JP4078779B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、段階的に燃料を噴射可能な燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ディーゼル機関において低排出物（ＮＯＸ、ＨＣ、黒煙）および高出力、低燃費を両立させるためにエンジンの運転条件に応じて噴射率を可変にすることが必要である。この要件を実現するために、従来技術としてニードルを付勢するように２個のばねを構成した２段開弁圧ノノズルが公知となっている。
【０００３】
しかし、この技術では燃料噴射ポンプから圧送させる燃料圧力はエンジン運転状態によって変動するので、エンジンが要求する噴射率を全運転条件において実現するのは困難である。
【０００４】
そこで、例えば米国特許５，６９４，９０３号に開示されている従来の燃料噴射弁は、ニードルを噴孔閉塞方向に燃料圧力を加える制御室を設けるものがある。これは、ノズル燃料溜りに導入される燃料圧力により噴孔を開放方向に受ける力と制御室の燃料圧力から噴孔閉塞方向に受ける力との大小関係により噴射を制御している。制御室の燃料圧力を制御しているパイロットバルブステムの開口面積を変化させることにより制御室圧力を変化させ、ニードルを段階的にリフトさせて要求の噴射率を得ようとしている。
【０００５】
また、例えば特開平１０−５４３２３号公報に開示されているように、制御室への高圧燃料の入口部と出口部にそれぞれ制御弁を配置し、ニードルリフトを段階的に制御している燃料噴射弁がある。この構成によれば、制御室への入口、出口の開閉制御が独立に制御可能なため、安定したリフト制御およびリーク量は低減できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、米国特許５，６９４，９０３号に開示されている従来の燃料噴射弁の構成では、制御室の燃料圧力はステムの開口面積、燃料性状、燃料温度等により変化するためニードルのリフトは不安定となり、安定した噴射率制御は困難であった。また、制御室圧力を制御する制御弁に２方弁を用いており、噴射期間中には常に高圧燃料が制御室および排出路を経てリークされ続ける構造となっており燃料ポンプの無駄な仕事が増加し、燃費悪化の原因となっている。
【０００７】
また、特開平１０−５４３２３号公報においては、電磁弁を複数必要なため燃料噴射弁が大型化し、かつ高価格になる。
【０００８】
本発明の目的は上記の点に鑑み、比較的小型の構造でもって、エンジンの全運転状態に応じて要求する噴射率を安定して得られるようにニードルリフトを段階的に制御可能な燃料噴射弁を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の請求項１および請求項２記載の燃料噴射弁は、制御弁を構成するバルブ室内の一つの弁体を電気的に駆動する駆動装置により段階的にリフトさせることにより、第１圧力室と連通する第１の開口部と、第２圧力室と連通する第２の開口部と、低圧通路と連通する低圧開口部の内、第１の開口部または低圧開口部を開閉させて、第１圧力室およびまたは第２圧力室の燃料圧力を変化させるように構成した。
【００１０】
上記の燃料噴射弁は、一つの弁体の段階的なリフト作動により第１圧力室および第２圧力室の圧力を変化させて、第１ピストンおよび第２ピストンを段階的にリフトさせる。第１ピストンおよび第２ピストンは弁部材と協働するので、弁部材のリフトを段階的に制御可能である。
【００１１】
このように、一つの弁体よりなる簡潔な構成の制御弁としたことで燃料噴射弁の小型化が可能となり、かつ第１ピストンおよび第２ピストンを段階的にリフトさせて噴射率を可変可能な燃料噴射弁とすることができる。
【００１２】
本発明の請求項３記載の燃料噴射弁は、第１圧力室および第２圧力室の燃料圧力を次の３つのステップにより変化させて第１圧力室と第２圧力室の燃料圧力を制御している。
【００１３】
先ず、バルブ室内の弁体をリフトさせる前では、弁体が低圧開口部を閉塞している。高圧通路の高圧燃料はバルブ室の第２開口部を経てバルブ室内に導かれ、次いでこの高圧燃料は第１開口部より第１圧力室へ連通される。一方、第２圧力室に連通された高圧回路はバルブ室に連通しているものの弁体により低圧開口部を閉塞されている。よって、第１圧力室と第２圧力室の高圧燃料により閉弁方向に第１ピストンおよび第２ピストンを付勢している。弁部材のリフト量に応じ噴孔閉塞方向に弁部材を付勢する付勢手段とあわせて弁部材は、弁座に着座している。
【００１４】
次に、弁体が第１のリフトをすると、弁体が低圧開口部を開放して第１圧力室と第２圧力室内の高圧燃料はバルブ室の低圧開口部を通じて低圧通路と連通される。よって、第１圧力室と第２圧力室の燃料圧力は高圧状態から低圧状態に変化して開弁方向に第１ピストンおよび第２ピストンは次のようにリフトする。
【００１５】
第１ピストンがリフトすると第２ピストンに当接して、第２ピストンがリフトすることで第１ピストンおよび第２ピストンがともにリフトするので、第１ピストンのリフト量と第２ピストンのリフト量とを併せた分だけ弁部材はリフトし、弁部材が弁座から離座して噴孔から燃料が噴射する。
【００１６】
次に、弁体が第１のリフト以上リフトして第２のリフトをすると、第１圧力室はバルブ室を通じて低圧通路と連通されたままなので第１圧力室のみ燃料圧力は高圧状態から低圧状態に変化するとともに、弁体は第２の開口部を閉塞して第２圧力室は低圧通路との連通を遮断する。よって、第２圧力室の燃料圧力は高圧状態を維持して閉弁方向に第２ピストンを付勢している。つまり、第１ピストンがリフトして第２ピストンに当接し第１ピストンのリフト量だけ弁部材はリフトし、弁部材が弁座から離座して噴孔から燃料が噴射する。
