnetic core 107 and a housing 103 facing the mover 102 in a direction orthogonal to the axial direction, and the axial length 201 of the mover 102 is the housing 103.
  • the movable element 102 and the housing 103 are configured so as to be 1.25 to 1.46 times the axial length 202.
  • the axial length 201 of the mover 102 is 1.25 times or more the axial length 202 of the housing 103, the cross-sectional area of the mover 102 in the magnetic circuit can be secured.
  • the magnetic resistance can be reduced, so that the magnetic attractive force generated in the mover 102 can be improved, and a desired magnetic attractive force 80N is ensured by applying a current value 19A as shown in FIG. It becomes possible.
  • the magnetic attractive force tends not to increase.
  • the mass of the mover 102 is increased. Since the increase in the mass of the mover 102 leads to deterioration of the response of the mover 102, the axial length 201 of the mover 102 is 1.46 times or less compared to the axial length 202 of the housing 103. Is desirable.
  • the movable element 102 is generated such that the axial length 201 of the movable element 102 is 1.25 to 1.46 times the axial length 202 of the housing 103.
  • the magnetic attractive force to be increased can be increased efficiently.
  • the total area 203 on the outer peripheral side of the mover 102 of the fuel injection device of the present embodiment is the total axial sectional area of the housing 103 facing the large diameter cylindrical portion 23 of the nozzle holder 101. It is desirable that the ratio is 0.9 to 1.1 times that of 204.
  • the magnetic attraction force reduces the magnetic resistance by ensuring that the entire outer peripheral side area 203 of the mover 102 is 0.9 times or more the entire axial sectional area 204 of the housing 103, and the magnetic attraction generated in the mover 102.
  • the magnetic attraction force generated in the movable element 102 can be efficiently increased even with a smaller magnetomotive force than in the past.
  • the radial sectional area 212 of the housing 103 is compared with the radial sectional area 211 of the electromagnetic coil 105, the radial sectional area 212 of the housing 103 is larger than the radial sectional area 211 of the electromagnetic coil 105. Also, it is desirable to configure so as to be twice or more.
  • FIG. 11 shows a comparison between the radial sectional area 212 of the housing 103 and the radial sectional area 211 of the electromagnetic coil 105 on the horizontal axis, and the magnetic attractive force in that case on the vertical axis.
  • the increase in magnetic attraction force tends to slow down after the length ratio is doubled.
  • by making the radial cross-sectional area of the housing 103 more than twice it is possible to reduce the magnetic resistance in the housing 103 and increase the magnetic attractive force generated between the magnetic core and the mover 102. .
  • the cross-sectional area of the surface perpendicular to the axial direction of the valve body 114 of the magnetic core 107 which is the magnetic passage of the fuel injection device in the present embodiment decreases from the upstream side to the collision surface, and the cross-sectional area becomes one. It is desirable that the nozzle holder 101 be in contact with the largest part.
  • the magnetic core 107 has a first portion 301 (large diameter portion) having a first horizontal cross-sectional area from the upper side at the axial position corresponding to the electromagnetic coil 105, A second portion 302 (medium diameter portion) having two horizontal cross-sectional areas and a third portion 303 (small diameter portion) having a third horizontal cross-sectional area.
  • the cross-sectional area of the first part 301 (large diameter part) at the top is larger than the cross-sectional area of the second part 302 (medium diameter part), and the cross-sectional area of the third part 303 (small diameter part) is the second part. It is configured to be smaller than the cross-sectional area of 302 (medium diameter portion).
  • FIG. 7 shows the distribution of magnetic flux density in the magnetic circuit of the present embodiment in shades of color. Note that components other than the magnetic core 107, the housing 103, the nozzle holder 101, the mover 102, and the electromagnetic coil 105 forming the magnetic circuit are not displayed in advance.
  • the distribution of the magnetic flux density in the magnetic core 107 is highest in the third portion 303 (small diameter portion), and then the second portion 302 (medium diameter portion) shows a high value, and the first portion 301 (large diameter portion). Indicates the lowest value. Therefore, it is possible to reduce the magnetic resistance other than the attraction surface, the magnetic flux density is reduced, and further, the restriction of the cross-sectional area to the attraction surface promotes the increase of the magnetic flux density at the attraction surface, and the magnetic attraction force is efficiently increased. It is possible to improve, and it is possible to obtain a larger magnetic attractive force than before.
  • the third portion 303 (small diameter portion) of the magnetic core 107 of the fuel injection device of the present embodiment has an outer peripheral surface at the same position as the outer peripheral surface 403 of the second portion 302 (medium diameter portion).
  • the inner peripheral surface 401 of the third part 303 (small diameter part) is configured to spread toward the inner peripheral side over the inner peripheral surface 402 of the second part 302 (medium diameter part).
