(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア、アマチュアおよびコイルを有するソレノイド装置と、上記ソレノイド装置に接続され、上記アマチュアに接続されて共に移動する弁体および上記弁体が離接して開閉される弁座を有する弁装置とを備えた燃料噴射弁であって、
上記コアおよび上記アマチュア間に形成されるエアギャップに連通した通路と、
上記通路に連通して上記通路を介して上記エアギャップに連通した圧力室とを備え、
上記通路および上記圧力室の形状寸法が、上記エアギャップで発生する圧力波を位相反転させ上記エアギャップに戻し、上記エアギャップ内の圧力を高めるような形状寸法であることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
上記通路および上記圧力室の形状寸法が、上記エアギャップ内の圧力により、上記弁体の上記弁座からの跳ね返りを抑制するような形状寸法であることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
【請求項３】
上記アマチュアの外側面に対向した仕切壁が備えられたことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の燃料噴射弁。
【請求項４】
上記通路の断面積Ｓが上記圧力波の導入方向に対して異なることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
【請求項５】
上記圧力室の一部を容積調整部材が占めていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
【請求項６】
上記容積調整部材が樹脂からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
【請求項７】
上記容積調整部材がリング状の部材からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
弁体と弁座とを離接して、高圧の燃料を弁座に設けられたオリフィスの先端口から内燃機関の燃料室へ噴射する従来の燃料噴射弁に於いては、弁体が閉弁するときに起きる燃料噴霧の後だれを低減するために、コア端面とアマチュア端面が対向するエアギャップ部に連通するように緩衝部を設けて、閉弁直後の弁座付近に発生する燃圧変化に対してエアギャップ部の燃圧変化に遅れを発生させて、弁体の上流部と下流部との間の圧力差により弁体に閉弁方向の荷重を与えて噴射終了後の２次噴射を抑制している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２９１５０４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の構成の燃料噴射弁に於いて、コア端面とアマチュア端面が対向するエアギャップ部に連通するように設置されたアキュームレータ室が弾性体で構成されているため、閉弁直後の弁体のバウンドで弁座付近に発生する燃圧低下に対してエアギャップ部の燃圧変動に遅れを発生するのには有効であるが、圧力室を持たないため閉弁時にエアギャップ部で発生する圧力変動を弁体のバウンド抑制に適した圧力波に変換できず、弁体のバウンドを十分に低減できていなかった。
【０００５】
