JP2006200535A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ３つの異なる噴射率で噴射することを可能にする外側弁と内側弁ニードルとを備えている内燃機関用の燃料噴射装置を提供すること。
【解決手段】燃料噴射装置は、ノズル穴４２内に設けられたノズル本体３６と、１つ以上の第１ノズル出口３８を通る燃料送達を制御するように内側弁シート部４８と係合可能である内側弁１６と、ノズル穴内に嵌入された外側弁１８であって、１つ以上の第２ノズル出口４０を通る燃料送達を制御するように外側弁シート部と係合可能である外側弁とを備えている。内側弁及び外側弁の移動を制御するためのアクチュエータ１４は、作動力を内側弁及び外側弁に伝達し、燃料が１つ以上の第１出口又はその各々のみを通して送達される第１噴射状態をもたらすように、内側弁のみを移動させるか、又は燃料が１つ以上の第２出口又はその各々のみを通して送達される第２噴射状態をもたらすように、外側弁のみを作動させることを可能にする。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関用の燃料噴射装置に関する。特に、この噴射装置は、外側弁内に同心に配置された内側弁ニードルを備え、これらの弁の各々は、内燃機関の燃焼室内への燃料の送達を制御するものである。

可変オリフィスノズル（ＶＯＮ）と一般的に呼ばれる噴射ノズルを有する燃料噴射装置を設けることが知られている。この噴射ノズルでは、ノズル本体が止まり穴を備え、第１外側弁は、この止まり穴内において、アクチュエータの制御によって移動可能になっている。ノズル本体内に設けられたこの止まり穴はシート面を画成し、外側弁は、ノズル本体の長さに沿った第１軸方向位置に設けられた第１ノズル出口の組を通る燃料送達を制御するように、このシート面と係合可能である。外側弁は、それ自体、さらに他の穴を備え、第２内側弁ニードルがこの穴内において移動することができるようになっている。この内側弁ニードルは、外側弁のさらに他の穴の開口端を通って突出し、ノズル本体の長さに沿った第２下側軸方向高さに設けられた第２出口の組を通る燃料送達を制御するように、シート面と係合可能である。

外側弁は、そのシートから持上げられるが、内側弁ニードルは着座したままで維持されるように単独で移動するか、又は内側弁も移動させるように、作動させることが可能である。すなわち、外側弁が所定の閾量を超える量だけ移動すると、外側弁の移動が内側弁ニードルに伝達され、内側弁ニードルも持上げられる。この作動段階中、第１及び第２出口の組の両方が、比較的高い燃料送達率を与えるように開かれる。もし外側弁が所定の閾量に達しない量だけ持上げられた場合、内側弁ニードルは、着座したままで維持され、第１出口の組のみを通るより低い燃料送達率の噴射が行なわれる。この形式の噴射ノズルは、本出願人の欧州特許第０９６７３８２号（デルファイ（Delphi) テクノロジー社）、又は本出願人の同時係属中の欧州特許出願第０４２５０１３２．０号（デルファイテクノロジー社）に記載されている。

前述の形式の可変オリフィスノズルは、それらが、燃料を第１出口の組のみを通して又は第１及び第２出口の組を通して燃焼室内に噴射するという融通性をもたらすという点において、ディーゼルエンジンに対して格別の利点をもたらすことになる。これによって、高エンジン出力モード用の大きな全燃料送達面積又は低エンジン出力モード用の小さい全燃料送達面積を有する燃料噴霧の選択が可能である。

用途によっては、より広い範囲の燃料送達噴霧をもたらすことが望ましいことが、認知されている。すなわち、場合によっては、２つの異なる噴霧組成物だけを噴射する設備では限界があることが、分かっている。さらに、異なる燃焼モード、例えば、予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）と従来のディーゼルモードの両方で作動するエンジンでは、異なるモードでの異なる燃料噴霧を実施し得ることが望ましい。ピストンがストロークの上死点にある前に噴射を早期に行なうＨＣＣＩ作動の場合、比較的狭い円錐角（典型的には、８０°の円錐角）の下向きの燃料噴霧を行なうと有利であり、その一方、従来のディーゼルモードの場合、広い円錐角（典型的には、１５０°の円錐角）の外向きの燃料噴霧を行なうと有利である。両方の出口組を通る噴射を必要とする高負荷作動の場合、噴霧は互いに干渉し、その結果、その運動量が低下し、ＨＣＣＩの場合における噴霧は、ピストンと衝突することになる。妥協案として、燃料噴霧角は、これらの問題を避けるように選択されるが、その結果、性能は、いずれのモードにおいても最適にはならない。

本発明の目的は、前述の課題に対処するように改良された噴射装置を提供することにある。

本発明の第１態様によれば、内燃機関用の燃料噴射装置が設けられ、この噴射装置は、ノズル穴を備えるノズル本体と、１つ以上の第１ノズル出口を通る燃料送達を制御するように、内側弁シート部と係合可能である内側弁と、ノズル穴内に嵌入された外側弁であって、１つ以上の第２ノズル出口を通る燃料送達を制御するように、外側弁シート部と係合可能である外側弁とを備えている。内側弁及び外側弁の移動を制御するための手段が設けられ、この手段は、作動力を内側弁及び外側弁に伝達し、燃料が１つ以上の第１出口又はその各々を通して送達される第１噴射状態をもたらすように、内側弁のみを移動させるか、又は燃料が１つ以上の第２出口又はその各々を通して送達される第２噴射状態をもたらすように、外側弁のみを移動させることを可能にするアクチュエータを含んでいる。噴射装置は、外側弁が所定の閾量を越える量だけ外側弁シート部から離れて移動した場合、外側弁の移動を内側弁に連結させ、これによって、内側弁も内側弁シート部から持上げられ、燃料が第１及び第２ノズル出口の両方を通して送達される第３噴射状態をもたらすための連結手段をさらに備えている。

