JP7284063B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本開示は、燃料噴射弁に関する。

例えば、特許文献１には、燃料噴射弁（インジェクタ）が開示されている。この燃料噴射弁は、可動コアの下流側に可動コアとハウジングに囲まれたダンパ室を設け、ダンパ室の圧力を利用して開閉弁時の可動コアの速度を低減して衝突エネルギを低減し、衝突における衝撃を緩和している。

特開２０１８－１８９００２号公報

可動コアとハウジングとの間の摺動部におけるクリアランスが小さいと、ハウジングに対して可動コアを摺動できない。一方、クリアランスが大きいと、ダンパ室の密閉性が悪くなるため、ダンパ室による十分なダンパ効果を得られない。そのため、可動コアとハウジングとの間の摺動部におけるクリアランスを適切にしたいという要望がある。特許文献１の燃料噴射弁では、この可動コアとハウジングとの間の摺動部は、ダンパ室の上流側と下流側の２箇所に存在する。この場合、２箇所の摺動部のクリアランスに加え、２箇所の摺動部の相対的な位置も適切にすることが必要となり、加工精度を考慮すると、難しい。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

本開示の一形態によれば、燃料噴射弁（１００）が提供される。この燃料噴射弁は、燃料を噴射する噴孔（３１）と内部に前記噴孔に連通する流路（４３）が形成された筒状のハウジング（２０）と、前記ハウジングの内部に設けられ、前記噴孔を開閉する弁体（４１）を有するニードル（４０）と、前記ニードルを移動させる可動コア（５０）と、前記可動コアを前記ニードルの開弁方向に移動させる磁界を発生させるコイル（７０）と、前記可動コアの上流側に設けられ、前記可動コアの移動範囲を規制する固定コア（６０）と、前記ハウジングと、前記可動コアとの間に囲まれたダンパ室（２５）と、を備え、前記可動コアは、互いに独立して摺動可能であり、かつ、シール部（５４ｓ）で互いに当接する第１可動コア（５１）と第２可動コア（５４）とを、前記第１可動コアが、前記固定コア側となるように有し、前記第１可動コアは、前記ハウジングとの間に第１摺動部（２１ａ）と前記第２可動コアと当接可能な端部（５３ｓ）と、を有し、前記第２可動コアは、前記ハウジングとの間に前記第１摺動部の外径よりも小さい外径の第２摺動部（２１ｂ）と、前記第１可動コア側に前記第２摺動部の外径よりも大きく形成され、前記第１端部と接したとき、前記ダンパ室に至る燃料通路を閉塞する第２端部（５５）と、を有する。この形態によれば、第１可動コアと第２可動コアとは別の部材である。そのため、第１摺動部のクリアランスが適切になるように第１可動コアを精度良く加工することができ、第２摺動部のクリアランスが適切になるように第２可動コアを精度良く加工することができ、ダンパ室を容易に形成できる。すなわち、１つの可動コアの２箇所の摺動部を同時に精度良く加工することに比べ、第１可動コアと第２可動コアを別個の部材とするので、ダンパ室に繋がる摺動部のクリアランスを精度良く加工して、ダンパ室を容易に形成できる。

本開示は、燃料噴射弁以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料噴射装置や、燃料噴射方法等の形態で実現することができる。

燃料噴射弁の概略構成図である。 ダンパ室近傍の拡大図である。

・第１実施形態：
図１に示すように、燃料噴射弁１００は、ハウジング２０と、噴射ノズル３０と、ニードル４０と、可動コア５０と、固定コア６０と、コイル７０と、第１スプリング８１と、第２スプリング８２と、を備える。燃料噴射弁１００は、燃料を噴射するための装置である。本実施形態の燃料噴射弁１００は、流体、特に燃料として気体の燃料ガス、例えばＬＮＧ、ＬＰＧ、水素などを噴射するのに用いられる。

