JP6913816B2 - 燃料噴射弁及びその組立方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料噴射弁及びその組立方法に関する。

本技術分野の背景技術として、ストローク可変機構を有する燃料噴射弁が知られている
（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１には、「摺動可能に設けられた弁体と、前記弁体と協働する第一の可動子と、第二の可動子と対向する位置に設けられた内部固定鉄心と、外部固定鉄心と、コイルとを備え、第二の可動子のリフト量が前記第一の可動子のリフト量より大きく設定し、前記第二の可動子の一部が前記第一の可動子内へ突出させることにより、コイルに通電する電流によって第一の可動子、第二の可動子に発生する磁気吸引力の差を利用し、大小のリフトを構成させる。」と記載されている。

特開2014-141924号公報

特許文献１に開示されているような構成では、弁体を大小の二段でストロークさせることができるが、開弁動作の応答性の向上については検討されていない。

本発明は、弁体を大小の二段でストロークさせることを可能としつつ、かつ、開弁動作の応答性を向上することができる燃料噴射弁等を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一例は、磁気コアに吸引される第一可動子と、前記第一可動子と別体で構成され、前記第一可動子よりも内径側において前記磁気コアに吸引される第二可動子と、前記第二可動子よりも上流側につば部を有する弁体と、閉弁状態において前記つば部と前記第二可動子との間に軸方向の隙間を形成するスペーサと、を備える燃料噴射弁であって、前記第一可動子の質量と前記第二可動子の質量は、同等であることを特徴とする燃料噴射弁。

本発明によれば、弁体を大小の二段でストロークさせることを可能としつつ、かつ、開弁動作の応答性を向上することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例に係る燃料噴射弁の断面図である。 本発明の実施例に係る燃料噴射弁の弁体の断面図である。 本発明の実施例に係る燃料噴射弁のスペーサの断面図である。 本発明の実施例に係る燃料噴射弁の第二可動子の断面図である。 本発明の実施例に係る燃料噴射弁の第一可動子の断面図である。 本発明の実施例に係る燃料噴射弁の可動子近傍の拡大図であり、コイルが非通電の状態を示す。 図６の非通電の状態からコイルが通電状態となって、第一可動子及び第二可動子が開弁方向に動いて第二対向面がつば部下面（衝突面）と衝突した状態を示す。 図７の状態からさらに、第一可動子が変位して第一対向面と磁気コアの下流側端面と接触した状態を示す。 図８の状態からさらに、第二可動子のみが変位して第二対向面が磁気コアの下流側端面と接触した状態を示す。 本発明の実施例に係る燃料噴射弁の駆動電流波形と弁体変位を示した図である。 本発明の実施例に係る燃料噴射弁の組立方法のフローチャートである。

以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。

本発明の実施例に係る燃料噴射弁について、図１〜図４を用いて、以下に説明する。図１は本実施例の電磁式の燃料噴射弁１００（燃料噴射装置）の断面図を示す。図１では燃料噴射弁１００の縦断面図とその燃料噴射弁１００を駆動するための、ＥＤＵ１２１（駆動回路）、ＥＣＵ１２０（エンジンコントロールユニット）の構成の一例を示す図である。

なお、図１に示した燃料噴射弁１００は、エンジン筒内に直接、燃料を噴射する筒内直接噴射式のガソリンエンジン向けの電磁式燃料噴射弁である。本発明は、エンジン筒内に空気を供給する吸気管に燃料を噴射するポート噴射式のガソリンエンジン向けの電磁式燃料噴射弁に対しても適用可能である。またピエゾ素子や磁歪素子で駆動される燃料噴射弁に対して本発明を適用することももちろん可能である。

ＥＤＵ１２１は燃料噴射弁１００の駆動電圧を発生する駆動装置である。ＥＣＵ１２０では、エンジンの状態を示す信号を各種センサーから取り込み、内燃機関の運転条件に応じて適切な駆動パルスの幅や噴射タイミングの演算を行う。ＥＣＵ１２０より出力された駆動パルスは、信号線１２３を通してＥＤＵ１２１に入力される。ＥＤＵ１２１はＥＣＵ１２０から指令される駆動パルス、又は噴射タイミングに応じて、コイル１０８に対して指令電圧を印加して、駆動電流を供給する。

ＥＣＵ１２０は、通信ライン１２２を通して、ＥＤＵ１２１と通信を行っており、燃料噴射弁１００に供給される燃料の圧力や運転条件によってＥＤＵ１２１によって生成される駆動電流を切替えることが可能である。ＥＤＵ１２１は、ＥＣＵ１２０との通信によって制御定数を変化できるようになっており、制御定数に応じて駆動電流の波形が変化する。なお、図１では、駆動装置として、ＥＣＵ１２０とＥＤＵ１２１とが別体である例について説明しているが、これらは一体となったものであってもよい。

まず、燃料噴射弁１００における全体構成と燃料の流れについて説明する。上記した筒内直接噴射式のガソリンエンジン向けの電磁式燃料噴射弁の場合、燃料供給口１１２を形成する金属管が図示しないコモンレールに取り付けられる。

このコモンレールは図示しない高圧燃料ポンプから高圧燃料が送られて、設定された圧力（たとえば３５ＭＰａ）の高圧燃料が溜められるようになっている。そしてコモンレールの高圧燃料は燃料供給口１１２の燃料入口面１１２ａを介して、燃料噴射弁１００の内部に供給される。なお、本実施例の説明においては、燃料噴射弁１００の軸方向（図１の上下方向）に対して燃料入口面１１２ａの側を上流側、シート部材１０２の側を下流側として説明する。また、燃料入口面１１２ａからシート部材１０２に向かう方向を下流方向、その逆方向を上流方向と呼ぶことにする。

