JP2008019785A - 電磁式燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関に用いるインジェクタにおいて、良好な磁気吸引力を得て燃料噴射量の可制御最小噴射量を低減する。
【解決手段】パイプ状の部材の内部に固定コア及び可動子を内包し、その外側にコイル及びヨークを設けた燃料噴射弁において、コイルを設置するためのスペースを、該スペースの縦断面における内周長さがヨークの外径よりも小さくなるように設置するか、該スペースの前記固定コアの軸線方向の高さが前記固定コアの径よりも小さくなるように設置する。
【選択図】図２

Description

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のアンカーと固定コアとを含む磁気通路に磁束を供給し、可動子のアンカー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子を固定コア側に引付けることにより、弁体の開閉を行う電磁式燃料噴射弁に関し、具体的には、金属パイプの内側に固定コアを固定し、可動子をこの金属パイプ内で、固定コアに対して引付けられたり引き離されたりできるように配置し、金属パイプの外側にコイルとヨークを装着して可動子のアンカーと固定コアに磁束を供給するように構成した燃料噴射弁に関する。

特開平１０−３１８０７９号公報では、弁体および磁気コアを内包するパイプ状の弁ハウジングを用い、弁ハウジングの一部分を非磁性化することにより製造性が良い燃料噴射弁を提供する技術が開示されている。

特開平１０−３１８０７９号公報

上記従来技術では、ボビンに巻かれたコイルの軸方向寸法であるコイル高さが大きく、磁気通路長が長くなって、磁気通路に供給する起磁力によって、固定コアとアンカーとの間の磁気吸引ギャップに発生する磁束の量がコイルの大きさの割には十分な磁束が得られていないという問題があった。

本発明の目的は、磁気通路内の磁気抵抗を小さくして、小さい起磁力で磁気吸引ギャップを通るより多くの磁束を得られるようにし、起磁力を効果的に磁気吸引力に変換できるようにすることにある。

本発明は、上記目的を達成するために、金属パイプの内側に配置された固定コアとアンカー及び金属パイプの外側に配置されたコイルの上下，外周ヨーク部によって形成される短い磁気通路を磁気吸引ギャップの周囲に形成することによって達成される。

このように構成された本発明によれば、小さな電磁コイル装置，磁気通路構成で、大きな磁気吸引力が得られ、応答性のよい電磁式燃料噴射弁が提供できる。

実施例の全体構成について図１，図２を用いて以下説明する。

図１は実施例の電磁燃料噴射弁の縦断面図である。図２は図１の部分拡大図で実施例の電磁燃料噴射弁における磁気通路の構成について詳細に示したものである。

以下、図１，図２に従って、実施例の電磁燃料噴射弁の構成を説明する。

金属材製のノズルパイプ１０１は直径が小さい小径筒状部２２と直径が大きい大径筒状部２３とを備え、両者間は円錐断面部２４により繋がっている。

小径筒状部２２の先の部分にはノズル体が形成される。具体的には小径筒状部の先端部分の内部に形成された筒状部に、燃料を中心に向かってガイドするガイド部材１１５，燃料噴射口１１６Ａを備えたオリフィスプレート１１６がこの順に積層されて挿入され、オリフィスプレート１１６の周囲で筒状部に溶接により固定される。

ガイド部材１１５は後述する可動子１１４のプランジャ部１１４Ａもしくはその先端に設けられた弁体１１４Ｂの外周をガイドすると共に、燃料を放射方向外側から内側に案内する燃料のガイドも兼ねる。

オリフィスプレート１１６にはガイド部材１１５に面する側に円錐状の弁座が形成されている。この弁座３９にはプランジャ部１１４Ａの先端に設けた弁体１１４Ｂが当接し、燃料の流れを燃料噴射口１１６Ａに導いたり遮断したりする。

ノズル体の外周には溝が形成されており、この溝に樹脂材製のチップシールあるいは金属の周りにゴムが焼き付けられたガスケットで代表されるシール部材が嵌め込まれている。

金属材製のノズルパイプ１０１の大径筒状部２３の内周下端部には可動子１１４のプランジャ部１１４Ａをガイドするプランジャガイド１１３が大径筒状部２３の絞り加工部
２５に圧入固定されている。

プランジャガイド１１３は中央にプランジャ部１１４Ａをガイドするガイド孔１２７が設けられており、その周囲に複数個の燃料通路１２６が穿孔されている。

さらに、中央の上面には押出し加工により凹部が形成されている。この凹部にはばね
１１２が保持される。

プランジャガイド１１３の中央下面にはこの凹部に対応する凸部が押出し加工によって形成され、その凸部中央にプランジャ部１１４Ａのガイド孔が設けられている。

かくして、細長い形状のプランジャ部１１４Ａはプランジャガイド１１３のガイド孔
１２７とガイド部材１１５のガイド孔によってまっすぐに往復動するようガイドされる。

このように、金属材製のノズルパイプ１０１は先端部から後端部まで、同一部材で一体に形成されているので部品の管理がやり易く、また組立て作業性が良い。

プランジャ部１１４Ａの弁体１１４Ｂが設けられている端部とは反対の端部にはプランジャ部１１４Ａの直径より大きい外径を有する段付き部１２９，１３３を有する頭部114Cが設けられている段付き部１２９の上端面にはスプリング１１０の着座面が設けられており、中心にはスプリングガイド用の突起１３１が形成されている。

可動子１１４はプランジャ部１１４Ａが貫通する貫通孔を中央に備えたアンカー１０２を有する。アンカー１０２はプランジャガイド１１３と対面する側の面の中央にばね受け用の凹部１１２Ａが形成されており、プランジャガイド１１３の凹部１２５とこの凹部
１１２Ａとの間にばね１１２が保持されている。

