JP6828443B2 - 燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料流路を通じて供給される燃料を噴孔から噴射し、供給された燃料の一部を戻り流路に排出する燃料噴射装置に関する。

ピエゾ素子をアクチュエータとする燃料噴射装置、特にノズルニードル弁を油圧制御する方式の燃料噴射装置において、高圧化および噴射量のばらつき低減の要求が高まっている。特許文献１に記載の燃料噴射装置は、噴射量ばらつき低減を目的に、圧力制御バルブの低圧側と背圧室と連通を開閉する上シート部、および高圧側と背圧室との連通を開閉する下シート部を球面に形成している。そして上シート部および下シート部を別部材に構成しているので、上シート部および下シート部がそれぞれ着座する時に調心効果を有する。このような球面による調心効果によって、噴射量のばらつきを低減している。

独国特許出願公開第１０２５５３２８号公報

前述の特許文献１に記載の圧力制御バルブでは、球面シート形状であるので同じリフト量であると、フラットなシート形状に比べて開口面積が小さくなる。そして球面シートのシート径を小さくすると、同じリフト量でさらに開口面積が小さくなる。したがって球面シート形状でシート径を低減すると、大きいリフト量が必要なので、球面シート形状でシート径を低減することができない。シート径を低減できないと受圧面積を低減できないので、高圧化に対応するためには非常に大きな駆動力が必要という問題がある。

そこで、本発明は前述の問題点を鑑みてなされたものであり、大形化することなく、高圧化することができ、噴射量のばらつきを低減することができる燃料噴射装置を提供することを目的とする。

本発明は前述の目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。

本発明は、燃料流路（１５）を通じて供給される燃料を噴孔（４４）から噴射し、供給された燃料の一部を戻り流路（１６）に排出する燃料噴射装置（１００）であって、
噴孔、燃料流路に連通する高圧流路（４２）、高圧流路を通じて供給される燃料が流入する圧力制御室（４６）、高圧流路を通じて供給される燃料が流入する収容室（５８）、圧力制御室の燃料が流出する中間室（４７）、圧力制御室と中間室と連通する流出通路（５５）、収容室と中間室とを連通する中間通路（５９）、および中間室から戻り流路へと燃料を排出する排出通路（５６）を形成している弁ボデー（５１）と、
収容室に収容され、圧力制御室の圧力変動によって往復変位することにより、噴孔を開閉する弁体（５０）と、
中間室に収容され、排出通路が連通し、かつ中間通路を遮断した駆動状態と、排出通路を遮断し、かつ中間通路を連通した停止状態とを切替えて、圧力制御室の圧力を変動させる１つの制御部材（５４）と、
圧力制御室に収容され、圧力制御室と高圧流路とが連通した状態と遮断した状態とを切替えるとともに、流出通路と圧力制御室とを連通する連通路（５３ａ）が形成されている制御プレート（５３）と、
駆動すると、制御部材を噴孔側に押圧する駆動部（５２）と、を含み、
駆動部によって制御部材を駆動状態にすると、制御プレートは高圧流路を遮断した状態で、連通路、流出通路、中間室および排出通路を介して圧力制御室の燃料が流出して圧力制御室の圧力が下降して、弁体が変位して噴孔を開状態とし、
駆動部によって制御部材を停止状態にすると、制御プレートは高圧流路の圧力で高圧流路を連通した状態となり、高圧流路および収容室、中間通路、中間室および流出通路を介して圧力制御室に燃料が流入して、圧力制御室の圧力が上昇して、弁体が変位して噴孔を閉状態にするものであり、
制御部材は、駆動状態では、中間室の噴孔側に接触して、中間通路を遮断し、停止状態では、中間室の噴孔とは反対側に接触して排出通路を遮断し、中間通路を遮断する部分が球面状であり、排出通路を遮断する部分が平面状であり、
中間室の区画壁のうち停止状態で制御部材と接触する上シート部（４７ａ）は円環状であり、区画壁の他の部分よりも噴孔側に突出している。

このような本発明に従えば、制御部材は、排出通路を遮断する部分が平面状である。排出通路を遮断する部分を平面状にすることで、球面状の構成に比べて、シート径を小さくしても開口面積を確保することができる。これによってシート径を小さくして、停止状態で制御部材が中間室の反対側に接触しているときに生じる油圧力が小さくすることができる。したがって小さい駆動力で制御部材を噴孔側に変位させることができるので、駆動部が大形化することを防ぐことができる。

また平面状であるので、球面状の構成に比較して開口面積が大きく制御部材の偏心およびリフト量のばらつき等の外乱に対してよりロバストであり、駆動状態にするときの通過流量の変化が小さいので、噴射量精度向上および繰り返しばらつき低減が可能となる。

また制御部材は、中間通路を遮断する部分が球面状である。これによって中間通路を遮断するときに調心されるので、中間通路を連通するときに、中間室への流入量のばらつきが抑制される。その結果、弁体の閉弁タイミングのばらつきが低減されるので、噴射量のばらつきの少ない噴射特性を得ることができる。また中間通路を遮断する部分が球面状であるので、開口面積は平面状の構成に比べて小さくなる。しかし制御プレートを収容する圧力制御室へは、高圧燃料通路からだけでなく、流出通路からも高圧燃料が流入するので、弁体の速い閉弁速度に必要な流量を維持することができる。