燃料噴射弁１００は、ノズルホルダ１１１を含み、内部には流路の開閉を行う弁体１０１を有している。ノズルホルダ１１１は、弁体１０１の下流側先端部と対向する位置に円筒形状のシート部材１０２を保持している。シート部材１０２は、弁体１０１の弁体シート部１０１ｂが着座することで燃料をシールするシート部１１５が形成されるとともに、シート部１１５の下流側に燃料が噴射される燃料噴射孔１１６が形成されている。

燃料噴射弁１００は、コイル１０８を有しており、コイル１０８は、コイルケーシング内に封入されており、ボビンに巻き付けられている。コイル１０８は、端子１０５を介して、供給可能な電流によって励磁されるように構成されている。コイル１０８および、端子１０５は、射出成形により結合可能なコネクタモールド１０６によって覆われており、絶縁が図られている。

本実施例における燃料噴射弁１００は、磁気コア１０７（固定コア）、可動子群２００、ノズルホルダ１１１、ヨーク１０９（ハウジング）で磁気回路を構成している。

燃料噴射弁１００は、磁気コア１０７の内径側に第一スプリング２１０を有しており、第一スプリング２１０の上流側には、アジャスタピン１１８が配置されている。アジャスタピン１１８は、磁気コア１０７に設けられた燃料供給口１１２に係合されている。弁体１０１には、スリーブ１１７が弁体１０１のシート部材１０２との反対側に係合されている。

ここで、弁体１０１は、図２に示すように、つば部１０１ａよりも上流側にスリーブ１１７を有する。これにより、後述するスペーサ２１３と第二スプリング２１１、を弁体１０１に取り付けることが容易となる。なお、詳細は、図１１を用いて説明する。

スリーブ１１７は、第一スプリング２１０の付勢力を受ける第一スプリング受け面１１７ａ（図２）を有しており、第一スプリング２１０は、アジャスタピン１１８と第一スプリング受け面１１７ａとで、自然長さよりも短くなるように圧縮されており、付勢力が作用する構成となっている。第一スプリング２１０の付勢力は、弁体１０１とアジャスタピン１１８を引き離す方向に作用している。結果、第一スプリング２１０は、スリーブ１１７を介して、弁体１０１をシート部材１０２側に付勢する。

ここで、第一スプリング２１０は、スリーブ１１７を閉弁方向に付勢する。

コイル１０８に通電がないときに、第一スプリング２１０によってシート部材１０２に押し付けられ、シート部１１５と接触してシール座を形成する弁体シート部１０１ｂ（シート部）を弁体１０１は有しており、燃料をシールする構成となっている。

弁体シート部１０１ｂよりも下流側に燃料噴射孔１１６が設けられ、弁体１０１がシート部材１０２から離れるとシールされていた燃料が流れ、燃料噴射孔１１６から燃料が噴射される構成となっている。スリーブ１１７の第一スプリング受け面１１７ａの下流側面には、第二スプリング２１１の付勢力を受ける第二スプリング受け面１１７ｂ（図２）を有している。

弁体１０１は、スペーサ２１３（中間部材）を有しており、スペーサ２１３は、弁体１０１に設けられたつば部１０１ａと接触するように構成されている。スペーサ２１３とスリーブ１１７の間には、第二スプリング２１１が収容されており、第二スプリング２１１は、スリーブ１１７とスペーサ２１３を引き離す方向に付勢力が作用している。スペーサ２１３は、弁体１０１とは軸１００ａ方向に対して相対運動が可能なように構成されており、第二スプリング２１１の付勢力により、つば部１０１ａと当接している。

ここで、弁体１０１は、図１に示すように、第二可動子２０２よりも上流側につば部１０１ａを有する。スペーサ２１３は、スリーブ１１７とつば部１０１ａの間に配置される。なお、スリーブ１１７はつば状の形状を有する。これにより、スペーサ２１３が弁体１０１から外れない。スペーサ２１３の材料は、例えば、非磁性体のステンレスである。第二スプリング２１１は、スリーブ１１７とスペーサ２１３の間に配置され、スペーサ２１３をつば部１０１ａへ向けて付勢する。

可動子群２００は、磁気コア１０７と上流側で当接している。ノズルホルダ１１１は、磁気コア１０７よりも下流側に可動子群２００を内包するための収容部１１１ａを有している。収容部１１１ａには、第三スプリング２１２、可動子群２００が内包されており、第三スプリング２１２は、第三スプリング受け面１１１ｂと当接するように配置されている。第三スプリング２１２において、第三スプリング受け面１１１ｂと当接する面の反対側には可動子群２００が配置され、可動子群２００と第三スプリング受け面１１１ｂと挟まれるように第三スプリング２１２が収容されている。

次に、図２、図３、図４、図５、および図６を用いて、コイル１０８への非通電状態での弁体１０１、可動子群２００、およびスペーサ２１３の位置関係について説明する。

弁体１０１は、スリーブ１１７を介して第一スプリング２１０の付勢力Ｆｓによって閉弁方向に付勢されている。第二スプリング２１１は、スリーブ１１７とスペーサ２１３との間に収容され、第二スプリングの付勢力Ｆｍがスペーサ２１３を閉弁方向に押し下げる。第三スプリングの付勢力Ｆｚは、可動子群２００を介してスペーサ２１３に伝達される。