頭部１１４Ｃの段付き部１３３の直径より貫通孔１２８の直径の方が小さいので、プランジャ部１１４Ａをオリフィスプレート１１６の弁座に向かって押付けるスプリング110の付勢力もしくは重力の作用下においては、ばね１１２によって保持されたアンカー102の上側面に形成された凹所１２３の底面にプランジャ部１１４Ａの頭部１１４Ｃの段付き部１３３の内周下端面が当接し、両者は係合している。

これよりばね１１２の付勢力もしくは重力に逆らう上方へのアンカー１０２の動きあるいは、ばね１１２の付勢力もしくは重力に沿った下方へのプランジャ部１１４Ａの動きに対しては両者は協働して一緒に動くことになる。

しかし、ばね１１２の付勢力もしくは重力に関係なくプランジャ部１１４Ａを上方へ動かす力、あるいはアンカー１０２を下方へ動かす力が独立して両者に別々に作用したときは、両者は別々の方向に動こうとする。

このとき、貫通孔１２８の部分でプランジャ部１１４Ａの外周面とアンカー１０２の内周面との間の５乃至１５ミクロンの微小ギャップに存在する流体の膜が両者の異なった方向への動きに対して摩擦を生じ、両者の動きを抑制する。つまり両者の急速な変位に対してブレーキをかける。ゆっくりした動きに対してはほとんど抵抗を示さない。かくして、このような両者の反対方向への瞬間的な動作は短時間の間に減衰する。

ここで、アンカー１０２は、大径筒状部２３の内周面とアンカー１０２の外周面との間ではなく、アンカー１０２の貫通孔１２８の内周面とプランジャ部１１４Ａの外周面とによって中心位置が保持されている。そして、プランジャ部１１４Ａの外周面はアンカー
１０２が、単独で軸方向に移動するときのガイドとして機能している。

アンカー１０２の下端面はプランジャガイド１１３の上端面に対面しているが、ばね
１１２が介在していることで両者が接触することはない。

アンカー１０２の外周面と金属材製のノズルパイプ１０１の大径筒状部２３の内周面との間にはサイドギャップが設けられている。このサイドギャップはアンカー１０２の軸方向の動きを許容するために、貫通孔１２８の部分においてプランジャ部１１４Ａの外周面とアンカー１０２の内周面との間に形成される５乃至１５ミクロンの微小ギャップより大きな、たとえば０.１ ミリメートル程度にしてある。あまり大きくすると磁気抵抗が大きくなるので、このギャップは磁気抵抗との兼ね合いで、決定される。

金属材製のノズルパイプ１０１の大径筒状部２３の内周部には固定コア１０７が圧入され、その上端部には燃料導入パイプ１０８が圧入され、ノズルパイプ１０１の大径筒状部２３と燃料導入用のパイプ部１０８との圧入接触位置で溶接接合されている。この溶接接合により金属材製のノズルパイプ１０１の大径筒状部２３の内部と外気との間に形成される燃料漏れ隙間が密閉される。

燃料導入パイプ１０８と固定コア１０７は中心にプランジャ部１１４Ａの頭部１１４Ｃの直径よりわずかに大きい直径の貫通孔が設けられている。

固定コア１０７の貫通孔の下端部内周にはプランジャ部１１４Ａの頭部１１４Ｃが非接触状態で挿通されており、固定コア１０７の貫通孔の内周下端エッジ１３２と頭部114Ｃの段付き部１３３の外周エッジ部１３４との間の隙間は上記したサイドギャップと同程度の隙間が与えられている。これは、アンカー１０２の内周エッジ部１３５との間隔（約
４０乃至１００ミクロン）より大きくして、固定コア１０７からプランジャ部１１４Ａへ自足が漏洩するのをできるだけ少なくするためである。

プランジャ部１１４Ａの頭部１１４Ｃに設けられた段付き部１３３の上端面に形成されたスプリング受け座１１７には初期荷重設定用のスプリング１１０の下端が当接しており、スプリング１１０の他端が固定コア１０７の貫通孔内部に圧入される調整子５４で受け止められることで、頭部１１４Ｃと調整子５４の間に固定されている。

調整子５４の固定位置を調整することでスプリング１１０がプランジャ１１を弁座３９に押付ける初期荷重を調整することができる。

アンカー１０２のストロークの調整は、ノズルパイプ１０１の大径筒状部２３外周に電磁コイル（１０４，１０５），ヨーク（１０３，１０６）を装着した後、アンカー１０２をノズルパイプ１０１の大径筒状部２３内にセットし、プランジャ部１１４Ａをアンカー１０２に挿通した状態で、治具によりプランジャ部１１４Ａを閉弁位置に押下し、コイル１０５へ通電したときの可動子１１４のストロークを検出しながら、固定コア１０７の圧入位置を決定することで、可動子１１４のストロークを任意の位置に調整できる。

図１，図２に示すごとく、初期荷重設定スプリング１１０の初期荷重が調整された状態で、固定コア１０７の下端面が可動子１１４のアンカー１０２の上端面１２２に対して約４０乃至１００ミクロン程度（図面では誇張してある）の磁気吸引ギャップを隔てて対面するように構成されている。アンカー１０２の外径と固定コア１０７の外径はほんのわずかだけ（約０.１ ミリメートル）アンカー１０２の外径が小さい。一方、アンカー１０２の中心に位置する貫通孔１２８の内径は可動子１１４のプランジャ部１１４Ａ及び弁体の外径よりわずかに大きい。また頭部１１４Ｃの外径より固定コア１０７の貫通孔の内径の方がわずかに大きい。そして頭部１１４Ｃの外径はアンカー１０２の貫通孔１２８の内径より大きい。

