WO2018037748A1

WO2018037748A1 - 燃料噴射弁

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Publication number: WO2018037748A1
Application number: PCT/JP2017/025355
Authority: WO
Inventors: 明靖宮本; 清隆小倉; 淳伯耆田; 悠登石塚; 威生三宅
Original assignee: 日立オートモティブシステムズ株式会社
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2017-07-12
Publication date: 2018-03-01
Also published as: JPWO2018037748A1; CN109312700B; JP6655723B2; US20190249631A1; DE112017003727T5; CN109312700A

Abstract

弁体を大小の二段でストロークさせることを可能としつつ、かつ、その際の噴射流量を精度よく制御可能な燃料噴射弁を提供する。そのため、本発明の燃料噴射弁は流路の開閉を行う弁体と、前記弁体を開弁方向に駆動する可動子と、前記可動子を吸引する磁気コアと、を備えた燃料噴射弁において、前記可動子は、前記弁体と別体で構成されるとともに、前記磁気コアに対向する第一対向面を有し当該第一対向面が前記磁気コアに吸引される第一可動子と、前記第一可動子と別体で構成され、前記磁気コアに対向する第二対向面を有し当該第二対向面が前記磁気コアに吸引される第二可動子と、で構成する。

Description

燃料噴射弁

　本発明は、内燃機関に用いられる燃料噴射弁に関する。

　本技術分野の背景技術として、以下の特許文献１（特開２０１４－１４１９２４号公報）に記載されている燃料噴射弁がある。この特許文献１には、「ストローク可変機構を有する燃料噴射弁を構成するために、摺動可能に設けられた弁体１０６と、前記弁体と協働する第一の可動子１０７と、第二の可動子１０５と対向する位置に設けられた内部固定鉄心と１００、外部固定鉄心１１３と、コイル１１５とを備え、第二の可動子のリフト量が前記第一の可動子のリフト量より大きく設定し、前記第二の可動子の一部が前記第一の可動子内へ突出させることにより、コイルに通電する電流によって第一の可動子１０７、第二の可動子１０５に発生する磁気吸引力の差を利用し、大小のリフトを構成させる。」との構成が開示されている。

特開２０１４－１４１９２４号公報

　しかしながら、特許文献１に開示されている構成では、開弁動作において、内側の第二の可動子が固定鉄心に衝突した際のバウンド量が大きいため、噴射流量のばらつきが生じる虞があった。また、閉弁動作においても、弁体が弁座に衝突した際のバウンド量が大きく、やはり、噴射流量のばらつきが生じる虞があった。

　そこで本発明は、弁体を大小の二段でストロークさせることを可能としつつ、かつ、その際の噴射流量を精度よく制御可能な燃料噴射弁を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明の燃料噴射弁は流路の開閉を行う弁体と、前記弁体を開弁方向に駆動する可動子と、前記可動子を吸引する磁気コアと、を備えた燃料噴射弁において、前記可動子は、前記弁体と別体で構成されるとともに、前記磁気コアに対向する第一対向面を有し当該第一対向面が前記磁気コアに吸引される第一可動子と、前記第一可動子と別体で構成され、前記磁気コアに対向する第二対向面を有し当該第二対向面が前記磁気コアに吸引される第二可動子と、で構成する。

　本発明によれば、弁体を大小の二段でストロークさせることを可能としつつ、かつ、その際の噴射流量を精度よく制御可能な燃料噴射弁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、以下の実施例において詳細に説明する。

本発明の実施例に係る燃料噴射弁の断面図である。本発明の実施例に係る燃料噴射弁の弁体の断面図である。本発明の実施例に係る燃料噴射弁の第一可動子の断面図である。本発明の実施例に係る燃料噴射弁の第二可動子の断面図である。本発明の実施例に係る燃料噴射弁の可動子近傍の拡大図であり、コイル１０８が非通電の状態を示す。図５からコイル１０８が通電状態となって、第一可動子２０１及び第二可動子２０２が開弁方向に動いて第一対向面２０１ａが係合部材１１３の弁体係合部１１３ａ（衝突面）と衝突した状態を示す。図６の状態からさらに、第二可動子２０２が変位して第二対向面２０２ａと磁気コア１０７の下流側端面１０７ａと接触した状態を示す。図７の状態からさらに、第一可動子２０１のみが変位して第一対向面２０１ａが磁気コア１０７の下流側端面１０７ａと接触した状態を示す。本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の弁体、内径側可動子、および外径側可動子の挙動を示した図である。本発明の第一実施例に係る噴射量特性を示した図である。

　以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。

　本発明の実施例１について、図１～図４を用いて、以下に説明する。図１は本実施例の電磁式の燃料噴射弁１００（燃料噴射装置）の断面図を示す。図１では燃料噴射弁１００の縦断面図とその燃料噴射弁１００を駆動するための、ＥＤＵ（駆動回路）１２１、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１２０の構成の一例を示す図である。

