(57)【要約】【課題】  燃料噴射弁において、弁体に対して相対変位可能に構成された可動コアの戻り時間を短縮しエンジン燃焼性能の向上をはかる。【解決手段】  先端に噴孔を有する筒状部材２と、筒状部材２の内側に収納された固定コア３と、筒状部材２の内側に固定コア３の噴孔７１，７２側端面と対向するように収容されかつ往復運動が可能な可動コア４と、可動コア４を固定コア３側へ付勢するばね１０とを有する電磁式燃料噴射弁において、ばね１０のたわみと荷重とが非線形性を有するようにする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に噴孔を有する筒状部材と、前記筒状部材の内側に収納された固定コアと、前記筒状部材の内側に前記固定コアの噴孔側端面と対向するように収容されかつ往復運動が可能な可動コアと、前記可動コアを前記固定コア側へ付勢するばねとを有する電磁式燃料噴射弁において、
前記ばねのたわみと荷重は非線形性を有することを特徴とする電磁式燃料噴射弁。
【請求項２】
請求項1に記載の燃料噴射弁において、
前記ばねは、ばねのたわみ量が大きくなるにつれ非線形的に荷重が増大することを特徴とする電磁式燃料噴射弁。
【請求項３】
請求項1又は２に記載の電磁式燃料噴射弁において、
前記ばねは、線形性もしくは非線形性を有した複数のばねで構成されたことを特徴とする電磁式燃料噴射弁。
【請求項４】
請求項1乃至３のいずれかに記載の燃料噴射弁において、
前記ばねは、前記固定コアと前記可動コアとが対向する面とは反対側の可動コア部分に接触して前記可動コアに付勢力を付与することを特徴とする電磁式燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用内燃機関用の燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関に用いられる燃料噴射弁は、コイルに電流を流すことにより可動コアと固定コアとを含む磁気通路に磁束を供給し、可動コア端面と固定コア端面との間の磁気吸引ギャップに磁気吸引力を発生させて可動コアを固定コア側に引き付けることにより、弁体の開閉を行う構成となっている。弁体に対して可動コアが弁体の軸方向に相対変位可能に構成されて弁体と可動コアとが協働する場合、閉弁状態に至る過程において、元の可動コア静止位置を通過するオーバーシュートを発生することがあり、このオーバーシュートを制限し元の可動コア静止位置に戻すために、可動コア下側に戻しばねを設置し、可動コア上側方向への強制力を付与している。（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第4211814号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には、弁体と協動する可動コアの下側（固定コアとは反対側）に戻しばねが設置してあることが記載されている。この戻しばねは、弁体が静止状態のときに可動コアと弁体を接触した状態で静止するために必要な強制力を発生することと、閉弁時に可動コアが元の静止位置よりも下側への過度のオーバーシュートを抑制するだけの強制力が必要とされる。また、可動コアがオーバーシュート最下点から元の可動コア静止位置へ戻り弁体と接触する時に必要最小限の衝突力をもった状態にすることで、弁体の再作動を防止し２次噴射を防ぐことが可能となる。２次噴射は、エンジン燃焼に必要な流量を最適に制御できないばかりでなく、排気性能の悪化にもつながるため燃料噴射弁にとっては防がなければならない重要な機能のひとつでもある。
【０００５】
近年環境負荷への軽減を背景に、排気ガスのさらなる低減、燃料消費量の低減が必要となり、燃料噴射弁へも最小噴射量低減や弁体挙動ばらつきのさらなる低減が求められている。具体的に燃料噴射弁の要求機能としては１回の燃焼行程における分割噴射、すなわち微小時間における複数回の噴射が必要となっている。