本実施例の燃料噴射弁１００では、第三スプリング２１２の付勢力Ｆｚは、第二スプリング２１１の付勢力Ｆｍよりも小さくなるように配置されている。スペーサ２１３は、弁体つば部１０１ａを内包するように配置され、スペーサ接触面２１３ａ（スペーサ接触部）とつば部上面１０１ａ＿ａ（上面部）が接触することで、スペーサ２１３は、支持されている。スペーサ２１３は、内径にスペーサ摺動面２１３ｂを有し、スペーサ摺動面２１３ｂは、つば部摺動面１０１ａ＿ｂと接触することで、軸１００ａに沿った垂直方向に運動が規制される構成となっている。すなわち、スペーサ２１３は、軸１００ａに垂直な方向（水平方向）にぶれない。

ここで、スペーサ２１３は、図３に示すように、筒状部２１３＿１と、筒状部２１３＿１の上流側に位置し、孔を有する円盤状部２１３＿２と、から構成される。筒状部２１３＿１は、閉弁状態において、第二可動子２０２と接触する（図６）。筒状部２１３＿１により、閉弁状態においてつば部１０１ａと第二可動子２０２との間に軸方向の隙間（空隙ｇ１）が形成される（図６）。円盤状部２１３＿２は閉弁時においてつば部１０１ａと係合する。

なお、閉弁状態においてつば部１０１ａと第二可動子２０２との間の軸方向の隙間（空隙ｇ１）は、10〜100um（マイクロメートル）である。閉弁状態において第一可動子２０１と磁気コア１０７との間の軸方向の隙間は、20um〜190umである。閉弁状態において第二可動子２０２と磁気コア１０７との間の軸方向の隙間は、30um〜200umである。これにより、２段階（小ストローク、大ストローク）の開弁動作の応答性を向上することができる。

第一可動子２０１の質量と第二可動子２０２の質量は、同等である。これにより、第二可動子２０２が弁体１０１のつば部１０１ａと衝突する時（予備動作時）の衝撃を第一可動子２０１が吸収できる。磁気コア１０７と当接する第一可動子２０１の部分の面積を示す第一吸引面積よりも、磁気コア１０７と当接する第二可動子２０２の部分の面積を示す第二吸引面積の方が大きい。これにより、第一可動子２０１に働く磁気吸引力よりも、第二可動子２０２に働く磁気吸引力の方が大きくなる。

また燃料供給口１１２の最小内径Ｄ１（図１）は、スペーサ２１３の最外径Ｄ３（図３）、弁体１０１の最外径Ｄ２（図２）よりも大きくなるように構成されている。つまり、弁体１０１の最外径Ｄ２（図２）は、磁気コア１０７の最小内径Ｄ１（内径、図１）より小さく、スペーサ２１３の最外径Ｄ３（図３）は、磁気コア１０７の最小内径Ｄ１（内径、図１）より小さい。ここで、弁体１０１のつば部１０１ａの外径は、磁気コア１０７の最小内径Ｄ１（内径）より小さい。

そのため、燃料噴射弁１００の組立段階において、弁体１０１、スペーサ２１３を組立工程の後半で挿入する構成をとれるため、異物が混入された場合でも、異物排出性がよくなり、耐コンタミネーションを向上可能となる。

スペーサ接触面２１３ａとスペーサ下面２１３ｃとの距離Ｌ２（図３）と、つば部上面１０１ａ＿ａとつば部下面１０１ａ＿ｃとの距離Ｌ１（図２）との長さの関係は、距離Ｌ１の方が短くなるように構成されており、コイル１０８へ電流が通電されていない状態では、スペーサ下面２１３ｃがつば部下面１０１ａ＿ｃよりも下流側に突出している。そのため、図６に示すように可動子群２００と弁体１０１のつば部１０１ａとの間には空隙ｇ１が形成される。

つまり、スペーサ２１３は、図６に示すように、閉弁状態においてつば部１０１ａと第二可動子２０２との間に軸方向の隙間（空隙ｇ１）を形成する。これにより、第二可動子２０２の運動エネルギを利用して開弁することができる。

第三スプリング２１２の付勢力Ｆｚよりも第一スプリング２１０の付勢力Ｆｓの方が大きくなるようにスプリングが配置されるため、コイル１０８への通電がない状態では、弁体１０１とシート部材１０２（弁座）は当接するように構成されている。

可動子群２００は、外側の第一可動子２０１と内側の第二可動子２０２に分割されており、第一可動子２０１は、第二可動子２０２を内包するように構成されている。第一可動子２０１の第一対向面２０１ａに対して第二可動子２０２の第二対向面２０２ａが内径側に配置される。逆に言うと、第二可動子２０２の第二対向面２０２ａに対して第一可動子２０１の第一対向面２０１ａが外径側に配置されるように構成される。つまり、第二可動子２０２の第二対向面２０２ａの内径よりも第一可動子２０１の第一対向面２０１ａの外径が小さく、第一可動子２０１の第一対向面２０１ａの全体が第二可動子２０２の第二対向面２０２ａの内径側に配置される。

