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JP2006066885A - 燃料噴射弁 - Google Patents

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Abstract

【課題】 開弁応答性に優れた小型の燃料噴射弁を提供する。
【解決手段】 燃料噴射弁のコイル44の巻線45は横断面形状が長方形である。コイル44は、巻線45の横断面における長辺をコイル44の中心軸60に沿わせて巻線45を巻回することにより形成されている。巻線45の横断面における短辺の長さをa、長辺の長さをbとすると、1.l≦b/a≦25の範囲に設定されている。中心軸60方向のコイル44の長さをL、中心軸60から見て一方の半径方向のコイル44の厚みをtとすると、2≦L/t≦30の範囲に設定されている。また、燃料噴射弁のコイル44を巻回している箇所の外径をDとすると、0.9≦D/L≦2の範囲に設定されている。
【選択図】 図1

Description

本発明は内燃機関(以下、エンジンという)用の燃料噴射弁に関する。
コイルに通電することにより固定コアに可動コアを吸引する磁力を発生し、可動コアとともに往復移動する弁部材が噴孔からの燃料噴射を断続する燃料噴射弁が知られている。このような燃料噴射弁では、開弁応答性または閉弁応答性を向上することにより、微少量の燃料を噴射する場合にも高精度に燃料噴射量を制御することが要求されている。例えば特許文献1では、燃料噴射弁の磁気回路を構成する部材の寸法、または部材同士の距離を規定することにより、開弁応答性および閉弁応答性を向上しようとしている。
特開2002−48031号公報
しかしながら、特許文献1のような従来の燃料噴射弁では、図10に示す燃料噴射弁200と同様に、コイル220を構成する巻線222の横断面形状は円形である。このような円形の巻線222を巻回してコイル220を構成すると、巻線222同士の間に隙間230が形成されるので、巻線222の占積率が低くなる。ここで占積率とは、コイルが占める空間に対して巻線が占める空間の比率を表す。したがって、占積率が低いことは、巻線同士の間に形成される隙間が広いことを意味している。コイル220の内径が同じ場合、占積率が低くなるとコイル220の外径または軸長が増加するので、コイル220が発生する磁束の流れる磁路長が長くなる。その結果、磁束が漏れやすくなるので、弁部材202とともに往復移動する可動コア210を固定コア212に吸引する磁力が低下し、開弁応答性を向上することが困難である。
また、コイル220の外径または軸長が増加すると燃料噴射弁200を小型化することが困難である。
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、開弁応答性に優れた小型の燃料噴射弁を提供することを目的とする。
請求項1から12のいずれか一項記載の発明では、コイルの巻線の横断面形状が多角形であるから、巻線を巻回したとき、横断面形状が円形の巻線に比べて巻線同士の間に生じる隙間が小さくなり、巻線の占積率が高くなる。その結果、同じ巻数で比較したとき、横断面形状が円形の巻線よりも横断面形状が多角形の巻線で巻回した方がコイルの外径または軸長の少なくとも一方が小さくなる。したがって、燃料噴射弁を小型化できる。これにより、コイルが発生する磁束の通る磁路長が短くなるので、磁束の漏れ量が減少し、固定コアに可動コアを吸引する磁力が大きくなる。したがって、燃料噴射弁の開弁応答性が向上する。
また、コイルの外径または軸長の少なくとも一方が小さくなるので、燃料噴射弁を小型化できる。これにより、狭い設置スペースに燃料噴射弁を設置可能になる。
請求項2から6のいずれか一項記載の発明では、巻線の横断面形状は矩形であるから、巻線同士の間に隙間が生じにくくなる。したがって、巻線の占積率が高くなり、燃料噴射弁を小型化できる。これにより、コイルが発生する磁束の通る磁路長が短くなるので、燃料噴射弁の開弁応答性が向上する。
