燃料噴射弁
【課題】燃料噴射弁の噴射量精度を向上させるためには、弁体の開閉動作を迅速に行わせる必要がある。磁束の応答性を向上させるためにコアとアンカー形状を最適化する場合、アンカーの端面と固定コアの端面との密着現象を起き難くして貼り付きを防止しながら、十分な燃料通路面積を確保する必要がある。
【解決手段】上記目的を達成するために、本発明は、電磁式燃料噴射弁の可動子１１４を構成するアンカー１０２において、固定コア１０７との対向面側から裏面側に貫通する貫通孔を、大径部１２５と小径部１２４とを有するように形成し、大径部１２５は小径部１２４に対して上流側に位置し、かつ外周側にオフセットした構造とする。
【解決手段】上記目的を達成するために、本発明は、電磁式燃料噴射弁の可動子１１４を構成するアンカー１０２において、固定コア１０７との対向面側から裏面側に貫通する貫通孔を、大径部１２５と小径部１２４とを有するように形成し、大径部１２５は小径部１２４に対して上流側に位置し、かつ外周側にオフセットした構造とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に用いられる燃料噴射弁に関し、特に電磁的に駆動される可動子によって、燃料通路を開閉するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関には、運転状態に応じた適切な燃料量を燃料噴射弁の噴射時間に変換する演算を行い、燃料を供給する燃料噴射弁を駆動させる燃料噴射制御装置が備えられている。燃料噴射弁は、内部のソレノイドに流れる電流によって発生する磁気力によって燃料噴射弁を構成している弁体の開閉を行い、燃料の噴射を行う。噴射される燃料量は、主に燃料の圧力と燃料噴射弁の噴口部の雰囲気圧力との差圧、並びに弁体を開いた状態に維持し、燃料が噴射されている時間により決定される。
【０００３】
近年、燃料消費量低減という観点から、燃料消費量低減のため、内燃機関の出力が不要な場合に燃料の噴射を行わない燃料カットを行う機会が増加し、併せて燃料の噴射を再開する頻度も増加している。燃料噴射を再開する際には無負荷相当の少ない燃料量を噴射する必要がある。また、出力の増加や排気性能の向上を目的として、分割噴射が行われている。これは本来１回の噴射に必要な燃料を複数回に分割して、適切な時期に噴射することで内燃機関の性能を向上させようとするもので、１回当たりの燃料噴射量を少なくすることが求められている。
【０００４】
また、内燃機関においては、ダウンサイジングにより車両搭載時の燃料消費量を向上させる試みも実施されている。この場合、過給等により比出力の向上が求められるため、最小噴射量を増加させることなく、あるいは減少させた上で、最大噴射量を増加させることが求められている。よって燃料噴射弁に求められるダイナミックレンジ（最大噴射量を最小噴射で除算した値）は増加する傾向にある。
【０００５】
燃料噴射弁は、例えば、可動子が円筒状のアンカーとこのアンカーの中心部に位置するプランジャロッドと、さらにプランジャロッドの先端に設けられた弁体とを含んで構成されており、中心部に燃料を導く燃料導入孔を有する固定コアの端面とアンカーの端面との間に磁気ギャップが設けられており、さらにこの磁気ギャップを含む磁気通路に磁束を供給する電磁コイルを備えている。磁気ギャップを通る磁束によってアンカーの端面と固定コアの端面との間に生起された磁気吸引力でアンカーを固定コア側に引き付けて可動子を駆動し、弁体を弁座から引き離して弁座に設けた燃料通路を開くように構成されている。
【０００６】
このように構成された燃料噴射弁では、アンカーの端面と固定コアの端面との間の衝突面が互いに貼りつき、磁気通路の磁力が消滅した後に、アンカーが初期位置、つまり両者が完全に離れて、弁体が弁座に押付けられた状態に復帰するまでの時間が長くなるという問題を有する。
【０００７】
この原因の一つとして、アンカーの端面と固定コアの端面とが離れ始めて磁気吸引ギャップが徐々に拡大していく際に、アンカーの端面と固定コアの端面との間に流体的な密着現象が発生することが挙げられる。
【０００８】
具体的には、アンカーを固定コアに貼り付けようとする流体的な力の大きさは、アンカーの移動速度に比例し、ギャップの大きさの３乗に反比例するという性質がある。開弁状態から、閉弁開始状態に切り替わった直後においてはギャップが小さいため、このギャップ内に外部から燃料が流れ込みにくいことと、アンカーを取り巻く流体の慣性質量のためにアンカーは非常に微小な移動速度で動くという理由で、上記の現象の影響を受けてアンカーの端面と固定コアの端面とが貼りついたような挙動を示す。
【０００９】
この現象を和らげるためには、アンカーの端面と固定コアの端面との間及びアンカーの周囲に生じる燃料の流れを阻害しないこと、ひいては、その流れを助長することが重要である。
【００１０】
従来技術においては上記問題を緩和するために、アンカーの端面と固定コアの端面との間の衝突面を部分的な接触面として、密着現象を起き難くして貼り付きを防止する技術が開示されている。
【００１１】
従来技術の一例として、可動子に設けられた少なくとも１つの衝突区分が、コアの端面と可動子の端面との当接し合う領域の一部だけを成す幅ｂを有していて、該衝突区分の幅ｂが２０μｍ〜５００μｍの間であって、衝突区分よりも低い位置にある段部区分が段部底部を有していて、この段部区分が衝突区分よりも５μｍ〜１５μｍだけ低い位置にある燃料噴射弁が知られている（例えば、特許文献１参照）。この燃料噴射弁では、互いに衝突し合う構成部分のうちの少なくともどちらか一方が、耐摩耗性表面の形成後に衝突面が長い運転時間後においても摩耗によって不都合に拡大されることがないように構成されているので、可動子が固定コアに吸引されて移動する時間及び可動子が固定コアの吸引力から解放されて固定コアから離れる方向に移動する時間がほぼ一定に維持され、磁気的又は液圧的な最適性を得られる。
【００１２】
別の従来技術の一例として、アンカーに、その中央部で固定コアの燃料導入孔の端部に対面する位置に形成された凹所と、その端面に周方向に飛び飛びに形成され、固定コアの端面に接触する凸部区域と、その端面に凸部区域の残余の部分に形成された凹部区域と、この凹部区域に一端が開口し、他端がアンカーの反固定コア側端面で前記プランジャの周囲に開口する複数の貫通孔とを有する燃料噴射弁が知られている（例えば、特許文献２参照）。この燃料噴射弁では、可動子が開弁位置から閉弁動作に移行する状態でのアンカー周囲の燃料の流れがスムースになり、アンカーの端面と固定コアの端面との間のギャップに燃料がすばやく供給でき、アンカーを固定コアから速やかに引き離すことができるので、閉弁遅れ時間を短縮できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００７−１８７１６７号公報
【特許文献２】国際公開２００８／０３８３９５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
燃料噴射弁から適切な量の燃料噴射を精度良く行うには、弁体の開閉動作を迅速に行わせる必要があるが、燃料噴射弁の開、閉弁時には、磁束や流体の作用による応答遅れによって、燃料噴射制御装置が真に開、閉弁させたい時期よりも遅れて、弁の開、閉弁動作が完了する。
【００１５】
この応答遅れを改善する一つの手段として、磁気回路の応答遅れを低減するために、固定コアにおいて必要な磁路面積を確保しつつ、磁束を発生させる電磁コイルから離れた部位、例えば燃料噴射弁の固定コアの中心に燃料通路がある場合は、燃料通路の径を拡大することで、固定コアの電磁コイルから離れた部位の断面積を減少させ、磁気回路の応答を高めることができる。また同様の原理で、アンカーの固定コアとの衝突面上に設けた凸部を電磁コイル側、つまりアンカーの外周側に配置することで、磁気回路の応答を高めることができる。
【００１６】
しかしながら、特許文献１に開示されているように凸部衝突面をアンカーの外周側に寄せて配置し、特許文献２に開示されているようにアンカーの凸部衝突面を燃料通路を成す貫通孔で分断するためには、燃料通路を成す貫通孔をアンカーの外周側に寄せて配置する必要がある。その場合、貫通孔の固定コア側の開口部は固定コアに塞がれることになり、十分な燃料通路面積が確保できないといった課題が発生する。