  • the magnetic core 107 is configured such that the inner diameter gradually decreases from the end surface on the mover side toward the upstream side in the fuel flow direction, and the inner diameter portion 401 is, for example, a tapered surface.
  • This feature makes it easier to obtain the effect of increasing the magnetic flux density on the attracting surface of the mover 102 by reducing the cross-sectional area on the attracting surface. As shown in FIG. 7, it is possible to improve the magnetic attractive force of the third portion 303 (small diameter portion) rather than the magnetic flux density of the second portion 302 (medium diameter portion). Further, since the inner diameter enlarged portion provided in the magnetic core 107 is configured so that the inner diameter increases in the downstream direction, a fluid passage can be secured between the magnetic core 107 and the valve body. When the fluid passage is insufficient, a throttle is formed when the fluid passes through the magnetic core 107 and the valve body, and the pressure loss increases. As a result, the maximum flow rate that can be injected decreases, making it difficult to inject the desired fuel.
  • the magnetic core 107 is configured so that the inner peripheral surface 402 of the second part 302 (medium diameter part) is located at the same position as the inner peripheral surface of the first part 301 (large diameter part), and the second part 302 (medium part) It is desirable to configure the outer peripheral surface 404 of the first portion 301 (large diameter portion) so as to extend to the outer peripheral side from the outer peripheral surface 403 of the diameter portion.
  • the magnetic flux density distribution in the magnetic core 107 is changed to the third portion 303 (small diameter) as shown in FIG. Part) is the highest, then the second part 302 (medium diameter part) shows the highest value, and the first part 301 (large diameter part) takes the lowest value. Therefore, it is possible to reduce the magnetic resistance of the magnetic core 107 other than the attracting surface, to reduce the magnetic flux density other than the attracting surface, and to efficiently increase the magnetic attracting force.
  • the first portion 301 (large diameter portion) of the magnetic core 107 extends to the outer peripheral side of the second portion 302 (medium diameter portion) and covers the outer peripheral side of the mover 102.
  • the large-diameter cylindrical portion 23 of 101 is in contact with and fixed to the outer peripheral enlarged portion 502 of the first portion 301 (large-diameter portion) of the magnetic core 107.
  • the magnetic core 107 and the mover 102 that generate the magnetic attractive force need to secure an attractive area as much as possible. Therefore, it is desirable to make the nozzle holder 101 thin.
  • a material having high strength is used for the nozzle holder 101.
  • the nozzle holder 101 since a material with high strength is generally inferior in magnetic properties, the nozzle holder 101 must use a material inferior in magnetic properties. Therefore, the magnetic core 107 having excellent magnetic properties in the magnetic path is formed by expanding the first portion 301 (large diameter portion) of the magnetic core 107 to the outer peripheral side of the second portion 302 (small diameter portion) and abutting the nozzle holder. The cross-sectional area of the magnetic core 107 can be widened, and the magnetic resistance at the upstream portion of the magnetic core 107 can be reduced.
  • the cross-sectional area of the third part 303 (small diameter part) is configured to be 0.78 to 0.85 times the cross-sectional area of the second part 302 (medium diameter part). .
  • FIG. 7 it turns out that the magnetic flux density of the attraction
  • a relief portion 501 for press-fitting the nozzle holder 101 may be configured from the first portion 301 (large diameter portion) to the second portion 302 (medium diameter portion) of the magnetic core 107.
  • a machining R is generated at the upper end surface of the nozzle holder 101 and the corner of the magnetic core 107, so it is necessary to provide relief at the contact portion. .
  • FIG. 8 shows a state where the mover 102 is attracted by the magnetic attraction force and collides with the lower surface 107B of the magnetic core 107.
  • the seat 114B of the valve body 114 is separated from the valve seat 39 of the orifice cup 116, and the supplied fuel is injected from the plurality of injection holes.
  • the number of injection holes may be a single hole.
  • FIG. 5 shows a state in which the movable portion 106 starts to perform a valve closing motion from the valve open state, and a gap as indicated by G2 is formed between the mover and the magnetic core 107.
  • the fuel injection device of the present embodiment be applied to a type in which the fuel is directly injected into the engine with a supercharger. Since recent engines are required to be downsized, it is desirable to have a supercharger.
  • Fuel supply port 121 Molded resin 130 ... Sealing material 131 ... Sealing member 201 ... Length of housing axial direction 202 ... Length of housing axial direction 203 ... Movable element Side area 204 ... Housing axial sectional area 211 ... Radial sectional area 212 of the electromagnetic coil ... Radial sectional view of the housing Reference numeral 213... Restricted portion 301... First portion (large diameter portion) 302 of the magnetic core 302. Second portion (medium diameter portion) of the magnetic core 303. Third portion (small diameter portion) 401 of the magnetic core 401.