　なお、図１に示した燃料噴射弁１００は、エンジン筒内に直接、燃料を噴射する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である。本発明は、エンジン筒内に空気を供給する吸気管に燃料を噴射する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に対しても適用可能である。またピエゾ素子や磁歪素子で駆動される燃料噴射弁に対して本発明を適用することももちろん可能である。

　ＥＤＵ１２１は燃料噴射弁１００の駆動電圧を発生する駆動装置である。ＥＣＵ１２０では、エンジンの状態を示す信号を各種センサーから取り込み、内燃機関の運転条件に応じて適切な駆動パルスの幅や噴射タイミングの演算を行う。ＥＣＵ１２０より出力された駆動パルスは、信号線１２３を通してＥＤＵ１２１に入力される。ＥＤＵ１２１はＥＣＵ１２０から指令される駆動パルス、又は噴射タイミングに応じて、コイル１０８に対して指令電圧を印加して、駆動電流を供給する。

　ＥＣＵ１２０は、通信ライン１２２を通して、ＥＤＵ１２１と通信を行っており、燃料噴射弁１００に供給される燃料の圧力や運転条件によってＥＤＵ１２１によって生成される駆動電流を切替えることが可能である。ＥＤＵ１２１は、ＥＣＵ１２０との通信によって制御定数を変化できるようになっており、制御定数に応じて駆動電流の波形が変化する。なお、図１では、駆動装置として、ＥＣＵ１２０とＥＤＵ１２１とが別体である例について説明しているが、これらは一体となったものであってもよい。

　まず、燃料噴射弁１００における全体構成と燃料の流れについて説明する。上記した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場合、燃料供給口１１２を形成する金属管が図示しないコモンレールに取り付けられる。

　このコモンレールは図示しない高圧燃料ポンプから高圧燃料が送られて、設定された圧力（たとえば３５ＭＰａ）の高圧燃料が溜められるようになっている。そしてコモンレールの高圧燃料は燃料供給口１１２の燃料入口面１１２ａを介して、燃料噴射弁１００の内部に供給される。なお、本実施例の説明においては、燃料噴射弁１００の軸方向（図１の上下方向）に対して燃料入口面１１２ａの側を上流側、シート部材１０２の側を下流側として説明する。また、燃料入口面１１２ａからシート部材１０２に向かう方向を下流方向、その逆方向を上流方向と呼ぶことにする。

　燃料噴射弁１００は、内部に流路の開閉を行う弁体１０１を有し、弁体１０１の下流側先端部と対向する位置に円筒形状のシート部材１０２が設けられている。シート部材１０２は、弁体１０１の弁体側シート部１０１ｂが着座することで燃料をシールするシート部１１５が形成されるとともに、このシート部１１５の下流側に燃料が噴射される燃料噴射孔１１６が形成される。

　弁体１０１は、コイル１０８に通電がないときに、第一スプリング１１０によってシート部材１０２に押し付けられ、シート部１１５と接触してシール座を形成する弁体側シート部１０１ｂを有しており、燃料をシールする構造となっている。

　図２は本実施例の弁体１０１の縦断面図を示す。弁体１０１の上流側先端部には係合部材１１３（スリーブ部）が取り付けられている。係合部材１１３は弁体小径部の外径側に取り付けられる円筒部と、係合部材１１３の上端において外径側に凸となる凸部と、を有する。

　図１に示すように、弁体１０１は係合部材１１３の凸部の上面部を介して、第一スプリング１１０により下流側に付勢される。なお、第一スプリング１１０の付勢力は第三スプリング２０４の付勢力よりも大きいため、コイル１０８が非通電状態において、弁体１０１は下流方向に付勢されることで閉弁状態となる。詳細は後で説明するが、係合部材１１３の凸部の下面部により、可動部を下流方向に向かって付勢する第二スプリング２０３が保持される。

　燃料噴射弁１００は、磁気回路を形成し、磁気的な吸引力により弁体１０１を駆動するための、可動子群２００、磁気コア１０７、磁気コアの外径側の位置するコイル１０８を有している。可動子群２００は弁体１０１とは別体で独立して構成され、第一可動子２０１と第二可動子２０２に分割されている。

　図３は、本実施例の第一可動子２０１の縦断面図を示し、図４は本実施例の第二可動子２０２の縦断面図を示す。第一可動子２０１は、磁気コア１０７に対向する第一対向面２０１ａを有し、当該第一対向面２０１ａが磁気コア１０７に吸引される。第二可動子２０２は、第一可動子２０１と別体で構成され、磁気コア１０７に対向する第二対向面２０２ａを有し第二対向面２０２ａが磁気コア１０７に吸引されるように構成されている。この構成により、第一可動子２０１と第二可動子２０２とが磁気的な吸引力により、磁気コア１０７に向かって吸引され、これにより弁体１０１を開弁方向に押し上げることが可能となる。