本発明は、コモンレールからレール圧力の燃料が１つの噴射装置及び複数の他の噴射装置に供給されるコモンレール燃料噴射システムに用いるのに、特に適している。

従って、本発明は、第１、第２、又は第３噴射状態が選択されたかどうかに依存して、３つの異なる燃料噴霧、すなわち、燃料噴射率が達成され得るという利点をもたらすことになる。これは、２つの噴射率のみ（すなわち、一組の出口を通る噴射によって達成される比較的低い噴射率又は２組の出口を通る噴射によって達成される比較的高い噴射率のいずれか）が可能である既知の燃料噴射装置を上回る利点をもたらす。本発明によれば、低、中、及び高負荷での作動に対して、それぞれ、小、中、及び大出口面積をもたらすことが可能である。さらに、異なる燃焼モード、例えば、ＨＣＣＩモードと従来のディーゼルモードの両方で作動するエンジンでは、異なるモードでの異なる燃料噴霧を実施し得ることが望ましい。従って、ここに規定されるような３つの噴射状態の１つで噴射する能力を有する噴射装置は、この種の用途に実施されるときに、利点を発揮することになる。

好ましい実施形態において、噴射装置は、作動力を内側弁及び外側弁に伝達するための燃料制御室を備え、内側弁と関連する第１表面が制御室内の燃料圧力に晒され、外側弁と関連する第２表面が制御室内の燃料圧力に晒されるようになっている。

さらに他の好ましい実施形態において、第１及び第２表面は、制御室内の燃料圧力の増大によって、内側弁又は外側弁の１つが持上げられ、制御室内の燃料圧力の減少によって、内側弁又は外側弁の他の１つが持上げられるように、配置されている。

制御室は、制御室内の燃料圧力の増大によって、内側弁が開けられ、制御室内の燃料圧力の減少によって、外側弁が開けられるように、内側弁及び外側弁に対して構成されていることが好ましい。

好ましい実施形態において、外側弁は、内側弁が嵌入される弁穴を備え、内側弁は、保持部材に連結され、この保持部材は、弁穴を通って延在し、第１表面を画成している。保持部材は、内側弁から離れた端に、拡大ヘッドを備えていてもよい。この場合、この拡大ヘッドの下面が第１表面を画成するようになっている。

連結手段は、好ましくは、外側弁によって画成され、及び／又は外側弁と共に移動可能な当接面を備え、この当接面は、保持部材によって画成された協働作用表面と係合可能である。

好ましくは、当接面は、例えば、締まり嵌めにて、弁穴内に嵌入された環状部材により画成されている。この環状部材は、両方の弁が着座した場合、所定の閾量だけ、保持部材から離間されている。

アクチュエータは、好ましくは、圧電要素のスタックを備える圧電アクチュエータである。この圧電スタックを噴射圧力の燃料を受入れるためのスタック室内に配置することが好ましい。スタックは、スタック長さを増加させ、制御室内の圧力を増大させるように励磁可能であり、また、スタック長さを減少させ、制御室内の圧力を減少させるように脱磁可能である。

好ましい実施形態において、アクチュエータは、ピストン表面を有するアクチュエータピストンに連結され、制御室は、内側弁及び外側弁と関連する第１及び第２表面と、ピストン表面とによって、少なくとも部分的に画成されている。

さらに他の好ましい実施形態において、噴射装置は、内側弁シート部から離れて移動する内側弁の開弁運動を減衰するための減衰手段を備えている。

噴射装置は、典型的には、内側弁を内側弁シート部に向けて付勢するように作用するバネを収容するバネ室を備えている。好ましくは、減衰手段は、バネ室をスタック室に接続するアクチュエータピストン内に画成された規制通路を備えている。

噴射装置は、制御室をスタック室に接続するための規制流路手段をさらに備えているとよい。その結果、噴射装置が非噴射状態にあるとき、制御室内の燃料圧力は、噴射圧力と等しくなる傾向がある。制御室の圧力がスタック室内の圧力に追従する傾向にあるので、全ての力が噴射圧力と比例して維持され、レール内の燃料圧力のどのような迅速な変化が生じても、望まない噴射をもたらすことがない。規則流量手段のさらに他の利点は、アクチュエータが欠損した場合も、規制流量手段を通る流れによって、弁を自動的に閉鎖することができる点にある。加えて、燃料の「新しい」流れを制御室内にもたらすのを可能にすることによって、制御室内の燃料の劣化が回避されている。

好ましくは、規制流量手段は、アクチュエータピストンに設けられた規制流量通路によって、もたらされている。

さらに他の好ましい実施形態において、外側弁は、その外側弁が着座したとき、第２出口の両側に互いに離間して配置される上側及び下側シートラインを備え、これらの上側及び下側シートラインは、それぞれ、外側弁シート部の上側及び下側シートと係合可能である。

同様に、内側弁は、その内側弁が着座したとき、第１出口の両側に互いに離間して配置される上側及び下側シートラインを備えていてもよく、これらの上側及び下側シートラインは、それぞれ、内側弁シート部の上側および下側シートと係合可能である。

例えば、内側弁の上側及び下側シートラインは、それぞれ、内側弁に設けられた溝の上側縁及び下側縁によって画成されるとよく、前記溝は、上側縁を画成する切頭円錐形状の上側溝領域と、下側縁を画成する切頭円錐形状の下側溝領域とを備えている。