第一可動子２０１の内周部２０１ｂは、軸１００ａ（弁体軸）と直交する方向において、第二可動子２０２の外周部２０２ｂと対向するように構成される。つまり、第一可動子２０１の内周部２０１ｂは、水平方向（図５の左右方向）において、第二可動子２０２の外周部２０２ｂと対向するように構成される。なお、第一可動子２０１と第二可動子２０２とは別体で独立して動作するため、第一可動子２０１の内周部２０１ｂと第二可動子２０２の外周部２０２ｂとは水平方向において隙間を有して配置される。

そして、軸１００ａの方向（図６の上下方向）において、第一可動子２０１の上流側端面２０１ｅが第二可動子２０２の下流側端面２０２ｅと対向するように構成されている。
なお、図６に示すように何れの可動子も動作していない閉弁状態において、第一可動子２０１の上流側端面２０１ｅと第二可動子２０２の下流側端面２０２ｅとは互いに接触するように構成されている。

第一可動子２０１は内径側に下流側へ向かって凹む凹み部２０１ｃが形成されており、凹み部２０１ｃの内部に第二可動子２０２が内包されていている。つまり、第一可動子２０１の凹み部２０１ｃは、外径側に形成された第一対向面２０１ａに対して内径側において、第一対向面２０１ａから下流側へ向かって凹むように形成される。

そして、第二可動子２０２が凹み部２０１ｃの内部に配置される。具体的には図６に示すように何れの可動子も動作していない閉弁状態において、第一可動子２０１の第一対向面２０１ａが第二可動子２０２の第二対向面２０２ａよりも上流側に位置する。したがって、第二可動子２０２の全体が第一可動子２０１の凹み部２０１ｃの内部に位置するように構成される。

図４、５に示すように、第一可動子２０１と第二可動子２０２の軸１００ａ方向の長さ関係は、第二可動子２０２の軸方向最大長さＬ３が、第一可動子２０１の凹み部２０１ｃの軸方向最大長さＬ４（深さ）に対して長くなるように構成される。そのため、図６に示すように、コイル１０８が非通電状態においては、第一可動子２０１の距離Ｌ４と第二可動子２０２の距離Ｌ３の差である空隙ｇ３が形成され、第一可動子２０１の第一対向面２０１ａと磁気コア１０７の下流側端面１０７ａ（衝突面）の間には、空隙ｇ２が形成される。

第一可動子２０１は、第二可動子２０２と係合する第一係合部（上流側端面２０１ｅ）を有している。第一可動子２０１が上流側に移動した場合に第一係合部（上流側端面２０１ｅ）により第一可動子２０１と第二可動子２０２とが係合することで、第二可動子２０２とつば部下面１０１ａ＿ｃとが係合し、これにより弁体１０１を上流側（開弁方向）に移動させる。

これらの構成により、第一可動子２０１に働く磁気的な吸引力は、第二可動子２０２を介して、第二可動子２０２に働く磁気的な吸引力はつば部下面１０１ａ＿ｃ（つば接触面）を介して、それぞれ弁体１０１を駆 動する。

ここで、第一可動子２０１は、磁気コア１０７に吸引される。図６に示すように、第二可動子２０２は、第一可動子２０１と別体で構成され、第一可動子２０１よりも内径側において磁気コア１０７に吸引される。

第一可動子２０１および第二可動子２０２は、移動した際に生ずる流体力を低減するため、それぞれ第一燃料通路孔２０１ｄ、第二燃料通路孔２０２ｄを有している。第一燃料通路孔２０１ｄ、第二燃料通路孔２０２ｄの孔部の軸１００ａの垂直方向における面積は、第一可動子２０１（外径側可動子）および第二可動子２０２（内径側可動子）が動作する際の排除体積による流体力を緩和するのに十分な面積を有している。

第一燃料通路孔２０１ｄの水平方向面積は、第二燃料通路孔２０２ｄの水平方向面積に対して大きいことが望ましい。また、図示されていないが、十分な面積を確保するために、それぞれの第一燃料通路孔２０１ｄ、第二燃料通路孔２０２ｄは複数、均等に形成されることが望ましい。

また磁気コア１０７の下流側端面１０７ａにおける内周部の最小内径Ｄ１よりも、第二可動子２０２の第二対向面２０２ａ（上流側端面）における外周部２０２ｂの外径Ｄ２０２の方が大きくなるように構成されている。そのため、コイル１０８へ通電されると、内径側に吸引面が形成される第二可動子２０２と磁気コア１０７との間の空隙、また外径側に吸引面が形成される第一可動子２０１と磁気コア１０７との間の空隙に磁束が発生し、磁気吸引力が生ずる構成となっている。

次に図６〜図８を参考にして、コイル１０８に駆動電流が供給された場合の各部材の動作について説明する。

図６に示すように、コイル１０８が非通電の状態においては、第一スプリング２１０によりスリーブ１１７（係合部材）が付勢されることで弁体１０１の弁体シート部１０１ｂがシート部材１０２のシート部１１５が接触して閉弁状態となる。

図６の状態より、コイル１０８に駆動電流が供給されると、磁気コア１０７、ヨーク１０９、第一可動子２０１と第二可動子２０２に磁束が生じ磁気回路が形成される。これにより、磁気コア１０７と第一可動子２０１との間および磁気コア１０７と第二可動子２０２との間に磁気吸引力が発生する。