【００１７】
このように、一つの弁体よりなる簡潔な構成の制御弁としたことで安価な燃料噴射弁となり、かつ第１ピストンおよび第２ピストンを段階的にリフトさせて噴射率を可変可能な燃料噴射弁とすることができる。
【００１８】
また、弁体が第２のリフトをして第１ピストンのリフト量だけ弁部材がリフトする場合には、高圧回路と低圧回路は第２の開口部を閉鎖することで遮断されるので、高圧燃料を圧送する燃料ポンプの無駄な仕事が抑制されて燃費向上効果がある。
【００１９】
本発明の請求項４記載の燃料噴射弁は、付勢手段は、弁部材のリフト量に関わらず噴孔閉塞方向に弁部材を付勢する第１の付勢手段を備えた。この第１の付勢手段は、第１圧力室と第２圧力室が低圧通路に接続されて第１ピストンおよび第２ピストンの弁部材閉弁方向への付勢力が減少した場合に、弁部材の閉弁方向の付勢力を維持して弁部材が弁座から離座するのを防止する。
【００２０】
一方、弁部材が第１のリフト以上リフトすると噴孔閉塞方向に弁部材を付勢する第２の付勢手段を備えることで、第１ピストンがリフトして第２ピストンに当接し、第１ピストンのリフトによる慣性力が第２ピストンを押し上げることのないように第２ピストンを噴孔閉塞方向に付勢させる。よって、安定した噴射量が得られる燃料噴射弁とすることができる。
【００２１】
本発明の請求項５記載の燃料噴射弁は、弁体が駆動装置側にリフトして低圧開口部を閉塞することで、弁体が駆動装置によりリフト摺動する弁体支持部分が低圧燃料雰囲気にある。よって、弁体支持部分の摺動に必要な隙間部からの燃料リーク量を低減できる。
【００２２】
本発明の請求項６記載の燃料噴射弁は、高圧通路と第２圧力室を連通する通路は、高圧通路を第２の開口部と第２圧力室とを連通する通路に配置された第１絞り部に対して、バルブ室側の位置で接続することで構成されるようにした。
【００２３】
第１圧力室が低圧から高圧に燃料圧力を変化させる場合、高圧燃料は、高圧通路、バルブ室を経て供給されるが、高圧通路から第２圧力室を経由して供給される場合と比較して高圧通路から第２圧力室の間の絞り部が１つ削減できる効果がある。
【００２４】
絞り部が１つ削減できると、第１圧力室への燃料供給がスムーズに行われるために第１圧力室の圧力上昇が早くなる。このために噴孔を閉塞方向に働く力が早く大きくなり弁部材の下降速度が速くできる。つまり、弁部材の閉弁応答性が向上する。
【００２５】
本発明の請求項７記載の燃料噴射弁は、高圧通路と第１圧力室の間に燃料流れを調整する第２の絞り部を介して接続する通路を設けた。
【００２６】
この構成にすると高圧通路から第１圧力室への燃料通路は、バルブ室経由に加えて、上述した高圧通路と第１圧力室の間を接続する通路からも高圧燃料が導入できる。
【００２７】
上記した構成により、弁部材閉弁時の第１圧力室への流入燃料量が増加でき、第１圧力室の圧力上昇を早くできる。このために噴孔を閉塞方向に働く力が早く大きくなり弁部材の下降速度が速くできる。つまり、弁部材の閉弁応答性が向上する。
【００２８】
本発明の請求項８記載の燃料噴射弁は、第１圧力室と第２圧力室の間に燃料流れを調整する第４の絞り部を介して接続する構成とした。
【００２９】
この構成にすると高圧通路から第１圧力室への燃料通路は、バルブ室経由に加えて、上述した第１圧力室と第２圧力室の間を接続する通路からも高圧燃料が導入できる。
【００３０】
上記した構成により、弁部材閉弁時の第１圧力室への流入燃料量が増加でき、第１圧力室の圧力上昇を早くできる。このために噴孔を閉塞方向に働く力が早く大きくなり弁部材の下降速度が速くできる。つまり、弁部材の閉弁応答性が向上する。
【００３１】
本発明の請求項９記載の燃料噴射弁は、バルブ室と第１圧力室とを連通する通路において、バルブ室側に広いテーパ口部を構成した。
【００３２】
このバルブ室側に広いテーパ口部は、バルブ室を経由して高圧燃料が第１圧力室へ導入される時の高圧燃料流れを導き入れ易くなり、第１圧力室が早く高圧化する効果がある。このために噴孔を閉塞方向に働く力が早く大きくなり弁部材の下降速度が速くできる。つまり、弁部材の閉弁応答性が向上する。
【００３３】
本発明の請求項１０記載の燃料噴射弁は、第１の絞り部を廃止して、低圧通路に第３の絞り部を配置することで、第３の絞り部が第１の絞り部に代わって高圧通路と第１圧力室の間の燃料流れを調整する構成とした。
【００３４】
第２圧力室を高圧から低圧に燃料圧力を変化させる場合、第１の絞り部に代わって低圧通路に第３の絞り部を配置変更しても、第３の絞り部は第１の絞り部と同様に第２圧力室から低圧通路の経路にあり、第２圧力室の高圧から低圧に変化する燃料圧力の移行速度を調節している。
【００３５】
一方、高圧通路から第１圧力室への燃料通路に第１の絞り部が無くなったので、弁部材閉弁時の第１圧力室への流入燃料量が増加でき、第１圧力室の圧力上昇を早くできるので弁部材の下降速度を向上させる効果がある。つまり、弁部材の閉弁応答性が向上する。
【００３６】
本発明の請求項１１記載の燃料噴射弁は、制御弁を構成するバルブ室内の一つの弁体を電気的に駆動する駆動装置により段階的にリフトさせることにより、第１圧力室と連通する第１の開口部と、第２圧力室と連通する第２の開口部と、低圧通路と連通する低圧開口部を次の３つのステップにより変化させて第１圧力室と第２圧力室の燃料圧力を制御している。
【００３７】
先ず、バルブ室内の弁体をリフトさせる前では、弁体が低圧開口部を閉塞している。高圧通路の高圧燃料はバルブ室の第２開口部を経てバルブ室内に導かれ、次いで、この高圧燃料は第１開口部より第１圧力室へ連通される。一方、第２圧力室に連通された高圧回路はバルブ室に連通しているものの弁体により低圧開口部を閉塞されている。よって、第１圧力室と第２圧力室の高圧燃料により閉弁方向に第１ピストンおよび第２ピストンを付勢している。弁部材のリフト量に応じ噴孔閉塞方向に弁部材を付勢する付勢手段とあわせて弁部材は、弁座に着座している。