同様に、外側弁の上側及び下側シートラインは、それぞれ、外側弁に設けられた溝の上側縁及び下側縁によって画成されるとよく、前記溝は、上側縁を画成する切頭円錐形状の上側溝領域と、下側縁を画成する切頭円錐形状の上側溝領域とを備えている。

好ましくは、ノズル穴は、燃料を第１及び第２出口に送達するための上側送達室と、燃料を第１及び第２出口に送達するための下側送達室とを画成している。内側弁は、燃料が上側送達室から下側送達室に向けて流れるのを可能にする流路手段を少なくとも部分的に画成している。

好ましくは、この流路手段は、内側弁の外面に設けられた１つ以上の平面を含んでいる。

さらに好ましい実施形態において、１つ以上の第１出口又はその各々は、１つ以上の第２出口又はその各々と比較して、異なる断面流れ面積を有している。例えば、第１出口は、第２出口と比較して、大きな断面流れ面積を有しているとよい。このようにして、３つの異なる燃料噴霧と噴射率を達成することが可能となる。

本発明の第２態様によれば、本発明の第１態様による燃料噴射装置に用いられる噴射ノズルが設けられ、このノズルは、外側弁の弁穴内に嵌入された内側弁を備えている。

以下、単なる例示にすぎないが、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。

図１及び図２を参照すると、総称的に１０で示される噴射装置は、総称的に１２で示される噴射ノズルと、作動手段とを備えている。この作動手段は、噴射制御室２０内の燃料圧力を制御することによって、第1及び第２噴射ノズル弁１６，１８の移動をそれぞれ制御するための圧電アクチュエータ１４を備えている。圧電アクチュエータ１４としては、両側に電圧が印加されたときに拡張及び収縮する圧電要素のスタック（積重ね）２２を備える既知の形式であればよい。この圧電スタック２２の特徴は、それが噴射装置収容部又は噴射装置本体２６内に画成される燃料充填室２４内に収容されることにある。圧電スタック２２を収容する燃料充填室２４は、噴射装置入口２８とノズルの供給室３０との間の燃料供給通路の一部を画成している。この燃料供給通路は、以下にさらに詳細に述べるように、噴射装置本体２６の上側領域と燃料充填室２４の下側領域３４に設けられるドリル穴３２によっても画成されている。使用時において、燃料は、コモンレール又は蓄圧容積室（図示せず）の形態にある高圧燃料源から噴射装置入口２８に供給され、スタック室２４を通って、ノズル供給室３０内に流れるようになっている。圧電アクチュエータ１４のさらなる詳細は、本出願人による欧州特許第０９９５９０１号（デルファイ（Delphi）テクノロジー社）を参照するとよい。

図２及び図３に最も明瞭に示されるように、噴射ノズル１２は、第1及び第２出口３８，４０が設けられたノズル本体３６を備えている。これらの出口３８，４０は、第２出口４０がノズル本体３６に沿って第１出口３８よりも高い軸方向位置を占めるように、主ノズル本体軸に沿って軸方向に離間されている。第１出口３８は、比較的大きい直径を有し、燃料をエンジン内に噴射させる比較的大きい流れ面積をなし、第２出口４０は、比較的小さい直径を有し、燃料をエンジン内に噴射させる比較的小さい流れ面積をなしている。単一の第１出口３８と単一の第２出口４０のみが示されているが、実際には、２つ以上の第１出口の組と２つ以上の第２出口の組が設けられてもよい。従って、以下の説明では、第１出口３８の組と第２出口４０の組が、想定されている。

ノズル本体３６は、高圧下の燃料をノズル供給室３０から受けるための第1上側送達室４４を画成する軸方向に延在する止まり穴４２を備えている。この軸方向穴４２は、その止まり端において、燃料を受けるための第２下側送達室４６も画成している。その止まり端に向かって、軸方向穴４２の内面は、切頭円錐形状を有し、ここで、内側弁１６及び外側弁１８用の総称的に４８で示される弁シート面を画成している。

第1及び第２同軸弁１６，１８は、上側送達室４４と、第1及び第２出口組３８，４０との間の燃料の流量をそれぞれ制御するために、軸方向穴４２内に同心に配置されている。第１弁部材は、第1内側弁又は弁ニードル１６の形態を取り、その移動によって、燃料が第１出口３８を通って送達されるか否かを制御するようになっている。第２弁部材は、外側弁18の形態を取り、その移動によって、燃料が第２出口４０を通って送達されるか否かを制御するようになっている。外側弁は、軸方向に延在する貫通穴５０を有するスリーブの形態にある。外側弁１８は、その上端に、使用時に、外側弁１８の滑動を案内するようにノズル本体穴４２の隣接領域と協働で作用する拡大領域１８ｂを備えている。内側弁ニードル１６と外側弁１８は、以下にさらに詳細に述べるように、弁シート部によって画成されるそれぞれのシート部と係合可能である。図１〜図３において、内側弁１６及び外側弁１８は着座位置にあり、噴射装置はいわゆる非噴射状態にある。

内側弁ニードル１６は、その上端において、弁穴５０に沿って延在する保持部材、すなわち、内側弁を保持する部材５２に連結され、また内側弁ニードル１６は、弁穴５０の下部内に嵌入されている。内側弁ニードル１６は、比較的小さい直径を有する上側ステム１６ａを備えている。この上側ステム１６ａは、保持部材５２の下側領域内に嵌入され、これらの部分は、固着された形態で、（例えば、ネジ接続又は締まり嵌めによって）連結されている。内側弁ニードル１６は、一体に形成されるか又は別部品として保持されるカラー１６ｂを備えるような形状を有している。このカラー１６ｂは、外側弁１８の弁穴５０と、内側弁ニードル１６の滑動を案内するように、協働で作用している。保持部材５２は、その上端において、拡大ヘッド５２ａで終端している。

