JP4045209B2

JP4045209B2 - 電磁式燃料噴射弁

Info

Publication number: JP4045209B2
Application number: JP2003175681A
Authority: JP
Inventors: 賢一郡司; 正文中野; 清隆小倉
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2023-06-20
Also published as: JP2005009424A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁式燃料噴射弁に係り、特に、内燃機関用として好適な筒内直接燃料噴射方式の電磁式燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電磁式燃料噴射弁は、例えば特表２００３−５１１６０４号公報に記載のように、可動子のストローク量に関する構成部品として、可動子は弁ニードルに溶接されたフランジと保持フランジとで構成され、弁ニードルと一体化されている。
【０００３】
一方、可動子のストローク量を規制する衝突部は内極の端面と弁座面であり、内極と外極は非電磁的な結合構成部材で結合され、更に外極の先端には弁座体を有するノズル本体が調節プレートを介してねじ止め固定されており、可動子の衝突部を構成している。
【０００４】
上記構成において、一般的に磁気回路の関係から、可動子，内極及び外極はフェライト系磁気ステンレス鋼が用いられ、内極と外極を結合する結合構成部材にはオーステナイト系ステンレス鋼が用いられる。また、弁ニードル，弁座体及びノズル本体にはマルテンサイト系ステンレス鋼が用いられる。
【０００５】
【特許文献１】
特表２００３−５１１６０４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、オーステナイト系ステンレス鋼である結合構成部材で内極と外極を結合しており、弁ニードルと結合された可動子と比較して熱膨張の点について配慮されておらず、燃料の温度変化や使用環境での温度変化でストローク量が変化し、燃料噴射量が変化するという問題があった。
【０００７】
また、磁性材であるマルテンサイト系ステンレス鋼の弁ニードルと可動子が接触していることから、弁ニードルに磁気が洩れることについて配慮がされておらず、可動子の開弁が遅れる問題があった。
【０００８】
本発明は、燃料の温度や使用環境の温度が変化してもストローク量がほとんど変化しない電磁式燃料噴射弁を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明は、可動コアから弁体に磁気が洩れることを防止し、可動子の開弁時間を短縮することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の電磁式燃料噴射弁は、弁体とフェライト系磁性ステンレス鋼からなる可動コアとを有する可動子と、電磁コイルと、フェライト系磁性ステンレス鋼からなり前記電磁コイルの励磁により前記可動子を開弁側に磁気吸引する磁気回路を構成するヨーク，ハウジング，コアとを有し、前記ハウジングと前記コアとの間は非磁性若しくは弱磁性のシールリングにより油密に結合され、前記ハウジングの先端には弁座を備えたノズルが結合されており、前記可動子は前記コアの端面と前記弁座とに衝突することでストローク量が決定される電磁式燃料噴射弁であって、前記弁体と前記可動コアとを前記シールリングと同じ非磁性若しくは弱磁性の材質でできたジョイントで結合し、前記可動子の軸方向の熱膨張量と前記弁座から前記コアの端面までの軸方向の熱膨張量とを近似させたものである。
このとき、前記ジョイントと前記シールリングとはオーステナイト系ステンレス鋼であり、前記ノズル，前記弁座部材及び前記弁体はマルテンサイト系ステンレス鋼であればよい。