【００３８】
次に、弁体が第１のリフトをすると、弁体が低圧開口部を開放して第１圧力室と第２圧力室内の高圧燃料はバルブ室の低圧開口部を通じて低圧通路と連通される。よって、第１圧力室と第２圧力室の燃料圧力は高圧状態から低圧状態に変化して開弁方向に第１ピストンおよび第２ピストンは次のようにリフトする。
【００３９】
第２ピストンがリフトして係止部材に係止してリフトは規制され、第１ピストンがリフトすると第２ピストンに当接してリフトは規制される。第１ピストンのリフト量と第２ピストンのリフト量とを併せた分だけ弁部材はリフトし、弁部材が弁座から離座して噴孔から燃料が噴射する。
【００４０】
次に、弁体が第１のリフト以上リフトして第２のリフトをすると、第２圧力室はバルブ室を通じて低圧通路と連通されたままなので第２圧力室のみ燃料圧力は高圧状態から低圧状態に変化するとともに、弁体は第１の開口部を閉塞して第１圧力室は低圧通路との連通を遮断する。ここで、第１圧力室は高圧状態を維持するが、第２ピストンが上昇することにより体積変化し、第１圧力室の燃料圧力は低下する。しかし、第１圧力室の圧力は高圧を維持するように高圧燃料を供給調整することで第１ピストンは、第２ピストンの移動量だけ移動する。つまり、第１ピストンのリフト分だけ第１ピストンに第２ピストンが追動して弁部材はリフトし、弁部材が弁座から離座して噴孔から燃料が噴射する。
【００４１】
上記構成にすることにより、弁部材のリフト調整（第２ピストンのリフト量）が容易になる。
【００４２】
本発明の請求項１２記載の燃料噴射弁は、電気的に駆動する駆動装置は、電磁コイルにより前記弁体をリフトする構成とした。電磁コイルにすることで限られた空間に電磁コイルを装着可能で、駆動装置の体格をコンパクトにすることができる。
【００４３】
本発明の請求項１３記載の燃料噴射弁は、請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の燃料噴射弁において、電気的に駆動する駆動装置は、ピエゾアクチュエーターにより前記弁体をリフトする構成とした。ピエゾアクチュエーターは電荷を加えることに対する変位応答性が早く、弁部材のリフト応答性の優れる燃料噴射弁とすることができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を示す複数の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００４５】
（第１実施例）
本発明の第１実施例の燃料噴射弁の構成を図１、図２および図３を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施例による燃料噴射弁の全体断面図を示す。図２は、図１に示す燃料噴射弁の弁体が第２リフトした状態を示す部分断面図である。図３は、図１に示す燃料噴射弁の弁体が第１リフトした状態を示す部分断面図である。
【００４６】
燃料噴射弁１の構成は、基本的に図１に示すように燃料噴射弁ハウジング１０内に、第１ピストン２１、この第１ピストン２１の上方に第２ピストン２２を配置させ、更に第１ピストン２１と第２ピストン２２の間に第１圧力室５０を形成するとともに、第２ピストン２２の上面に第２圧力室５１を形成したものとなっている。そして、この第１圧力室５０、第２圧力室５１の燃料圧力を第２圧力室５１上方に配設した電磁弁３０により制御することにより、第１ピストン２１の下方側に設けられ、後述する噴孔１１を開閉するニードル２３のリフト量を変化させ、噴射率形状を自由に設定可能にできるものである。
【００４７】
燃料噴射弁１のハウジング１０と、その下方に設けられる弁ボディ１３とは、チップパッキン１４を挟みリテーニングナット１２で締結されている。制御装置２０は、弁ボディ１３下端に形成される噴孔１１側から第１ピストン２１、第１圧力室５０、第２ピストン２２、第２圧力室５１より構成され、制御装置２０の噴孔側には制御装置２０と協働するニードル２３、ロッド２４が配置される。ニードル２３は、弁ボディ１３に往復移動自在に支持されている。更に、ニードル２３を、ロッド２４を介して噴孔１１方向に付勢する第１ニードルスプリング１５が設けられている。
【００４８】
また、ハウジング１０には、図示しないコモンレールと連通する高圧通路６０が形成される。この高圧通路６０は、ハウジング１０、チップパッキン１４、弁ボディ１３内を通り、弁ボディ１３に形成される燃料溜り１６へと連通する。更に、高圧通路６０は、上記第２圧力室５１へ連絡通路６８を経由して連通するよう形成されている。これにより図示しないコモンレールより供給された高圧燃料は、ハウジング１０内の高圧通路６０を介して第２圧力室５１及び弁ボディ１３内の燃料溜り１６へ供給される。更に、第１圧力室５０へは、図２に示すように第２圧力室５１に開口される連絡通路６１、後述のバルブ室６２を介してハウジング１０等に形成される連絡通路６４へ連通され、第２圧力室５１より燃料が供給される構成となっている。
【００４９】
制御弁３０は弁カバー３８内に収容され、ハウジング１０の上部と弁カバー３８間でネジ締結されている。制御弁３０はボディ３１、アーマチャ３２、ストッパー３３、第１スプリング３４、電磁コイル３５、第２スプリング３６、弁体３７、プレート３９、バルブ室６２等で構成されている。
【００５０】