　燃料噴射弁１００は弁体１０１の外径側に配置されるノズルホルダ１１１を備えている。ノズルホルダ１１１は下流側の小径部、小径部と連結し、小径部に対して上流側に配置される大径部を有する。ノズルホルダ１１１の大径部の内径側に弁体１０１の上流部と、可動子群２００が配置される。

　駆動回路であるＥＤＵ１２１よりコイル１０８に電流が供給されると、磁気コア１０７、ヨーク１０９、第一可動子２０１と第二可動子２０２に磁束が生じて磁気回路が形成される。これにより、磁気コア１０７と第一可動子２０１およびの磁気コア１０７と第二可動子２０２との間に磁気吸引力が発生する。

　詳細は図５～８を用いて後で説明するが、磁気コア１０７と第二可動子２０２の間に生ずる磁気的な吸引力によって、第二可動子２０２が磁気コア１０７に向かって移動した場合、第二可動子２０２は、弁体１０１を上流側に移動させるように構成されている。また、第一可動子２０１が磁気コア１０７に向かって移動した場合、弁体１０１を上流側に移動させるように構成されている。

　また本実施例では図３～５に示すように、第一可動子２０１の第一対向面２０１ａに対して第二可動子２０２の第二対向面２０２ａが外径側に配置される。逆に言うと、第二可動子２０２の第一対向面２０２ａに対して第一可動子２０１の第一対向面２０１ａが内径側に配置されるように構成される。つまり、第二可動子２０２の第二対向面２０２ａの内径よりも第一可動子２０１の第一対向面２０１ａの外径が小さく、第一可動子２０１の第一対向面２０１ａの全体が第二可動子２０２の第二対向面２０２ａの内径側に配置される。

　第一可動子２０１の外周部２０１ｂは、弁体軸方向１０１ａと直交する方向において、第二可動子２０２の内周部２０２ｂと対向するように構成される。つまり、第一可動子２０１の外周部２０１ｂは、水平方向（図５の左右方向）において、第二可動子２０２の内周部２０２ｂと対向するように構成される。なお、第一可動子２０１と第二可動子２０２とは別体で独立して動作するため、第一可動子２０１の外周部２０１ｂと第二可動子２０２の内周部２０２ｂとは水平方向において隙間を有して配置される。

　そして、弁体軸１０１ａの方向（図５の上下方向）において、第一可動子２０１の下流側端面２０１ｅが第二可動子２０２の上流側端面２０２ｅと対向するように構成されている。なお、図５に示すように何れの可動子も動作していない閉弁状態において、第一可動子２０１の下流側端面２０１ｅと第二可動子２０２の上流側端面２０２ｅとは互いに接触するように構成されている。

　第二可動子２０２は内径側に下流側へ向かって凹む凹み部２０２ｃが形成されており、凹み部２０２ｃの内部に第一可動子２０１が内包されていている。つまり、第二可動子２０２の凹み部２０２ｃは、外径側に形成された第二対向面２０２ａに対して内径側において、第二対向面２０２ａから下流側へ向かって凹むように形成される。そして、第一可動子２０１が凹み部２０２の内部に配置される。具体的には図５に示すように何れの可動子も動作していない閉弁状態において、第一可動子２０１の第一対向面２０１ａが第二可動子２０２の第二対向面２０２ａよりも下流側に位置する。したがって、第一可動子２０１の全体が第二可動子２０２の凹み部２０２ｃの内部に位置するように構成される。

　図３、４に示すように、第一可動子２０１と第二可動子２０２の弁体軸１０１ａ方向の長さ関係は、第二可動子２０２の軸方向最大長さＬ２が、第一可動子２０１の軸方向最大長さＬ１に対して長くなるように構成される。

　ここで図２、５に示すように、弁体１０１は、上流側において外径側に凸となる凸部１３１を有している。この凸部１３１のことを段付き部と呼んでも良いし、つば部と呼んでも良い。第一可動子２０１の下流側支持面２０１ｃが凸部１３１の上流側端面１３１ａと対向して支持されている。図５に示すように何れの可動子も動作していない閉弁状態において、弁体１０１の凸部１３１の上流側端面１３１ａと、第一可動子２０１の下流側支持面２０１ｃとが接触するように構成される。

　なお、本実施例においては、第一可動子２０１の下流側支持面２０１ｃが第一可動子２０１の下流側端面２０１ｅよりも上流側に形成される。つまり、第一可動子２０１において下流側支持面２０１ｃは、下流側端面２０１ｅから上流側に凹むように形成されている。

