JP5880358B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、ニードルを軸方向にスライドさせることにより燃料の噴射と停止とを行う構成の燃料噴射弁に係り、特に内燃機関に用いる燃料噴射弁に関する。

例えば特許文献１〜３に示されているように、燃料噴射弁として、ニードルを軸方向に変位させることにより燃料の噴射と停止とを行うように構成したものがある。

前記ニードルの下端には、筒状のハウジングの下端に設けられている燃料の噴射口を開閉するための弁体が設けられており、また前記ニードルの上端には、フランジが設けられている。このニードルを軸方向に変位させる駆動系としては、電磁石とアーマチュア（可動コアまたは可動子）とを用いている。

アーマチュアは、いわゆるニードルバウンスを低減するために、ニードルの外径側でフランジ寄りに相対変位可能に設けられている。電磁石（コイルユニット）は、前記ハウジングの外周に固定されている。

前記電磁石により磁気吸引力を発生させると、アーマチュアが上側に引き寄せられることになって、このアーマチュアがニードルを上側に押し上げることになるので、ニードルの弁体が前記噴射口を開く。一方、前記電磁石により磁気吸引力を発生させていない状態では、ニードルのフランジの上方に同軸に連なるように配置される戻しばね（円筒形の圧縮コイルバネ）の弾性復元力によりニードルおよびアーマチュアが下側に押し下げられることにより、前記ニードルの弁体が前記噴射口を閉じる。

特開２０１０−１５０９７６号公報（図１参照） 特表２００２−５２８６７２号公報（図１参照） 特表２００４−５１９６００号公報（図１参照）

上記従来例では、前記ニードルの弁体で前記噴射口を閉じている場合、前記ニードルのフランジの下面に前記アーマチュアの上面が当接するようになっているために、前記閉状態において微振動などによって前記当接面が相対的に動くと、当該当接面が摩擦接触することになる。

このような摩擦接触が繰り返されると、摩耗が経時的に進展することになるために、前記噴射口を開ける場合に前記ニードルの軸方向変位量が初期設定値より不足するなど、規定の燃料噴射量が得られなくなることが懸念される。

このような事情に鑑み、本発明は、ニードルを軸方向にスライドさせることにより燃料の噴射と停止とを行う構成の燃料噴射弁において、前記噴射口を開ける場合のニードルの軸方向変位量の経時変化を抑制または回避可能とすることを目的としている。

本発明に係る燃料噴射弁は、一端に燃料の噴射口の開閉用の弁体が設けられかつ他端にフランジが設けられるニードルと、このニードルのフランジに当接されて前記噴射口を閉じる側に前記ニードルを付勢する戻しばねと、前記ニードルの前記フランジ寄りの外径側に相対変位可能に設けられるアーマチュアと、このアーマチュアと前記ニードルのフランジとの軸方向対向間に設けられて当該両者を非接触とするように引き離す方向に付勢するためのばねと、前記アーマチュアを前記戻しばねの付勢力に抗して引き寄せる磁気吸引力を発生することにより前記噴射口を開く側に前記ニードルを軸方向に変位させるための駆動源と、前記アーマチュアが前記駆動源により引き寄せられるときの軸方向変位量を規制するための第１ストッパと、前記アーマチュアが前記駆動源により引き寄せられていない状態で前記戻しばねおよび前記ばねにより付勢されるときの軸方向変位量を規制するための第２ストッパと、を含み、前記アーマチュアは、磁性材を筒形状に形成したものとされ、かつその中心孔において前記フランジ側の端面から中心軸線方向の途中までの領域が大径とされていて、前記戻しばねは、前記ニードルの他端側に同軸に連なるように配置される円筒形の圧縮コイルバネとされ、前記ばねは、前記ニードルの外径側に同心状となるようにかつ前記ニードルの前記フランジと、前記アーマチュアの中心孔の大径とされている領域において径方向に沿う段壁面との間に配置される円筒形の圧縮コイルバネとされ、前記第２ストッパは、前記ニードルの外周に取り付けられ、かつ前記アーマチュアにおいて前記ニードルの弁体側に位置する端面に軸方向で対向配置される筒状部材とされている、ことを特徴としている。

本発明では、前記アーマチュアが前記駆動源で発生する磁気吸引力により引き寄せられていない状態において、前記アーマチュアと前記ニードルのフランジとが非接触となるように構成されている。