この発明の目的は、閉弁時における弁体のバウンドが低減された燃料噴射弁を得ることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる燃料噴射弁は、コア、アマチュアおよびコイルを有するソレノイド装置と、ソレノイド装置に接続され、アマチュアに接続されて共に移動する弁体および弁体が離接して開閉される弁座を有する弁装置とを備えた燃料噴射弁であって、コアおよびアマチュア間に形成されるエアギャップに連通した通路と、通路に連通して通路を介してエアギャップに連通した圧力室とを備え、通路および圧力室の形状寸法が、エアギャップで発生する圧力波を位相反転させエアギャップに戻し、エアギャップ内の圧力を高めるような形状寸法である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の燃料噴射弁の断面図である。図２は図１のエアギャップおよび圧力室の詳細断面図である。図３は図１のエアギャップおよび圧力室の燃料圧力の経時変化を示すグラフである。図４は図１の弁体の開閉過渡変化を示すグラフである。
【０００８】
燃料噴射弁は、ソレノイド装置１と弁装置２とを備え、ソレノイド装置１は磁気回路のヨーク部でもあるハウジング３と、磁気回路の固定鉄心部分であるコア４と、磁気回路の可動鉄心部分であるアマチュア５と、磁気回路のヨーク部でもあり、弁装置２を支持するバルブホルダ６と、ハウジング３の内周面に内接し、コアの外周面を覆うコイルハウジング７と、コイルハウジング７に納められ、磁気回路を励磁するコイル８と、コイルハウジング７を固定するリング９と、アマチュア５を弁装置２方向に付勢する圧縮ばね１０と、圧縮ばね９を係着するボルト１１とを備えている。
【０００９】
弁装置２は、バルブホルダ６の内径部に圧入溶接して固定された弁本体１２と、アマチュア５に溶接され、弁本体１２の中心円筒を貫通した弁体１３と、弁体１３のハウジング１３ａと離接することによって、アマチュア５とコア４との間に形成されるエアギャップ１４の間隔を制約するストッパ１５と、弁体１３に貫通され、弁本体１２の先端に設けられた内径部に圧入され、燃料に旋回流を与えるスワラ１６と、スワラ１６の圧入された弁本体１２の内径部にスワラ１６に重なるように圧入され、弁体１３の先端と離接して燃料の流路を閉開する弁座１７とを備えている。
【００１０】
弁体１３は弁体の摺動部１３ｂ、１３ｃで弁本体１２の内径部１２ａに案内されて摺動動作する。摺動部１３ｃは弁座面１７ａに対する弁体１３の径方向の非同軸度（振れ）を規制する手段であるのでクリアランスはなるべく小さく設定されるのが好ましく、図１では弁体１３の耐久磨耗を許容限度以内とするため、10μｍ以下（片側隙間5μｍ以下）としている。
【００１１】
バルブホルダ６のリング９に相対する面にアマチュア５と同心円状のリング溝１８が設けられている。リング溝１８の仕切壁１９の厚さはＬ（ｍｍ）である。仕切壁１９の上端面１９ａとリング９の下方端面９ａとの間隔はＧ（ｍｍ）とする。リング溝１８の外周壁２０の上端面２０ａはリング９の下方端面９ａに当接されている。またリング溝１８の深さはＷ（ｍｍ）とする。リング溝１８の仕切壁１９の内径はＭ（ｍｍ）、外径はＮ（ｍｍ）、またリング溝１８の外周壁２０の内径はＲ（ｍｍ）とする。エアギャップ１４とリング溝１８を連通する通路２１は、仕切壁１９の上端面１９ａとリング９の下方端面９ａとに挟まれた空間であり、通路長は仕切壁１９の厚みと同じであるので、Ｌ（ｍｍ）である。従って通路断面積Ｓ（ｍｍ２）は（（２×π×（Ｍ＋Ｎ）／２）×Ｇ）である。圧力室２２はリング溝１８がリング９で覆われて、通路２１を除いて閉塞された空間である。圧力室２２の体積Ｖ（ｍｍ３）は（π×（Ｒ２ーＮ２）×Ｗ）である。
【００１２】
圧力室２２の形状の設定方法について説明する。閉弁を行ってエアギャップ１４に発生する圧力波を計測して、圧力波の周波数Ｆｐ（Ｈｚ）を求める。一方、通路２１と圧力室２２からなるいわゆるヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数Ｆｈ（Ｈｚ）を求める。ヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数Ｆｈ（Ｈｚ）は通路２１の長さＬ（ｍｍ）および断面積Ｓ（ｍｍ２）、圧力室の内容積Ｖ（ｍｍ３）から求めることができる。有効質量Ｍａは（ρ×Ｌ）／Ｓ、コンプライアンスＣａはＶ／（ρ×ｃ２）である。なお、ここではρは燃料の密度（Ｋｇ／ｍ３）、ｃは圧力波の燃料中の伝搬速度（ｍ／ｓ）である。共鳴周波数Ｆｈは１／（２π（Ｍａ×Ｃａ）１／２）として求められる。このヘルムホルツ共鳴周波数Ｆｈがエアギャップ１４が広がるときに発生する圧力波の周波数Ｆｐ（Ｈｚ）とほぼ等しくなるように通路２１および圧力室２２の形状を設定する。