　また図２、５に示すように弁体１０１は上流側において、第一可動子２０１と係合する弁体係合部１１３ａを有する。具体的には、弁体１０１に取り付けられた係合部材１１３の円筒部の下端部が弁体係合部１１３ａを構成する。なお、本実施例では、弁体１０１と係合部材１１３とを別体で構成しているが、これは一体で構成するようにしても構わない。第一可動子２０１が上流側に移動した場合に弁体係合部１３１ａと係合して弁体１０１を上流側（開弁方向）に移動させる。具体的には、第一可動子２０１が上流側に移動した場合に第一可動子２０１の上流側端面２０１ａと弁体係合部１１３ａの下端とが係合して、弁体係合部１１３ａが上流側に押し上げられることで、弁体１０１を上流側（開弁方向）に移動させる。

　ここで、第一可動子２０１は、第二可動子２０２と係合する第一係合部（下流側端面２０１ｅ）を有している。第二可動子２０２が上流側に移動した場合に第一係合部（下流側端面２０１ｅ）により第二可動子２０２と第一可動子２０１と係合することで、第一可動子２０１と弁体係合部１１３ａとが係合し、これにより弁体１０１を上流側（開弁方向）に移動させる。

　これらの構成により、第二可動子２０２の磁気的な吸引力は、第一可動子２０１を介して、第一可動子２０１の磁気的な吸引力は弁体係合部１１３ａを介して、弁体１０１を駆動するように構成されている。

　第一可動子２０１および第二可動子２０２は、移動した際に生ずる流体力を低減するため、第一燃料通路孔２０１ｄ、第二燃料通路孔２０２ｄを有している。第一燃料通路孔２０１ｄ、第二燃料通路孔２０２ｄの孔部の弁体軸１０１ａの垂直方向における面積は、外径側可動子２０１および内径側可動子２０２が動作する際の排除体積による流体力を緩和するのに十分な面積を有している。

　第一燃料通路孔２０１ｄの水平方向面積は、第二燃料通路孔２０２ｄの水平方向面積に対して大きいことが望ましい。また、図示されていないが、この十分ば面積を確保するために、それぞれの第一燃料通路孔２０１ｄ、第二燃料通路孔２０２ｄは複数、形成されることが望ましい。

　第一可動子２０１と弁体１０１との間には、第二スプリング２０３が設けられている。
この第二スプリング２０３は、第一可動子２０１と弁体１０１とを引き離す方向に付勢力を作用させる。

　第二可動子２０２とスプリング保持部材１１１の間には、第三スプリング２０４が設けられている。この第三スプリング２０４は、第二可動子２０２とスプリング保持部材１１１とを引き離す方向に付勢力を作用させる。

　この時、第三スプリング２０４による付勢力Ｆｚと第二スプリング２０３の付勢力Ｆｍの絶対値は、第二スプリング２０３の方が大きくなるように設定されている。また磁気コア１０７の下流側端面１０７ａにおける内周部の内径Ｄｃは、第一可動子２０１の上流側端面２０１ａにおける外周部２０１ｂの外径Ｄｉの方が大きくなるように構成されている。そのため、コイル１０８へ通電されると、外径側に吸引面が形成される第二可動子２０２と磁気コア２０７、また内径側に吸引面が形成される第一可動子２０１と磁気コア２０７との空隙に磁束が発生し、磁気吸引力が生ずる構成となっている。

　次に図５～図８を参考にして、弁体１０１、第一可動子２０１、第二可動子２０２間に設けられた空隙の関係と、コイル１０８に駆動電流が供給された場合の各部材の動作について説明する。

　図５に示すように、コイル１０８が非通電の状態においては、第一スプリング１１０により係合部材１１３が付勢されることで弁体１０１の弁体シート部１０１ｂがシート部材１０２のシート部１１５が接触して閉弁状態となる。この場合、第一可動子２０１は、第二スプリング２０３によって下流側に付勢されることで、凸部１３１（段付き部）の上流側に設けられた上流側端面１３１ａ（接触面）を付勢しており、この状態で静止している。なお、スプリング保持部材１１７が磁気コア１０７の上部において保持されており、第一スプリング１１０はスプリング保持部材１１７の下流側端面において支持される。

　また第二可動子２０２は、第三スプリング２０４によって、上流側（開弁方向）に付勢されており、第二可動子２０２の上流側端面２０２ｅが第一可動子２０１の第一係合部（下流側端面２０１ｅ）と係合することで第二可動子２０２も静止状態を維持している。この静止した閉弁状態において、第一可動子２０１の第一対向面２０１ａと弁体係合部１１３ａ（スリーブ部）の間には、空隙ｇ１が設けられている。

　図５の状態より、コイル１０８に駆動電流が供給されると、磁気コア１０７、ヨーク１０９、第一可動子２０１と第二可動子２０２に磁束が生じ磁気回路が形成される。これにより、磁気コア１０７と第一可動子２０１およびの磁気コア１０７と第二可動子２０２との間に磁気吸引力が発生する。

