JP2018123720A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関に用いる燃料噴射装置において、閉弁時に発生する弁体のバウンドを低減する。【解決手段】弁座と接触してシールする弁体と、前記弁体を駆動する前記可動鉄心と、前記可動鉄心に対向して配置された固定鉄心と、を備えた燃料噴射装置において、前記弁座の密度に対して前記弁体の密度が小さくなるように構成される。【選択図】 図７

Description

本発明は、燃料噴射装置に関する。

本発明の従来技術として特許文献１（特開２０１０−１４１２４号公報）に記載のものがある。この特許文献１に示すように、コイルへの通電によって発生する磁気吸引力を用いて噴孔からの燃料を噴射する燃料噴射装置が公知である。このような燃料噴射装置では、コイルに通電すると、固定鉄心と可動鉄心との間に磁気吸引力が発生する。また可動鉄心と一体となった弁体は、可動鉄心と固定鉄心の間に発生した磁気吸引力によって可動鉄心が固定鉄心側に引き寄せられ、弁体に力を伝達し、弁体を弁座とは離間する方向に運動させる。そして一体となった可動鉄心および弁体は、固定鉄心と衝突することにより移動が規制され、停止位置が決定される。

この場合、弁体と一体の可動鉄心が固定鉄心に衝突し、衝突の衝撃によって可動鉄心は固定鉄心から跳ね返る。コイルへの通電を中止すると、可動鉄心と固定鉄心の間に作用している磁気吸引力が消失し、弁体に付勢された弾性部材の弾性力よりも小さくなると、弁体は弁座側、すなわち閉弁方向運動を開始する。弁体および可動鉄心は、弁体と弁座が衝突することにより、移動が規制され、静止位置が決定される。この場合、弁体は弁座に衝突するため衝突の衝撃によって弁体は弁座と離間する方向に運動し、弁体と弁座の間に隙間が生じた場合、制御不能な燃料として、噴射孔から外部に噴射される。

このような制御不能な燃料の噴射を抑制するために特許文献１に開示されているように、可動鉄心と弁体とを別体にする構成が提案されている。

特開２０１０−１４１２４号公報

従来技術のように、コイルへの通電と非通電を切り替えて、弁体を開閉する燃料噴射装置において、閉弁時、弁体と弁座の衝突による弾性変形によって、弁体のバウンドが生ずる場合がある。

そこで本発明は、弁体と弁座の衝突時の弾性変形によって生ずるバウンドを低減することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の燃料噴射装置１００は、弁座１０２と接触してシールする弁体１０１と、弁体１０１を駆動する可動鉄心１０６と、前記可動鉄心に対向して配置された固定鉄心と、を備え、弁座１０２の密度に対して弁体１０１の密度が小さくなるように構成されている。

これにより、弁体１０１が軽量となるため、弁体１０１が閉弁した際に弁座１０２に衝突する際の運動エネルギを低減できる。このため、弁体１０１が閉弁して弁座１０２に衝突した際の弁座１０２の変形量を小さくすることができる。このため、弁座１０２の変形から復元力によって元形状に戻る際に弁体１０１が受け取る弾性エネルギは小さくなり、弁体１０１が弁体１０２から離れた後の弁体１０１のバウンド量は低減することが可能となる。

本発明の第一実施例に係る燃料噴射装置の実施形態を示す断面図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射装置の弁体のバウンド時の挙動を示した図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射装置の弁体のバウンド時の運動を示した図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射装置の弁体のバウンド時の挙動を示した図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射装置の実施形態を示す弁体の断面図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射装置の実施形態を示す弁体の断面図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射装置の弁体と弁座との密度比に対する弁体のバウンド量とバウンドの低減率を示した図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射装置の弁体のバウンド時の挙動を示した図である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図１は、本発明にかかる燃料噴射装置の例として、電磁式燃料噴射装置の例を示す断面図である。なお、本実施例では燃料噴射装置と呼んでいるが、これを燃料噴射弁と呼んでも良く、あるいはインジェクタと呼んでも構わない。

