JP2006274841A - 内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の課題は、アフタ噴射の積極的な活用により、エンジン燃焼を改善し、黒煙（すす）及びＮＯｘを低減する燃料噴射装置を提供することにある。
【解決手段】 第一噴孔群及び第二噴孔群を開閉する一つ以上の開閉弁とを備え、高負荷領域においてメイン噴射の後に連続してアフタ噴射を実行し、メイン噴射時には、第一噴孔群及び第二噴孔群から燃料が噴射され、アフタ噴射時には、第一噴孔群から燃料が噴射されて、アフタ噴射期間中の第一噴孔近傍の実噴射圧力が、メイン噴射期間中の第一噴孔近傍の実噴射圧力よりも高く、開閉弁が第一噴孔群を開いて噴射を開始した後、開閉弁が同時又は短時間で第二噴孔群をも開いてメイン噴射を実行し、開閉弁が第二噴孔群を閉じた後アフタ噴射を実行し、アフタ噴射開始後から同時又は短時間よりも長い時間の経過後に、開閉弁が第一噴孔群をも閉じて噴射を終了することを特徴とする、コモンレール式燃料噴射装置。
【選択図】 図８

Description

本発明は、内燃機関（以下、「エンジン」という）の燃料噴射装置に関する。

従来、メイン噴射の後に続いてアフタ噴射を実行するコモンレール式燃料噴射装置が知られている。この種の燃料噴射装置の例としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載された燃料噴射装置では、アフタ噴射を実行することによりエミッションを低減させることができる。また、特許文献２には、図１１及び段落番号〔００５５〕において、アフタ噴射らしき噴射率モードの記載があるが、詳細な内容の記載は無い。また、特許文献３には、メイン噴射の後に分離してアフタ噴射を実行するコモンレール式燃料噴射装置が、記載されている。そして、特許文献４、５には、本願発明と類似した構造のコモンレール式燃料噴射装置が、記載されている。

特開２００２−３２２９５７号公報 特開２００３−２５４１８８号公報 特開平１１−１８２３１１号公報 特開２００２−３１７７２７号公報 特開２００２−３２２９７０号公報

ところで、特許文献１に記載された燃料噴射装置では、ニードル弁先端部で燃料を押し出すことによりアフタ噴射を実行するので、アフタ噴射時の実噴射圧力が低く、アフタ噴射を一定時間実行してもメイン噴射時に発生した黒煙（すす）の燃焼やＮＯｘの還元ができないため、エミッションの低減が不十分となっていた。更には該燃料噴射装置では、アフタ噴射期間を自在に可変制御できないため、エンジン運転条件にマッチさせたエミッションの低減も不十分となっていた。更には該燃料噴射装置では、初期噴射ができないため、着火遅れに起因する燃焼騒音や筒内圧の急激な上昇を低減できない問題があった。又、特許文献３に記載された燃料噴射装置では、メイン噴射の後に連続してアフタ噴射を実行できない、あるいはアフタ噴射時の実噴射圧力が十分ではないため、エミッションの低減が不十分となっていた。更には該燃料噴射装置では、初期噴射の後に連続してメイン噴射を実行ができない問題があった。

初期噴射、メイン噴射、アフタ噴射について、以下に詳細に述べる。
図８（ｂ）は本願発明に係る燃料噴射装置の時間当たりの燃料噴射量すなわち噴射率を表したものである。図８（ｂ）に示すように、時刻ｔ₂からｔ₅までの時間をＴ₁で表し初期噴射期間と、時刻ｔ₅からｔ₉までの時間をＴ₂で表しメイン噴射期間と、時刻ｔ₉からｔ₁₂までの時間をＴ₃で表しアフタ噴射期間と、言う。
初期噴射はパイロット噴射とも言い、ディーゼル燃焼における着火遅れに起因する燃焼騒音やＮＯｘを低減させるためのものである。メイン噴射は、主として高出力を出すためのものである。一方、アフタ噴射に関する評価は、以下に述べるように、変転している。

ここで、アフタ噴射がエンジン筒内燃焼に及ぼす影響について述べる。
ディーゼルエンジンにおいて出力限界を決定する主要因は黒煙（すす）であり、黒煙（すす）を減少させることにより出力限界が上昇し高出力が可能となる。アフタ噴射は、従来の燃料噴射装置においては意図されたものではなく諸要因にて発生する現象であり、実噴射圧力が低くいわゆる後燃え現象を起こし、すすの発生要因となっていた。更にアフタ噴射を付加すると合計噴射期間が伸びることにより燃焼期間が伸び筒内サイクル効率が悪化することも懸念材料であった。このため、技術開発は、アフタ噴射期間を極力無くする方向に向かっていた。
しかし、近年、特許文献１及び特許文献３におけるようにアフタ噴射に着目した発明も開示されつつあるが、アフタ噴射のエンジン筒内燃焼への活用は不十分なものであった。

本発明の目的は、アフタ噴射の積極的な活用により、エンジン燃焼を改善し、黒煙（すす）及びＮＯｘを低減する燃料噴射装置を提供することにある。更には、着火遅れに起因する騒音やＮＯｘを低減するための初期噴射も併せて実行可能な燃料噴射装置を提供することにある。

これらの背景の下で、本願発明者は、アフタ噴射をエンジン燃焼へ積極的に活用を図ることを模索し、実験及びシミュレーション計算を繰り返した結果、ある一定条件の下で、積極的にアフタ噴射の活用を図ることによりエンジン燃焼性能を飛躍的に向上させ、黒煙（すす）及びＮＯｘを低減させ出力を大幅に向上させることが可能なことを発見した。

そのアフタ噴射の新しいコンセプトは以下の通りである。
（１）エンジン回転速度に関わらず高圧噴射が可能なコモンレール式燃料噴射装置を採用し、二種類の噴孔群を配設する。
（２）高負荷では、短時間で燃料の主要量をシリンダ内へ噴射しなければならないので、断面積の大きい噴孔により燃料の主要量をシリンダ内へ噴射する（メイン噴射）。短時間で燃料噴射する理由は、短時間で熱発生をさせ、エンジンサイクル効率を向上させるためである。この噴霧は、断面積の大きい噴孔を使用するため貫徹力（ペネトレーション）が大きく（すなわち燃料油滴の運動量は大きい）、燃料が微粒化されにくい。このためこの噴霧による燃焼は、すすが発生する。
（３）メイン噴射の直後に、アフタ噴射を連続して一定時間（従来考慮されていた時間を大幅に上回る時間、例えばメイン噴射と同程度の時間）実行する。これにより、アフタ噴射期間は必然的に初期噴射期間より長くなる。この場合、アフタ噴射時の実噴射圧力をメイン噴射時の実噴射圧力より大きくすることが必須条件である。（これにより、アフタ噴射による噴霧はガスに近いものとなる。）これは、例えば、主として全噴孔面積の大きい噴孔群から（全噴孔面積の小さい噴孔群から併せて噴射しても可）メイン噴射を実行し、全噴孔面積の小さい噴孔群からアフタ噴射を実行することにより達成される。更には、アフタ噴射量はメイン噴射量より少なくすることが望ましい。アフタ噴射量による熱発生量を抑制することにより、エンジンサイクル効率の悪化が抑制可能となるからである。

（４）アフタ噴射においては、断面積の小さい噴孔を使用するため、燃料の微粒化が進み、更に、貫徹力が小さい（すなわち燃料油滴の運動量は小さい）ためピストンキャビティ燃焼室壁面に噴霧が衝突することが無い。（燃焼室壁面に噴霧が衝突すれば噴霧周りの空気を巻き込んだ混合気形成が困難となり燃焼が悪化しすすが発生し易くなる。）その上、アフタ噴射による噴霧が直前のメイン噴射による不完全な噴霧燃焼を背後から後押し燃焼（ガス燃焼に近いもの）をする形態となるため、メイン噴射による不完全な噴霧燃焼が完全な燃焼へと変化するのである。そしてメイン噴射の燃焼に起因するすすが燃え尽きるように、アフタ噴射を一定の長時間（例えばメイン噴射と同程度の時間）実行しガス燃焼に近い燃焼を発生させるのである。

この時併せて、アフタ噴射による噴霧は、メイン噴射の燃焼に起因するＮＯｘを還元するため、ＮＯｘも大幅に低減することができる。アフタ噴射による噴霧は、ガスに近い状態のためＮＯｘ還元作用が効率的に実行される。

（５）更に詳しく述べると、アフタ噴射時の実噴射圧力をメイン噴射時の実噴射圧力より大きくすることにより、アフタ噴射直前にピストンキャビティ燃焼室に滞留して燃焼しつつある燃料油滴（メイン噴射によるもの）より一層微粒化された油滴を該燃焼しつつある燃料油滴中に背後から噴霧することにより該燃焼を促進させることができる。すなわち、メイン噴射による噴霧の燃焼中に発生しているすすを、アフタ噴射により一層微粒化され運動量の小さい燃料油滴（ガスに近い）を有し該すすの背後から（燃料油滴の運動量が小さいため）ゆっくりと進行する噴霧燃焼（ガス燃焼に近いもの）により、すすの発生直後にほぼ完全にすすを燃え尽きさせることが可能となる。