式（１）に示すように、第一可動子２０１と磁気コア１０７の間に作用する磁気吸引力Ｆｉと第二可動子２０２と磁気コア１０７の間に作用する磁気吸引力Ｆｏの和が、第二スプリング２１１の付勢力Ｆｍと第三スプリング２１２の付勢力Ｆｚの差よりも大きくなると、第一可動子２０１と第二可動子２０２は、磁気コア１０７側に吸引され、運動を開始する。

スペーサ２１３によって予め設けられた弁体１０１のつば部１０１ａと内径側の第二可動子２０２間の空隙ｇ１分だけ、第一可動子２０１および第二可動子２０２が変位すると、磁気コア１０７の下流側端面１０７ａと第二可動子２０２の第二対向面２０２ａとの間に設けられた空隙が図６においてｇ２であったのが、図７においてはｇ２’にまで減少する。なお、ｇ２’−ｇ２＝ｇ１の関係となる。また、空隙ｇ２’は、第二可動子２０２の第二対向面２０２ａがつば部１０１ａと衝突した状態において、第一可動子２０１の第一対向面２０１ａと磁気コア１０７の下流側端面１０７ａとの間のクリアランスであるということができる。

図７においては内径側の第二可動子２０２の第二対向面２０２ａが、つば部１０１ａのつば部下面１０１ａ＿ｃ（つば接触面）と衝突する。この空隙ｇ１のことを予備ストロークと定義する。この空隙ｇ１により、第一可動子２０１ならびに第二可動子２０２に蓄えられた運動エネルギが、弁体１０１の開弁動作に使用されるため、運動エネルギを利用した分、開弁動作の応答性を向上し、ひいては高い燃料圧力下でも開弁することが可能となる。なお、予備ストロークを確保するためには、図６の閉弁時の状態において、空隙ｇ２ ＞空隙ｇ１とする必要がある。

ここで、つば部１０１ａは、開弁状態において第二可動子２０２と接触し、つば部１０１ａとスペーサ２１３の円盤状部２１３＿２との間に軸方向の隙間（空隙ｇ１）が形成される。スペーサ２１３の運動エネルギにより、閉弁の応答性が向上する。

コイル１０８への通電を継続し、空隙ｇ２’だけ図７の状態からさらに、可動子群２００が変位すると、図８に示す状態となる。図８においては、外径側の第一可動子２０１の変位は、磁気コア１０７の下流側端面１０７ａにより規制されている。

図１０は、本実施例において、（ａ）小ストローク時の駆動電流波形と弁体変位を示し、（ｂ）大ストローク時の駆動電流波形と弁体変位を示す。なお、ピーク電流４０１、４０４は開弁するために用いられ、保持電流４０２、４０５は、開弁を保持するために用いられる。

まず、図１０（ａ）に示すように、コイル１０８へ供給する駆動電流のピーク電流４０１を設定値よりも小さくした場合について説明する。

この場合、以下の式（２）の力の関係、すなわち第二可動子２０２の磁気吸引力Ｆｉと第一可動子２０１の磁気吸引力Ｆｏの和の方が、弁体１０１に作用する流体による差圧力Ｆｐと第一スプリング２１０による付勢力Ｆｓとの和よりも大きくなる条件を満たす。また、以下の式（３）の力の関係、すなわち第二可動子２０２の磁気吸引力Ｆｉが、弁体１０１に作用する流体による差圧力Ｆｐと第一スプリング２１０による付勢力Ｆｓとの和よりも小さくなる条件を満たすようにする。

したがって、図１０（ａ）の電流波形の場合に上記の式（２）、式（３）を満たすようにすることで、図８に示すように、第一可動子２０１の第一対向面２０１ａと磁気コア１０７の下流側端面１０７ａとの間の空隙（図６のｇ２）がなくなり、第二可動子２０２の第二対向面２０２ａと磁気コア１０７の下流側端面１０７ａとの間の空隙ｇ３のみが残留する。つまり、式（２）により、第一可動子２０１の磁気吸引力Ｆｏを受けて、弁体１０１は変位するが、式（３）により第二可動子２０２の磁気吸引力Ｆｉのみでは、弁体１０１を変位させることができず、第二可動子２０２の第二対向面２０２ａと磁気コア１０７の下流側端面１０７ａとの間の空隙ｇ３を残留させた状態で、支持される。

図８の状態（小ストローク状態）から、図１０（ａ）に示すようにコイル１０８への駆動電流をピーク電流から、遮断する、あるいはピーク電流よりも低い中間電流に下げることにより、磁気コア１０７と外径側の第一可動子２０１及び内径側の第二可動子２０２との間に生じている磁束が消失する、あるいは小さくなる。

これにより磁束が小さくなることで、これらの間の磁気吸引力が第一スプリング２１０の付勢力と弁体１０１に作用する流体力よりも小さくなると、外径側の第一可動子２０１及び内径側の第二可動子２０２は下流側への変位を開始する。すると、これに伴って弁体１０１は閉弁動作を開始し、その後、弁体１０１の弁体シート部１０１ｂとシート部材１０２のシート部１１５とが衝突し、閉弁する。

したがって、図１０（ａ）の電流波形の場合には、図１０（ａ）の下図に示すように、弁体１０１は、第一可動子２０１の第一対向面２０１ａと磁気コア１０７の下流側端面１０７ａとの間に設けられた弁体変位の分だけ変位する。なお、この弁体変位は図７に示した空隙ｇ２’に相当する。

第一可動子２０１の変位は、磁気コア１０７の下流側端面１０７ａ、あるいは磁気コア１０７とは別の部材に衝突することによって第一可動子２０１の軸方向における移動が規制される。これにより、弁体１０１の変位量が安定するため、安定した噴射量を供給することができる。

