JP2012246772A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】低噴射量域での噴射量制御精度を向上させる。
【解決手段】ＭＥＭＳにより形成された噴射孔制御機構５を、燃料噴射弁の燃料噴出部に設ける。この噴射孔制御機構５は、内燃機関に燃料を噴出させる複数の噴射孔５２１が形成された基板５２や、噴射孔５２１を各噴射孔５２１毎に独立して開閉する複数の可動電極５３等を備えている。可動電極５３および固定電極５４に通電すると、電磁反発力により、連結板部５３３が変形しつつ弁板部５３２が基板５２の表面上を固定電極５４から遠ざかる向きにスライドして、噴射孔５２１が開かれる。噴射孔５２１を開閉する構成であるため、弁体のストロークを可変制御する形式の燃料噴射弁よりも、燃料流路の面積を精度よく制御することができ、低噴射量域での噴射量制御精度を向上させることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射弁に関するものである。

市場の低燃費志向が進む中、更なる燃費向上のために、低噴射量域での噴射量制御精度を向上させることが要求されている。このような要求に対して、磁気吸引力にて駆動される弁体のストロークを可変制御することにより、燃料流路の面積を変化させて噴射率を制御するようにした燃料噴射弁が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

そして、この燃料噴射弁では、低噴射量域で燃料流路の面積を小さくして噴射率を小さくし、その分噴射時間を長くすることにより、低噴射量域での噴射量制御精度を向上させることが可能となる。

特開２００３−２６９２８９号公報

しかしながら、弁体のストロークを可変制御する形式の燃料噴射弁では、弁体のストロークひいては燃料流路の面積を精度よく制御することが容易ではなく、したがって、低噴射量域での噴射量制御精度を十分に向上させることができないという問題があった。

本発明は上記点に鑑みて、低噴射量域での噴射量制御精度を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、噴射孔の流路面積を変化させる噴射孔制御機構（５）がＭＥＭＳにより形成され、噴射孔制御機構（５）は、内燃機関に燃料を噴出させる複数の噴射孔（５２１）が形成された基板（５２）と、噴射孔（５２１）を各噴射孔（５２１）毎に独立して開閉する複数の弁部材（５３）とを備えることを特徴とする。

これによると、複数の噴射孔（５２１）を各噴射孔（５２１）毎に独立して開閉することにより、噴射孔（５２１）の合計流路面積を変化させて噴射率を制御することができる。そして、噴射孔（５２１）を開閉する構成であるため、弁体のストロークを可変制御する形式の燃料噴射弁よりも、燃料流路の面積を精度よく制御することができ、低噴射量域での噴射量制御精度を向上させることができる。

請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の燃料噴射弁において、弁部材（５３）として、基板（５２）の表面上をスライドして噴射孔（５２１）を開閉するものを用いることができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の燃料噴射弁において、全ての噴射孔（５２１）に向かって流れる燃料の流れを断続する１つの主弁体（２）を備えることを特徴とする。

これによると、噴射孔（５２１）を開閉して噴射率を制御し、主弁体（２）により噴射時間を制御して、噴射量を制御することができる。

請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料噴射弁において、目標燃料噴射量が所定値以下のときに、複数の噴射孔（５２１）のうち一部の噴射孔（５２１）が全閉されることを特徴とする。

これによると、低噴射量域では噴射率を小さくし、その分噴射時間を長くすることにより、低噴射量域での噴射量制御精度を向上させることができる。

請求項５に記載の発明のように、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料噴射弁において、弁部材（５３）として、通電時に磁界を形成する金属パターン（５３４）が形成され、電磁反発力により駆動されるものを用いることができる。

請求項６に記載の発明のように、請求項５に記載の燃料噴射弁において、噴射孔制御機構（５）は、弁部材（５３）への通電を制御する制御回路（５５）を備えることができる。

請求項７に記載の発明のように、請求項６に記載の燃料噴射弁において、基板（５２）の一方の面に弁部材（５３）を配置し、基板（５２）の他方の面に制御回路（５５）を配置することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の一実施形態に係る燃料噴射弁の構成を示す正面断面図である。 図１の燃料噴射弁における要部の構成を拡大して示す正面断面図である。 図２のキャップ５１の下面図である。 図１の噴射孔制御機構５における要部の構成を拡大して示す平面図である。 図４のＡ部を拡大して示す平面図である。 図５のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 図１の噴射孔制御機構５の回路構成を示す回路図である。 図１の噴射孔制御機構５の作動状態を示す要部の平面図である。 図１の噴射孔制御機構５の他の作動状態を示す要部の平面図である。