これにより、前記ニードルの弁体で前記噴射口を閉じた状態において、仮に、前記アーマチュアと前記ニードルのフランジとが相対的に動いたとしても、前記アーマチュアと前記ニードルのフランジとが摩擦接触して摩耗することが回避される。

その結果、前記噴射口を開ける場合のニードルの軸方向変位量が経時変化せずに済むようになるから、使用経過に関係なく、燃料噴射量を初期設定値のままに保つことが可能になるなど、信頼性の向上に貢献できるようになる。

好ましくは、前記駆動源は、給電に伴い磁気吸引力を発生する電磁石とされ、前記ばねのばね定数が、前記戻しばねのばね定数より小さく設定される。ここでは、駆動源、戻しばね、ばねの構成を特定している。

好ましくは、前記第１ストッパは、前記戻しばねおよび前記ニードルのフランジの外径側に非接触に包囲配置されかつ前記アーマチュアにおいて前記ニードルのフランジ側に位置する端面に軸方向で対向配置される筒状部材の一部とされる。ここでは、第１ストッパの構成をより具体的に特定している。

本発明は、ニードルを軸方向にスライドさせることにより燃料の噴射と停止とを行う構成の燃料噴射弁において、前記噴射口を開ける場合のニードルの軸方向変位量の経時変化を抑制または回避することが可能になる。その結果、使用経過に関係なく、燃料噴射量を初期設定値のままに保つことが可能になるなど、信頼性の向上に貢献できるようになる。

本発明に係る燃料噴射弁の一実施形態で、その全体の概略構成を示す断面図である。 図１の一部の拡大図であり、燃料噴射弁の閉弁時の状態を示している。 図２において燃料噴射弁を開弁するときの初期段階を示す図である。 図３の状態からさらにニードルを押し上げて全開にしたときの状態を示す図である。 本発明に係る燃料噴射弁の他実施形態で、図２に対応する図である。

以下、本発明を実施するための最良の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

図１から図４に、本発明の一実施形態を示している。図中、１は燃料噴射弁の全体を示している。この燃料噴射弁１は、ガソリンなどの燃料を内燃機関の燃焼室に噴射するために用いられる高圧噴射弁である。

燃料噴射弁１のハウジング２は、図１に示すように、磁性材製のアッパハウジング２ａと磁性材製のロアハウジング２ｂとを非磁性材製の中継環２ｃを介して連結した構成になっている。

アッパハウジング２ａと中継環２ｃとロアハウジング２ｂとはそれぞれ例えばレーザ溶接などにより連結されている。アッパハウジング２ａの外径および内径はロアハウジング２ｂの外径および内径よりそれぞれ大きく設定されている。但し、ロアハウジング２ｂの上部の外径および内径はアッパハウジング２ａの外径および内径とほぼ同じに設定されている。

非磁性材製の中継環２ｃは磁性材製のアッパハウジング２ａと磁性材製のロアハウジング２ｂとの磁気的な短絡を防止するために設けられている。

アッパハウジング２ａの上側開口には、燃料導入管３が取り付けられており、ロアハウジング２ｂの下側開口には、円柱形のノズルボディ４が例えば圧入または溶接などにより固定されている。

このノズルボディ４の中心には、軸方向下端が閉塞された穴４ａが設けられており、また、このノズルボディ４の下側において前記穴４ａの下側閉塞部分には外側へ突出する突出部４ｂが設けられている。この突出部４ｂには、燃料の噴射口４ｃが複数設けられている。このノズルボディ４の下側突出部の付け根側には、すり鉢形状の弁座４ｄが設けられている。

また、ハウジング２の内部には、固定コア５、アーマチュア（可動コアとも言う）６、ニードル７、戻しばね８などが収納されていて、ハウジング２の外径側には、電磁石ユニット９が取り付けられている。

固定コア５は、磁性材製の長尺な円筒形の部材からなり、アッパハウジング２ａの内部空間の大半を占める領域に軸方向ならびに円周方向に不動となるように嵌合固定されている。この固定コア５の中心孔が燃料の供給通路とされる。

この固定コア５の下面は、下記するようにアーマチュア６が電磁石ユニット９により引き寄せられるときの軸方向変位量（上昇量）を規制するための第１ストッパとして用いられる。