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Abstract

磁気コアと可動子の間の磁気ギャップに生じる電磁吸引力を所望の値以上にする燃料噴射装置を提供することを目的とする。 磁性コアに吸引される可動子と、前記可動子と軸方向と直交する方向において対向するハウジングと、を備えた燃料噴射装置において、前記可動子の軸方向長さは前記ハウジングの軸方向長さに対して、1.25~1.46倍となるように前記可動子を構成することを特徴とする。

Description

燃料噴射装置
 本発明は、内燃機関に用いられる燃料噴射装置に関し、特に電磁的に駆動される可動子によって燃料通路を開閉して燃料噴射を行う燃料噴射装置に関する。
 本技術分野の背景技術として、特開2012-188977号公報がある。この公報には、磁気コアの内周面に可動子へ向けて内径が次第に大きくなる磁気的な絞りを設けることで、電磁コイルに電流を供給してから磁束が立ち上がるまでの開弁時の磁気的な遅れ時間と電磁コイルへの電流供給を停止してから磁束が立ち上がるまでの閉弁時の磁気的な遅れの時間が短縮可能となり、開弁時及び閉弁時における動的な応答性を向上することができるという内容が記載されている(要約参照)。
特開2012-188977号公報
 自動車用エンジンは近年、排出ガス規制の強化、燃費向上、高性能化への要求が求められている。このため特許文献1のような燃料噴射装置において、噴霧の微粒化が必要であり、そうすると、今後さらに高い圧力の燃料が充満した領域で噴射可能な燃料噴射装置が必要である。
 燃料噴射装置が高い圧力の燃料が充満したコモンレールに取り付けられた場合、たとえば上記特許文献1に記載の燃料噴射装置の場合には、高い燃料圧力が流路開閉を行う弁体を閉弁する方向に作用する。この燃料噴射装置は、電磁コイルに電流を流すことで磁気コアと可動子の間の磁気ギャップに磁束を発生させ、これにより電磁吸引力を発生させることで可動子を磁気コアに吸引する。
 そうすると、コモンレールに充満する燃料が非常に高圧になると、従来と同様の電流を電磁コイルに流すことで生じる電磁吸引力では、可動子を磁気コアに吸引させることができず、開弁することができない虞がある。また電磁吸引力が小さいということは弁体の開弁速度が遅いということになるため、所望の微小燃料の噴射を行うことができない虞がある。
 そこで、本発明では、磁気コアと可動子の間の磁気ギャップに生じる電磁吸引力を所望の値以上にする燃料噴射装置を提供することを目的とする。
 上記課題を解決するため、本発明は、磁性コアに吸引される可動子と、前記可動子と軸方向と直交する方向において対向するハウジングと、を備えた燃料噴射装置において、前記可動子の軸方向長さは前記ハウジングの軸方向長さに対して、1.25~1.46倍となるように前記可動子を構成することを特徴とする。
 本発明の上記構成によれば、磁気コアと可動子の間の磁気ギャップに生じる電磁吸引力を所望の値以上にする燃料噴射装置を提供することが可能となる。本発明のその他の構成、作用、効果については、以下に示す本発明の実施例において詳細に説明する。
本発明の第一実施例における燃料噴射装置の縦断面図を示す図である。 本発明の第一実施例における燃料噴射装置の閉弁状態における駆動部構造の拡大図を示した図である。 本発明の第一実施例における燃料噴射装置の閉弁状態における駆動部構造の拡大図を示した図である。 本発明の第一実施例における燃料噴射装置の閉弁状態における駆動部構造の片側の拡大図を示した図である。 本発明の第一実施例における燃料噴射装置の磁気コアとノズルホルダの接合部分の拡大図を示した図である。 本発明の第一実施例における燃料噴射弁のハウジングの軸方向長さに対する可動子軸方向長さ比率と、可動子に発生する磁気吸引力の関係を示した図である。 本発明の第一実施例における燃料噴射装置の磁気回路における磁束密度を示した図である。 本発明の第一実施例における燃料噴射装置の可動子が磁性コアに衝突をした状態における駆動部構造の拡大図を示した図である。 本発明の第一実施例における燃料噴射装置の可動子が閉弁運動を行っている状態における駆動部構造の拡大図を示した図である。 燃料噴射装置の駆動部構造の参考例の拡大図を示した図である。 ハウジングの径方向断面積と電磁コイルの径方向断面積との関係における磁気吸引力を示す図である。
 以下に本発明の実施例について図1~図11を用いて説明する。
 図1は本発明の実施例1の燃料噴射装置の基本的な構成を示したものである。また、図2、図3は図1の駆動部構造の周辺の部分拡大図で、図4は駆動部構造の周辺の片側を拡大したものであり、図5は磁気回路内の接合部を拡大したものであり、それぞれ本実施例における燃料噴射装置の詳細を示したものである。図1~図5を用いて燃料噴射装置の構成と基本的な動作を説明する。図1~図5は、電磁駆動部(電磁コイル105)への通電がオフされ、閉弁した状態で、なお且つ可動子が静止した状態を示している。