また、前記可動子の温度変化によるストロークの変化量を１μｍ／１００℃以下になるように前記可動子の軸方向の熱膨張量と、前記弁座から前記コアの端面までの軸方向の熱膨張量とを近似させるとよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
上述の目的の１つは、ノズル内に配置された可動子を電磁力により付勢し、燃料の吐出量を制御してなる電磁式燃料噴射弁であって、前記可動子を構成する部品の総和の軸方向熱膨張量と、前記可動子の周囲を覆って外套部材を構成する部品の総和の軸方向熱膨張量とを近似させることにより達成される。
【００１２】
本発明の好ましくは、可動子は弁体と可動コアから構成され、両者間はジョイントで結合されていることにより達成される。
【００１３】
本発明の好ましくは、可動子は弁体と可動コアから構成され、両者間は１部材以上の連結部品を介して結合されていることにより達成される。
【００１４】
本発明の好ましくは、可動子のストローク量の規制は、弁座とコアの端面で行われ、前記弁座とコアの端面までは、少なくとも弁座部材，ノズル，ハウジング，シールリング及び前記コアで構成され、機械的に油密に結合されていることにより達成される。
【００１５】
本発明の好ましくは、ジョイントは可動コアと前記弁体に結合され、軸方向長さ及び前記結合位置の間隔を調整することにより前記可動子と前記弁座から前記コアの端面までの熱膨張量を近似させることにより達成される。
【００１６】
本発明の好ましくは、シールリングはコアとハウジングに結合され、軸方向長さ及び前記結合位置の間隔を調整することにより可動子と弁座から前記コアの端面までの熱膨張量を近似させることにより達成される。
【００１７】
本発明の好ましくは、ジョイントとシールリングの線膨張係数の差が３×10^-6／℃以下の材料であり、ヨーク，ハウジング，コア及び可動コアの線膨張係数の差が３×１０^-6／℃以下の材料であり、更にノズル，弁座部材及び弁体の線膨張係数の差が２×１０^-6／℃以下の材料から構成することにより達成される。
【００１８】
本発明の好ましくは、ジョイントとシールリングはオーステナイト系ステンレス鋼であり、ヨーク，ハウジング，コア及び可動コアはフェライト系磁性ステンレス鋼であり、ノズル，弁座部材及び弁体はマルテンサイト系ステンレス鋼であることにより達成される。
【００１９】
上述の目的の一つは、弁体と可動コアを非磁性若しくは弱磁性のジョイントで結合した可動子と、電磁コイルと、前記電磁コイルの励磁により前記可動子を開弁側に磁気吸引する磁気回路を構成するヨーク，ハウジング，コアとを有し、前記ハウジングと前記コアとの間は非磁性若しくは弱磁性のシールリングにより油密に結合され、前記ハウジングの先端には弁座を備えたノズルが結合されており、可動子は前記コアの端面と弁座とに衝突することでストローク量が決定される電磁式燃料噴射弁であって、
前記可動子の温度変化によるストロークの変化量を１μｍ／１００℃以下になるように可動子の軸方向の熱膨張量と、前記弁座から前記コアの端面までの軸方向の熱膨張量とを近似させたことにより達成される。
【００２０】
上述の目的の一つは、ノズル内に配置された可動子を電磁力により付勢し、燃料の吐出量を制御してなる電磁式燃料噴射弁であって、前記可動子は前記弁体と可動コア及び前記弁体と可動コアとを結合するジョイントから構成されおり、前記弁体と前記可動コアは前記ジョイントにより磁気的に遮断されていることにより達成される。
【００２１】
本発明の好ましくは、前記ジョイントは非磁性若しくは弱磁性の材料から構成されることにより達成される。
【００２２】
本発明の好ましくは、前記ジョイントはオーステナイト系ステンレス鋼から構成されることにより達成される。