アーマチュア６は、磁性材製の短尺な円筒形の部材からなり、アッパハウジング２ａの内部空間の下側領域に上下方向に変位可能に収納されている。このアーマチュア６の中心孔の周りには軸方向に貫通する孔（燃料通路）６ａが複数設けられている。

ニードル７の下端（軸方向一端）には前記噴射口４ｃの開閉用の弁体７ａが設けられ、また、ニードル７の上端（軸方向他端）には径方向外向きに張り出すフランジ７ｂが設けられている。

ニードル７の上部は中空に形成されており、この中空部分の所定位置に径方向に貫通する横孔７ｃが設けられている。また、ニードル７の弁体７ａの近傍には、外径が大径とされた大径部７ｄが設けられている。この大径部７ｄは、ノズルボディ４の穴４ａに相対変位可能に嵌入されていて、ニードル７の軸方向変位をガイドするために設けられている。

さらに、ニードル７の長手方向途中（軸方向中間）の外径側には、フランジ付きスリーブ１０が例えば溶接、接着または圧入などにより固定されている。

このスリーブ１０は、下記するようにアーマチュア６が電磁石ユニット９により引き寄せられていない状態で戻しばね８および下記ばね１２により付勢されるときの軸方向変位量（下降量）を規制するための第２ストッパとして用いられる。

ニードル７の弁体７ａは、ノズルボディ４のすり鉢形状の弁座４ｄに合致して当接するような先細り形状に形成されている。この弁体７ａがノズルボディ４の弁座４ｄに当接するとノズルボディ４の噴射口４ｃが閉じる状態になり、また、弁体７ａが前記弁座４ｄから離隔するとノズルボディ４の噴射口４ｃが開く状態になる。

ニードル７のフランジ７ｂは、固定コア５の中心孔に相対変位可能に非接触に配置されている。

そして、ニードル７のボディは、アーマチュア６の中心孔に相対変位可能に挿通されており、このようにニードル７とアーマチュア６とを相対変位可能にしているのは、いわゆるニードルバウンスを低減するためである。このニードル７のボディとロアハウジング２ｂの内部空間との対向部分には環状の隙間が設けられている。この環状の対向隙間が燃料供給通路となる。

戻しばね８は、円筒形の圧縮コイルバネとされ、固定コア５の中心孔内に収納されることによりニードル７のフランジ７ｂの上端側に同軸に連なるように配置されている。

詳しくは、戻しばね８は、ニードル７のフランジ７ｂと固定コア５の中心孔上部に嵌合固定されるアジャスティングパイプ１１とで挟まれることにより圧縮されている。この戻しばね８は、圧縮状態からの弾性復元力によってノズルボディ４の噴射口４ｃを閉じる側（下側）にニードル７を付勢する。

電磁石ユニット９は、アーマチュア６を戻しばね８の弾性復元力（付勢力）に抗して引き寄せる磁気吸引力を発生することによりノズルボディ４の噴射口４ｃを開く側にニードル７を軸方向に変位させるものである。

この電磁石ユニット９は、磁性材製の円筒形のケース９ａの内周にスプール９ｂに巻かれたコイル９ｃが設置されており、さらにケース９ａにはコイル９ｃへの給電端子９ｄを備えるコネクタ９ｅが取り付けられている。

なお、電磁石ユニット９のコイル９ｃに給電することによって、当該コイル９ｃに発生する磁界により磁束がアッパハウジング２ａと固定コア５とアーマチュア６とロアハウジング２ｂとケース９ａとに流れて磁気回路を形成することを可能とするために、前記しているように、アッパハウジング２ａ、ロアハウジング２ｂ、固定コア５、アーマチュア６、ならびにケース９ａを磁性材製としている。

ところで、燃料導入管３から導入される高圧燃料は、固定コア５の中心孔、ニードル７の横孔７ｃ、固定コア５とアーマチュア６との対向隙間を経てロアハウジング２ｂとニードル７との対向隙間に導入され、充填されるようになっている。そして、ノズルボディ４の噴射口４ｃが開くと、前記ロアハウジング２ｂとニードル７との対向隙間に充填されている高圧燃料がノズルボディ４の噴射口４ｃから外部に噴射される。