 本実施例の燃料噴射装置は、弁体114をスプリング110によって閉弁方向に付勢し、電磁コイル105の通電がOFFの場合には燃料通路を閉じ、また電磁コイル105の通電をONすることで可動子102を電磁吸引力により駆動して燃料通路を開き燃料噴射を行う。
 本実施例の燃料噴射装置は磁性コア107、可動子102、ノズルホルダ101、ハウシング103とで磁気通路を構成している。ノズルホルダ101の可動子102と磁性コア107との間の隙間に対応する部分には絞り部213が形成されている。電磁コイル105はボビン104に巻き付けられた状態でノズルホルダ101の外周側に取り付けられており、樹脂成型体121により絶縁性を保っている。
 図1に示すようにノズルホルダ101は直径が小さい小径筒状部22と直径が大きい大径筒状部23とを備えている。小径筒状部22の先端部分の内部に、ガイド部材115と、燃料噴射口10を備えたオリフィスカップ116とが挿入されて設けられている。ガイド部材115はオリフィスカップ116の内側に設けられ、オリフィスカップ116に圧入又は塑性結合により固定されている、もしくはオリフィスカップと一体構造となっている。オリフィスプカップ116は、先端面の外周部に沿って小径筒状部22の先端部に溶接固定される。
 ガイド部材115は後述する可動部106を構成する弁体114の先端に設けられた弁体の外周114Bをガイドする。オリフィスカップ116にはガイド部材115に面する側に円錐状の弁座39が形成されている。この弁座39には弁体114の先端に設けた弁体114Bが当接し、燃料の流れを燃料噴射口10に導いたり遮断したりする。ノズルホルダ101の外周には溝が形成されており、この溝に樹脂材製のチップシールに代表されるシール部材131が嵌め込まれている。
 ノズルホルダ101の大径筒状部23には内周部には磁気コア107が圧入され、圧入接触位置で溶接接合され、大径筒状部23の内部と外気との間に形成される隙間が密閉される。磁気コア107の中心には貫通孔(中心孔)が設けられており、上記貫通孔に燃料が導かれる。磁気コア107の燃料供給口118側には別部材(アダプタ)108が圧入され、圧入接触位置で溶接接合されており、内部と外気との間に形成される隙間が密閉される。上記アダプタ108の内径には磁気コア107と同様に貫通孔が設けられており、燃料供給口118まで連通している。
 上記磁気コア107とアダプタ108は燃料噴射装置の上端部(燃料噴射口10とは反対側の端部)に設けられた燃料供給口118まで連通する一体構造であってもよい。燃料供給口118の内側にはフィルタ113が設けられている。燃料供給口118の外周側には燃料配管に接続する際に燃料配管側の接続部との間で液密を確保するシール材130が設けられている。
 図1は、電磁コイル105に通電されていない通常状態を示し、このとき弁体114は、スプリング110によって閉弁方向に付勢されている。このため、弁体114のシート部114Bはノズルホルダ下流側のオリフィスカップの弁座39に当接している状態であり、燃料は封止されている。ここで可動子102は、弁体114に支持され、ノズルホルダ101と可動子102の間でノズルホルダに支持されているゼロスプリング112により開弁方向に付勢されている。
 次に図2~図5を用いて、燃料噴射装置が通電され、可動子102が弁体114に衝突をする状態における駆動部の構造を説明する。電磁コイル105に電流が供給されると、磁気通路中に磁束が発生し、可動部材である可動子102と磁気コア107との間に磁気吸引力が発生する。本実施例における燃料噴射弁では、電磁コイル105に電流を供給することにより、磁性コア107、可動子102、ノズルホルダ101及びハウシング103で構成される磁気回路に磁束が発生し、磁気コア107と可動子102との間に磁気吸引力が発生する。磁気コア107を通る磁束は、磁気コア107の可動子102側の端面の位置でノズルホルダ101側へ流れる磁束と、磁気コア107の吸引面側、すなわち磁気コア107と可動子102との磁気ギャップ側に流れる磁束とに分配される。この時、磁気コア107と可動子102との間を通る磁束の数と磁束密度が磁気吸引力を決定する。
 次に、可動部106の構成について図2の燃料噴射装置の閉弁状態における駆動部構造の拡大図を示した図を用いて説明する。上記のとおり、ノズルホルダ101の大径筒状部23には内周部に磁気コア107が圧入され、圧入接触位置で溶接接合されている。ここで、可動子102はノズルホルダ101の大径筒状部23に内包される。燃料噴射装置における通電されていない通常状態では、可動子102はゼロスプリング112の付勢力を受けて磁気コア107側に向けて付勢される。磁気コア107は、可動子102に対して磁気吸引力を作用させて、可動子102を開弁方向に吸引する部品である。磁気コア107の下端面(衝突面)107B、可動子102の上端面(衝突面)102Bには、適宜メッキを施して耐久性を向上させることがある。可動子102・磁気コア107に比較的軟らかい軟磁性ステンレス鋼を用いた場合においても、硬質クロムメッキや無電解ニッケルメッキを用いることで、耐久信頼性を確保することができる。
