(57)【要約】【課題】２次噴射を抑制しつつ、微小な燃料噴射量のコントロールを可能とし、なお且つ閉弁後の可動子を素早く安定させ、短い噴射間隔での多段噴射ができるようにする。【解決手段】弁体１０３に対して駆動手段による駆動力方向に相対変位可能な状態で保持された可動子１０２と、弁体１０３を駆動手段による駆動力の向きとは逆向きに付勢する第一の付勢手段１０６と、可動子１０２を駆動手段による駆動力の向きに付勢する第二の付勢手段１０６とを備え、第二の付勢手段の付勢力を、閉弁速度（ｍ／ｓ）と可動子質量（kg）の積に−７.５×１０3を乗じた値と可動子質量と弁体質量の和（kg）に２.６×１０3を乗じた値の和以下、且つ閉弁速度（ｍ／ｓ）と可動子質量（kg）の積を、２回以上の噴射を行う際に連続する噴霧がそれぞれ独立で存在しえる最小噴射間隔（ｓ）で除した値に２.０を乗じた値以上に設定する。【選択図】  図２
2011214536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁座と当接することによって燃料通路を閉じ、弁座から離れることによって燃料通路を開く弁体と、前記弁体の駆動手段として設けられたコイル及び磁気コアを有する電磁石と、前記弁体に対して前記弁体の駆動力方向に相対変位可能な状態で前記弁体によって保持された可動子と、前記弁体を前記駆動手段による駆動力の向きとは逆向きに付勢する第一の付勢手段と、前記第一の付勢手段による付勢力よりも小さい付勢力で前記可動子を前記駆動力の向きに付勢する第二の付勢手段と、前記可動子の前記弁体に対する前記駆動力の向きの相対変位を規制する手段とを備えた電磁式燃料噴射弁において、
前記第二の付勢手段の付勢力（Ｎ）は、弁体の閉弁速度（ｍ／ｓ）と可動子の質量（kg）との積に−７.５×１０3を乗じた値と可動子の質量と弁体の質量との和（kg）に２.６×１０3を乗じた値の和よりも小さく設定されたことを特徴とする電磁式燃料噴射弁。
【請求項２】
請求項１に記載の電磁式燃料噴射弁において、
第二の付勢手段の付勢力（Ｎ）は、弁体の閉弁速度（ｍ／ｓ）と可動子の質量（kg）との積を、２回以上の噴射を行う際に連続する噴霧がそれぞれ独立で存在しえる最小の噴射間隔（ｓ）で除した値に、２.０を乗じた値よりも大きく設定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、内燃機関に用いられる燃料噴射弁であって、コイルに電流を流すことにより可動子とコアとを含む磁気回路に磁束を発生させ、可動子をコア側に引き付ける磁気吸引力を作用させることにより、弁体の開閉を行う電磁式燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、可動子を弁体の駆動方向に相対変位可能な状態で弁体によって保持し、弁体を駆動力の向きとは逆向きに付勢する第１の付勢手段と、その付勢手段よりも小さい付勢力で可動子を駆動力の向きに付勢する第２の付勢手段と、可動子の弁体に対する駆動力の向きの相対変位を規制する規制手段とを備えた燃料噴射弁が開示されている。この燃料噴射弁では、開弁時には弁体の応答性を高めることが可能であり、閉弁時には弁体のバウンドによって燃料が噴射されてしまう二次噴射を抑制することができる。また、可動子と弁体とが分離しているため、開弁時の可動子の不安定なバウンドが抑制され、微小な燃料噴射量のコントロールを行い易い燃料噴射弁が開示されている。
【０００３】
また、特許文献２には、圧縮空気通路の一端にノズル口を形成すると共に圧縮空気通路の途中に燃料供給口を形成し、弁体の先端部はノズル口を開閉する役割を担い、弁体の後端を可動子の一端に係合せしめ、弁体を駆動力の向きとは逆向きに付勢する付勢手段（第１の付勢手段）によって可動子に向かって付勢せしめてノズル口を閉弁せしめると共に、可動子を駆動力の向きに付勢する付勢手段（第２の付勢手段）によって弁体に向かって付勢せしめ、可動子を電磁的に駆動せしめることによって弁体を駆動力の向きとは逆向きに付勢する付勢手段の付勢力に抗して変位せしめてノズル口を閉弁せしめ、燃料供給口から圧縮空気通路内に供給された燃料を圧縮空気によってノズル口から噴出せしめるようにした燃料噴射装置において、弁体の質量をＭ1、可動子の質量をＭ2、ノズル口閉弁状態における駆動力の向きとは逆向きに付勢する付勢手段（第１の付勢手段）の付勢力をＦ1、およびノズル口閉弁状態における駆動力の向きに付勢する付勢手段（第２の付勢手段）の付勢力をＦ2とすると、（Ｆ1／Ｆ2−１）×Ｍ2／(Ｍ1＋Ｍ2)によって算出される値が０.３以下である内燃機関の燃料噴射装置が開示されている。この燃料噴射弁では、上記算出値を０.３以下とすることにより、可動子に与えられる運動エネルギを低減せしめることにより、ノズル口が一旦閉弁せしめられた後、可動子のオーバーシュート後の弁体との再衝突によって発生する弁体の変位量を小さくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２１８２０４号公報