【００１３】
次に圧力波がヘルムホルツ共鳴器で反射してエアギャップ１４に戻ってくるタイミングを合わせる。弁体１３は弁座１７に衝突後バウンスしてエアギャップ１４を狭めるように、アマチュア５方向に移動してくる。弁体１３の機械振動は弁体１３の形状と重量、溶接部で固定されたアマチュア５の形状と重量に因って振動数が決まる。弁体１３の振動数を求めるために、アマチュア５も含めた弁体１３に機械振動を加えて弁体１３の長手方向の共振周波数Ｆｌ（Ｈｚ）を計測する。この弁体１３の振動の半波長の間に圧力波がエアギャップ１４に戻るようにアマチュア５の径、アマチュア５と通路２１の壁との隙間および通路２１の長さの加算値を往復することができるようにそれぞれを設定する。
【００１４】
次に燃料噴射弁の動作について説明する。燃料は加圧されて図示しないフューエルポンプから流入口２３へ注入され、ボルト１１、圧縮ばね１０、アマチュア５の内管を通過して、弁体１３と弁本体１２の内管１２ａの隙間を流れて、弁体１３と弁座面１７ａとの当接面で停止させられている。
【００１５】
図示しないエンジンの制御装置からコイル８に電流が通電され、アマュア５、コア４、ハウジング３、バルブホルダ６で構成される磁気回路に磁束が流れて、アマチュア５はコア４側へ吸引移動される。アマチュア５と一体構造である弁体１３が弁座１７から離れて間隙が形成されると、高圧の燃料は弁本体１２と弁体１３の間隙を通過し、弁座面１７ａと弁体１３の隙間を通って弁座の噴射口１７ｂに流入したのち外部へ噴射される。開弁されているときは、アマチュア５とコア４との相対する端面の間の間隙は、弁体のフランジ１３ａの上面がストッパ１５の下面に当たることで決められている。
【００１６】
次に図示しないエンジンの制御装置からの電流が停止すると、磁気回路中の磁束が減少して、アマチュア５をコア４に吸引している力が減少する。アマチュア５に連接された弁体１３は閉弁方向に付勢している圧縮ばね１０により閉弁方向に移動する。弁体１３と弁座面１７ａ間の隙間は閉じた状態となり、燃料噴射が終了する。
【００１７】
同時に、閉弁動作ではアマチュア５とコア４の間のエアギャップ１４の容積が急激に拡大するために、エアギャップ１４にある燃料は膨張させられ、エアギャップ１４の周囲にある燃料の圧力より低い圧力の圧力波２４（図２に矢印で示す。）が外側に向かって伝搬する。この圧力波２４はエアギャップ１４に連通した通路２１を経由し圧力室入口２２ａに達し、通路２１と圧力室２２はエアギャップ１４で発生する圧力波２４と共鳴するように設けられているので、圧力波２４はいわゆるヘルムホルツ共鳴器と共鳴して図３に示すように位相反転して周囲の燃料の圧力より高い圧力の圧力波２５として跳ね返される。この跳ね返った圧力波２５がエアギャップ１４に戻ってきたとき、弁体１３が弁座１７に衝突した後跳ね返えるように、アマチュア５の径、アマチュア５と通路２１の壁との間の隙間、通路２１の通路長を設定してある。エアギャップ１４の圧力が周囲の燃料の圧力より高くなり、弁体１３は閉弁方向へ燃料から力が作用して、弁体１３と弁座１７との間に隙間が開かない。
【００１８】