なお、前述の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一例である。

燃料供給システムを示すシステム図。 燃料噴射装置を簡略化して示す断面図。 バルブニードルを示す正面図。 バルブニードル近傍の構成を示す断面図。 燃料噴射装置の動作を説明するための図。 リフト量と流量との関係を示すグラフ。 リフト量と流量との関係を示すグラフ。 シート形状と流路面積との関係を説明するための図。 第２実施形態の下流側連通路の近傍を拡大した図。 第３実施形態の下流側連通路の近傍を拡大した図。 第４実施形態バルブニードル近傍の構成を示す断面図。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を、複数の形態を用いて説明する。各実施形態で先行する実施形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付すか、または先行の参照符号に一文字追加し、重複する説明を略する場合がある。また各実施形態にて構成の一部を説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している実施形態と同様とする。各実施形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に関して、図１〜図８を用いて説明する。図１に示す燃料供給システム１０には、第１実施形態による燃料噴射装置１００が用いられている。燃料供給システム１０は、内燃機関であるディーゼル機関２０の燃焼室２２に、燃料噴射装置１００によって燃料を供給する。燃料供給システム１０は、フィードポンプ１２、高圧燃料ポンプ１３、コモンレール１４、機関制御装置１７、および複数の燃料噴射装置１００を含んで構成されている。

フィードポンプ１２は、燃料タンク１１内に貯留された燃料を高圧燃料ポンプ１３に圧送するポンプである。フィードポンプ１２は、燃料配管１２ａによって高圧燃料ポンプ１３と接続されている。燃料タンク１１には、軽油などの燃料が貯留されている。

高圧燃料ポンプ１３は、ディーゼル機関２０の出力軸によって駆動される。高圧燃料ポンプ１３は、燃料配管１３ａによってコモンレール１４と接続されている。高圧燃料ポンプ１３は、フィードポンプ１２によって供給された燃料をさらに昇圧し、コモンレール１４に供給する。

コモンレール１４は、燃料配管１４ａを介して複数の燃料噴射装置１００と接続されている。図１では、１つの燃料噴射装置１００を示している。燃料配管１４ａは、燃料を各燃料噴射装置１００に供給する燃料流路１５を形成している。コモンレール１４は、高圧燃料ポンプ１３から供給される高圧の燃料を一時的に蓄え、圧力を保持したまま各燃料噴射装置１００に分配する。コモンレール１４において余剰となった燃料は、減圧されつつ、余剰燃料配管１４ｂに排出される。余剰燃料配管１４ｂは、燃料タンク１１に余剰燃料を還流させる戻り流路１６を形成している。

機関制御装置１７は、燃料噴射制御装置であって、演算回路としてのプロセッサ、ＲＡＭ、および書き換え可能な不揮発性の記憶媒体を含むマイクロコンピュータ又はマイクロコントローラと、各燃料噴射装置１００を駆動する駆動回路とを含む構成である。機関制御装置１７は、ディーゼル機関２０の稼動状態に応じて各燃料噴射装置１００の作動を制御する。

機関制御装置１７は、各種センサからの情報を取得し、各部を制御する。機関制御装置１７は、たとえばコモンレール１４の圧力を検出する圧力センサから取得した燃料圧力を用いて、コモンレール１４の圧力を制御する。

燃料噴射装置１００には、燃料配管１４ａおよび戻り配管１４ｃが接続されている。燃料噴射装置１００は、燃焼室２２を形成するヘッド部材２１の挿入孔に挿入された状態で、当該ヘッド部材２１に取り付けられている。燃料噴射装置１００は、燃料流路１５を通じて供給される燃料を、複数の噴孔４４から燃焼室２２内に直接的に噴射する。燃料噴射装置１００は、噴孔４４からの燃料の噴射を制御する弁機構を備えている。弁機構は、機関制御装置１７からの駆動信号に基づいて作動するバルブニードル５４（図２参照）と、噴孔４４を開閉するノズルニードル５０と、を含んでいる。燃料噴射装置１００は、噴孔４４を開閉するために、燃料流路１５を通じて供給される燃料の一部を使用する。噴孔４４の開閉に用いられた燃料は、減圧されつつ、戻り配管１４ｃに排出される。戻り配管１４ｃは、余剰燃料配管１４ｂと共に、燃焼に用いられなかった燃料を燃料タンク１１に還流させる戻り流路１６を形成している。

次に、燃料噴射装置１００に関して、図２および図３を用いて説明する。燃料噴射装置１００は、図２に示すように、ノズルニードル５０、弁ボデー５１、駆動部５２、制御プレート５３およびバルブニードル５４を含んで構成される。