このバルブ室６２は、ボデキ３１内に形成され、アーマチャ３２と接続される弁体３７を収容している。そして、アーマチャ３２の弁体３７との接続部分におけるバルブ室６２の上端面には、上記連絡通路６１と接続する第２開口部６５が開口している。また、バルブ室６２の略中央部の側面には、上記連絡通路６４と接続する第１開口部６６が開口している。更に、バルブ室６２の下端面には、プレート３９が形成される低圧開口部６７が開口している。
【００５１】
なお、この低圧開口部６７は、低圧通路６３に接続されている。この低圧通路６３は、ハウジング１０等に形成され、図示しない燃料タンクへと連通されており、バルブ室６２内の燃料を該燃料タンクへと排出するようになっている。
【００５２】
上記弁体３７は、第１スプリング３４の付勢力によりアーマチャ３２を介して、上記低圧開口部６７に着座可能である。また、弁体３７は、電磁コイル３５の吸引によりアーマチャ３２とともに上方へ移動し、第２開口部６５に着座可能となっている。
【００５３】
図１は、電磁コイル３５に通電をしないで弁体３７は低圧開口部６７に着座し、ニードル２３は第１圧力室５０、第２圧力室５１の燃料圧力、および第１ニードルスプリング１５の付勢力により閉弁方向に付勢され弁座１３Ａに着座した状態を示す。尚、２３ａはニードル２３の肩部を示し、１１ａはハウジング１１の下端面を示す。
【００５４】
次に、弁体３７の上部に位置するアーマチャ３２は、コイル３５に通電することにより発生する励起吸引力により、第１スプリング３４の付勢力に抗し上向きに吸引され弁体３７は第１のリフトをする。この状態を図３に示す。
【００５５】
図３に示すように、弁体が上方にリフトしストッパー３３の下端面まで吸引される。この時、弁体３７には第２スプリング３６の付勢力がかかるため電磁コイル３５からの吸引力と第１スプリング３４と第２スプリング３６の付勢力の和が釣り合うために弁体３７はリフトＨ１（図１参照）の位置で停止する。
【００５６】
電磁コイル３５に供給される電流値が更に高い場合には、弁体３７を吸引する力がさらに大きくなり、第１スプリング３４と第２スプリング３６の付勢力の和に抗し弁体３７は上昇する。すると、図２に示すように、弁体３７がバルブ室６２の内部に形成された第２の開口部６５に当接し、第２の開口部６５を閉塞して停止するまでの第２のリフトをする。なお、図１に示すように弁体３７が、低圧開口部６７に着座した位置から第２の開口部６５に当接するまでのリフト量はＨ２である。弁体３７が第１のリフトから第２のリフトへ移動する量は（Ｈ２−Ｈ１）である。
【００５７】
次に燃料噴射弁１の作動について図１から図３とともに図４を用いて説明する。
【００５８】
図示しないエンジン制御装置（ＥＣＵ）により、エンジン運転条件に応じた電磁コイル３５への駆動電流が生成され、電磁コイル３５に供給される。駆動電流が供給されることによりアーマチャ３２が吸引され弁体３７がリフトする。
【００５９】
弁体３７のリフトがＨ２のときは（図２および図４中のタイミング（Ａ）参照）、バルブ室６２と低圧通路６３とが連通されたままで第２圧力室５１とバルブ室６２間の通路が第２の開口部６５により遮断される。すなわち、図示しないコモンレールからの高圧燃料が供給されている第２圧力室５１は、低圧通路６３とは連通していない状態となる。一方、第１圧力室５０と低圧通路６３はバルブ室６２の第１の開口部６６を介して連通するために第１圧力室５０の燃料圧力（ＰＣ１）が低下し、第１ニードルスプリング１５の設定荷重と第１圧力室５０の燃料圧力から受ける力との合力である噴孔閉塞方向の力が燃料溜り部の燃料圧力によるニードル２３を押し上げる力より小さくなるとニードル２３は開弁し始める。第１圧力室５０の燃料圧力が低下し、ニードル２３は上昇していくが、ニードル２３が（ｈ１リフト）上昇すると第１ピストン２１は第２ピストン２２の下面に当接する。この時、第２圧力室５１の燃料圧力（ＰＣ２）は高いままに保持され、第２圧力室５１の燃料圧力から受ける力が噴孔閉塞方向に働いてニードル２３を押し上げる力よりも大いため、ニードル２３は（ｈ１リフト）以上リフトしない。
【００６０】
また、弁体３７のリフトがＨ１のときは（第３図および図４中のタイミング（Ｂ）参照）、第１の開口部６６、第２の開口部６５、低圧開口部６７の全てが開放されて、第１圧力室５０および第２圧力室５１は、低圧通路６３と連通するために、第１圧力室５０および第２圧力室５１の燃料圧力は低下する。このため噴孔閉塞方向にはたらく力がニードル２３を押し上げる力より小さくなりニードル２３は（ｈ１リフト）以上リフトして（ｈ２リフト）まで上昇する。このときニードル２３の肩部２３ａがハウジング１１の下端面１１ａに係止され、ニードル２３はこれ以上リフトしない。
【００６１】
図４中のタイミング（Ｃ）に示すように噴射期間中に弁体３７のリフト量をＨ２からＨ１に変化させることにより、ニードル２３のリフトをｈ１からｈ２に段階状に変化させることも可能である。
【００６２】
所定の時間が過ぎて電磁コイル３５への駆動電流の供給が停止され弁体３７が低圧開口部６７を閉弁すると、低圧通路６３とバルブ室６２が遮断されるため第１圧力室５０および第２圧力室５１の燃料圧力が上昇して第１ピストン２１、第２ピストン２２をニードル２３閉弁方向に押し下げる力が上昇し、ニードル２３を閉塞する。
【００６３】
このように、一つの弁体よりなる簡潔な構成の制御弁としたことで燃料噴射弁自体の構造を小型化でき、従来に比べて安価な燃料噴射弁となり、かつ第１ピストンおよび第２ピストンを段階的にリフトさせて噴射率を可変可能な燃料噴射弁とすることができる。
【００６４】
また、弁体３７が第２のリフトをして、第１ピストン２１のみがリフトする、すなわち弁部材であるニードル２３がｈ１するときには、高圧回路６０等の高圧燃料が低圧通路６３側へ抜けることなく、ニードル２３のｈ１リフトが達成できる構成となっている。このため、ニードル２３がｈ１リフトしているときにおける、高圧燃料を圧送する燃料ポンプの無駄な仕事が抑制されて燃費向上効果がある。