一方、図１０（ｂ）に示すように、コイル１０８へ供給する駆動電流のピーク電流４０４を予め設定した設定値よりも大きくした場合について説明する。つまり、図１０（ａ）の小ストロークの場合のピーク電流４０１に対して、大ストロークにて弁体１０１を駆動する場合には、ピーク電流４０４を大きくする。この場合、式（４）に示すように内径側の第二可動子２０２の磁気吸引力Ｆｉが、弁体１０１に作用する流体による差圧力Ｆｐと第一スプリング２１０による付勢力Ｆｓとの和よりも大きくなるようにする。

これにより図９に示すように、内径側の第二可動子２０２が図８において磁気コア１０７の下流側端面１０７ａと第二可動子２０２の第二対向面２０２ａとの間に設けられた空隙ｇ３の分だけ上流方向に変位する。つまり、空隙ｇ３は第一可動子２０１の第一対向面２０１ａが磁気コア１０７の下流側端面１０７ａに衝突した状態において、第二可動子２０２の第二対向面２０２ａと磁気コア１０７の下流側端面１０７ａとの間のクリアランスであると言える。結果、第二可動子２０２は、図７の状態からさらに弁体１０１を空隙ｇ３の分だけ引き上げるため、弁体１０１は、合計して空隙ｇ２’と空隙ｇ３の和だけ変位する。この変位を大ストロークと呼ぶ。

なお、第二可動子２０２の変位は、磁気コア１０７、あるいは磁気コア１０７とは別の固定部材に衝突することによって規制される。そのため、弁体１０１の挙動が安定するので、安定した噴射量を供給することができる。

大ストロークとなった図９の状態より、コイル１０８への駆動電流をピーク電流４０４から遮断する、あるいはピーク電流４０４よりも小さい中間電流に低下させる。これにより内径側の第二可動子２０２と磁気コア１０７との間に生じている磁束が消失する、あるいは低減する。そして、これらの間の磁気吸引力が第一スプリング２１０の付勢力と弁体１０１に作用する流体力よりも小さくなると、第二可動子２０２は下流側へ変位する。

磁束は内径側の第二可動子２０２より消失を開始するのに加え、流体力と第一スプリング２１０による付勢力により、第二可動子２０２の方が第一可動子２０１に比べて早く閉弁動作に移行する。その結果、内径側の第二可動子２０２は、第一可動子２０１の上流側端面２０１ｅと第二可動子２０２の下流側端面２０２ｅとの空隙ｇ３だけ、下流側へ変位し、第一可動子２０１の上流側端面２０１ｅと衝突する。第二可動子２０２との衝突によって第一可動子２０１も下流側に変位する。

これらの運動に伴って、弁体１０１は閉弁動作を開始し、その後、弁体シート部１０１ｂがシート部材１０２のシート部１１５と衝突し、閉弁する。結果として、図１０（ｂ）に示すように、弁体１０１は大ストロークとなり、その変位量は４０６に示すようになる。この変位量である弁体変位４０６は空隙ｇ２’と空隙ｇ３との和に相当する。

本実施例では、燃料噴射弁１００のコイル１０８に供給する駆動電流により、弁体１０１の変位を図１０（ａ）の小ストロークと、図１０（ｂ）の大ストロークとで切り替え可能にする。そして閉弁状態において、第二可動子２０２の第二対向面２０２ａと磁気コア１０７との第一クリアランス（空隙ｇ２’＋空隙ｇ３、又は空隙ｇ２＋空隙ｇ３）が第一可動子２０１の第一対向面２０１ａと磁気コア１０７との第二クリアランス（空隙ｇ２’、又は空隙ｇ２）に対して大きくなるように構成されている。

ここで、空隙ｇ１は、図６に示すように、閉弁状態での第二可動子２０２の第二対向面２０２ａと弁体１０１のつば部１０１ａとの間のクリアランスと定義される。また、空隙ｇ２は、図６に示すように、閉弁状態での第一可動子２０１の第一対向面２０１ａと磁気コア１０７の下流側端面１０７ａとの間のクリアランスと定義される。また空隙ｇ３は、図８に示すように、第一可動子２０１の第一対向面２０１ａが磁気コア１０７の下流側端面１０７ａに衝突した状態において、第二可動子２０２の第二対向面２０２ａと磁気コア１０７の下流側端面１０７ａとの間のクリアランスと定義される。

ここで、上記のように駆動電流により、弁体１０１の変位を図１０（ａ）の小ストロークと、図１０（ｂ）の大ストロークとで切り替える場合に空隙ｇ３＞空隙ｇ２とすることが望ましい。空隙ｇ２は、燃料噴射弁１００を組み立てる際に、弁体の変位の調整を行うため、精度良く、その空隙（ストローク）を設定することが可能である。本実施例においては、弁体１０１が押し付けられるシート部材１０２をノズルホルダ１１１に圧入する際に、この圧入量を調整することにより、空隙ｇ２’のストローク量の調整をおこなっている。なお、本実施例では、シート部材１０２とノズルホルダ１１１との圧入量を調整しているが、これに限定されるわけではない。

