JP6205482B2 - 電磁式弁 - Google Patents

Description

本発明はソレノイド方式の電磁式弁に関するものである。

内燃機関、特にガソリンを用いた自動車用筒内噴射システムに用いられる電磁式燃料噴射弁においては、排気ガス・燃費に対する規制や要求を満足するため、エンジン筒内に燃料圧力を従来よりも高圧で噴射することへの市場要求が高まっている。これは、燃料圧力が高いほど燃料の噴射速度が増し、空気との摩擦抵抗が大きくなり、燃料がより微粒化して燃焼性能が良くなるためである。

電磁式燃料噴射弁はソレノイド方式で固定鉄心である固定コアに可動鉄心である可動コアを磁気吸引力で双方が衝突するまで引き付けて開弁する。高い燃料圧力で燃料を噴射するためには燃料圧力に対抗して大きな力を弁体にかけて開弁する必要がある。そのため、固定コアと可動コアの衝突構造部には従来よりも高い衝撃荷重がかかる。前記の衝突構造部には、衝突時の荷重による磨耗や変形量を低減するために、高い強度を有した表面処理が施されている。

また、前記衝突構造部は磁気吸引力を発生させるための磁気回路の一部でもある。固定コアと可動コアの対向面は磁気吸引力を高めるため近い方がよい。一方、応答性を高めるためには、固定コアと可動コアの対向面を広げる方がよい。それは、液体の張付き力であるスクイーズ力を低減し、閉弁速度を上げることで応答性が高くなるためである。そのため、特開2011-89432で示されるように、衝突構造部となる部位は固定コアもしくは可動コアの対向面に幅・高さの小さい突起形状を設けることが望ましく、微小な形状であるため精密な加工精度が要求される。

ここで、表面処理は厚みが不均一につく場合がある。衝突構造部内の厚みの差が大きく部分的に突起が出てしまうと、応力が集中して摩耗が促進されてしまう。
特に、表面処理が電気メッキである場合にはメッキする対象の形状によって磁束密度が均一でないため、厚みが不均一となりやすい。そのため、従来の技術では前記と同じ特開2011-89432で示されるように、メッキのつく母材にあらかじめテーパを設けている。

衝突構造部の摩耗量や変形量が大きいと、弁体のストローク量が大きくなることで流路面積が広がり、噴射する流量が増えて燃費や燃焼性能の低下を招くこととなる。

特開2011-89432 特開2010-71123

衝突構造部内で前記の部分的な突起を出さないことは重要であるが、固定コアと可動コアは寸法公差の集積によって相対的に傾いており、固定コアと可動コアの衝突構造部がそれぞれ平坦であっても、衝突する瞬間は固定コアと可動コアの衝突構造部全体でなく限定された部位で接触する。衝突構造部の形状が円環、あるいは断続的な円環である場合には、外周部から接触する。そのため、固定コアと可動コアの衝突時には最初に接触する外周部に高い応力が発生する。そのため、衝突構造部の外周部の形状は重要であるが、元々が微小な突起形状で精密な加工が要求される部位であるため生産性を維持したまま、従来よりも高い衝突荷重でも摩耗・変形を抑制することが困難であった。

従来の技術では特開2011-89432に示されるように衝突構造部内で部分的な突起を出さないようテーパを設けて特に高い応力集中を避けているが、外周部はエッジとなり応力が集中する。

他の従来の技術では特開2010-71123の図７に示されるように最外径から内径に向かってテーパ、衝突構造部となる平坦部、テーパの組み合わせが開示されている。この場合でも前述したように表面処理の厚みが不均一である場合には厚みの差による部分的な突起で応力が集中するか、もしくは、衝突構造部である平坦部の最外周部で応力が集中する。

本発明では、衝突構造部の外周側からＲ形状と平坦部を設ける。また、Ｒ形状と平坦部は正接する構造とする。なお本明細書において正接とは、平坦部が、可動コアの可動方向に平行な断面上において、Ｒ部に接する接線としてこのＲ部に接続される構成であることをいう。

本発明によれば、衝突構造部に発生する応力を低減することで摩耗・変形を生産性の高い方法で抑制できる。

本発明が実施される燃料噴射弁の全体を示す断面図 部分断面図１ 部分断面図２ 部分断面図３ Ｒの大きさと応力の関係 部分断面図４ 部分断面図５ 部分断面図６ 部分断面図７ 部分断面図８