 磁気コア107の中心に燃料通路として設けられた貫通孔107Aは弁体114の摺動部分114Aの直径よりわずかに大きい直径となっている。弁体114の上端面に形成されたスプリング受け面には初期荷重設定用のスプリング110の下端が当接する。スプリング110の他端はアダプタ108の貫通孔108Aの内部に圧入される調整子54で受け止められる。スプリング110が弁体114と調整子の間に固定され、調整子54の固定位置を調整することでスプリング110が弁体114を弁座39に押付ける初期荷重を調整することができる。
 また、可動子102をノズルホルダ101の大径筒状部23内にセットし、ノズルホルダ101の大径筒状部23外周にボビン104に巻回された電磁コイル105及びハウジング103を装着する。その後、弁体114をアダプタ108の貫通孔108A、固定コア107の貫通孔107Aを通して可動子102に挿通する。この状態で、治具により弁体114を閉弁位置に押下し、電磁コイル105へ通電したときの弁体114のストロークを検出しながら、オリフィスカップ116の圧入位置を決定することで可動部106のストロークを任意の位置に調整する。
 スプリング110の初期荷重が調整された状態で、磁気コア107の下端面107Bが可動部106の可動子102の上端面102Aに対して約40乃至100ミクロン程度のストロークG1を隔て対面するように構成されている。
 ノズルホルダ101の大径筒状部23の外周にはカップ状のハウジング103が固定されている。ハウジング103の底部には中央に貫通孔が設けられており、貫通孔にはノズルホルダ101の大径筒状部23が挿通されている。ハウジング103の外周壁の部分はノズルホルダ101の大径筒状部23の外周面に対面する外周ヨーク部を形成している。
 ハウジング103によって形成される筒状空間内には環状若しくは筒状の電磁コイル105が配置されている。電磁コイル105は半径方向外側に向かって開口する断面がU字状の溝を持つ環状のボビン104と、この溝の中に巻きつけられた銅線(電磁コイル105)で形成される。電磁コイル105の巻き始めと巻き終わりの端部には剛性のある導体が固定されており、磁気コア107に設けた貫通孔より引き出されている。この導体109と磁気コア107、ノズルホルダ101の大径筒部23の外周はハウジング103の上端開口部内周から絶縁樹脂を注入して、モールド成形され、樹脂成形体121で覆われる。電磁コイル105を囲むようにして、磁気コア107、可動子102、ノズルホルダ101の大径筒状部23及びハウジング103の部分に環状の磁気通路が形成される。
 ここで、本実施例の燃料噴射装置は図示していないが、高圧燃料ポンプから高圧の燃料が供給されるコモンレールに取り付けられており、この高圧の燃料を内燃機関のシリンダ内部に直接、噴射する。そして、近年、厳格化される排出ガス規制、また低燃費へのニーズに対応するため、このコモンレールの燃料圧力が20MPa以上と高圧になっている。そして、この燃料圧力は、今後、ますます高圧化することが予想され、このような場合においても安定して燃料の噴射が可能な燃料噴射装置が必要となる。
 たとえば、図10に示す構造で、コモンレールの燃料圧力が35MPaであった場合を考える。図10では燃料噴射装置の可動子102の軸方向長さ201は、ノズルホルダ101を隔てて対面するハウジング103の軸方向長さ202に対して、2.1倍となっている。
 ここで図6はハウジング103の軸方向長さ202に対する可動子の軸方向長さ201の比率と、可動子102に発生する磁気吸引力の関係を示している。しかし、図10の構成では、図6に示すように本実施例で所望とする磁気吸引力を仮に80Nとした場合、印加する電流値を20A以上とした場合でも得ることができない。すなわち、磁気吸引力が不足し、開弁することができない虞がある。したがって、また開弁はできたとしても、その開弁速度が遅いことから、必要な最小噴射量の燃料噴射ができなくなる虞がある。
 そこで本実施例では、図2に示すように、本実施例における燃料噴射装置の可動子102の軸方向長さ201は、ノズルホルダ101を隔てて対面するハウジング103の軸方向長さ202に対して1.25~1.46倍となるように構成した。すなわち、燃料噴射装置は磁性コア107に吸引される可動子102と、可動子102と軸方向と直交する方向において対向するハウジング103と、を備え、可動子102の軸方向長さ201がハウジング103の軸方向長さ202に対して、1.25~1.46倍となるように可動子102及びハウジング103を構成する。
