JP2008045539A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電磁式切替弁のスプリング力を小さく設定しても、弁体のバウンスによる再開弁のおそれがなく、小型で安定した作動が可能な燃料噴射装置を実現する。
【解決手段】 コモンレールＲに連通する高圧燃料導入経路１０１および燃料タンクＴに連通する低圧燃料排出経路２０１と、ノズルニードル１１が噴孔１２を開閉するノズル部１と、高圧燃料導入経路１０１に連通してノズルニードル１１の背圧を発生させるノズルニードル背圧室５を備え、電磁式切替弁３が油圧室２１と低圧燃料排出経路２０１との連通・遮断を切替えるのに伴い、油圧切替弁４がノズルニードル背圧室５と低圧燃料排出経路２０１との連通・遮断を切替える。低圧燃料排出経路２０１に調圧弁Ｖを設けて低圧燃料排出経路２０１の圧力値を、アーマチャ室３３における気泡の発生を抑制可能な圧力に調整し、アーマチャ３２と一体に変位する弁体３５の作動を安定化させて噴射量制御性を向上させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車用内燃機関の燃料噴射装置に関し、特に電磁式切替弁を用いてノズルニードルの背圧を制御する構造の燃料噴射装置に関する。

ディーゼルエンジン用のコモンレール式燃料噴射装置として、従来より、コモンレールからの高圧燃料を噴射ノズルのノズル室に供給するとともに、ノズルニードルの背圧を発生させるノズルニードル背圧室に供給し、電磁式切替弁を用いてノズルニードル背圧室の圧力を増減することで、燃料の噴射と停止とを切替えるものがある（例えば、特許文献１等）。電磁式切替弁は、ソレノイドと一体の弁体が収容される弁室と、燃料タンクに連通する低圧燃料排出経路またはコモンレールに連通する高圧燃料導入経路との連通と遮断を切替えることで、ノズルニードル背圧室の圧力すなわちノズルニードルの着座と離座とを制御し、燃料噴射を高度に制御可能としている。
特開２００４−２５１２０５号公報

一方、装置全体を小型にするために、電磁式切替弁のソレノイドを小径化する要求がある。この場合、ソレノイドの小径化による磁極面積の低下で、吸引力も低下するから、その分、弁体に作用するリフト方向の燃料圧力を小さくする必要があるが、ノズルニードルの応答性への影響が懸念される。そこで、電磁式切替弁により駆動されるもう一つの制御弁を設けてノズルニードル背圧室の圧力を制御することが検討されている。例えば、コモンレールからの高圧燃料が導入される油圧室を設け、電磁式切替弁がこの油圧室と低圧燃料排出経路の間を開閉すると、もう一つの制御弁の背圧として作用する油圧室の圧力が増減し、もう一つの制御弁がノズルニードル背圧室と低圧燃料排出経路の間を開閉する。

ノズルニードルの応答性は、もう一つの制御弁にて制御されるノズルニードル背圧室からの燃料流出速度に依存する。従って、電磁式切替弁の弁体に作用する燃料圧力を小さくするために、シート径を小さくして受圧面積を小さくすることができ、ノズルニードルの応答性に影響を与えることがなく、ソレノイドの小径化が可能となる。

ところが、電磁式切替弁のソレノイドを小さく構成することは、開弁のための吸引力が小さくなるとともに、弁体を閉弁方向に付勢するスプリング力が小さく設定されることになる。このため、電磁式切替弁の閉弁時に弁体がバウンスして再開弁するおそれがあり、さらには、もう一つの制御弁の作動が不安定となって、噴射量のばらつきが大きくなるという問題点があった。

本発明はこの実情に鑑みなされたもので、電磁式切替弁のスプリング力を小さく設定しても、弁体のバウンスによる再開弁のおそれがなく、小型でしかも安定した作動が可能であり、噴射量を所望の範囲に制御できる燃料噴射装置を実現することにある。

請求項１記載の発明において、燃料噴射装置は、高圧源に連通する高圧燃料導入経路および低圧源に連通する低圧燃料排出経路と、ノズルニードルが噴孔を開閉して上記高圧燃料導入経路から供給される高圧燃料を噴射するノズル部と、高圧燃料導入経路から供給される高圧燃料により上記ノズルニードルの背圧を発生させるノズルニードル背圧室と、ノズルニードル背圧室と低圧燃料排出経路との連通および遮断を切替えることで、ノズルニードル背圧室の圧力を増減する電磁式切替弁を備える。

電磁式切替弁には、弁体と一体に設けたアーマチャと、アーマチャに対向してこれを吸引駆動するソレノイドと、アーマチャを初期位置に付勢するスプリング部材を設ける。さらに、アーマチャを収容するアーマチャ室を低圧燃料排出経路に連通させるとともに、低圧燃料排出経路の圧力値を予め設定した圧力に調整する圧力調整手段を設けて、上記アーマチャ室から上記圧力調整手段へ至る上記低圧燃料排出経路の圧力値を、上記低圧源の圧力値よりも高い設定圧に調整する。