【００１７】
本発明の目的は、燃料噴射弁の弁体を高応答化させるために、固定コアとアンカーの形状を磁束の応答を高めるように最適化した場合でも、アンカーの端面と固定コアの端面との密着現象を起き難くして貼り付きを防止しながら、十分な燃料通路面積を確保できるアンカー形状を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明は、電磁式燃料噴射弁の可動子を構成するアンカーにおいて、固定コアとの対向面側から裏面側に貫通する貫通孔を、大径部と小径部とを有するように形成し、大径部は小径部に対して上流側に位置し、かつ外周側にオフセットした構造とする。
【発明の効果】
【００１９】
磁気応答性を向上させるために、固定コアやアンカー凸部衝突面の形状を最適化させた場合でも、燃料通路をアンカー内側に配置でき、流路面積の減少を防止できる。またアンカーの外周側に固定コアとの衝突面がある場合でも、衝突面を分断し、固定コアとアンカーの貼り付き力を低減し、閉弁遅れ時間を短縮できるため、燃料噴射量精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態による燃料噴射弁の全体断面図である。
【図２】本発明の実施形態による燃料噴射弁の詳細断面図である。
【図３】本発明の実施形態によるアンカー形状である。
【図４】本発明の原理を実施できない燃料噴射弁の詳細断面図である。
【図５】本発明の原理を実施できないアンカー形状である。
【図６】本発明の原理を実施できない燃料噴射弁の詳細断面図である。
【図７】本発明の原理を実施できない燃料噴射弁の詳細断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図１〜図７を用いて、本発明に係る燃料噴射弁の一実施例の構成について説明する。図１は本実施例における燃料噴射弁の縦断面図である。図２は図１の部分拡大図で、本実施例における燃料噴射弁の詳細を示したものである。
【００２２】
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，燃料噴射口１０を備えたオリフィスカップ１１６がこの順に積層されて挿入され、オリフィスプカップ１１６の先端面の外周部に沿って小径筒状部２２に溶接固定される。ガイド部材１１５は後述する可動子１１４を構成するプランジャロッド１１４Ａの先端に設けられた弁体１１４Ｂの外周をガイドする。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にはプランジャ１１４Ａ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１３１に代表されるシール部材が嵌め込まれている。
【００２３】
ノズルホルダ１０１の大径筒状部２３の内周下端部には可動子１１４のプランジャロッド１１４Ａをガイドするロッドガイド１１３が大径筒状部２３の絞り加工部２５に圧入固定されている。ロッドガイド１１３は中央にプランジャロッド１１４Ａをガイドするガイド孔１２７が設けられており、その周囲に複数個の燃料通路１２６が穿孔されている。細長い形状のプランジャロッド１１４Ａはロッドガイド１１３のガイド孔１２７とガイド部材１１５のガイド孔によってまっすぐに往復動するようガイドされる。
【００２４】
プランジャロッド１１４Ａの弁体１１４Ｂが設けられている端部とは反対の端部にはプランジャロッド１１４Ａの直径より大きい外径を有する段付き部１２９を有する頭部１１４Ｃが設けられている。段付き部１２９の上端面にはスプリング１１０の着座面が設けられており、中心にはスプリングガイド用突起１３１が形成されている。
【００２５】
可動子１１４はプランジャロッド１１４Ａが貫通する貫通孔１２８を中央に備えたアンカー１０２を有する。アンカー１０２とロッドガイド１１３との間にゼロスプリング１１２が保持されている。ゼロスプリング１１２はアンカーを開弁方向に付勢しており、この付勢力はスプリング１１０による付勢力とは逆向きにアンカーに作用している。
【００２６】
頭部１１４Ｃの段付き部１２９の直径より貫通孔１２８の直径の方が小さいので、プランジャ１１４Ａをオリフィスカップ１１６の弁座３９に向かって押付けるスプリング１１０の付勢力もしくは重力の作用下においては、ゼロスプリング１１２によって保持されたアンカー１０２の上側面とプランジャロッド１１４Ａの段付き部１２９の下端面が当接し、両者は係合している。これによりゼロスプリング１１２の付勢力もしくは重力に逆らう上方へのアンカー１０２の動きあるいは、スプリング１１０の付勢力もしくは重力に沿った下方へのプランジャロッド１１４Ａの動きに対して両者は協働して動くことになる。しかし、ゼロスプリング１１２の付勢力もしくは重力に関係なくプランジャロッド１１４Ａを上方へ動かす力、あるいはアンカー１０２を下方へ動かす力が独立して両者に作用したとき、両者は別々の方向に動くことができる。
【００２７】
アンカー１０２は、ノズルホルダ１０１の大径筒状部２３の内周面とアンカー１０２の外周面との間ではなく、アンカー１０２の貫通孔１２８の内周面とプランジャロッド１１４Ａの外周面とによって中心位置が保持されている。つまり、プランジャロッド１１４Ａの外周面はアンカー１０２が、単独で軸方向に移動するときのガイドとして機能している。アンカー１０２の下端面はロッドガイド１１３の上端面に対面しているが、ゼロスプリング１１２が介在していることで両者が接触することはない。アンカー１０２の外周面とノズルホルダ１０１の大径筒状部２３の内周面との間にはサイドギャップ１３０が設けられている。このサイドギャップ１３０はアンカー１０２の軸方向の動きを許容するためであるが、磁気抵抗との兼ね合いでその大きさが決定される。
【００２８】
コア１０７の下端面（衝突端面）や、アンカー１０２の上端面１２２及び衝突端面１６０乃至１６３にはメッキを施して耐久性を向上させることがある。アンカー１０２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。
【００２９】
ノズルホルダ１０１の大径筒状部２３の内周部には固定コア１０７が圧入され、圧入接触位置で溶接接合されている。この溶接接合によりノズルホルダ１０１の大径筒状部２３の内部と外気との間に形成される隙間が密閉される。固定コア１０７は中心にプランジャ１１４Ａの頭部１１４Ｃの直径よりわずかに大きい直径Ｄの貫通孔１０７Ｄが燃料導入通路として設けられている。貫通孔１０７Ｄの下端部内周にはプランジャロッド１１４Ａの頭部１１４Ｃが非接触状態で挿通されており、固定コア１０７の貫通孔１０７Ｄの内周下端テーパ１３２と頭部１１４Ｃの段付き部１２９の外周エッジ部１３４との間には隙間Ｓ１が与えられている。これは固定コア１０７からプランジャロッド１１４Ａへの磁束漏洩防止と貫通孔１０７Ｄを通過してきた燃料をスムースに通過させるためである。
【００３０】
プランジャロッド１１４Ａの頭部１１４Ｃに設けられた段付き部１２９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の下端が当接しており、スプリング１１０の他端が固定コア１０７の貫通孔１０７Ｄの内部に圧入される調整子５４で受け止められることで、頭部１１４Ｃと調整子５４の間に固定されている。調整子５４の固定位置を調整することでスプリング１１０がプランジャロッド１１４Ａを弁座３９に押付ける初期荷重を調整することができる。
【００３１】
可動子１１４のストローク調整は、アンカー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外周に電磁コイル（１０４，１０５），ハウジング１０３を装着した後、プランジャロッド１１４Ａをアンカー１０２に挿通した状態で、治具によりプランジャロッド１１４Ａを閉弁位置に押下し、コイル１０５へ通電したときのプランジャロッド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子１１４のストロークを任意の位置に調整できる。
【００３２】
スプリング１１０の初期荷重が調整された状態で、固定コア１０７の下端面が可動子１１４のアンカー１０２の上端面１２２に対して約４０乃至１００ミクロン程度の磁気吸引ギャップ１３６を隔てて対面するように構成されている。なお図中では寸法の比率を無視して拡大して表示している。