【００６５】
（変形例）
第１実施例において、ニードル２３を噴孔１１閉塞方向に付勢する手段として第１ニードルスプリング１５を配設した。本変形例では、図５に示すように第１ニードルスプリング１５（図１）に加えて第２ニードルスプリング１７を第２圧力室５１内部に設ける構成とした。
【００６６】
第２ニードルスプリング１７は、第１圧力室５０の燃料圧力が低下して第１ピストン２１がリフトし第２ピストン２２に当接し、第１ピストン２１のリフトによる慣性力が第２ピストン２２を押し上げることのないように第２圧力室５１の燃料圧力に加えて第２ピストン２２を噴孔閉塞方向に付勢させることで、確実に（ｈ１リフト）のみリフトさせる効果がある。よって、安定した噴射量が得られる燃料噴射弁とすることができる。
【００６７】
（第２実施例）
本発明の第２実施例を図６に示す。第１の実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し説明を省略する。第１の実施例とは、電磁コイル３５をアーマチャ３２の下部に配置した点が異なる。本構成にすることにより、電磁コイル３５に通電したことによるアーマチャ３２に働く吸引力は下降方向に働き、弁体３７は下方にリフトする。電磁コイル３５への駆動電流の供給が停止されているときは、低圧開口部６７を閉鎖して第１圧力室５０、第２圧力室５１の燃料圧力を上昇させてニードル２３を閉弁させ無噴射状態としたいので、低圧開口部６７を上部に配置でき、高圧通路６２と低圧通路６４の配置を変えることができる。上述した構成としたことで、弁体３７とボディ３１間の隙間部３１ａからの燃料リーク量を低減できる。
【００６８】
（第３実施例）
本発明の第３実施例を図７に示す。第１の実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し説明を省略する。第１の実施例とは、弁体３７の駆動力として電磁コイル３５の代わりに圧電素子を用いた点が異なる。圧電素子１０１は、ハウジング１１に嵌挿され、図示しない制御用コンピュータの指示に従い、駆動電源から電荷を供給されることで、圧電素子１０１はニードル２３軸方向に長さを変化させる。
【００６９】
圧電素子１０１の上端部はハウジング１１に位置規定されているので、全長を変化させて第１油圧ピストン１０２方向に力が伝わる。第１油圧ピストン１０２は、ばね１０４により上方に付勢され、圧電素子１０１の動きに追随するよう設定されている。第１油圧ピストン１０２は、ＡＨ１（第１油圧ピストン１０２の）断面積で下の油圧室１０３にある燃料を介して、断面積ＡＨ２の第２油圧ピストン１０５を押すことで、第２油圧ピストン１０５が面積比の逆数（ＡＨ１／ＡＨ２）のリフト量を圧電素子１０１によって駆動されることになる。
【００７０】
油圧室１０３は、ハウジング１１、油圧ピストン１０２、１０５によって形成されている。第２油圧ピストン１０５はストッパ１０８によって上方の動きを規定され、ばね１０６により上方に付勢されている。ばね１０６は、ハウジング１１の内径部１０７に構成され、内径部１０７は低圧通路６３を介して図示しない燃料タンクへ連通している。
【００７１】
第２油圧ピストン１０５は、その小径部１０９が適当な微小距離をおいて、弁体３７に当接するように構成されている。内径部１０７は、弁体３７が下方に開弁して低圧開口部６７を開放した時は、連絡通路６４を介して第１圧力室５０に連通するとともに連絡通路６１を介して第２圧力室５１と連通している。また第２圧力室５１は図示しないコモンレールと連通している高圧通路６０と連通している。
【００７２】
この構成によれば、圧電素子１０１へかける電荷を変えて弁体３７のリフト量を制御することにより、第１の実施例と同様な作動をすることが可能となる。
【００７３】
ニードル２３を（ｈ１リフト）までリフトさせるときには、大変位を与えるように圧電素子１０１を駆動する。圧電素子１０１が伸びるに従い、ばね１０４に抗して第１油圧ピストン１０２が駆動される。ピストン１０２の変位に従い油圧室１０３内の燃料を加圧して燃料圧力を上昇させる。高圧燃料は第２油圧ピストン１０５を下方に、ばね１０６に抗して駆動する。そして、第２油圧ピストン１０５の小径部１０９は弁体３７に当接し、弁体３７は下方に移動しプレート３９に当接する。この時、弁体３７により内径部１０７と連絡通路６１は遮断されている。弁体３７が下方に移動すると第１圧力室５０は連絡通路６４、内径部１０７を介して低圧通路６３と連通するため第１圧力室圧力は低下し、噴孔を閉塞方向に働く力が小さくなるためにニードル２３は開弁する。ニードル２３の上昇に従い第１ピストン２１が第２ピストン２２に当接するが、第２圧力室５１の燃料圧力が高圧であるためニードル２３のリフトの上昇は停止する。
【００７４】
小変位を与えるように圧電素子１０１を駆動すると、第２油圧ピストン１０５の小径部１０９は弁体３７に当接し、プレート３４へは当接しない位置に圧電素子１０１の変位量を調整する。第１圧力室５０と第２圧力室５１は連絡通路６４、６２および内径部１０７を介して低圧通路６３と連通するために、第１圧力室５０、第２圧力室５１の燃料圧力が低下する。これにより、第１ピストン２１が第２ピストン２２に当接後も、噴孔閉塞方向に働く力がニードル２３の押し上げ力よりも小さくなるなるため、ニードル２３はチップパッキン１４に当接するまで（リフト量：Ｈ２）リフトする。
【００７５】
また、このように噴射中に圧電素子１０１の変位量を切り換えることにより、ブーツ噴射率のような噴射率を得ることも可能である。
【００７６】
上述した構成の圧電素子１０１による制御弁は、電荷を加えることに対する変位応答性が早く、ニードル２３のリフト応答性の優れる燃料噴射弁とすることができる。