 このように可動子102の軸方向長さ201をハウジング103の軸方向長さ202の1.25倍以上とすることにより可動子102の磁気回路における断面積を確保することができる。これにより磁気抵抗を低下させることができるため、可動子102に発生する磁気吸引力を向上させることができ、図6に示すように所望の磁気吸引力80Nは電流値19Aを印加させることにより確保可能となる。
 なお、図6に示すように、可動子102の軸方向長さ201がハウジング103の軸方向長さ202よりも1.46倍以上となると磁気吸引力は上昇しない傾向にある。また、可動子102の軸方向長さ201を増加させていくと、可動子102の質量が増加していく。可動子102の質量の増加は可動子102の応答性の悪化につながるため、可動子102の軸方向長さ201はハウジング103の軸方向長さ202と比較して1.46倍以下であることが望ましい。
 よって、可動子102の軸方向長さ201はハウジング103の軸方向長さ202に対して、1.25~1.46倍となるように可動子102を構成することで、可動子102に発生する磁気吸引力を効率よく上昇させることができる。
 また図2に示すように、本実施例の燃料噴射装置の可動子102の外周側全面積203は、ノズルホルダ101の大径筒状部23を介して対向するハウジング103の軸方向全断面積204に対して0.9~1.1倍であることが望ましい。
 磁気吸引力は可動子102の外周側全面積203をハウジング103の軸方向全断面積204に対して0.9倍以上を確保することで磁気抵抗を低下させ、可動子102に発生する磁気吸引力の確保し、磁気吸引力が上昇傾向の区間である1.1倍以下にすることで従来よりも小さい起磁力でも可動子102に発生する磁気吸引力を効率よく上昇させることができる。
 さらに図2に示すように、ハウジング103の径方向断面積212と電磁コイル105の径方向断面積211を比較した場合、ハウジング103の径方向断面積212が電磁コイル105の径方向断面積211よりも2倍以上となるように構成していることが望ましい。
 図11は、横軸にハウジング103の径方向断面積212と電磁コイル105の径方向断面積211との比較を示し、縦軸にはその場合の磁気吸引力を示す。磁気吸引力の増加は長さ比率が2倍以降で鈍化する傾向となる。以上より、ハウジング103の径方向断面積を2倍以上とすることで、ハウジング103における磁気抵抗を低下させ、磁気コアと可動子102の間で発生する磁気吸引力を増加させることが可能となる。
 また、本実施例における燃料噴射装置の磁気通路である磁気コア107の、弁体114軸方向に対して垂直な面の断面積は、上流側から衝突面にかけて減少していき、断面積が一番大きい部位においてでノズルホルダ101と当接する構成とすることが望ましい。
 そして本実施例では図3のように、磁性コア107は、電磁コイル105に対応する軸方向の位置において、上側から第1の水平方向断面積を有する第1部位301(大径部)、第2の水平方向断面積を有する第2部位302(中径部)、第3の水平方向断面積を有する第3部位303(小径部)を有する。そして、最上部にある第1部位301(大径部)の断面積は第2部位302(中径部)の断面積よりも大きく、第3部位303(小径部)の断面積は第2部位302(中径部)の断面積よりも小さくなるように構成する。
 図7には本実施例の磁気回路における磁束密度の分布を色の濃淡で示している。なお、磁気回路を形成している磁気コア107、ハウジング103、ノズルホルダ101、可動子102、電磁コイル105以外はあらかじめ表示していない。
 上記構成により、磁気コア107における磁束密度の分布は第3部位303(小径部)が最も高く、次いで第2部位302(中径部)が高い値を示し、第1部位301(大径部)が一番低い値を示している。よって、吸引面以外の磁気抵抗を低下させることが可能となり、磁束密度は低下し、さらには吸引面にかけての断面積の絞りが吸引面での磁束密度の増加を促し、効率よく磁気吸引力を向上させることを可能としており、従来よりも大きな磁気吸引力を得ることが可能である。
 また図3に示すように、本実施例の燃料噴射装置の磁性コア107における第3部位303(小径部)は、外周面を第2部位302(中径部)の外周面403と同じ位置となるように構成し、第3部位303(小径部)の内周面401は第2部位302(中径部)の内周面402にかけて内周側に広がるように構成される。言い換えると、磁気コア107は可動子側端面から燃料の流れ方向の上流側に向かって次第に内径が小さくなるように構成され、この内径部401は例えばテーパ面となっている。