請求項4記載の発明では、横断面形状が長方形の巻線の横断面における長辺をコイルの中心軸に沿わせて巻線を巻回するので、短辺を中心軸に沿わせるよりも巻線の巻崩れ等が起こりにくい。したがって、巻線を容易に巻回できる。
巻線の横断面形状を長方形にし、請求項5のように巻線の長辺の長さbと短辺の長さaとの比率を、1.l≦b/a≦25の広範囲に設定することにより、異なる形状の種々の燃料噴射弁に合わせて、最適な縦横比率の巻線を使用できる。
請求項6記載の発明では、巻線の横断面における長辺と短辺との比率を調整することにより、コイルの軸方向の長さLと径方向の厚みtとの比率を、2≦L/t≦30の広範囲に設定できる。ここで、コイルの径方向の厚みは、コイルの中心軸から見て、一方の半径方向のコイルの厚みを表している。
また、巻線の横断面形状を多角形にすることによりコイルを小径化し、請求項7記載の発明のように、コイルを巻回している箇所の燃料噴射弁の径Dとコイルの軸長Lとの比率(D/L)を2以下に設定できる。コイルの内周側に設置される部材の外径、つまりコイルの内径が変化しない場合、D/Lの最小値はほぼ0.9である。
ところで、巻線の横断面形状を多角形にし、巻線同士の間に生じる隙間を小さくしたコイルにおいては、コイルの巻線の巻き乱れにより多角形である巻線の角部同士、または巻線の角部と巻線の面部とが接触して干渉し、巻線皮膜が破壊されて巻線同士が短絡する恐れがある。
そこで請求項9記載の発明では、スプールの両係止部のうちコイルの巻回開始側に周方向に沿って筒部の外周面に巻線を案内する案内溝を設けているので、巻線の巻回開始端を周方向に沿わせながら筒部の外周面に巻回できる。これにより、巻回開始箇所での巻線の干渉および重なりを防止できるので、巻回開始箇所での巻線の巻き乱れを防止できる。したがって、巻線同士の短絡を防止できる。
請求項10記載の発明では、スプールの両係止部のうち少なくとも一方のコイルと接する側面は、径方向外側から径方向内側に向かうにしたがいコイル側に傾斜している。この構成によれば、係止部の傾斜した側面に沿って巻線が巻回されるので、側面を傾斜させた係止部において巻線の巻回位置のばらつきを防止し、巻線の巻き乱れを防止できる。
請求項11記載の発明では、筒部の外周面に両係止部の一方から他方に向けて巻線を巻回方向に案内する巻回溝を設けているので、巻回溝に案内されながら巻線を巻回できる。これにより、筒部の外周面に接する巻線の巻き乱れを防止できるので、以後の巻線の巻き乱れを防止できる。したがって、巻線同士の短絡を防止できる。
請求項12記載の発明では、巻回溝の横断面形状が巻線の頂角形状と一致しているので、巻回溝内での巻線の傾きを防止できる。また、例えば、横断面形状が正方形および長方形の巻線の場合、巻回溝に沿って巻回した1層の巻線の外周側に巻回溝と同形状の溝がさらに形成される。したがって、各層の巻線の巻き乱れを防止できる。
以下、本発明の複数の実施形態を図に基づいて説明する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による燃料噴射弁を図2に示す。燃料噴射弁10は、ガソリンエンジン用の燃料噴射弁である。筒部材12は磁性部材と非磁性部材とからなる円筒状に形成されている。筒部材12には燃料通路100が形成されており、この燃料通路100に、弁ボディ16、弁部材20、可動コア22、固定コア30、アジャスティングパイプ32および付勢部材としてのスプリング34等が収容されている。筒部材12の燃料入口側には、燃料フィルタ54が設置されている。
筒部材12は、図2において下方の弁ボディ16側から第1磁性部材13、磁気抵抗部材としての非磁性部材14、第2磁性部材15をこの順で有している。第1磁性部材13と非磁性部材14、ならびに非磁性部材14と第2磁性部材15とは溶接により結合している。溶接は例えばレーザ溶接により行う。非磁性部材14は第1磁性部材13と第2磁性部材15との間で磁束が短絡することを防ぐ。第1磁性部材13の噴孔側内部に弁ボディ16が溶接により固定されている。弁ボディ16は内周壁に弁部材20が着座可能な弁座17を有している。カップ状の噴孔プレート18は弁ボディ16の外周壁に溶接により固定されている。噴孔プレート18は薄板状に形成されており、中央部に複数の噴孔18aが形成されている。
