JP6186126B2 - 燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に燃料を供給するための燃料噴射弁、特に低燃費化と高出力化の両立を実現する燃料噴射弁に関する。

近年、自動車の燃費規制が強化されてきており、自動車用内燃機関には低燃費化が求められている。一方で内燃機関には高出力化も求められている。低燃費化と高出力化を同時に達成するためには、エンジンの広い運転領域に適合するために、噴射量制御範囲の拡大が必要となる。そのためには、燃料噴射部の流路断面積を決めている弁体のリフト量（ストローク）を変えられることが望ましい。

これを実現するための燃料噴射弁として、２つの可動子を有する構成が特許文献１で開示されている。

特開２００４−２２５６５９号公報

しかしながら、特許文献１では、それぞれの可動子が動かす対象が異なり、ストロークが２段にはなってはいない。

本発明の目的は、低燃費化と高出力化の両立といったエンジンの広い運転状態に必要とされる燃料噴射量の制御範囲を広げるために、弁体のストローク量を可変することが可能な燃料噴射弁を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明は次のような構成を採用する。

摺動可能に設けられた弁体と、前記弁体と協働する可動子と、前記可動子と対向する位置に設けられた固定鉄心と、環状の弁座が形成された弁座部材と、前記可動子を変位させ前記弁体を前記弁座に離着座させるコイルと、を備えてなる燃料噴射弁において、一つの前記弁体に対して複数の前記可動子が係合しているようにする。

本発明の燃料噴射弁によれば、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ことにより、エンジンの広い運転領域で最適な燃料噴射を実現する事が出来る。

本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の構造を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る第二の可動子を燃料噴射弁上方から見た図である。 本発明の実施形態に係る図１における弁体の直交方向の断面図である。 本発明の実施形態に係る第二の可動子と弁体を組合せた可動体の断面図である。 本発明の実施形態に係る第一の可動子を燃料噴射弁上方から見た上視図である。 図３ａのＡ−Ａ拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る固定鉄心部の拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る可動部の拡大図である。 本発明の実施形態に係る、小ストロークをするときの可動部の拡大図である。 本発明の実施形態に係る、小ストロークをするときの駆動電流波形及び弁体変位図である。 本発明の実施形態に係る、小ストロークの可動部の拡大図である。 本発明の実施形態に係る、大ストロークをするときの可動部の拡大図である。 本発明の実施形態に係る、大ストロークをするときの駆動電流波形である。

（実施例１）
本発明の第１の実施形態に係る燃料噴射弁について、図１〜図７を参照しながら以下に説明する。図１は本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の構造を示す断面図である。図２乃至３は本発明の実施形態に係る可動子の説明図である。図４は本発明の実施形態に係る固定鉄心部の拡大断面図である。図５は本発明の実施形態に係る可動部の拡大図である。図６は本発明の実施形態に係る、小ストロークをするときの可動部の拡大図及び駆動電流波形である。図７は本発明の実施形態に係る、大ストロークをするときの可動部の拡大図及び駆動電流波形である。

はじめに、燃料噴射弁１における全体構成と燃料の流れについて説明する。

燃料噴射弁１は、燃料を噴射する燃料噴射孔１１０’を有する噴射孔構成部材１１０、上下に駆動する弁体１０６を内包するノズル体１１１、ターミナル１１９を通じてコイル１１５へ開弁信号を与えられた場合に磁気回路１２０となる、内部固定鉄心１００、第一の可動子１０７、第二の可動子１０５、外部固定鉄心１１３、上部固定鉄心１１４から構成される。さらに、非通電時には弁体１０６へ力を作用させる、バネ止めピン１１７に上方を支持されて下方に力を発生させている上部バネ１１６と、ノズル体１１１の受け部１１１ａで支持されて、第一の可動子１０７を介して上方への力を与える下部バネ１０８によって構成されている。