　式（１）に示すように、第一可動子２０１と磁気コア１０７の間に作用する磁気吸引力Ｆｉと第二可動子２０２と磁気コア１０７の間に作用する磁気吸引力Ｆｏの和が、中間スプリング２０３の付勢力Ｆｍとゼロスプリング２０４の付勢力Ｆｚの差よりも大きくなると、第一可動子２０１と第二可動子２０２は、磁気コア１０７側に吸引され、運動を開始する。　
　Ｆｏ＋Ｆｉ＞Ｆｍ－Ｆｚ　　　　　　　　式（１）

　弁体係合部１１３ａと内径側の第一可動子２０１との間に予め設けられた空隙ｇ１分だけ、第一可動子２０１が変位すると、図６に示すように、磁気コア１０７の下流側端面１０７ａと第二可動子２０２の第二対向面２０２ａとの間に設けられた空隙が図５においてｇ２’であったのが、図６においてはｇ２にまで減少する。なお、ｇ２’－ｇ２＝ｇ１の関係となる。また、空隙ｇ２は、第一可動子２０１の第一対向面２０１ａが係合部材１１３の弁体係合部１１３ａの下端と衝突した状態において、第二可動子２０２の第二対向面２０２ａと磁気コア１０７の下流側端面１０７ａとの間のクリアランスであるということができる。図６においては内径側の第一可動子２０１の第一対向面２０１ａが、係合部材１１３の弁体係合部１１３ａ（衝突面）と第二対向面２０２ａとが衝突する。

　この空隙ｇ１のことを予備ストロークと呼ぶ。この空隙ｇ１により、第一可動子２０１ならびに第二可動子２０２に蓄えられた運動エネルギが、弁体１０１の開弁動作に使用されるため、運動エネルギを利用した分、開弁動作の応答性を向上し、ひいては高い燃料圧力下でも開弁することが可能となる。なお、予備ストロークを確保するためには、図５の閉弁時の状態において、空隙ｇ２’ ＞空隙ｇ１とする必要がある。

　コイル１０８への通電を継続し、外径側の第二可動子２０２と磁気コア１０７の下流側端面１０７ａとの間に予め設けられた空隙ｇ２だけ図６の状態からさらに、第二可動子２０２が変位すると、図７に示す状態となる。図７においては、外径側の第二可動子２０２の移動は、磁気コア１０７の下流側端面１０７ａにより規制されている。

　図９は、本実施例において、（ａ）小ストローク時の駆動電流波形と弁体変位を示し、
（ｂ）大ストローク時の駆動電流波形と弁体変位を示す。図９（ａ）に示すように、コイル１０８へ供給する駆動電流のピーク電流４０１を設定値よりも小さくした場合について説明する。

　この場合、以下の式（２）の力の関係、すなわち第一可動子２０１の磁気吸引力Ｆｉと第二可動子２０２の磁気吸引力Ｆｏの和の方が、弁体１０１に作用する流体による差圧力Ｆｐと第一スプリング１１０による付勢力Ｆｓとの和よりも大きくなる条件を満たす。また、以下の式（３）の力の関係、すなわち第一可動子２０１の磁気吸引力Ｆｉが、弁体１０１に作用する流体による差圧力Ｆｐと第一スプリング１１０による付勢力Ｆｓとの和よりも小さくなる条件を満たすようにする。　
　Ｆｓ　＋　Ｆｐ　＜　Ｆｉ　＋　Ｆｏ　　　　　　　式（２）
　Ｆｓ　＋　Ｆｐ　＞　Ｆｉ　　　　　　　式（３）

　したがって、図９（ａ）の電流波形の場合に上記の式（２）、式（３）を満たすようにすることで、図７に示すように、第二可動子２０２の第二対向面２０２ａと磁気コア１０７の下流側端面１０７ａとの間の空隙（図５のｇ２’）がなくなり、第一可動子２０１の第一対向面２０１ａと磁気コア１０７の下流側端面１０７ａとの間の空隙ｇ３のみが残留する。つまり、式（２）により、第二可動子２０２の磁気吸引力Ｆｏを受けて、弁体１０１は変位するが、式（３）により第一可動子２０１の磁気吸引力Ｆｉのみでは、弁体１０１を変位させることはできない。

　図７の状態（小ストローク状態）から、図９（ａ）に示すようにコイル１０８への駆動電流をピーク電流から、遮断する、あるいはピーク電流よりも低い中間電流に下げることにより、磁気コア１０７と内径側の第一可動子２０１及び外径側の第二可動子２０２との間に生じている磁束が消失する、あるいは小さくなる。

　これにより磁束が小さくなることで、これらの間の磁気吸引力が第一スプリング１１０の付勢力と弁体１０１に作用する流体力よりも小さくなると、内径側の第一可動子２０１及び外径側の第二可動子２０２は下流側への変位を開始する。すると、これに伴って弁体１０１は閉弁動作を開始し、その後、弁体１０１の弁体側シート部１０１ｂとシート部材１０２のシート部１１５とが衝突し、閉弁する。