実施例の全体構成について図１を用いて説明する。以降の図は説明のため寸法を誇張して描いており、実際の縮尺とは異なる。

図１の固定コア１０７上部には加圧して燃料を供給するための図示しない高圧ポンプと、前記高圧ポンプと固定コア１０７上部とを連結する配管が配置されており、固定コア１０７中心部の燃料通路である貫通孔へ加圧された状態で燃料が供給される。弁体１１４の上端面にはスプリング５５の着座面が設けられている。

スプリング５５の弁体１１４との逆側の上端面には調整子５４が当接している。調整子５４は固定コア１０７に固定されている。

弁体１１４はガイド部材１１５と可動子ガイド１１３によって、上下に往復運動できるように保持されている。
弁体１１４は電磁コイル１０５に通電していない閉弁状態においてはスプリング５５の付勢力によってノズル１０１の先端に設けられた固定弁１１６と当接しており、前記高圧ポンプから供給された燃料の流れを燃料噴射孔１１６Ａから遮断している。

電磁コイル１０５は固定コア１０７の外周部に配置されており、ハウジング１０３、ノズル１０１、および、弁体１１４と一体構造である可動コア１０２を介して矢印１２２で示すトロイダル状の磁気通路が形成されている。
また、導体１０９の先端部に形成されたコネクタ１２３にはバッテリ電圧より電力を供給するプラグが接続される。電磁コイル１０５は図示しないコントローラにより、導体１０９を通じて通電、非通電が制御される。

電磁コイル１０５に通電中は磁気通路１２２を通る磁束によって可動コア１０２と固定コア１０７との間に磁気吸引力が発生する。可動コア１０２が吸引されることで上方へ動き、固定コア１０７の下端面に衝突するまでのストローク量分を移動する。

その結果、弁体１１４が固定弁１１６からストローク量分だけ離れて開弁状態となり，固定コア１０７中心部の燃料通路である貫通孔から供給された燃料を噴射孔１１６Ａから燃焼室内へ噴射する。

電磁コイル１０５への通電が断たれると磁気通路１２２の磁束が消滅し、磁気吸引力も消滅する。この状態では弁体１１４を閉弁方向に押すスプリング５５のばね力が弁体１１４に作用する。その結果、弁体１１４は固定弁１１６に接触する閉弁位置に押し戻される。

第一実施例について図２,３を用いて説明する。

図2に示すように固定コアと可動コアはそれぞれ対向する円環状の端面１１０,端面２１０を備えている。可動コア端面１１０には固定コア端面２１０との衝突時に接触する突起１１１が設けられている。開弁時には固定コアと可動コアが衝突して端面２１０と突起１１１が接触する。

液体中で端面１１０と端面２１０が接触すると、液体の張り付き力であるスクイーズ力が働き、閉弁時間が伸びることで応答性が悪化する。そのため、突起１１１を設けることで接触する範囲を極力狭くし、スクイーズ力の発生を抑制している。

また、端面２１０と、端面１１０の突起１１１以外の部位が近すぎてもスクイーズ力が発生する。ただし、端面２１０,端面１１０は磁気回路の一部でもあり、両端面が遠いと磁気吸引力が低下して開弁時の応答性が悪化する。そのため、突起１１１の高さはスクイーズ力と磁気吸引力のバランスをとるように設定される。具体的には、20〜40μmと非常に微小な高さが設定されている。

図3に端面１１０と端面２１０の部分拡大図を示す。図3の紙面右側が中心方向として左半分の形状を示す。固定コア端面２１０には衝突による摩耗や変形を抑制するために高度の高い表面処理である硬質クロムメッキ５０が施されている。メッキ５０が施される母材形状には平面224が設けられている。固定コア端面２１０の一部である平面２１４で可動コアの突起１１１と衝突する。メッキ５０は電気メッキであり、母材形状や電極形状などによる磁束密度の粗密によりメッキ厚が異なる。本例では衝突部である突起部１１０の対向部２１４でメッキが厚くなるように中心に近いほどメッキが厚いメッキ厚分布となるように磁束密度を調整している。