これにより、磁気吸引ギャップでの磁気通路面積を十分確保しながら、プランジャ部
１１４Ａの頭部１１４Ｃの下端面とアンカー１０２の凹所１２３の底面との軸方向の係合代を確保している。

金属材製のノズルパイプ１０１の大径筒状部２３の外周にはカップ状ヨーク１０３とこのカップ状ヨーク１０３の開放側開口を塞ぐように設けられた環状の上ヨーク１０６が固定されている。

カップ状ヨーク１０３の底の部には中央に貫通孔が設けられており、貫通孔には金属材製のノズルパイプ１０１の大径筒状部２３が挿通している。

カップ状ヨーク１０３の外周壁の部分は金属材製のノズルパイプ１０１の大径筒状部
２３の外周面に対面する外周ヨーク部を形成している。

環状の上ヨーク１０６の外周はカップ状ヨーク１０３の内周に圧入されている。

カップ状ヨーク１０３と環状の上ヨーク１０６とによって形成される筒状空間内には環状若しくは筒状の電磁コイル１０５が配置されている。

電磁コイル１０５は半径方向外側に向かって開口する断面がＵ字状の溝を持つ環状のコイルボビン１０４と、この溝の中に巻きつけられた銅線で形成される環状コイル１０５とから構成されている。

電磁コイル装置はボビン１０４，コイル１０５，カップ状ヨーク１０３及び上ヨーク
１０６から構成される。

コイル１０５の巻き始め，巻き終わり端部には剛性のある導体１０９が固定されており、上ヨーク１０６に設けた貫通孔より導体１０９が引き出されている。

この導体１０９と燃料導入パイプ１０８，ノズルパイプ１０１の大径筒部２３の外周はカップ状ヨーク１０３の上端開口部内周の、上ヨーク１０６上部に絶縁樹脂を注入して、モールド成形され、樹脂成形体１２１で覆われる。

かくして、電磁コイル（１０４，１０５）の周りに矢印２０１で示すトロイダル状の磁気通路が形成される。

導体４３Ｃの先端部に形成されたコネクタにはバッテリ電源より電力を供給するプラグが接続され、図示しないコントローラによって通電，非通電が制御される。

コイル１０５に通電中は、磁気通路２０１を通る磁束によって磁気ギャップＧａにおいて可動子１１４のアンカー１０２と固定コア１０７との間に磁気吸引力が発生し、アンカー１０２がスプリング１１０の設定荷重を超える力で吸引されることで上方へ動く。このときアンカー１０２はプランジャの頭部１１４Ｃと係合して、プランジャ部１１４Ａと一緒に上方へ移動し、アンカー１０２の上端面が固定コア１０７の下端面に衝突するまで移動する。

その結果、プランジャ部１１４Ａの先端の弁体１１４Ｂが弁座より離間し、燃料が燃料通路を通り、複数の噴射口１１６Ａから燃焼室内に噴出する。

電磁コイル１０５への通電が断たれると、磁気通路２０１の磁束が消滅し、磁気吸引ギャップにおける磁気吸引力も消滅する。

この状態では、プランジャ部１１４Ａの頭部１１４Ｃを反対方向に押す初期荷重設定用のスプリング１１０のばね力がばね１１２の力に打ち勝って可動子１１４全体（アンカー
１０２，プランジャ部１１４Ａ）に作用する。

その結果、磁気吸引力を失った可動子１１４のアンカー１０２はスプリング１１０のばね力によって、弁体１１４Ｂが弁座に接触する閉位置に押し戻される。

このとき、頭部１１４Ｃの段付き部１２９がアンカー１０２の凹所１１７の底面に当接してアンカー１０２をばね１１２の力に打ち勝って、プランジャガイド１１３側へ移動させる。

弁体１１４Ｂが弁座に勢い良く衝突すると、プランジャ部１１４Ａはスプリング１１０を圧縮する方向へ跳ね返る。

しかし、アンカー１０２はプランジャ部１１４Ａとは別体であるため、プランジャ部
１１４Ａはアンカー１０２から離れてアンカー１０２の動きとは反対方向に動こうとする。

このときプランジャ部１１４Ａの外周とアンカー１０２の内周との間には流体による摩擦が発生し、跳ね返るプランジャ部１１４Ａのエネルギが、いまだ慣性力によって反対方向（弁の閉じ方向）に移動しようとしているアンカー１０２の慣性質量によって吸収される。

跳ね返り時には慣性質量の大きなアンカー１０２がプランジャ１１から切り離されるので、跳ね返りエネルギ自体も小さくなる。

また、プランジャ部１１４Ａの跳ね返りエネルギを吸収したアンカー１０２は自らの慣性力がその分だけ減少するので、ばね１１２を圧縮するエネルギが減少して、ばね１１２の反発力が小さくなり、アンカー１０２自体の跳ね返り現象によってプランジャ部114Ａが開弁方向に動かされる現象は発生し難くなる。

かくして、プランジャ１１の跳ね返りは最小限に抑えられ、電磁コイル(１０４，105)への通電が断たれた後に弁が開いて、燃料が不作為に噴射される、いわゆる二次噴射現象が抑制される。