一方で、空隙ｇ３は、図８に示すように、第一可動子２０１の第一対向面２０１ａが磁気コア１０７の下流側端面１０７ａに衝突した状態において、第二可動子２０２の第二対向面２０２ａと磁気コア１０７の下流側端面１０７ａとの間のクリアランスであるため、空隙ｇ２’のようにストローク量の調整ができない。よって、ここの大ストローク量を決める空隙ｇ３は、部品公差を考慮して大きめにしておくことが望ましい。本実施例では、空隙ｇ２’と予備ストローク量を決定する空隙ｇ１がほぼ同一か、空隙ｇ３＞空隙ｇ１となるように設定している。

このように可動子群２００を第一可動子２０１と、第二可動子２０２に分割し、コイル１０８へ供給する駆動電流を変えることで、弁体１０１の変位を可変にすることが可能である。図１０で示したように必要な流量に応じて電流波形を変えることで、大ストロークでの弁体変位４０６による噴射量特性と小ストロークでの弁体変位４０３による噴射量特性が得られる。したがって、必要な流量が大きい場合には、大ストロークでの噴射量特性を使い、逆に必要な流量が小さい場合には、小ストロークでの噴射量特性を使うことで、内燃機関の燃焼に必要となる最適な燃料噴射量を安定して供給することが可能となる。

本実施例においては、吸入空気量、内燃機関回転数、燃料噴射圧力、アクセル開度をセンシングし、その閾値によって、燃料噴射弁のコイル１０８に供給する駆動電流の電流波形を切り替えることとした。しかし本発明はこれに限定されるわけではなく、他の情報を用いて必要に応じて切り替えることで同様の効果が得られる。

次に、燃料噴射弁の組立方法を説明する。図１１は、本発明の実施例に係る燃料噴射弁の組立方法（製造方法）のフローチャートである。

まず、事前組立を行う（Ｓ１０）。詳細には、弁体１０１、スペーサ２１３、第二スプリング２１１、スリーブ１１７、第一スプリング２１０、アジャスタピン１１８を除く部品を従来と同様に組み立てる。

Ｓ１０で組み立てられたアセンブリの内部を洗浄する（Ｓ１５）。これにより樹脂片、金属片等の異物を排出することができる。つば部１０１ａを有する弁体１０１の根元（頭部）をスペーサ２１３の孔に挿通する（Ｓ２０）。弁体１０１の根元を第二スプリング２１１に挿通する（Ｓ２５）。つば状の形状を有するスリーブ１１７を弁体１０１の根元に係合させる（Ｓ３０）。

弁体１０１、スペーサ２１３、第二スプリング２１１、及びスリーブ１１７から構成される弁体アセンブリ（アセンブリ）を磁気コア１０７の燃料供給口１１２（孔）に挿入する（Ｓ３５）。第一スプリング２１０を磁気コア１０７の燃料供給口１１２（孔）に挿入する（Ｓ４０）。アジャスタピン１１８を燃料供給口１１２（孔）に係合させる（Ｓ４５）。

これにより、異物排出性がよくなり、耐コンタミネーションを向上することができる。

以上の通り本実施例によれば、複数のストロークを構成することで、燃料噴射量の制御範囲が広くなる。また閉弁状態において弁体もしくは、弁体に係合されている部品と可動子の間に設けられた空隙によって、弁体を大小の二段でストロークさせることを可能としつつ、かつ、その際の噴射流量を精度よく制御可能な燃料噴射弁を提供することが可能となる。また、可動子の運動エネルギを開弁動作に利用でき、内燃機関の広い運転領域で最適な燃料噴射を実現する事ができる。

このように、本実施形態によれば、弁体を大小の二段でストロークさせることを可能としつつ、かつ、開弁動作の応答性を向上することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

例えば、本発明の実施例は、以下の態様であってもよい。

（１）．磁気コア１０７に吸引される第一可動子２０１と、前記第一可動子２０１と別体で構成され、前記第一可動子２０１よりも内径側において前記磁気コア１０７に吸引される第二可動子２０２と、閉弁状態において弁体１０１及び前記第二可動子２０２と係合することで前記弁体１０１と前記第二可動子２０２との間に軸方向隙間を形成するスペーサ２１３と、を備えた燃料噴射弁。

（２）．前記スペーサ２１３の最外径部（最外径Ｄ３）及び前記弁体１０１の最外径部（最外径Ｄ２）が前記磁気コア１０７の最内径部（最小内径Ｄ１）よりも内径側に位置するように構成された燃料噴射弁。

（３）．前記弁体１０１を閉弁方向に付勢する第一ばね（第一スプリング２１０）と、前記弁体１０１又は前記弁体１０１と一体の別部材に支持され前記スペーサ２１３を前記第二可動子２０２に向かって付勢する第二ばね（第二スプリング２１１）とを備えた燃料噴射弁。

（４）．前記弁体１０１は、前記第一可動子２０１の内径側に設けられた第一挿入孔及び前記第二可動子２０２の内径側に設けられた第二挿入孔に挿入され、前記第二挿入孔の外径側の可動子係合部２０２ｈが弁体係合部（つば部１０１ａ）と係合することで前記弁体１０１を開弁方向に動作させる燃料噴射弁。