　したがって、図９（ａ）の電流波形の場合には、図９（ａ）の下図に示すように、弁体１０１は、第二可動子２０２の第二対向面２０２ａと磁気コア１０７の下流側端面１０７ａとの間に設けられた弁体変位４０２の分だけ変位する。なお、この弁体変位４０２は図６に示した空隙ｇ２に相当する。

　第二可動子２０２の変位は、磁気コア１０７の下流側端面１０７ａ、あるいは磁気コア１０７とは別の部材に衝突することによって第二可動子の軸方向における移動が規制される。これにより、弁体１０１の変位量が安定するため、安定した噴射量を供給することができる。　
　一方、図９（ｂ）に示すように、コイル１０８へ供給する駆動電流のピーク電流４０３を予め設定した設定値よりも大きくした場合について説明する。つまり、図９（ａ）の小ストロークの場合のピーク電流４０１に対して、大ストロークにて弁体１０１を駆動する場合には、ピーク電流を大きくする。この場合、式（４）に示すように内径側の第一可動子２０１の磁気吸引力Ｆｉが、弁体１０１に作用する流体による差圧力Ｆｐと第一スプリング１１０による付勢力Ｆｓとの和よりも大きくなるようにする。

　これにより図８に示すように、内径側の第一可動子２０１が図７において磁気コア１０７の下流側端面１０７ａと第一可動子２０１の第一対向面２０１ａとの間に設けられた空隙ｇ３の分だけ上流方向に変位する。つまり、空隙ｇ３は第二可動子２０２の第二対向面２０２ａが磁気コア１０７の下流側端面１０７ａに衝突した状態において、第一可動子２０１の第一対向面２０１ａと磁気コア１０７の下流側端面１０７ａとの間のクリアランスであると言える。結果、第一可動子２０１は、図７の状態からさに弁体１０１を空隙ｇ３の分だけ引き上げるため、弁体１０１は、合計して空隙ｇ２と空隙ｇ３の和だけ変位する。この変位を大ストロークと呼ぶ。

　なお、第一可動子２０１の変位は、磁気コア１０７、あるいは磁気コア１０７とは別の固定部材に衝突することによって規制される。そのため、弁体１０１の挙動が安定するので、安定した噴射量を供給することができる。　
　Ｆｓ　＋　Ｆｐ　＞　Ｆｉ　　　　　　　式（４）

　大ストロークとなった図８の状態より、コイル１０８への駆動電流をピーク電流４０３から遮断する、あるいはピーク電流４０３よりも小さい中間電流に低下させる。これにより内径側の第一可動子２０１と磁気コア１０７との間に生じている磁束が消失する、あるいは低減する。そして、これらの間の磁気吸引力が第一スプリング１１０の付勢力と弁体１０１に作用する流体力よりも小さくなると、第一可動子２０１は下流側へ変位する。

　磁束は内径側の第一可動子２０１より消失を開始するのに加え、流体力と第一スプリング１１０による付勢力により、第一可動子２０１の方が第二可動子２０２に比べて早く閉弁動作に移行する。その結果、内径側の第一可動子２０１は、下流側端面２０１ｅと第二可動子２０２の上流側端面２０２ｅとの空隙ｇ３だけ、下流側へ変位し、第二可動子２０１の上流側端面２０２ｅと衝突する。これにより、第一可動子２０１との衝突によって第二可動子２０２も下流側に変位する。　
　これらの運動に伴って、弁体１０１は閉弁動作を開始し、その後、弁体側シート部１０１ｂがシート部材１０２のシート部１１５と衝突し、閉弁する。結果として、図９（ｂ）に示すように、弁体１０１は大ストロークとなり、その変位量は４０４に示すようになる。この変位量４０４は空隙ｇ２と空隙ｇ３との和に相当する。

　本実施例では、燃料噴射弁１００のコイル１０８に供給する駆動電流により、弁体１０１の変位を図９（ａ）の小ストロークと、図９（ｂ）の大ストロークとで切り替え可能にする。そして閉弁状態において、第一可動子２０１の第一対向面２０１ａと磁気コア２０７との第一クリアランス（空隙ｇ２’＋空隙ｇ３、又は空隙ｇ２＋空隙ｇ３）が第二可動子２０２の第二対向面２０２ａと磁気コア２０７との第二クリアランス（空隙ｇ２’、又は空隙ｇ２）に対して大きくなるように構成された。