このコンセプトによる噴霧シミュレーション計算結果を図１に示す。図１の噴霧シミュレーションは、図２の噴射モードに基づいたものである。そして、図２は、本コンセプトに係る燃料噴射装置のエンジンクランク角に対する噴射率を表したものであり、燃料噴射は圧縮上死点（ＴＤＣ）前１０°クランク角で始まり、ＴＤＣ後１５°クランク角で終わる。

図１は、簡略化のため、ピストンキャビティ燃焼室のシリンダ中心に対して左半分の断面図を表している。実際には、右半分にも同一噴霧が、シリンダ中心に対して対称に形成される。ｎは噴射ノズル、ｐはピストン、ｈはシリンダヘッド、ｃはピストンキャビティ燃焼室、ｓは噴射ノズルｎから噴射された噴霧、ｘはシリンダ中心線を示す。

図１（ａ）はＴＤＣ前５°のメイン噴射による噴霧を、（ｂ）はＴＤＣにおけるメイン噴射による噴霧を、（ｃ）はＴＤＣ後５°の噴霧を、（ｄ）はＴＤＣ後１０°のアフタ噴射による噴霧を、示す。噴霧内の黒い部分が燃料濃度の高い部分であり、燃焼時にはすすが発生し易い個所でもある。

図１（ａ）から（ｃ）に示すように、メイン噴射時における燃料濃度の高い部分（黒い部分）が、ピストンキャビティ肩部ｐ１に衝突し、ピストンキャビティ燃焼室ｃの内周形状に沿ってピストンキャビティ燃焼室底面ｃ１に滞留する様子が分かる。そして、図１（ｄ）において、アフタ噴射による噴霧ｓａが直前のメイン噴射により発生した燃料濃度の高い混合気（ピストンキャビティ燃焼室底面ｃ１に滞留している）を背後から後押し燃焼をしている状態が良く表されている。

一方、図３に、４気筒、シリンダ径８２.２ｍｍ、行程９４ｍｍの４サイクルディーゼルエンジン（以下、「Ｘエンジン」と言う）用の本発明に係る燃料噴射装置において、１回当たりの噴射量を全負荷相当の５５.５ｍｍ³/ｓｔに固定してメイン噴射期間Ｔ₂及びアフタ噴射期間Ｔ₃を変数とした三つのケースにおいてすす生成量を計算した結果を示す。このすす生成量は、エンジン１サイクル当りのものである。

図３のケースＡに示すように、アフタ噴射期間Ｔ₃をおおよそメイン噴射期間Ｔ₂近くまで伸ばすことにより、１サイクル当りのすす生成量が６μｇと、アフタ噴射の無いケースＣ（２７μｇ）に比しのすす生成量が大幅に減少している。

本発明を実施した試験機（Ｘエンジン）においても、鋭意データを採取中であり、ケースＡは、ケースＣに比し、高速トルク（黒煙限界で制限される）が大幅に向上している。すなわち、ケースＡはエンジン回転数５０００ｒｐｍにおいても許容トルクはそれ程落ちないが、ケースＣは４０００ｒｐｍ以上では、黒煙が発生してトルク（負荷）を掛けることが困難となっている。更にケースＡの最高出力は、現段階では、ケースＣに比し、約１２％アップとなっている。このようにケースＡを採用したＸエンジンは、車両用エンジンとして良好な性能を発揮しつつある。

以上のように、本課題を解決するための手段は、メイン噴射よりも燃料微粒化が進み貫徹力が小さい（運動量が小さい）噴霧を形成可能なアフタ噴射を一定時間（従来考慮されていた時間を大幅に上回る時間）実行して、エミッション低減効果のメリットを享受し得る、更にはアフタ噴射期間を自在に可変制御可能であり、初期噴射も可能である燃料噴射装置である。具体的には、前記新しいコンセプトを具現化できる以下のデバイスである。

請求項１に記載の発明によれば、
燃料供給ポンプから供給された高圧燃料をコモンレールで蓄圧し、前記コモンレールで蓄圧された高圧燃料を内燃機関の燃焼室に噴射する燃料噴射装置であって、
弁ボディと、前記弁ボディに配設されて燃料を噴射するための第一噴孔群及び第二噴孔群と、前記第一噴孔群及び前記第二噴孔群を開閉する一つ以上の開閉弁とを備え、
高負荷領域においてメイン噴射の後に連続してアフタ噴射を実行し、メイン噴射時には、前記第一噴孔群及び前記第二噴孔群から燃料が噴射され、アフタ噴射時には、前記第一噴孔群から燃料が噴射されて、
アフタ噴射期間中の前記第一噴孔近傍の実噴射圧力が、メイン噴射期間中の前記第一噴孔近傍の実噴射圧力よりも高く、
前記開閉弁が前記第一噴孔群を開いて噴射を開始した後、前記開閉弁が同時又は短時間で前記第二噴孔群をも開いてメイン噴射を実行し、前記開閉弁が前記第二噴孔群を閉じた後アフタ噴射を実行し、アフタ噴射開始後から前記同時又は短時間よりも長い時間の経過後に、前記開閉弁が前記第一噴孔群をも閉じて噴射を終了することを特徴とする、燃料噴射装置が提供される。

請求項１に記載の発明によれば、アフタ噴射時の実噴射圧力を高くし、アフタ噴射を一定時間実行する燃料噴射装置が提供される。一定時間とは、初期噴射時間よりも長い時間であり、従来考慮されていた時間を大幅に上回る時間である。
実噴射圧力が高いため、燃料の微粒化が進み、アフタ噴射による噴霧が直前のメイン噴射による不完全な噴霧燃焼を背後から後押し燃焼（ガス燃焼に近いもの）をする形態となるため、メイン噴射による不完全な噴霧燃焼が完全な燃焼へと変化する。そしてメイン噴射の燃焼に起因する黒煙（すす）が燃え尽きるように、アフタ噴射を一定の長時間実行しガス燃焼に近い燃焼を発生させる。

この時併せて、アフタ噴射による噴霧は、メイン噴射の燃焼に起因するＮＯｘを還元するため、ＮＯｘも大幅に低減することができる。アフタ噴射による噴霧は、ガスに近い状態のためＮＯｘ還元作用が効率的に実行される。
更に詳しく述べると、アフタ噴射時の実噴射圧力をメイン噴射時の実噴射圧力より大きくすることにより、アフタ噴射直前にピストンキャビティ燃焼室に滞留して燃焼しつつある燃料油滴（メイン噴射によるもの）より一層微粒化された油滴を該燃焼しつつある燃料油滴中に背後から噴霧することにより該燃焼を促進させることができる。

すなわち、メイン噴射による噴霧の燃焼中に発生しているすすを、アフタ噴射により一層微粒化され運動量の小さい燃料油滴（ガスに近い）を有し該すすの背後から（燃料油滴の運動量が小さいため）ゆっくりと進行する噴霧燃焼（ガス燃焼に近いもの）により、すすの発生直後にほぼ完全に黒煙（すす）を燃え尽きさせることが可能となる。
黒煙（すす）を大幅に減少させることにより、黒煙で制限されていた出力限界は大幅に上昇し、出力向上が可能となり、高速トルク性能も大幅に向上する。
こうして、高い実噴射圧力による一定の長時間のアフタ噴射により、エミッション低減効果のメリットを享受することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、前記アフタ噴射の噴射期間を可変制御可能にしたことを特徴とする、請求項１に記載の燃料噴射装置が提供される。請求項２に記載の発明によれば、アフタ噴射期間を自在に可変制御できるため、噴射モードをエンジン運転条件にマッチさせてエミッションを低減させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、前記開閉弁による前記第一噴孔群の閉塞時に前記開閉弁がフルリフト位置から閉塞位置まで移動する速度が、前記開閉弁による前記第一噴孔群の開放時に前記開閉弁が前記閉塞位置から前記フルリフト位置まで移動する速度より小さいことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の燃料噴射装置が提供される。
請求項３に記載の発明によれば、簡便な一つの具体的手法により、アフタ噴射を一定時間（従来考慮されていた時間を大幅に上回る時間）実行して、高い実噴射圧力によるエミッション低減効果のメリットを享受することが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、前記第一噴孔群の全噴孔面積が、前記第二噴孔群の全噴孔面積以下であり、かつ前記第一噴孔の噴孔径が、前記第二噴孔の噴孔径以下であ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装置が提供される。
請求項４に記載の発明によれば、第一噴孔群の全噴孔面積が、前記第二噴孔群の全噴孔面積以下であるため、アフタ噴射時の実噴射圧力をより確実に一層高くすることができる。更に、第一噴孔の噴孔径が、前記第二噴孔の噴孔径以下であるため、アフタ噴射による噴霧内の燃料油滴の微粒化が進み、ガスに近い後燃え燃焼が達成でき、エミッションを大幅に低減可能となる。そして、全噴孔面積の大きい噴孔群から（全噴孔面積の小さい噴孔群から併せて噴射しても可）メイン噴射を実行し、全噴孔面積の小さい噴孔群からアフタ噴射を実行することにより、アフタ噴射期間を長くしてかつアフタ噴射量をメイン噴射量より少なくすることができる。こうしてアフタ噴射量による熱発生量を抑制することにより、前記エミッションの大幅低減と両立させて、エンジンサイクル効率の悪化も抑制可能となる。