【特許文献２】特開平３−０７４５６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された燃料噴射弁では、可動子と弁体が分離しているために、可動子がバウンドしている際には可動子には駆動力である磁気吸引力と駆動力の向きに付勢する付勢手段（第２の付勢手段）の付勢力のみが働く状態となり、可動子はコアに安定して密着しやすくなり、開弁時の可動子の不安定なバウンドを抑制することができる。また、閉弁時には弁体のバウンドによって燃料が噴射されてしまう２次噴射を抑制することが可能である。
【０００６】
しかしながら、開弁時における可動子のバウンドを抑制しつつ、尚且つ閉弁時における可動子のオーバーシュート後の可動子の運動を素早く安定させ、再び弁体と衝突して生じる２次噴射を抑制するための、駆動力の向きに付勢する付勢手段（第２の付勢手段）の付勢力の設定方法については開示がない。
【０００７】
また、特許文献２記載された燃料噴射弁では、弁体質量と可動子質量及び駆動力の向きとは逆向きに付勢する付勢力と駆動力の向きに付勢する付勢力から算出される値を上記数値範囲に設定することにより、閉弁時における可動子のオーバーシュート後の弁体との再衝突によって生じる２次噴射を抑制しようとしている。
【０００８】
しかしながら、特許文献２に記載された方法では、弁体のリフト量がパラメータとして含まれていない。特に昨今の筒内噴射用の燃料噴射弁では、高い燃料圧力で高速な噴射を行わせるために、前記の従来公知となっている燃料噴射弁と比較して小さいリフト量を設定する必要がある。このため、噴射量に対するリフト量の感度が大きくなり、噴射量に応じてリフト量を変化させる必要がある。
【０００９】
前記の２次噴射の発生条件は、弁体の閉弁速度の影響を受けるため、リフト量が小さく、値が変化した場合にも２次噴射を防止する条件を導く必要があった。このように、小さいストロークで、ストロークが変化する条件に対して適切な付勢力を設定する方法については開示がなかった。
【００１０】
また、内燃機関の排気ガス抑制の観点から、噴射を一行程中に分割して行うことが有効であることが分かっている。このように噴射を分割した場合には、閉弁後に短期間で再び開弁させる必要が生じるが、特許文献１及び２には、素早い再開弁を安定して行わせるための付勢力の設定方法についても開示がない。
【００１１】
本発明の第１の目的は、開弁時の可動子の不安定なバウンドを抑制しつつ、閉弁時の２次噴射の発生を防止することが可能な燃料噴射弁を提供することにある。本発明の第２の目的は、第１の目的に加えて、閉弁後の可動子を素早く安定させることにより、微小な燃料噴射量のコントロールが可能であり、短い噴射間隔での分割多段噴射可能な燃料噴射弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の電磁式燃料噴射弁は、弁座と当接することによって燃料通路を閉じ弁座から離れることによって燃料通路を開く弁体と、前記弁体の駆動手段として設けられたコイル及び磁気コアを有する電磁石と、前記弁体に対して前記弁体の駆動力方向に相対変位可能な状態で前記弁体によって保持された可動子と、前記弁体を前記駆動手段による駆動力の向きとは逆向きに付勢する第一の付勢手段と、前記第一の付勢手段による付勢力よりも小さい付勢力で前記可動子を前記駆動力の向きに付勢する第二の付勢手段と、前記可動子の前記弁体に対する前記駆動力の向きの相対変位を規制する手段とを備えた電磁式燃料噴射弁において、前記第二の付勢手段の付勢力（Ｎ）を、弁体の閉弁速度（ｍ／ｓ：メートル毎秒）と可動子の質量（kg：キログラム）との積に−７.５×１０3を乗じた値と可動子の質量と弁体の質量との和（kg：キログラム）に２.６×１０3を乗じた値の和よりも小さな値に設定する。
【００１３】
このとき、第二の付勢手段の付勢力（Ｎ：ニュートン）は、弁体の閉弁速度（ｍ／ｓ：メートル毎秒）と可動子の質量（kg：キログラム）との積を、２回以上の噴射を行う際に連続する噴霧がそれぞれ独立で存在しえる最小の噴射間隔（ｓ：秒）で除した値に、２.０を乗じた値よりも大きく設定するとよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、２次噴射を抑制しつつ、閉弁後の可動子を素早く安定化させることが可能である。これにより、微小な燃料噴射量のコントロールが可能となり、２回以上の噴射を行う際に連続する噴霧がそれぞれ独立で存在しえる最小の噴射間隔以下での分割多段噴射が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る燃料噴射弁の実施形態を示す断面図。