図１において、燃料は燃料供給口１１２から供給され、燃料噴射装置の内部に供給される。電磁式燃料噴射装置１００は、内部に弁体１０１を有し、弁体１０１の対向する位置には、弁座１０２が設けられている。弁座１０２には、図示してない燃料噴射孔を有している。また弁体１０１は、上流側につば部１１３を有し、つば部１１３に接するようにスプリング１１０が設けられ、弁体１０１はつば部１１３に設けられた付勢力の伝達面１１４を介して、閉弁方向に付勢されている。さらに弁体１０１は、弁座１０２と接触してシール座を形成するシート部１１５を有しており、コイル１０８に通電がないときには、弁体１０１はスプリング１１０によって弁座１０２に押し付けられ、燃料をシールする構造となっている。

なお本発明の説明において、燃料噴射装置１００の軸方向に対して燃料供給口側を上流側、弁座側を下流側として説明する。

図１に示したコイル１０８に通電されると、電磁弁の磁気回路を構成する固定鉄心１０７、ヨーク１０９、可動鉄心１０６に磁束を生じて、空隙のある固定鉄心１０７と可動鉄心１０６の間に磁気吸引力を生じる。磁気吸引力が、スプリング１１０の付勢力と燃料圧力による力よりも大きくなると、弁体１０１は可動鉄心１０６によって固定鉄心１０７側に吸引され、開弁状態となる。

一方で、コイル１０８への通電が中止されると、固定鉄心１０７内に生じていた磁束が消滅し、可動鉄心１０６に作用していた磁気吸引力も減少し、やがて消滅する。この結果、弁体１０１に作用する付勢スプリング１１０の力が、可動鉄心１０６に作用している磁気吸引力より大きくなると、弁体１０１は下流側に変位し、弁体１０１とシート部材１０２とが接触し、閉弁状態となる。

以上が電磁式燃料噴射装置の基本的な動作を説明したものである。燃料噴射装置は、コイル１０８への通電時間を制御することで、弁体１０１が開状態にある時間を制御して、燃料噴射量の制御を行うようになっている。

しかし、このようにコイル１０８への通電と非通電を切り替えて、弁体１０１を開閉する燃料噴射装置において、閉弁時、弁体１０１と弁座１０２の衝突による弾性変形によって、弁体１０１のバウンドが生ずる場合がある。

ここで、燃料噴射装置における弁体のバウンドが生じる現象について図２、３を用いて説明する。図２におけるＤ１は弁体１０１のつば部１１３の変位を示しており、Ｄ２は弁体のシート部１１５の変位を示している。

図２および図３に示すように、時刻Ｔ１で弁座１０２に衝突した弁体のつば部１１３およびシート部１１５は、ともに弁座１０２方向に運動する。その後、時刻Ｔ２において弁体のつば部１１３の変位が最小となり、衝突直前に蓄えられた運動エネルギは、弁体１０１の弾性エネルギへと変換される。

弁体１０１のつば部１１３の変位が最小となった後は、つば部１１３は弁座１０２から離間する方向すなわち、開弁方向へと運動を開始する。つば部１１３は、スプリング１１０の付勢力や、シート部１１５の近傍に作用する燃料圧力によるつり合いの位置、時刻Ｔ３で最大速度を迎え、弁体１０１の伸縮に伴う復元力とシート部１１５での慣性による力により、シート部１１５は弁座１０２から離間し、時刻Ｔ４においてバウンシングが発生する。バウンド量は、シート部１１５と弁座１０２の軸方向の距離Ｇ１である。可動鉄心１１３を分割していることで、弁体１０１の初期エネルギを低減させることは可能であるが、弁体１０１の伸縮によって発生するバウンシング現象の抑制はすることはできず、弁体１０１の伸縮に伴ったバウンドの低減が課題となっていた。

そして、本発明者らは鋭意検討の末、弁体１０１の衝突時に生じた弁座１０２の弾性変形に起因する復元力および弁体１０１の伸縮によって発生するバウンシング現象の抑制はすることはできず、弁座１０２の復元力と弁体１０１の伸縮に伴ったバウンドを低減させることが必要であることを突き止めた。

以上より、本発明が解決すべき課題は、弁体１０１と弁座１０２の衝突時の弾性変形によって生ずるバウンドを低減することである。この課題を解決するための本実施例の燃料噴射装置について以下、説明する。