図３にエアギャップ１４で発生した圧力波２４といわゆるヘルムホルツ共鳴器で反射した圧力波２５の波の進行状況を示してある。エアギャップ１４の中央部１４ａで圧力波２４がアマチュア５の内側と外側に向かって伝搬するが、内側へ伝搬した圧力波２４は燃料の流れの中を伝搬して消滅する。一方、外側に伝搬した圧力波２４はエアギャップの端部１４ｂを通過し、さらにいわゆるヘルムホルト共鳴器で位相が反転させられて反射する。
【００１９】
このような燃料噴射弁を駆動したとき弁体１３の変位を計測すると、図４に示すようにコイル８への電流遮断後、閉弁方向へ変位し、小さな振動を伴って停止する。このように従来に較べて弁体１３のニードルバウンスが抑制され、噴霧終了後の２次噴射を低減することができている。
【００２０】
また、この燃料噴射弁をコイル８へ流す電流のパルス幅を変えて、流量との関係を調べたが、パルス幅と流量が比例関係にある領域が微小なパルス幅まで広がって燃料噴射弁のダイナミックレンジが拡大されている。
【００２１】
また、この燃料噴射弁を備えた内燃機関を搭載した車両で走行したのち、燃料噴射弁を内燃機関から取り外して外観を観察したが、デポジットの付着が少なくなっていた。
【００２２】
また、この燃料噴射弁を備えた内燃機関を搭載した車両で走行したときの燃費を比較したが、従来より１％位燃費が向上していた。
【００２３】
また、この燃料噴射弁を備えた内燃機関を搭載した車両で走行したときの騒音が低減していた。
【００２４】
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２の通路と圧力室の断面図である。実施の形態１と通路の形状が異なっており、その他は同じであるので説明は省略する。
バルブホルダ６のリング９に相対する面にアマチュア５と同心円状のリング溝１８が設けられている。リング溝１８の仕切壁１９は断面が直角三角形であり、アマチュア５から離れるに従って高さが低くなっている。仕切壁１９の厚さをＬ２（ｍｍ）とし。仕切壁１９の上端面１９ａとリング９の下方端面９ａとの間隔はＧ（ｍｍ）とする。リング溝１８の外周壁２０の上端面２０ａはリング９の下方端面９ａに当接されている。またリング溝１８の深さはＷ（ｍｍ）、リング溝１８の仕切壁１９の内径はＭ（ｍｍ）、外径はＮ（ｍｍ）、またリング溝１８の外周壁２０の内径はＲ（ｍｍ）とする。通路２１は仕切壁１９の上端面１９ａとそれに連なった圧力室２２側に傾いた端面１９ｂのそれぞれとリング９の下方端面９ａとに挟まれた空間であり、通路長は仕切壁１９の厚みと同じであるので、Ｌ（ｍｍ）である。従って、通路断面積Ｓ（ｍｍ２）は（２×π×（Ｍ＋Ｎ）／２）×（Ｇ＋Ｗ／２）である。圧力室２２はリング９で覆われたリング溝１８である。圧力室２０の体積Ｖ（ｍｍ３）は（π×（Ｒ２ーＮ２）×Ｗ）である。
【００２５】
通路２１と圧力室２２で形成されるヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数Ｆｈ（Ｈｚ）は通路１９の長さＬ（ｍｍ）および断面積Ｓ（ｍｍ２）、圧力室２２の内容積Ｖ（ｍｍ３）から求めることができる。有効質量Ｍａは（ρ×Ｌ）／Ｓ、コンプライアンスＣａはＶ／（ρ×ｃ２）である。なお、ここではρは燃料の密度（Ｋｇ／ｍ３）、ｃは圧力波の燃料中の伝搬速度（ｍ／ｓ）である。共鳴周波数Ｆｈは１／（２π（Ｍａ×Ｃａ）１／２）として求められる。
【００２６】
このようにリング溝１８の仕切壁１９の断面形状を３角形にすると通路２１の有効質量Ｍａが大きくなるので共鳴周波数Ｆｈを小さくすることができる。
【００２７】
このような燃料噴射弁では、リング溝の仕切壁の断面形状を変更することによって、圧力室を変更せずに共鳴周波数を変更し、閉弁時における弁体のバウンスを抑えるのに適した強さと周波数の圧力波に調整することができる。
【００２８】
なお、仕切壁の断面形状として直角三角形にした例を説明したが、これに限るものではなく円弧を含む断面でも同様な効果が得られる。
【００２９】