【００３３】
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コイルボビン１０４と、この溝の中に巻きつけられた銅線で形成される。コイル１０５の巻き始め、巻き終わり端部には剛性のある導体１０９が固定されており、固定コア１０７に設けた貫通孔より引き出されている。この導体１０９と固定コア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。かくして、電磁コイル（１０４，１０５）の周りに矢印１４０で示すトロイダル状の磁気通路が形成される。
【００３４】
導体１０９の先端部に形成されたコネクタ４３Ａには高電圧電源、バッテリ電源より電力を供給するプラグが接続され、図示しないコントローラによって通電，非通電が制御される。コイル１０５に通電中は、磁気回路１４０を通る磁束によって磁気吸引ギャップ１３６において可動子１１４のアンカー１０２と固定コア１０７との間に磁気吸引力が発生し、アンカー１０２がスプリング１１０の設定荷重を超える力で吸引されることで上方へ動く。このときアンカー１０２はプランジャロッドの頭部１１４Ｃと係合して、プランジャロッド１１４Ａと一緒に上方へ移動し、アンカー１０２の上端面が固定コア１０７の下端面に衝突するまで移動する。その結果、プランジャ１１４Ａの先端の弁体１１４Ｂが弁座３９より離間し、燃料が燃料通路１１８を通り、オリフィスカップ１１６先端にある噴射口から内燃機関の燃焼室内に噴出する。
【００３５】
電磁コイル１０５への通電が断たれると、磁気回路１４０の磁束が消滅し、磁気吸引ギャップ１３６における磁気吸引力も消滅する。この状態では、プランジャ１１４Ａの頭部１１４Ｃを反対方向に押す初期荷重設定用のスプリング１１０のばね力がゼロスプリング１１２の力に打ち勝って可動子１１４全体（アンカー１０２，プランジャロッド１１４Ａ）に作用する。その結果、アンカー１０２はスプリング１１０のばね力によって、弁体１１４Ｂが弁座３９に接触する閉位置に押し戻される。このとき、頭部１１４Ｃの段付き部１２９がアンカー１０２の上面に当接してアンカー１０２を、ゼロスプリング１１２の力に打ち勝ってロッドガイド１１３側へ移動させる。弁体１１４Ｂが弁座に衝突すると、アンカー１０２はプランジャロッド１１４Ａと別体であるため、慣性力にロッドガイド１１３方向への移動を継続する。このときプランジャロッド１１４Ａの外周とアンカー１０２の内周との間に流体による摩擦が発生し、弁座３９から再度開弁方向に跳ね返るプランジャロッド１１４Ａのエネルギが吸収される。慣性質量の大きなアンカー１０２がプランジャロッド１１４Ａから切り離されているので、跳ね返りエネルギ自体も小さくなる。また、プランジャロッド１１４Ａの跳ね返りエネルギを吸収したアンカー１０２は自らの慣性力がその分だけ減少し、ゼロスプリング１１２を圧縮した後に受ける反発力も小さくなるため、アンカー１０２自体の跳ね返り現象によってプランジャロッド１１４Ａが開弁方向に再び動かされる現象は発生し難くなる。かくして、プランジャロッド１１４Ａの跳ね返りは最小限に抑えられ、電磁コイル（１０４，１０５）への通電が断たれた後に弁が開いて、燃料が不作為に噴射される、いわゆる二次噴射現象が抑制される。
【００３６】
ここで、燃料噴射弁には、入力された開弁信号に対して素早く応答して開閉弁できることが求められる。すなわち、開弁パルス信号の立ち上りから実際に開弁状態になるまでの遅れ時間（開弁遅れ時間）や、開弁パルス信号が終了してから実際に閉弁状態になるまでの遅れ時間（閉弁遅れ時間）を短縮することが、最小の可制御噴射量（最小噴射量）をより小さくするという観点から重要である。とりわけ閉弁遅れ時間の短縮は最小噴射量の低減に有効であることが知られている。閉弁遅れ時間短縮の方法の１つに、弁体１１４Ｂを開状態から閉状態に移行させる力を可動子１１４に付与するスプリング１１０の設定荷重を大きくすることであるが、この力を大きくすると開弁時に大きな力が必要となり、電磁コイルが大型になるという相反する問題がある。このため設計上の限界があってこの方法だけで開弁遅れ時間を十分短縮できない。
【００３７】
閉弁遅れを低減する手段は種々考案されているが、有効な手段として閉弁時に固定コア１０７の電磁吸引力により吸引されていたアンカー１０２をスプリング１１０で押下げたとき、固定コア１０７の下端面とアンカー１０２の上端面１２２との間の磁気ギャップ１３６の負圧状態を利用し、アンカー１０２移動によって押しのけられた燃料が、燃料通路１１８から速やかに磁気ギャップ１３６、アンカー側方の隙間（サイドギャップ）１３０に流れ込むようにし、固定コア１０７の下端面とアンカー１０２の上端面１２２の間に生ずるスクイーズ効果による貼り付き力を低減することで閉弁遅れ時間を短縮できる。
【００３８】
他の有効な手段として、電磁コイル（１０４，１０５）への通電終了後、磁気回路１４０の磁束の消失遅れを低減するために、固定コア１０７の下端部にテーパ１３２を設けることが知られている。固定コア１０７において、電磁コイル（１０４，１０５）からの距離が大きい固定コアの貫通穴１０７Ｄの表面における、アンカーとの磁気ギャップ１３６を形成する部位の断面積を減少させることで、通電終了後の磁束の消失遅れによる固定コア１０７とアンカーとの残留吸引力の影響を小さくでき、閉弁遅れ時間を短縮できる。
【００３９】
公知となっている従来の発明では上記二つの手段の効果を両立することができなかった。本発明は、双方の効果を損なうことなく実施できる燃料噴射弁の構造を提案するもので、以下図３から図７を用いて詳細を説明する。
【００４０】
図３に実施例におけるアンカー１０２の詳細を示す。アンカー１０２における固定コア１０７との接触面はザグリ孔１５０，１５１，１５２，１５３によって分断され、衝突端面１６０，１６１，１６２，１６３を形成している。ザグリ孔１５０，１５１，１５２，１５３の径は貫通孔１７０，１７１，１７２，１７３よりも大きく、中心位置もアンカー１０２の外周側にオフセットされている。なお図中ではザグリ孔１５０，１５１，１５２，１５３の深さは寸法の比率を無視して拡大して表示している。一例として、ザグリ孔の深さはアンカー１０２の固定コア１０７との対向面側にある衝突突起（衝突端面）の頂点から２０〜１００μｍの範囲にある。
【００４１】
破線１０７Φは固定コア１０７の燃料導入孔１０７Ｄの内径を示す。一点差線１１７Φはプランジャ１１４Ａの頭部１１４Ｃに形成されたスプリング受け座１２９の外径を示す。可動子１１４の開弁時、固定コア１０７の貫通孔１０７Ｄからアンカーに向けて導入される燃料は、固定コア１０７の内周のテーパ１３２とスプリング受け座１２９の上端外周のエッジとの間に形成される燃料通路Ｓ１を通過する。この燃料通路の下流にザグリ孔１５０−１５３とそれに続く貫通孔１７０−１７３の開口部が形成されているので、燃料はスムースに流れる。なお隙間Ｓ１によって形成される燃料通路の通路断面積よりも貫通孔１７０−１７３の通路断面積の総和の方が大きくなるように構成した。また、プランジャ貫通孔１２８の断面積より貫通孔１７０−１７３の通路断面積の総和の方が大きくなるように構成した。これにより、プランジャに貫通孔を設けた場合より大きな燃料通路断面積が得られることになる。当然、実施例の構成を維持しながら、プランジャ１１４Ａの中心あるいは外周部に貫通孔を設けてさらに燃料通路を拡大してもよい。
【００４２】
また、可動子１１４の閉弁時、磁気吸引力が消失して固定コア１０７に対してアンカー１０２が離反する際に、アンカー１０２によって押しのけられた燃料は通路１１８側から貫通孔１７０−１７３を通って流れ、負圧が生じているアンカー１０２の端面１２２と固定コア１０７の端面との間の磁気ギャップ１３６にスムースに流れ込む。
【００４３】
つまり、衝突端面１６０，１６１，１６２，１６３を成す凸部区域（接触面）が不連続となっていることで、接触面の面積を磁気的、あるいは対衝撃性において必要とされる分を確保しつつも凸部区域（接触面）の内外への燃料の移動が容易に行われる。不連続となる部分がアンカー１０２のザグリ孔１５０−１５３、貫通孔１７０−１７３に隣接していることで、閉弁時にアンカー下流側の面が押出した燃料が容易にアンカー上流側に流れ、なおかつ凸部区域（接触面）とその内外へ供給されるため、弁体１１４Ｂを固定コア１０７に貼り付けるように作用するスクイーズ効果による力が減少し、閉弁遅れ時間が低減する。