【図２】本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の可動子及び弁体の衝突部近傍を拡大した断面図。
【図３】本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の開弁時の可動子及び弁体の運動の様子を表す模式図。
【図４】本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の閉弁時の可動子及び弁体の運動の様子を表す模式図。
【図５】本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁のゼロ位置バネによる付勢力と弁体閉弁速度の設定範囲を表す図。
【図６】本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の分割多段噴射間隔とペネトレーションとの相関を表す図。
【図７】本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の開閉弁動作を示すタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に説明する燃料噴射弁は、開弁時の可動子の不安定なバウンドを抑制しつつ、閉弁時の２次噴射の発生を防止し、尚且つ閉弁後の可動子を素早く安定させることにより、微小な燃料噴射量のコントロールが可能であり、短い噴射間隔での分割多段噴射可能な燃料噴射弁を提供することにある。
【００１７】
以下、実施例を説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明に係る燃料噴射弁１００の断面図であり、図２は磁気吸引力を発生する磁気コア１０１（固定コア或いは単にコアとも言う）と可動子１０２（可動コアとも言う）の近傍を拡大した拡大図である。図１及び図２に示した燃料噴射弁は通常時閉型の電磁弁（電磁式燃料噴射弁）であり、コイル１０５に通電されていない状態では、スプリング１０６によって弁体１０３の先端部に設けられたシート部１０３ａはノズル１１１に形成された弁座１１１ａに密着させられ、弁は閉じた状態（閉弁状態）になっている。この閉弁状態においては、可動子１０２はゼロ位置バネ１０８によって開弁方向に付勢され、弁体１０３の衝突面２０１（図２参照；当接面とも言う）に接触しており、可動子１０２と磁気コア１０１の間には隙間がある状態となっている。この隙間の大きさが開弁時の弁体１０３のリフト量と一致し、これをストロークと呼ぶ。弁体１０３のシート部１０３ａと衝突面２０１との間のロッド部１０３ｂをガイドするロッドガイド１０４が弁体１０３を内包するハウジング１１０に固定されており、このロッドガイド１０４がゼロ位置バネ１０８のばね座を構成している。なお、スプリング１０６による付勢力は、磁気コア１０１の内径（軸線Ａ方向に貫通する貫通孔）１０１ａに固定されるバネ押さえ１０７の押し込み量によって組み立て時に調整されている。
【００１９】
コイル１０５と磁気コア１０１とは弁体１０３の駆動手段となる電磁石を構成する。第１の付勢手段となるスプリング１０６は駆動手段による駆動力の向きとは逆向きに弁体１０３を付勢する。また第２の付勢手段となるゼロ位置バネ１０８は付勢バネ１０６による付勢力よりも小さい付勢力で可動子１０２を駆動力の向きに付勢する。
【００２０】
コイル１０５に電流が流れると、磁気コア１０１，可動子１０２，ヨーク１０９から構成される磁気回路に磁束が生じ、可動子１０２と磁気コア１０１の間の隙間にも磁束が通過する。この結果、可動子１０２には磁気吸引力が作用し、生じた磁気吸引力とゼロ位置バネ１０８による付勢力の和が、燃料圧力による力とスプリング１０６による付勢力を超えたときに可動子１０２はコア１０１の側に変位する。可動子１０２が変位する際には、可動子１０２側の衝突面２０２（図２参照；当接面とも言う）と弁体１０３側の衝突面２０１との間で力を伝達し、弁体１０３も同時に変位することで、弁体１０３は開弁状態となる。この開弁状態になると、弁体１０３のシート部１０３ａが弁座１１１ａから離れ、弁座１１１ａとシート部１０３ａとの隙間を通じて燃料噴射孔１１１ｂに燃料が供給され、燃料噴射孔１１１ｂから燃料が噴射される。
【００２１】