電磁式切替弁の閉弁時には、弁体がシートに着座する際の反動でバウンスし再開弁しようとする。これを抑制するには、アーマチャを閉弁方向に付勢するスプリング部材のスプリング力を強くすればよいが、同時にソレノイドによるアーマチャの吸引力を強くする必要があり、ソレノイドの小型化が困難となる。そこで、本発明では、低圧燃料排出経路に圧力調整手段を設けて従来よりも高い圧力に維持し、これに連通するアーマチャ室の燃料圧力を高めてダンパ室として機能させる。

低圧燃料排出経路がほぼ大気圧となる従来構成では、スプリング力による弁体の下降時にアーマチャ上部の容積が増えて負圧となるために気泡が発生し、アーマチャ室内の燃料はダンパとして機能しない。これに対し、本発明では、弁体の下降時にアーマチャ上部の容積が増えても負圧とならないよう圧力調整できるので、アーマチャ上部の燃料がダンパとなり、弁体の再開弁を抑えることができる。よって、電磁式切替弁のソレノイドおよびスプリング部材を小型化しても、弁体を安定して作動させることができ、噴射量を所望の範囲として、噴射性能を向上できる。

請求項２記載の発明では、圧力調整手段は、低圧燃料排出経路の圧力値を、アーマチャ室における気泡の発生を抑制可能な圧力に調整する。

アーマチャの下降により上部に気泡が発生すると、弁体がバウンスしても上部の気泡がつぶれるだけで再開弁を抑制することができない。そこで、圧力調整手段の設定圧力を、アーマチャ室が負圧とならずアーマチャの作動に伴う気泡の発生がない圧力以上にすることで、アーマチャ室の燃料のダンパ機能により、弁体の再開弁を抑えることができる。

請求項３記載の発明では、圧力調整手段は、低圧燃料排出経路の圧力値を０．０４ＭＰａ以上の設定圧に調整する。

具体的には、低圧燃料排出経路の圧力値を０．０４ＭＰａ以上とすれば、アーマチャ室における気泡の発生をほぼ阻止することができ、燃料のダンパ機能により弁体の再開弁を抑えることができる。

請求項４記載の発明では、圧力調整手段は、低圧燃料排出経路の圧力値を０．０４ＭＰａ以上で０．５ＭＰａ以下の設定圧に調整する。

好適には、低圧燃料排出経路の圧力値を、０．５ＭＰａ以下とすれば、アーマチャ室における気泡の発生をほぼ阻止し、かつ良好な噴射量制御精度が得られる。

請求項５記載の発明では、アーマチャ室から圧力調整手段に至る低圧燃料排出経路に、他の低圧燃料排出経路を接続する。

圧力調整手段の上流に、例えば他気筒用の燃料噴射装置に至る他の低圧燃料排出経路を接続すると、設定圧力に到達する時間が早くなり、調圧精度が向上する。

請求項６記載の発明では、低圧燃料排出経路に、アーマチャ室から圧力調整手段へ至る低圧燃料排出経路の圧力値を、圧力調整手段の設定圧よりも高い上限圧以下に調整する上限圧設定手段を設ける。

常用の圧力調整手段に加え、非常時用として上限圧設定手段を設け、低圧燃料排出経路が調整圧より高い上限圧を越えないようにする制御することで、安全性を高め、性能悪化を防止することができる。

請求項７記載の発明では、上限圧設定手段は、上限圧を、圧力調整手段の設定圧よりも高く、かつ０．５ＭＰａ以下の設定圧に調整する。

具体的には、低圧燃料排出経路の圧力値を０．５ＭＰａを超えない範囲で、調整圧より高く設定すれば、安全性と性能悪化の防止を両立できる。

請求項８記載の発明では、圧力調整手段として、燃料排出経路に逆止弁構造の調圧弁を設置する。

具体的には、逆止弁構造の調圧弁を用いることができ、容易に低圧燃料排出経路の圧力値を所定の設定値に調整することができる。

請求項９記載の発明では、上限圧設定手段として、燃料排出経路に逆止弁構造の調圧弁を、圧力調整手段と並列に設置する。

好適には、逆止弁構造の調圧弁を用いることができ、常用の圧力調整手段を構成する調圧弁と並列に配置することで、非常時に低圧燃料排出経路が上限圧を江超えないように調整することができる。

請求項１０記載の発明では、ノズルニードル背圧室と低圧燃料排出経路の間に介設した第１弁室に、高圧燃料導入経路から高圧燃料が供給される油圧室の圧力により作動する油圧式切替弁を配設し、油圧室と低圧燃料排出経路の間に介設した第弁室に、電磁式切替弁を配設する。そして、電磁式切替弁が油圧室から第２弁室への出口ポートを開閉して油圧室の圧力を増減するのに伴い、油圧式切替弁がノズルニードル背圧室から第１弁室への出口ポートを開閉して、ノズルニードル背圧室と低圧燃料排出経路との連通および遮断を切替える構成とする。