弁部材20は有底円筒状の中空であり、弁部材20の底側に当接部21が形成されている。当接部21は弁ボディ16に形成されている弁座17に着座可能である。当接部21が弁座17に着座すると、噴孔18aが閉塞され燃料噴射が遮断される。弁部材20の弁ボディ16と反対側に可動コア22が溶接等により固定されている。当接部21の上流側に弁部材20の側壁を貫通する燃料孔20aが複数形成されている。弁部材20内に流入した燃料は、燃料孔20aを内から外に通過し、当接部21と弁座17とが形成する弁部に向かう。
固定コア30は円筒状に形成されており、筒部材12の非磁性部材14および第2磁性部材15の内部に収容され、溶接または圧入により筒部材12に固定されている。固定コア30は可動コア22に対し弁部材20の往復移動方向の一方側である弁ボディ16と反対側に設置され可動コア22と向き合っている。固定コア30の可動コア22と向き合う対向面に非磁性材が塗布されている。
スプリング34は、アジャスティングパイプ32に一端を係止され、他端を可動コア22に係止されている。スプリング34は、弁部材20が弁座17に着座する方向、つまり弁部材20の往復移動方向の他方側に可動コア22および弁部材20を付勢している。
磁性部材40はコイル44の外周側に設置されており、第1磁性部材13と第2磁性部材15とを磁気的に接続している。固定コア30、可動コア22、第1磁性部材13、磁性部材40および第2磁性部材15は磁気回路を構成している。
コイル44を巻回しているスプール42は筒部材12の外周に取付けられている。樹脂ハウジング50は筒部材12およびコイル44の外周を覆っている。ターミナル52は樹脂ハウジングに埋設されており、コイル44と電気的に接続している。
図1に示すように、コイル44の巻線45は横断面形状が長方形である。コイル44は、巻線45の横断面における長辺をコイル44の中心軸60に沿わせて巻線45を巻回することにより形成されている。
巻線45の横断面における短辺の長さをa、長辺の長さをbとすると、1.l≦b/a≦25の範囲に設定されている。また、中心軸60方向のコイル44の長さをL、中心軸60から見て一方の半径方向のコイル44の厚みをtとすると、2≦L/t≦30の範囲に設定されている。また、図2に示すように、燃料噴射弁10のコイル44を巻回している箇所の外径をDとすると、0.9≦D/L≦2の範囲に設定されている。
筒部材12の図2において上方から燃料通路100に流入した燃料は、固定コア30内の燃料通路、可動コア22内の燃料通路、弁部材20内の燃料通路、燃料孔20a、当接部21が弁座17から離座したときに当接部21と弁座17との間に形成される開口を通り、噴孔18aから噴射される。
以上のように構成した燃料噴射弁10において、コイル44への通電がオフされると、スプリング34によって弁部材20が図2の下方、つまり閉弁方向に移動して弁部材20の当接部21が弁座17に着座し、噴孔18aが閉塞され燃料噴射が遮断される。
コイル44への通電をオンすると、固定コア30、可動コア22、第1磁性部材13、磁性部材40および第2磁性部材15からなる磁気回路を磁束が流れ、固定コア30と可動コア22との間に磁気吸引力が発生する。すると、可動コア22とともに弁部材20はスプリング34の付勢力に抗して固定コア30側に移動し、当接部21が弁座17から離座する。これにより、燃料が噴孔18aから噴射される。
第1実施形態では、巻線45の横断面における長辺を中心軸60に沿わせて巻線45を巻回しているので、巻線45の短辺を中心軸60に沿わせる場合に比べ、巻線45の巻き崩れを低減し、巻線45を容易に巻回できる。
また、巻線45の長辺の長さbと短辺の長さaとの比率を、1.l≦b/a≦25の広範囲に設定することにより、異なる形状の種々の燃料噴射弁に、最適な縦横比率(b/a)の巻線を使用できる。
また、巻線45の縦横比率(b/a)を調整することにより、コイル44の軸方向の長さLと径方向の厚みtとの比率を、2≦L/t≦30の広範囲に設定できる。