　ここで、空隙ｇ１は閉弁状態での第一可動子２０１の第一対向面２０１ａと弁体１０１の弁体係合部１１３ａとの間のクリアランスと定義される。また、空隙ｇ２は第一可動子２０１の第一対向面２０１ａが係合部材１１３の弁体係合部１１３ａの下端と衝突した状態において、第二可動子２０２の第二対向面２０２ａと磁気コア１０７の下流側端面１０７ａとの間のクリアランスと定義される。また空隙ｇ３は、第二可動子２０２の第二対向面２０２ａが磁気コア１０７の下流側端面１０７ａに衝突した状態において、第一可動子２０１の第一対向面２０１ａと磁気コア１０７の下流側端面１０７ａとの間のクリアランスと定義される。

　ここで、上記のように駆動電流により、弁体１０１の変位を図９（ａ）の小ストロークと、図９（ｂ）の大ストロークとで切り替える場合に空隙ｇ３＞空隙ｇ２とすることが望ましい。空隙ｇ２は、燃料噴射弁１００を組み立てる際に、ストローク調整を行うため、精度良く、その空隙（ストローク）を設定することが可能である。本実施例においては、弁体１０１が押し付けられるシート部材１０２をノズルホルダ１１１に圧入する際に、この圧入量を調整することにより、空隙ｇ２のストローク量の調整をおこなっている。なお、本実施例では、シート部材１０２とノズルホルダ１１１との圧入量を調整しているが、これに限定されるわけではない。

　一方で、空隙ｇ３は、第二可動子２０２の第二対向面２０２ａが磁気コア１０７の下流側端面１０７ａに衝突した状態において、第一可動子２０１の第一対向面２０１ａと磁気コア１０７の下流側端面１０７ａとの間のクリアランスであるため、空隙ｇ２のようにストローク量の調整ができない。よって、ここの大ストローク量を決める空隙ｇ２は、部品公差を考慮して大きめにしておくことが望ましい。本実施例では、空隙ｇ２と予備ストローク量を決定する空隙ｇ１がほぼ同一か、空隙ｇ３＞空隙ｇ１となるように設定している。

　このように可動子群２００を第一可動子２０１と、第二可動子２０２に分割し、コイル１０８へ供給する駆動電流を変えることで、弁体１０１の変位を可変にすることが可能である。図１０に各ストロークにおける噴射量特性（噴射指令期間と噴射量の関係）を示す。図９で示したように必要な流量に応じて電流波形を変えることで、大ストロークでの噴射量特性４０５と小ストロークでの噴射量特性４０６が得られる。したがって、必要な流量が大きい場合には、大ストロークでの噴射量特性４０５を使い、逆に必要な流量が小さい場合には、小ストロークでの噴射量特性４０６を使うことで、内燃機関の燃焼に必要となる最適な燃料噴射量を安定して供給することが可能となる。

　本実施例においては、吸入空気量、内燃機関回転数、燃料噴射圧力、アクセル開度をセンシングし、その閾値によって、燃料噴射弁のコイル１０８に供給する駆動電流の電流波形を切り替えることとした。しかし本発明はこれに限定されるわけではなく、他の情報を用いて必要に応じて切り替えることで同様の効果が得られる。

　以上の通り本実施例によれば、複数のストロークを構成することで、燃料噴射量の制御範囲が広くなる。また閉弁状態において弁体もしくは、弁体に係合されている部品と可動子の間に設けられた空隙によって、弁体を大小の二段でストロークさせることを可能としつつ、かつ、その際の噴射流量を精度よく制御可能な燃料噴射弁を提供することが可能となる。したがって、可動子の運動エネルギを開弁動作に利用でき、内燃機関の広い運転領域で最適な燃料噴射を実現する事ができる。

弁体・・・１０１
弁体側シート部・・・１０１ｂ
シート部材・・・１０２
磁気コア・・・１０７
コイル・・・１０８
ヨーク・・・１０９
第一スプリング・・・１１０
第二スプリング・・・２０３
第三スプリング・・・２０４
燃料供給口・・・１１２
スリーブ・・・１１３
第一可動子・・・２０１
第二可動子・・・２０２