ハウジング２０は、燃料を噴射する噴射ノズル３０に連通する燃料流路が形成された筒状の部材である。ハウジング２０は、下流側から第１筒部材２１、第２筒部材２２、第３筒部材２３、第４筒部材２４を備える。第１筒部材２１は、マルテンサイト系ステンレス鋼により形成され、所定の硬度を有するよう焼入れ処理が施されている。第１筒部材２１の下流側端部には、噴射ノズル３０が設けられている。噴射ノズル３０は、噴孔３１と、弁座３２と、を備える。噴射ノズル３０は、マルテンサイト系ステンレス鋼により形成されている。

第２筒部材２２は、第４筒部材２４は、磁性材料、例えばフェライト系ステンレス鋼で形成されている。第２筒部材２２の内径は、第１筒部材２１の内径よりも小さい。第３筒部材２３は、非磁性材料、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼により形成されている。

第４筒部材２４の端部には、略円筒状の燃料導入パイプ１２が溶接等により固定されている。燃料導入パイプ１２の内側には、フィルタ１３が設けられている。フィルタ１３は、燃料導入パイプ１２の導入口１４から流入した燃料の中の異物を捕集する。

燃料導入パイプ１２および第４筒部材２４の外側は、樹脂によりモールドされている。当該モールド部分にコネクタ１５が形成されている。コネクタ１５には、後述するコイル７０へ電力を供給するための端子１６がインサート成形されている。また、コイル７０の外側には、コイル７０を覆うようにして筒状のホルダ１７が設けられている。第４筒部材２４とホルダ１７の間には略ドーナツ円板状のカバー１８が設けられている。ホルダ１７とカバー１８は、磁性体から形成され、後述する磁気回路φの一部を形成する。

ニードル４０は、噴孔３１を開閉する部材であり、第１筒部材２１、第２筒部材２２の内部に配置された棒状の部材である。ニードル４０は、下流側端部に、弁座３２と当接可能な弁体４１を備え、上流側端部に大径部４２を有する。ニードル４０の弁体４１よりも少し上流側には、外側に向けて突出する摺接部４６がニードル４０の週報項に沿って複数個形成されている。摺接部４６は、その先端を第１筒部材２１の内周面に当接させた状態で摺動する。隣り合う摺接部４６の間には、燃料が通過可能な凹部４７が形成されている。ニードル４０は、非磁性材料であるマルテンサイト系ステンレス鋼によって形成されている。ニードル４０の内部には、上流側からニードル４０のほぼ中央まで、燃料流路４３が形成されている。燃料流路４３の下流側には、ニードル４０内外を連通する連通孔４４が設けられている。連通孔４４は、ニードル４０の内部の燃料流路４３と、ニードル４０と第１筒部材２１との間の燃料流路４５とを連通している。燃料流路４５の下流側は、噴射ノズル３０まで至っている。

ハウジング２０の内側には可動コア５０が摺動可能に設けられている。可動コア５０は、コイル７０からの磁界を受けて、ニードル４０を開弁方向に移動させる部材である。可動コア５０は、互いに独立して摺動可能である上流側の第１可動コア５１と、下流側の第２可動コア５４とから構成されている。さらに、第１可動コア５１は、第１可動コアアッパ部５２と第１可動コアロア部５３とから構成されている。第２可動コア５４は、第１可動コアロア部５３の下流側に設けられている。第１可動コアアッパ部５２は磁性体であるフェライト系ステンレス鋼により形成されている。第１可動コアアッパ部５２は、後述するコイル７０に電力が印加されると、コイル７０が発生させる磁界により力を受けて上流側に移動する。第１可動コアロア部５３と、第２可動コア５４はマルテンサイト系ステンレス鋼により形成され、所定の硬度を有するよう焼入れ処理が施されている。第１可動コアアッパ部５２と第１可動コアロア部５３とは、圧入、溶接等により一体に固定されている。可動コア５０の内側には、ニードル４０が挿通されている。第１可動コア５１の内径は、ニードル４０の大径部４２の外径よりも小さく、第１可動コア５１の上流側の面は、大径部４２と当接可能となっている。なお、第１可動コアアッパ部５２と第１可動コアロア部５３とは、同一の部材としてもよい。