開弁状態からコイル１０５に流れている電流を停止すると、磁気回路を流れる磁束が減少し、可動子１０２とコア１０１との間で働く磁気吸引力が低下する。ここで、弁体１０３にはたらくスプリング１０６による付勢力は可動子１０２側の衝突面２０１及び弁体側の衝突面２０２を介して可動子１０２に伝達される。このため、磁気吸引力とゼロ位置バネ１０８による付勢力の和を、燃料圧力による力とスプリング１０６による付勢力の和が上回ると可動子１０２および弁体１０３は閉弁方向に変位し、弁は閉弁状態となる。
【００２２】
図１及び図２で示されているように、弁体１０３が段付の棒状に形成されて弁体１０３側の衝突面２０１を形成すると共に、可動子１０２側は中心に衝突面２０１の外径よりも小径の孔が設けられていることによって可動子１０２側の衝突面（当接面ともいう）２０２を形成する。この結果、弁体１０３側の衝突面２０１と可動子１０２側の衝突面２０２との間で力の伝達がなされるため、可動子１０２と弁体１０３が分離された別部品として与えられた場合であっても電磁弁の基本的な開閉動作を行うことができる。衝突面２０１，２０２は可動子１０２の弁体１０３に対する駆動力の向きの相対変位を規制する規制手段（規制部）となる。
【００２３】
可動子１０２側の衝突面２０２はゼロ位置バネ１０８による付勢力のみで弁体１０３側の衝突面２０１に当接する。また、可動子１０２は、弁座１１１ａと当接して静止した状態から駆動力を受けた場合、動き始めるよりも前に、可動子１０２側の衝突面２０２が弁体１０３側の衝突面２０１に当接している。このとき、弁体１０３は弁座１１１ａから離れる向きの移動については特にストッパを設けておらず、スプリング１０６が縮みきった状態になったときそれ以上の移動を規制されることになる。すなわち弁座１１１ａから離れる向きの移動をスプリング１０６によってのみ規制されている。
【００２４】
図３は、燃料噴射弁１００の弁体１０３及び可動子１０２の開弁動作を示す模式図である。予めスプリング１０６によって付勢された弁体１０３は弁座１１１ａに押し付けられ、弁は閉じた状態にある（図３（ａ））。磁気吸引力が磁気コア１０１と可動子１０２との間に生じて、磁気吸引力とゼロ位置バネ１０８による付勢力の和が、スプリング１０６による付勢力と燃料圧力による力の和に打ち勝つと、可動子１０２と弁体１０３は変位を開始する（図３（ｂ））。
【００２５】
可動子１０２は磁気コア１０１と衝突するとそれ以上上方には変位できないが、ここで弁体１０３は上方への移動をスプリング１０６によってのみ規制されているので更に上方に変位を続ける（図３（ｃ））。このとき、弁体１０３には、スプリング１０６による付勢力と燃料圧力による力が下向きにはたらき、やがて弁体１０３は下方への変位を開始する（図３（ｄ））。この弁体１０３のオーバーシュートが起こることにより、微小燃料噴射領域において、実際のストローク値が狙いとするストローク値と一致しないという問題が発生し、微小燃料噴射領域での噴射量の制御性が悪化する。従って、微小燃料噴射領域での噴射量特性を改善するためには、弁体１０３が短時間且つ小振幅にてオーバーシュートを終え、狙いストローク位置まで戻る必要がある。そこで、弁体１０３に対して、オーバーシュートを抑制する方向へと作用するスプリング１０６による付勢力を大きくし、弁体１０３の質量は軽くすることが望ましい。また、スプリング１０６による付勢力は駆動力と逆向きに弁体１０３に対して作用する力であるので、スプリング１０６による付勢力を大きくすることによって、閉弁時には弁体１０３が素早く閉弁し、閉弁応答特性の改善も期待できる。
【００２６】
また、開弁時には、可動子１０２と弁体１０３が分離しているために、可動子１０２は磁気コア１０１と衝突したのち、弁体１０３と分離し下方へとバウンドする（図３（ｃ））。このとき、バウンドした可動子１０２には、ゼロ位置バネ１０８による付勢力と磁気吸引力が上向きにはたらき、やがて可動子１０２は上方への変位を開始する（図３（ｄ））。弁体１０３は開弁時のオーバーシュート後、下方へと変位を続け、磁気コア１０１との衝突によりバウンドし、変位を続ける可動子１０２と衝突することにより下方への変位を規制される（図３（ｅ））。可動子１０２と磁気コア１０１間の衝突，可動子１０２と弁体１０３間の衝突を複数回繰り返したのち、可動子１０２，磁気コア１０１，弁体１０３が静止した安定開弁状態に達する（図３（ｆ））。このような開弁時の可動子１０２のバウンドは、噴射パルス幅に対する噴射量の特性を、略比例の直線からかい離させるとともに、ばらつきの要因となることがある。したがって、噴射量特性を直線に近づけ、より微小な噴射量まで制御する場合には、可動子１０２のバウンド量を抑制することが有効である。
【００２７】