実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３の燃料噴射弁の断面図である。実施の形態２とはリング９の下方端面９ａの形状が異なっており、その他は同じであり、説明は省略する。
バルブホルダ６のリング９に相対する面にアマチュア５と同心円状のリング溝１８が設けられている。リング溝１８の仕切壁１９の断面が直角三角形でアマチュア５から離れるに従い高さが低くなっている。仕切壁１９の厚さはＬ２（ｍｍ）とする。一方、リング９の下方端面９ａは仕切壁１９の上端面１９ａと一定の間隔Ｇ（ｍｍ）を維持して、エアギャップ１４から離間するに従い傾いている。リング溝１８の外周壁２０の上端面２０ａはリング９の下方端面９ａに当接されている。またリング溝１８の深さはＷ２（ｍｍ）、リング溝１８の仕切壁１９の内径はＭ（ｍｍ）、外径はＮ（ｍｍ）、またリング溝１８の外周壁２０の内径はＲ（ｍｍ）とする。通路２１は仕切壁１９の圧力室２２側に傾いた端面１９ｂとリング９の下方端面９ａとに挟まれた空間であり、通路長は仕切壁１９の端面１９ｂの長さと同じであるので、（２）１／２Ｌ（ｍｍ）である。また通路断面積Ｓ（ｍｍ２）は（（２×π×（Ｍ＋Ｎ）／２）×Ｇ）である。圧力室２２はリング溝１８がリング９で覆われて、通路２１を除いて閉塞された空間である。圧力室２２の体積Ｖ（ｍｍ３）は（π×（Ｒ２ーＮ２）×Ｗ２）である。
【００３０】
通路２１と圧力室２２で形成されるヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数Ｆｈ（Ｈｚ）は通路の長さ（２）１／２Ｌ（ｍｍ）および断面積Ｓ（ｍｍ２）、圧力室の内容積Ｖ（ｍｍ３）から求めることができる。有効質量Ｍａは（ρ×（２）１／２Ｌ）／Ｓ、コンプライアンスＣａはＶ／（ρ×ｃ２）である。なお、ここではρは燃料の密度（Ｋｇ／ｍ３）、ｃは圧力波の燃料中の伝搬速度（ｍ／ｓ）である。共鳴周波数Ｆｈは１／（２π（Ｍａ×Ｃａ）１／２）として求められる。
【００３１】
このようにリング溝１８の仕切壁１９の断面形状を３角形にすると同時にリング９の下方端面９ａを仕切壁１９に沿わせることで、通路２１の通路長を大きくし、有効質量Ｍａが大きくなるので共鳴周波数Ｆｈを小さくすることができる。
【００３２】
このような燃料噴射弁に於いては、リング溝の内周壁の厚みを大きくすることなく、通路が内周壁を斜めに横切るように配置されて、通路の長さを長くすることができ、圧力室を変更せずに共鳴周波数を変更し、閉弁時における弁体のバウンスを抑えるのに適した強さと周波数の圧力波に調整することができる。
【００３３】
なお、リングの形状はこの説明に限るものではなく、燃圧、圧縮ばねなどを考慮して所定の圧力波の反射を得られればよい。
【００３４】
実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４の圧力室の断面図である。実施の形態１とは圧力室に圧力室の容積を調整する容積調整部材が挿入されることが異なっており、その他は同じであるので、説明は省略する。
バルブホルダ６のリング９に相対する面にアマチュア５と同心円状のリング溝１８が設けられている。リング溝１８の仕切壁１９の厚さはＬ（ｍｍ）である。内周壁１９の上端面１９ａとリング９の下方端面９ａとの間隔はＧ（ｍｍ）になっている。リング溝１８の外周壁２０の上端面２０ａはリング９の下方端面９ａに当接されている。リング溝１８の深さはＷ（ｍｍ）となっている。リング溝１８の仕切壁１９の内径はＭ（ｍｍ）、外径はＮ（ｍｍ）である。またリング溝１８の外周壁２０の内径はＲ（ｍｍ）である。
【００３５】