図示しない燃料配管と接続されている燃料流入部１００’から流れ込んだ燃料は燃料噴射弁の中心軸１’に沿って流れ、弁体１０６の上部中心にある燃料通路１０６ａ及び径方向へ連通する横方向燃料通路１０６ｂを通りノズル体１１１と弁体１０６の間１１１’を通り、燃料噴射弁１の先端にあるガイド部材１０９の燃料通路部１０９ａを通り、弁体１０６と噴射孔構成部材１１０がシートするシート部１０６ｃに至り、通電時にはシート部１０６ｃに生じる隙間を通り、燃料噴射孔１１０’より燃料が噴射される。

次に、可動部として機能する、第一の可動子１０７、第二の可動子１０５、弁体の構成について説明する。

図２(ａ)は第二の可動子１０５を燃料噴射弁上方から見た上視図である。図２(ｂ)は図１における弁体１０６の直交方向の断面図である。図２(ｃ)は第二の可動子１０５と弁体１０６を組合せた可動体２０１の断面図である。図３(ａ)は、第一の可動子１０７を燃料噴射弁上方から見た上視図である。図３(ｂ)は、図３(ａ)のＡ-Ａ断面図である。

本発明における、第二の可動子１０５には、磁気吸引面となる円形部１０５ａと、円形部から外周へ伸びている外周延長部１０５ｂがあることが特徴である。また、弁体１０６の外径部と圧入などにより一体化するための内径孔１０５ｃが開いており、一体化した可動体２０１として動作する。

第一の可動子１０７には、内周側と外周側の固定鉄心と対となる上面１０７ｅがあり、その一部に突起部１０７ｆがある。突起部１０７ｆは、固定鉄心と第一の可動子の上面１０７ｅの間に存在する燃料による張付き力を抑制している。また、第一の可動子１０７には、可動体２０１における第二の可動子の下面１０５ｄと接し収まる中面１０７ａがある。中面１０７ａには、可動体２０１との接触時に燃料の通路となる軸方向燃料通路１０７ｃ、径方向燃料通路１０７ｄがあり、燃料による、張付き力の発生を抑制している。第一の可動子の下面１０７ｂは、下部バネ１０８と接触し、上方向の力を発生させている。また、第一の可動子１０７の中央には孔１０７ｇが開孔しており、可動体２０１における弁体１０６の外周部１０６ｄが通る。

次に、第一、第二の可動子を吸引する、固定鉄心について説明する。本発明の燃料噴射弁において、内部固定鉄心１００、外部固定鉄心１１３の間に、スペーサ１１２があることが特徴である。スペーサ１１２は、内部固定鉄心１００、外部固定鉄心１１３に対して、溶接によって接合する場合や、上方向からの荷重により潰れ部１１２ａ、ｂでの金属同士の緊迫結合によって結合する場合がある。内部固定鉄心１００、外部固定鉄心１１３は磁性材であるのに対して、スペーサ１１２は非磁性材である。仮に、スペーサ１１２が磁性材であると、図１で構成される磁気回路１２０が内部固定鉄心１００、スペーサ１１２、外部固定鉄心１１３、上部固定鉄心１１４から構成されてしまい、第一の可動子１０７、第二の可動子１０５に磁気吸引力が発生しなくなってしまう。

以下、本発明の特徴である、２つのストロークを達成する動作原理について説明する。本動作は、コイルに通電する電流によって発生する第一の可動子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することが特徴である。

図５は本発明の実施形態に係る可動部の閉弁状態の図である。図６（ａ）は本発明の実施形態に係る小ストローク時の可動部の拡大図であり、図６（ｂ）は小ストロークを発生させる時の駆動電流波形及び弁体の変位図である。図７（ａ）（ｂ）は本発明の実施形態に係る大ストローク時の可動部の拡大図であり、図７（ｃ）は大ストロークを発生させる時の駆動電流波形である。そして図７のピーク値７０１は、図６（ｂ）のピーク値６０１より大きく、保持電流値７０２は、図６（ｂ）の保持電流値６０２より大きく設定されている。上記図中における、図１と同一の番号が付与されている物は、図１における部品と同様であり、詳細な説明は省略し、必要に応じ本動作説明内において引用する。