また、巻線45の横断面形状を長方形にし占積率を高くすることにより、コイル44を小径化している。これにより、コイル44を巻回している箇所の燃料噴射弁10の径Dとコイル44の軸長Lとの比率を小さくし0.9≦D/L≦2の範囲に設定できる。磁路長を短くし、磁束の漏れを極力低減するためには、D/Lがほぼ1であることが望ましい。
(第2実施形態)
図3に示す第2実施形態では、巻線72の短辺をコイル70の軸方向に沿わせて巻線72を巻回している。第2実施形態においても、第1実施形態と同じ巻数において、径方向に重ね巻きする巻線72の層数、および軸方向に巻線72を巻回する列数を調整することにより、巻線72の縦横比(b/a)を1.l≦b/a≦25に設定し、コイル70の軸方向の長さLと径方向の厚みtとの比率(L/t)、コイル70を巻回している箇所の燃料噴射弁の径Dとコイル70の軸長Lとの比率(D/L)を、2≦L/t≦30、0.9≦D/L≦2の範囲に設定できる。
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態を図4および図5に示す。
スプール80は、円筒部82、および係止部84、86を有している。円筒部82の外周にコイルの巻線が巻回される。コイルの巻き方および巻線45(図5参照)の形状は第1実施形態と同一であるが、第2実施形態と同一でもよい。また、巻線の形状は、長方形以外の他の多角形状でもよい。
係止部84、86は円筒部82よりも径方向外側に環状に広がっており、コイルの両端の巻き崩れを防止してる。巻線45の巻回開始側である係止部84には、図4に示すように、周方向に沿って円筒部82の外周面に巻線45を案内する案内溝85が形成されている。図5の(B)に示すように、案内溝85に沿って矢印88のように巻線45を巻回することにより、巻回開始箇所での巻線45の干渉および重なりを防止できるので、巻線45の巻き乱れを防止できる。
第3実施形態のスプール80に対し、図6に示す比較形態のスプール240では、巻線45の巻回開始箇所の係止部242に第3実施形態のような案内溝85を設けず、係止部242から円筒部244の外周面に巻線45を直接巻回している。その結果、巻回開始箇所246で巻線45の干渉または重なりが生じ、巻線45の巻き乱れが生じる恐れがある。巻線45の巻き乱れが生じると、これ以後も巻き乱れ箇所に巻線の巻き乱れが生じやすくなる。第3実施形態や比較形態のように横断面形状が長方形の巻線45を巻回するコイルでは、巻線45の巻き乱れが生じると、長方形の巻線45の角部同士、または巻線45の角部と巻線45の面部とが接触して干渉することより巻線皮膜が破壊され、巻線45の間で短絡する恐れがある。
そこで第3実施形態では、巻回開始側の係止部84に案内溝85を形成したことにより、巻回開始箇所での巻線45の巻き乱れを防止し、巻線同士の短絡を防止できる。
(第4、第5、第6実施形態)
本発明の第4実施形態を図7に、第5実施形態を図8に、第6実施形態を図9に示す。
図7に示す第4実施形態では、横断面形状が正方形の巻線74を用いている。スプール90は、円筒部92、および係止部96、98を有している。円筒部92の外周面には、巻線74の巻回開始側である係止部96から係止部98に向けて巻線74の巻回方向に巻回溝94が螺旋状に形成されている。巻回溝94の横断面形状は、巻線74の一つの頂角形状と一致したV字状を成しており、ほぼ90°の角度に形成されている。また、横断面形状における巻回溝94の2辺のそれぞれの長さは、横断面形状が正方形の巻線74の1辺の長さにほぼ等しい。また、係止部96、98のコイル側の側面97、99は、径方向外側から径方向内側に向けてコイル側に傾斜するテーパ面を成している。
第4実施形態では、巻回溝94に案内されながら巻線74を巻回することにより、円筒部92の外周面と接触する巻線74の傾きのばらつき、および巻き乱れを防止できる。さらに、円筒部92に巻回した1層の巻線74の外周側の形状が巻回溝94の形状と同じになるので、2層目から各層の巻線74においても巻き乱れを防止できる。
また、係止部96、98の傾斜した側面97、99に沿って巻線45が巻回されるので、係止部96、98において巻線45の巻回位置がばらつかない。したがって、係止部96、98における巻線74の巻き乱れを防止できる。