【００４４】
以上のように本実施例ではアンカー１０２において燃料通路となる貫通孔１７０−１７３よりも大きく、中心位置が貫通孔１７０−１７３の中心位置に対してアンカー１０２の外周側にオフセットされているザグリ孔１５０−１５３によって、スクイーズ効果による貼り付き力を低減すると共に、磁気回路の磁束消失遅れを低減する効果を両立させることとで、従来技術以上に閉弁遅れ時間を短縮でき、最小の可制御噴射量（最小噴射量）をより小さくできる。
【００４５】
ザグリ孔１５０−１５３は、アンカー１０２の上端面（固定コア１０７側の端面）から下端面（反固定コア側の端面）まで貫通する貫通孔において、上流側に位置する大径の孔部を構成する。貫通孔１７０−１７３は、アンカー１０２の上端面から下端面まで貫通する貫通孔において、下流側に位置する小径の孔部を構成する。本実施例においては、ザグリ孔（大径部）１５０−１５３の中心と貫通孔（小径部）１７０−１７３の中心とはアンカー１０２の中心軸を横切り（交差し）径方向に伸びる仮想の直線上に位置している。
【００４６】
また、アンカー１０２の上端面１２２は、ザグリ孔１５０−１５３の開口部と衝突端面１６０乃至１６３を除く部分が一つの平面を成すように形成されている。このとき、上端面１２２の外周、貫通孔１２８の開口周縁及びザグリ孔１５０−１５３の開口周縁には面取りが形成されており、また衝突端面１６０，１６１，１６２，１６３と上端面１２２との間に形成された段差面は傾斜面として形成されており、これらの面取り及び傾斜面は除くものとする。
【００４７】
以下では、本発明の構成以外では必要な流路面積を確保しつつ、スクイーズ効果による貼り付き力低減と、磁気回路の磁束消失遅れの低減を両立させることが困難であることを説明する。
【００４８】
図４はアンカー１０２にザグリ孔１５０―１５３が存在しない場合である。固定コア１０７からの燃料をスムースに流すために、固定コア内周のテーパ１３２とスプリング受け座１２９の上端外周のエッジとの間に形成される燃料通路Ｓ１に続くように、貫通孔１７０−１７３を配置する必要がある。一方、固定コア１０７とアンカー１０２の衝突面１６４は燃料通路を形成するテーパ１３２より外周側に配置される。またコイル通電時の磁気吸引力を大きくするためにアンカー１０２からハウジング１０３を通過する磁路１４０の面積はできるだけ大きくする必要がある。よって貫通孔１７０−１７３の径を大きくするには設計上の限界がある。
【００４９】
図５はこの場合のアンカー１０２の形状を示したものである。ザグリ孔がない場合、アンカー１０２の接触面１６４は貫通孔１７０−１７３によって分断されることがない。よって凸部区域（接触面１６４）内外の燃料の移動が妨げられ、スクイーズ効果による貼り付き力を低減することができず、閉弁遅れ時間を短縮することができない。
【００５０】
図６はアンカー１０２の貫通孔１７０−１７３を外周側に配置した場合である。アンカー１０２の接触面１６４を分断することはできるが、燃料通路Ｓ１に続くように貫通孔が配置されないため、燃料がスムースに流れず、可動子１０４の動作が妨げられ、開、閉弁時の遅れ時間は大きくなる。
【００５１】
図７は図６のアンカー貫通孔１２４の中心よりも内径側にザグリ孔１２５の中心を配置した場合である。貫通孔１２４よりもザグリ孔１２５の径を大きくすることで、燃料通路Ｓ１からの燃料をスムースに貫通孔１２４に流すことは可能である。しかしながら磁気回路１４０により発生する磁気吸引力はザグリ孔１２５の深さｈが大きくなるほど低下する。一例として吸引力の低下を許容できる深さｈは２０〜１００μｍである。よって実際のザグリ孔は図７に示すほど深くはできず、燃料をスムースに貫通孔１２４に流すことは難しい。また貫通孔１２４をアンカーの外周側に配置しているため、磁気回路１４０の磁路断面積を減少させ、磁気吸引力のさらなる低下を引き起こす。
【００５２】
以上より、本発明の形状を適用すると、磁気応答性向上させるために、固定コアやアンカー凸部衝突面の形状を最適化させた場合でも、燃料通路をアンカー内側に配置でき、流路面積の減少を防止できる。またアンカーの外径側に固定コアとの衝突面がある場合でも、衝突面を分断し、固定コアとアンカーの貼り付き力を低減し、閉弁遅れ時間を短縮できるため、燃料噴射量精度を向上させることができる。
【００５３】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではない。また、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
【００５４】
例として、本発明では燃料噴射弁に使用される燃料について特に述べていないが、ガソリン、軽油、アルコール等、内燃機関に使用される燃料すべてにおいて適用することができる。これは、本発明が流体の有する粘性抵抗の観点に立脚して為されているためである。どのような燃料を用いたとしても粘性抵抗は存在し、本発明の原理が適用できるため、効果を発揮することができる。また実施例中の図１−図７ではアンカーに円形のザグリ孔や貫通孔を設けているが、燃料通路という観点から必ずしも円形に限定されず、他の形状であっても本発明の原理は適用できる。
【符号の説明】
【００５５】
２２ ノズルホルダ小径筒状部
２３ ノズルホルダ大径筒状部
３９ 弁座
４３Ａ コネクタ
５４ 調整子
１０１ ノズルホルダ
１０２ アンカー
１０３ ハウジング
１０４、１０５ 電磁コイル
１０７ 固定コア
１０７Ｄ 固定コア貫通孔（燃料通路）
１０７Φ 固定コア燃料通路内径仮想位置
１０９ 導体
１１０ スプリング
１１２ ゼロスプリング
１１３ ロッドガイド
１１４ 可動子
１１４Ａ プランジャロッド
１１４Ｂ 弁体
１１４Ｃ プランジャロッド頭部
１１５ ガイド部材
１１６ オリフィスカップ
１１７Φ プランジャロッド頭部スプリング受け座外径位置
１１８、１２６、Ｓ１ 燃料通路
１２１ 樹脂成形体
１２２ アンカー上端面
１２７ ガイド孔
１２８、１７０、１７１、１７２、１７３ 貫通孔
１２９ 段付き部
１３０ サイドギャップ（燃料通路）
１３１ スプリングガイド用突起
１３２ 固定コアテーパ
１３４ プランジャロッド頭部外周エッジ
１４０ 磁気通路
１５０、１５１、１５２、１５３ ザグリ孔
１６０、１６１、１６２、１６３、１６４ アンカー衝突端面（接触面）
Ｄ 固定コア燃料通路直径
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に用いられる燃料噴射弁に関し、特に電磁的に駆動される可動子によって、燃料通路を開閉するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関には、運転状態に応じた適切な燃料量を燃料噴射弁の噴射時間に変換する演算を行い、燃料を供給する燃料噴射弁を駆動させる燃料噴射制御装置が備えられている。燃料噴射弁は、内部のソレノイドに流れる電流によって発生する磁気力によって燃料噴射弁を構成している弁体の開閉を行い、燃料の噴射を行う。噴射される燃料量は、主に燃料の圧力と燃料噴射弁の噴口部の雰囲気圧力との差圧、並びに弁体を開いた状態に維持し、燃料が噴射されている時間により決定される。
【０００３】
近年、燃料消費量低減という観点から、燃料消費量低減のため、内燃機関の出力が不要な場合に燃料の噴射を行わない燃料カットを行う機会が増加し、併せて燃料の噴射を再開する頻度も増加している。燃料噴射を再開する際には無負荷相当の少ない燃料量を噴射する必要がある。また、出力の増加や排気性能の向上を目的として、分割噴射が行われている。これは本来１回の噴射に必要な燃料を複数回に分割して、適切な時期に噴射することで内燃機関の性能を向上させようとするもので、１回当たりの燃料噴射量を少なくすることが求められている。
【０００４】
また、内燃機関においては、ダウンサイジングにより車両搭載時の燃料消費量を向上させる試みも実施されている。この場合、過給等により比出力の向上が求められるため、最小噴射量を増加させることなく、あるいは減少させた上で、最大噴射量を増加させることが求められている。よって燃料噴射弁に求められるダイナミックレンジ（最大噴射量を最小噴射で除算した値）は増加する傾向にある。