はじめに、閉弁状態での構成について図５を用いて説明する。本発明に係る燃料噴射弁が閉弁している状態において、内部固定鉄心１００と外部固定鉄心１１３の下端面５１００と、第一の可動子１０７の上端面５１０７の間には隙間５０２、第二の可動子１０５の上端面５２０１の間には隙間５０３がそれぞれ構成されている。上記隙間５０２、５０３は、燃料噴射弁のリフト量となっている。上記隙間５０３は、上記隙間５０２よりも大きく構成されており、本発明における燃料噴射弁における２つのリフトを構成することになる。本実施例においては、第一の可動子１０７と第二の可動子１０５が接触している状態において、それぞれの上端面５１０７と５２０１の高さの差分により２つのリフト量の差分σを構成しているが、スペーサ等を利用し、差分を調整することも可能である。

次に、２つのリフト量のうち、小さいリフト量を達成する時の、構成を以下説明する。本発明に係る燃料噴射弁において、コイル１１５に電流が通電されると、第一の可動子１０７が上方へ吸引されて、内部固定鉄心１００と外部固定鉄心１１３の下端面５１００と第一の可動子の上端面５１０７が接触し、小ストロークを構成する。力の作用する関係で言い換えると下記の様になる。

図６（ａ）に示すように第二の可動子１０５と弁体１０６からなる可動体２０１を下方に押す力は、燃圧＝Fｆと上部ばね１１６と下部ばね１０８の差分力＝Fｓである。これに対して、第二の可動子１０５と弁体１０６からなる可動体２０１を上方に押す力は、第一の可動子１０７に作用する磁気力＝Fa１と第二の可動子１０５に作用する磁気力＝Fa2であり、Ff+Fs＜Fａ1かつFf+Fs＞Fａ2の時、弁体１０６は小ストロークとなる。この際、第二の可動子１０５は内部固定鉄心１００と外部固定鉄心１１３の下端面５１００とは接触せず、第一の可動子の中面１０７ａと第二の可動子の下面１０５ｄとは接触した状態となっている。そして、コイル１１５への通電により発生する磁束が通り、主となる磁気回路６１０が構成されている。

図６（ｂ）に示されるように、コイル１１５に通電する駆動電流波形のピーク値６０１とピーク値６０１よりも低い保持電流値６０２によって、第一の可動子にかかる、上部バネ１１６と下部バネ１０８の差分により下方向へかかる力、及び燃料によって下方向に受ける力を上回るような磁気吸引力を発生させ、第一の可動子１０７のみを駆動させる。この時、第二の可動子１０５に発生する磁気吸引力は、上部バネ１１６と下部バネ１０８の差分により下方向へかかる力、及び燃料によって下方向に受ける力を下回っているために、上記説明のように、第一の可動子の中面１０７ａと第二の可動子の下面１０５ｄとは接触したままの状態となっている。

図６（ｂ）を用いて弁体１０６の変位を説明する。コイル１１５へ通電する駆動電流波形のピーク値６０１を印加すると、弁体１０６はａ区間で急激に上昇する。そして駆動電流をピーク値から下げ、ｂ区間で弁体１０６の上昇スピードを緩やかにし、保持電流６０２をコイルへ印加することによりｃ区間の様に開弁状態で弁体１０６は、保持される。

引き続き、２つのリフト量のうち、大きいリフト量を達成する時の、構成を図７（ａ）乃至（ｃ）を用いて以下説明する。本発明に係る燃料噴射弁において、コイル１１５に電流が通電されると、第一の可動子１０７が上方へ吸引されると同時に第二の可動子１０５も吸引され、内部固定鉄心１００と外部固定鉄心１１３の下端面５１００と第一の可動子の上端面５１０７、第二の可動子の上端面５２０１は接触し、大ストロークを構成する。この際、コイル１１５への通電により発生する磁束が通り、主となる磁気回路７１０、７１１が構成されている。