内側弁１６及び外側弁１８は、外側弁１８が所定の閾量Ｌを超えてそのシート部４８から離れて移動した場合、それらの弁を一緒に移動させるように作用する連結手段を備えている。この連結手段は、外側弁１８の弁穴５０の内面に締まり嵌めの形態で保持された環状部材、すなわち、リング５４と、使用時に、弁穴５０内で移動する内側弁保持部材５２の下側当接面５２ｄとを備えている。リング５４の上面５４ａは、保持部材５２の下側当接面５２ｄと係合可能であり、これによって、外側弁１８が量Ｌ（すなわち、両方の弁１６，１８が着座したときのリング５４と当接面５２ｄとの間の隙間）を超える量だけ持ち上がったときに、外側弁１８の移動が保持部材５２、従って、内側弁１６にも伝達されることになる。リング５４の下面５４ｂは、内側弁ニードル１６のカラー１６ｂ用の止め面を画成し、これによって、噴射装置が内側弁ニードル１６を単独で移動させるように作動されたときに、内側弁ニードル１６がシート部４８から持ち上がることができる大きさを制限している。

外側弁１８は、半径方向延在ドリル穴５６をさらに備え、このドリル穴５６の外端は、上側送達室４４と連通し、その内端は、内側弁ニードル１６の外面に設けられた平面又は溝１６ｃに連通している。半径方向延在ドリル穴５６及び平面１６ｃは、燃料が上側送達室４４と下側送達室４６との間を流れることを可能にする流路手段を一緒に画成するものである。

噴射装置の作動手段は、圧電スタック２２の拡張又は収縮によって、作動力を内側弁１６及び外側弁１８に伝達し、それらの独立した移動を可能にする伝達手段をさらに備えている。この伝達手段は、圧電スタック２２の末端部６０によって保持されたアクチュエータピストン５８と、噴射圧の燃料を受入れるための噴射制御室２０とを備えている。アクチュエータピストン５８は、ピストン穴６２を画成するスリーブの形態を取り、このピストン穴６２は、その上端に、第１内側弁バネ６６を収容するための第１バネ室６４を画成している。保持部材５２の拡大ヘッド５２ａは、ピストン穴６２の下部内に嵌入され、これによって、内側弁バネ６６が、拡大ヘッド５２ａに作用し、保持部材５２、従って内側弁ニードル１６を下方に付勢している。すなわち、バネ６６は、内側弁ニードル１６をそのシート部４８に係合させるように付勢している。

スカート６８は、アクチュエータピストン５８の底から下方に延在し、ノズル本体３６の上側延長部３６ａをすべり嵌めの形態で受入れるための拡大凹部を画成している。保持部材５２の拡大ヘッド５２ａの下面５２ｂが外側弁１８の上側端面１８ａと対向するように配置されている。従って、負荷伝達手段の制御室２０は、アクチュエータピストン５８の表面、外側弁１８の上面１８ａ、保持部材５２の拡大ヘッド５２ａの下面５２ｂ、及びノズル本体延長部３６ａの上面３６ｂによって、凹部内に画成されることになる。

第２バネ室７０は、外側弁１８の上端に位置する軸方向延在穴５０の拡大領域内に画成されている。この第２バネ室７０は、外側弁１８を弁シート部４８に係合させるように付勢する第２バネ７２を収容している。

制御室２０は、アクチュエータピストン５８のスカート６８に設けられた規制通路又はオリフィス７４の形態にある規制流量手段を通してスタック容積部２４，３４と連通している。規制通路７４の一端は制御室２０と連通し、規制通路７４の他端はスタック容積部２４，３５と連通している。規制通路７４は、噴射の終了時に、制御室２０内の燃料圧力が噴射圧力と等しくなる傾向にあるのを確実にし、これは、以下にさらに詳細に述べるように、噴射作動に利点をもたらすことになる。

アクチュエータピストン５８は、第１バネ室６４とスタック室２４との間に連通通路をもたらす半径方向延在ドリル穴７６をさらに備えている。このドリル穴７６が規制直径を有する場合、以下にさらに詳細に述べるように、このドリル穴７６が、保持部材５２、従って、内側弁ニードル１６の移動を減衰する手段をもたらすことになる。

以下、外側弁１８が弁シート部４８に着座する態様について、図４を参照して、さらに詳細に説明する。

外側弁１８は、その弁１８が着座したときに第２出口４０の上流側に位置する第１（上側）内側弁シートライン８０と、その弁１８が着座したときに第２出口４０の下流側に位置する第２（下側）内側弁シートライン８２と画成するような（すなわち、出口４０の両側にそれぞれのシートライン８０，８２を画成するような）形状を有している。外側弁１８は、溝又は凹状領域８４を備えており、この溝８４は、その上側縁及び下側縁において、上側及び下側シートライン８０，８２を画成している。溝８４は、上側溝領域と下側溝領域によって画成され、これら両方の領域は、切頭円錐形状を有し、弁シート部４８の隣接領域と一緒に、第２出口４０の入口端において、燃料を受けるための環状容積部を画成している。上側溝領域の直上において、外側弁１８は、切頭円錐形状のさらに他の領域を備えている。

外側弁１８の上側及び下側シートライン８０，８２は、それらの上側及び下側シートにおいて、弁シート部４８と係合し、上側シートは、ノズル本体３６の長さに沿ってより高い軸方向位置に配置されているので、下側シートよりも大きい直径を有している。