【０００５】
燃料噴射弁は、例えば、可動子が円筒状のアンカーとこのアンカーの中心部に位置するプランジャロッドと、さらにプランジャロッドの先端に設けられた弁体とを含んで構成されており、中心部に燃料を導く燃料導入孔を有する固定コアの端面とアンカーの端面との間に磁気ギャップが設けられており、さらにこの磁気ギャップを含む磁気通路に磁束を供給する電磁コイルを備えている。磁気ギャップを通る磁束によってアンカーの端面と固定コアの端面との間に生起された磁気吸引力でアンカーを固定コア側に引き付けて可動子を駆動し、弁体を弁座から引き離して弁座に設けた燃料通路を開くように構成されている。
【０００６】
このように構成された燃料噴射弁では、アンカーの端面と固定コアの端面との間の衝突面が互いに貼りつき、磁気通路の磁力が消滅した後に、アンカーが初期位置、つまり両者が完全に離れて、弁体が弁座に押付けられた状態に復帰するまでの時間が長くなるという問題を有する。
【０００７】
この原因の一つとして、アンカーの端面と固定コアの端面とが離れ始めて磁気吸引ギャップが徐々に拡大していく際に、アンカーの端面と固定コアの端面との間に流体的な密着現象が発生することが挙げられる。
【０００８】
具体的には、アンカーを固定コアに貼り付けようとする流体的な力の大きさは、アンカーの移動速度に比例し、ギャップの大きさの３乗に反比例するという性質がある。開弁状態から、閉弁開始状態に切り替わった直後においてはギャップが小さいため、このギャップ内に外部から燃料が流れ込みにくいことと、アンカーを取り巻く流体の慣性質量のためにアンカーは非常に微小な移動速度で動くという理由で、上記の現象の影響を受けてアンカーの端面と固定コアの端面とが貼りついたような挙動を示す。
【０００９】
この現象を和らげるためには、アンカーの端面と固定コアの端面との間及びアンカーの周囲に生じる燃料の流れを阻害しないこと、ひいては、その流れを助長することが重要である。
【００１０】
従来技術においては上記問題を緩和するために、アンカーの端面と固定コアの端面との間の衝突面を部分的な接触面として、密着現象を起き難くして貼り付きを防止する技術が開示されている。
【００１１】
従来技術の一例として、可動子に設けられた少なくとも１つの衝突区分が、コアの端面と可動子の端面との当接し合う領域の一部だけを成す幅ｂを有していて、該衝突区分の幅ｂが２０μｍ〜５００μｍの間であって、衝突区分よりも低い位置にある段部区分が段部底部を有していて、この段部区分が衝突区分よりも５μｍ〜１５μｍだけ低い位置にある燃料噴射弁が知られている（例えば、特許文献１参照）。この燃料噴射弁では、互いに衝突し合う構成部分のうちの少なくともどちらか一方が、耐摩耗性表面の形成後に衝突面が長い運転時間後においても摩耗によって不都合に拡大されることがないように構成されているので、可動子が固定コアに吸引されて移動する時間及び可動子が固定コアの吸引力から解放されて固定コアから離れる方向に移動する時間がほぼ一定に維持され、磁気的又は液圧的な最適性を得られる。
【００１２】
別の従来技術の一例として、アンカーに、その中央部で固定コアの燃料導入孔の端部に対面する位置に形成された凹所と、その端面に周方向に飛び飛びに形成され、固定コアの端面に接触する凸部区域と、その端面に凸部区域の残余の部分に形成された凹部区域と、この凹部区域に一端が開口し、他端がアンカーの反固定コア側端面で前記プランジャの周囲に開口する複数の貫通孔とを有する燃料噴射弁が知られている（例えば、特許文献２参照）。この燃料噴射弁では、可動子が開弁位置から閉弁動作に移行する状態でのアンカー周囲の燃料の流れがスムースになり、アンカーの端面と固定コアの端面との間のギャップに燃料がすばやく供給でき、アンカーを固定コアから速やかに引き離すことができるので、閉弁遅れ時間を短縮できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００７−１８７１６７号公報
【特許文献２】国際公開２００８／０３８３９５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
燃料噴射弁から適切な量の燃料噴射を精度良く行うには、弁体の開閉動作を迅速に行わせる必要があるが、燃料噴射弁の開、閉弁時には、磁束や流体の作用による応答遅れによって、燃料噴射制御装置が真に開、閉弁させたい時期よりも遅れて、弁の開、閉弁動作が完了する。
【００１５】
この応答遅れを改善する一つの手段として、磁気回路の応答遅れを低減するために、固定コアにおいて必要な磁路面積を確保しつつ、磁束を発生させる電磁コイルから離れた部位、例えば燃料噴射弁の固定コアの中心に燃料通路がある場合は、燃料通路の径を拡大することで、固定コアの電磁コイルから離れた部位の断面積を減少させ、磁気回路の応答を高めることができる。また同様の原理で、アンカーの固定コアとの衝突面上に設けた凸部を電磁コイル側、つまりアンカーの外周側に配置することで、磁気回路の応答を高めることができる。
【００１６】
しかしながら、特許文献１に開示されているように凸部衝突面をアンカーの外周側に寄せて配置し、特許文献２に開示されているようにアンカーの凸部衝突面を燃料通路を成す貫通孔で分断するためには、燃料通路を成す貫通孔をアンカーの外周側に寄せて配置する必要がある。その場合、貫通孔の固定コア側の開口部は固定コアに塞がれることになり、十分な燃料通路面積が確保できないといった課題が発生する。
【００１７】
本発明の目的は、燃料噴射弁の弁体を高応答化させるために、固定コアとアンカーの形状を磁束の応答を高めるように最適化した場合でも、アンカーの端面と固定コアの端面との密着現象を起き難くして貼り付きを防止しながら、十分な燃料通路面積を確保できるアンカー形状を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明は、電磁式燃料噴射弁の可動子を構成するアンカーにおいて、固定コアとの対向面側から裏面側に貫通する貫通孔を、大径部と小径部とを有するように形成し、大径部は小径部に対して上流側に位置し、かつ外周側にオフセットした構造とする。
【発明の効果】
【００１９】
磁気応答性を向上させるために、固定コアやアンカー凸部衝突面の形状を最適化させた場合でも、燃料通路をアンカー内側に配置でき、流路面積の減少を防止できる。またアンカーの外周側に固定コアとの衝突面がある場合でも、衝突面を分断し、固定コアとアンカーの貼り付き力を低減し、閉弁遅れ時間を短縮できるため、燃料噴射量精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態による燃料噴射弁の全体断面図である。
【図２】本発明の実施形態による燃料噴射弁の詳細断面図である。
【図３】本発明の実施形態によるアンカー形状である。
【図４】本発明の原理を実施できない燃料噴射弁の詳細断面図である。
【図５】本発明の原理を実施できないアンカー形状である。
【図６】本発明の原理を実施できない燃料噴射弁の詳細断面図である。
【図７】本発明の原理を実施できない燃料噴射弁の詳細断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図１〜図７を用いて、本発明に係る燃料噴射弁の一実施例の構成について説明する。図１は本実施例における燃料噴射弁の縦断面図である。図２は図１の部分拡大図で、本実施例における燃料噴射弁の詳細を示したものである。
【００２２】
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，燃料噴射口１０を備えたオリフィスカップ１１６がこの順に積層されて挿入され、オリフィスプカップ１１６の先端面の外周部に沿って小径筒状部２２に溶接固定される。ガイド部材１１５は後述する可動子１１４を構成するプランジャロッド１１４Ａの先端に設けられた弁体１１４Ｂの外周をガイドする。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にはプランジャ１１４Ａ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１３１に代表されるシール部材が嵌め込まれている。
【００２３】