図７（ｃ）に示されるように、コイル１１５に通電する駆動電流波形のピーク値７０１に到達後、ピーク電流を保持した電流値７０１’を発生し、その後保持電流値７０２を発生させるようにすることで、第二の可動子にかかる、上部バネ１１６と下部バネ１０８の差分により下方向へかかる力、及び燃料によって下方向に受ける力を上回るように磁気吸引力を発生させ、第一の可動子１０７と共に駆動させる。力の作用する関係で言い換えると下記の様になる。

図６に示すように弁体１０６を下方に押す力は、燃圧＝Fｆと上部ばね１１６と下部ばね１０８の差分力＝Fｓである。これに対して弁体１０６を上方に押す力は、第一の可動子１０７に作用する磁気力＝Fa１と第二の可動子１０５に作用する磁気力＝Fa2であり、Ff+Fs＜Fａ1かつFf+Fs＜Fａ2の時、弁体１０６は大ストロークとなる。

この際、図２において前述したように、第二の可動子１０５において円形部から外周へ伸びている外周延長部１０５ｂを有することに外周側まで拡張した形にしていることは以下の理由がある。

大リフトをしているときに、第一の可動子１０７と第二の可動子１０５の間には隙間７１２が構成されている。燃料噴射弁が周方向全周に渡って、図７（ａ）の断面を有することになると、内部固定鉄心１００から第二の可動子１０５に入ってきた磁束が外部固定鉄心１１３に通りにくく、第二の可動子１０５に必要となる磁気吸引力が得られにくい。しかしながら、第二の可動子１０５において円形部から外周へ伸びている外周延長部１０５ｂを有するよう外周側まで拡張した形にすることによって、周方向の一部が図７（ｂ）に示されるような断面を有すると、内部固定鉄心１００から第二の可動子１０５に入ってきた磁束が外部固定鉄心１１３へ通り、第二の可動子１０５に必要となる磁気吸引力が得られる。第二の可動子１０５の外周側まで拡張されている部位は大きくすればするほど、第一の可動子１０７の磁気吸引面積を低下させることになるため、必要となる吸引力、使用条件によって形状は最適に決定される。また、同じ吸引力を発生するとした場合においても、可動体２０１の全重量を軽くするように考慮した設計が成されることが、燃料噴射弁の閉弁時に発生する弁体の弁座部とのバウンドを抑える観点からは望ましい。

本発明に係る、リフト量の調整方法では、大きいリフト量もしくは小さいリフト量のどちらかを先に決定し、その後第一の可動子１０７と第二の可動子１０５のなす高さの差により、もう一方のリフト量を決めることになっている。のぞましくは、小さいリフト量が先に決定された後に、大きいリフト量が決定されるようにするのが良い。その理由は、リフト量が小さい方が、リフトの調整誤差に対して対応する燃料噴射弁の噴射量のばらつきの割合が大きくなるためである。

本発明に係る、２つのリフトをなす燃料噴射弁において、図示しない内燃機関に搭載されている場合に、２つのリフトを切替える場面について以下説明する。リフト量を小さくして、小噴射量が必要になる場面は、内燃機関の回転数が低い時、内燃機関の発生トルクが低い時、燃料噴射圧力が低い時が主である。すなわち、吸入空気量をセンシングしているエアフローセンサ、回転数をセンシングしているクランクセンサ、燃料噴射圧力をセンシングしているプレッシャセンサの情報を元に一定の閾値をまたいだ場合に、小ストローク用の波形に切り替えることとする。また、アクセル開度が大きく、回転数が高く、トルクも高い運転状態において、突然アクセル開度を小さくしたような場合には、燃圧が高くとも、小ストロークする波形へ切り替えることが望ましい。

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、燃料噴射弁に通電する電流波形を切り替えることとしたが、他の情報を用いても、同様の効果が得られる場合には、切替えをすることが可能である。

本実施例では、第二の可動子１０５と弁体１０６が元々は別部材であり、圧入等によって一体化される構造としているが、元々一体化された構造であっても、内部固定鉄心１００および外部固定鉄心１１３へ吸引され、かつ、弁座部１０６ｃにおいて燃料をシールすることが可能であれば、構成を問うことはない。