このような燃料噴射弁の機能への要求に対して、特許文献１の構造だけで微小時間における複数回の噴射を満足するには構造的に十分といえない。
本発明の目的は、可動コア下側における戻しばね機能を拡張し、微小時間における複数回の燃料噴射を可能にする燃料噴射弁を市場に提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明では、可動コアが元の静止位置よりも下側へオーバーシュートする領域において、オーバーシュート量が大きい領域のバネ定数が、オーバーシュート量が小さい領域のバネ定数よりも大きくなるように、可動コア下側における戻しばねの荷重特性を設定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、可動コアがオーバーシュート量の大きい領域に位置する場合に戻しばねのバネ定数が大きくなることから、可動コア上側方向へ付与される強制力、すなわち可動コアを元の位置へ戻す力が大きくなる。そのため、可動コアのオーバーシュート量（最下点）は従来の可動コアのオーバーシュート量に比べて軽減できることがわかる。オーバーシュート量が軽減された結果、可動コアが元の静止位置に戻る時間が短縮されることから、弁体の次作動までに必要な時間を短縮できるため、微小時間における複数回の燃料噴射を増やすことが確実に可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料噴射弁の全体構成を示す縦断面図。
【図２】従来構造の詳細拡大図
【図３】実施例記載の形態図
【図４】実施例記載の別形態図
【図５】実施例記載の別形態図
【図６】実施例記載の別形態図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明に係る実施例を説明する。
【００１０】
図１は、本発明の一実施例に係る燃料噴射弁の全体構成を示す縦断面図である。本実施例の燃料噴射弁は、ガソリン等の燃料をエンジンの気筒（燃焼室）内に直接供給する燃料噴射弁である。
【００１１】
燃料噴射弁本体１は、金属円筒部材であるノズルボディ２、ノズルボディ２の内周に結合される中空の固定コア３、固定コアの対向面に配置されノズルボディ２に収容される可動コア４、ノズルボディ２の外周に配置される電磁コイル６、電磁コイル６の外側に配置されるハウジング５からなり、これらの部品は磁気回路構成要素となる。
【００１２】
可動コア４の内径には弁体４１が貫通するように組みつけられており、可動コア４の軸方向の動きと弁体４１は同調する。ノズルボディ２の先端側にはガイド部材１２が組み付けられたオリフィスカップ７が収容されており、オリフィスカップ７には噴孔７１、７２が配置される。噴孔７１、７２は本断面図では２個であるが、１つもしくは３つ以上の複数あっても良い。  
燃料は固定コア２の上流側から供給され、固定コア３、ノズルボディ２の内部を通りオリフィスカップ７まで達する。
【００１３】
弁体４１は固定コア２の内部に収容されるばね８によりバネ力を付成され、バネ力により弁体４１はオリフィスカップ７と接触する。このバネ力は、ばね８を圧縮することで力を発生し弁体４１へ力を伝達する。このバネ力は適切に設定される必要があり、固定コア３の内部、ばね８の上部に設置されたアジャスタ９の位置により調整される。アジャスタ９はばね８を介して弁体４１の反対側にあり、固定コア２の内径に圧入などにより固定されている。電磁コイル６に通電されない時は弁体４１とオリフィスカップ７は金属シールを構成し、燃料は噴孔７１、７２より噴出されない。
【００１４】
また、ノズルボディ２内部には、弁体４１の軸方向に離れた位置に、２つのガイド部材１１、１２が配置されている。さらに可動コア４の下側には戻しばね１０が設置されており、本実施例では可動コア４とガイド部材１１との間に挟まれるように設置されている。
【００１５】