本実施例では特に、固定コア１０７の下端面が位置する部分の外周には溝１０１Ａが刻設されている。この溝１０１Ａは固定コア１０５とアンカー１０２との間に流れる磁束が漏洩し難くするために、洩磁束通路となる大径筒状部２３の通路断面積を小さくするためのものである。この溝は、４０乃至１００ミクロンの磁気吸引ギャップの周囲に位置し、軸方向の幅が５００ミクロン、深さがノズルパイプ１０１の大径筒状部２３の肉厚７５０ミクロンのほぼ１／２に構成した。磁気絞り部１１１厚さは約４００ミクロンである。

プランジャ部１１４Ａが最下部位置（閉弁位置）でもアンカー１０２の上端面が環状の溝１０１Ａの軸方向幅の中に位置するよう、固定コア１０７の下端面が溝１０１Ａのほぼ中央に位置するよう構成している。

アンカー１０２は鍛造に適した加工性の良い磁性ステンレス鋼で形成され、少なくとも固定コア１０７と衝突する端面及びその周囲の表面をクロム（Ｃｒ）あるいはＮｉ（ニッケル）でメッキする。

燃料噴射弁には、入力された開弁信号に対して素早く応答して開閉弁できることが求められる。すなわち、開弁パルス信号の立ち上りから実際に開弁状態になるまでの遅れ時間（開弁遅れ時間）や、開弁パルス信号が終了してから実際に閉弁状態になるまでの遅れ時間（閉弁遅れ時間）を短縮することが、最小の可制御噴射量（最小噴射量）をより小さくするという観点からも重要である。中でも、とりわけ閉弁遅れ時間の短縮は最小噴射量の低減に有効であることが知られている。このため、弁体を開状態から閉状態に移行させる力を付勢するスプリング１１０の設定荷重は大きいことが望ましい。すなわちスプリング１１０の設定荷重が大きいと、弁体１１４Ｂを駆動する力が大きくなり、残留する電磁力や流体抵抗力に抗って閉弁し易くなり、閉弁遅れ時間を短縮できる。このようにスプリング１１０の設定荷重を大きく取るためには、強いスプリング設定荷重に抗って弁体114Ｂが開弁し、開状態を保持するためには、固定コア１０７とアンカー１０２の間に大きい磁気吸引力が必要となる。このため、弁開閉の応答性を改善し、最小噴射量を小さくするためには、十分に大きい磁気吸引力を得る必要がある。

固定コア１０７とアンカー１０２間の吸引面の磁気吸引力は、アンカー１０２と固定コア１０７を吸引方向に貫く磁束密度と吸引面積によって決まる。特に、磁気吸引力は磁束密度の二乗に比例して大きくなるため、吸引面における磁束密度の向上が必要となる。

このためには、磁気通路中に生じている磁束を効率よく吸引面に導く必要がある。例えば、図１に示すように、弁体１１４Ｂのスプリング受け座１１７が固定コア１０７の端面よりもアンカー側に設置してあるのは、固定コア１０７の内径側から弁体１１４Ｂのスプリング受け座１１７へ磁束が漏れて固定コア１０７の吸引面に生じる磁束密度が低下してしまうのを防止するためである。弁体１１４Ｂは弁座との間で衝突することで燃料の開閉を行うという機能を有するため、比較的硬い材料が用いられることが多い。硬度の高い鋼もしくはステンレス鋼としてはマルテンサイト組織を有するものが用いられることが多く、マルテンサイト組織は高い透磁率を有している。したがってスプリング受け座１１７が磁性を有している場合、この受け座１１７が固定コア１０７の端面よりアンカー側に設置されており、スプリングの受け座が固定コア１０７とアンカー１０２の間で磁束の漏れ経路にならないように設置することは、磁気通路の効率を高めることに寄与する。

一方で、図１に示すように、アンカー１０２，固定コア１０７および弁体を一つのパイプ状部材（ノズルパイプ１０１）の中に構成することで燃料の密閉を容易にして燃料噴射弁を小型かつ簡便に製造可能にする構造においては、磁性体であるノズルパイプ１０１内を通過する磁束の存在によって、吸引力の低下を避けることが難しい。この吸引力の低下を避ける手法としては、ノズルパイプ１０１の材質を、固定コア１０７やアンカー１０２に用いる部材と比較して飽和磁束密度が小さい（１.０〜１.６Ｔ程度）材質とすることで、吸引面からノズルパイプ１０１へ漏れる磁束の量を減らす方法などが考えられる。例えば、炭素量が小さき重量割合で０.２％以下のマルテンサイト系ステンレス鋼などを用いると、この特性を満たし易すくすることができ、強度的にも比較低高強度を得ることができる。しかし、この方法では、主磁気通路内に飽和磁束密度が小さい部分が生じ、磁束がこの飽和磁束密度が小さい部分を横切って固定コア，吸引ギャップ，アンカー，ヨークに供給されることになるので、磁気通路の磁気抵抗が大きくなり、磁気吸引ギャップに発生する磁気吸引力を大きくできない。

あるいは、ノズルパイプ１０１の一部分を非磁性化して、非磁性化された範囲と吸引面２０２及び２０３の間に形成される磁気吸引ギャップの周囲に位置させる方法が知られている。しかしながら、ノズルパイプ１０１の一部分を非磁性化するためには、特殊な熱処理が必要となってコストアップの要因となったり、またノズルパイプ１０１に用いる材質にも制約が生じることがある。

特に、高圧で使用される筒内直接噴射式のガソリン内燃機関に用いられる燃料噴射弁では、ポート噴射式のガソリン内燃機関に用いられる燃料噴射弁と比較して、前記のパイプは燃料圧力に対して十分耐える強度を持つ必要があり、そのために十分な厚さを有している必要がある。パイプ状部材に局所的な非磁性化などを行わない場合、パイプ状の部材が磁性材料であると、固定コアとアンカーの間に生じるべき磁束がパイプ状の部材へ漏れる割合が増加し、十分な磁気吸引力を得ることが難しくなる。