図示された例では、内側弁ニードル１６は、弁シート部４８と係合する球面形状の拡大ヘッドを備えている。しかし、代替的実施形態において、内側弁ニードル１６は、溝又は凹状領域を設け、その溝の上側縁及び下側縁において、弁シート部４８の上側及び下側弁シートと係合するための上側及び下側の内側弁シートラインを画成することによって、外側弁１８と同じように、弁シート部４８と係合してもよい。

以下、噴射装置の作動について、図５〜図１０を参照して説明する。

内側弁ニードル１６と外側弁１８の両方は、バネ６６，７２によって、それらのシート部に付勢されている図１〜図３に示される位置を基準として、この位置の状態では、高圧燃料がスタック容積部２４，３４を満たし、ノズル供給室３０と上側送達室４４に供給されるが、内側及び外側弁シート部を通過して第１及び第２出口３８，４０に達することができない。従って、エンジンへの噴射は行なわれない。この非噴射状態において、アクチュエータ１４は、中間レベルの電圧がスタックの両側に印加された第１励磁レベルに保持されている。以下の説明から明らかなように、この第１励磁レベルは、「中間励磁レベル」と呼ばれている。

第１出口３８を通して燃料を噴射するために、アクチュエータ１４は、スタックの両側に比較的な高い電圧を印加することによって、増大された第２励磁レベルに励磁され、これによって、スタック２２の長さを増大させている。スタックの拡張の結果、アクチュエータピストン５８が下方に移動され、制御室２０の体積が減少することになる。制御室２０の体積が減少すると、制御室２０内の燃料圧力が増大し、この増大した力が保持部材５２の拡大ヘッド５２ａの下面５２ｂに加えられる。（ドリル穴５６内の燃料圧力によって内側弁ニードル１６のスラスト面に加えられる力と組み合わせて作用する）保持部材５２に作用する力が第１バネ６６の付勢力を超えると、保持部材５２は、内側弁ニードル１６と一緒に上方向に持上げられる。内側弁ニードル１６が内側弁シート部４８から持ち上がると、燃料は、ドリル穴５６と平面１６ｃによって画成された流路を通って、下側送達室４６に流れ、第１出口３８を通って流出可能となる。これは、噴射装置の第１噴射状態と呼ばれている。

内側弁ニードル１６によって制御される第１出口３８が、外側弁１８によって制御される第２出口４０と比較して、比較的大きい断面流れ面積を有し、これによって、第１噴射状態では、比較的高い燃料送達率が達成されることが、例えば、図６の拡大断面図から明らかである。

第１噴射状態において、外側弁１８は、その外側弁１８を外側弁シート部４８に対して維持するように作用する第２バネ７２の力と制御室２０内の燃料圧力による（増大された）力によって、着座した状態で維持されている。ここで、リング５４の下面５４ｂは、内側弁ニードル１６の開弁運動の大きさを制限する内側弁ニードル１６の止め面を画成している。何故なら、内側弁ニードル１６のカラー１６ｂがその下面５４ｂと係合すると、内側弁ニードル１６のさらなる移動が妨げられるからである。

第１バネ室６４とスタック容積部２４，３４との間の連通を可能にするドリル穴７６の機能は、内側弁ニードル１６の開弁運動が減衰されることを確実にすることにある。これは、保持部材５２が、（内側弁ニードル１６と一緒に）、開弁方向に移動しているとき、バネ室６４内の燃料が、比較的低い流量でしか、規制ドリル穴７６を通って排出され得ないからである。この減衰効果の結果、内側弁ニードル１６の移動の制御が改善されることになる。

図５と図６に示される第１噴射状態から、噴射を終了させることが望まれる場合、圧電アクチュエータ１４を脱磁し、スタックの両側の電圧を減少させることによって、その中間レベルに戻し、これによって、スタック２２の長さは収縮又は短縮させられる。従って、アクチュエータピストン５８は、制御室２０の体積がその元の体積まで増加するように、移動させられる。制御室２０の体積が増すと、制御室２０内の燃料圧力が減少し、やがて、第１バネ６６の力が、保持部材５２と内側弁ニードル１６を下方に十分に付勢し、内側弁ニードル１６をそのシート部に再係合させることになる。

燃料は、内側弁ニードル１６の移動に応じて、アクチュエータピストン５８に設けられた規制通路７４を通して、制御室２０に流入及び流出することが可能となる。規制通路７４の機能は、アクチュエータ１４がその保持状態（中間励磁状態）に戻されたときに、制御室２０内の燃料の圧力がスタック容積部２４，３４内の燃料圧力と等しくなる傾向を確実にすることにある。これによって、制御室内の燃料圧力は、スタック容積部内の燃料圧力に追従し、その結果、全ての力が噴射圧力（すなわち、スタック容積部の圧力）と比例して維持されることになる。従って、レール圧力のどのような迅速な変化が生じても、望ましくない噴射をもたらすことがない。規制通路７４のさらに他の利点は、スタックが欠損した場合も、規制通路７４内の流れによって、（通常の噴射の遅れよりも長い遅れの後であっても）、ニードルを自動的に閉鎖することが可能である点にある。加えて、「新しい」燃料を制御室２０内に流入させることによって、制御室２０内の燃料の劣化に関連する欠点が回避されることになる。

