JP3988192B2

JP3988192B2 - 燃料噴射弁

Info

Publication number: JP3988192B2
Application number: JP2003427213A
Authority: JP
Inventors: 慎治杉浦
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2023-12-24
Also published as: JP2005188302A

Description

本発明は、内燃機関（以下、エンジンという）に燃料を噴射する燃料噴射弁に関する。

従来、噴孔を開閉する弁体を駆動するための電磁駆動力を複数のコイルにより発生するようにした燃料噴射弁が知られている（例えば特許文献１参照）。一般に燃料噴射弁では、エンジン始動時等に燃料噴射量を少なく調整することが求められており、それは、複数のコイルを用いた燃料噴射弁においても同様である。

特開平１１−１４８４３９号公報

しかし、複数のコイルを用いた従来の燃料噴射弁では、噴孔を開ける際に各コイルへの通電を同時に実施するため、それらコイルの駆動電流及び磁束の両者の発生並びに消滅が過剰に遅れてしまい、また各コイル及び対応するコア等により形成される各磁気回路が磁気的に相互干渉することで弁体の駆動応答性が低下してしまう。弁体の駆動応答性が低下することによって、燃料噴射量の調整精度も低下するため、上述の要求に応えることができない。
本発明の目的は、燃料噴射量を精密に調整可能な燃料噴射弁を提供することにある。

請求項１〜３に記載の発明によると、噴孔を閉じている弁体を燃料通路の燃圧による力に抗して駆動することで噴孔を開ける駆動手段は、弁体を駆動する電磁駆動力を発生するための磁気回路を個別に形成する複数のコイルを有し、燃料通路の燃圧が上昇するほど通電するコイルの数を増加する。したがって、エンジン始動時等、燃料通路の燃圧が低くなるときには、通電するコイルの数を減少させることで、コイル駆動電流及び磁束の両者の発生並びに消滅を早めることができ、また各磁気回路の相互干渉を防止することができる。これにより、弁体の駆動応答性が向上するので、燃料噴射量を精密に調整できる。しかも、燃料通路の燃圧が高くなるときには、通電するコイルの数を増加することで、電磁駆動力を確実に増大できる。そしてこのように、電磁駆動力が小さくて済む低燃圧時には通電するコイルの数を減少させ、大きな電磁駆動力が必要な高燃圧時には通電するコイルの数を増やすことができるので、エネルギー効率が向上する。

請求項２に記載の発明によると、複数の磁気回路は、弁体の駆動方向に互いに離間して形成されるので、通電するコイルの数が増加したときの各磁気回路の相互干渉を小さくできる。
請求項３に記載の発明によると、弁体がその駆動方向の複数箇所に有する作用部は、それぞれ対応するコイルへの通電によって発生した電磁駆動力が作用することで変位する。この発明によれば、通電するコイルの数が増加したときに発生する電磁駆動力の作用効率が、発生した電磁駆動力の全てを弁体の一つの作用部に作用させる場合に比べて高くなる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明の一実施形態による燃料噴射弁を図１に示す。この燃料噴射弁１０は、直噴式のガソリンエンジン用であり、図示しないエンジンヘッドに搭載される。燃料噴射弁１０は、ハウジング２０、ノズルホルダ４０、ノズルボディ４２、コイル５０，５２，５４、駆動回路６０，６２，６４、電子制御装置（ＥＣＵ）６６、燃圧センサ６８、ステータ１００，１０２，１０４、固定コア７０，７２，７４、ニードル８０、可動コア９０，９２，９４、スプリング９６等を備えている。

ハウジング２０は筒状を呈し、軸方向の一端部側から他端部側に向かって順に第一磁性部２１、第一非磁性部２２、第二磁性部２３、第二非磁性部２４、第三磁性部２５、第三非磁性部２６及び第四磁性部２７を有している。各磁性部２１，２３，２５，２７は磁性材で形成され、各非磁性部２２，２４，２６は非磁性材で形成されている。第一非磁性部２２は、第一磁性部２１と第二磁性部２３との磁気的な短絡を防止する。第二非磁性部２４は、第二磁性部２３と第三磁性部２５との磁気的な短絡を防止する。第三非磁性部２６は、第三磁性部２５と第四磁性部２７との磁気的な短絡を防止する。尚、図示はしていないが、後述する二つの磁気回路に挟まれる第二磁性部２３あるいは第三磁性部２５の適切な位置を非磁性部とすることで、さらに磁気回路間の相互干渉を小さくできる。