ノズルホルダ１０１の大径筒状部２３の内周下端部には可動子１１４のプランジャロッド１１４Ａをガイドするロッドガイド１１３が大径筒状部２３の絞り加工部２５に圧入固定されている。ロッドガイド１１３は中央にプランジャロッド１１４Ａをガイドするガイド孔１２７が設けられており、その周囲に複数個の燃料通路１２６が穿孔されている。細長い形状のプランジャロッド１１４Ａはロッドガイド１１３のガイド孔１２７とガイド部材１１５のガイド孔によってまっすぐに往復動するようガイドされる。
【００２４】
プランジャロッド１１４Ａの弁体１１４Ｂが設けられている端部とは反対の端部にはプランジャロッド１１４Ａの直径より大きい外径を有する段付き部１２９を有する頭部１１４Ｃが設けられている。段付き部１２９の上端面にはスプリング１１０の着座面が設けられており、中心にはスプリングガイド用突起１３１が形成されている。
【００２５】
可動子１１４はプランジャロッド１１４Ａが貫通する貫通孔１２８を中央に備えたアンカー１０２を有する。アンカー１０２とロッドガイド１１３との間にゼロスプリング１１２が保持されている。ゼロスプリング１１２はアンカーを開弁方向に付勢しており、この付勢力はスプリング１１０による付勢力とは逆向きにアンカーに作用している。
【００２６】
頭部１１４Ｃの段付き部１２９の直径より貫通孔１２８の直径の方が小さいので、プランジャ１１４Ａをオリフィスカップ１１６の弁座３９に向かって押付けるスプリング１１０の付勢力もしくは重力の作用下においては、ゼロスプリング１１２によって保持されたアンカー１０２の上側面とプランジャロッド１１４Ａの段付き部１２９の下端面が当接し、両者は係合している。これによりゼロスプリング１１２の付勢力もしくは重力に逆らう上方へのアンカー１０２の動きあるいは、スプリング１１０の付勢力もしくは重力に沿った下方へのプランジャロッド１１４Ａの動きに対して両者は協働して動くことになる。しかし、ゼロスプリング１１２の付勢力もしくは重力に関係なくプランジャロッド１１４Ａを上方へ動かす力、あるいはアンカー１０２を下方へ動かす力が独立して両者に作用したとき、両者は別々の方向に動くことができる。
【００２７】
アンカー１０２は、ノズルホルダ１０１の大径筒状部２３の内周面とアンカー１０２の外周面との間ではなく、アンカー１０２の貫通孔１２８の内周面とプランジャロッド１１４Ａの外周面とによって中心位置が保持されている。つまり、プランジャロッド１１４Ａの外周面はアンカー１０２が、単独で軸方向に移動するときのガイドとして機能している。アンカー１０２の下端面はロッドガイド１１３の上端面に対面しているが、ゼロスプリング１１２が介在していることで両者が接触することはない。アンカー１０２の外周面とノズルホルダ１０１の大径筒状部２３の内周面との間にはサイドギャップ１３０が設けられている。このサイドギャップ１３０はアンカー１０２の軸方向の動きを許容するためであるが、磁気抵抗との兼ね合いでその大きさが決定される。
【００２８】
コア１０７の下端面（衝突端面）や、アンカー１０２の上端面１２２及び衝突端面１６０乃至１６３にはメッキを施して耐久性を向上させることがある。アンカー１０２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。
【００２９】
ノズルホルダ１０１の大径筒状部２３の内周部には固定コア１０７が圧入され、圧入接触位置で溶接接合されている。この溶接接合によりノズルホルダ１０１の大径筒状部２３の内部と外気との間に形成される隙間が密閉される。固定コア１０７は中心にプランジャ１１４Ａの頭部１１４Ｃの直径よりわずかに大きい直径Ｄの貫通孔１０７Ｄが燃料導入通路として設けられている。貫通孔１０７Ｄの下端部内周にはプランジャロッド１１４Ａの頭部１１４Ｃが非接触状態で挿通されており、固定コア１０７の貫通孔１０７Ｄの内周下端テーパ１３２と頭部１１４Ｃの段付き部１２９の外周エッジ部１３４との間には隙間Ｓ１が与えられている。これは固定コア１０７からプランジャロッド１１４Ａへの磁束漏洩防止と貫通孔１０７Ｄを通過してきた燃料をスムースに通過させるためである。
【００３０】
プランジャロッド１１４Ａの頭部１１４Ｃに設けられた段付き部１２９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の下端が当接しており、スプリング１１０の他端が固定コア１０７の貫通孔１０７Ｄの内部に圧入される調整子５４で受け止められることで、頭部１１４Ｃと調整子５４の間に固定されている。調整子５４の固定位置を調整することでスプリング１１０がプランジャロッド１１４Ａを弁座３９に押付ける初期荷重を調整することができる。
【００３１】
可動子１１４のストローク調整は、アンカー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外周に電磁コイル（１０４，１０５），ハウジング１０３を装着した後、プランジャロッド１１４Ａをアンカー１０２に挿通した状態で、治具によりプランジャロッド１１４Ａを閉弁位置に押下し、コイル１０５へ通電したときのプランジャロッド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子１１４のストロークを任意の位置に調整できる。
【００３２】
スプリング１１０の初期荷重が調整された状態で、固定コア１０７の下端面が可動子１１４のアンカー１０２の上端面１２２に対して約４０乃至１００ミクロン程度の磁気吸引ギャップ１３６を隔てて対面するように構成されている。なお図中では寸法の比率を無視して拡大して表示している。
【００３３】
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コイルボビン１０４と、この溝の中に巻きつけられた銅線で形成される。コイル１０５の巻き始め、巻き終わり端部には剛性のある導体１０９が固定されており、固定コア１０７に設けた貫通孔より引き出されている。この導体１０９と固定コア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。かくして、電磁コイル（１０４，１０５）の周りに矢印１４０で示すトロイダル状の磁気通路が形成される。
【００３４】
導体１０９の先端部に形成されたコネクタ４３Ａには高電圧電源、バッテリ電源より電力を供給するプラグが接続され、図示しないコントローラによって通電，非通電が制御される。コイル１０５に通電中は、磁気回路１４０を通る磁束によって磁気吸引ギャップ１３６において可動子１１４のアンカー１０２と固定コア１０７との間に磁気吸引力が発生し、アンカー１０２がスプリング１１０の設定荷重を超える力で吸引されることで上方へ動く。このときアンカー１０２はプランジャロッドの頭部１１４Ｃと係合して、プランジャロッド１１４Ａと一緒に上方へ移動し、アンカー１０２の上端面が固定コア１０７の下端面に衝突するまで移動する。その結果、プランジャ１１４Ａの先端の弁体１１４Ｂが弁座３９より離間し、燃料が燃料通路１１８を通り、オリフィスカップ１１６先端にある噴射口から内燃機関の燃焼室内に噴出する。
【００３５】
電磁コイル１０５への通電が断たれると、磁気回路１４０の磁束が消滅し、磁気吸引ギャップ１３６における磁気吸引力も消滅する。この状態では、プランジャ１１４Ａの頭部１１４Ｃを反対方向に押す初期荷重設定用のスプリング１１０のばね力がゼロスプリング１１２の力に打ち勝って可動子１１４全体（アンカー１０２，プランジャロッド１１４Ａ）に作用する。その結果、アンカー１０２はスプリング１１０のばね力によって、弁体１１４Ｂが弁座３９に接触する閉位置に押し戻される。このとき、頭部１１４Ｃの段付き部１２９がアンカー１０２の上面に当接してアンカー１０２を、ゼロスプリング１１２の力に打ち勝ってロッドガイド１１３側へ移動させる。弁体１１４Ｂが弁座に衝突すると、アンカー１０２はプランジャロッド１１４Ａと別体であるため、慣性力にロッドガイド１１３方向への移動を継続する。このときプランジャロッド１１４Ａの外周とアンカー１０２の内周との間に流体による摩擦が発生し、弁座３９から再度開弁方向に跳ね返るプランジャロッド１１４Ａのエネルギが吸収される。慣性質量の大きなアンカー１０２がプランジャロッド１１４Ａから切り離されているので、跳ね返りエネルギ自体も小さくなる。また、プランジャロッド１１４Ａの跳ね返りエネルギを吸収したアンカー１０２は自らの慣性力がその分だけ減少し、ゼロスプリング１１２を圧縮した後に受ける反発力も小さくなるため、アンカー１０２自体の跳ね返り現象によってプランジャロッド１１４Ａが開弁方向に再び動かされる現象は発生し難くなる。かくして、プランジャロッド１１４Ａの跳ね返りは最小限に抑えられ、電磁コイル（１０４，１０５）への通電が断たれた後に弁が開いて、燃料が不作為に噴射される、いわゆる二次噴射現象が抑制される。