請求項５に記載の発明によれば、前記第一噴孔群は燃料供給側である上流側に配置され、前記第二噴孔群は燃料供給側とは反対側である下流側に配置されてい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装置が提供される。
請求項５に記載の発明によれば、アフタ噴射を実行する第一噴孔をよりコモンレール圧に近い高圧力を確保できる燃料供給側に配置することにより、アフタ噴射時の実噴射圧力をより確実に一層高くすることができ、エミッション低減効果のメリットを一層享受することが可能となる。

請求項６に記載の発明によれば、初期噴射、メイン噴射、アフタ噴射の順に連続して燃料噴射を実行し、初期噴射時には前記第一噴孔群から燃料が噴射され、メイン噴射時には前記第一噴孔群及び前記第二噴孔群から燃料が噴射され、アフタ噴射時には前記第一噴孔群から燃料が噴射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装置が提供される。
請求項６に記載の発明によれば、初期噴射が追加されるので、着火遅れに起因する筒内圧力の急激な上昇や燃焼騒音を低減をでき、更にはエミッション（特にＮＯｘ）を一層低減させることもできる。

請求項７に記載の発明によれば、部分負荷域では、前記第一噴孔群のみから噴射し、高負荷域では、前記第一噴孔群及び前記第二噴孔群の両方から噴射することを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料噴射装置が提供される。
請求項７に記載の発明によれば、部分負荷域においては燃料噴射量が少なくて済むので、すすの発生しやすい第二噴孔群からの噴射をせずに、第一噴孔群のみから噴射することにより、エミッションを低減させることができる。一方、高い出力及びトルクが要求される高負荷域では、噴射初期に第一噴孔群及び第二噴孔群から多量の噴射量を噴射することによりサイクル効率を悪化させずに済む。一方、該多量の噴射量が燃焼することにより発生するすすは、アフタ噴射時の微粒化した噴霧の燃焼によりほぼ完全に後燃えさせることができる。

請求項８に記載の発明によれば、
前記弁ボディは、有底筒状に形成されて筒内に燃料を供給され、底側に前記第一噴孔群および前記第二噴孔群を有し、
前記開閉弁は、前記弁ボディ内に往復動自在に収容されており、
前記コモンレールと連通し前記開閉弁を開閉制御するための一つ以上の制御室と、該制御室に連通している一つ以上の制御弁室と、該制御弁室の燃料圧を制御する一つ以上の制御弁とを備えたことを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の燃料噴射装置が提供される。

請求項８に記載の発明によれば、具体的な構成により、アフタ噴射時の実噴射圧力を高くし、アフタ噴射を一定時間実行して、高い実噴射圧力によるエミッション低減効果のメリットを享受することが可能となる。又、２つの開閉弁を互いに独立して制御できる構成をとり、アフタ噴射期間を自在に可変制御して、エンジン運転条件にマッチさせてエミッションを低減させることもできる。

請求項９に記載の発明によれば、
前記コモンレールと前記制御室とを連通する通路に入口オリフィスを配置し、前記制御室と前記制御弁室とを連通する通路に出口オリフィスを配置し、
前記入口オリフィスの通路断面積が前記出口オリフィスの通路断面積より小さいことを特徴とする、請求項８に記載の燃料噴射装置が提供される。
請求項９に記載の発明によれば、開閉弁が上昇する速度が大きくなる一方、開閉弁が下降する速度は小さくなるため、請求項３の発明が実施可能な、簡便な具体的機構が提供される。

請求項１０に記載の発明によれば、
前記開閉弁は、前記第一噴孔群を開閉する第一開閉弁と前記第二噴孔群を開閉する第二開閉弁とから構成され、前記第一開閉弁及び前記第二開閉弁は、それぞれ外筒部材及び前記外筒部材内に挿入される部材により構成されており、
前記制御室は、前記第一開閉弁を開閉制御するための第一制御室と、前記第二開閉弁を開閉制御するための第二制御室と、から成り、
前記制御弁室は、前記第一制御室及び前記第二制御室に連通していることを特徴とする、請求項８又は請求項９に記載の燃料噴射装置が提供される。
請求項１０に記載の発明によれば、製造が容易で、第二噴孔近傍シート部のシート性に優れている二重ニードル弁を使用することができる。

請求項１１に記載の発明によれば、前記第一制御室と前記第二制御室との間にリフトロックピストンを配置したことを特徴とする、請求項１０に記載の燃料噴射装置が提供される。請求項１１に記載の発明によれば、第一制御室と第二制御室との間にリフトロックピストンを配置したことにより、第一噴孔が完全開放している時の開閉弁リフト並びに第一噴孔及び第二噴孔が完全開放している時の開閉弁リフトが精度良く設定される。

請求項１２に記載の発明によれば、
前記コモンレールと前記第一制御室とを連通する通路に第一入口オリフィスを配置し、前記コモンレールと前記第二制御室とを連通する通路に第二入口オリフィスを配置し、
前記第一制御室と前記制御弁室とを連通する通路に第一出口オリフィスを配置し、前記第二制御室と前記制御弁室とを連通する通路に第二出口オリフィスを配置し、
前記第二出口オリフィスの通路断面積が前記第一入口オリフィスの通路断面積より大きいことを特徴とする、請求項１０又は請求項１１に記載の燃料噴射装置が提供される。

請求項１２に記載の発明によれば、開閉弁が上昇する速度が大きくなる一方、開閉弁が下降する速度は小さくなるため、請求項３の発明が実施可能な具体的機構が提供される。更に、確実に、初期噴射開始時においては、第一噴孔が開放した後第二噴孔が開放し、アフタ噴射開始時においては第二噴孔が閉塞した後第一噴孔が閉塞する構成が可能となる。

請求項１３に記載の発明によれば、前記制御弁が、三位置制御弁であることを特徴とする、請求項８から請求項１２のいずれか１項に記載の燃料噴射装置が提供される。請求項１３に記載の発明によれば、三位置制御弁を使用することにより、アフタ噴射期間を二位置制御弁より自在に制御可能となる。すなわち制御の自由度が大幅に向上する。

以下、添付図面を用いて本発明に係る燃料噴射装置の実施形態について説明する。以下の実施例は、前記新しいコンセプトを実施するために必要なデバイスの具体例である。なお、以下の全図面において、同じ機能を持つものは同一付番で表している。

図４は、本発明に係る燃料噴射装置の実施例１の断面図である。図４に示す燃料が噴射されない非噴射時においては、噴孔開閉弁としての第一ニードル弁及び第二ニードル弁のリフト量がゼロになっている。図４において、１は、初期噴射時とメイン噴射時とアフタ噴射時に燃料が噴射される第一噴孔、２は第一噴孔１を開閉するための第一ニードル弁、３は第一ニードル弁２の閉弁時に第一ニードル弁２が着座する第一シート部である。４はメイン噴射時に燃料が噴射される第二噴孔、５は第二噴孔４を開閉するために第一ニードル弁２の内側に配置された第二ニードル弁、６は第二ニードル弁５の閉弁時に第二ニードル弁５が着座する第二シート部、９１は弁ボディである。実施例１では、第一ニードル弁２及び第二ニードル弁５は上側にリフトするように配置されている。なお、第一ニードル弁２は、弁ボディ９１のシリンダ部９１ａ内に摺動自在に配設されている。
なお、本実施例の二重ニードル弁は、後述する一体型のニードル弁に比し、製造が容易で、第二シート部のシート性に優れている。

第一噴孔１及び第二噴孔４は、それぞれ複数個が配設されて第一噴孔群及び第二噴孔群を形成しており、第一噴孔群の全噴孔面積が、第二噴孔群の全噴孔面積以下であり、かつ前記第一噴孔の噴孔径が、前記第二噴孔の噴孔径以下であるようにされている。第一噴孔群の全噴孔面積を、第二噴孔群の全噴孔面積以下にすることにより、アフタ噴射の噴射率Ｑ₁をメイン噴射の噴射率Ｑ₂より少なくしてエンジンサイクル効率の悪化を抑制するためである。前記第一噴孔の噴孔径を前記第二噴孔の噴孔径以下にすることにより、アフタ噴射の噴霧は、微粒化が進み運動量が小さくなり噴霧進行の小さいガス状の燃焼が形成され、メイン噴射で発生したすすを燃え尽きさせ、ＮＯｘを効率よく還元させることが可能となる。