弁ボデー５１は、金属材料よって形成されたシリンダ等の複数の部材を組み合わせることによって構成されている。弁ボデー５１には、シート部４１、高圧流路４２、流入流路４３、噴孔４４、低圧流路４５、圧力制御室４６、中間室４７および駆動部収容室４８が形成されている。

噴孔４４は、燃焼室２２へ挿入される弁ボデー５１において、挿入方向の先端部に形成されている。先端部は、円錐状または半球状に形成されている。噴孔４４は、弁ボデー５１の内側から外側に向けて少なくとも１つ、本実施形態では放射状に複数設けられている。高圧の燃料は、各噴孔４４から燃焼室２２へ向けて噴射される。高圧の燃料は、噴孔４４を通過することによって霧化され、空気と混合し易い状態となる。シート部４１は、弁ボデー５１の先端部の内側に、円錐状に形成されている。シート部４１は、噴孔４４の上流側において高圧流路４２に臨んでいる。

高圧流路４２は、図１に示すコモンレール１４を通じてコモンレール１４から供給される高圧の燃料を、噴孔４４に供給する。流入流路４３は、高圧流路４２と圧力制御室４６とを連通させている。流入流路４３は、高圧流路４２を流通する燃料の一部を圧力制御室４６に流入させる。流入流路４３には、流入オリフィスとしてメインインオリフィス４３ａが設けられている。メインインオリフィス４３ａは、高圧流路４２から圧力制御室４６に流れる燃料の流量を制限する。

低圧流路４５は、弁ボデー５１内を高圧流路４２に沿って延伸している。低圧流路４５は、圧力制御室４６の燃料（リーク燃料）を、燃料噴射装置１００の外部の低圧側である余剰燃料配管１４ｂに流出させる排出通路の一部である。排出通路は、低圧流路４５、中間室４７と、後述する上流側連通路５５、および下流側連通路５６等とによって構成されている。低圧流路４５を流通する燃料の圧力は、圧力制御室４６の燃料の圧力よりも低くなっている。

圧力制御室４６は、弁ボデー５１の内部において、ノズルニードル５０を挟んで噴孔４４の反対側に設けられている。圧力制御室４６は、制御プレート５３、シリンダ５７、およびノズルニードル５０によって区画された円柱状の空間である。圧力制御室４６には、流入流路４３を通じて高圧の燃料が流入する。圧力制御室４６の燃料圧力は、流入流路４３からの高圧の燃料の流入と、中間室４７への燃料の流出と、中間室４７からの流入とにより変動する。圧力制御室４６における燃料圧力の変動によってノズルニードル５０が往復変位する。

中間室４７は、バルブニードル５４を収容する円柱状の空間である。中間室４７は、圧力制御室４６と駆動部収容室４８との間に位置している。中間室４７の軸方向は、圧力制御室４６およびシリンダ５７の軸方向に沿っている。中間室４７と圧力制御室４６との間には、上流側連通路５５が形成されている。中間室４７には、上流側連通路５５を通じて、圧力制御室４６から排出された燃料が流入する。上流側連通路５５の燃料圧力は、中間室４７の燃料圧力と実質的に同一となる。

また中間室４７と駆動部収容室４８との間には、下流側連通路５６が形成されている。下流側連通路５６は、中間室４７から排出された燃料を主に低圧流路４５に流通させる。また中間室４７とノズルニードル５０が収容されているニードル収容室５８との間には、中間通路５９が形成されている。中間室４７には、中間通路５９を通じて、高圧流路４２から供給された燃料がニードル収容室５８を経て流入する。また中間通路５９には、サブインオリフィス５９ａが形成されている。サブインオリフィス５９ａは、中間通路５９の流路面積を絞る構成である。サブインオリフィス５９ａは、バルブニードル５４が閉弁状態である場合に、ニードル収容室５８から中間室４７へ流出する燃料の流量を制限する。

中間室４７を区画する区画壁には、上シート部４７ａ、下シート部４７ｂおよび載置部４７ｃが形成されている。下シート部４７ｂは、中間室４７の区画壁のうちで、中間通路５９の開口周囲を囲む円環状の領域である。下シート部４７ｂは、バルブニードル５４の下端側を着座させる領域となる。

上シート部４７ａは、中間室４７の区画壁のうちで、下流側連通路５６の開口周囲を囲む円環状の領域である。上シート部４７ａは、バルブニードル５４の上端側を着座させる領域となる。載置部４７ｃは、中間室４７の区画壁のうちで、下シート部４７ｂの周囲を囲む領域である。載置部４７ｃには、後述するバルブスプリング６０の下端が載置されている。

駆動部収容室４８は、駆動部５２を収容する円柱状の空間である。駆動部収容室４８は、中間室４７から排出された燃料の一部によって満たされている。駆動部収容室４８の軸方向は、中間室４７の軸方向に沿っている。駆動部収容室４８と中間室４７とは、互いに同軸となるように設けられている。