＜請求項１の内容＞
本実施例の燃料噴射装置１００は、弁座１０２と接触してシールする弁体１０１と、弁体１０１を駆動する可動鉄心１０６と、前記可動鉄心に対向して配置された固定鉄心と、を備えた。そして、本実施例では、弁座１０２の密度に対して弁体１０１の密度が小さくなるように構成されるように構成した。

＜請求項１の作用、効果＞
これによる本実施例の作用、効果を図４に基づいて説明する。図４のＲ１およびＲ２は、弁体１０１と弁座１０２との衝突解析を行った際に得られた弁体１０１のシート部１１５の衝突後の変位を示している。Ｒ１は本実施例を用いていない弁体１０１を使用した場合の変位、Ｒ２は、弁体１０１の密度を３分の１とした場合の変位を示している。なお、今回はＲ２としてアルミニウム合金（密度：Ｒ１の３分の１、剛性：Ｒ１の３分の１）を使用した際の変位を示している。

また、Ｌ１、Ｌ２は弁体１０１が弁座１０２に衝突した際に、衝突位置から弁座１０２の弾性変形によって下流側に進んだ最大値である。つまり、弁体１０１は弁座１０２に衝突した後に、弁座１０２の弾性変形により下流側にめりこむことになる。この弁体１０１の弁座１０２へのめりこみにより、弁座１０２が上流側に復元しようとする力が働き、これにより、弁体１０１の上流側へのバウンド量が大きくなる。実際には、Ｌ３、Ｌ４は弁座１０２から弁体１０１が衝突後に離れて上流側にバウンドしたバウンド量の最大値である。

そこで本実施例では、図４に示すように、弁体１０１の密度を小さくすることで弁体１０１を軽量とするものである。これにより、弁体１０１と弁座１０２の衝突時の運動エネルギを低減することができる。したがって、衝突後の弁座１０２の変形量に対応する弁体１０１の下流側方向へ進んだ変位量を図４のように小さくすることが可能である（Ｌ２→Ｌ１）。

これにより、弁座１０２の変形から復元力によって元形状に戻る際に弁体１０１が受け取る弾性エネルギは小さくなり、図４に示すように弁体１０１が弁体１０２から離れた後の衝突後の弁体１０１の上流側へのバウンド量は低減することが可能となる（Ｌ４→Ｌ３）。したがって、閉弁完了タイミングのばらつきを抑えることができるため、精度良く燃料噴射量を制御することができる。

＜請求項２、３の内容、作用効果＞
図５は本実施例の弁体１０１の具体的な構成を示す。図５左図に示す弁体１０１ａは燃料供給口側を上流側、弁座１０２の側を下流側としたとき、上流側の弁体上部２０１と接触してシールするシール部２０２とで構成される。なお、図５右図の弁体１０１ｂに示すように、弁体上部２０１と弁体先端部２０２とは一体で構成しても構わない。

図５左図に示す弁体１０１ａは、弁座１０２と接触してシールするシール部２０２と接合されて一体で形成される弁体上部２０１で構成され、弁体上部２０１の密度が、一部分でも弁座１０２の密度よりも小さく構成される。

本構成の弁体１０１（１０１ａ、１０１ｂ）においても、弁体先端部２０２を含む弁体１０１（１０１ａ、１０１ｂ）の全体は軽量となるため、弁座１０２との衝突の際の運動エネルギは小さくなり、衝突後の弁座１０２の弾性変形に伴う弾性エネルギは小さくなり、弁体１０１（１０１ａ、１０１ｂ）のバウンドは低減される。

また、本構成の弁体１０１（１０１ａ、１０１ｂ）のシール部２０２と弁体上部２０１の密度が、弁座１０２の密度よりも小さく構成された場合には、弁体上部２０１のみの密度を小さくする場合に比べて、より大きなバウンド低減効果が得られる。

＜請求項４の内容、作用効果＞
また、弁座１０２と接触してシールするシール部と接合されて一体で形成される弁体上部２０１で構成される弁体１０１ａの弁体上部２０１の密度はシール部２０２よりも小さいことが望ましい。これは、弁体上部２０１は、シール部２０２よりも体積が大きいために、弁体全体を軽量化することができる。このことから、弁体１０１が弁座１０２と衝突する際の運動エネルギを低減させることができ、弁体１０１のバウンドを抑制することが可能となる。