【００３６】
ここで、燃料噴射弁には、入力された開弁信号に対して素早く応答して開閉弁できることが求められる。すなわち、開弁パルス信号の立ち上りから実際に開弁状態になるまでの遅れ時間（開弁遅れ時間）や、開弁パルス信号が終了してから実際に閉弁状態になるまでの遅れ時間（閉弁遅れ時間）を短縮することが、最小の可制御噴射量（最小噴射量）をより小さくするという観点から重要である。とりわけ閉弁遅れ時間の短縮は最小噴射量の低減に有効であることが知られている。閉弁遅れ時間短縮の方法の１つに、弁体１１４Ｂを開状態から閉状態に移行させる力を可動子１１４に付与するスプリング１１０の設定荷重を大きくすることであるが、この力を大きくすると開弁時に大きな力が必要となり、電磁コイルが大型になるという相反する問題がある。このため設計上の限界があってこの方法だけで開弁遅れ時間を十分短縮できない。
【００３７】
閉弁遅れを低減する手段は種々考案されているが、有効な手段として閉弁時に固定コア１０７の電磁吸引力により吸引されていたアンカー１０２をスプリング１１０で押下げたとき、固定コア１０７の下端面とアンカー１０２の上端面１２２との間の磁気ギャップ１３６の負圧状態を利用し、アンカー１０２移動によって押しのけられた燃料が、燃料通路１１８から速やかに磁気ギャップ１３６、アンカー側方の隙間（サイドギャップ）１３０に流れ込むようにし、固定コア１０７の下端面とアンカー１０２の上端面１２２の間に生ずるスクイーズ効果による貼り付き力を低減することで閉弁遅れ時間を短縮できる。
【００３８】
他の有効な手段として、電磁コイル（１０４，１０５）への通電終了後、磁気回路１４０の磁束の消失遅れを低減するために、固定コア１０７の下端部にテーパ１３２を設けることが知られている。固定コア１０７において、電磁コイル（１０４，１０５）からの距離が大きい固定コアの貫通穴１０７Ｄの表面における、アンカーとの磁気ギャップ１３６を形成する部位の断面積を減少させることで、通電終了後の磁束の消失遅れによる固定コア１０７とアンカーとの残留吸引力の影響を小さくでき、閉弁遅れ時間を短縮できる。
【００３９】
公知となっている従来の発明では上記二つの手段の効果を両立することができなかった。本発明は、双方の効果を損なうことなく実施できる燃料噴射弁の構造を提案するもので、以下図３から図７を用いて詳細を説明する。
【００４０】
図３に実施例におけるアンカー１０２の詳細を示す。アンカー１０２における固定コア１０７との接触面はザグリ孔１５０，１５１，１５２，１５３によって分断され、衝突端面１６０，１６１，１６２，１６３を形成している。ザグリ孔１５０，１５１，１５２，１５３の径は貫通孔１７０，１７１，１７２，１７３よりも大きく、中心位置もアンカー１０２の外周側にオフセットされている。なお図中ではザグリ孔１５０，１５１，１５２，１５３の深さは寸法の比率を無視して拡大して表示している。一例として、ザグリ孔の深さはアンカー１０２の固定コア１０７との対向面側にある衝突突起（衝突端面）の頂点から２０〜１００μｍの範囲にある。
【００４１】
破線１０７Φは固定コア１０７の燃料導入孔１０７Ｄの内径を示す。一点差線１１７Φはプランジャ１１４Ａの頭部１１４Ｃに形成されたスプリング受け座１２９の外径を示す。可動子１１４の開弁時、固定コア１０７の貫通孔１０７Ｄからアンカーに向けて導入される燃料は、固定コア１０７の内周のテーパ１３２とスプリング受け座１２９の上端外周のエッジとの間に形成される燃料通路Ｓ１を通過する。この燃料通路の下流にザグリ孔１５０−１５３とそれに続く貫通孔１７０−１７３の開口部が形成されているので、燃料はスムースに流れる。なお隙間Ｓ１によって形成される燃料通路の通路断面積よりも貫通孔１７０−１７３の通路断面積の総和の方が大きくなるように構成した。また、プランジャ貫通孔１２８の断面積より貫通孔１７０−１７３の通路断面積の総和の方が大きくなるように構成した。これにより、プランジャに貫通孔を設けた場合より大きな燃料通路断面積が得られることになる。当然、実施例の構成を維持しながら、プランジャ１１４Ａの中心あるいは外周部に貫通孔を設けてさらに燃料通路を拡大してもよい。
【００４２】
また、可動子１１４の閉弁時、磁気吸引力が消失して固定コア１０７に対してアンカー１０２が離反する際に、アンカー１０２によって押しのけられた燃料は通路１１８側から貫通孔１７０−１７３を通って流れ、負圧が生じているアンカー１０２の端面１２２と固定コア１０７の端面との間の磁気ギャップ１３６にスムースに流れ込む。
【００４３】
つまり、衝突端面１６０，１６１，１６２，１６３を成す凸部区域（接触面）が不連続となっていることで、接触面の面積を磁気的、あるいは対衝撃性において必要とされる分を確保しつつも凸部区域（接触面）の内外への燃料の移動が容易に行われる。不連続となる部分がアンカー１０２のザグリ孔１５０−１５３、貫通孔１７０−１７３に隣接していることで、閉弁時にアンカー下流側の面が押出した燃料が容易にアンカー上流側に流れ、なおかつ凸部区域（接触面）とその内外へ供給されるため、弁体１１４Ｂを固定コア１０７に貼り付けるように作用するスクイーズ効果による力が減少し、閉弁遅れ時間が低減する。
【００４４】
以上のように本実施例ではアンカー１０２において燃料通路となる貫通孔１７０−１７３よりも大きく、中心位置が貫通孔１７０−１７３の中心位置に対してアンカー１０２の外周側にオフセットされているザグリ孔１５０−１５３によって、スクイーズ効果による貼り付き力を低減すると共に、磁気回路の磁束消失遅れを低減する効果を両立させることとで、従来技術以上に閉弁遅れ時間を短縮でき、最小の可制御噴射量（最小噴射量）をより小さくできる。
【００４５】
ザグリ孔１５０−１５３は、アンカー１０２の上端面（固定コア１０７側の端面）から下端面（反固定コア側の端面）まで貫通する貫通孔において、上流側に位置する大径の孔部を構成する。貫通孔１７０−１７３は、アンカー１０２の上端面から下端面まで貫通する貫通孔において、下流側に位置する小径の孔部を構成する。本実施例においては、ザグリ孔（大径部）１５０−１５３の中心と貫通孔（小径部）１７０−１７３の中心とはアンカー１０２の中心軸を横切り（交差し）径方向に伸びる仮想の直線上に位置している。
【００４６】
また、アンカー１０２の上端面１２２は、ザグリ孔１５０−１５３の開口部と衝突端面１６０乃至１６３を除く部分が一つの平面を成すように形成されている。このとき、上端面１２２の外周、貫通孔１２８の開口周縁及びザグリ孔１５０−１５３の開口周縁には面取りが形成されており、また衝突端面１６０，１６１，１６２，１６３と上端面１２２との間に形成された段差面は傾斜面として形成されており、これらの面取り及び傾斜面は除くものとする。
【００４７】
以下では、本発明の構成以外では必要な流路面積を確保しつつ、スクイーズ効果による貼り付き力低減と、磁気回路の磁束消失遅れの低減を両立させることが困難であることを説明する。
【００４８】
図４はアンカー１０２にザグリ孔１５０―１５３が存在しない場合である。固定コア１０７からの燃料をスムースに流すために、固定コア内周のテーパ１３２とスプリング受け座１２９の上端外周のエッジとの間に形成される燃料通路Ｓ１に続くように、貫通孔１７０−１７３を配置する必要がある。一方、固定コア１０７とアンカー１０２の衝突面１６４は燃料通路を形成するテーパ１３２より外周側に配置される。またコイル通電時の磁気吸引力を大きくするためにアンカー１０２からハウジング１０３を通過する磁路１４０の面積はできるだけ大きくする必要がある。よって貫通孔１７０−１７３の径を大きくするには設計上の限界がある。
【００４９】