７は第一噴孔１及び第二噴孔４に燃料を供給するための燃料供給通路である。燃料溜り室７内の燃料により、第一ニードル弁２は開弁側（図４の上側）に付勢される。そして第二ニードル弁５は、第一ニードル弁２が開弁した後、該燃料により開弁側（図４の上側）に付勢されることとなる。ちなみに特許文献５のように第一ニードル弁２に連通孔を開け、第二ニードル弁５の先端部に該燃料を供給して、第一ニードル弁２及び第二ニードル弁５を開弁側（図４の上側）に付勢することも可能である（特許文献５の段落番号〔００１９〕）。

８は第一ニードル弁２を閉弁側（図４の下側）に付勢するための第一制御室、９は第一ニードル弁２を閉弁側（図４の下側）に付勢するための第一スプリング、１０は第一制御室８内に流入する燃料量を設定するための第一入口オリフィス、１１は第一制御室８から流出する燃料量を設定するための第一出口オリフィスである。１２はリフトロックピストン３１を介して第二ニードル弁５を閉弁側（図４の下側）に付勢するための第二制御室、１３はリフトロックピストン３１を介して第二ニードル弁５を閉弁側（図４の下側）に付勢するための第二スプリング、１４は第二制御室１２内に流入する燃料量を設定するための第二入口オリフィス、１５は第二制御室１２から流出する燃料量を設定するための第二出口オリフィスである。３１はリフトロックピストンであり、弁ボディ９１のシリンダ部９１ａ内を摺動自在に配設されている。
リフトロックピストン３１は、第一ニードル弁２及び第二ニードル弁５の最大リフト量を規定し、供給燃料の、第一噴孔１及び第二噴孔４への流路断面積を確保したり、第一スプリングおよび第二スプリングの金属疲労による折損を防止したりするためのものである。

１６は第一制御室８内の圧力及び第二制御室１２内の圧力を制御するための圧力制御弁である。実施例１では、圧力制御弁１６は、三位置制御弁であり、下側にリフトするように配置されている。１７は圧力制御弁１６を収容する制御弁室である。１９は圧力制御弁１６を駆動するためのピエゾ式アクチュエータである。実施例１では、圧力制御弁１６を駆動するためにピエゾ式アクチュエータが用いられているが、他の任意のアクチュエータも使用可能である。第二ニードル弁５は、ガイド部材としての第一ニードル弁２によってガイドされ、開弁側（図４の上側）及び閉弁側（図４の下側）に摺動可能である。３７は、第二制御室１２内の燃料圧力が低下しリフトロックピストン３１が上昇して該ピストン３１の上端面部が第二制御室１２の天井面の第二出口オリフィス１５近傍に当接した時にも、第二出口オリフィス１５を閉塞しないように制御弁室１７と第二制御室１２を連通させるための連通孔である。

図４に示す第一噴孔１及び第二噴孔４から燃料が噴射されない非噴射時においては、圧力制御弁１６のリフト量がゼロとされ、そのため、制御弁室１７内の燃料がリターン通路に流出できなくなり、制御弁室１７、第一制御室８及び第二制御室１２内の圧力が上昇する。その結果、第一ニードル弁２及び第二ニードル弁５が閉弁側（図４の下側）に付勢され、第一ニードル弁２及び第二ニードル弁５のリフト量はゼロになっている。

図６は第二噴孔から燃料が噴射されず第一噴孔から燃料が噴射されるアフタ噴射時（又は初期噴射時）を示した図４と同様の図である。図６に示すように、第二噴孔４から燃料が噴射されず第一噴孔１から燃料が噴射されるアフタ噴射時（又は初期噴射時）においては、圧力制御弁１６がフルリフト位置に配置される。そのため、第二出口オリフィス１５は閉塞状態となるので、第二制御室１２内の燃料は制御弁室１７に流出することができず、当然リターン通路にも流出できないため、第二制御室１２内の圧力が高い状態のまま維持される。その結果、リフトロックピストン３１を介した第二ニードル弁５のリフト量がゼロのまま維持され、第二噴孔４から燃料は噴射されない。

一方、第一制御室８内の燃料は第一出口オリフィス１１及び制御弁室１７を介してリターン通路に流出できるようになり、第一制御室８内の圧力が減少する。その結果、第一ニードル弁２の下側先端部２ａにおける燃料圧力により発生する第一ニードル弁２に上方向に掛かる力Ｆ₁が、第一制御室８内の圧力により発生する第一ニードル弁２に下方向に掛かる力ｆ₁に打ち勝ち、第一ニードル弁２はリフトせしめられ、第一噴孔１から燃料が噴射される。

なお、シート部に着座する方向に制御室の燃料からニードル弁が受ける力ｆ₁は制御室から燃料圧力を受けるニードル弁の受圧面積に比例する。シート部から離座する方向にニードル弁周囲の燃料圧力からニードル弁が受ける力は、（ニードル弁の断面積−ニードル弁のシート面積）に比例する。燃料圧力以外に、ニードル弁はコイルスプリング等のばね部材からシート部に着座する方向に付勢力を受ける。（図７参照）

図５は第一噴孔及び第二噴孔の両方から燃料が噴射されるメイン噴射時を示した図４と同様の図である。図５に示すように、第一噴孔１及び第二噴孔４の両方から燃料が噴射されるメイン噴射時においては、圧力制御弁１６が中間リフト位置に配置される。そのため、図６に示した場合と同様に、第一制御室８内の燃料も第一出口オリフィス１１及び制御弁室１７を介してリターン通路に流出できるようになり、第一制御室８内の圧力が減少する。その結果、図６に示した場合と同様に、第一ニードル弁２がリフトせしめられ、第一噴孔１から燃料が噴射される。更に、第二制御室１２内の燃料が第二出口オリフィス１５及び制御弁室１７を介してリターン通路に流出できるようになり、第二制御室１２内の圧力が減少する。その結果、第二ニードル弁５の下側先端部５ａにおける燃料圧力により発生する第二ニードル弁５に上方向に掛かる力Ｆ₂が、第二制御室１２内の圧力により発生する第二ニードル弁５に下方向に掛かる力ｆ₂に打ち勝ち、第二ニードル弁５がリフトせしめられ、第二噴孔４からも燃料が噴射される。

図７は燃料溜り室７から第一噴孔１及び第二噴孔４までの燃料の流路の詳細を示した図４の拡大図である。図７に示すように、第一噴孔１から噴射すべき燃料は、燃料溜り室７から第一シート部３を通過して第一噴孔１に供給され、第一噴孔１から噴射される。また、第二噴孔４から噴射すべき燃料は、燃料溜り室７から第一シート部３を経由し第二シート部６を通過して第二噴孔４に供給され、第二噴孔４から噴射される。つまり、第二噴孔４から噴射すべき燃料が、最初に第一シート部３を通過し次いで第二シート部６を通過して第二噴孔４に供給される。
Ｆ₁は第一ニードル弁２に上方向に掛かる力であり、ｆ₁は第一ニードル弁２に下方向に掛かる力であり、Ｆ₂は第二ニードル弁５に上方向に掛かる力であり、ｆ₂は第二ニードル弁５に下方向に掛かる力である。

ここで、実施例１に係る燃料噴射装置１００の作動について、図８を参照しながら説明する。なお、図８（ａ）は、該燃料噴射装置１００における、時間ｔに対する、第一噴孔の実噴射圧としての第一噴孔近傍の計算燃料圧力を表しており、図８（ｂ）は、該装置の時間に対する噴射量すなわち噴射率を、図８（ｃ）は、該装置の時間に対する制御弁リフトを、図８（ｄ）は、該装置の時間に対する第一ニードル弁リフトを、図８（ｅ）は、該装置の時間に対する第二ニードル弁リフトを表している。図８（ａ）〜（ｅ）に関しては、時間軸は完全に共通のものである。

（１）制御装置からピエゾ式アクチュエータ駆動回路に駆動パルスが入力され、該駆動回路により、時刻ｔ₁に、ピエゾ式アクチュエータ１９に最大電圧がオンされると、図８（ｃ）に示すように、ピエゾ式アクチュエータに連結された制御弁１６が、閉塞位置Ｌ₀から図４の下側へ移動し、制御弁室１７の底面１７ａに当接し、この当接した位置でそのまま維持される。この当接した位置が制御弁１６のフルリフト位置Ｌ₁となる。これにより、第一制御室８内の燃料は第一出口オリフィス１１及び制御弁室１７を介してリターン通路に流出できるようになり、第一制御室８内の圧力が減少する。