【００２３】
図１〜図５を用いて、本発明の一実施形態による電磁式燃料噴射弁の構成について説明する。
【００２４】
図１は、本発明の一実施形態による電磁式燃料噴射弁の全体構成を示す縦断面図である。
【００２５】
電磁式燃料噴射弁本体１は、コア２，ヨーク３，ハウジング４，可動子５からなる磁気回路，磁気回路を励磁するコイル６、及びコイル６に通電する端子ボビン７から構成されている。コア２とハウジング４の間にはシールリング８が結合され、コイル６に燃料が流入するのを防いでいる。
【００２６】
ハウジング４の内部にはバルブ部品が収納され、可動子５，ノズル９，可動子５のストローク量を調整するリング１０が配置されている。可動子５は、弁体
１１と可動コア１２をジョイント１３で結合したものであり、可動コア１２とジョイント１３の間にはパイプ１８と共同して可動子５が閉弁した時のバウンドを抑えるプレート１４を備えている。
【００２７】
外套部材を構成する前記ハウジング４とノズル９は前記可動子５の周囲を覆ってなり、ノズル９は、先端に弁座１５ａ，オリフィス１５ｂを有する弁座部材
１５と、ガイドプレート１６と共に可動子５を摺動可能にガイドし燃料に旋回力を与えるスワラー１７を備えている。
【００２８】
コア２の内部には弁体１１を弁座１５ａにパイプ１８とプレート１４を介して押圧するスプリング１９，スプリング１９の押圧荷重を調整するアジャスタ２０，外部からのコンタミの進入を防ぐフィルター２１が配置されている。
【００２９】
以上のように構成された電磁式燃料噴射弁本体１の動作について説明する。コイル６に通電すると、可動子５がスプリング１９の付勢力に抗してコア２の方向に吸引され、可動子５の先端の弁シート部１１ａと弁座１５ａとの間に隙間ができる（開弁状態）。加圧されている燃料はまずコア２，アジャスタ２０，パイプ１８から可動子５内の燃料通路１３ａ経てノズル９内に入る。次にガイドプレート１６の燃料通路１６ａ，ノズルの通路９ａから、スワラー１７の通路１７ａ，１７ｂに入り、スワラー１７の旋回溝１７ｃによって旋回力を与えられる。旋回力を与えられた燃料は弁シート部１１ａと弁座１５ａの隙間からオリフィス15ｂを経て噴射される。
【００３０】
一方、コイル６の電流を遮断した場合には、可動子５の弁シート部１１ａがスプリング１９の力で弁座１５ａに当接し、閉弁状態となる。
【００３１】
次に、電磁式燃料噴射弁本体１を構成する主要部品の材質について説明する。
【００３２】
磁気回路を構成しているコア２，ヨーク３，ハウジング４，可動コア１２は、磁気特性を考慮してフェライト系磁性ステンレス鋼を使用している。シールリング８はハウジング４からシールリング８を介してコア２に磁束が漏洩するのを防止するために非磁性若しくは弱磁性のオーステナイト系ステンレス鋼を使用しており、磁束がハウジング４から可動コア１２を通ってコア２に効率良く流れるようにしている。
【００３３】
弁体１１，弁座部材１５の材料は、弁シート部１１ａと弁座１５ａが衝突するために耐摩耗性が必要であり、マルテンサイト系ステンレス鋼を焼入れしている。また、コア２の端面２ａと可動コア１２の端面１２ａも衝突面であり耐摩耗性が要求される。しかし、磁気回路を構成するため焼入れ材は使用できない。このため硬質クロムめっきを施し、衝突時の耐磨耗性を確保している。
【００３４】
ノズル９はハウジング４と塑性結合されるため、塑性流動の応力で結合溝９ｂが変形しないように焼入れが可能なマルテンサイト系ステンレス鋼を使用している。本実施例では塑性結合するためマルテンサイト系ステンレス鋼を使用しているが、電磁式燃料噴射弁の機能上マルテンサイト系ステンレス鋼に限らず全ての材料が使用可能である。
【００３５】
図２，図３を元に電磁式燃料噴射弁本体１のストローク量について説明する。図２は可動弁５の軸方向のストローク量（動き量）を規制するコア２の端面２ａから弁座１５ａを示す縦断面図であり、説明上可動子５は取り除いている。図３は可動子５の拡大図である。