このように係止部96、9および円筒部92において巻線74の巻き乱れを防止することにより、巻線同士の干渉による短絡を防止できる。
図8に示す第5実施形態では、第1実施形態と同様に横断面形状が長方形の巻線45を用いている。スプール110の円筒部112の外周面には、係止部96から係止部98に向けて巻線45の巻回方向に巻回溝114が螺旋状に形成されている。巻回溝114の横断面形状は、巻線45の一つの頂角形状と一致したV字状を成しており、ほほ90°の角度に形成されている。また、横断面形状において巻回溝114の2辺のうち1辺の長さは、横断面形状が長方形の巻線45の長辺の長さにほぼ等しい。そして、巻回溝114の2辺のうち他の1辺の長さは、横断面形状が長方形の巻線45の短辺よりも短くなっている。
このような形状の巻回溝114に巻線45を巻回することにより、円筒部112の外周面と接触する巻線45の傾きのばらつき、および巻き乱れを防止できる。さらに、円筒部112に巻回した1層の巻線45の外周側の形状が巻回溝114の形状と同じになるので、2層目から各層の巻線45においても巻き乱れを防止できる。したがって、巻線同士の短絡を防止できる。
図9に示す第6実施形態では、スプール120の円筒部122の外周面に形成した巻回溝124の形状は、第5実施形態の巻回溝114を反転したものである。
以上説明した上記複数の実施形態では、巻線の横断面形状を正方形または長方形にしたことにより、横断面形状が円形の巻線に比べ巻線同士の間に形成される隙間がほとんどなく、巻線の占積率が向上する。これにより、同じ巻数で比較した場合、コイルの外径または軸長の少なくとも一方が小さくなるので、コイルが発生する磁束の通る磁路長が短くなる。その結果、磁束の漏れ量が低減し、固定コア30に可動コア22を吸引する磁力が増加するので、開弁応答性が向上する。さらに、固定コア30に可動コア22を吸引する磁力が増加することに伴い、開弁応答性を損なわない程度にスプリング34の設定荷重を増加できれば、開弁応答性および閉弁応答性の両方を向上できる。
また、コイルの外径または軸長の少なくとも一方が小さくなることにより燃料噴射弁が小型化するので、狭い設置スペースにも燃料噴射弁を設置可能になる。例えば、吸気管から燃焼室に吸入する吸気抵抗を低減するために、燃焼室に対し吸気ポートを直立させていることにより燃料噴射弁を設置するためのスペースが狭くなっている構成において、横断面形状が長方形の巻線でコイルを巻回することにより、コイルの外径を小さくして燃料噴射弁を小径化すれば、狭いスペースに燃料噴射弁を設置できる。
(他の実施形態)
上記複数の実施形態では、巻線の横断面形状が長方形である場合、巻線の縦横比(b/a)、コイルの軸長Lと径方向の厚みtとの比率(L/t)、コイルを巻回している箇所の燃料噴射弁の径Dとコイルの軸長Lとの比率(D/L)を、それぞれ1.l≦b/a≦25、2≦L/t≦30、0.9≦D/L≦2の範囲に設定したが、巻線の横断面形状が長方形であれば、上記の数値範囲を満たさない巻線、およびコイルの構成を採用してもよい。
また、横断面形状が正方形または長方形の巻線に限らず、例えば横断面形状が三角形、正方形および長方形以外の矩形、またはその他の多角形の巻線を巻回してコイルを形成してもよい。このように、横断面形状が多角形の巻線を用いることにより、横断面形状が円形の巻線に比べ巻線同士の間に形成される隙間が小さくなり、巻線の占積率が高くなる。その結果、燃料噴射弁が小型化し、コイルが発生する磁束の通る磁路長が短くなるので、開弁応答性が向上する。また、巻線の横断面形状が長方形以外の多角形であっても、コイルを巻回している箇所の燃料噴射弁の径Dとコイルの軸長Lとの比率(D/L)を、0.9≦D/L≦2の範囲に設定できる。
上記第4、第5および第6実施形態では、巻回溝94、114、124の横断面形状を巻線の頂角角度と一致したV字状に形成したが、巻回溝が巻線の頂角と嵌合し巻線を巻回方向に案内できるのであれば、V字状の巻回溝の横断面の形成角度は巻線の頂角角度より大きくても、小さくてもよい。また、巻回溝の横断面形状はV字状でなくてもよく、例えば円弧状でもよい。