その結果、第一ニードル弁２の下側先端部２ａにおける燃料圧力により発生する第一ニードル弁２に上方向に掛かる力Ｆ₁が、第一制御室８内の圧力により発生する第一ニードル弁２に下方向に掛かる力ｆ₁に打ち勝ち、図８（ｄ）に示すように、時刻ｔ₂に、第一ニードル弁２は図４の上側へリフトを開始し、シート部３が開放されて第一噴孔１から燃料が噴射され始め、初期噴射が始まる。そして、時刻ｔ₃に、第一ニードル弁２は中間リフトしてそのまま維持される。この時、図８（ｂ）に示すように、第一噴孔１からの時間当たりの噴射量すなわち噴射率はＱ₁となる。一方、第二出口オリフィス１５は閉塞状態となるので、第二制御室１２内の圧力が高い状態のまま維持され、リフトロックピストン３１を介した第二ニードル弁５はリフトせず、そのまま維持され、第二噴孔４から燃料は噴射されない。

（２）そして、時刻ｔ₄に、ピエゾ式アクチュエータ１９にオンされている最大電圧が、中間電圧へと減じられると、図８（ｃ）に示すように、制御弁１６が、フルリフト位置Ｌ₁から図４の上側へ移動し、制御弁室１７の底面１７ａにもシート面１７ｂにも当接しない中間リフト位置Ｌ₂でそのまま維持される。その結果、更に、第二制御室１２内の燃料が第二出口オリフィス１５及び制御弁室１７を介してリターン通路に流出できるようになり、第二制御室１２内の圧力が減少し、図８（ｅ）に示すように、時刻ｔ₅に、第二ニードル弁５がリフトを開始し、第二噴孔４からも燃料が噴射され始め、メイン噴射が開始する。この時、第一ニードル弁２も、第二ニードル弁５の上昇に追従して上側へ移動する。そして、時刻ｔ₆に、第二ニードル弁５及び第一ニードル弁２は、フルリフトしてそのまま維持される。この時、図８（ｂ）に示すように、第一噴孔１及び第二噴孔４からの時間当たりの噴射量すなわち噴射率は最大値Ｑ₂となる。

（３）更に、時刻ｔ₇に、ピエゾ式アクチュエータ１９にオンされている中間電圧が、最大電圧へと再び増加されると、図８（ｃ）に示すように、制御弁１６が、中間リフト位置Ｌ₂から図４の下側へ移動し、フルリフト位置Ｌ₁でそのまま維持される。その結果、制御弁１６により第二出口オリフィス１５は閉塞状態となるので、第二制御室１２内の圧力がコモンレールからの燃料供給により高まり、最終的にコモンレール圧となるので、時刻ｔ₈に、リフトロックピストン３１を介した第二ニードル弁５は図４の下側に移動し始め、（同時に、第一ニードル弁２も、ピストン３１に押されて下側へ移動する。）時刻ｔ₉に、第二噴孔４を閉塞し、そのまま維持されるため、第二噴孔４からの燃料噴射は中断される。この時、図８（ｂ）に示すように、噴射率Ｑは再びＱ₁となり、アフタ噴射が開始される。

（４）更に、時刻ｔ₁₀に、ピエゾ式アクチュエータ１９にオンされている最大電圧が、オフされると、図８（ｃ）に示すように、制御弁１６が、フルリフト位置Ｌ₁から図４の上側へ移動し、再び閉塞位置Ｌ₀に戻りそのまま維持される。すると、制御弁室１７内の燃料がリターン通路に流出できなくなり、制御弁室１７、第一制御室８内の圧力が上昇する。その結果、時刻ｔ₁₁に、第一ニードル弁２が閉弁側（図４の下側）に付勢され、図８（ｄ）に示すように、時刻ｔ₁₂に、第一ニードル弁２は第二ニードル弁５のリフト量と同じくゼロになり、燃料噴射が完全に終了する。

（５）こうして、本発明に係る燃料噴射装置１００の作動の１サイクルが終了する。後は、このサイクルが繰り返される。

ここで、図８（ａ）の実噴射圧Ｐについて説明する。実噴射圧とは、本明細書では噴孔近傍の燃料圧力を言う。図８（ａ）における実線で表された実噴射圧は、第一噴孔近傍１ａ（図７参照）の燃料圧力を示すものであり、一点鎖線で表された実噴射圧は、第二噴孔近傍４ａ（図７参照）の燃料圧力を示すものであり、いずれも計算値である。時刻ｔ₂に、第一噴孔１から燃料が噴射され始め、初期噴射が始まると、第一噴孔の実噴射圧は上昇し、コモンレール圧（例えば１８０ＭＰａ）とほぼ同等かそれより若干低い圧力Ｐ₂に到達するとそのまま維持される。第一噴孔の実噴射圧がコモンレール圧より若干低い圧力になる現象は、第一噴孔近傍１ａから第一噴孔１を経由してシリンダ内へ噴射された燃料量と同じ量が、リアルタイムで第一噴孔近傍１ａへコモンレール燃料供給上流側より補填されない場合に、起こる。

そして、時刻ｔ₅に、第二噴孔４からも燃料が噴射され始め、メイン噴射が開始すると、第一噴孔近傍１ａに位置する燃料は、第一噴孔１を経由してシリンダ内へ噴射されると同時に、第二噴孔４を経由してシリンダ内へ噴射される。これにより、第一噴孔群の全噴孔面積、前記第二噴孔群の全噴孔面積、第一噴孔近傍１ａへのコモンレール燃料供給上流側からの燃料補填量、コモンレール燃料供給上流側から第一噴孔近傍１ａまでの燃料流路形状、等の諸要因により、本実施例では、第一噴孔の実噴射圧Ｐは、Ｐ₂より低い圧力Ｐ₁（例えば１５０ＭＰａ）となっている。これは、第一噴孔近傍１ａから第一噴孔１及び第二噴孔４を経由してシリンダ内へ噴射された燃料量と同じ量が、リアルタイムで第一噴孔近傍１ａへコモンレール燃料供給上流側より補填されないためである。本実施例では、前述した理由で、第一噴孔群の全噴孔面積が、前記第二噴孔群の全噴孔面積以下となっており、これが一つの要因となり第一噴孔の実噴射圧Ｐが、Ｐ₂より低い圧力Ｐ₁となっている。上記パラメータ次第で、Ｐ₁をＰ₂と同程度の圧力にすることも可能である。

そして、時刻ｔ₈に、第二噴孔４が閉塞され始め、メイン噴射が終わり始めると、第一噴孔近傍１ａから第二噴孔４を経由してシリンダ内へ噴射される燃料が減少するため、コモンレール燃料供給上流側より燃料補填が容易となり、本実施例では、第一噴孔の実噴射圧Ｐは、再び上昇し始め、時刻ｔ₉に、アフタ噴射が始まり、コモンレール圧（例えば１８０ＭＰａ）とほぼ同等かそれより若干低い圧力Ｐ₂に到達するとそのまま維持される。時刻ｔ₁₁に、第二噴孔４が閉塞され始め、アフタ噴射が終わり始めると、第一噴孔の実噴射圧Ｐは下降して、時刻ｔ₁₂に噴射が終了する。

又、第二噴孔の実噴射圧Ｐは、図８（ａ）に示すように、一点鎖線で表されるような形態をとり、第二噴孔４が全開となる第二ニードル弁５のフルリフト時には、Ｐ₁よりわずかに低い圧力Ｐ₃に到達する。

以上のように、実施例１において、アフタ噴射期間中の実噴射圧力が、メイン噴射期間中の実噴射圧力よりも高くなっていることが分かる。

次に、本発明に係る燃料噴射装置の実施例２について説明する。図９は本発明に係る燃料噴射装置の実施例２の、実施例１に係る図４と同様の断面図である。実施例２は、実施例１とは、リフトロックピストンが省略されていることが基本的に相違しており、作動方法は、実施例１と同じである。図９に示すように、弁ボディ９１のシリンダ部９１ａは、弁ボディ上側において、より小さい内径のシリンダ部９１ｂとつながっている。第二ニードル弁５は、第一ニードル弁２にガイドされながら、シリンダ部９１ｂ内を摺動自在に配設されている。

実施例２は実施例１に比し、リフトロックピストンが省略されているので構造が単純化され、又、第二制御室１２の内径が小さいため、第二制御室１２の燃料圧力により第二ニードル弁５に掛かる荷重が小さくなり、第二シート部６の磨耗が少なくなる。

以下、本発明に係る燃料噴射装置の実施例３について説明する。図１０は本発明に係る燃料噴射装置の実施例３の、実施例１に係る図４と同様の断面図である。図４と同様に、圧力制御弁１６のリフト量がゼロとされ、燃料が噴射されない非噴射時の状態を表している。
なお、実施例１から実施例３においては、後述する実施例４又は実施例５に比し、初期噴射開始時においては第一噴孔が開放した後第二噴孔が開放し、アフタ噴射開始時においては第二噴孔が閉塞した後第一噴孔が閉塞する構成が、確実に可能となる。
実施例３は、実施例１とは、制御弁が二位置弁であることと、第二出口オリフィスの位置が別位置にあることと、第一入口オリフィス通路断面積と第二入口オリフィス通路断面積と第一出口オリフィス通路断面積と第二出口オリフィス通路断面積と第一スプリングの取付荷重と第二スプリングの取付荷重との六者間の相対関係と、が基本的な構造上の相違である。