電磁コイル６に適切な電流がリード端子１３を伝達し印加されることで、電磁コイル６を中心に磁場が発生し、前述の磁気回路（固定コア２、可動コア３、ハウジング６、ノズルホルダ２）に磁束がながれ、固定コア３と可動コア４の境界部に構成される空隙を狭めるように可動コア４に吸引力が発生する。ガイド部材１１、１２により弁体４１は径方向への動きを制限されているため、可動コア４が軸方向に動くのにあわせ弁体４１もオリフィスカップ７から離れるように動作を開始する。そのため、オリフィスカップ７と弁体４１にせき止められていた燃料は噴孔７１、７２に流入し、燃料噴射弁本体からエンジンの燃焼室内に供給される。
【００１６】
その後、電磁コイル５に印加される電流が遮断されることにより、電磁コイル６の磁場が消失し、磁気回路上から磁束が減少していく。可動コア４に発生する磁気吸引力と戻しばね１０によるバネ力よりも、燃料噴射弁内部の燃料圧力とばね８により弁体４１に加わるバネ力が上回ることで、弁体４１は可動コア４と共にオリフィスカップ７の方向へ移動し、弁体４１は最終的にオリフィスカップ７と接触し、金属シールを構成することで燃焼室内への燃料の供給がおわる。この一連の過程を燃料噴射弁の動作、すなわちストロークと呼ぶこととする。
【００１７】
また、本実施例の燃料噴射弁の制御例として、電磁コイル６に印加される電流の長さを制御することで可動コア４の吸引時間の長さを変化させ、その結果弁体４１がオリフィスカップ７から離れている時間を制御する方法がある。それにより弁体４１の１ストロークあたりの燃料噴射量を制御できることになる。
【００１８】
また、ストローク後期において、弁体４１がオリフィスカップ７と接触し始める頃、可動コア４は弁体４１の元の静止位置から離れ、下側（固定コア３とは反対方向、すなわちオリフィスカップ７方向)へ慣性力によりオーバーシュートし始める。オーバーシュートとは、静止時の可動コア４の位置（元の静止位置）を原点と定めた際に、原点よりも下側へいく挙動を示す。可動コア４は慣性力と戻しバネ１０の力が釣り合う位置までオーバーシュートを続け、そこから上側（固定コア３側）への運動を再開する。原点を定めるために、弁体４１には、可動コア４の弁体４１に対する相対変位を規制する規制部４１ａが設けられている。規制部４１ａは弁体４１が貫通する可動コア４の貫通孔４ａの直径よりも大きな直径を有する拡径部として構成されている。そして規制部４１ａは可動コア４の弁体４１に対する開弁方向への相対変位を規制している。
【００１９】
これにより可動コア４が再び弁体４１と接触することになり、可動コア４が弁体４１に接触時に発生する衝撃力により弁体４１とオリフィスカップ７の金属シールが保たれるよう、すなわち弁体４１が再び開弁しないように戻しバネ１０の強制力は決定される。
【００２０】
図２ａ、図２ｂに、従来構造の詳細拡大図及び可動コア挙動の例を示す。
【００２１】
図２ｂには可動コア４の時間軸応答を原点付近を通過しオーバーシュトする挙動を横軸時間、縦軸に可動コア４変位として表した図である。前述のように、可動コア４は原点付近を通過した後、慣性力をもって下側へ変位を続けるが、戻しバネ１０と釣り合う位置で最下点となり以後上側への運動へと切り替わる。その後、可動コア４が弁体４１と接触し静止するまでの時間を短縮することが課題である。
【００２２】
図３は不等ピッチである圧縮ばねを戻しばね１０に設置した実施例である。図３ａ、図３ｂ及び図３ｃに、本発明の詳細拡大図及び可動コア挙動の例を示す。
【００２３】
不等ピッチ圧縮ばねを使用した時のばね荷重とばねたわみの関係を図３ｂに示す。実線が不等ピッチ圧縮ばねを表し、破線が均等ピッチ圧縮ばねの特性である。どちらもたわみ始めのばね定数は同じとした場合を示す。不等ピッチ圧縮ばねの場合、たわみをある程度超えた点からばね定数が大きくなることが知られている。このばね定数が変わる荷重よりも大きな荷重を与えた場合、不等ピッチ圧縮ばねと均等ピッチ圧縮ばねのたわみ量はｈだけ不等ピッチ圧縮ばねが短縮できる。これを実施例にあてはめると、可動コア４の慣性力と釣り合う荷重が、不等ピッチ圧縮ばね定数の変化した領域にあれば、必ず戻しばね１０のたわみ量がｈだけ短縮できることになる。