そして、この実施形態では、図１および図２に示すように、アーマチュア６とニードル７のフランジ７ｂとを非接触とするように引き離す方向に付勢するためのばね１２が設けられている。

このばね１２は、円筒形の圧縮コイルバネとされ、ニードル７の外径側に同心状となるようにかつアーマチュア６の上面とニードル７のフランジ７ｂの下面との軸方向対向間に圧縮する状態で配置されている。このばね１２のばね定数は、戻しばね８のばね定数より小さく設定されている。

なお、アーマチュア６の中心孔は、軸方向の約上半分の領域が大径とされ、約下半分の領域が小径とされている。この大径領域と小径領域との間の径方向に沿う段壁面６ｂが、ばね１２の下端を受けるばね受け面とされている。なお、ニードル７のフランジ７ｂの下面は、はね１２の上端を受けるばね受け面とされている。

次に、図１から図４を参照して、燃料噴射弁１の動作を説明する。

まず、コイル９ｃへの給電を停止している状態では、図１および図２に示すように、戻しばね８の弾性復元力によってニードル７が下側に付勢させられているので、このニードル７の弁体７ａがノズルボディ４の弁座４ｄに当接させられていて、ノズルボディ４の噴射口４ｃが閉じられた状態になっている。

そこで、電磁石ユニット９のコイル９ｃに給電すると、当該コイル９ｃに発生する磁界により磁束がアッパハウジング２ａと固定コア５とアーマチュア６とロアハウジング２ｂとケース９ａとに流れて磁気回路を形成することにより、固定コア５の下面側にアーマチュア６が引き寄せられるので、アーマチュア６が上昇させられる。

このアーマチュア６の上昇に伴い、初期段階として、図３に示すように、ばね１２が圧縮されることになってアーマチュア６の上面がニードル７のフランジ７ｂの下面に当接する。

引き続き、図４に示すように、前記電磁石ユニット９で発生する磁気吸引力によってさらにアーマチュア６が上側に引き寄せられるので、このアーマチュア６がニードル７を上昇させる。

これにより、ニードル７の弁体７ａがノズルボディ４の弁座４ｄから離隔してノズルボディ４の噴射口４ｃを開く状態になるので、ロアハウジング２ｂとニードル７との対向隙間に充填されている高圧燃料が噴射口４ｃから外部に噴射されることになる。

この後、コイル９ｃへの給電を停止すると、戻しばね８の弾性復元力によってニードル７が押し下げられて、このニードル７の弁体７ａがノズルボディ４の弁座４ｄに当接させられることになって、ノズルボディ４の噴射口４ｃが閉じられる。

ところで、前記したようにアーマチュア６が上昇または下降するときに、当該アーマチュア６の周辺に存在する燃料がアーマチュア６の孔６ａを通じて移動可能になっているから、アーマチュア６の周辺に存在する燃料がアーマチュア６の昇降時の抵抗にならずに済む。このことから、アーマチュア６の動きがスムースになるので、燃料噴射弁１の開閉動作の応答性が良好になっている。

以上説明したことから明らかなように、本発明を適用した実施形態の燃料噴射弁１では、ニードル７の軸方向変位量を、固定コア５の下面からニードル７のフランジ７ｂの下面までの距離２０（図２、図３参照）により規定するように構成されている。

そして、この実施形態では、燃料噴射弁１の全閉時にアーマチュア６とニードル７のフランジ７ｂとを非接触とするように構成しているから、仮に、この全閉時において微振動が発生することによってアーマチュア６とニードル７のフランジ７ｂとが相対的に動いたとしても、これらアーマチュア６とニードル７のフランジ７ｂとが対向する面が摩擦接触することがない。

言い換えると、この実施形態では、従来例のようにアーマチュア６とニードル７のフランジ７ｂとを常に当接させている場合に発生していた不具合（前記当接部分の経時的な摩耗）が発生せずに済むのである。

したがって、この実施形態の燃料噴射弁１の場合、使用経過に関係なく、前記距離２０を変化させずに初期設定値のままに保つことが可能であるから、ニードル７の軸方向変位量が経時変化することを回避できるようになり、その結果として、燃料噴射量を初期設定値のままに保つことが可能になるなど、信頼性の向上に貢献できるようになる。