本発明の一実施形態について説明する。本実施形態に係る燃料噴射弁は、内燃機関の燃料噴射制御装置に用いられて、内燃機関の各気筒に燃料（ガソリン）を噴射供給するものであり、図示しない電子制御装置（以下、燃料噴射制御装置用ＥＣＵという）によりその駆動が制御される。その燃料噴射制御装置用ＥＣＵは、周知のマイクロコンピュータシステムを中心に構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）等を備える。そして、燃料噴射制御装置用ＥＣＵは、内燃機関の運転状態に応じて燃料噴射量や点火時期等の制御信号を演算し、その制御信号を燃料噴射弁やイグナイタに出力する。

図１は一実施形態に係る燃料噴射弁の構成を示す正面断面図、図２は図１の燃料噴射弁における要部の構成を拡大して示す正面断面図、図３は図２のキャップの下面図である。この、図１〜図３に示すように、燃料噴射弁の主要部は、バルブボディ１、主弁体２、電磁アクチュエータ３、コネクタ４、および噴射孔制御機構５に大別される。

略筒状をなすバルブボディ１の先端部には、燃料の流路となるボディ部燃料通路孔１１が形成されている。バルブボディ１内部には、主弁体２を摺動可能に収容する摺動孔１２、および、ボディ部燃料通路孔１１を囲む弁座１３が形成されている。

ニードル形状の主弁体２には、その軸方向の上下二位置に摺接部２１が形成されており、この摺接部２１が摺動孔１２に摺動自在に当接している。また、この主弁体２において、摺接部２１に周方向に隣接する部位には平坦部２２が形成されており、平坦部２２と摺動孔１２との間に形成される隙間を燃料が流通するようになっている。

主弁体２には、バルブボディ１の弁座１３に当接する当接部２３が形成されており、主弁体２は、その当接部２３が弁座１３に当接してボディ部燃料通路孔１１を閉じる閉弁位置と、当接部２３が弁座１３から所定量だけ離れてボディ部燃料通路孔１１を開く開弁位置との間で移動可能となっている。換言すると、主弁体２は、後述する噴射孔制御機構５の全ての噴射孔５２１に向かって流れる燃料の流れを断続するものである。

電磁アクチュエータ３は、アーマチュア３１、ステータ３２、ケーシング３３、電磁コイル３４、およびリターンスプリング３５を備えている。アーマチュア３１、ステータ３２、およびケーシング３３は、磁性体金属からなり、磁気回路を構成している。

アーマチュア３１は、主弁体２に一体移動可能に連結され、リターンスプリング３５によって常に主弁体２の閉弁向きに付勢されている。筒状のステータ３２は、アーマチュア３１と同軸上に配設され、その一端側がアーマチュア３１と対向している。ステータ３２の他端側は、燃料の流入口になっている。

ステータ３２のフランジ部が筒状のケーシング３３の端部にかしめ固定されており、ステータ３２とケーシング３３とによって形成された空間に、円筒状の電磁コイル３４が収容されている。

コネクタ４は、ケーシング３３の端部にコネクタハウジング４１がモールド成形により形成されており、コネクタハウジング４１内に、燃料噴射制御装置用ＥＣＵからの制御信号を取り込むための複数の端子４２が配設されている。そして、一部の端子４２が電磁コイル３４に接続されていて、燃料噴射制御装置用ＥＣＵにより電磁コイル３４への通電が制御されるようになっている。

次に、噴射孔制御機構５について説明する。なお、図４は図１の噴射孔制御機構５における要部の構成を拡大して示す平面図、図５は図４のＡ部を拡大して示す平面図、図６は図５のＢ−Ｂ線に沿う断面図、図７は噴射孔制御機構５の回路構成を示す回路図である。

この噴射孔制御機構５は、複数の噴射孔を各噴射孔毎に独立して開閉することにより、噴射孔の合計流路面積を変化させて噴射率を制御するものであり、ＭＥＭＳ技術を用いて形成される。