ノズルニードル５０は、金属材料によって全体として円柱状に形成されている。ノズルニードル５０は、弁ボデー５１に収容されている。ノズルニードル５０は、金属製の線材を螺旋状に巻設したコイル状のノズルスプリング６１により、噴孔４４側へ向けて付勢されている。ノズルニードル５０は、弁受圧面６２およびフェース部６３を有している。ノズルニードル５０は、圧力制御室４６の燃料圧力を弁受圧面６２に受けることで、円筒状に形成されたシリンダ５７の内周壁面に沿って、軸方向に往復変位する。ノズルニードル５０は、弁ボデー５１に対して相対変位することにより、フェース部６３をシート部４１に離着座させる。フェース部６３は、噴孔４４を開閉する主弁部を、シート部４１と共に形成している。

駆動部５２は、駆動部収容室４８に収容されている。駆動部５２は、バルブニードル５４を駆動するための駆動力を発生させることで、圧力制御室４６と低圧流路４５との間を遮断状態から連通状態へと切り替える。駆動部５２は、機関制御装置１７から出力された駆動信号に基づき、発生させる駆動力の大きさを変更可能であり、たとえば二段階の駆動力を発生させることができる。

駆動部５２は、圧電素子積層体６４および伝達機構６５等によって構成されている。圧電素子積層体６４は、例えばＰＺＴ（ＰｂＺｒＴｉＯ３）と呼ばれる層と薄い電極層が交互に積まれた積層体である。圧電素子積層体６４には、機関制御装置１７から出力された入力駆動信号が入力される。圧電素子積層体６４は、駆動信号に応じた電圧（以下、「駆動電圧」）に従って、ピエゾ素子の特性である逆圧電効果により、駆動部収容室４８の軸方向に沿って伸縮する。

伝達機構６５は、圧電素子積層体６４の伸縮を伝達する機構である。伝達機構６５は、ピエゾピストン６６、バルブシリンダ６７、バルブピストン６８およびピストンスプリング６９を有している。ピエゾピストン６６は、円柱状に形成されている。ピエゾピストン６６は、圧電素子積層体６４と接している。ピエゾピストン６６には、伸縮する圧電素子積層体６４の動きが入力される。ピエゾピストン６６とバルブピストン６８を間隔をあけて、バルブシリンダ６７内に収容されている。ピエゾピストン６６とバルブピストン６８との間は、燃料で満たされており、油密室７０として機能する。

バルブシリンダ６７は、円筒状に形成されており、ピエゾピストン６６およびバルブピストン６８に外嵌されている。ピストンスプリング６９は、軸方向に弾性力を発生させる金属ばねである。ピストンスプリング６９は、バルブシリンダ６７に対してバルブピストン６８をバルブニードル５４へ向けて付勢している。

これによってピエゾピストン６６の変位は、油密室７０を介してバルブピストン６８に伝達される。バルブピストン６８には、中間室４７へ向かって円柱状に突出する駆動ピン７１が形成されている。駆動ピン７１は、下流側連通路５６に挿通されている。駆動ピン７１の先端面は、バルブニードル５４に接触している。

このように駆動部５２は、圧電素子積層体６４の伸縮を伝達機構６５によって軸方向に沿って伝達することで、駆動ピン７１を軸方向に往復変位させる。駆動部５２に入力される駆動電圧が高くなるほど、駆動ピン７１からバルブニードル５４に入力される駆動力、ひいては駆動ピン７１およびバルブニードル５４のリフト量が大きくなる。

制御プレート５３は、金属材料によって円盤状に形成されている。制御プレート５３は、弁ボデー５１の軸方向に沿って往復変位可能な状態で、シリンダ５７の内周側に配置されている。制御プレート５３と弁受圧面６２との間の空間が、実質的に圧力制御室４６となる。制御プレート５３は、制御プレート用スプリング７２により、シリンダ５７に対して上流側連通路５５へ向けて付勢されている。制御プレート５３には、第１アウトオリフィス５３ａが形成されている。第１アウトオリフィス５３ａは、制御プレート５３を板厚方向に貫通する貫通孔に形成されている。制御プレート５３の貫通孔および第１アウトオリフィス５３ａは、上流側連通路５５と圧力制御室４６とを連通している連通路として機能する。第１アウトオリフィス５３ａは、制御プレート５３が流入流路４３のメインインオリフィス４３ａを塞いでいる状態において、圧力制御室４６から上流側連通路５５および中間室４７へと流通する燃料の流量を制限する。

次に、バルブニードル５４に関して、図３および図４を用いて説明する。バルブニードル５４は、下流側連通路５６が連通し、かつ中間通路５９を遮断した駆動状態と、下流側連通路５６を遮断し、かつ中間通路５９を連通した停止状態とを切替えて、圧力制御室４６の圧力を変動させる制御部材である。バルブニードル５４は、図３に示すように、きのこ状であって、円盤部５４ａと円柱部５４ｂとを有する。円盤部５４ａは、円柱部５４ｂよりも直径が大きい。円柱部５４ｂは、円盤部５４ａよりも軸方向の寸法が大きい。円盤部５４ａの上面は、平坦状である。また円柱部５４ｂの先端は、球面状である。駆動部５２が駆動力を発生させていない場合には、下流側連通路５６を閉鎖させる。一方、駆動部５２が駆動力を発生させている場合には、バルブニードル５４は、下流側連通路５６を開状態にする。