本実施例では、図２に示されているように、吸引面２０２及び２０３の間に形成される磁気吸引ギャップの周囲に対応する位置にノズルパイプ１０１の外周に環状溝１０１Ａを刻設し、この溝の部分でノズルパイプ１０１の断面積を小さくして磁気絞り部１１１を設けた。この磁気絞り部１１１は他の主磁気通路に比べ、わずかな磁束で磁気飽和を起し、磁気飽和後はどんなに磁束を供給しても磁気的に無限大の磁気抵抗を示す性質を持っている。結果的に、磁気絞りは磁気絶縁部として作用し、この部分からの漏れ磁束を減らすことができる。この方法であれば、ノズルパイプ１０１は強磁性材料で、構成でき、主磁気通路に飽和磁束密度の小さい部分が存在することがないので、主磁気通路が磁束を通しやすい材料で構成でき、結果的に磁気吸引ギャップに多くの磁束を供給でき、大きな磁気吸引力を発生させることができる。

図３は、図２に示される実施例の燃料噴射弁の内部に生じる磁力線の様子を表した模式図である。図に示された矢印は磁力線の流れの様子を表す。また、図３−（ａ）乃至(ｃ)はそれぞれ起磁力が小さい状態から大きい状態まで変化した場合の磁力線の様子が示されている。図３−（ａ）に示すように、起磁力が小さい状態では、磁気抵抗の大きい吸引ギャップ３０１よりも磁気抵抗が小さい磁性体で構成されているノズルパイプ１０１の側に磁力線が流れる。この結果、吸引ギャップ３０１に生じる磁気吸引力は小さい状態となる。起磁力を増加させると、図３−（ｂ）に示すように磁束が増え、吸引ギャップ３０１を通過する磁力線も増加する。しかしながら、ノズルパイプ１０１に設けられた磁気絞り部１１１は磁気飽和には達せず、ノズルパイプを通過する磁束も多いため吸引力は十分には発生しない。更に起磁力を増して図３−（ｃ）に示すように磁気絞り部１１１が磁気的な飽和に達するようになると、固定コア内に発生した磁束の多くは吸引ギャップ３０１を通過するようになり、吸引力は急速に立ち上がるようになる。

このように、コイル１０５に通電して起磁力を印加しても磁気吸引力は容易に大きくならない。このように、燃料の密閉をノズルパイプ１０１を用いて確保する方式では、非磁性の別部材を用いて密閉する場合と比べ、強力な磁気吸引力を得ることが難しいという問題があった。

このため、ノズルパイプ１０１への磁束漏れを考慮した上で十分な磁気吸引力を確保するためにはコイル１０５に大電流を印加して大きい起磁力を供給するか、またはコイル
１０５の巻数を大きくして大起磁力を供給する必要がある。一般には電流を大きくするためには、コイル１０５を駆動する駆動回路への負担が増すために、コイル１０５の巻数を増やして設計する必要があった。また、ノズルパイプ１０１を用いて燃料を密閉する構造では、ノズルパイプ１０１の厚さによってヨーク１０３との間に隙間が狭くなるため、コイル１０５のインジェクタ軸方向の長さを長くし、コイルの巻数を大きくして十分な起磁力を供給し、磁気吸引力を確保することが通常の設計方法であった。

しかしながら、このような設計方法によって燃料噴射弁を設計すると、コイルの巻数が大きいためにインダクタンスが大きくなる。このため、コスト上の制約や製造方法上の制約からノズルパイプ１０１の一部分を非磁性化することが困難な場合には、吸引面からノズルパイプ１０１への漏れ磁束を発生させる起磁力が無駄になるだけでなく、十分な磁気吸引力を得るために増える巻数の分だけインダクタンスが大きくなり、応答性が遅くなることがあった。このため、ノズルパイプに固定コア１０７やアンカー１０２を内包する構造では、磁気吸引力を効率よく向上させることが重要な課題になる。

そこで、執筆者らは燃料噴射弁の固定コアやアンカーに用いられる軟磁性体（例えば電磁ステンレス鋼）が有する磁気特性に着目して磁気吸引力を増大させる方法を見出した。燃料噴射弁の固定コアやアンカーには、鉄にクロム，シリコン，アルミを加えて成るフェライト組織の軟磁性電磁ステンレス鋼が用いられることが多い。このような軟磁性材料は、外部から与えた磁界の大きさに対して発生する磁束密度の関係が著しく非線形である。図４に示すように、一般的な方法で測定が容易な５ｋＡ／ｍ程度で得られる磁束密度よりも実際の飽和磁束密度は更に高く、外部磁界を向上させることで更なる磁束密度を得られることを実験的に確認した。すなわち、軟磁性電磁ステンレス鋼を固定コアまたはアンカーなどに用いた場合、一般的に直流電流を用いて測定される飽和磁束密度の上限値とされる定格値（カタログ値）よりも大きい磁束密度が固定コアやアンカーに生じ得る。本発明では、選定磁性材の通常の飽和磁束密度の定格値以上の領域（例えば定格値の３倍〜１０倍、つまり１５ｋＡ／ｍ〜５０ｋＡ／ｍ）で使用するものである。尚、このＢ／Ｈ特性は、直流では測定できないので交流によって測定したものである。

したがって、外部から印加される磁界を十分に大きくすれば、従来考えられているよりも更に大きい磁気吸引力が得られることになる。外部から与える磁界は起磁力に比例するが、前述の通り起磁力を大きくする方法では従来同様にインダクタンスの増加や大電流化による駆動回路への負担が大きくなってしまう。