図２〜図７に示すように、噴射孔制御機構５は、バルブボディ１の先端部外側に位置し、ボディ部燃料通路孔１１を覆うようにして配設されている。具体的には、樹脂またはセラミックよりなる有底円筒状のキャップ５１がバルブボディ１に接着剤にて接着されており、このキャップ５１内に、他の構成部品が収容されている。

キャップ５１内には、シリコンよりなる基板５２が固定されている。この基板５２には、内燃機関に燃料を噴出させる円形の噴射孔５２１が複数個（本例では４個）形成されている。これらの噴射孔５２１は、燃料流れに対して並列に配置されている。

キャップ５１の底部には、燃料の流路となる円形のキャップ部燃料通路孔５１１が複数個（本例では４個）形成されている。このキャップ部燃料通路孔５１１は、噴射孔５２１よりも径が大きく設定されている。そして、噴射孔５２１がキャップ部燃料通路孔５１１にて塞がれない位置関係で、キャップ５１と基板５２が積層されている。

基板５２の一方の面には、噴射孔５２１を各噴射孔毎に独立して開閉する細長い薄板状のシリコンよりなる可動電極５３が複数個（本例では４個）実装されている。なお、可動電極５３は本発明の弁部材に相当する。

可動電極５３には、基板５２とバンプ接合される接合板部５３１が両端に形成され、噴射孔５２１を開閉する弁板部５３２が電極長手方向中間部に形成されている。また、可動電極５３には、接合板部５３１と弁板部５３２とを繋ぐ連結板部５３３が形成されている。この連結板部５３３は、接合板部５３１や弁板部５３２よりも細くなっており、連結板部５３３が変形することにより弁板部５３２が基板５２の表面上をスライド可能になっている。

また、可動電極５３には、通電時に磁界を形成する金属パターン５３４が形成されている。この金属パターン５３４は、一方の接合板部５３１から他方の接合板部５３１まで延びるとともに、弁板部５３２の部位では渦巻き状になっている。この渦巻き状になった部位の中央部から一方の連結板部５３３（図５の紙面下方側）に至る間の埋設金属パターン部５３４ａは、渦巻き状になった部位との短絡防止のために弁板部５３２内に埋設されている。

基板５２の一方の面には、可動電極５３に対向して細長い薄板状のシリコンよりなる固定電極５４が複数個（本例では２個）実装されている。より詳細には、１つの固定電極５４は、２つの可動電極５３に対向して配置されている。固定電極５４は、その両端部で基板５２とバンプ接合されている。また、固定電極５４には、通電時に磁界を形成する金属パターン５４１が形成されており、この金属パターン５４１は、一方の端部から他方の端部まで延びている。

基板５２の他方の面には、可動電極５３および固定電極５４への通電を制御する制御回路５５が設けられている。この制御回路５５は、可動電極５３の金属パターン５３４および固定電極５４の金属パターン５４１に接続されている。コネクタ４の端子４２のうちキャップ５１まで延びた端子４２は、キャップ５１に設けられた中継配線５６に接続されている。そして、この中継配線５６と制御回路５５は、金ワイヤ５７にて接続されている。これにより、燃料噴射制御装置用ＥＣＵからの制御信号が制御回路５５に入力され、制御回路５５はその制御信号に基づいて可動電極５３および固定電極５４への通電を制御するようになっている。

次に、上記構成になる燃料噴射弁における噴射孔制御機構５の作動について説明する。まず、可動電極５３および固定電極５４に通電されていないときには、弁板部５３２により噴射孔５２１が閉じられている（図４参照）。

可動電極５３および固定電極５４に通電されると、弁板部５３２には固定電極５４から遠ざかる向きの電磁反発力が作用する。この電磁反発力により、連結板部５３３が変形しつつ弁板部５３２が基板５２の表面上を固定電極５４から遠ざかる向きにスライドして、噴射孔５２１が開かれる（図８参照）。

そして、４つの可動電極５３のうち通電されている可動電極５３のみが対応する噴射孔５２１を開き、したがって、４つの噴射孔５２１を各噴射孔５２１毎に独立して開閉することにより、噴射孔５２１の合計流路面積を変化させて噴射率を制御することができる。