バルブニードル５４は、図４に示すように、中間室４７に収容されている。バルブニードル５４は、中間室４７内を軸方向に沿って変位可能である。バルブニードル５４は、コイルばね状に形成されたバルブスプリング６０により、載置部４７ｃに対して、駆動部収容室４８へ向けて付勢されている。

バルブニードル５４には、上フェース部５４ｃが形成されている。上フェース部５４ｃは、下流側連通路５６と対向するバルブニードル５４の上端面に形成されている。上フェース部５４ｃは、平坦な円環状に形成されている。上フェース部５４ｃは、バルブスプリング６０の弾性力により、上シート部４７ａと接触する。バルブスプリング６０の付勢力と、中間室４７および低圧流路４５間における燃料圧力差とにより、上フェース部５４ｃは、上シート部４７ａに押し付けられる。上フェース部５４ｃの上シート部４７ａへの着座により、バルブニードル５４は、閉弁状態となる。このとき、中間通路５９は、中間室４７と連通状態にある。

バルブニードル５４には、下フェース部５４ｄが形成されている。下フェース部５４ｄは、中間通路５９と対向するバルブニードル５４の円柱部５４ｂの先端に形成されている。下フェース部５４ｄは、球面状に形成されている。下フェース部５４ｄは、駆動ピン７１の押圧により、下シート部４７ｂに押し付けられる。下フェース部５４ｄの下シート部４７ｂへの着座により、バルブニードル５４は、閉弁状態となり、中間通路５９を遮断する。

バルブニードル５４では、軸方向に沿って圧力制御室４６から駆動部収容室４８へ向かう方向が閉弁方向となり、軸方向に沿って駆動部収容室４８から圧力制御室４６へ向かう方向が開弁方向となる。駆動部５２が駆動力を発生させていない場合には、バルブニードル５４の上シート部４７ａへの着座により、下流側連通路５６は閉鎖された状態となる。また、閉弁位置にあるバルブニードル５４と下シート部４７ｂとの間には、開弁ギャップＧが形成されている。開弁ギャップＧは、バルブニードル５４の変位を許容する空間として機能する。

次に、燃料噴射装置１００の噴射作動の詳細を、図３〜図５を用いて説明する。図５（１）に示すように、噴射開始前では、機関制御装置１７から駆動部５２への駆動電圧の印加は中断されている。故に、駆動部５２は、駆動力を実質的に発生させていない。そのため、バルブニードル５４は、上フェース部５４ｃを上シート部４７ａに当接させた閉弁位置にて静止している。またバルブニードル５４と下シート部４７ｂとの間には、開弁ギャップＧが形成されている。バルブニードル５４が閉弁状態にあることで、中間室４７の燃料圧力は、実質的に圧力制御室４６の燃料圧力と同程度まで上昇している。以上の状態では、制御プレート５３は、制御プレート用スプリング７２の弾性力により、流入流路４３の開口周囲の壁面に押し当てられている。また、ノズルニードル５０は、フェース部６３をシート部４１に当接させた閉弁位置にて静止している。

次に、図５（２）に示すように、機関制御装置１７から駆動部５２への駆動電圧の印加が開始され、ピエゾ駆動がＯＮとなる。これにより駆動部５２は、駆動力を発生させる。機関制御装置１７は、バルブニードル５４の開弁力よりも大きい駆動力がバルブニードル５４に作用するよう、駆動部５２に印加する駆動電圧を制御する。

駆動部５２が駆動力を発生させている場合、駆動ピン７１が変位する。駆動ピン７１によって押し下げられたバルブニードル５４は、開弁方向への変位により、上フェース部５４ｃを上シート部４７ａから離座させる。そうしたうえで、バルブニードル５４は、下シート部４７ｂに円柱部５４ｂの先端の下フェース部５４ｄを当接させる。こうしたバルブニードル５４の開弁方向への変位により、開弁ギャップＧは消失する。また中間通路５９が閉弁され、中間通路５９から中間室４７への燃料の流入が遮断される。

以上のバルブニードル５４の開弁により、圧力制御室４６と低圧流路４５との間は、遮断状態から連通状態へと切り替わる。その結果、圧力制御室４６の高圧燃料は、制御プレート５３の第１アウトオリフィス５３ａ、上流側連通路５５、中間室４７を順に流通し、下流側連通路５６を経て低圧流路４５へ排出される。

このとき、第１アウトオリフィス５３ａの絞り面積により、下流側連通路５６の流路面積が規定される。故に、下流側連通路５６は、圧力制御室４６から低圧流路４５への燃料の流出流量が第１アウトオリフィス５３ａによって制限された絞り状態となる。

開口面積は、上シート部４７ａおよび上フェース部５４ｃの間の流路面積である。第１アウトオリフィス５３ａによる流量制御を可能にするため、開弁ギャップＧは、開口面積が第１アウトオリフィス５３ａの絞り面積よりも大きくなるように予め規定されている。