【００７７】
（第４実施例）
本発明の第４実施例を図８に示す。第１の実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し説明を省略する。第１の実施例とは、高圧燃料を第一圧力室５０と連通させ、第２ピストン２２側でニードル２３の（ｈ１リフト）の移動量を規定した点が異なる。
【００７８】
第４実施例の作動を以下説明する。
【００７９】
弁体３７のリフトがＨ２のとき、弁体３７は第２の開口部６５を閉塞して第１圧力室５０の圧力は低圧通路６３と遮断される。この第１圧力室５０の燃料圧力は、高圧通路６０および連絡通路２０２を経由して第１圧力室に導入されて高圧状態を維持する。一方第２圧力室５１の燃料圧力は、連絡通路２６１、第１の開口部６６および低圧開口部６７の順に経由して低圧通路６３へと連通されて低圧となる。よって、第２ピストン２２の閉弁側への付勢力が小さくなるために第２ピストン２２は上昇し、第２圧力室５１上部に設けた係止部材２０１に当接し（ｈ１リフト）停止する。
【００８０】
一方、第１圧力室５０は高圧が維持されているが第２ピストン２２が上昇することにより体積変化し、第１圧力室５０の燃料圧力は低下する。しかし、第１圧力室５０の圧力は高圧を維持するように連絡通路２０２からの燃料供給量を絞り部２０３により調整することで第１ピストン２１は、隙間ｈ２を維持している。
【００８１】
弁体３７のリフトがＨ１のときは、第１圧力室５０、第２圧力室５１の圧力とも低下するためにニードル２３のリフトはさらに上昇して（ｈ２リフト）する。
【００８２】
このような第４実施例の構成にすることにより、第１リフト量（ｈ１リフト）の調整が簡単となる。
【００８３】
（第５実施例）
本発明の第５実施例を図９に示す。第１の実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し説明を省略する。第１の実施例と異なるのは、高圧通路６０から第２圧力室５１へ高圧燃料が導入される経路を変更した点である。
【００８４】
第１から第３の実施例中の高圧通路６０から第２圧力室５１への高圧燃料が導入される経路は、連絡通路６８を経由していた。第５実施例では、第１実施例の連絡通路６８に代えて、バルブ室６２と第２圧力室５１を連結する連絡通路６１に高圧通路６０を連結する連絡通路３６８を配置した。尚、連絡通路３６８は、連絡通路６１経路に設けられた絞り部３０１に対してバルブ室側の連絡通路６１と接続させる。
【００８５】
上記した構成により、第１から第３の実施例に対し高圧通路６０から第１圧力室５０への連通する燃料通路中の絞り部が１つ削減できる効果がある。
【００８６】
絞り部が１つ削減できると、弁体３７が閉弁し低圧開口部６７を閉塞した時（弁体３７のリフトが０のとき）、第１圧力室５０への燃料供給がスムーズに行われるために第１圧力室５０の圧力上昇が早くなる。このために噴孔を閉塞方向に働く力が早く大きくなりニードル２３の下降速度が速くできる。つまり、ニードル２３の閉弁応答性が向上する。
【００８７】
（第６実施例）
本発明の第６実施例を図１０に示す。第１の実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し説明を省略する。本発明の第６実施例は、第５の実施例に示したニードル２３下降速度を向上させる方法とは別の方法でニードル２３下降速度を向上させる。
【００８８】
第１の実施例と異なるのは、高圧通路６０から第２圧力室５１へ高圧燃料が導入される連絡通路４０１を追加した点である。
【００８９】
図１０に示す様に、高圧通路６０と第１圧力室５０の間を、絞り部４０２を介して連絡通路４０１により連通させる。この構成にすると高圧通路６０から第１圧力室５０への燃料通路は、バルブ室６２経由の連絡通路６４に加えて、連絡通路４０１からも高圧燃料が導入できる。
【００９０】
上記した構成により、ニードル２３閉弁時の第１圧力室５０への流入燃料量が増加でき、第１圧力室５０の圧力上昇を早くできる。高圧通路６０と第１圧力室５０間の絞り部４０２の面積は、ニードル２３開弁時に高圧通路６０から第１圧力室５０方向への燃料リーク量が増加しない程度に設定する必要がある。
【００９１】
（変形例）
第６実施例において、バルブ室６２と第２圧力室５１間を連通する連絡通路６１に絞り部３０１を配設している。本変形例では、図１１に示すように低圧通路６３に絞り部４０３を設ける構成とした。
【００９２】
弁体３７が図１１中下方にリフトすると、第２圧力室５１の高圧燃料が連絡通６１路、バルブ室６２、低圧通路６３の順に経由して導入される。
【００９３】
よって、絞り部は本変形例の位置に変更しても、第２圧力室５１から低圧通路６３の経路にあり、第２圧力室５１の高圧から低圧に変化する燃料圧力の移行速度を調節している。
【００９４】
一方、本変形例により高圧通路６０から第１圧力室５０への燃料通路である連絡通路６１に第６実施例で示した絞り部３０１が無くなり、ニードル２３閉弁時の第１圧力室５０への流入燃料量が増加でき、第１圧力室５０の圧力上昇を早くできるのでニードル２３下降速度を向上させる効果がある。
【００９５】
（第７実施例）
本発明の第７実施例を図１２に示す。第１の実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し説明を省略する。本発明の第７実施例は、第５および第６の実施例に示したニードル２３下降速度を向上させる方法とは別の方法でニードル２３下降速度を向上させる。
【００９６】
第１の実施例と構成上異なるのは、高圧通路６０から第２圧力室５１へ高圧燃料が導入される連絡通路５０１を追加した点である。
【００９７】