すなわち、弁体１０３を素早く安定化させるためには、弁体１０３の下方向への変位を規制する、可動子１０２のバウンドを低減する必要がある。ここで、バウンド中の可動子３０２にはゼロ位置バネ１０８による付勢力と磁気吸引力が磁気コア１０１の方向に働くので、バウンド量低減には両者を大きくすることが有効である。特にゼロ位置バネ１０８のみによってバウンドを低減できると、駆動回路や電流波形とは独立して特性を改善できるので望ましい。従って、ゼロ位置バネ１０８による付勢力を大きくすることによって可動子１０２のバウンド低減を行うとよい。ここで、磁気吸引力の大きさは磁気コア１０１と可動子１０２の隙間の二乗に反比例するので、ゼロ位置バネ１０８を強化し、バウンド量を低減することによって、バウンド中の磁気吸引力の低下を抑制することが可能であり、効果が大きい。さらに、ゼロ位置バネ１０８による付勢力を大きくすることにより、スプリング１０６による付勢力を大きくセットすることができ、それによって、開弁時の弁体１０３のオーバーシュート低減という二次的な効果も期待できる。
【００２８】
また、可動子１０２のバウンドを低減し、短時間で弁体１０３を安定化するために、可動子１０２と磁気コア１０１との衝突面２０３，２０４（図２参照；当接面とも言う）及び可動子１０２と弁体１０３との衝突面２０１，２０２は、耐久性を確保しつつ、反発係数が小さいことが望ましい。さらに、可動子１０２の質量は軽いほうがよい。尚、衝突面２０３は磁気コア１０１の可動子１０２側を向く端面であり、衝突面２０４は可動子１０２の磁気コア１０１側を向く端面に形成された凸部の頂面である。可動子１０２に設けた凸部は磁気コア１０１側に設けても良い。
【００２９】
以上の結果、ゼロ位置バネ１０８による付勢力を強化することによって、駆動回路や電流波形とは独立して、開弁時における可動子１０２のバウンドを抑制することが可能であり、微小な燃料噴射量のコントロールがし易い燃料噴射弁を提供することができる。
【００３０】
図４は、燃料噴射弁１００の弁体１０３および可動子１０２の閉弁動作を示す模式図である。図４（ａ）は開弁状態にある弁の状態を示した図であり、磁気コア１０１と可動子１０２との間に磁気吸引力がはたらくことによって可動子１０２が引き上げられている。コイル１０５への通電が遮断され、磁気コア１０１と可動子１０２との間にはたらく吸引力が小さくなると、スプリング１０６によって弁体１０３は付勢力を受け、可動子１０２と共に閉弁方向に動作を開始する（図４（ｂ））。更に弁体１０３が変位を続けると、図４（ｃ）に示すようにやがて弁体１０３はシート部１１１ａと衝突する。弁体１０３と可動子１０２とは分離可能な構造であるので、衝突後、弁体１０３がバウンドすることにより上方へと変位するのに対し、可動子１０２は下方へと変位を続ける。このとき、バウンドした弁体１０３には、スプリング１０６による付勢力と燃料圧力による力が下向きにはたらき、弁体１０３の質量は小さいのですぐに下方への変位をして閉弁する（図４（ｄ））。この閉弁後の弁体１０３のバウンドを抑制するためには、弁体１０３に対してバウンドを抑制する方向へ作用するスプリング１０６による付勢力を大きくし、弁体１０３の質量を軽くすることが有効である。また、弁体１０３とシート部１１１ａの衝突面は、耐久性を確保しつつ、反発係数が小さいことが望ましい。
【００３１】
一方で、下方へと変位し続ける可動子１０２には、上向きにゼロ位置バネ１０８による付勢力がはたらき、やがて上方への変位を開始する（図４（ｄ））。上方へと変位を続ける可動子１０２は、バウンド後の変位を続ける又は既に安定閉弁状態の弁体１０３と衝突することにより上方への変位を規制される（図４（ｅ））。弁体１０３とシート部１１１ａ間の衝突、可動子１０２と弁体１０３間の衝突を複数回繰り返したのち、可動子１０２，弁体１０３が静止した安定閉弁状態に達する（図４（ｆ））。このとき可動子１０２はゼロ位置バネ１０８との間でバネ−マス系を形成して運動する。ゼロ位置バネ１０８による付勢力が十分に小さいとき、可動子１０２が図４（ｆ）に示すような位置に戻ってきた場合においても弁体１０３を再び開かせることがないか、あるいは再び開いたとしても影響を軽微に留めることができる。この結果、閉弁後の弁体１０３と可動子１０２の再衝突によるバウンドによって燃料が噴射されてしまう２次噴射を抑制することができる。そこで、閉弁時、可動子１０２のオーバーシュート後の弁体１０３との再衝突における、弁体１０３のバウンドを低減することが可能なゼロ位置バネ１０８の付勢力を設定するために、閉弁後、オーバーシュートから弁体１０３との再衝突までの可動子１０２の動きについて検討を行った。
【００３２】