そこで、本発明では磁気通路の長さを短縮することによって外部からの磁界を増大させ、少ない起磁力であっても大きい磁気吸引力を得る。外部からの磁界は、供給した起磁力に比例して磁気通路の長さに反比例することから、磁気通路の長さが短いと同一の起磁力であっても大きい磁界を得ることができる。磁気通路は、図２の矢印２０１が示すように、外周ヨーク部，上ヨーク部，固定コア，吸引ギャップ，アンカー，サイドギャップ，下ヨーク部，外周ヨーク部という一周する経路で構成されている。このうち、空隙の小さいサイドギャップと吸引面以外の部分が磁性体で形成される磁気通路の内側のスペースにボビンに巻かれたコイルが収められている。この内側スペースのうち、漏れ磁束を生じさせて吸引力に寄与しないノズルパイプ１０１の内周面部の磁気通路（つまり、磁気絞り101Aを通る磁気通路）を除いて固定コアを通る磁気通路を示す矢印２０１の長さが、電磁式燃料噴射弁において吸引力に寄与する磁気通路の内周長さとなる。本実施例では、この磁気通路の内周の全長が燃料噴射弁のヨーク１０３の外径より小さく、またはコイルが収まる内周スペースの高さＨｓが固定コア径よりも小さくなるようにすることで、起磁力を大きくせずに磁界を大きくすることができた。

固定コアの径やヨークの外径は、磁気通路の主要部分の断面積に関係する長さのスケールである。固定コアの径が大きくなると、同等の磁束密度を得るためにはより多くの磁束が必要となり、したがってより大きい起磁力で駆動する必要が生じる。また、ヨーク部分が磁気的に飽和してしまうと固定コアを通過できる磁束が減ってしまうため、多くの磁束を得るためにはヨーク部分も大きくならざるを得ない。このように、固定コアやヨークの径は主要な磁気通路の断面積を現す長さのスケールであるとともに、発生する磁束が特定の磁束密度にまで達するために必要な起磁力の大きさを示すスケールでもある。

磁気通路の内周長さの短縮効果は、図５のように示せる。図５−（ａ）は、供給した起磁力に対して発生する磁束密度の様子を描いたグラフであり、実線は本発明による磁束密度を表し、点線は従来技術による磁束密度を表す。起磁力を供給すると、従来技術ではノズルパイプの磁気絞り部１１１の磁束密度３０２がまず上昇する。このときの磁束（磁束密度×面積）の大きさは図５−（ｂ）のように示される。ノズルパイプの磁気絞り部111は他の磁気通路に比べ通路断面積が小さいため、磁束密度が増加しようとしても磁束の絶対値は特定の値以上にはならない。更に起磁力を加えると、ノズルパイプの磁気絞り部
１１１に生じている磁束が飽和磁束密度に近づくため、磁束密度３０２の上昇度合いが緩くなる。このため、磁束は磁気絞り部１１１へ流入し難くなり、固定コア及び吸引ギャップに生じる磁束密度３０１が急激に大きくなる。

本発明のように磁気通路長さを短くすると、同じ起磁力に対して大きい磁界を与えることができるため、固定コアとアンカーとの吸引面に生じる磁束密度を増大させることができる。この結果、ノズルパイプに生じる磁束密度３０３や固定コア吸引面に生じる磁束密度３０４は図５−（ａ）のように低い起磁力で高い磁束密度を得られるようになる。また、磁束の絶対値についても図５−（ｂ）に実線で磁束３０５及び磁束３０６のように示すプロファイルとなる。この結果、低い起磁力であっても磁気絞り部１１１の磁束密度を早期に飽和状態に近づけて固定コアとアンカーとの吸引面を通る磁束を早期に増加させて大きい磁気吸引力を早期に得られるようになる。

ここで、固定コアと上下ヨークの対抗面積や幅は、磁気通路の主要部分の断面積に関係する長さのスケールである。対抗面積や幅が大きくなると、同等の磁束密度を得るためにはより多くの磁束が必要となり、したがってより大きい起磁力で駆動する必要が生じる。また、ヨーク部分が磁気的に飽和してしまうと固定コアを通過できる磁束が減ってしまうため、多くの磁束を得るためにはヨーク部分も大きくならざるを得ない。このように、固定コアと上下ヨークの対抗面積や幅あるいは外周ヨーク部の厚さは主要な磁気通路の断面積を現す長さのスケールであるとともに、発生する磁束が特定の磁束密度にまで達するために必要な起磁力の大きさを示すスケールでもある。このため、本実施例では必要な磁束を得るためにできるだけ短い磁気通路となるようにするため、以下のように磁気通路を工夫している。

１．ノズルパイプ内に固定コアおよびアンカーを内包する形式の燃料噴射弁において、起磁力を一定として磁気通路内周長さやコイル高さＨｓに対して固定コアの吸引面に生じる磁束密度を調べると、図６のようであった。コイル高さＨｓが低いほど（すなわち、コイルの軸方向寸法が短いほど）、また磁気通路内周長さが短いほど磁気吸引力は大きくなる。特に、磁気通路内周長さがヨーク外径よりも小さくなる条件や、コイル高さＨｓが固定コア径よりも小さくなる条件でその効果が著しくなる。

２．さらに、コイル１０５の軸方向巻き幅Ｌ４が固定コア１０７と対面する上ヨーク
１０６の軸方向寸法Ｌ３とアンカー１０２に対面するヨーク１０３の下ヨーク部の寸法
Ｌ５の和より小さくなるように磁気通路を短く構成すると良い。