本実施例では、小ストローク時にピーク電流を保持しない電流波形、大ストローク時にピーク電流を保持するような波形として説明しているが、可動子が２つのストロークを構成する電流波形であれば、他の電流波形であっても、本発明に係る作用効果が損なわれるものではない。

本実施例では、非磁性部材としているスペーサ１１２は単一の部品として構成されているが、これを複数の部材によって構成したとしても、本発明に係る作用効果が損なわれるものではない。

１・・・燃料噴射弁
１００・・・内部固定鉄心
１０５・・・第二の可動子
１０６・・・弁体
１０７・・・第一の可動子
１０８・・・下部バネ
１１０・・・噴射孔構成部材
１１１・・・ノズル体
１１２・・・スペーサ
１１３・・・外部固定鉄心
１１６・・・上部バネ

Claims (9)

1. 弁体と、
   前記弁体を動かす可動子と、
   前記可動子と対向する位置に設けられた固定鉄心と、
   弁座が形成された弁座部材と、
   前記可動子を変位させ前記弁体を前記弁座に離着座させるコイルと、
   を備えてなる燃料噴射弁において、
   前記可動子は第１の可動子と第２の可動子とで構成され、前記第１の可動子が動くことにより前記弁体が動くように構成され、前記第２の可動子が動くことにより前記弁体が動くように構成され、
   前記第１の可動子が動く場合に、前記第１の可動子が前記第２の可動子と接触することで前記弁体が動くように構成されたことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 弁体と、
   前記弁体を動かす可動子と、
   前記可動子と対向する位置に設けられた固定鉄心と、
   弁座が形成された弁座部材と、
   前記可動子を変位させ前記弁体を前記弁座に離着座させるコイルと、
   を備えてなる燃料噴射弁において、
   前記可動子は第１の可動子と第２の可動子とで構成され、前記第１の可動子がリフトすることにより前記弁体がリフトするように構成され、前記第２の可動子がリフトすることにより前記弁体がリフトするように構成され、
   前記第１の可動子がリフトした場合に、前記第１の可動子が前記第２の可動子と接触することで前記弁体をリフトすることを特徴とする燃料噴射弁。
3. 前記第１の可動子及び前記第２の可動子は、リフトした場合に前記固定鉄心と接触するように構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料噴射弁。
4. 前記第２の可動子は前記弁体と一体で構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料噴射弁。
5. 弁体と、
   前記弁体を動かす可動子と、
   前記可動子と対向する位置に設けられた固定鉄心と、
   弁座が形成された弁座部材と、
   前記可動子を変位させ前記弁体を前記弁座に離着座させるコイルと、
   を備えてなる燃料噴射弁において、
   前記可動子は、第１の電流が前記コイルに流れることにより前記弁体を第１の長さだけ動かし、前記第１の電流よりも大きい第２の電流が前記第１の電流が流れる前記コイルと共通のコイルに流れることにより前記弁体を前記第１の長さよりも大きい第２の長さだけ動かすように構成されることを特徴とする燃料噴射弁。
6. 前記可動子は第１の可動子と第２の可動子とで構成され、前記第１の可動子がリフトすることにより前記弁体がリフトするように構成され、前記第２の可動子がリフトすることにより前記弁体がリフトするように構成されることを特徴とする請求項５に記載の燃料噴射弁。
7. 前記第２の可動子のリフト量が、前記第１の可動子のリフト量より大きいことを特徴とする請求項１、２又は６に記載の燃料噴射弁。
8. 前記二つの可動子と対応する、固定鉄心の面が径方向に対して内周側と外周側に分けられていることを特徴とする請求項１、２又は６に記載の燃料噴射弁。
9. 前記二つの可動子がリフトする際に燃料噴射弁に投入する、駆動電流波形が、リフト量に応じて異なることを特徴とする請求項１、２又は６に記載の燃料噴射弁。