図１２に示す様に、第２圧力室５１と第１圧力室５０を絞り部５０２を介して連絡通路５０１を第２ピストン内に設けることにより連通させる。この構成にすると高圧通路６０から第１圧力室５０への燃料通路は、バルブ室６２経由の連絡通路６４に加えて、連絡通路６８、第１圧力室５０を経由して連絡通路５０１からも高圧燃料が導入できる。
【００９８】
上記した構成により、ニードル２３閉弁時の第１圧力室５０への流入燃料量が増加でき、第１圧力室５０の圧力上昇を早くできる。高圧通路６０と第１圧力室５０間の絞り部５０２の面積は、ニードル２３開弁時に第２圧力室５１から第１圧力室５０方向への燃料リーク量が増加しない程度に設定する必要がある。
【００９９】
また、上記した第５および第６の実施例と組合わせることにより、よりニードル２３閉弁時のリフト下降速度が向上でき燃料噴射率のシャープカット性能が向上する。
【０１００】
（変形例）
第７実施例において、プレート３９にもうけた連絡通路６４に絞り部５０３を配設した。この絞り部５０３は、例えばプレート３９に細孔を設け、この細孔の径を調整して燃料流量を調整する絞り部である。
【０１０１】
本変形例では、図１３に示すように絞り効果を成す細孔よりなる連絡通路６４を構成するプレート３９のバルブ室６２側に広いテーパ口部６４ａを構成した。このテーパ口部６４ａの広い側の径は縮小することなくバルブ室６２側と接続される。
【０１０２】
高圧通路６０から第１圧力室５０への燃料通路は、第２圧力室５１、バルブ室６２の順に経由して高圧燃料が導入されるので、導入経路が長く第１圧力室５０が高圧化するのに時間がかかる。高圧燃料を導入する側、つまりバルブ室６２側に広いテーパ口部６４ａを構成することで高圧燃料を導き入れ易くなり、第１圧力室５０が早く高圧化する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による燃料噴射弁を示す断面図である。
（Ａ）は、全体断面図である。
（Ｂ）は、【図１】（Ａ）図の９０°回転断面図である。
【図２】図１に示す燃料噴射弁の弁体が第２リフトした状態を示す部分断面図である。
【図３】図１に示す燃料噴射弁の弁体が第１リフトした状態を示す部分断面図である。
【図４】第１実施例の段階リフトを実現するタイムチャートである。
【図５】本発明の第１実施例の変形例による制御弁を示す断面図である。
【図６】本発明の第２実施例を示し電磁コイルの配置を変更した部分断面図である。
【図７】本発明の第３実施例による燃料噴射弁を示す全体断面図である。
【図８】本発明の第４実施例による燃料噴射弁を示す部分断面図である。
【図９】本発明の第５実施例による燃料噴射弁を示す部分断面図である。
【図１０】本発明の第６実施例による燃料噴射弁を示す部分断面図である。
【図１１】本発明の第６実施例の変形例による燃料噴射弁を示す部分断面図である。
【図１２】本発明の第７実施例による燃料噴射弁を示す部分断面図である。
【図１３】本発明の第７実施例の変形例による燃料噴射弁の絞り部を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料噴射弁
１１ 噴孔
１３ 弁ボディ
１３ａ 弁座
１５ 第１ニードルスプリング（付勢手段）
１７ 第２ニードルスプリング（付勢手段）
２０ 制御装置（制御手段）
２１ 第１ピストン
２２ 第２ピストン
２３ ニードル（弁部材）
２４ ロッド
３０ 制御弁
３２ アーマチャ
３３ ストッパー
３４ 第１スプリング（第１のバネ）
３５ 電磁コイル
３６ 第２スプリング（第２のバネ）
３２、３３、３４、３５、３６ 駆動装置
３７ 弁体
５０ 第１圧力室
５１ 第２圧力室
６０ 高圧通路
６２ バルブ室
６３ 低圧通路
６４ａ テーパ口部
６５ 第２の開口部
６６ 第１の開口部
６７ 低圧開口部
１０１ 圧電素子（ピエゾアクチュエーター）
２０１ 係止部材
３０１ 第１の絞り部
４０２ 第２の絞り部
４０３ 第３の絞り部
５０２ 第４の絞り部

Claims (13)

1. 噴孔を開閉する弁部材と、
   前記噴孔の燃料上流側に弁座を有する弁ボディであって、前記弁部材が前記弁座に着座することにより前記噴孔を閉塞し、前記弁部材が前記弁座から離座することにより前記噴孔を開閉する弁ボディと、
   前記弁部材を段階的にリフト作動させて噴射される燃料の噴射率を制御する制御手段と、
   前記制御手段と高圧燃料が導入される高圧通路との連通状態、および前記制御手段と前記高圧燃料が排出される低圧通路との連通状態を切換える制御弁と、
   噴孔閉塞方向に前記弁部材を付勢する付勢手段と、
   前記制御手段は、前記弁部材と軸方向に協働する第１ピストンおよび第２ピストンと、燃料圧力を変化させて前記第１ピストンおよび前記第２ピストンを夫々開弁方向にリフトさせる第１圧力室および第２圧力室とを備え、
   前記制御弁は、内部に一つの弁体を備えるバルブ室と、前記弁体を段階的にリフト駆動する電気駆動装置とを備え、
   前記バルブ室は、前記第１圧力室と連通する第１の開口部と、前記高圧通路および前記第２圧力室と連通する第２の開口部と、前記低圧通路と連通する低圧開口部とを設けており、
   前記弁体を段階的にリフトさせて前記第１の開口部および前記第２の開口部と前記低圧開口部との連通状態を切換え、前記第１圧力室および前記第２圧力室の燃料圧力を変化させることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記第１圧力室は、前記第１ピストンと前記第２ピストンの間に設けられ、燃料圧力を変化させて前記第１ピストンを開弁方向にリフトさせ、前記第２圧力室は、前記第２ピストンの上部に設けられ、燃料圧力を変化させて前記第２ピストンを開弁方向にリフトさせ、前記第１ピストンおよび前記第２ピストンは、前記第１ピストンがリフトすると前記第２ピストンに当接し、さらに前記第２ピストンがリフトすることで前記第１ピストンおよび前記第２ピストンがともにリフトするように配置されるとともに、