また上記第4、第5および第6実施形態では、スプールの一方の係止部から他方の係止部に向けて巻回溝を螺旋状に連続して形成することが望ましいが、例えばスプールを樹脂成形する場合の成形型の境界部分において、巻回溝が周方向の一部で途切れた形状となってもよい。
また上記第4、第5および第6実施形態では、スプールの係止部の両方のコイル側の側面を傾斜させたが、一方の係止部の側面だけを傾斜させてもよい。
(A)は本発明の第1実施形態によるコイルを示す模式図であり、(B)はコイルの巻線を示す模式図である。 第1実施形態による燃料噴射弁のコイル周囲を示す断面図である。 第2実施形態によるコイルを示す模式図である。 (A)は第3実施形態によるスプールを示す正面図であり、(B)は(A)のB方向矢視図である。 第3実施形態によるスプールを示す斜視図である。 第3実施形態の比較形態によるスプールを示す斜視図である。 第4実施形態によるスプールを示す断面図である。 第5実施形態によるスプールを示す断面図である。 第6実施形態によるスプールを示す断面図である。 (A)は従来の燃料噴射弁のコイル周囲を示す断面図であり、(B)は従来のコイルを示す模式図である。
符号の説明
10:燃料噴射弁、12:筒部材、16: 弁ボディ、17:弁座、18:噴孔プレート、18a:噴孔、20:弁部材、21:当接部、22:可動コア、30:固定コア、34:スプリング(付勢部材)、44、70:コイル、45、72、74::巻線、80、90、110、120:スプール、82、92、112、122、円筒部、84、86、96、98:係止部、85:案内溝、92、114、124:巻回溝、97、99:側面

Claims (12)

  1. 噴孔を開閉する弁部材と、
    前記弁部材とともに軸方向に往復移動する可動コアと、
    前記可動コアの前記噴孔と反対側に前記可動コアと向き合って設置されている固定コアと、
    通電することにより前記固定コアに前記可動コアを吸引する磁力を発生するコイルとを備え、
    前記コイルの巻線の横断面形状は多角形であることを特徴とする燃料噴射弁。
  2. 前記巻線の横断面形状は矩形であることを特徴とする請求項1記載の燃料噴射弁。
  3. 前記巻線の横断面形状は長方形であることを特徴とする請求項2記載の燃料噴射弁。
  4. 前記巻線の横断面における長辺を前記コイルの中心軸に沿わせて前記巻線を巻回していることを特徴とする請求項3記載の燃料噴射弁。
  5. 前記巻線の横断面において、長辺の長さをb、短辺の長さをaとすると、1.l≦b/a≦25であることを特徴とする請求項3または4記載の燃料噴射弁。
  6. 前記コイルの軸長をL、径方向の厚みをtとすると、2≦L/t≦30であることを特徴とする請求項5記載の燃料噴射弁。
  7. 前記コイルを巻回している箇所の燃料噴射弁の径をD、前記コイルの軸長をLとすると、0.9≦D/L≦2であることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項記載の燃料噴射弁。
  8. 前記コイルを巻回する筒部と、前記筒部の両端に設けられ前記コイルの両端を係止する係止部とを有するスプールをさらに備えることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項記載の燃料噴射弁。
  9. 前記両係止部のうち前記コイルの巻回開始側に、周方向に沿って前記筒部の外周面に前記巻線を案内する案内溝を設けていることを特徴とする請求項8記載の燃料噴射弁。
  10. 前記両係止部の少なくとも一方の前記コイルと接する側面は、径方向外側から径方向内側に向かうにしたがい前記コイル側に傾斜していることを特徴とする請求項8または9記載の燃料噴射弁。
  11. 前記巻線を巻回方向に案内する巻回溝を前記筒部の外周面に前記両係止部の一方から他方に向けて設けていることを特徴とする請求項8から10のいずれか一項記載の燃料噴射弁。
  12. 前記巻回溝の横断面形状は、前記巻線の頂角角度とほぼ一致したV字状を成していることを特徴とする請求項11記載の燃料噴射弁。
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