 この特徴により、吸引面にかけての断面積の絞りによって、可動子102の吸引面の磁束密度を高める効果が得やすくなる。図7には示す通り、第2部位302(中径部)の磁束密度よりも第3部位303(小径部)の磁気吸引力の向上が可能となる。また、磁気コア107に設けた内径拡大部は下流方向に内径が拡大するように構成するため、磁気コア107と弁体との間に流体通路を確保することが可能となる。流体通路が不足している場合は、磁気コア107と弁体を流体が通過する際に絞りとなり、圧力損失が増大してしまう。その結果、噴射可能な最大流量が減少し、所望の燃料を噴射することが困難となる。
 また磁性コア107は、第2部位302(中径部)の内周面402を第1部位301(大径部)の内周面と同じ位置となるように構成し、第2部位302(中径部)の外周面403よりも外周側に広がるように第1部位301(大径部)の外周面404を構成することが望ましい。
 このように、磁気コアにおける可動子102の吸引面以外の磁束が通過する部分の面積を増加させることで、図7に示すように、磁気コア107における磁束密度の分布は第3部位303(小径部)が最も高く、次いで第2部位302(中径部)が高い値を示し、第1部位301(大径部)が一番低い値をとる。よって、磁気コア107における吸引面以外の磁気抵抗を低下させ、吸引面以外の磁束密度を低下させることが可能となり、効率よく磁気吸引力を増加させることが可能となる。
 図5に示すように、本実施例において磁気コア107の第1部位301(大径部)は第2部位302(中径部)の外周側に広がり、可動子102の外周側を覆うノズルホルダ101の大径筒状部23が磁気コア107の第1部位301(大径部)の外周拡大部502に突き当たって固定される。
 ここで、燃料噴射弁の構成上、磁気吸引力を発生させる磁気コア107と可動子102は可能な限り吸引面積を確保する必要がある。よって、ノズルホルダ101は薄くすることが望ましい。その反面、高圧の燃料圧力に対して強度を確保する必要があるため、ノズルホルダ101には強度の高い材料を使用する。しかし、一般的に強度の高い材料は磁気特性が劣るため、ノズルホルダ101には磁気特性の劣る材料を使わざるを得ない。そこで、磁気コア107の第1部位301(大径部)を第2部位302(小径部)の外周側に広げ、ノズルホルダを突き当てることで、磁気通路内で磁気特性に優れた磁気コア107の断面積を広げ、磁気コア107上流部の磁気抵抗を小さくすることが可能となり、磁気吸引力の向上が可能である。
 また図3に示すように、第3部位303(小径部)の断面積は第2部位302(中径部)の断面積に対して0.78倍~0.85倍となるように構成する。これにより、図7に示す通り、第3部位303(小径部)とそれに対向する可動子102の吸引面の磁束密度か高くなっていることがわかる。よって、磁気コア107の吸引面の断面積を確保しつつ、吸引面の磁束密度を増加させることが可能であり、磁気吸引力を向上させる効果がある。
 また、図5に示すように、磁気コア107の第1部位301(大径部)から第2部位302(中径部)にかけてはノズルホルダ101を圧入する際の逃げ部501を構成するとよい。ノズルホルダ101と磁気コア107を圧入などの方法により組み立てる場合、ノズルホルダ101の上端面と磁気コア107の隅部には加工上のRが生じてしまうため、接触部に逃げを設ける必要がある。ノズルホルダ101ではなく磁気コア107に逃げ部501を設けることで、圧入の際に発生する荷重を受ける面積を確保でき、強度を確保できる。
 図8は磁気吸引力により可動子102が吸引され、磁気コア107の下面107Bに衝突した際の状態を示している。電磁コイル105に電流を供給すると、可動子102の磁化は渦電流の影響により電磁コイル105の内側から外側、つまりは磁気コア107の外周側から内周側に向かって進行する。上記電流により発生した磁気吸引力がスプリング110による荷重と、燃料圧力によって弁体114に作用する力の和を超えると、可動子102は上方へ移動を開始する。
 この時、弁体114は可動子102とともに上方へ移動し、可動子102の上端面が磁気コア107の下面107Bに衝突するまで(G1=0)移動する。その結果、弁体114のシート部114Bがオリフィスカップ116の弁座39より離間し、供給された燃料が、複数の噴射孔から噴射される。なお、噴射孔の孔数は単孔であってもよい。
 図9を用いて、燃料噴射装置の通電が遮断され、弁体114のシート部114Bが弁座39に当座する状態における駆動部の構造を説明する。電磁コイル105への通電が遮断され、アンカー102と固定コア107との間に働く磁気吸引力が第1ばねの付勢力よりも小さくなると、可動部106は閉弁方向への移動を開始する。しかし、磁気通路中にはコイル105への通電の遮断ののちも磁束を打ち消す方向とは逆に渦電流が発生しているので、電磁コイルへの通電を遮断してから磁束が低下して吸引力が低下するまでは磁気的な遅れが生じる。上記磁気的な遅れを経て、磁気通路中に生じていた磁束が消滅し、磁気吸引力も消滅する。可動子102に作用する磁気吸引力が消滅していくことによって、弁体114はスプリング110の荷重と、燃料圧力による力によって、弁座39に接触する閉位置に押し戻される。図5は可動部106が開弁状態から閉弁運動を行い始めた状態であり、可動子と磁気コア107にはG2に示されるような隙間ができる。閉弁動作中のストロークG2が所望のストロークの分可動した後(G2=G1)には弁座39に接触する閉弁位置に至り、燃料の噴射は終了する。