   前記高圧通路は、前記第２圧力室に連通されることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 前記駆動装置により前記弁体がリフトする前は、前記弁体が前記低圧開口部を閉塞し、
   前記駆動装置により前記弁体が第１のリフトをすると、前記弁体が前記低圧開口部を開放して前記第１圧力室と前記第２圧力室は前記バルブ室を通じて前記低圧通路と連通され、
   前記駆動装置により前記弁体が第１のリフト以上リフトして第２のリフトをすると、前記第１圧力室は前記バルブ室を通じて前記低圧通路と連通されたままで前記弁体は前記第２の開口部を閉塞して前記第２圧力室は前記低圧通路との連通を遮断することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料噴射弁。
4. 前記付勢手段は、前記弁部材のリフト量に関わらず噴孔閉塞方向に前記弁部材を付勢する第１の付勢手段と、前記弁部材が第１のリフト以上リフトすると噴孔閉塞方向に前記弁部材を付勢する第２の付勢手段とを備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
5. 前記弁体が前記駆動装置側にリフトして前記低圧開口部を閉塞することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
6. 前記第２の開口部と前記第２圧力室とを連通する通路に燃料流れを調整する第１の絞り部が配置されており、
   前記高圧通路と前記第２圧力室を連通する通路は、前記高圧通路を前記第２の開口部と前記第２圧力室とを連通する通路に配置された前記第１の絞り部に対して、バルブ室側の位置で接続することで構成されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
7. 前記高圧通路と前記第１圧力室の間に燃料流れを調整する第２の絞り部を介して接続することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
8. 前記第１圧力室と前記第２圧力室の間に燃料流れを調整する第４の絞り部を介して接続することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
9. 前記バルブ室と前記第１圧力室とを連通する通路において、前記バルブ室側に広いテーパ口部を構成したことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
10. 前記低圧通路に第３の絞り部を配置して前記高圧通路と前記第１圧力室の間の燃料流れを調整することを特徴とする請求項１から請求項５および請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
11. 噴孔を開閉する弁部材と、
    前記噴孔の燃料上流側に弁座を有する弁ボディであって、前記弁部材が前記弁座に着座することにより前記噴孔を閉塞し、前記弁部材が前記弁座から離座することにより前記噴孔を開閉する弁ボディと、
    前記弁部材を段階的にリフト作動させて噴射される燃料の噴射率を制御する制御手段と、
    前記制御手段と高圧燃料が導入される高圧通路との連通状態、および前記制御手段と前記高圧燃料が排出される低圧通路との連通状態を切換える制御弁と、
    前記制御手段は、前記弁部材と軸方向に協働する第１ピストンおよび第２ピストンと、前記弁部材のリフト量に応じ噴孔閉塞方向に前記弁部材を付勢する付勢手段とを備え、
    前記第１ピストンと前記第２ピストンの間に設けられ、燃料圧力を変化させて前記第１ピストンを開弁方向にリフトさせる第１圧力室と
    前記第２ピストンの上部に設けられ、燃料圧力を変化させて前記第２ピストンを開弁方向にリフトさせる第２圧力室と、
    前記第２圧力室の上部に設けられ、前記弁部材のリフトを規制する係止部材と、
    前記第１ピストンおよび前記第２ピストンは、前記第２ピストンがリフトすると前記係止部材に当接し、前記第１ピストンがリフトすると前記第２ピストンに当接するように配置され、
    前記高圧通路は、前記第２圧力室に連通され、
    前記制御弁は、内部に一つの弁体を備えるバルブ室と、前記弁体を段階的にリフト駆動する電気駆動装置を備え、
    前記バルブ室は、前記第１圧力室と連通する第１の開口部と、前記第２圧力室と連通する第２の開口部と、前記低圧通路と連通する低圧開口部とを設けて、
    前記駆動装置により前記弁体がリフトする前は、前記弁体が前記低圧開口部を閉塞し、前記駆動装置により前記弁体が第１のリフトをすると、前記弁体が前記低圧開口部を開放して前記第１圧力室と前記第２圧力室は前記バルブ室を通じて前記低圧通路と連通され、前記駆動装置により前記弁体が第１のリフト以上リフトして第２のリフトをすると、前記第２圧力室は前記バルブ室を通じて前記低圧通路と連通されたままで前記弁体は前記第１の開口部を閉塞して前記第１圧力室は前記低圧通路との連通を遮断することを特徴とする燃料噴射弁。
12. 電気的に駆動する前記駆動装置は、電磁コイルにより前記弁体をリフトすることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
13. 電気的に駆動する前記駆動装置は、ピエゾアクチュエーターにより前記弁体をリフトすることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。

Images