ハウジング２０の軸方向の一端部には、筒状の入口部材３０が装着されている。入口部材３０が形成する燃料入口３１には、図示しない燃料ポンプから燃料が供給される。燃料入口３１に供給された燃料は、燃料入口３１内に設置された燃料フィルタ３２を通過してハウジング２０の内周側に流入する。燃料フィルタ３２は、その通過燃料に含まれる異物を除去する。ハウジング２０の軸方向の他端部には、筒状のノズルホルダ４０を介して筒状のノズルボディ４２が装着されている。ノズルボディ４２は、反ハウジング側即ち燃料流れの下流側に向かうほど小径となる円錐状の内壁面に弁座４４を有している。さらにノズルボディ４２は、上記円錐状の内壁面において弁座４４より下流側となる箇所と外壁面との間を貫く噴孔４６を有している。

三つのコイル５０，５２，５４は、ハウジング２０の外周側にそれぞれスプール５１，５３，５５を介して装着されている。三つのコイル５０，５２，５４は、ハウジング２０の軸方向に沿って同軸上に並び、互いに離間している。噴孔４６に最も近い第一コイル５０は、第一ターミナル６１を介して第一駆動回路６０に接続される。第一コイル５０の反噴孔側にある第二コイル５２は、第二ターミナル６３を介して第二駆動回路６２に接続される。第二コイル５２の反第一コイル側にある第三コイル５４は、第三ターミナル６５を介して第三駆動回路６４に接続される。三つの駆動回路６０，６２，６４は共通のＥＣＵ６６に接続され、当該ＥＣＵ６６からそれぞれ受信する制御信号に従って対応コイル５０，５２，５４への通電を実施する。検出手段としての燃圧センサ６８はＥＣＵ６６に接続され、燃料ポンプから燃料入口３１に供給される燃料の圧力を検出しその燃圧の検出信号をＥＣＵ６６に送信する。

三つのステータ１００，１０２，１０４はそれぞれ磁性材で形成され、ハウジング２０の軸方向に互いに離間するようにして、対応するコイル５０，５２，５４の外周側を覆っている。第一ステータ１００は、第一磁性部２１及び第二磁性部２３に磁気的に接続されている。第二ステータ１０２は、第二磁性部２３及び第三磁性部２５に磁気的に接続されている。第三ステータ１０４は、第三磁性部２５及び第四磁性部２７に磁気的に接続されている。

三つの固定コア７０，７２，７４はそれぞれ磁性材で筒状に形成され、ハウジング２０の内周側に装着されている。三つの固定コア７０，７２，７４は、ハウジング２０の軸方向に沿って同軸上に並び、互いに離間している。噴孔４６に最も近い第一固定コア７０は、ハウジング２０を挟んで第一コイル５０の内周側に位置固定されている。第一固定コア７０の反噴孔側にある第二固定コア７２は、ハウジング２０を挟んで第二コイル５２の内周側に位置固定されている。第二固定コア７２の反第一固定コア側にある第三固定コア７４は、ハウジング２０を挟んで第三コイル５４の内周側に位置固定されている。

ニードル８０は、ハウジング２０、ノズルホルダ４０及びノズルボディ４２の内周側に同軸上に配置され、軸方向に往復移動可能である。ニードル８０は、弁座４４に着座可能な当接部８２を噴孔４６に近い側の端部に有している。ノズルホルダ４０及びノズルボディ４２とニードル８０との間には、燃料を噴孔４６側に向かって流す燃料通路８４が形成される。即ち、ニードル８０は燃料通路８４に収容されている。

三つの可動コア９０，９２，９４はそれぞれ磁性材で筒状に形成され、ニードル８０の外周側に一体移動可能に装着されている。三つの可動コア９０，９２，９４は、ニードル８０の軸方向即ち駆動方向に沿って同軸上に並び、互いに離間している。当接部８２に最も近い第一可動コア９０は、第一固定コア７０より噴孔４６側において第一固定コア７０と向き合っている。第一可動コア９０の反当接部側にある第二可動コア９２は、第二固定コア７２より噴孔４６側となる固定コア７０，７２間において第二固定コア７２と向き合っている。第二可動コア９２の反第一可動コア側にある第三可動コア９４は、第三固定コア７４より噴孔４６側となる固定コア７２，７４間において第三固定コア７４と向き合っている。