【００３６】
電磁式燃料噴射弁本体１のストローク量は、可動子５の軸方向の衝突面を構成するコア２の端面２ａと弁座部材１５の弁座１５ａとの間のＡ寸法と、可動子５のＢ寸法との差であり、ストローク量＝Ａ−Ｂで表され、リング１０の厚みを調整することで所定のストローク量にしている。
【００３７】
ところで、電磁式燃料噴射弁本体１の使用環境を考えると、外気温度の変化やコイル６による発熱、筒内直接燃料噴射による燃焼温度の影響等で電磁式燃料噴射弁本体１は熱変形する。例えば筒内直接燃料噴射の場合、燃焼温度の影響でノズル９は約１００℃になる。このため、Ａ寸法を構成している部品とＢ寸法を構成している部品の熱膨張率が異なるとストローク量が変化し、燃料の噴射量が変化する原因となる。
【００３８】
各部品の線熱膨張係数が同一なら熱変形の影響はないが、先に記載したように材質は機能上制約されるため線熱膨張係数を同じにすることはできない。また、各部品の軸方向長さも機能上制約されるものが多い。このため、設計自由度のある弁体１１の長さを短くして、可動コア１２と弁体１１の間に熱膨張を調整できる部品を挿入した。具体的には可動子５を可動コア１２と弁体１１とジョイント１３の３部材から構成し、ジョイント１３をオーステナイト系ステンレス鋼とすることで熱膨張率を合わせる構造にした。
【００３９】
実施例ではコア２，ハウジング４，可動コア１２を同じフェライト系磁性ステンレス鋼(線熱膨張係数α１＝１２.５×１０^-6）とし、ノズル９，弁座部材１５，弁体１１を同じマルテンサイト系ステンレス鋼(線熱膨張係数α２＝１０.８×１０^-6）とした。また、シールリング８とジョイント１３を同じオーステナイト系ステンレス鋼(線熱膨張係数α３＝１７.８×１０^-6）にした。総和の軸方向の熱膨張量は下記のようにして、算出できる。
【００４０】
Ａ寸法の熱膨張量ΔＡは、温度変化をΔＴとして、
ΔＡ＝（Ｌ１×α２＋Ｌ２×α１＋Ｌ３×α３−Ｌ４×α１）×ΔＴ
で表される。
【００４１】
Ｂ寸法の熱膨張量ΔＢは、
ΔＢ＝（Ｌ５×α１＋Ｌ６×α２＋Ｌ７×α３）×ΔＴ
で表される。
【００４２】
ここでＬ１からＬ５寸法は機能上制約されるため、ΔＡは決定してしまう。そこでジョイント１３の長さを調整し、Ｌ６とＬ７寸法の兼ね合いでΔＢをΔＡと合わせた。
【００４３】
尚、３０，３１，３２，３３，３４は溶接継ぎ目であり、結合溝９ｂはハウジング４とノズル９の塑性結合位置になる。
【００４４】
図４は温度変化とストローク量の変化の関係を示した図である。横軸に温度の変化量を示し、縦軸はＡ寸法とＢ寸法の熱膨張の違いによるストローク量の変化を示している。
【００４５】
従来の可動子の構造では、フェライト系磁気ステンレス鋼である可動子とマルテンサイト系ステンレス鋼である弁ニードルで構成されるため、図４に示す従来品のように、温度が１００℃変化するとストローク量の変化は約４μｍになる。たとえばストローク量を４０μｍに設定すると熱膨張で１０％変化することになり、燃料噴射量もほぼ１０％変化してしまう。
【００４６】
一方、本実施例では温度が１００℃変化してもストローク量の変化は約０.２μｍに低減でき、燃料噴射量の変化をほぼ０％にできる。
【００４７】
また、ジョイント１３を非磁性のオーステナイト系ステンレス鋼にしたことにより可動コア１２から弁体１１への磁束の漏洩を防止できるため、吸引時の磁気回路の効率を向上でき、可動子５が開弁する時間を短縮することができる。
【００４８】
図５は可動子５の第２の実施例である。可動子４０は可動コア４１と弁体４２とロッド４３で構成され、可動コア４１とロッド４３を溶接継ぎ目４４で溶接し、また、ロッド４３と弁体４２を溶接継ぎ目４５で溶接している。この場合ロッド４３をオーステナイト系ステンレス鋼として、ロッド４３の長さ及び溶接継ぎ目４５の位置を調整することで図２のＡ寸法とＢ２寸法の熱膨張量を合わせている。