リング溝１８の外周壁２０に当接した断面積Ｓ１（ｍｍ２）の金属製のリング状の容積調整部材２６が挿入されている。通路２１は仕切壁１９の上端面１９ａとリング９の下方端面９ａとに挟まれた空間であり、通路長は仕切壁１９の厚みと同じであるので、Ｌ（ｍｍ）である。また通路断面積Ｓ（ｍｍ２）は（２×π×（Ｍ＋Ｎ）／２）×Ｇである。圧力室２２はリング溝１８がリング９で覆われて、通路２１を除いて閉塞された空間である。圧力室２２の体積Ｖ（ｍｍ３）は（（π×（Ｒ２−Ｎ２）×Ｗ）−２π×（Ｒ−Ｔ）×Ｓ２）である。
【００３６】
このような燃料噴射弁は、容積調整部材２６をリング溝に挿入することによって、リング溝そのものを変更せずに圧力室の体積を減少することができる。
【００３７】
また、容積調整部材の形状を変更することだけで、共鳴周波数を合わせることができる。
【００３８】
なお、リング状の容積調整部材の断面形状は図６では楕円形状であるが、これに限るものではなく、燃圧、圧縮ばねなどを考慮して所定の圧力波の反射を得られればよい。
【００３９】
また、容積調整部材のリング溝への挿入位置は図６に限るものではなく、燃圧、圧縮ばねなどを考慮して所定の圧力波の反射を得られればよい。
【００４０】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５の燃料噴射弁は図６の容積調整部材２６が異なっているだけであり、その他は同じである。
容積調整部材は耐油性の樹脂からできていて圧力室に挿入されている。
【００４１】
このような燃料噴射弁においては、樹脂製の容積調整部材を用いているので、圧力室の容積を調整できると同時に、液圧の脈動を遅延する効果も合わせて発揮し、弁体の２次バウンス以降を抑制することができた。
【００４２】
【発明の効果】
上述の如く、この発明による燃料噴射弁の効果は、コア、アマチュアおよびコイルを有するソレノイド装置と、ソレノイド装置に接続され、アマチュアに接続されて共に移動する弁体および弁体が離接して開閉される弁座を有する弁装置とを備えた燃料噴射弁であって、コアおよびアマチュア間に形成されるエアギャップに連通した通路と、通路に連通して通路を介してエアギャップに連通した圧力室とを備え、通路および圧力室の形状寸法が、エアギャップで発生する圧力波を位相反転させエアギャップに戻し、エアギャップ内の圧力を高めるような形状寸法であるので、エアギャップで発生した圧力波が圧力室と通路とからなる共鳴器で反射され、エアギャップに戻ることにより弁体が閉弁方向に加圧されるので、弁体のバウンスが抑制される。さらに、バウンスの抑制により噴射終了後の２次噴射を低減することで、噴口付近へのデポジット付着の抑制や排気ガスの低減、燃費の向上が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１の燃料噴射弁の断面図である。
【図２】  図１のエアギャップ、圧力室の詳細断面図である。
【図３】  図１のエアギャップ、圧力室の燃料圧力の経時変化を示す。
【図４】  図１の弁体の開閉過渡変化を示す。
【図５】  この発明の実施の形態２の通路と圧力室の断面図である。
【図６】  この発明の実施の形態３の通路と圧力室の断面図である。
【図７】  この発明の実施の形態４の通路と圧力室の断面図である。
【符号の説明】
１  ソレノイド装置、２  弁装置、３  ハウジング、４  コア、５  アマチュア、６  バルブホルダ、７  コイルハウジング、８  コイル、９  リング、１０圧縮ばね、１１  ボルト、１２  弁本体、１３  弁体、１４  エアギャップ、１５  ストッパ、１６  スワラ、１７  弁座、１８  リング溝、１９  仕切壁、２０  外周壁、２１  通路、２２  圧力室、２３  流入口、２４、２５  圧力波、２６  容積調整部材。
【図１】
0003723800.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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