まず、閉弁後、可動子１０２のオーバーシュート中における運動方程式を考える。このとき、可動子１０２にはたらく力は、ゼロ位置バネ１０８による付勢力Ｆz［Ｎ]のみである。従って、可動子１０２の質量をｍa［kg]、加速度をａ1［ｍ／ｓ2]とすると、運動方程式は次のようになる。
Ｆz＝ｍa・ａ1                                                      …（１）
【００３３】
ここでは、各パラメータと２次噴射との相関関係の傾向を把握することを主目的としているため各摺動部の摩擦抵抗や流体抵抗等は無視した。
【００３４】
次に、オーバーシュートした可動子１０２が再度弁体１０３と衝突する際の非弾性衝突について考える。このとき、弁体１０３の質量をｍp［kg]、衝突前の可動子１０２と弁体１０３の速度をそれぞれｖA1[ｍ／ｓ]，ｖP1[ｍ／ｓ]とし、衝突後の速度をそれぞれｖA2[ｍ／ｓ]，ｖP2[ｍ／ｓ]とすると、非弾性衝突時の力積の式は次式で表される。ここで、可動子１０２と弁体１０３の反発係数をｅ1とする。
ｅ1＝−（ｖA2−ｖP2）／（ｖA1−ｖP1）                              …（２）
Ｆz・Δｔ＝ｍa（ｖA2−ｖA1）＋ｍp（ｖP2−ｖP1）                    …（３）
【００３５】
Δtは可動子１０２が弁体１０３に衝突する際の衝突時間［ｓ］であり、ゼロ位置バネ１０８による付勢力が可動子１０２を介して弁体１０３に作用する時間を表している。可動子１０２との再衝突前に既に弁体１０３は安定化しているものと考え弁体１０３の速度ｖP1をゼロとし、さらに、衝突前の可動子１０２の速度ｖA1をオーバーシュート中のエネルギ保存則から可動子１０２，弁体１０３の閉弁速度ｖ0[ｍ／ｓ]と等しいとする。（２）（３）式を連立して解き、ゼロ位置バネ１０８による付勢力Ｆzに関して整理すると次式となる。
Ｆz＝−（ｍa（１＋ｅ1）／Δｔ）ｖ0＋（（ｍa＋ｍp）／Δｔ）ｖP2     …（４）
【００３６】
（４）式中で、２次噴射の発生に関わる項は衝突後の弁体１０３の速度ｖP2のみであり、２次噴射が発生しないようなゼロ位置バネ１０８の付勢力は、閉弁速度ｖ0と線形関係があることが判明した。閉弁速度ｖ0は弁リフト量や付勢バネの設定に応じて変化する。従って、弁リフト量やバネの設定が変化しても、閉弁速度に対してゼロ位置バネ１０８の付勢力を設定すればよいことが分かった。
【００３７】
図５の実線は、実際に、可動子１０２の質量及び弁体１０３の質量を１kgと仮定した場合の閉弁速度ｖ0とゼロ位置バネ１０８の付勢力Ｆz及び２次噴射発生有無の相関を調査した結果であり、実線は２次噴射発生有無の境界線を示している。実線より上側では２次噴射が発生し、下側では２次噴射は発生しない。図から、（４）式で示されたように、閉弁速度で整理できることが示されている。従って、２次噴射発生防止の観点から、ゼロ位置バネ１０８による付勢力Ｆzは実線で表される関係式より下側で設定するとよい。ここで、図５の実線を数式化したところ、次のような関係であることが分かった。
Ｆz＝−７.５×１０3×ｍa×ｖ0＋２.６×１０3×（ｍa＋ｍp）          …（５）
【００３８】
本式における７.５×１０3という係数は、（４）式から可動子１０２と弁体１０３の反発係数と衝突時間のパラメータからなる係数であり、２.６×１０3という係数は可動子１０２と弁体１０３の衝突後の弁体１０３の速度と衝突時間のパラメータからなる係数である。（４）式に示したように、２次噴射が発生しないようなゼロ位置バネ１０８による付勢力が閉弁速度によって整理できるということを明らかにしたことにより、反発係数や衝突時間といった現実的には測定が困難な項目を含む関係式を（５）式の通り求めることが可能となった。
【００３９】
以上より、ゼロ位置バネ１０８による付勢力Ｆzを（５）式から設定される値以下にすることによって、閉弁時における弁体１０３の可動子１０２との再衝突によるバウンドを抑制することが可能であり、本バウンドにより発生する２次噴射量を低減することが可能である。尚、ゼロ位置バネ１０８による付勢力Ｆzは、非通電状態時に可動子１０２の衝突面２０２を弁体１０３の衝突面２０１と接触した状態を維持できる大きさに設定される必要がある。このため、ゼロ位置バネ１０８による付勢力Ｆzは、可動子１０２の質量と重力の加速度ｇ（９.８ｍ／ｓ2）との積よりも大きな値に設定する。
【００４０】
また、閉弁時の可動子１０２と弁体１０３の再衝突による二次噴射を抑制するためには、可動子１０２と弁体１０３の衝突面の耐久性を確保しつつ、反発係数を小さく設定することも有効である。
【００４１】