図７及び図８を参照すると、第１出口３８のみを通る噴射とは対照的に、燃料を第２出口４０のみを通して噴射することが望まれる場合、アクチュエータ１４の励磁レベルを、スタックの両側の電圧を減少させることによって、中間レベル未満の第３励磁レベルに低下させる。その結果、スタック２２の長さは、元の長さよりも短くなり、アクチュエータピストン５８が、制御室２０の体積を増大する方向に移動することになる。制御室２０内の燃料圧力は減少し始め、やがて、ノズル供給室３０内の燃料による外側弁１８に作用する上向きの力が第２バネ７２の力を十分に上回り、外側弁１８がそのシート部から持ち上がる。次に、制御室２０内の燃料圧力が減少したとき、保持部材５２のヘッド５２ａに作用する持上げ力は、内側弁ニードル１６をそのシート部から持上げるには、不十分である。さらに、スタック２２の励磁レベルは、外側弁１８が距離Ｌ未満の量だけ持上げられるレベルまでしか低下しない。その結果、リング５４の表面５４ａと保持部材５２の５２ｄとが脱係合の状態で維持されているので、外側弁の移動は、内側弁ニードル１６に連結されないことになる。これは、燃料噴射が第２出口４０のみを通して行なわれる第２燃料噴射状態と呼ばれている。第２出口４０の大きさが第１出口３８の大きさよりも小さいので、この第２噴射状態の燃料送達率は、第１噴射状態と比較して、相対的に低いことが明らかであろう。

第２出口４０を通る噴射は、スタック２２をその元の長さに戻すように再励磁することによって、（すなわち、スタック２２を中間レベルに再び励磁することによって）、終端させることができる。これによって、制御室２０内の燃料圧力は外側弁１８を着座させるが、内側弁ニードル１６を持上げない十分に高いレベルに、回復されることになる。

外側弁１８に上側及び下側弁シートを設けることによる１つの利得は、上側送達室４４と第２出口４０との間に燃料用の２つの流路が存在するので、外側弁１８を所定量だけ持上げた場合に、第２出口４０に流れ得る燃料の量が、実質的に増大することにある。ここで、２つの流路は、外側弁シート部４８の上側を直接通る第１流路と、ドリル穴５６及び内側弁ニードル１６の平面１６ｃを通って外側弁シート部４８の下部を通る第２流路である。さらに、上流及び下流方向の両方から第２出口４０の入口端に流れることによって、第２出口４０へのより均一又は実質的に対称的な流れが得られ、燃焼室内への噴霧のバランスを改善するという付加的な利得が得られる。

図９及び図１０を参照すると、第１及び第２出口３８，４０の両方を同時に通して、燃料を噴射させることが望まれる場合、アクチュエータ１４は、スタックの両側の電圧をさらに減少させることによって、第３励磁レベルよりも低い第４励磁レベルに脱磁されるとよい。その結果、スタック長さは、さらに短い長さに減少し、アクチュエータピストン５８は、制御室２０の体積をさらに増加させる量だけ上方に移動することになる。従って、制御室２０内の燃料圧力は、さらに低い値（すなわち、第２噴射状態におけるよりも低い値）に減少することになる。

スタック２２を最小の第４励磁レベルに脱磁することによって、制御室２０内の圧力は、外側弁１８が距離Ｌを越えるさらに大きな量だけ移動し得るのに十分な値にまで、減少する。その結果、リング５４の当接面５４ａが保持部材５２の当接面５２ｄと係合し、従って、外側弁シート部４８から離れる外側弁１８のさらなる移動が、係合した面５４ａ，５２ｄを介して、内側弁ニードル１６に伝達されることになる。この第３噴射状態において、燃料噴射が第１及び第２出口３８，４０の両方を同時に通して、従って、第３の高噴射率で行なわれることになる。

第３噴射位置からの噴射を終了させるには、アクチュエータスタック２２をその元の保持状態に戻し、弁１６，１８の両方がバネ６６，７２によって閉じるように付勢されるのに十分な値に、制御室２０内の燃料圧力を減少させなければならない。

３つの異なる噴射率で噴射する能力によって、低、中及び高エンジン負荷でのエンジン作動に対して、それぞれ、低、中及び高燃料噴射率を達成し得る格別の利点がもたらされる。加えて、第１出口３８又は第２出口４０のいずれかを通し、独立して噴射することが可能であるので、ＨＣＣＩモードと従来のディーゼルモードの両方において、妥協することなく、効果的に作動することができる。この場合、第１及び第２出口３８，４０からの噴霧円錐角は、好ましくは、小さな角度差が得られるように、（すなわち、第１出口３８からの噴霧の円錐角と第２出口４０からの噴霧の円錐角との間の差が小さくなるように）、選択されている。何故なら、これらの噴霧円錐角の差が大きい場合、２つの噴霧が組み合わされたときに、（すなわち、出口組３８，４０の両方を通る噴射が行なわれるときに）、有利な結果をもたらさないからである。

本発明は、噴射装置が非噴射状態（噴射装置が殆どの時間において置かれている状態）にあるときにアクチュエータの電圧レベル（励磁レベル）が高い既知の噴射装置を上回るさらなる利点をもたらしている。本発明によれば、非噴射条件下では、電圧が中間レベルに維持され、内側弁ニードル１６を持上げ、第１出口３８のみを通して噴射することが必要とされるときにのみ、高励磁レベルに切り換えられる。従って、噴射装置が高励磁レベルにある期間が短く、これによって、アクチュエータの寿命が高められることになる。

異なる噴射モード間を迅速に切り換えることが必要とされない場合、噴射装置は、噴射過程の間に維持される電圧レベル（すなわち、非噴射状態における電圧レベル）を徐々に変化させることによって、異なった態様で作動されるとよい。次の噴射が、「高電圧」に切り換えて内側弁ニードル１６を持上げることによって、第１出口３８を通してなされることが予定されているとき、保持電圧レベルを、非噴射条件中に、ゼロに向けて変化させてもよい。次の噴射が、「低電圧」に切り換えて外側弁１８を持上げることによって、第２出口４０を通して行なわれることが予定されているとき、保持電圧レベルを、非噴射条件中に、高い電圧レベルに向けて変化させてもよい。この作動モードは、制御室２０を中間圧力レベルに維持し、アクチュエータ電圧を迅速に変化させずに、スタック容積部２４，３４と制御室２０との間の規制流路７４によって、可能となる。