Claims

　流路の開閉を行う弁体と、
　前記弁体を開弁方向に駆動する可動子と、
　前記可動子を吸引する磁気コアと、を備えた燃料噴射弁において、
　前記可動子は、前記弁体と別体で構成されるとともに、
　前記磁気コアに対向する第一対向面を有し当該第一対向面が前記磁気コアに吸引される第一可動子と、
　前記第一可動子と別体で構成され、前記磁気コアに対向する第二対向面を有し当該第二対向面が前記磁気コアに吸引される第二可動子と、で構成された燃料噴射弁。
　請求項１に記載の燃料噴射弁において、
　前記第二可動子が前記磁気コアに向かって移動した場合に前記弁体を上流側に移動させるとともに、前記第一可動子が前記磁気コアに向かって移動した場合に前記弁体を上流側に移動させる燃料噴射弁。
　請求項１に記載の燃料噴射弁において、
　前記第一可動子の前記第一対向面に対して前記第二可動子の前記第二対向面が外径側に配置された燃料噴射弁。
　請求項１に記載の燃料噴射弁において、
　駆動電流が流れることで前記磁気コアと前記可動子との間の磁気吸引力を生じさせるコイルを備え、
　前記コイルに設定された第一駆動電流が流れた場合に前記第二可動子の前記第二対向面が吸引されて接触するように構成された燃料噴射弁。
　請求項１に記載の燃料噴射弁において、
　駆動電流が流れることで前記磁気コアと前記可動子との間の磁気吸引力を生じさせるコイルを備え、
　前記コイルに設定された第一駆動電流が流れた場合に前記第二可動子の前記第二対向面のみが吸引されて前記磁気コアに接触するように構成された燃料噴射弁。
　請求項１に記載の燃料噴射弁において、
　駆動電流が流れることで前記磁気コアと前記可動子との間の磁気吸引力を生じさせるコイルを備え、
　前記コイルに設定された第一駆動電流が流れた場合に前記第二可動子の前記第二対向面が吸引されて接触し、
　前記コイルに前記第一駆動電流よりも大きい第二駆動電流が流れた場合に前記第一可動子の前記第一対向面及び前記第二可動子の前記第二対向面が吸引されて接触するように構成された燃料噴射弁。
　請求項１に記載の燃料噴射弁において、
　駆動電流が流れることで前記磁気コアと前記可動子との間の磁気吸引力を生じさせるコイルを備え、
　前記コイルに設定された第一駆動電流が流れた場合に前記第二可動子の前記第二対向面のみが吸引されて前記磁気コアに接触し、
　前記コイルに前記第一駆動電流よりも大きい第二駆動電流が流れた場合に前記第一可動子の前記第一対向面及び前記第二可動子の前記第二対向面が吸引されて前記磁気コアに接触するように構成された燃料噴射弁。
　請求項１に記載の燃料噴射弁において、
　閉弁状態において、前記第一可動子の前記第一対向面と前記磁気コアとの第一クリアランスが前記第二可動子の前記第二対向面と前記磁気コアとの第二クリアランスに対して大きくなるように構成された燃料噴射弁。
　請求項１に記載の燃料噴射弁において、
　弁体軸方向と直交する方向において、前記第一可動子の外周部が前記第二可動子の内周部と対向するように構成され、
　弁体軸方向において、前記前記第一可動子の下流側端面が前記第二可動子の上流側端面と対向するように構成される燃料噴射弁。
　請求項１に記載の燃料噴射弁において、
　前記第二可動子は内径側において下流側に向かって凹む凹み部が形成され、前記凹み部の内部に前記第一可動子が配置された燃料噴射弁。
　請求項１に記載の燃料噴射弁において、
　第二可動子の軸方向最大長さが、前記前記第一可動子の軸方向最大長さに対して長くなるように構成された燃料噴射弁。
　請求項１に記載の燃料噴射弁において、
　前記弁体は上流側において外径側に凸となる凸部を有し、
　前記第一可動子の下流側端面が前記凸部の上流側端面と対向して支持された燃料噴射弁。
　請求項１に記載の燃料噴射弁において、
　前記弁体は上流側において前記第一可動子と係合する弁体係合部を有し、
　前記第一可動子が上流側に移動した場合に前記弁体係合部と係合して前記弁体を上流側に移動させる燃料噴射弁。
　請求項１に記載の燃料噴射弁において、
　前記弁体は上流側において前記第一可動子と係合する弁体係合部を有し、
　前記第一可動子は前記第二可動子と係合する第一係合部を有し、前記第二可動子が上流側に移動した場合に前記第一係合部により前記第二可動子と前記第一可動子とが係合することで、前記第一可動子と前記弁体係合部とが係合し、これにより前記弁体を上流側に移動させる燃料噴射弁。
　請求項１に記載の燃料噴射弁において、
　前記弁体を下流側に向かって付勢する第一ばねを備えた燃料噴射弁。
　請求項１に記載の燃料噴射弁において、
　前記弁体に取り付けられ、前記第一可動子を下流側に向かって付勢する第二ばねを備えた燃料噴射弁。
　請求項１５又は１６に記載の燃料噴射弁において、
　前記第二可動子を上流側に向かって付勢する第３ばねを備えた燃料噴射弁。
　請求項１６に記載の燃料噴射弁において、
　前記第一ばねの付勢力が前記第二ばねの付勢力よりも大きく設定された燃料噴射弁。
　請求項１７に記載の燃料噴射弁において、
　前記第一ばねの付勢力が前記第二ばねの付勢力よりも大きく設定され、
　前記第二ばねの付勢力が前記第３ばねの付勢力よりも大きく設定された燃料噴射弁。
　請求項１に記載の燃料噴射弁において、
　前記磁気コアの下流側端面における内周部の内径に対して、第一可動子の上流側端面における外周部の外径が大きくなるように構成された燃料噴射弁。