第一コイル５０が通電されるときには、当該第一コイル５０、第一ステータ１００、第一磁性部２１、第一可動コア９０、第一固定コア７０及び第二磁性部２３によって磁気回路が形成され、第一可動コア９０を第一固定コア７０側に吸引する磁気吸引力が発生する。即ち、第一コイル５０への通電により生じた電磁駆動力としての磁気吸引力が第一可動コア９０に作用する。第二コイル５２が通電されるときには、当該第二コイル５２、第二ステータ１０２、第二磁性部２３、第二可動コア９２、第二固定コア７２及び第三磁性部２５によって磁気回路が形成され、第二可動コア９２を第二固定コア７２側に吸引する磁気吸引力が発生する。即ち、第二コイル５２への通電により生じた電磁駆動力としての磁気吸引力が第二可動コア９２に作用する。第三コイル５４が通電されるときには、当該第三コイル５４、第三ステータ１０４、第三磁性部２５、第三可動コア９４、第三固定コア７４及び第四磁性部２７によって磁気回路が形成され、第三可動コア９４を第三固定コア７４側に吸引する磁気吸引力が発生する。即ち、第三コイル５４への通電により生じた電磁駆動力としての磁気吸引力が第三可動コア９４に作用する。
以上、コイル５０，５２，５４、駆動回路６０，６２，６４、ＥＣＵ６６及び固定コア７０，７２，７４が駆動手段を構成し、ニードル８０及び可動コア９０，９２，９４が弁体を構成し、各可動コア９０，９２，９４が作用部を構成している。

各可動コア９０，９２，９４は、その内壁面と外壁面との間を貫く燃料孔９１，９３，９５を有している。燃料入口３１への流入燃料は、燃料フィルタ３２、後述するアジャスティングパイプ９７の内周側並びに第三固定コア７４の内周側を経由して、第三可動コア９４の内周側に流入する。第三可動コア９４への流入燃料は、燃料孔９５、第三磁性部２５とニードル８０との間並びに第二固定コア７２の内周側を経由して、第二可動コア９２の内周側に流入する。第二可動コア９２への流入燃料は、燃料孔９３、第二磁性部２３とニードル８０との間並びに第一固定コア７０の内周側を経由して、第一可動コア９０の内周側に流入する。第一可動コア９０への流入燃料は、燃料孔９１並びに第一磁性部２１とニードル８０との間を経由して、燃料通路８４に流入する。この燃料通路８４に流入した燃料の圧力は、燃圧センサ６８により検出される燃圧と実質的に等しい。

付勢手段としてのスプリング９６の一端部は、第三可動コア９４の反第二固定コア側の端部に係止されている。スプリング９６の他端部は、第三固定コア７４の内周側に圧入されたアジャスティングパイプ９７に係止されている。スプリング９６は弾性変形により生じた復元力を第三可動コア９４に作用させることによって、ニードル８０を噴孔４６側（図１の下側）に付勢する。

全てのコイル５０，５２，５４への通電を停止しているとき、スプリング９６の復元力によりニードル８０が噴孔４６側に付勢され、当接部８２が弁座４４に着座する。これにより、燃料通路８４と噴孔４６との連通が遮断され、噴孔４６からの燃料噴射が停止する。即ち、噴孔４６が燃料噴射不能に閉じられる。尚、このとき、第一固定コア７０と第一可動コア９０との間、第二固定コア７２と第二可動コア９２との間並びに第三固定コア７４と第三可動コア９４との間には、それぞれ所定の大きさのギャップが形成される。

少なくとも一つのコイル５０，５２，５４に通電すると、当該通電されたコイル５０，５２，５４の内周側の固定コア７０，７２，７４と向き合う可動コア９０，９２，９４に磁気吸引力が作用する。その結果、磁気吸引力の作用した可動コア９０，９２，９４は、それと向き合う固定コア７０，７２，７４側即ち反噴孔側に吸引されて変位するため、ニードル８０が、燃料通路８４等の燃圧による力とスプリング９６の付勢力とに抗して反噴孔側（図１の上側）に駆動される。これにより、当接部８２が弁座４４から離座するため、燃料通路８４と噴孔４６とが連通し、燃料通路８４内の燃料が噴孔４６から外部に噴射される。即ち、噴孔４６が開けられて噴孔４６からの燃料噴射が実施される。この後、少なくとも一つのコイル５０，５２，５４への通電を停止すると、それまで通電していたコイル５０，５２，５４による磁気吸引力の発生も止まるため、ニードル８０がスプリング９６の付勢力により噴孔４６側に移動し、当接部８２が弁座４４に再び着座する。以上により、一回の燃料噴射作動が終了する。