図５はこの場合のアンカー１０２の形状を示したものである。ザグリ孔がない場合、アンカー１０２の接触面１６４は貫通孔１７０−１７３によって分断されることがない。よって凸部区域（接触面１６４）内外の燃料の移動が妨げられ、スクイーズ効果による貼り付き力を低減することができず、閉弁遅れ時間を短縮することができない。
【００５０】
図６はアンカー１０２の貫通孔１７０−１７３を外周側に配置した場合である。アンカー１０２の接触面１６４を分断することはできるが、燃料通路Ｓ１に続くように貫通孔が配置されないため、燃料がスムースに流れず、可動子１０４の動作が妨げられ、開、閉弁時の遅れ時間は大きくなる。
【００５１】
図７は図６のアンカー貫通孔１２４の中心よりも内径側にザグリ孔１２５の中心を配置した場合である。貫通孔１２４よりもザグリ孔１２５の径を大きくすることで、燃料通路Ｓ１からの燃料をスムースに貫通孔１２４に流すことは可能である。しかしながら磁気回路１４０により発生する磁気吸引力はザグリ孔１２５の深さｈが大きくなるほど低下する。一例として吸引力の低下を許容できる深さｈは２０〜１００μｍである。よって実際のザグリ孔は図７に示すほど深くはできず、燃料をスムースに貫通孔１２４に流すことは難しい。また貫通孔１２４をアンカーの外周側に配置しているため、磁気回路１４０の磁路断面積を減少させ、磁気吸引力のさらなる低下を引き起こす。
【００５２】
以上より、本発明の形状を適用すると、磁気応答性向上させるために、固定コアやアンカー凸部衝突面の形状を最適化させた場合でも、燃料通路をアンカー内側に配置でき、流路面積の減少を防止できる。またアンカーの外径側に固定コアとの衝突面がある場合でも、衝突面を分断し、固定コアとアンカーの貼り付き力を低減し、閉弁遅れ時間を短縮できるため、燃料噴射量精度を向上させることができる。
【００５３】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではない。また、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
【００５４】
例として、本発明では燃料噴射弁に使用される燃料について特に述べていないが、ガソリン、軽油、アルコール等、内燃機関に使用される燃料すべてにおいて適用することができる。これは、本発明が流体の有する粘性抵抗の観点に立脚して為されているためである。どのような燃料を用いたとしても粘性抵抗は存在し、本発明の原理が適用できるため、効果を発揮することができる。また実施例中の図１−図７ではアンカーに円形のザグリ孔や貫通孔を設けているが、燃料通路という観点から必ずしも円形に限定されず、他の形状であっても本発明の原理は適用できる。
【符号の説明】
【００５５】
２２ ノズルホルダ小径筒状部
２３ ノズルホルダ大径筒状部
３９ 弁座
４３Ａ コネクタ
５４ 調整子
１０１ ノズルホルダ
１０２ アンカー
１０３ ハウジング
１０４、１０５ 電磁コイル
１０７ 固定コア
１０７Ｄ 固定コア貫通孔（燃料通路）
１０７Φ 固定コア燃料通路内径仮想位置
１０９ 導体
１１０ スプリング
１１２ ゼロスプリング
１１３ ロッドガイド
１１４ 可動子
１１４Ａ プランジャロッド
１１４Ｂ 弁体
１１４Ｃ プランジャロッド頭部
１１５ ガイド部材
１１６ オリフィスカップ
１１７Φ プランジャロッド頭部スプリング受け座外径位置
１１８、１２６、Ｓ１ 燃料通路
１２１ 樹脂成形体
１２２ アンカー上端面
１２７ ガイド孔
１２８、１７０、１７１、１７２、１７３ 貫通孔
１２９ 段付き部
１３０ サイドギャップ（燃料通路）
１３１ スプリングガイド用突起
１３２ 固定コアテーパ
１３４ プランジャロッド頭部外周エッジ
１４０ 磁気通路
１５０、１５１、１５２、１５３ ザグリ孔
１６０、１６１、１６２、１６３、１６４ アンカー衝突端面（接触面）
Ｄ 固定コア燃料通路直径
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状のアンカー、前記アンカーの中心部に位置するプランジャロッド及び前記プランジャロッドの先端に設けられた弁体を含んで構成される可動子と、中心部に燃料を導く燃料導入孔を有する固定コアと、前記アンカーの端面と前記固定コアの端面との間に設けられた磁気ギャップを含む磁気通路に磁束を供給する電磁コイルとを備え、前記磁気ギャップを通る磁束によって前記アンカーの端面と前記固定コアの端面との間に生起された磁気吸引力で前記アンカーを前記固定コア側に引き付けて前記可動子を駆動し、前記弁体を弁座から引き離して燃料通路を開く燃料噴射弁において、
前記アンカーに、前記固定コアとの対向面側から反対側まで貫通する貫通穴を、大径部と小径部とを有するように形成し、前記大径部は前記小径部に対して前記固定コア側に位置し、かつ前記大径部の中心軸は前記小径部の中心軸に対して前記アンカーの外周側にオフセットしていることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料噴射弁において、
前記固定コアは、アンカーと対向する端部の内径にテーパを有することを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料噴射弁において、
アンカーのコアとの対向面側に環状の衝突突起があり、その衝突突起を分断するように貫通孔の大径部が配置されたことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料噴射弁において、
貫通孔の大径部の深さがアンカーのコアとの対向面側にある環状の衝突突起の頂点から２０〜１００μｍの範囲にあることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料噴射弁において、
前記大径部の中心と前記小径部の中心とは前記アンカーの中心軸を横切り径方向に伸びる直線上に位置することを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項１】
円筒状のアンカー、前記アンカーの中心部に位置するプランジャロッド及び前記プランジャロッドの先端に設けられた弁体を含んで構成される可動子と、中心部に燃料を導く燃料導入孔を有する固定コアと、前記アンカーの端面と前記固定コアの端面との間に設けられた磁気ギャップを含む磁気通路に磁束を供給する電磁コイルとを備え、前記磁気ギャップを通る磁束によって前記アンカーの端面と前記固定コアの端面との間に生起された磁気吸引力で前記アンカーを前記固定コア側に引き付けて前記可動子を駆動し、前記弁体を弁座から引き離して燃料通路を開く燃料噴射弁において、
前記アンカーに、前記固定コアとの対向面側から反対側まで貫通する貫通穴を、大径部と小径部とを有するように形成し、前記大径部は前記小径部に対して前記固定コア側に位置し、かつ前記大径部の中心軸は前記小径部の中心軸に対して前記アンカーの外周側にオフセットしていることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料噴射弁において、
前記固定コアは、アンカーと対向する端部の内径にテーパを有することを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料噴射弁において、
アンカーのコアとの対向面側に環状の衝突突起があり、その衝突突起を分断するように貫通孔の大径部が配置されたことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料噴射弁において、
貫通孔の大径部の深さがアンカーのコアとの対向面側にある環状の衝突突起の頂点から２０〜１００μｍの範囲にあることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料噴射弁において、
前記大径部の中心と前記小径部の中心とは前記アンカーの中心軸を横切り径方向に伸びる直線上に位置することを特徴とする燃料噴射弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−７２２９８（Ｐ２０１３−７２２９８Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１００８７（Ｐ２０１１−２１００８７）
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]