（５）．前記弁体係合部（つば部１０１ａ）の最外径部が前記磁気コア１０７の最内径部（最小内径Ｄ１）よりも内径側に位置するように構成された燃料噴射弁。

１００…燃料噴射弁
１００ａ…軸
１０１…弁体
１０１ａ…つば部
１０１ａ＿ａ…つば部上面
１０１ａ＿ｂ…つば部摺動面
１０１ａ＿ｃ…つば部下面
１０１ｂ…弁体シート部
１０２…シート部材
１０５…端子
１０６…コネクタモールド
１０７…磁気コア
１０７ａ…下流側端面
１０８…コイル
１０９…ヨーク
１１１…ノズルホルダ
１１１ａ…収容部
１１１ｂ…第三スプリング受け面
１１２…燃料供給口
１１２ａ…燃料入口面
１１５…シート部
１１６…燃料噴射孔
１１７…スリーブ
１１７ａ…第一スプリング受け面
１１７ｂ…第二スプリング受け面
１１８…アジャスタピン
１２２…通信ライン
１２３…信号線
２００…可動子群
２０１…第一可動子
２０１ａ…第一対向面
２０１ｂ…内周部
２０１ｃ…凹み部
２０１ｄ…第一燃料通路孔
２０１ｅ…上流側端面
２０２…第二可動子
２０２ａ…第二対向面
２０２ｂ…外周部
２０２ｄ…第二燃料通路孔
２０２ｅ…下流側端面
２１０…第一スプリング
２１１…第二スプリング
２１２…第三スプリング
２１３…スペーサ
２１３ａ…スペーサ接触面
２１３ｂ…スペーサ摺動面
２１３ｃ…スペーサ下面
４０１…ピーク電流
４０３…弁体変位
４０４…ピーク電流
４０６…弁体変位

Claims (14)

1. 磁気コアに吸引される第一可動子と、
   前記第一可動子と別体で構成され、前記第一可動子よりも内径側において前記磁気コアに吸引される第二可動子と、
   前記第二可動子よりも上流側につば部を有する弁体と、
   閉弁状態において前記つば部と前記第二可動子との間に軸方向の隙間を形成するスペーサと、を備える燃料噴射弁であって、
   前記第一可動子の質量と前記第二可動子の質量は、同等であることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 請求項１に記載の燃料噴射弁であって、
   前記弁体の最外径は、
   前記磁気コアの内径より小さく、
   前記スペーサの最外径は、
   前記磁気コアの内径より小さい
   ことを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項１に記載の燃料噴射弁であって、
   前記弁体は、
   前記つば部よりも上流側にスリーブを有し、
   前記スペーサは、
   前記スリーブと前記つば部の間に配置される
   ことを特徴とする燃料噴射弁。
4. 請求項３に記載の燃料噴射弁であって、
   前記スリーブを閉弁方向に付勢する第一スプリングと、
   前記スリーブと前記スペーサの間に配置され、前記スペーサを前記つば部へ向けて付勢する第二スプリングと、を備える
   ことを特徴とする燃料噴射弁。
5. 請求項１に記載の燃料噴射弁であって、
   前記スペーサは、
   筒状部と、
   前記筒状部の上流側に位置し、孔を有する円盤状部と、から構成される
   ことを特徴とする燃料噴射弁。
6. 請求項５に記載の燃料噴射弁であって、
   前記筒状部は、
   閉弁状態において前記第二可動子と接触する
   ことを特徴とする燃料噴射弁。
7. 請求項６に記載の燃料噴射弁であって、
   前記つば部は、
   開弁状態において前記第二可動子と接触し、
   前記つば部と前記円盤状部との間に軸方向の隙間が形成される
   ことを特徴とする燃料噴射弁。
8. 請求項１に記載の燃料噴射弁であって、
   閉弁状態において前記つば部と前記第二可動子との間の軸方向の隙間は、
   10〜100umである
   ことを特徴とする燃料噴射弁。
9. 請求項１に記載の燃料噴射弁であって、
   閉弁状態において前記第一可動子と前記磁気コアとの間の軸方向の隙間は、
   20um〜190umである
   ことを特徴とする燃料噴射弁。
10. 請求項１に記載の燃料噴射弁であって、
    閉弁状態において前記第二可動子と前記磁気コアとの間の軸方向の隙間は、
    30um〜200umである
    ことを特徴とする燃料噴射弁。
11. 磁気コアに吸引される第一可動子と、
    前記第一可動子と別体で構成され、前記第一可動子よりも内径側において前記磁気コアに吸引される第二可動子と、
    前記第二可動子よりも上流側につば部を有する弁体と、
    閉弁状態において前記つば部と前記第二可動子との間に軸方向の隙間を形成するスペーサと、を備える燃料噴射弁であって、
    前記磁気コアと当接する前記第一可動子の部分の面積を示す第一吸引面積よりも、前記磁気コアと当接する前記第二可動子の部分の面積を示す第二吸引面積の方が大きい
    ことを特徴とする燃料噴射弁。
12. 請求項２に記載の燃料噴射弁であって、
    前記つば部の外径は、
    前記磁気コアの内径より小さい
    ことを特徴とする燃料噴射弁。
13. 請求項３に記載の燃料噴射弁であって、
    前記スリーブは、
    つば状の形状を有する
    ことを特徴とする燃料噴射弁。
14. 請求項１に記載の燃料噴射弁の組立方法であって、
    つば部を有する前記弁体の根元を前記スペーサの孔に挿通する工程と、
    前記弁体の根元をスプリングに挿通する工程と、
    つば状の形状を有するスリーブを弁体の根元に係合させる工程と、
    前記弁体、前記スペーサ、前記スプリング、及び前記スリーブから構成されるアセンブリを磁気コアの孔に挿入する工程と、
    を有する燃料噴射弁の組立方法。

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