第１可動コアロア部５３と第１筒部材２１との間には、第１摺動部２１ａが形成されており、第２可動コア５４と第１筒部材２１との間には、第２摺動部２１ｂが形成されている。第２摺動部２１ｂの外径は、第１摺動部２１ａの外径よりも小さい。第１可動コアロア部５３は、第２可動コア５４側に、第２可動コア５４と当接可能な第１端部５３ｓを有し、第２可動コア５４の第１可動コアロア部５３側に第２端部５５を有している。第２端部５５の外径は、第２摺動部２１ｂの外径よりも大きく、第１摺動部２１ａの外径よりも小さい。第１摺動部２１ａと第２摺動部２１ｂの間には、第１筒部材２１、第１可動コアロア部５３、第２可動コア５４により囲まれたダンパ室２５が形成されている。第１可動コアロア部５３と第１摺動部２１ａ、第２可動コア５４と第２摺動部２１ｂの間のクリアランスは、いずれも数μｍ～数十μｍであり、また第１可動コアロア部５３と第２可動コア５４は第１摺動部２１ａ、第２摺動部２１ｂでシールされている。第１端部５３ｓと第２端部５５とが接すると、ダンパ室に至る燃料通路が閉塞される。その結果、ダンパ室２５とその他の燃料流路との間の燃料の出入りは制限され、ダンパ室２５は準密閉状態となっている。

固定コア６０は、可動コア５０の上流側に設けられ、磁界により開弁方向に移動する可動コア５０の移動範囲を規制する部材である。固定コア６０は、磁性体であるフェライト系ステンレス鋼により形成される第１固定コア部材６１と、マルテンサイト系ステンレス鋼により形成され、所定の硬度を有するよう焼入れ処理が施された第２固定コア部材６２を備える。第１固定コア部材６１と第２固定コア部材６２は、例えば、圧入により固定されている。固定コア６０は中空の略円筒状に形成されており、ハウジング２０の内側に固定されている。具体的には、固定コア６０は、ハウジング２０の第４筒部材２４に溶接等により固定されている。また、固定コア６０の内側には、ニードル４０の大径部４２が摺動可能に挿通されている。

コイル７０は、ボビン７１に巻かれており、電力が供給（通電）されると磁界を生じる。コイル７０に磁界が生じると、第１固定コア部材６１、第１可動コアアッパ部５２、第２筒部材２２、第４筒部材２４、ホルダ１７、およびカバー１８を通る閉じた磁気回路φが形成される。これにより、第１固定コア部材６１と第１可動コアアッパ部５２との間に吸引力が発生し、第１可動コアアッパ部５２は第１固定コア部材６１に吸引される。このとき可動コア５０の上流側の端面はニードル４０の大径部４２に当接し、ニードル４０を上流側に移動させる。すなわち、ニードル４０は可動コア５０とともに開弁方向へ移動する。これにより、弁体４１は弁座３２から離座し、噴孔３１が開口し、燃料が噴射可能となる。

第１スプリング８１は、下流側の端部がニードル４０の大径部４２の端部に当接し、上流側の端部が固定コア６０の内側に圧入固定された中空のアジャスティングパイプ１１の一端に当接している。第１スプリング８１は、大径部４２を図の下方に押すことで、ニードル４０を閉弁方向に押さえる。ニードル４０の大径部４２が、第１可動コアロア部５３を閉弁方向（図の下方）に押し、第１可動コアロア部５３が第２可動コア５４を閉弁方向（図の下方）に押すことで、可動コア５０は、により閉弁方向に押さえられる。