前述の実施形態は、制御室２０内の圧力を制御するのに、圧電アクチュエータが用いられる噴射装置を記載しているが、磁歪アクチュエータ手段のような代替的作動手段が設けられても、同じ効果が達成され得ることが想定される。他の実施形態では、外側弁１８用のバネ７２が省かれてもよい。

本発明の第１実施形態の噴射ノズルを備えている噴射装置の断面図である。 内側弁及び外側弁が着座した非噴射位置にあるときに、図１に示される噴射ノズルの断面図である。 部品をより明瞭に示す、図２に示される噴射ノズルの拡大断面図である。 第１及び第２弁シートをより明瞭に示す、図２及び図３における噴射ノズルの外側弁の拡大図である。 内側弁のみが開いた第１噴射位置にあるときの図２〜図４に示される噴射ノズルの断面図である。 部品をより明瞭に示す、図５に示される噴射ノズルの拡大断面図である。 外側弁のみが開いた第２噴射位置にあるときの図２〜図６における噴射ノズルの断面図である。 部品をより明瞭に示す、図７に示される噴射ノズルの拡大断面図である。 内側弁及び外側弁の両方が開いた第３噴射位置にあるときの図２〜図８に示される噴射ノズルの断面図である。 部品をより明瞭に示す、図９に示される噴射ノズルの拡大断面図である。

符号の説明

１０ 噴射装置
１２ 噴射ノズル
１４ 圧電アクチュエータ
１６ 内側弁ニードル
１６ａ 上側ステム
１６ｂ カラー
１６ｃ 平面
１８ 外側弁
１８ａ 上側端面
１８ｂ 拡大領域
２０ 制御室
２２ 圧電要素のスタック
２４ 燃料充填室（スタック室）
２６ 噴射装置本体
２８ 噴射装置入口
３０ 供給室
３２ ドリル穴
３４ （燃料充填室の）下側領域
３６ ノズル本体
３６ａ 上側延長部
３６ｂ （上側延長部の）上面
３８ 第１出口
４０ 第２出口
４２ 止まり穴
４４ 第1上側送達室
４６ 第２下側送達室
４８ シート部
５０ 貫通穴
５２ 保持部材
５２ａ 拡大ヘッド
５２ｂ （拡大ヘッドの）下面
５２ｄ 下側当接面
５４ リング
５４ａ 上面
５４ｂ 下面
５６ ドリル穴
５８ アクチュエータピストン
６０ 末端部
６２ ピストン穴
６４ 第１バネ室
６６ 第１内側弁バネ
６８ スカート
７０ 第２バネ室
７２ 第２バネ
７４ オリフィス（規制通路）
７６ ドリル穴
８０ 第１弁シートライン
８２ 第２弁シートライン
８４ 溝領域
Ｌ 閾量（隙間）

Claims (21)