可動コア端面１１０には衝突による摩耗や変形を抑制するために硬質クロムメッキ５１が施されている。メッキ５１が施される母材形状は外周側から外周平面部２１,外周テーパ部２２,Ｒ部２３,平面部２４,内周テーパ部２５を備えている。内周テーパ部２５の内径側は突起部１１１の逃げのため、さらに傾斜の大きいテーパ２６を備えている。 Ｒ部２３と平面部２４はそれぞれの接続部が正接している。固定コアの場合と同様に、メッキ５１は電気メッキであり、母材形状や電極形状などによる磁束密度の粗密によりメッキ厚が異なる。本例では衝突部である突起部でメッキが厚くなるように中心に近いほどメッキが厚いメッキ厚分布となるように磁束密度を調整している。

可動コア端面１１０のメッキ後の形状は、前述の母材形状とメッキ厚分布により外周側から外周平面部１１,外周テーパ部１２,Ｒ部１３,平面部１４,内周テーパ部１６を備えている。Ｒ部１３と平面部１４はそれぞれの接続部が正接している。また、内径側ほどメッキが厚くつくため、メッキ後の形状は内径側テーパ２５によって平面部１４が形成されている。

図4に固定コアと可動コアが傾いた場合の部分断面図を示す。開弁して固定コアと可動コアが衝突する瞬間、可動コアは摺動部のクリアランスやその他の部品精度により、固定コアと相対的に傾きθをもつ場合がある。すると、固定コアと可動コアの傾きθが0°で平行となって接触する場合に比べて接触面積が減るため、同じ衝撃荷重が発生した場合でも接触部に発生する応力が高くなる。

また、固定コアと可動コアが傾きθをもって衝突する際に接触する箇所は可動コアのＲ部１３である。そのため、Ｒ部１３のＲの大きさは大きいほど、発生する応力が低くなる。Ｒ部１３と平面部１４は正接しているため、傾きθが小さくても必ずＲ部１３の曲面で接触する。

前述のように突起部１１１の高さは非常に小さく、精密な加工をしていても加工バラつきによる形状変化をしやすい。突起部１１１の母材形状であるＲ部２３と内周テーパ２５との間に設けられた平面２４は、内径テーパ２５の加工バラつきによるずれ量よりも大きく設定されている。加工バラつきにより内周テーパ２５の径方向（紙面左右方向）の位置がずれても、Ｒ部２３と平面２４の接続部を確実に残すことができる。

図５に、Ｒ部１３のＲの大きさと、傾きθによって衝突時の接触部に発生する応力を示す。Ｒが小さいほど、また、傾きが大きいほど発生する応力が高い傾向にある。

Ｒ部１３と外周側テーパ１２の接続部は、傾きθが最大となる場合でも必ずＲ部１３と接触するようにＲ部１３の幅および外周側テーパ１２の傾斜角度が設定されている。

平面２４はメッキ後の平面１４にメッキ厚分布による段差や傾斜ができない程度に短い幅で設けられている。具体的には0.1mm程度である。

第２実施例について図６を用いて示す。図６(a)に内径テーパ２５が外周側にずれて平面２４はないが、Ｒ部２３は完全に残っている場合を示す。この場合のメッキ後の形状はR部１３と平面部１４が正接するため、傾きθが小さくとも発生する応力を抑制できる。

一方、説明のために本実施例が適応されない場合について図６(b)(c)を用いて示す。平面２４がない場合に内周テーパ２５が外周側（紙面左方向）にずれる、もしくは、平面２４の範囲よりも大きく内周テーパ２５が外周側にずれると、図６(b)に示すようにＲ部２３は、Ｒ部２３の延長線であるＲ部２３'（図中点線で記載）がないために平面部１４の接続部は正接せず、エッジ形状部７０が残る。その結果、メッキ後の形状において、Ｒ部１３はＲ部１３の延長線であるR部１３'（図中点線で記載）がないために平面部１４との接続部は正接せず、エッジ形状部６０が残る。エッジ形状部６０で固定コア端面２１０と接触すると、図５のＲが小さい場合に相当し、高い応力が発生する。衝撃荷重が高い場合、また、傾きθが大きい場合、エッジ形状部６０が摩耗や変形をする恐れがある。

第３実施例について図７に示す。第３実施例では第１実施例の場合に対して、平面部２４と内周テーパ２５の間に内周Ｒ部２７が設けられた場合である。平面２４と内周Ｒ部２７は正接して設けられている。

ここで、平面２４と内周テーパ２５の接続部がエッジ形状となる場合、メッキ時の磁束密度が集中し、メッキ厚が厚くつく恐れがある。メッキ厚が局所的に厚くつくと微小な突起形状となり、結果的に固定コア端面２１４との衝突時に応力が集中して高くなる。