 なお、本実施例の燃料噴射装置は特に過給機付の直接、エンジンに噴射するタイプに適用されることが望ましい。近年のエンジンはダウンサイジング化が求められていることから過給機付であることが望ましい。
10…燃料噴射口22…小径筒状部23…大径筒状部39…弁座54…調整子101…ノズルホルダ102…アンカー102A…アンカー102上端面103…ハウジング104…ボビン105…電磁コイル106…可動部107…磁気コア107B…磁気コア107の下端面107A…磁気コア107の内周面(貫通孔)108…アダプタ109…導体110…スプリング112…ゼロスプリング113…フィルタ114…弁体114A…弁体の摺動部114B…弁体のシート部118…燃料供給口121…樹脂成型体130…シール材131…シール部材201…可動子軸方向長さ202…ハウジング軸方向長さ203…可動子側面積204…ハウジング軸方向断面積211…電磁コイルの径方向断面積212…ハウジングの径方向断面積213…絞り部301…磁気コアの第1部位(大径部)302…磁気コアの第2部位(中径部)303…磁気コアの第3部位(小径部)401…磁気コアの第3部位から第2部位にかけての傾斜部402…磁気コアの第1部位、第2部位の内周面403…磁気コアの第2部位の外周面404…磁気コアの第1部位の外周面501…圧入部逃げ502…磁気コアとノズルホルダの接合面G1…閉弁状態のストロークG2…閉弁動作中のストローク

Claims (10)

  1.  磁性コアに吸引される可動子と、前記可動子と軸方向と直交する方向において対向するハウジングと、を備えた燃料噴射装置において、
     前記可動子の軸方向長さは前記ハウジングの軸方向長さに対して、1.25~1.46倍となるように前記可動子を構成することを特徴とする燃料噴射装置。
  2.  請求項1に記載の燃料噴射装置において、前記可動子の側面積は前記磁性部の軸方向断面積に対して、0.9~1.1倍となるように前記可動子を構成することを特徴とする燃料噴射装置。
  3.  請求項1に記載の燃料噴射装置において、
     前記磁性部の内側に設けられるコイルを備え、前記可動子と衝突する前記磁性コアの下面は、前記コイルの下端と対応する位置に配置されるか、又は前記コイルの下端と対応する位置よりも下側に配置されることを特徴とする燃料噴射装置。
  4.  請求項1に記載の燃料噴射装置において、
     前記ハウジングの径方向断面積が、前記ハウジングに内包される電磁コイルの径方向断面積と比較して2倍以上となるように前記ハウジングを構成することを特徴とする燃料噴射装置。
  5.  磁性コアに吸引される可動子と、前記可動子と軸方向において対向する磁性部と、を備えた燃料噴射装置において、
     磁性コアは、電磁コイルに対応する軸方向の位置において、上側から第1の水平方向断面積を有する第1部位、第2の水平方向断面積を有する第2部位、第3の水平方向断面積を有する第3部位を有し、第1部位の断面積は第2部位の断面積よりも大きく、第3部位の断面積は第2部位の断面積よりも小さくなるように構成されることを特徴とする燃料噴射装置。
  6.  請求項5に記載の燃料噴射装置において、
     前記第3部位の外周面は前記第2部位の外周面と同じ位置となるように形成され、前記第3部位の内周面から前記第2部位の内周面にかけて内周側に広がるように形成されることを特徴とする燃料噴射装置。
  7.  請求項6に記載の燃料噴射装置において、
     前記第2部位の内周面は前記第1部位の内周面と同じ位置となるように形成され、前記第2部位の外周面から前記第1部位の外周面にかけて外周側に広がるように形成されることを特徴とする燃料噴射装置。
  8.  請求項5に記載の燃料噴射装置において、
     前記第2部位の外周面から前記第1部位の外周面にかけて外周側に広がるように形成され、かつ、前記可動子の外周側を覆うノズルが前記第1部位の外周への拡大部に突き当たることで固定されることを特徴とする燃料噴射装置。
  9.  請求項1又は5に記載の燃料噴射装置において、
     前記第3部位の断面積は前記第2部位の断面積に対して0.78倍~0.85倍となるように構成することを特徴とする燃料噴射装置。
  10. 請求項1に記載されている燃料噴射装置において、磁性コアの内径は前記可動子との衝突面に向かって外周側に傾斜するように構成されることを特徴とする燃料噴射装置。
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