1. 内燃機関用の燃料噴射装置において、
   ノズル穴（４２）を備えるノズル本体（３６）と、
   １つ以上の第１ノズル出口（３８）を通る燃料送達を制御するように、内側弁シート部（４８）と係合可能である内側弁（１６）と、
   前記ノズル穴（４２）内に嵌入される外側弁（１８）であって、１つ以上の第２ノズル出口（４０）を通る燃料送達を制御するように、外側弁シート部（４８）と係合可能である外側弁（１８）と、
   作動力を前記内側弁及び外側弁（１６，１８）に伝達し、燃料が前記１つ以上の第１出口（３８）又はその各々のみを通して送達される第１噴射状態をもたらすように、前記内側弁（１６）のみを移動させるか、又は燃料が前記１つ以上の第２出口（４０）又はその各々のみを通して送達される第２噴射状態をもたらすように、前記外側弁（１８）のみを移動させることを可能にするアクチュエータと、
   前記外側弁（１８）が所定の閾量を超える量だけ前記外側弁シート部（４８）から離れて移動した場合、前記外側弁（１８）の移動を前記内側弁（１６）に連結させ、これによって、前記内側弁（１６）を前記内側弁シート部（４８）から持上げ、燃料が前記第１及び第２ノズル出口（３８，４０）の両方を通して送達される第３噴射状態をもたらすための連結手段（５４，５４ａ，５２ｄ）と、
   を備えていることを特徴とする燃料噴射装置。
2. 前記作動力を前記内側弁及び外側弁（１６，１８）に伝達するための燃料制御室（２０）を備え、前記内側弁（１６）と関連する第１表面（５２ｂ）が、前記制御室（２０）内の燃料圧力に晒され、前記外側弁（１８）と関連する第２表面（１８ａ）が、前記制御室（２０）内の燃料圧力に晒され、前記第１及び第２表面（５２ｂ，１８ａ）は、前記制御室（２０）内の燃料圧力の増大によって、前記内側弁又は外側弁（１６，１８）の１つがそのシート部から持上げられ、前記制御室（２０）内の燃料圧力の減少によって、前記内側弁又は外側弁（１６，１８）の他の１つがそのシート部から持上げられるように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料噴射装置。
3. 前記制御室（２０）は、前記制御室（２０）内の燃料圧力の増加によって、前記内側弁（１６）がそのシート部から離れて移動し、前記制御室（２０）内の燃料圧力の減少によって、前記外側弁（１８）がそのシート部から離れて移動するように、前記内側弁及び外側弁（１６、１８）に対して構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の燃料噴射装置。
4. 前記外側弁（１８）は、前記内側弁（１６）が嵌入される弁穴（５０）を備え、前記内側弁（１６）は、保持部材（５２）に連結され、前記保持部材（５２）は、前記外側弁（１８）に設けられた前記弁穴（５０）を通って延在し、前記第１表面（５２ｂ）を画成していることを特徴とする、請求項２または３に記載の燃料噴射装置。
5. 前記内側弁（１６）は、それ自体、前記第１表面を画成していることを特徴とする、請求項２または３に記載の燃料噴射装置。
6. 前記連結手段は、前記外側弁（１８）によって画成され、及び／又は前記外側弁（１８）と共に移動可能な当接面（５４ａ）を備え、前記当接面（５４ａ）は、前記保持部材（５２）によって画成された協働作用表面（５２ｄ）と係合可能であることを特徴とする、請求項４に記載の燃料噴射装置。
7. 前記当接面（５４ａ）は、前記弁穴（５０）に嵌入された環状部材（５４）によって画成されていることを特徴とする、請求項６に記載の燃料噴射装置。
8. 前記アクチュエータは、噴射圧力の燃料を受入れるスタック室（２４）内に配置された圧電要素のスタック（２２）を備える圧電アクチュエータ（１４）であり、前記スタック（２２）の長さの増加によって、前記制御室（２０）内の圧力を増大させ、前記スタック（２２）の長さの減少によって、前記制御室（２０）内の圧力を減少させるようになっていることを特徴とする、請求項２〜７のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
9. 前記アクチュエータ（１４）は、ピストン表面を有するアクチュエータピストン（５８）に連結され、前記制御室（２０）は、前記内側弁及び外側弁（１６，１８）と関連する前記第１及び第２表面（５２ｂ，１８ａ）、及び前記ピストン表面によって、少なくとも部分的に画成されていることを特徴とする、請求項８に記載の燃料噴射装置。
10. 前記内側弁シート部（４８）から離れる前記内側弁（１６）の開弁運動を減衰させるための減衰手段（７６）をさらに備えていることを特徴とする、請求項９に記載の燃料噴射装置。
11. 前記内側弁（１６）を前記内側弁シート部（４８）に向けて付勢すべく作用するバネ（６６）を収納するバネ室（６４）をさらに備え、前記減衰手段は、前記バネ室（６４）を前記スタック室（２４）に接続する前記アクチュエータピストン（５８）内に画成される規制通路（７６）を含んでいることを特徴とする、請求項１０に記載の燃料噴射装置。
12. 前記制御室（２０）を前記スタック室（２４，３４）に接続し、噴射の終了時に、前記制御室（２０）内の燃料圧力を前記スタック室（２０）内の燃料圧力と等しくするための規制流量手段（７４）をさらに備えていることを特徴とする、請求項１１に記載の燃料噴射装置。
13. 前記規制流量手段は、前記アクチュエータピストン（５８）内に設けられた規制流量通路（７４）であることを特徴とする、請求項１２に記載の燃料噴射装置。
14. 前記外側弁（１８）は、前記外側弁（１８）が着座したときに前記第２出口（４０）の両側に互いに離間して配置される上側及び下側シートライン（８０，８２）を備え、前記上側及び下側シートライン（８０，８２）は、それぞれ、前記外側弁シート部（４８）の上側及び下側シートと係合可能であることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
15. 前記内側弁（１６）は、前記内側弁が着座したときに前記第１出口（３８）の両側に互いに離間して配置される上側及び下側シートラインを備え、前記上側及び下側シートラインは、それぞれ、前記内側弁シート部（４８）の上側及び下側シートと係合可能であることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
16. 前記内側弁（１６）の前記上側及び下側シートラインは、それぞれ、前記内側弁（１６）に設けられた溝の上側縁及び下側縁によって画成され、前記溝は、前記上側縁を画成する切頭円錐形状の上側溝領域と前記下側縁を画成する切頭円錐形状の下側溝領域とを備えていることを特徴とする、請求項１５に記載の燃料噴射装置。
17. 前記外側弁（１８）の前記上側及び下側シートライン（８０，８２）は、それぞれ、前記外側弁（１８）に設けられた溝（８４）の上側縁及び下側縁によって画成され、前記溝（８４）は、前記上側縁を画成する切頭円錐形状の上側溝領域と、前記下側縁を画成する切頭円錐形状の下側溝領域とを備えていることを特徴とする、請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
18. 前記ノズル穴（４２）は、燃料を前記第１及び第２出口（３８，４０）に送達するための上側送達室（４４）と、燃料を前記第１及び第２出口（３８，４０）に送達するための下側送達室（４６）とを画成し、前記内側弁（１６）は、燃料が前記上側送達室（４４）から前記下側送達室（４６）に向けて流れることを可能にする流路手段（５６，１６ｃ）を少なくとも部分的に画成していることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
19. 前記流路手段は、前記内側弁（１６）の外面に設けられた１つ以上の平面（１６ｃ）を含んでいることを特徴とする、請求項１８に記載の燃料噴射装置。
20. 前記１つ以上の第１出口（３８）とその各々は、前記１つ以上の第２出口（４０）又はその各々と比較して、異なる断面流れ面積を有していることを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
21. 前記アクチュエータは、噴射圧力の燃料を受入れるためのスタック室（２４）内に配置された圧電要素のスタック（２２）を備える圧電アクチュエータ（１４）であり、前記スタック（２２）の長さの増加によって、前記制御室（２０）内の圧力を増大させ、前記スタック（２２）の長さの減少によって、前記制御室（２０）内の圧力を減少させるようになっていることを特徴とする、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。

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