３．また、コイルボビンを考慮した場合においてもコイル高さＨｓが、固定コア１０７と対面する上ヨーク１０６の軸方向寸法Ｌ３とアンカー１０２に対面するヨーク１０３の下ヨーク部の寸法Ｌ５の和より小さくなるように磁気通路を短く構成すると良い。

４．このとき、コイル１０５の軸方向巻き幅Ｌ４，固定コア１０７と対面する上ヨーク１０６の軸方向寸法Ｌ３および、アンカー１０２に対面するヨーク１０３の下ヨーク部の寸法Ｌ５がほぼ同じ寸法になるようにして磁気通路を短く構成すると良い。

５．また、固定コア１０７と対面する上ヨーク１０６の軸方向寸法Ｌ３および、アンカー１０２に対面するヨーク１０３の下ヨーク部の寸法Ｌ５が外周ヨークの厚さの約２倍になるように構成すると磁気通路の全周において、磁気通路断面積がほぼ同じになるので、無駄のない磁気通路を得ることができる。

６．できるだけ磁気通路を短くするためには、コイルを収めるスペースを小さくする必要がある。コイルを納めるスペースを小さくするためには、コイルを巻きつけるボビンの厚さを十分に薄くするとよい。コイルを収めるスペースの固定コア径方向の厚さに対して、ボビンとコイルの間の厚さを２５％以下程度に納められると、磁気通路長を十分に小さくすることができる。更に磁気通路長を縮めて磁気通路の効率を高めるためには、ノズルパイプに絶縁紙あるいは絶縁シート，絶縁樹脂皮膜を設けてこれらの上にコイルを直に巻くとなお良い。このように構成した場合には、コイルの発熱は燃料によって冷却されているノズルパイプによって奪われ易くなるため、小さいコイルを採用しても絶縁不良や焼損などの可能性を小さくすることができる。

このようにして磁気通路が短く設計された燃料噴射弁では、小さい起磁力でも磁気吸引力を大きくすることができる。すなわち、供給した起磁力に対して効率よく磁気吸引力を発生させることができる。つまり、同じ巻数で同じ電流を流して同じ起磁力を発生しても、磁気通路が長い場合には磁気通路自身の磁気抵抗によって吸引力に変換されるエネルギが減少し、結果的に吸引力が小さくなる。逆に磁気通路長を短かくすればエネルギ損失が少ない分だけ、コイルの巻数が小さい状態(例えば１００回巻きあるいはそれ以下の巻数)であっても電流を増加させることなく十分な磁気吸引力を発生させることができる。この結果、コイルのインダクタンスを低下させることができ、駆動に用いる電流を急速に立ち上げることができ、燃料噴射弁の応答性を向上させることができる。あるいは、コイルの巻数が大きい状態（例えば１２０回巻きまたはそれ以上の巻数）とすれば、小さい電流であっても大きい磁気吸引力を発生させることができ、消費電力を低減することができる。

以上の実施例では、ノズルパイプを磁性材製とし、磁気吸引ギャップに対応した部分に磁気絞りを設けた例について詳述したが、本発明になる技術はこの実施例に限定されるものではない。

以上説明したところの「磁気回路長を短くして磁路の磁気抵抗を低減し、少ない起磁力で磁気ギャップを通る磁束をできるだけ多くする技術」はノズルパイプを弱磁性材あるいは非磁性材で構成したもの、あるいは磁性材製金属パイプに非磁性リングを接合したもの、さらには、磁性材の金属パイプに部分的に非磁性若しくは弱磁性化処理を施したものと組合わせて実施できる。

本発明は、内燃機関の燃料噴射弁に限らず電磁コイルによって可動プランジャを駆動して弁体を操作する電磁弁機構に広く利用できる。例えば燃料高圧ポンプの電磁式容量制御弁や電磁式溢流制御弁（スピル弁）、あるいは電子燃料圧力制御弁などにも利用可能である。

本発明が実施される燃料噴射弁の全体を示す断面図である。 本発明が実施された燃料噴射弁の磁気通路部分を拡大した断面図である。 図２に記載した実施例の燃料噴射弁における磁束の流れを説明する模式図である。 図２に記載した実施例の燃料噴射弁に用いられる磁性材料の特性を表すグラフである。 図２に記載した実施例の燃料噴射弁と従来技術による燃料噴射弁で、供給された起磁力に対する磁束及び磁束密度の向上の様子を描いて比較したグラフである。 図２に記載した実施例の燃料噴射弁における磁気通路の長さと、磁気通路の大きさを示すスケールとを対比したグラフである。

符号の説明

１０１…ノズルパイプ、１０２…アンカー、１０３…ヨーク、１０４…ボビン、１０５…コイル、電磁コイル…（１０４，１０５）、１０６…上ヨーク、１０７…固定コア、
１１０…スプリング、１１１…磁気絞り部、１１２…ばね、１１３…プランジャガイド、
１１４…可動子、１１４Ａ…プランジャ部、１１４Ｂ…弁体、１１４Ｃ…頭部、２０１…磁気通路。

Claims (9)