ところで、この実施形態では、アーマチュア６とニードル７のフランジ７ｂとを非接触とするためのばね１２を、アーマチュア６の中心孔に設けている径方向に沿う段壁面６ｂとニードル７のフランジ７ｂの下面とに直接当接させるようにしていて、例えば別体のばね受けなどを用いていないから、余分な部品を増やさずに済むなど、設備コストの上昇を抑制するうえで有利になっている。

なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲内で適宜に変更することが可能である。

（１）上記実施形態では、例えばニードル７の上端にフランジ７ｂを一体的に形成した場合を例に挙げているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばフランジ７ｂをニードル７と別体に形成しておいてニードル７に例えば溶接、接着または圧入などにより固定することが可能である。

（２）上記実施形態では、アーマチュア６の下側スライド位置を規制するための第２ストッパとしてフランジ付きスリーブ１０をニードル７に取り付けるように構成した例を挙げているが、本発明はこれに限定されるものではない。

例えば図５に示すように、ロアハウジング２ｂの上方拡径部分において径方向に沿う段壁面部分に、軸方向に張り出す張り出し部２ｄを設けることにより、この張り出し部２ｄを前記第２ストッパとして利用することが可能である。この場合には、既存のロアハウジング２ｂを利用していて、フランジ付きスリーブ１０のような別部材を用いる必要がないから、上記実施形態に比べると設備コストを低減するうえで有利になる。

本発明は、内燃機関に燃料を噴射するための燃料噴射弁に利用することができ、特に、ニードルを軸方向に変位させることにより燃料の噴射と停止とを行う構成の燃料噴射弁に利用することができる。

１ 燃料噴射弁
２ ハウジング
２ａ アッパハウジング
２ｂ ロアハウジング
４ ノズルボディ
４ｃ 噴射口
４ｄ 弁座
５ 固定コア
６ アーマチュア
７ ニードル
７ａ 弁体
７ｂ フランジ
８ 戻しばね
９ 電磁石ユニット
９ｃ コイル
１０ スリーブ
１２ ばね

Claims (3)

1. 一端に燃料の噴射口の開閉用の弁体が設けられかつ他端にフランジが設けられるニードルと、
   このニードルのフランジに当接されて前記噴射口を閉じる側に前記ニードルを付勢する戻しばねと、
   前記ニードルの前記フランジ寄りの外径側に相対変位可能に設けられるアーマチュアと、
   このアーマチュアと前記ニードルのフランジとの軸方向対向間に設けられて当該両者を非接触とするように引き離す方向に付勢するためのばねと、
   前記アーマチュアを前記戻しばねの付勢力に抗して引き寄せる磁気吸引力を発生することにより前記噴射口を開く側に前記ニードルを軸方向に変位させるための駆動源と、
   前記アーマチュアが前記駆動源により引き寄せられるときの軸方向変位量を規制するための第１ストッパと、
   前記アーマチュアが前記駆動源により引き寄せられていない状態で前記戻しばねおよび前記ばねにより付勢されるときの軸方向変位量を規制するための第２ストッパと、を含み、
   前記アーマチュアは、磁性材を筒形状に形成したものとされ、かつその中心孔において前記フランジ側の端面から中心軸線方向の途中までの領域が大径とされていて、
   前記戻しばねは、前記ニードルの他端側に同軸に連なるように配置される円筒形の圧縮コイルバネとされ、
   前記ばねは、前記ニードルの外径側に同心状となるようにかつ前記ニードルの前記フランジと、前記アーマチュアの中心孔の大径とされている領域において径方向に沿う段壁面との間に配置される円筒形の圧縮コイルバネとされ、
   前記第２ストッパは、前記ニードルの外周に取り付けられ、かつ前記アーマチュアにおいて前記ニードルの弁体側に位置する端面に軸方向で対向配置される筒状部材とされている、ことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 請求項１に記載の燃料噴射弁において、
   前記駆動源は、給電に伴い磁気吸引力を発生する電磁石とされ、
   前記ばねのばね定数が、前記戻しばねのばね定数より小さく設定される、ことを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項１または２に記載の燃料噴射弁において、
   前記第１ストッパは、前記戻しばねおよび前記ニードルのフランジの外径側に非接触に包囲配置されかつ前記アーマチュアにおいて前記ニードルのフランジ側に位置する端面に軸方向で対向配置される筒状部材の一部とされる、ことを特徴とする燃料噴射弁。

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