２次噴射防止の観点からは、ゼロ位置バネ１０８による付勢力は上記の通り小さいほうがよいが、一方で、分割多段噴射の観点からは大きいほうが望ましい。以下、多段噴射の観点で、閉弁後における可動子１０２のオーバーシュートから弁体１０３との再衝突までの動きについて検討を行った。
【００４２】
現在、エンジンのダウンサイジング化が進む中で、高負荷燃焼時に燃料が燃焼室壁面に付着することにより発生するすすが問題となっている。この問題を抑制するためには、燃料噴射時のペネトレーションを短縮し、燃焼室壁面付着量を低減することが有効である。ここで、燃焼の際にある燃料噴射量が必要であるとするとき、単噴射ではペネトレーションを低減することが難しい。しかしながら、エンジンの１行程中に燃料を複数回に分割して噴射する分割多段噴射とすることによって、必要な燃料噴射量は確保しつつ一回に噴射する燃料噴射量を低減することができるので、ペネトレーションを短縮することが可能である。また、二回目以降の噴射時には前の噴射から一定間隔が空くため、単噴射する場合と比較して抵抗が大きくなり、ペネトレーションが短縮される。従って、ペネトレーションの短縮には、分割多段噴射化が有効である。
【００４３】
ここで、分割多段噴射を行う際には、二回目以降の噴射時に前の噴射から一定の時間間隔より近接させ過ぎると、単噴射しているのと同等の現象となってしまい、分割多段噴射によってペネトレーションが短縮するという効果が得られない。
【００４４】
図６は、分割多段噴射間隔とペネトレーション短縮効果の相関を示した図である。本図から、多段噴射間隔に応じてペネトレーション低減効果は３つの領域に分けられる。まず、多段噴射間隔が非常に短い（Ａ）の領域（噴射間隔がｔ1以下）で、噴射間隔が非常に短いため多段噴射を行っても単噴射を行っているのとほぼ同等の挙動となり、ペネトレーション短縮の効果がない。次に（Ｂ）の領域（噴射間隔がｔ1以上ｔ2以下）では、（Ａ）の領域と比較して噴射間隔が空くため、ペネトレーション短縮の効果が現れるが、限定的である。そして噴射間隔ｔ2以上の領域（Ｃ）では、噴射間隔を十分に確保できているため、ペネトレーションの低減効果を発揮できるようになる。このように２回以上の噴射を行う際に、噴射間隔を十分に確保できているため連続する噴霧がそれぞれ独立で存在可能である領域において、分割多段噴射の効果が十分に発揮できるということが新たに分かった。
【００４５】
以上のことから、エンジン使用上は可能な限り多段噴射間隔を短縮したい一方で、ペネトレーション低減効果は、２回以上の噴射を行う際に連続する噴霧がそれぞれ独立で存在しえる最小の噴射間隔ｔ2以上とすることが有効である。従って、燃料噴射弁としては、噴射間隔ｔ2以下までは多段噴射できる性能を有することが望ましい。
【００４６】
ところで、燃料噴射弁として安定して対応可能な多段噴射間隔は、閉弁後の可動子１０２のオーバーシュートからの復帰時間に依存する。従って、オーバーシュート時に可動子１０２に作用する力はゼロ位置バネによる付勢力のみであるので、多段噴射間隔を短縮するためにはゼロ位置バネ１０８による付勢力を強化する必要がある。ここで、オーバーシュート時の可動子の運動方程式は（１）式で表され、オーバーシュート量ｙ［ｍ]はオーバーシュート時間をｔ［ｓ]として次式で表される。
ｙ＝ｖ0×ｔ−（１／２）×ａ1×ｔ2                                  …（６）
【００４７】
また、可動子１０２がオーバーシュート後に再度弁体１０３に衝突する際にはこの一回目の衝突で可動子１０２の動きはおおよそ安定化するため、噴射間隔より短い時間で可動子がオーバーシュート後復帰していれば、多段噴射が可能となる。そこで、オーバーシュート時間ｔに分割多段噴射が有効である噴射間隔ｔ2[ｓ]を代入し、オーバーシュート量ｙとして０を代入して、（１）（６）式を連立して解くと、ゼロ位置バネ１０８による付勢力Ｆzは次式で表される。
Ｆz＝２.０×ｍa／ｔ2×ｖ0                                          …（７）
【００４８】
従って、ゼロ位置バネ１０８による付勢力Ｆzを（７）式以上に設定することによって、分割多段噴射間隔をｔ2以下とすることが可能である。図５の破線は、可動子１０２の質量を１kgと仮定した場合の閉弁速度ｖ0とゼロ位置バネ１０８の付勢力Ｆz及びｔ2以下となる領域の関係を示したものである。破線より上側の領域で、分割多段噴射間隔ｔ2以下に対応可能となる。
【００４９】
以上から、図５において、実線より下側の領域、且つ破線より上側の領域にゼロ位置バネ１０８による付勢力を設定することにより、２次噴射の発生を防止しつつ、分割多段噴射間隔ｔ2以下に対応する燃料噴射弁を実現することが可能である。