図４の第二出口オリフィス１５は、実施例３においては、制御弁底面１６ａにより閉塞されない場所であれば任意の位置に配置して良い。すなわち、図１０に示すように、第二出口オリフィス１５は、第一制御室８から制御弁室１７へ連通する通路３６と連通することにより、間接的に第二制御室１２を制御弁室１７へ連通させている。実施例３には制御弁の中間リフト位置が無いため、第二出口オリフィス１５の配置変更が必要となる。

前記六者間の相対関係は、次の通りである。
（１）実施例３において、第一出口オリフィス１１の通路断面積は、第二出口オリフィス１５の通路断面積と同じ又はより大きくしてある。燃料噴射開始時に、第一制御室８内の燃料圧力を第二制御室１２内の燃料圧力より早く低下させ、第二ニードル弁５より先に第一ニードル弁２を開弁させ初期噴射を形成させるためである。無論、第一出口オリフィス１１の通路断面積が、第二出口オリフィス１５の通路断面積と同じ程度であっても、第二スプリング１３の取付荷重を第一スプリング９の取付荷重より大きくする等により、先に第一ニードル弁２を開弁させることができる。

（２）実施例３において、第一入口オリフィス１０の通路断面積は第二入口オリフィス１４の通路断面積より小さくしている。アフタ噴射開始時に、第二制御室１２内の燃料圧力を第一制御室８内の燃料圧力より早く上昇させ、第一ニードル弁２より先に第二ニードル弁５を閉弁させアフタ噴射を形成させるためである。無論、第一入口オリフィス１０の通路断面積が、第二入口オリフィス１４の通路断面積と同じ程度であっても、第二スプリング１３の取付荷重を第一スプリング９の取付荷重より大きくする等により、先に第二ニードル弁５を閉弁させることができる。

（３）実施例３において、第二出口オリフィス１５の通路断面積は、第一入口オリフィス１０の通路断面積より大きくしている。第二制御室１２内の燃料圧力の低下速度を、第一制御室８内の燃料圧力の上昇速度より大きくし（図１３（ｃ）参照）、アフタ噴射期間Ｔ₃を初期噴射期間Ｔ₁より大きくするためである。

次に、図１１は、第一噴孔及び第二噴孔の両方から燃料が噴射されるメイン噴射時を示した図５と同様の図である。しかし、実施例１に係る図５では、圧力制御弁１６が中間リフト位置に配置されているが、実施例３に係る図１１では、圧力制御弁１６がフルリフト位置に配置されている。実施例３では、制御弁が二位置弁であることと、第二出口オリフィスの位置が別位置にあることによる。

これより、第一制御室８内の燃料も第一出口オリフィス１１及び制御弁室１７を介してリターン通路に流出できるようになり、第一制御室８内の圧力が減少する。その結果、第一ニードル弁２がリフトせしめられ、第一噴孔１から燃料が噴射される。更に、第二制御室１２内の燃料が第二出口オリフィス１５及び制御弁室１７を介してリターン通路に流出できるようになり、第二制御室１２内の圧力が減少する。その結果、第二ニードル弁５がリフトせしめられ、第二噴孔４からも燃料が噴射される。

図１２は、第二噴孔から燃料が噴射されず第一噴孔から燃料が噴射されるアフタ噴射時を示した図６と同様の図である。しかし、実施例１に係る図６では、圧力制御弁１６がフルリフト位置に配置されているが、実施例３に係る図１２では、圧力制御弁１６がゼロリフト位置（閉塞位置）に配置されている。図１２は、メイン噴射から非噴射への移行時における非定常状態を示している。第二制御室１２内の圧力はほぼコモンレール圧となっているが、第一制御室８内の圧力はまだコモンレール圧に近い圧力とはなっていないため、第一ニードル弁２は第一噴孔１を開放しており、第一噴孔１から噴射が続いている。

ここで、実施例３に係る燃料噴射装置３００の作動について、図１３を参照しながら説明する。なお、図１３（ａ）は、該装置３００の時間ｔに対する噴射量すなわち噴射率を、図１３（ｂ）は、該装置の時間に対する制御弁リフトを、図１３（ｃ）は、該装置の時間に対する制御室圧Ｐすなわち第一制御室８内の圧力Ｐ₁（一点鎖線で表示）及び第二制御室１２内の圧力Ｐ₂（実線で表示）を、図１３（ｄ）は、該装置の時間に対する第一ニードル弁リフトを、図１３（ｅ）は、該装置の時間に対する第二ニードル弁リフトを表している。図１３（ａ）〜（ｅ）に関しては、時間軸は完全に共通のものである。

（１）時刻ｔ₁に、ピエゾ式アクチュエータ１９に最大電圧がオンされると、図１３（ｂ）に示すように、ピエゾ式アクチュエータに連結された制御弁１６が、閉塞位置Ｌ₀から図１０の下側へ移動し、制御弁室１７の底面１７ａに当接し、この当接した位置でそのまま維持される。この当接した位置が制御弁１６のフルリフト位置Ｌ₁となる。これにより、第一制御室８内及び第二制御室１２内の燃料は第一出口オリフィス１１及び第二出口オリフィス１５、連通路３６、制御弁室１７を介してリターン通路に流出できるようになり、第一制御室８内及び第二制御室１２内の圧力が減少する。

その結果、図１３（ｄ）に示すように、時刻ｔ₂に、第一制御室圧Ｐ₁はＰ_1aとなり、第一ニードル弁２に掛かる上昇力Ｆ₁（図７参照）が第一制御室圧Ｐ₁による下降力ｆ₁（図７参照）に打ち勝ち、第一ニードル弁２は図１０の上側へリフトを開始し、シート部３が開放されて第一噴孔１から燃料が噴射され始め、初期噴射が始まる。第一ニードル弁２は中間リフトしてそのまま維持される。時刻ｔ₃に、第二制御室圧Ｐ₂はＰ_2aとなり、第一ニードル弁２に掛かる上昇力Ｆ₂（図７参照）が第二制御室圧Ｐ₂による下降力ｆ₂（図７参照）に打ち勝ち、第二ニードル弁５も図１０の上側へリフトを開始し、シート部６が開放されて第二噴孔４からも燃料が噴射され始め、メイン噴射が始まり、第二ニードル弁５はフルリフトしてそのまま維持される。

（２）時刻ｔ₄に、ピエゾ式アクチュエータ１９にオンされている最大電圧がオフされると、図１３（ｂ）に示すように、制御弁１６が、フルリフト位置Ｌ₁から図１０の上側へ移動し、再び閉塞位置Ｌ₀に戻りそのまま維持される。すると、制御弁室１７内の燃料がリターン通路に流出できなくなり、制御弁室１７、第一制御室８内及び第二制御室１２内の圧力が上昇する。その結果、時刻ｔ₅に、第二制御室圧Ｐ₂はＰ_2bとなり、第一ニードル弁２に掛かる第二制御室圧Ｐ₂による下降力ｆ₂（図７参照）が上昇力Ｆ₂（図７参照）に打ち勝ち、第二ニードル弁５が閉弁側（図１１の下側）に付勢され、図１３（ｅ）に示すように、時刻ｔ₆に、第二ニードル弁５はリフト量がゼロとなる。更に、時刻ｔ₇に、第一制御室圧Ｐ₁はＰ_1bとなり、第一ニードル弁２に掛かる第一制御室圧Ｐ₁による下降力ｆ₁（図７参照）が上昇力Ｆ₁（図７参照）に打ち勝ち、第一ニードル弁２が閉弁側（図１２の下側）に付勢され、図１３（ｄ）に示すように、時刻ｔ₈に、第一ニードル弁２は第二ニードル弁５のリフト量と同じくゼロになり、燃料噴射が完全に終了する。

次に、本発明に係る燃料噴射装置の実施例４について説明する。図１４は本発明に係る燃料噴射装置の実施例４の、実施例３に係る図１０と同様の断面図である。実施例４は、実施例３とは、リフトロックピストンが省略されていることが基本的に相違しており、作動方法は、実施例３と同じである。図１４に示すように、弁ボディ９１のシリンダ部９１ａは、上側で、より小さい内径のシリンダ部９１ｂとつながっている。第二ニードル弁５は、第一ニードル弁２にガイドされながら、シリンダ部９１ｂ内を摺動自在に配設されている。

実施例４は実施例３に比し、リフトロックピストンが省略されているので構造が単純化され、又、第二制御室１２の内径が小さいため、第二制御室１２の燃料圧力により第二ニードル弁５に掛かる荷重が小さくなり、第二シート部６の磨耗が少なくなる。