1. 環状コイルに通電することで、可動子のアンカーと固定コアとを含む磁気通路に磁束を供給し、可動子のアンカー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子を固定コア側に引付け、可動子の先端に取付けられた弁体を弁座から引離すことによって燃料通路を開く電磁燃料噴射弁において、
   金属材製のパイプの内側に前記固定コアを固定し、
   前記アンカーが前記固定コアに対して前記磁気吸引ギャップを隔てて対面するように配置して、前記可動子を前記弁座と前記固定コアとの間で往復動可能に前記金属パイプ内に配置し、
   前記パイプの外側に前記環状コイルとこの環状コイルの上下，周囲を取巻くヨークを装着し、
   前記コイルの周囲に形成される磁気通路のうち、前記パイプを除く部分の最も内周に位置する磁気通路の全長が、
   前記ヨークの外径よりも小さくなるように前記磁気通路が構成された電磁式燃料噴射弁。
2. 金属材製のパイプ、
   当該パイプの内側に固定された固定コア、
   当該固定コアの端部に磁気吸引ギャップを挟んで対面し、前記パイプ内で前記固定コアに対して往復動可能に配置された可動子、
   当該可動子に取付けられ、燃料噴射口を開閉する弁体、
   前記パイプの外周に固定された環状コイル、
   当該環状コイルの外周及び上下部に配置されたヨークを備え、
   前記パイプ，固定コア，可動子、及びヨークによって、前記環状コイルが発生する磁束を通す磁気通路が形成され、
   前記環状コイルの軸方向巻き幅Ｌ４が、前記固定コアと対面する前記上ヨーク部の軸方向寸法Ｌ３と前記アンカーに対面する前記下ヨーク部の軸方向寸法Ｌ５の和より小さくなるように磁気通路を構成した電磁式燃料噴射弁。
3. 金属材製のパイプ、
   当該パイプの内側に固定された固定コア、
   当該固定コアの端部に磁気吸引ギャップを挟んで対面し、前記パイプ内で前記固定コアに対して往復動可能に配置された可動子、
   当該可動子に取付けられ、燃料噴射口を開閉する弁体、
   前記パイプの外周に固定された環状コイル、
   当該環状コイルの外周及び上下部に配置されたヨークを備え、
   前記パイプ，固定コア，可動子、及びヨークによって、前記環状コイルが発生する磁束を通す磁気通路が形成され、
   前記コイルが、コイルボビンに巻かれており、
   当該コイルボビンを含むコイル高さＨｓが、前記固定コアと対面する前記上ヨーク部の軸方向寸法Ｌ３と前記アンカーに対面する前記下ヨーク部の寸法Ｌ５の和より小さくなるように磁気通路を構成した電磁式燃料噴射弁。
4. 金属材製のパイプ、
   当該パイプの内側に固定された固定コア、
   当該固定コアの端部に磁気吸引ギャップを挟んで対面し、前記パイプ内で前記固定コアに対して往復動可能に配置された可動子、
   当該可動子に取付けられ、燃料噴射口を開閉する弁体、
   前記パイプの外周に固定された環状コイル、
   当該環状コイルの外周及び上下部に配置されたヨークを備え、
   前記パイプ，固定コア，可動子、及びヨークによって、前記環状コイルが発生する磁束を通す磁気通路が形成され、
   前記コイルの軸方向巻き幅Ｌ４、前記固定コアと対面する前記上ヨーク部の軸方向寸法Ｌ３および、前記アンカーに対面する前記下ヨーク部の寸法Ｌ５がほぼ同じ寸法になるように磁気通路を構成した電磁式燃料噴射弁。
5. 金属材製のパイプ、
   当該パイプの内側に固定された固定コア、
   当該固定コアの端部に磁気吸引ギャップを挟んで対面し、前記パイプ内で前記固定コアに対して往復動可能に配置された可動子、
   当該可動子に取付けられ、燃料噴射口を開閉する弁体、
   前記パイプの外周に固定された環状コイル、
   当該環状コイルの外周及び上下部に配置されたヨークを備え、
   前記パイプ，固定コア，可動子、及びヨークによって、前記環状コイルが発生する磁束を通す磁気通路が形成され、
   前記固定コアと対面する前記上ヨーク部の軸方向寸法Ｌ３および、前記アンカーに対面する前記下ヨーク部の寸法Ｌ５が前記外周ヨーク部の厚さの約２倍になるように構成した電磁式燃料噴射弁。
6. 金属材製のパイプ、
   当該パイプの内側に固定された固定コア、
   当該固定コアの端部に磁気吸引ギャップを挟んで対面し、前記パイプ内で前記固定コアに対して往復動可能に配置された可動子、
   当該可動子に取付けられ、燃料噴射口を開閉する弁体、
   前記パイプの外周に固定された環状コイル、
   当該環状コイルの外周及び上下部に配置されたヨーク、
   前記固定コアの中心に設けられた燃料通路内に固定され、前記可動子のアンカー上面を付勢するばねを備え、
   前記パイプ，固定コア，可動子、及びヨークによって、前記環状コイルが発生する磁束を通す磁気通路が形成され、
   前記ばねの上端と前記アンカーの下端との間の寸法Ｌ１より、前記上ヨークの上端と前記したヨーク部の下端との間の寸法Ｌ２のほうが短くなるよう磁気通路が構成された電磁式燃料噴射弁。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の電磁式燃料噴射弁において、
   前記パイプが磁性材料で形成され、
   前記パイプには、前記磁気吸引ギャップに対応する位置に磁気絞り部が形成され、
   前記パイプの磁気絞り部が前記固定コア及びアンカーよりも先に磁気飽和に至るように構成された電磁式燃料噴射弁。
8. 請求項１乃至６のいずれかに記載されたものにおいて、
   前記パイプは非磁性材若しくは弱磁性材で構成されている電磁式燃料噴射弁。
9. 請求項４乃至７に記載されたものにおいて、
   前記パイプは磁性材で構成され、
   前記パイプには、前記磁気吸引ギャップに対応する位置に非磁性化若しくは弱磁性化処理部が形成されている電磁式燃料噴射弁。
   

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