第２スプリング８２は、上流側の端部が可動コア５０の端面に当接し、下流側の端部はハウジング２０の第１筒部材２１の内側に設けられた段差面に当接している。第２スプリング８２は、第２可動コア５４を開弁方向（図の上方）に押し、第２可動コア５４は第１可動コアロア部５３を開弁方向（図の上方）に押している。第１可動コアロア部５３の上流側の面は、ニードル４０の大径部４２と当接しているので、ニードル４０を開弁方向に押さえつける。ニードル４０と可動コア５０には、第１スプリング８１による閉弁方向の付勢力と、第２スプリング８２による開弁方向の付勢力とが掛かる。ここで、本実施例では、第１スプリング８１の付勢力は、第２スプリング８２の付勢力よりも大きく設定されている。そのため、コイル７０に電力が供給（通電）されていない状態では、ニードル４０の弁体４１は、弁座３２に着座した状態、すなわち閉弁状態となる。

以下、燃料噴射弁１００の動作について説明する。コイル７０に電力が供給されると、上述したように、第１固定コア部材６１、第１可動コアアッパ部５２、第２筒部材２２、第４筒部材２４、ホルダ１７、およびカバー１８を通る閉じた磁気回路φが形成され、第１固定コア部材６１と第１可動コアアッパ部５２との間に吸引力が発生し、第１可動コアアッパ部５２は第１固定コア部材６１に吸引される。

可動コア５０の上流側の面は、大径部４２と当接しているので、ニードル４０を上流側に移動させる。その結果、ニードル４０の弁体４１が、弁座３２から離座し、噴孔３１が開く。燃料導入パイプ１２の導入口１４から流入した燃料は、中空のアジャスティングパイプ１１の中、固定コア６０の中を経て、ニードル４０の内部の燃料流路４３、連通孔４４、ニードル４０と第１筒部材２１との間の燃料流路４５を通り、噴孔３１に導かれ、噴射される。

可動コア５０が開弁動作により、開弁方向（図１の上方）に移動するとダンパ室２５の容積は拡大し、ダンパ室２５内の燃料の圧力が低下する。ダンパ室２５内の燃料の圧力が低下すると、第１可動コアロア部５３には閉弁方向（図１の下方）に向かう力が働く。その結果、第１可動コア５１の開弁方向への移動速度は緩和され、第１可動コア５１、すなわち可動コア５０が固定コア６０に衝突する際のエネルギを低減する。

逆に、可動コア５０が閉弁動作により図１の下方に移動するとダンパ室２５の容積は縮小し、ダンパ室２５内の燃料の圧力は上昇する。ダンパ室２５内の燃料の圧力が上昇することにより、第１可動コアロア部５３には開弁方向（図１の上方）に向かう力が働く。第１可動コアロア部５３は、上流側で、ニードル４０の大径部４２と接するため、ニードル４０には開弁方向（図１の上方）に向かって力が働く。その結果、可動コア５０およびニードル４０の閉弁方向への移動速度は緩和する。その結果、ニードル４０の弁体４１が噴射ノズル３０の弁座３２に衝突する際のエネルギを低減する。

第１摺動部２１ａあるいは、第２摺動部２１ｂにおけるクリアランスが狭すぎれば、可動コア５０が移動できない。一方、クリアランスが大きすぎれば、ダンパ室２５を準密閉状態にできないため、可動コア５０の移動速度を緩和できない。ここで、可動コア５０の第１可動コア５１と、第２可動コア５４とが１個の部材で形成されている場合、第１摺動部２１ａにおける可動コア５０の外径とハウジング２０の内径との間のクリアランス、第２摺動部２１ｂにおける可動コア５０の外径とハウジング２０の内径との間のクリアランス、をそれぞれ高精度に形成するだけでなく、第１摺動部２１ａにおける可動コア５０の外周位置と第２摺動部２１ｂにおける可動コア５０の外周位置について、高精度に加工する必要があった。これは、第１摺動部２１ａと第２摺動部２１ｂの相対的位置が自由でないためである。これに対し、本実施形態では、可動コア５０の第１可動コア５１と、第２可動コア５４とに分離されているため、第１摺動部２１ａと第２摺動部２１ｂの相対的位置が自由となる。その結果、第１摺動部２１ａにおける可動コア５０の外径とハウジング２０の内径との間のクリアランス、第２摺動部２１ｂにおける可動コア５０の外径とハウジング２０の内径との間のクリアランスを高精度に形成すればよい。すなわち、第１可動コア５１については、第１摺動部２１ａの加工精度のみを考慮すれば良く、第２可動コア５４については、第２摺動部２１ｂの加工精度のみを考慮すれば良い。