このような下流側連通路５６を通じた燃料の流出により、圧力制御室４６の燃料圧力は、徐々に低下する。その結果、ノズルニードル５０は、フェース部６３に作用する高圧燃料の圧力により、圧力制御室４６へ向けて徐々に加速しつつ開弁方向に変位する。以上によるノズルニードル５０の開弁により、噴孔４４からの燃料噴射が開始される。

このように駆動部５２によってバルブニードル５４を駆動状態にすると、制御プレート５３は流入流路４３を遮断した状態で、第１アウトオリフィス５３ａ、上流側連通路５５、中間室４７および低圧流路４５を介して圧力制御室４６の燃料が流出する。その結果、圧力制御室４６の圧力が下降する。これによってノズルニードル５０が変位して噴孔４４を開状態とする。

次に、図５（３）に示すように、閉弁動作時に関して説明する。閉弁動作時では、機関制御装置１７から駆動部５２への駆動電圧の印加が中断され、ピエゾ駆動がＯＦＦとなる。すると、駆動部５２の駆動力は、バルブニードル５４の開弁力を下回り、やがて消失する。以上により、バルブニードル５４は、バルブスプリング６０の弾性力と燃料圧力とによって閉弁方向へ向けて変位する。これによって上フェース部５４ｃを上シート部４７ａに当接させた閉弁状態に戻る。その結果、圧力制御室４６と低圧流路４５との間が連通状態から遮断状態へと切り替えられ、下流側連通路５６は、閉鎖された状態に戻る。

一方、制御プレート５３は、流入流路４３から流入する高圧燃料の燃料圧力によって押し下げられる。これによってメインインオリフィス４３ａを介して、流入流路４３から圧力制御室４６に燃料が流入する。またバルブニードル５４が閉弁方向に変位して、下シート部４７ｂと離間すると、中間通路５９のサブインオリフィス５９ａが開放される。その結果、ニードル収容室５８の高圧燃料は、中間通路５９、中間室４７、上流側連通路５５、圧力制御室４６を順に流通する。これにより、中間室４７および圧力制御室４６の各燃料圧力は、一体的に回復する。

この結果、図５（４）に示すように、ノズルニードル５０は、圧力制御室４６の燃料圧力によって押し下げられて、閉弁位置にてフェース部６３をシート部４１に当接させた状態に戻る。以上のノズルニードル５０の閉弁により、噴孔４４からの燃料噴射は中断される。そして、圧力制御室４６の燃料圧力が回復すると、制御プレート５３が流入流路４３のメインインオリフィス４３ａを塞いでいる状態となる。これによって図５（１）に示す状態となる。

このように駆動部５２によってバルブニードル５４を停止状態にすると、制御プレート５３は流入流路４３の圧力で流入流路４３を連通した状態となる。そして、流入流路４３およびニードル収容室５８、中間通路５９、中間室４７および上流側連通路５５を介して圧力制御室４６に燃料が流入して、圧力制御室４６の圧力が上昇して、弁体が変位して噴孔４４を閉状態にする。

次に、バルブニードル５４の構成による作用を説明する。前述のようにバルブニードル５４は、上フェース部５４ｃは、平面状、すなわちフラットである。また下フェース部５４ｄは、球面状である。

フェースが球面である場合、図８に示すように、シートも斜面となる。これによってリフト量が同じでも、シート角度によって流路面積が異なる。これは、リフト量をＬ、シート角度をαとすると、流路断面積の高さＨが、次式（１）で示されるからである。

Ｈ＝ Ｌ×ｓｉｎα …（１）
これに対して、フラットシートの場合は、リフト量Ｌと、流路断面積の高さＨは、等しくなる。

これによって図６に示すように、シート角度が小さくシート径が小さくなると、流路断面積の高さＨが小さくなる。したがって同じ第１リフト量Ｌ１でも、シート径が小さい方が、流量が少なくなる。またフラットシートであると、同じ第１リフト量Ｌ１でも、流量が球面シートよりも大きくなる。

また図７に示すように、球面シートのシート径が小さいと、リフト量を大きくしても、流量が増加しにくいことがわかる。換言すると、リフト量を大きくしても、流量を増加させることができない。

そこで本実施形態では、バルブニードル５４の上シートを平面の上フェース部５４ｃと平面の上シート部４７ａによって、平面シートとしている。また下シートを球面状の下フェース部５４ｄと斜面の下シート部４７ｂによって球面シートとしている。

バルブニードル５４は、下流側連通路５６を遮断する部分が平面状である。下流側連通路５６を遮断する部分を平面状にすることで、球面状の構成に比べて、シート径を小さくしても開口面積を確保することができる。これによってシート径を小さくして、停止状態でバルブニードル５４が中間室４７の閉弁方向に接触しているときに生じる油圧力が小さくすることができる。したがって小さい駆動力でバルブニードル５４を噴孔４４側である開弁方向に変位させることができるので、駆動部５２が大形化することを防ぐことができる。