＜請求項５の内容、作用効果＞
なお、図６に示すように弁体１０１aが弁座１０２と接触してシールする部位がボール形状部３０１と接合されて一体で形成される部位以外が棒形状部３０２で構成されるものでも、同様の効果・作用が得られる。また、本形状の場合、製造コストを抑制することが可能となる。

＜請求項６の内容、作用効果＞
なお、本実施例では、弁体１０１の密度が弁座１０２の密度の約５分の４以下であることが望ましい。これによる作用、効果について図６に基づいて説明する。図７は弁体１０１と弁座１０２との密度比と弁体１０１のバウンド量、密度比とバウンドの低減率を示したものである。なお、解析を行うにあたって、解析に使用した弁体１０１の剛性は従来部材と同様の値としている図７に示すように密度比が０．８以下つまり弁座１０１の密度を弁座１０２の密度の５分の４以下とすることで、弁体のバウンド量を２割以上低減することができる。これにより、閉弁完了タイミングのばらつきを抑えることができるため、精度良く燃料噴射量を制御することができる。

＜請求項７の内容、作用効果＞
上記では、弁体１０１のバウンド低減に関して、密度について着目していたが、以降では、剛性に着目して説明する。

燃料噴射装置１００の弁座１０２の剛性に対して弁体１０１の剛性が大きくなるように構成する。弁体１０１の剛性を弁体１０２よりも大きくすることで、弁体１０１が弁座１０２閉弁の時に衝突する場合、弁体は弾性変形を起こすが、弁体１０１の剛性を弁座１０２よりも高くすることで、衝突の際の弁体１０１の弾性変形を抑制することができる。これにより、弁体１０１自身の伸縮が抑制され、弁体１０１の衝突後の伸縮が起因となる弁体バウンドを低減することができる。

＜請求項８の内容、作用効果＞
また、図５に示すような弁座１０２と接触してシールするシール部と接合されて一体で形成される弁体上部２０１で構成される弁体１０１ａで、シール部２０２以外の弁体上部２０１の剛性は弁座１０２の剛性よりも小さくなるように構成することが望ましい。これは、弁体１０１が弁座１０２に衝突した際に、弁体１０１は弾性変形を起こすが、その弾性変形によって生じた弾性エネルギを弁体上部２０１に受け渡し、弁体上部２０１での伸縮となる。これにより、弁体１０１が弁座１０２との衝突後にバウンドする際に、シール部２０２の弁座１０２との衝突後のシール部２０２の伸縮が抑制され、弁体１０１のバウンドを低減できる。

＜請求項９の内容、作用効果＞
また、図５に示すような弁座１０２と接触してシールするシール部と接合されて一体で形成される弁体上部２０１で構成される弁体１０１ａの弁体上部２０１の剛性はシール部２０２よりも小さいことが望ましい。この場合でも、弁体１０１が弁座１０２に衝突した際の弁体１０１の弾性変形によって生じた弾性エネルギは弁体上部２０１に受け渡すことができる。これにより、シール部２０２の弁座１０２との衝突後のシール部２０２の伸縮が抑制され、弁体１０１のバウンドを低減できる。

なお、図６に示すように弁体１０１aが弁座１０２と接触してシールする部位がボール形状部３０１と接合されて一体で形成される部位以外が棒形状部３０２で構成されるものでも、同様の効果・作用が得られる。また、本形状の場合、製造コストを抑制することが可能となる。

＜請求項１０の内容、作用効果＞
さらに、上記に記載した弁体１０１の密度および剛性を弁座１０２の密度および剛性よりも、密度は小さく、剛性は大きくなるように構成する。

図８は、図４の衝突後の弁体１０１のバウンドの変位Ｒ１、Ｒ２に弁体１０１の密度および剛性を弁座１０２の密度および剛性よりも密度は小さく（弁体１０１の約３分の１）、剛性は大きくした（弁体１０１の約１．５倍）場合の衝突後のバウンドの変位Ｒ３を加えたものである。Ｌ１、Ｌ２、Ｌ５は弁体１０１が衝突した際に弁座１０２の弾性変形によって下流側に進んだ最大値であり、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ６は弁座１０２から弁体１０１が衝突後に離れて上流側にバウンドしたバウンド量の最大値である。