次に、本発明に係る燃料噴射装置の実施例５について説明する。図１５は本発明に係る燃料噴射装置の実施例５の、実施例４に係る図１４と同様の断面図である。実施例５は、実施例４とは、第一制御室と第二制御室が共通の一つの制御室８Ａに、これに伴い第一入口オリフィスと第二入口オリフィスが共通の一つの入口オリフィス１０Ａに、そして第一出口オリフィスと第二出口オリフィスが共通の一つの入口オリフィス１１Ａになっていることが基本的に相違しており、作動方法は、実施例４と同じである。

実施例５では、入口オリフィス通路断面積と出口オリフィス通路断面積との相対関係及び第一スプリングの取付荷重と第二スプリングの取付荷重との相対関係が重要となる。
（１）第二スプリング１３の取付荷重を第一スプリング９の取付荷重より大きくすることにより、噴射開始時には先に第一ニードル弁２を開弁させることができ、更にアフタ噴射開始時には先に第二ニードル弁５を閉弁させることができる。
（２）出口オリフィス１１Ａの通路断面積は、入口オリフィス１０Ａの通路断面積より大きくしている。制御室８Ａ内の燃料圧力の低下速度を、制御室８Ａ内の燃料圧力の上昇速度より大きくし（図１３（ｃ）参照）、アフタ噴射期間Ｔ₃を初期噴射期間Ｔ₁より大きくするためである。

実施例５は実施例４に比し、構造が単純化されているので燃料噴射装置をコンパクトにすることができ信頼性も向上する。

次に、本発明に係る燃料噴射装置の実施例６について説明する。図１６は本発明に係る燃料噴射装置の実施例６の、実施例１に係る図４と同様の断面図であり、燃料が噴射されない非噴射時を表している。又、図１７は、実施例６のメイン噴射時における断面図を、図１８は、実施例６のアフタ噴射時における断面図を、表している。図１９は、燃料溜り室７から第一噴孔１及び第二噴孔４までの燃料の流路の詳細を示した図１７の拡大図である。

実施例６は、実施例１とは、第一ニードル弁と第二ニードル弁が一体化されたピントル型ニードル弁になっており、これに関連して第二噴孔がピントル型ニードル弁先端摺動部でシール可能な位置に設置され、更にリフトロックピストンの図１６における下方向への移動を制限する係止部材４１（例えばスナップリング）が設置されていることが基本的に相違しており、作動方法は、実施例１とほぼ同じである。

実施例６に係るインジェクタ６００は、図１６及び図１９に示すように、ニードル弁２０の先端部に突起部２０ｃを設け、弁ボディ９１の先端部に内部で突起部２０ｃが摺動するシリンダ状の摺動部９１ｃを設け、その摺動部９１ｃにニードル弁２０の上昇量（リフト量）に応じて開放される第二噴孔４を設けている。そして、突起部２０ｃには、ニードル弁２０の開弁時に、ニードル弁２０の第一シート部３よりも上流側の燃料溜り室７と摺動部９１ｃの先端側のサック室２１とを連通する連通路２０ｂが形成されている。

そして、図１９に示すように、ニードル弁２０のリフトが低い時には、燃料は、燃料溜り室７から第一シート部３を通過して上流側の第一噴孔１のみから噴射される。また、ニードル弁２０のリフトが高くなると、燃料は、第一噴孔１からだけではなく、燃料溜り室７から第一シート部３から第一噴孔近傍燃料溜り室１ｂを経由し、ピントル型ニードル弁先端部２０ｃに配設された連通孔２０ｂ通過してサック室２１に流入して、突起部２０ｃから開放された先端側（図１９の下側）の第二噴孔４からも噴射される。

又、係止部材４１は、リフトロックピストン３１の図１６における下方向への移動を制限し、ニードル弁２０よる第一噴孔１の開放及び閉塞作動を妨害しないようにしている。すなわち第一制御室８内の燃料圧力と第一スプリング９によってのみ、ニードル弁２０よる第一噴孔１の開放及び閉塞作動を制御可能にしている。

ここで、実施例６に係る燃料噴射装置６００の作動について、図２０を参照しながら、実施例１に係る図８と相違している個所のみを説明する。図２０（ａ）〜（ｃ）は、図８（ａ）〜（ｃ）と同じ項目である。図２０（ｄ）は、該装置６００の時間ｔに対するニードル弁リフトを表している。図２０（ａ）〜（ｄ）に関しては、時間軸は完全に共通のものである。

（１）時刻ｔ₁からｔ₃までの作動は実施例１と同じである。実施例１の第一ニードル弁２の作動が実施例６のニードル弁２０の作動と同一となっている。時刻ｔ₂からｔ₃までのニードル弁２０のリフトを第一リフトと言う。
（２）時刻ｔ₄に、ピエゾ式アクチュエータ１９にオンされている最大電圧が、中間電圧へと減じられると、図８（ｃ）に示すように、制御弁１６が、フルリフト位置Ｌ₁から図１６の上側へ移動し、制御弁室１７の底面１７ａにもシート面１７ｂにも当接しない中間リフト位置Ｌ₂でそのまま維持される。その結果、更に、第二制御室１２内の燃料が第二出口オリフィス１５及び制御弁室１７を介してリターン通路に流出できるようになり、第二制御室１２内の圧力が減少し、図８（ｄ）に示すように、時刻ｔ₅に、ニードル弁２０が第二リフトを開始し、ニードル弁２０の先端突起摺動部２０ａがシールしていた第二噴孔４からも燃料が噴射され始め、メイン噴射が開始する。そして、時刻ｔ₆に、第二ニードル弁５はフルリフトしてそのまま維持される。この時、図２０（ｂ）に示すように、第一噴孔１及び第二噴孔４からの時間当たりの噴射量すなわち噴射率は最大値Ｑ₂となる。

（３）更に、時刻ｔ₇に、ピエゾ式アクチュエータ１９にオンされている中間電圧が、最大電圧へと再び増加されると、図２０（ｃ）に示すように、制御弁１６が、中間リフト位置Ｌ₂から図１６の下側へ移動し、フルリフト位置Ｌ₁でそのまま維持される。その結果、制御弁１６により第二出口オリフィス１５は閉塞状態となるので、第二制御室１２内の圧力がコモンレールからの燃料供給により高まり、最終的にコモンレール圧となるので、時刻ｔ₈に、リフトロックピストン３１を介したニードル弁２０は、図１６の下側に移動し始め、時刻ｔ₉に、第二噴孔４を閉塞し、リフトロックピストン３１が係止部材４１に当接することによりそのまま維持されるため、第二噴孔４からの燃料噴射は中断される。この時、図８（ｂ）に示すように、噴射率Ｑは再びＱ₁となり、アフタ噴射が開始される。後の作動は、実施例１と同じである。

次に、本発明に係る燃料噴射装置の実施例７について説明する。図２１は本発明に係る燃料噴射装置の実施例７の、実施例５の図１５と同様の断面図であり、燃料が噴射されない非噴射時を表している。図２２は実施例７のメイン噴射時を、図２３は実施例７のアフタ噴射時を表している。実施例７は、実施例５とは、第一ニードル弁と第二ニードル弁が一体化されたピントル型ニードル弁になっており、これに関連して第二噴孔がピントル型ニードル弁先端摺動部でシール可能な位置に設置されており（以上は、実施例６と同じ）、更に第一スプリングと第二スプリングが共通の一つのスプリング９Ａに、になっていることが基本的に相違しており、作動方法は、実施例５と同じである。

実施例７では、入口オリフィス通路断面積と出口オリフィス通路断面積との相対関係が重要となる。
出口オリフィス１１Ａの通路断面積は、入口オリフィス１０Ａの通路断面積より大きくしている。制御室８Ａ内の燃料圧力の低下速度を、制御室８Ａ内の燃料圧力の上昇速度より大きくし（図２４（ｃ）参照）、アフタ噴射期間Ｔ₃を初期噴射期間Ｔ₁より大きくするためである。

実施例７は実施例５に比し、構造が単純化されているので燃料噴射装置をコンパクトにでき信頼性も向上する。更に、第一ニードル弁と第二ニードル弁が一体化されたピントル型特殊ニードル弁になっているため、確実に、初期噴射開始時においては、第一噴孔が開放した後第二噴孔が開放し、アフタ噴射開始時においては第二噴孔が閉塞した後第一噴孔が閉塞することとなる。（実施例５では、第一ニードル弁と第二ニードル弁が別体であるため、このことが確実には保証されていない。）