また平面状であるので、球面状の構成に比較して開口面積が大きくバルブニードル５４の偏心およびリフト量のばらつき等の外乱に対してよりロバストであり、駆動状態にするときの通過流量の変化が小さい。これによって噴射量精度向上および繰り返しばらつき低減をすることができる。

またバルブニードル５４は、中間通路５９を遮断する部分が球面状である。これによって中間通路５９を遮断するときに調心されるので、中間通路５９を連通するときに、中間室４７への流入量のばらつきが抑制される。これによってノズルニードル５０の閉弁タイミングのばらつきが低減されるので、噴射量のばらつきの少ない噴射特性を得ることができる。また中間通路５９を遮断する部分が球面状であるので、開口面積は平面状の構成に比べて小さくなる。しかし、制御プレート５３を収容する圧力制御室４６へは、図５（４）に示すように、流入流路４３のメインインオリフィス４３ａからだけでなく、上流側連通路５５からも高圧燃料が流入する。そのため、ノズルニードル５０の速い閉弁速度に必要な流量を維持することができる。

このように本実施形態では、上シートにて面積特性良化して、シート径縮小による駆動エネルギ低減と、下シートによるバルブニードル５４の調心作用維持による噴射量ばらつき低減、体格および製造コスト維持という点を備えた燃料噴射装置１００を実現できる。

第１実施形態において、下流側連通路５６が「排出通路」に相当し、ノズルニードル５０が「弁部材」に相当する。また、バルブニードル５４が「制御部材」に相当し、上流側連通路５５が「流出通路」に相当する。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に関して、図９を用いて説明する。本実施形態では、下流側連通路５６が複数、本実施形態では２つ形成されている点に特徴を有する。

具体的には、下流側連通路５６は、駆動ピン７１が配置される部分から２つに分岐し、戻り流路１６に至る分岐通路５６ａを有する。分岐通路５６ａは、図９に示すように、対向する位置に配置される。

これによって分岐通路５６ａから燃料が流出するときに、バルブニードル５４に作用する力を軸対称にすることができる。したがって下流側連通路５６が１つの構成に比べて、バルブニードル５４に作用する力の偏りが少なくなるので、バルブニードル５４が傾くことを抑制することができる。

また駆動ピン７１が傾いたり、位置がずれた場合であっても、いずれか一方の分岐通路５６ａからは燃料が流出する。したがって駆動ピン７１によって下流側連通路５６が塞がれることを防ぐことができる。これらによって噴射量精度向上および繰り返しばらつき低減をすることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に関して、図１０を用いて説明する。本実施形態では、下流側連通路５６が複数、本実施形態では２つ形成されている点に特徴を有する。さらに分岐通路５６ａと下流側連通路５６との連結部分には、通路断面積が分岐通路５６ａおよび下流側連通路５６の通路断面積よりも大きい拡大部７４が設けられている点に特徴を有する。

拡大部７４を設けることによって、通路断面積を大きくすることができる。これによって中間室４７から燃料を流出するときの通路抵抗を小さくすることができる。したがって燃料の排出をスムーズに行うことができる。

また駆動ピン７１が傾いたり、位置がずれた場合であっても、拡大部７４からは燃料が流出する。したがって駆動ピン７１によって下流側連通路５６が塞がれることを防ぐことができる。

また本実施形態では、下流側連通路５６は２つ形成されているが１つであってもよい。下流側連通路５６が１つであっても、拡大部７４によって通路断面積を大きくすることができる。したがって同様の作用および効果を奏することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に関して、図１１を用いて説明する。本実施形態では、駆動ピン７１は、下流側連通路５６の一部に配置され、内側に凹となる凹部７５が設けられている点に特徴を有する。凹部７５は、駆動ピン７１のうち、分岐通路５６ａの入口に対向する領域に設けられる。

下流側連通路５６は、駆動ピン７１が配置される部分から分岐し、戻り流路１６に至る分岐通路５６ａを有する。これによって第３実施形態と同様に、通路断面積を大きくすることができる。これによって中間室４７から燃料を流出するときの通路抵抗を小さくすることができ、燃料の排出をスムーズに行うことができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。

前述の実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。

前述の第１実施形態では、バルブニードル５４は、１つの部材から構成されるが、このような構成に限るものではない。バルブニードル５４を２つの部材を連結するように構成してもよい。これによって駆動部５２のリフト量が可変の場合に、開弁速度を可変にする構造にすることができる。

前述の第１実施形態では、燃料として軽油を噴射する燃料噴射装置１００に適用しているが、軽油以外の燃料、例えばジメチルエーテル等の液化ガス燃料を噴射する燃料噴射装置１００にも適用可能である。

前述の第１実施形態において、機関制御装置１７によって実現されていた機能は、前述のものとは異なるハードウェアおよびソフトウェア、またはこれらの組み合わせによって実現してもよい。機関制御装置１７は、たとえば他の制御装置と通信し、他の制御装置が処理の一部または全部を実行してもよい。機関制御装置１７が電子回路によって実現される場合、それは多数の論理回路を含むデジタル回路、またはアナログ回路によって実現することができる。