ここで、燃料噴射弁１０の燃料噴射作動の一例についてさらに詳しく説明する。
燃料噴射弁１０では、一回の燃料噴射を図２のフローチャートに従うようにして実施する。具体的に、まずステップＳ１では、燃圧センサ６８により検出される燃圧（以下、検出燃圧という）Ｐ_dが所定の第一閾値Ｐ_th1より低いか否かを、ＥＣＵ６６により判定する。ここで第一閾値Ｐ_th1は、燃料噴射弁１０に供給されて燃料通路８４に導かれる燃料の最高圧力（以下、最高燃圧という）Ｐ_maxより低い圧力に設定される。例えば、各コイル５０，５２，５４への通電により発生する磁気吸引力が実質的に同じである場合には、例えば最高燃圧Ｐ_maxの１／３以下の圧力に第一閾値Ｐ_th1が設定される。

ステップＳ１において、検出燃圧Ｐ_dが第一閾値Ｐ_th1より低いと判定された場合には、ステップＳ２に移行して、コイル５０，５２，５４のうちいずれか一つのコイル、例えば第一コイル５０に通電し、その後、当該通電を停止する。尚、このステップＳ２において、可動コア９０，９２，９４のうち通電したコイルに対応するいずれか一つの可動コアが確実に変位するように、予め第一閾値Ｐ_th1を設定しておく必要がある。
一方、ステップＳ１において、検出燃圧Ｐ_dが第一閾値Ｐ_th1以上であると判定された場合には、ステップＳ３に移行する。

ステップＳ３では、検出燃圧Ｐ_dが所定の第二閾値Ｐ_th2より低いか否かを、ＥＣＵ６６により判定する。ここで第二閾値Ｐ_th2は、第一閾値Ｐ_th1より高く且つ最高燃圧Ｐ_maxより低い圧力に設定される。例えば、各コイル５０，５２，５４への通電により発生する磁気吸引力が実質的に同じである場合には、例えば第一閾値Ｐ_th1より高く且つ最高燃圧Ｐ_maxの２／３以下の圧力に第二閾値Ｐ_th2が設定される。

ステップＳ３において、検出燃圧Ｐ_dが第二閾値Ｐ_th2より低いと判定された場合には、ステップＳ４に移行して、コイル５０，５２，５４のうち上記ステップＳ２での通電対象コイルを含んだいずれか二つのコイル、例えば第一コイル５０及び第二コイル５２に通電し、その後、当該通電を停止する。尚、このステップＳ４において、可動コア９０，９２，９４のうち通電したコイルに対応するいずれか二つの可動コアが確実に変位するように、予め第二閾値Ｐ_th2を設定しておく必要がある。

一方、ステップＳ３において、検出燃圧Ｐ_dが第二閾値Ｐ_th2以上であると判定された場合には、ステップＳ５に移行して、三つ全てのコイル５０，５２，５４に通電し、その後、当該通電を停止する。
以上、ステップＳ２，Ｓ４，Ｓ５において所定コイル５０，５２，５４への通電が停止することで、一回の燃料噴射が終了する。

このように燃料噴射弁１０では、一回の燃料噴射において三つのコイル５０，５２，５４のうち通電するものの数（以下、通電コイル数という）を、検出燃圧Ｐ_dが上昇するほど増加するようにしている。そのため、エンジン始動時等のように燃料通路８４の燃圧が低くなるときには通電コイル数を減らすことで、コイル駆動電流及び磁束の両者の発生並びに消滅が過剰に遅れることを防止でき、また形成される各磁気回路の相互干渉を防止できる。これにより、ニードル８０の駆動応答性が向上するので、燃料噴射量を精密に調整することが可能になる。しかも、エンジンが継続して運転されて燃料通路８４の燃圧が高くなるときには、通電コイル数を増やすことで、ニードル８０と共に可動コア９０，９２，９４を変位させるための磁気吸引力を確実に増大できる。以上より、ニードル８０及び可動コア９０，９２，９４で構成された弁体を駆動するための力が小さくて済む低燃圧時には通電コイル数を減らし、当該弁体を駆動するのに大きな力が必要となる高燃圧時には通電コイル数を増やすようにしているので、エネルギー効率が高くなる。