弁体１０１の密度を弁座１０２の密度よりも小さくすることで、弁体１０１は軽量となり弁座１０２との衝突の際の衝突時の運動エネルギを低減できる。また、弁体１０１の剛性を弁座１０２の剛性よりも大きくすることで、弁体１０１の弁座１０２との衝突の際の弁体１０１の弾性変形による弁体１０１の伸縮と低減できる。

図８右図の拡大図に示すように，この２つの作用・効果によって、弁体１０１と弁座１０２との衝突後の弁体１０１の下流側方向へ進んだ変位量を図４のように小さくすることが可能である（Ｌ２→Ｌ１→Ｌ５）。これにより、弁座１０２の変形から復元力によって元形状に戻る際に弁体１０１が受け取る弾性エネルギは小さくなり、また、弁体１０１の伸縮によるバウンス量も低減できる。よって、図８左図に示すように弁体１０１の密度を弁座１０２の密度より小さくした場合のみの時や、弁体１０１の剛性を弁座１０２の剛性より大きくした場合のみの時よりも、弁体１０１が弁体１０２から離れた後の衝突後の弁体１０１のバウンド量は、さらに低減させることが可能となる（Ｌ４→Ｌ３→Ｌ６）。これにより、閉弁完了タイミングのばらつきを抑えることができるため、より精度良く燃料噴射量を制御することができる。

弁体・・・１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ
弁座・・・１０２、
可動鉄心・・・１０６、
固定鉄心・・・１０７、
コイル・・・１０８、
ヨーク・・・１０９、
スプリング・・・１１０、
燃料供給口・・・１１２、
つば部・・・１１３、
付勢力の伝達面・・・１１４
シート部・・・１１５
弁体上部・・・２０１
シール部・・・２０２
ボール形状部・・・３０１
棒状部位・・・３０２

Claims (10)

1. 弁座と接触してシールする弁体と、
   前記弁体を駆動する前記可動鉄心と、
   前記可動鉄心に対向して配置された固定鉄心と、を備えた燃料噴射装置において、
   前記弁座の密度に対して前記弁体の密度が小さくなるように構成された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、
   前記弁体は、前記弁座と接触してシールするシール部と、前記シール部と接合されて一体で形成される部位とで構成され、前記部位の密度が、前記弁座の密度よりも小さい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、
   前記弁体は、前記弁座と接触してシールするシール部と、前記シール部と接合されて一体で形成される部位とで構成され、前記シール部及び前記部位の密度が、前記弁座の密度よりも小さい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、
   前記弁体は、前記弁座と接触してシールするシール部と、前記シール部と接合されて一体で形成される部位とで構成され、前記部位の密度が、前記シール部の密度よりも小さいことを特徴とする燃料噴射装置。
5. 請求項２〜４のいずれかに記載の燃料噴射装置において、
   前記シール部はボール形状に構成され、前記シール部と接合される前記部位は棒形状で構成されることを特徴とする燃料噴射装置。
6. 請求項１に記載の燃料噴射装置において、
   前記弁体の密度は、前記弁座の密度の約５分の４以下であることを特徴とする燃料噴射装置。
7. 弁座と接触してシールする弁体と、
   前記弁体を駆動する前記可動鉄心と、
   前記可動鉄心に対向して配置された固定鉄心と、を備えた燃料噴射装置において、
   前記弁座の剛性に対して前記弁体の剛性が大きくなるように構成されたことを特徴とする燃料噴射装置。
8. 請求項７に記載の燃料噴射装置において、
   前記弁体は、前記弁座と接触してシールするシール部と、前記シール部と接合されて一体で形成される部位とで構成され、
   前記シール部と接合される前記部位の剛性が、前記弁座の剛性よりも小さいことを特徴とする燃料噴射装置。
9. 請求項７に記載の燃料噴射装置において、
   前記弁体は、前記弁座と接触してシールするシール部と、前記シール部と接合されて一体で形成される部位とで構成され、
   前記シール部の剛性が前記部位の剛性よりも大き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。
10. 請求項７に記載の燃料噴射装置において、
    前記弁座の密度に対して前記弁体の密度が小さくなるように構成されたことを特徴とする燃料噴射装置。

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