図２は、ダンパ室２５近傍の拡大図であり、可動コア５０が少し開弁方向に移動した状態を示す。本実施形態では、図２に示すように第２可動コア５４は、第２端部５５に第１可動コアロア部５３に向けて突き出る凸部５４ｃを有し、凸部５４ｃと第１可動コアロア部５３との間にシール部５４ｓを形成している。第１可動コアロア部５３と第２可動コア５４のシール部５４ｓの最内径Ｄ２を第２摺動部２１ｂの外径Ｄ１より大きくしている。すなわち、シール部５４ｓは、第２摺動部２１ｂより径方向の外側に位置する。

開弁時には、可動コア５０は、図２の上方に移動し、既に説明為たように、ダンパ室２５内の燃料圧力が低下する。このように、本実施形態では、凸部５４ｃを有する第２端部５５を備え、凸部５４ｃと第１端部５３ｓとのシール部５４ｓの最内径Ｄ２を、第２摺動部２１ｂの外径Ｄ１より大きくしている。本実施形態では、シール部５４ｓの最内径Ｄ２は、第２摺動部２１ｂの外径Ｄ１より大きいので、シール部５４ｓより内側の面積に比例する第２可動コア５４に掛かる下向きの圧力により、第１可動コアロア部５３と第２可動コア５４との間にお互いを引き離す方向に力がはたらく。第１可動コアロア部５３と第２可動コア５４との間が引き離されると、ダンパ室２５に外部から燃料が流入する。燃料が流入することによりダンパ室２５内の燃料圧力は上昇し、再び第１可動コアロア部５３と第２可動コア５４は当接する。これにより、ダンパ室２５内の燃料圧力が所定値以下になることを防止し、開弁時のダンパ効果に上限を設定することが可能となる。

一方、閉弁動作時には、可動コア５０は、図２の下方に移動し、ダンパ室２５内の燃料圧力が上昇すると、第１可動コアロア部５３と第２可動コア５４との間にお互いを押し付ける方向に力がはたらき、第１可動コアロア部５３と第２可動コア５４の間のシール部５４ｓにおけるシール性を向上できる。その結果、ダンパ室２５によるダンパ効果を大きくできる。

以上、説明したように、第１可動コアロア部５３と第２可動コア５４のシール部５４ｓの最内径Ｄ２を第２摺動部２１ｂの外径Ｄ１より大きくすることで、ダンパ室２５内の燃料圧力が所定値以下になることを防止し、開弁時のダンパ効果に上限を設定することが可能となる。

上記説明では、第２可動コア５４は、第１可動コアロア部５３に向けて突き出る凸部５４ｃを有する構造としたが、第１可動コアロア部５３が、第２可動コア５４に向けて突き出る凸部を有している構成であってもよい。また、第１可動コアロア部５３と第２可動コア５４の一方が凸部を備え、他方が平坦であってもよく、一方が凸部を備え、他方が凸部に対応した凹部を備える構成であってもよい。

上記実施形態では、ダンパ室２５を第１可動コアロア部５３の下流側に設けたが、上流側に設けても良い。

上記実施形態では、燃料噴射弁１００は、気体の燃料、水素を噴射するものとしたが、水素以外の気体や液体を噴射する燃料噴射弁であってもよい。

上記実施形態では、第１可動コアロア部５３の第１端部５３ｓと、第１可動コアロア部５３のダンパ室２５側の面とは、段差を有しているが、第１端部５３ｓとの第１可動コアロア部５３のダンパ室２５側の面とは、平坦であってもよい。