さらに、燃料噴射弁１０では、三つのコイル５０，５２，５４等により三つの磁気回路がハウジング２０の軸方向即ちニードル８０の駆動方向に互いに離間して個別に形成されるので、通電コイルの数を増加させたとき各磁気回路の相互干渉を抑制できる。加えて、燃料噴射弁１０では、ニードル８０の駆動方向の三箇所に装着された可動コア９０，９２，９４に対して、互いに別のコイル５０，５２，５４への通電によって発生させた磁気吸引力を作用させるので、その作用効率が向上する。

尚、上述の実施形態では、通電コイル数を決定するために燃圧センサにより直接検出した燃圧を利用しているが、例えば冷却水温度、エンジン回転数、エンジン負荷又は車両速度に基づき推定した燃圧を利用して通電コイル数を決定してもよい。これは、燃圧が低くなるエンジン始動時等には、冷却水温度及びエンジン回転数が低く、エンジン負荷が小さく、また車両速度が低速となっているため、それら物理量に基づく燃圧の推定が可能となるからである。

また、上述の実施形態では、三つのコイルを備えた燃料噴射弁に本発明を適用した例について説明したが、二つのコイル又は四つ以上のコイルを備えた燃料噴射弁に本発明を適用してもよい。さらに、上述の実施形態では、複数のコイルをニードルの駆動方向に沿って配置して径方向に重ならないようにしているが、複数のコイルを径方向に重なるように配置してもよい。

またさらに、上述の実施形態では、ニードルの駆動方向に並ぶ複数のコイルにより発生した電磁駆動力としての磁気吸引力を、ニードルの駆動方向に作用部として並ぶ複数の可動コアのうち対応するものに作用させている。これに対し、複数のコイルにより発生した電磁駆動力を弁体の同じ作用部に作用させてもよい。
さらにまた、上述の実施形態では、一回の燃料噴射作動中に通電するコイルの数について変化させていない。これに対し、例えば一回の燃料噴射作動中に燃圧が変化した場合に、その燃圧の変化に応じて通電するコイルの数を増減させてもよい。

加えて、上述の実施形態では、直噴式ガソリンエンジン用の燃料噴射弁に本発明を適用した例について説明したが、予混合式ガソリンエンジン用又はディーゼルエンジン用等の燃料噴射弁に本発明を適用してもよい。
また加えて、上述の実施形態では、噴孔を閉じている弁体を燃料通路の燃圧による力に抗して駆動することで噴孔を開くようにした所謂内開式の燃料噴射弁に本発明を適用した。これに対し、複数のコイルを有し、噴孔を開いている弁体を燃料通路の燃圧による力に抗して駆動することで噴孔を閉じるようにした所謂外開式の燃料噴射弁において、燃料通路の燃圧が上昇するほど通電コイル数を増加する技術的思想を採用してもよい。

本発明の一実施形態による燃料噴射弁を示す断面図である。本発明の一実施形態による燃料噴射弁の燃料噴射作動について説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０燃料噴射弁、４６噴孔、５０，５２，５４コイル（駆動手段）、６０，６２，６４駆動回路（駆動手段）、６６ＥＣＵ（駆動手段）、６８燃圧センサ、７０，７２，７４固定コア（駆動手段）、８０ニードル（弁体）、８４燃料通路、９０，９２，９４可動コア（作用部、弁体）、１００，１０２，１０４ステータ

Claims

噴孔と、
燃料を前記噴孔側に向かって流す燃料通路と、
前記燃料通路に収容され、前記噴孔を開閉する弁体と、
前記噴孔を閉じている前記弁体を前記燃料通路の燃圧による力に抗して駆動することで前記噴孔を開ける駆動手段と、
を備え、
前記駆動手段は、前記弁体を駆動する電磁駆動力を発生するための磁気回路を個別に形成する複数のコイルを有し、前記燃料通路の燃圧が上昇するほど通電する前記コイルの数を増加することを特徴とする燃料噴射弁。
複数の前記磁気回路は、前記弁体の駆動方向に互いに離間して形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
前記弁体は、駆動方向の複数箇所に作用部を有し、各前記作用部は、対応する前記コイルへの通電によって発生した電磁駆動力が作用することで変位することを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射弁。