【００２４】
そこで、このたわみ量の短縮代ｈを可動コア変位とあわせてみると図３ｃのようになる。たわみ短縮長さｈだけ最下点が短くなるのに伴い、最下点到達までの時間も早くなり、さらに可動コア４が弁体４１と接触し静止するまでの時間もｔだけ短縮されることがわかる。
【００２５】
同様のばね荷重とばねたわみの関係を表す構成として、図４ａに示す円錐形状の戻しばねや、図４ｂに示す鼓形状の戻しばね、さらには図４ｃにしめすたる形状の戻しばねでも同様の効果が得られる。
【００２６】
このとき、可動コア４が弁体４１に接触する速度は、戻しばねの荷重特性の下側領域（図３ｂ参照）が変わらなければ速度は変わらないため、弁体４１の２次噴射の影響は考える必要は特にない。
【００２７】
また、均等ピッチであっても図５に示すテーパ状の線材を使用した圧縮スプリングにおいても同様の効果が得られる。図５に示すように、巻き始め線径ｄ１と途中もしくは終端部において線径ｄ２の関係がｄ１＜ｄ２となっている構成である。
【００２８】
さらに、図６に示すように可動コア４の下側に戻しばね１０と戻しばね１０の内側に収まるように設置された戻しばね２０が設置されていても図３ｂと同様の効果が得られる。
【００２９】
この場合、戻しばね２０は自然長において可動コア４に接触している必要はなく、そのため、可動コア４がオーバーシュートして初めて戻しバネ２０と接触するように構成されていればよい。これにより可動コア４は戻しばね１０と戻しばね２０による強制力が加わることから、図３ｂと同様の効果が得られる。図６では戻しばねは２個の設定であるが、２個以上の戻しばねでも同様の効果が期待できる。
【００３０】
また、戻しばね１０、戻しばね２０の荷重特性は、前述の実施例で示した非線形であっても線形であってもよく、荷重特性の組み合わせも自由に選択可能である。
【００３１】
戻しばね１０に非線形ばねを使用することにより、製造上の戻しばね１０同士の絡み防止にも役立つと考えられる。燃料噴射弁を製造する際、通常製造ライン内においてパーツフィーダーなどを用いて戻しばねの整列が実施される。このパーツフィーダー内では一度に大量の戻しばねが投入されるため、戻しばね１０同士が絡みつく可能性が考えられる。しかしながら、不等ピッチや形状が異なる戻しバネを使用した場合には、必要以上に部品同士ばねピッチの隙間に接触する確率が低減できると考えられるため、結果として部品同士の絡み防止にもなると考えられ、チョコ停などの発生を抑えられ、製造効率の改善にもつながると考えられる。
【００３２】
上述のように戻しばねの荷重特性を非線形にする本発明であるが、実使用上はばね定数の上限を決定しなければならない。ばね定数を制限なく高くすることにより、可動コア４のオーバーシュート後の戻り速度が極端に早くなり、弁体４１へ衝突する衝撃力が過大となることで、弁体４１の２次噴射を引きおこすことがある。そのため、可動コア４の質量と、弁体４１に付与されるスプリング８のセット荷重とを加味し戻しばね１０の荷重特性を決定する必要がある。
【符号の説明】
【００３３】
１…噴射弁本体、２…ノズルボディ、３…固定コア、４…可動コア、４１…弁体、５…ハウジング、６…電磁コイル、７…オリフィスカップ、７１，７２…噴孔、８…スプリング、９…アジャスタ、１０…戻しばね、１１，１２…ガイド部材、１３…リード端子、１４…樹脂カバー、２０…戻しばね、１０１…中心軸線。
【図１】
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【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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