１０…燃料供給システム １４…コモンレール １５…燃料流路 １６…戻り流路
１７…機関制御装置 ４２…高圧流路 ４３…流入流路 ４４…噴孔 ４５…低圧流路
４６…圧力制御室 ４７…中間室 ４７ａ…上シート部 ４７ｂ…下シート部
４７ｃ…載置部 ４８…駆動部収容室 ５０…ノズルニードル（弁体）
５１…弁ボデー ５２…駆動部 ５３…制御プレート
５３ａ…第１アウトオリフィス（連通路） ５４…バルブニードル（制御部材）
５４ｃ…上フェース部 ５４ｄ…下フェース部 ５５…上流側連通路（流出通路）
５６…下流側連通路（排出通路） ５６ａ…分岐通路 ５８…ニードル収容室（収容室）
５９…中間通路 ６４…圧電素子積層体 ７１…駆動ピン
７４…拡大部 ７５…凹部 １００…燃料噴射装置

Claims (4)

1. 燃料流路（１５）を通じて供給される燃料を噴孔（４４）から噴射し、供給された燃料の一部を戻り流路（１６）に排出する燃料噴射装置（１００）であって、
   前記噴孔、前記燃料流路に連通する高圧流路（４２）、前記高圧流路を通じて供給される燃料が流入する圧力制御室（４６）、前記高圧流路を通じて供給される燃料が流入する収容室（５８）、前記圧力制御室の燃料が流出する中間室（４７）、前記圧力制御室と前記中間室と連通する流出通路（５５）、前記収容室と前記中間室とを連通する中間通路（５９）、および前記中間室から前記戻り流路へと燃料を排出する排出通路（５６）を形成している弁ボデー（５１）と、
   前記収容室に収容され、前記圧力制御室の圧力変動によって往復変位することにより、前記噴孔を開閉する弁体（５０）と、
   前記中間室に収容され、前記排出通路が連通し、かつ前記中間通路を遮断した駆動状態と、前記排出通路を遮断し、かつ前記中間通路を連通した停止状態とを切替えて、前記圧力制御室の圧力を変動させる１つの制御部材（５４）と、
   前記圧力制御室に収容され、前記圧力制御室と前記高圧流路とが連通した状態と遮断した状態とを切替えるとともに、前記流出通路と前記圧力制御室とを連通する連通路（５３ａ）が形成されている制御プレート（５３）と、
   駆動すると、前記制御部材を前記噴孔側に押圧する駆動部（５２）と、を含み、
   前記駆動部によって前記制御部材を前記駆動状態にすると、前記制御プレートは前記高圧流路を遮断した状態で、前記連通路、前記流出通路、前記中間室および前記排出通路を介して前記圧力制御室の燃料が流出して前記圧力制御室の圧力が下降して、前記弁体が変位して前記噴孔を開状態とし、
   前記駆動部によって前記制御部材を前記停止状態にすると、前記制御プレートは前記高圧流路の圧力で前記高圧流路を連通した状態となり、前記高圧流路および前記収容室、前記中間通路、前記中間室および前記流出通路を介して前記圧力制御室に燃料が流入して、前記圧力制御室の圧力が上昇して、前記弁体が変位して前記噴孔を閉状態にするものであり、
   前記制御部材は、
   前記駆動状態では、前記中間室の前記噴孔側に接触して、前記中間通路を遮断し、
   前記停止状態では、前記中間室の前記噴孔とは反対側に接触して、前記排出通路を遮断し、
   前記中間通路を遮断する部分が球面状であり、前記排出通路を遮断する部分が平面状であり、
   前記中間室の区画壁のうち前記停止状態で前記制御部材と接触する上シート部（４７ａ）は円環状であり、前記区画壁の他の部分よりも前記噴孔側に突出している燃料噴射装置。
2. 前記駆動部は、駆動すると前記噴孔側に変位する駆動ピン（７１）を有し、
   前記駆動ピンは、前記排出通路の一部に配置され、
   前記排出通路は、前記駆動ピンが配置される部分から複数に分岐し、前記戻り流路に至る分岐通路（５６ａ）を有する請求項１に記載の燃料噴射装置。
3. 前記駆動部は、駆動すると前記噴孔側に変位する駆動ピン（７１）を有し、
   前記駆動ピンは、前記排出通路の一部に配置され、
   前記排出通路は、前記駆動ピンが配置される部分から分岐し、前記戻り流路に至る分岐通路（５６ａ）を有し、
   前記分岐通路と前記排出通路との連結部分には、通路断面積が前記分岐通路および前記排出通路の通路断面積よりも大きい拡大部（７４）が設けられている請求項１または２に記載の燃料噴射装置。
4. 前記駆動部は、駆動すると前記噴孔側に変位する駆動ピン（７１）を有し、
   前記駆動ピンは、前記排出通路の一部に配置され、内側に凹となる凹部（７５）が設けられており、
   前記排出通路は、前記駆動ピンが配置される部分から分岐し、前記戻り流路に至る分岐通路（５６ａ）を有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料噴射装置。

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