そのため、内周Ｒ部２７を設けてメッキ厚の分布が極端に変化することを抑制して応力が集中しないようにしている。

第４実施例について図８を用いて示す。内径テーパ２５が外周側にずれて平面２４はないが、Ｒ部２３は完全に残っている場合を示す。この場合も実施例３の場合と同様に、内周Ｒ部２７を設けてメッキ厚の分布が極端に変化することを抑制して応力が集中しないようにしている。

以上の構成とすることで、固定コアと可動コアの衝突部に発生する応力を低減でき、摩耗や変形を抑制することができる。

なお、本実施例では可動コア端面１１０に突起１１１がある場合を示したが、固定コア側に突起形状を設ける場合も同様である。

表面処理には硬質クロムメッキを用いているが、それ以外の厚みのある表面処理を行う場合も同様である。

全体の構成については電磁式燃料噴射弁を用いて説明したが、それ以外のソレノイド形式の開閉弁である電磁弁についても同様である。

２１０…固定コア端面
２１４…固定コア端面（衝突部）
２２４…固定コア端面（母材形状）
１１〜１６…可動コア端面形状（メッキ後）
２１〜２７…可動コア端面形状（メッキ前）
１１０…可動コア端面
１１１…可動コア端面上の突起
６０、７０…エッジ部
５０、５１…硬質クロムメッキ
５４…調整子
５５…スプリング
１０１…ノズル
１０２…可動コア
１０３…ハウジング
１０５…電磁コイル
１０７…固定コア
１１３…可動子ガイド
１１４…弁体
１１５…ガイド部材
１１６…固定弁
１１７…横力
１１８…球体
１１９…可動子の先端
１２１…補強部
１２２…磁気通路
１２３…コネクタ

Claims (6)

1. コイルと、弁体と、固定コアと、前記弁体を開弁させる可動コアと、を備え、前記固定コアと前記可動コアとのそれぞれの対向面には厚みのある表面処理が施された電磁弁において、
   前記可動コアの表面処理前の母材形状は、外周側から外周平面部、外周テーパ部、Ｒ部、突起平面部、第一内周テーパ部、及び前記突起平面部に対する傾斜角が前記第一内周テーパ部よりも大きい第二内周テーパ部を備え、
   前記可動コアは、表面処理後の表面形状として、外周側から外周平面部、外周テーパ部、Ｒ部、突起平面部、及び内周テーパ部を備え、
   前記母材形状の前記突起平面部は、前記可動コアの可動方向に平行な断面上において、前記母材形状の前記Ｒ部に接する接線としてこのＲ部に接続される構成を有し、
   表面処理後の前記可動コアは、前記可動コアの可動方向に平行な断面上において、前記表面形状の前記突起平面部が前記表面形状の前記Ｒ部に接する接線としてこのＲ部に接続される構成を有していることを特徴とする電磁弁。
2. 請求項１に記載の電磁弁において、
   前記固定コア及び前記可動コアの両方、もしくは一方の表面処理層の厚みは、中心側ほど厚いことを特徴とする電磁弁。
3. 請求項１に記載の電磁弁において、
   前記可動コアの前記母材形状の前記第一内周テーパ部が、前記可動コアの可動方向に平行な断面上において、前記母材形状の前記Ｒ部に接する接線としてこのＲ部に接続される構成を有していることを特徴とする電磁弁。
4. 請求項１に記載の電磁弁において、
   前記可動コアの表面処理前の母材形状の前記突起平面部と前記第一内周テーパ部との間に内周Ｒ部を備え、
   前記母材形状の前記突起平面部は、前記可動コアの可動方向に平行な断面上において、前記母材形状の前記内周Ｒ部に接する接線として前記内周Ｒ部に接続される構成を有していることを特徴とする電磁弁。
5. 請求項４に記載の電磁弁において、
   前記可動コアの前記母材形状が有する、前記外周平面部、前記外周テーパ部、前記Ｒ部、前記突起平面部、前記第一内周テーパ部、前記内周Ｒ部、及び前記第二内周テーパ部を前記固定コア側の母材形状に設け、
   前記可動コアの前記表面形状が有する、前記外周平面部、前記外周テーパ部、前記Ｒ部、前記突起平面部、及び前記内周テーパ部を前記固定コア側の表面形状に設けたことを特徴とする電磁弁。
6. 請求項５に記載の電磁弁において、
   表面処理を電気メッキである硬質クロムメッキとすることを特徴とする電磁弁。

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