【００５０】
以上、弁体１０３，可動子１０２が開弁時に動き始めてから、閉弁後、安定状態に達するまでの一連の動きをタイムチャート形式で描いたものが図７である。噴射制御パルスの入力（時刻a）に対して僅かな遅れ時間を伴って時刻ｂのように可動子１０２・弁体１０３共に変位を開始し、可動子１０２が所定のストロークＳｔに達すると可動子１０２は磁気コア１０１との衝突によって時刻ｃのようにバウンドする。このとき弁体は時刻ｃ〜ｄのようにオーバーシュートしたのち、時刻ｄのように可動子１０２と衝突し、可動子１０２とともにストローク位置まで戻る（時刻e）。ここで、再び初期開弁時と同様に可動子１０２が磁気コア１０１と衝突することによって、弁体１０３のオーバーシュートと、可動子１０２のバウンドを、時刻ｅ〜ｆのように繰り返し、最終的に時刻ｇのように安定開弁状態となる。噴射制御パルスが終了すると（時刻ｈ）、弁体と可動子は同時に閉弁方向に変位し始める。時刻iで弁体はシート部との接触により、所定量だけバウンドし、その後変位を停止する。可動子はオーバーシュート後、ゼロ位置バネの付勢力により、やがて弁体と衝突し、両者はバウンドする（時刻ｊ）。衝突を複数回繰り返すことにより、最終的に弁体及び可動子が静止した安定閉弁状態となる。
【００５１】
ここで、ゼロ位置バネ１０８による付勢力をより大きな値に設定することによって、図７に示した可動子のバウンド量（Ａ）を低減することが可能であり、バウンドが終わるまでに要する時間（時刻ｃ〜ｇ）も短縮される。また、閉弁時における可動子１０２のオーバーシュートの際には、オーバーシュートを抑制する方向にゼロ位置バネ１０８による付勢力が作用するので、オーバーシュート量（Ａ）が低減され、オーバーシュートが終わるまでに要する時間（時刻ｉ〜ｊ）も短縮される。さらに、ゼロ位置バネ１０８による付勢力を大きくすることにより、スプリング１０６による付勢力を大きくすることが可能となり、それによって、開弁時の弁体１０３のオーバーシュート量（Ｂ）及び閉弁時の弁体１０３とシート部１１１ａの衝突によるバウンド量（Ｂ）を低減し、その周期を短縮することができる。
【００５２】
一方で、ゼロ位置バネ１０８による付勢力（Ｎ：ニュートン）を弁体１０３の閉弁速度（ｍ／ｓ：メートル毎秒）と可動子１０２の質量（kg：キログラム）の積に−７.５×１０3を乗じた値と可動子１０２の質量と弁体１０３の質量の和（kg：キログラム）に２.６×１０3を乗じた値の和よりも小さく設定することによって、図７に示した弁体１０３と可動子１０２の衝突によるバウンド量（Ｃ）を低減することが可能であり、バウンドが終わるまでに要する時間も短縮され、２次噴射レス化することが可能である。
【００５３】
また、ゼロ位置バネ１０８による付勢力（Ｎ：ニュートン）を強化することによって、閉弁時の可動子１０２のオーバーシュートからの復帰時間（図７−ｉ〜図７−ｊ）を短縮でき、弁体１０３の閉弁速度（ｍ／ｓ：メートル毎秒）と可動子１０２の質量（kg：キログラム）との積を、２回以上の噴射を行う際に連続する噴霧がそれぞれ独立で存在しえる最小の噴射間隔ｔ2（ｓ：秒）で除した値に、２.０を乗じた値よりも大きく設定することによって、噴射間隔ｔ2以下で、内燃機関の一行程中に２回以上噴射することが可能となる。
【００５４】
以上のような実施形態によれば、開弁時に安定した弁体の動作が可能であり、閉弁時には弁体１０３の再バウンドを抑制して二次噴射を抑えることが可能である。従って、微小燃料噴射量の制御がより精密に行えるようになり、燃料噴射量の可制御範囲を拡大することが可能となる。さらに、閉弁後の可動子１０２の挙動が素早く安定化し、多段噴射が可能となることにより、実用の際には燃焼時のすすの発生を抑制できる。
【符号の説明】
【００５５】
１００  燃料噴射弁
１０１  磁気コア
１０１ａ  磁気コアの内径
１０２  可動子（アンカ）
１０３  弁体
１０３ａ  シート部
１０３ｂ  ロッド部
１０４  ロッドガイド
１０５  コイル
１０６  スプリング
１０７  バネ押さえ
１０８  ゼロ位置バネ
１０９  ヨーク
１１０  ハウジング
１１１  ノズル
１１１ａ  弁座
１１１ｂ  燃料噴射孔
２０１  弁体側衝突面
２０２  アンカ側衝突面
２０３  磁気コア側衝突面
２０４  可動子側衝突面
【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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【図７】
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