具体的には、燃料噴射制御装置用ＥＣＵにて演算された目標燃料噴射量が所定値以下のときに、４つのの噴射孔５２１のうち一部の噴射孔５２１を全閉にする。より詳細には、目標燃料噴射量が少ない運転領域、すなわち低噴射量域では、１つの噴射孔５２１のみを全開にして噴射率を小さくする。また、目標燃料噴射量の増加に伴って、開放される噴射孔５２１の数を増して噴射率を漸増する。さらに、目標燃料噴射量が最大噴射量に近い運転領域、すなわち高噴射量域では、全ての噴射孔５２１を開いて噴射率を最大にする。

次に、上記構成になる燃料噴射弁の全体の作動について説明する。ステータ３２の端部の流入口に流入した燃料は、ステータ３２やアーマチュア３１内を通って摺動孔１２内に導かれる。そして、燃料噴射制御装置用ＥＣＵにより電磁コイル３４へ通電されると、電磁力によりアーマチュア３１および主弁体２がリターンスプリング３５の付勢力に抗してステータ３２側に吸引され、主弁体２の当接部２３が弁座１３から離れてボディ部燃料通路孔１１が開かれる。

このとき、噴射孔制御機構５においては、４つの噴射孔５２１のうち少なくとも１つの噴射孔５２１が開かれており、ボディ部燃料通路孔１１を通過した燃料は、開かれた噴射孔５２１から内燃機関に噴射される。

電磁コイル３４への通電が停止されると、アーマチュア３１および主弁体２はリターンスプリング３５の付勢力により反ステータ３２側に付勢され、主弁体２の当接部２３が弁座１３に当接してボディ部燃料通路孔１１が閉じられ、燃料噴射が終了する。

本実施形態では、噴射孔制御機構５により噴射率を制御し、主弁体２により噴射時間を制御して、噴射量を制御する。ここで、低噴射量域では、１つの噴射孔５２１のみを開いて噴射率を小さくするため、その分噴射時間が長くなり噴射量制御精度が向上する。

また、噴射孔５２１を開閉する構成であるため、弁体のストロークを可変制御する形式の燃料噴射弁よりも、燃料流路の面積を精度よく制御することができ、低噴射量域での噴射量制御精度を向上させることができる。

なお、上記実施形態においては、各噴射孔５２１を全開状態または全閉状態のいずれかに制御したが、各噴射孔５２１を全開状態、全閉状態、および中間開度状態（図９参照）に制御してもよい。具体的には、可動電極５３に流す電流量を調整することにより弁板部５３２のスライド量を調整して、各噴射孔５２１の開度を調整することができる。これによると、噴射孔５２１を単に開閉する場合よりも、噴射孔５２１の合計流路面積をより細かに変化させることができる。

５ 噴射孔制御機構
５２ 基板
５３ 可動電極（弁部材）
５２１ 噴射孔

Claims (7)

1. 噴射孔の流路面積を変化させる噴射孔制御機構（５）がＭＥＭＳにより形成され、
   前記噴射孔制御機構（５）は、内燃機関に燃料を噴出させる複数の噴射孔（５２１）が形成された基板（５２）と、前記噴射孔（５２１）を各噴射孔（５２１）毎に独立して開閉する複数の弁部材（５３）とを備えることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記弁部材（５３）は、前記基板（５２）の表面上をスライドして前記噴射孔（５２１）を開閉することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 全ての前記噴射孔（５２１）に向かって流れる燃料の流れを断続する１つの主弁体（２）を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料噴射弁。
4. 目標燃料噴射量が所定値以下のときに、前記複数の噴射孔（５２１）のうち一部の噴射孔（５２１）が全閉されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料噴射弁。
5. 前記弁部材（５３）は、通電時に磁界を形成する金属パターン（５３４）が形成され、電磁反発力により駆動されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料噴射弁。
6. 前記噴射孔制御機構（５）は、前記弁部材（５３）への通電を制御する制御回路（５５）を備えることを特徴とする請求項５に記載の燃料噴射弁。
7. 前記基板（５２）の一方の面に前記弁部材（５３）が配置され、前記基板（５２）の他方の面に前記制御回路（５５）が配置されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料噴射弁。

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