上記実施形態では、第１筒部材２１は、内側に段差を有することで、第１摺動部２１ａと第２摺動部２１ｂを形成しているが、第１筒部材２１の内側を段差の無い形状とし、第１筒部材２１の内側に別部材を挿入し、別部材の内側に第２摺動部形成してもよい。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１１…アジャスティングパイプ、１２…燃料導入パイプ、１３…フィルタ、１４…導入口、１５…コネクタ、１６…端子、１７…ホルダ、１８…カバー、２０…ハウジング、２１…第１筒部材、２１ａ…第１摺動部、２１ｂ…第２摺動部、２２…第２筒部材、２３…第３筒部材、２４…第４筒部材、２５…ダンパ室、３０…噴射ノズル、３１…噴孔、３２…弁座、４０…ニードル、４１…弁体、４２…大径部、４３…燃料流路、４４…連通孔、４５…燃料流路、４６…摺接部、４７…凹部、５０…可動コア、５１…第１可動コア、５２…第１可動コアアッパ部、５３…第１可動コアロア部、５３ｓ…第１端部、５４…第２可動コア、５４ｃ…凸部、５４ｓ…シール部、５５…第２端部、６０…固定コア、６１…第１固定コア部材、６２…第２固定コア部材、７０…コイル、７１…ボビン、８１…第１スプリング、８２…第２スプリング、１００…燃料噴射弁

Claims (6)

1. 燃料噴射弁（１００）であって、
   燃料を噴射する噴孔（３１）と内部に前記噴孔に連通する流路（４３）が形成された筒状のハウジング（２０）と、
   前記ハウジングの内部に設けられ、前記噴孔を開閉する弁体（４１）を有するニードル（４０）と、
   前記ニードルを移動させる可動コア（５０）と、
   前記可動コアを前記ニードルの開弁方向に移動させる磁界を発生させるコイル（７０）と、
   前記可動コアの上流側に設けられ、前記可動コアの移動範囲を規制する固定コア（６０）と、
   前記ハウジングと前記可動コアとの間に囲まれたダンパ室（２５）と、
   を備え、
   前記可動コアは、互いに独立して摺動可能であり、かつ、シール部（５４ｓ）で互いに当接する第１可動コア（５１）と第２可動コア（５４）とを、前記第１可動コアが、前記固定コア側となるように有し、
   前記第１可動コアは、前記ハウジングとの間に第１摺動部（２１ａ）と前記第２可動コアと当接可能な第１端部（５３ｓ）と、を有し、
   前記第２可動コアは、前記ハウジングとの間に前記第１摺動部の外径よりも小さい外径の第２摺動部（２１ｂ）と、前記第１可動コア側に前記第２摺動部の外径よりも大きく形成され、前記第１端部と接したとき、前記ダンパ室に至る燃料通路を閉塞する第２端部（５５）と、を有する、
   燃料噴射弁。
2. 請求項１に記載の燃料噴射弁であって、
   前記シール部は、前記第２摺動部より径方向の外側に位置する、燃料噴射弁。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料噴射弁であって、
   前記第２端部は、前記第１可動コアに向けて突き出る凸部（５４ｃ）を有し、
   前記シール部は、前記凸部と前記第１可動コアとが当接する面である、燃料噴射弁。
4. 請求項１または請求項２に記載の燃料噴射弁であって、
   前記第１可動コアは、前記第２端部に向けて突き出る凸部を有し、
   前記シール部は、前記凸部と前記第２端部とが当接する面である、燃料噴射弁。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料噴射弁であって、
   前記燃料は気体である、燃料噴射弁。
6. 請求項５に記載の燃料噴射弁であって、
   前記気体は、水素である、燃料噴射弁。

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