【００４９】
尚、Ｌ５，Ｌ６，Ｌ７は図３と同じ符号としている。
【００５０】
電磁式燃料噴射弁の温度変化で、可動子のストローク量が変化することによる燃料噴射量の誤差を外部から電子的に制御して調整するやり方もあるが、上記実施例によれば、電子制御に頼らず燃料噴射弁そのものでできるので汎用性に優れ、内燃機関の仕様に合わせてその都度回路調整を行う煩わしさがなくなる利点がある。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、ハウジングとコアとの間が非磁性若しくは弱磁性のシールリングにより油密に結合され、可動子のストローク量がコアの端面と弁座とに衝突することで決定される電磁式燃料噴射弁にあって、弁体と可動コアとをシールリングと同じ非磁性若しくは弱磁性の材質でできたジョイントで結合し、可動子の軸方向の熱膨張量と弁座からコアの端面までの軸方向の熱膨張量とを近似させることで、燃料の温度変化や使用環境の温度変化がある場合でもストロークの変化が無く一定した流量特性を得られる効果がある。
【００５２】
本発明は、可動子の温度変化によるストロークの変化量を１μｍ／１００℃以下になるように可動子の軸方向の熱膨張量と、前記弁座から前記コアの端面までの軸方向の熱膨張量とを近似させたことにより、燃料の温度変化や使用環境の温度変化がある場合でもストロークの変化が無く、可動子の開閉弁する時間を一定にできる効果がある。
【００５３】
本発明は、可動コアから弁体への磁束の漏洩を無くせるため、可動子の開弁する時間を短縮できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による電磁式燃料噴射弁の全体構成を示す縦断面図。
【図２】可動弁の軸方向のストローク量を規制するコアの端面から弁座を示す縦断面図。
【図３】可動子の拡大を示す縦断面図。
【図４】本発明の第１実施例による可動子を採用した場合の温度変化とストローク量の関係と、従来の方法を採用した場合の温度変化とストローク量の変化を比較したグラフ。
【図５】可動子の第２の実施例を示す縦断面図。
【符号の説明】
１…電磁式燃料噴射弁本体、２…コア、３…ヨーク、４…ハウジング、５…可動子、８…シールリング、９…ノズル、１１…弁体、１２…可動コア、１３…ジョイント、１５…弁座部材。

Claims

弁体とフェライト系磁性ステンレス鋼からなる可動コアとを有する可動子と、電磁コイルと、フェライト系磁性ステンレス鋼からなり前記電磁コイルの励磁により前記可動子を開弁側に磁気吸引する磁気回路を構成するヨーク，ハウジング，コアとを有し、前記ハウジングと前記コアとの間は非磁性若しくは弱磁性のシールリングにより油密に結合され、前記ハウジングの先端には弁座を備えたノズルが結合されており、前記可動子は前記コアの端面と前記弁座とに衝突することでストローク量が決定される電磁式燃料噴射弁であって、
前記弁体と前記可動コアとを前記シールリングと同じ非磁性若しくは弱磁性の材質でできたジョイントで結合し、前記可動子の軸方向の熱膨張量と前記弁座から前記コアの端面までの軸方向の熱膨張量とを近似させたことを特徴とする電磁式燃料噴射弁。
請求項１に記載の電磁式燃料噴射弁において、前記ジョイントと前記シールリングとはオーステナイト系ステンレス鋼であり、前記ノズル，前記弁座部材及び前記弁体はマルテンサイト系ステンレス鋼であることを特徴とする電磁式燃料噴射弁。
請求項１又は２に記載の電磁式燃料噴射弁において、
前記可動子の温度変化によるストロークの変化量を１μｍ／１００℃以下になるように前記可動子の軸方向の熱膨張量と、前記弁座から前記コアの端面までの軸方向の熱膨張量とを近似させたことを特徴とする電磁式燃料噴射弁。