次に、本発明に係る燃料噴射装置の実施例８について説明する。図２５は本発明に係る燃料噴射装置の実施例８の、実施例１に係る図４と同様の断面図である。実施例８は、実施例１とは、一つの三位置制御弁機能を二つの二位置制御弁機能に分離したことが基本的に相違しており、作動方法は、実施例１の作動を示した図８（ｃ）を除いて同じである。実施例８は、第一制御室８内の燃料圧力を第一制御弁１６Ａが制御し、第二制御室１２内の燃料圧力を第二制御弁１６Ｂが制御する機構となっている。図８（ｃ）において、時刻ｔ₁に、第一ピエゾ式アクチュエータ１９Ａに電圧をオンし第一制御弁１６Ａをフルリフトさせ、時刻ｔ₁₀に、電圧をオフしてゼロリフトとする。又、時刻ｔ₄に、第二ピエゾ式アクチュエータ１９Ｂに電圧をオンし第二制御弁１６Ｂをフルリフトさせ、時刻ｔ₇に、電圧をオフしてゼロリフトとする。このことにより図８（ａ）（ｂ）（ｄ）（ｅ）に示す同一の機能及び作動が得られる。

実施例８は、二つの二位置制御弁を採用してアフタ噴射期間を自在に制御可能にしたものである。なお、二位置制御弁は、三位置制御弁よりも作動安定性や信頼性が確立した装置であるため、実施例８に係る燃料噴射装置８００も作動安定性や信頼性が確保される。ただし、二つの制御弁を採用しているため容積が大きくなる。

本願発明に基づく噴霧シミュレーションである。 図１の噴霧シミュレーションが基礎とする噴射モードである。 アフタ噴射期間を変化させたときのすす生成量である。 実施例１に係る噴射装置の非噴射時における断面図である。 実施例１に係る噴射装置のメイン噴射時における断面図である。 実施例１に係る噴射装置のアフタ噴射時における断面図である。 図４のニードル弁先端部の拡大図である。 実施例１の作動図である。 実施例２に係る噴射装置の非噴射時における断面図である。 実施例３に係る噴射装置の非噴射時における断面図である。 実施例３に係る噴射装置のメイン噴射時における断面図である。 実施例３に係る噴射装置のアフタ噴射時における断面図である。 実施例３の作動図である。 実施例４に係る噴射装置の非噴射時における断面図である。 実施例５に係る噴射装置の非噴射時における断面図である。 実施例６に係る噴射装置の非噴射時における断面図である。 実施例６に係る噴射装置のメイン噴射時における断面図である。 実施例６に係る噴射装置のアフタ噴射時における断面図である。 図１６のニードル弁先端部の拡大図である。 実施例６の作動図である。 実施例７に係る噴射装置の非噴射時における断面図である。 実施例７に係る噴射装置のメイン噴射時における断面図である。 実施例７に係る噴射装置のアフタ噴射時における断面図である。 実施例７の作動図である。 実施例８に係る噴射装置の非噴射時における断面図である。

符号の説明

Ｔ₁ 初期噴射期間
Ｔ₂ メイン噴射期間
Ｔ₃ アフタ噴射期間
１ 第一噴孔
１ａ 第一噴孔近傍
１ｂ 第一噴孔近傍燃料溜り室
２ 第一ニードル弁
３ 第一シート部
４ 第二噴孔
５ 第二ニードル弁
５ａ 第二ニードル弁５の下側先端部
６ 第二シート部
７ 燃料溜り室
８ 第一制御室
８Ａ 共通の制御室
９ 第一スプリング
９Ａ 共通のスプリング
１０ 第一入口オリフィス
１０Ａ 共通の入口オリフィス
１１ 第一出口オリフィス
１１Ａ 共通の出口オリフィス
１２ 第二制御室
１３ 第二スプリング
１４ 第二入口オリフィス
１５ 第二出口オリフィス
１６ 圧力制御弁
６ａ 制御弁底面
１７ 制御弁室
１７ａ 制御弁室底面
１７ｂ 制御弁室シート面
１９ ピエゾ式アクチュエータ
２０ 一体化されたピントル型ニードル弁
２０ａ ２０の先端突起部の摺動部
２０ｂ ２０の先端突起部の連通路
２０ｃ ２０の先端突起部
２１ サック室
３１ リフトロックピストン
３６ 連通路
３７ 連通孔
４１ 係止部材
９１ 弁ボディ
９１ａ 弁ボディ９１のシリンダ部
９１ｂ 弁ボディ９１の９１ａより小さい内径のシリンダ部
９１ｃ 弁ボディ９１の先端摺動部

Claims (13)

1. 燃料供給ポンプから供給された高圧燃料をコモンレールで蓄圧し、前記コモンレールで蓄圧された高圧燃料を内燃機関の燃焼室に噴射する燃料噴射装置であって、
   弁ボディと、前記弁ボディに配設されて燃料を噴射するための第一噴孔群及び第二噴孔群と、前記第一噴孔群及び前記第二噴孔群を開閉する一つ以上の開閉弁とを備え、
   高負荷領域においてメイン噴射の後に連続してアフタ噴射を実行し、メイン噴射時には、前記第一噴孔群及び前記第二噴孔群から燃料が噴射され、アフタ噴射時には、前記第一噴孔群から燃料が噴射されて、
   アフタ噴射期間中の前記第一噴孔近傍の実噴射圧力が、メイン噴射期間中の前記第一噴孔近傍の実噴射圧力よりも高く、
   前記開閉弁が前記第一噴孔群を開いて噴射を開始した後、前記開閉弁が同時又は短時間で前記第二噴孔群をも開いてメイン噴射を実行し、前記開閉弁が前記第二噴孔群を閉じた後アフタ噴射を実行し、アフタ噴射開始後から前記同時又は短時間よりも長い時間の経過後に、前記開閉弁が前記第一噴孔群をも閉じて噴射を終了することを特徴とする、燃料噴射装置。
2. 前記アフタ噴射の噴射期間を可変制御可能にしたことを特徴とする、請求項１に記載の燃料噴射装置。
3. 前記開閉弁による前記第一噴孔群の閉塞時に前記開閉弁がフルリフト位置から閉塞位置まで移動する速度が、前記開閉弁による前記第一噴孔群の開放時に前記開閉弁が前記閉塞位置から前記フルリフト位置まで移動する速度より小さいことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の燃料噴射装置。
4. 前記第一噴孔群の全噴孔面積が、前記第二噴孔群の全噴孔面積以下であり、かつ前記第一噴孔の噴孔径が、前記第二噴孔の噴孔径以下であ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装置。
5. 前記第一噴孔群は燃料供給側である上流側に配置され、前記第二噴孔群は燃料供給側とは反対側である下流側に配置されてい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装置。
6. 初期噴射、メイン噴射、アフタ噴射の順に連続して燃料噴射を実行し、初期噴射時には前記第一噴孔群から燃料が噴射され、メイン噴射時には前記第一噴孔群及び前記第二噴孔群から燃料が噴射され、アフタ噴射時には前記第一噴孔群から燃料が噴射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装置。
7. 部分負荷域では、前記第一噴孔群のみから噴射し、高負荷域では、前記第一噴孔群及び前記第二噴孔群の両方から噴射することを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
8. 前記弁ボディは、有底筒状に形成されて筒内に燃料を供給され、底側に前記第一噴孔群および前記第二噴孔群を有し、
   前記開閉弁は、前記弁ボディ内に往復動自在に収容されており、
   前記コモンレールと連通し前記開閉弁を開閉制御するための一つ以上の制御室と、該制御室に連通している一つ以上の制御弁室と、該制御弁室の燃料圧を制御する一つ以上の制御弁とを備えたことを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
9. 前記コモンレールと前記制御室とを連通する通路に入口オリフィスを配置し、前記制御室と前記制御弁室とを連通する通路に出口オリフィスを配置し、
   前記入口オリフィスの通路断面積が前記出口オリフィスの通路断面積より小さいことを特徴とする、請求項８に記載の燃料噴射装置。
10. 前記開閉弁は、前記第一噴孔群を開閉する第一開閉弁と前記第二噴孔群を開閉する第二開閉弁とから構成され、前記第一開閉弁及び前記第二開閉弁は、それぞれ外筒部材及び前記外筒部材内に挿入される部材により構成されており、
    前記制御室は、前記第一開閉弁を開閉制御するための第一制御室と、前記第二開閉弁を開閉制御するための第二制御室と、から成り、
    前記制御弁室は、前記第一制御室及び前記第二制御室に連通していることを特徴とする、請求項８又は請求項９に記載の燃料噴射装置。
11. 前記第一制御室と前記第二制御室との間にリフトロックピストンを配置したことを特徴とする、請求項１０に記載の燃料噴射装置。
12. 前記コモンレールと前記第一制御室とを連通する通路に第一入口オリフィスを配置し、前記コモンレールと前記第二制御室とを連通する通路に第二入口オリフィスを配置し、
    前記第一制御室と前記制御弁室とを連通する通路に第一出口オリフィスを配置し、前記第二制御室と前記制御弁室とを連通する通路に第二出口オリフィスを配置し、
    前記第二出口オリフィスの通路断面積が前記第一入口オリフィスの通路断面積より大きいことを特徴とする、請求項１０又は請求項１１に記載の燃料噴射装置。
13. 前記制御弁が、三位置制御弁であることを特徴とする、請求項８から請求項１２のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。

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