電磁式切替弁に加えて、油圧式切替弁を設けてノズルニードル背圧室と第１弁室の間を開閉する構成とすると、油圧式切替弁を開閉する駆動力は油圧によって得られるので、ソレノイドの駆動力に依存することなく油圧式切替弁のリフト量を十分大きく設定することができる。ソレノイドの駆動力は、スプリング力に抗してアーマチャを吸引し、油圧室と第２弁室の間を開閉するための駆動力として足りればよいので、ソレノイドを小型化することができる。従って、小型で噴射性能に優れた燃料噴射装置を実現することができる。

以下、本発明をディーゼルエンジンに適用した第１実施形態について説明する。図１は高圧源となるコモンレールＲを備えた燃料噴射装置の全体構成を示すもので、インジェクタＩがエンジンの各気筒に１対１に対応して設けられる。コモンレールＲには、高圧サプライポンプＰにおいて高圧に加圧された燃料が送出され、高圧燃料導入経路１０１を介してコモンレールＲの高圧燃料がインジェクタＩに供給される。インジェクタＩからのリターン燃料は、低圧燃料排出経路２０１を介して燃料タンクＴへ排出される。なお、本請求項中に記載の「低圧源の圧力」とは、圧力調整手段と低圧燃料排出経路２０１の低圧側端部位置（燃料タンクＴ内位置）との間を接続する流路における圧力を示す。

低圧燃料排出経路２０１の途中には、本発明の特徴部分である圧力調整手段としての調圧弁Ｖが設置される。圧力調整手段については、詳細を後述する。制御装置ＥＣＵは、図示しない各種センサからの検出信号に基づいて、運転状態に応じた最適な燃料噴射量、燃料噴射時期、噴射圧力等を算出して、駆動装置ＥＤＵに駆動信号を出力し、インジェクタＩ、コモンレールＲ、高圧サプライポンプＰ等を駆動する。

図２に示すように、インジェクタＩは、ノズルボディＢ１、ディスタンスピースＢ２、バルブボディＢ３、Ｂ６、ホルダＢ４、およびリテーニングナットＢ５により、棒状の基体Ｂが構成される。ノズルボディＢ１、ディスタンスピースＢ２、バルブボディＢ３、およびホルダＢ４は対向端面で当接しリテーニングナットＢ５により互いに結合している。基体Ｂ内部には種々の凹所や孔が形成されて、各部構成部材が収容されるとともに、燃料の流路が形成される。

インジェクタＩは、図中の下端部を、対応する気筒の燃焼室内に突出するノズル部１とする。ノズル部１を構成するノズルボディＢ１には、基体Ｂの軸方向に縦孔１１１が形成され、これにノズルニードル１１が収容されている。ノズルニードル１１はその上端部で縦孔１１１に圧入した筒状部材１１２内に摺動自在に保持されている。縦孔１１１の図中の下端側底部はノズルボディＢ１の先端部に達し、該先端部に形成したノズル室１３の室壁を貫通して噴孔１２が形成してある。縦孔１１１はノズルニードル１１の摺動部よりも下端側で、ディスタンスピースＢ２、バルブボディＢ３、およびホルダＢ４に形成された高圧通路６１と連通している。

高圧通路６１は、ホルダＢ４端面に開口する高圧燃料導入口６１１を介して、図２の高圧燃料導入経路１０１に連通しており、ノズルニードル１１の離座時にはコモンレールＲから高圧燃料導入経路１０１、高圧通路６１を経て、ノズル室１３に供給される高圧燃料が噴孔１２から噴射される。

縦孔１１１の上端部には、ディスタンスピースＢ２を上壁とするとともにノズルニードル１１の上端部を下壁として、ノズルニードル１１の背圧を発生させるノズルニードル背圧室５が形成される。また、ノズルニードル１１の外周に配設したコイルスプリング１４が常時、ノズルニードル１１を着座方向に付勢している。また、ノズルニードル１１には高圧通路６１からの燃料の圧力が離座方向に付勢されており、ニードル背圧室５の圧力が所定の開弁開始圧力以下になったときにノズルニードル１１が離座して燃料が噴射され、ニードル背圧室５の圧力が所定の閉弁開始圧力以上になったときにノズルニードル１１が着座して燃料噴射が停止するようになっている。

ノズルニードル背圧室５の圧力の高低の切替えは、背圧制御部２によってなされる。背圧制御部２は、ソレノイド３１にて駆動される電磁式切替弁３と、その駆動に伴い増減する油圧室２１の圧力にて駆動される油圧式切替弁４とを有している。油圧式切替弁４は３方弁構造で、ノズルニードル背圧室５を高圧通路６１または低圧通路６２と選択的に連通させ、ノズルニードル背圧を増減させる。背圧制御部２の構成を拡大して、図３に示す。

図３において、バルブボディＢ３には下端部で拡径する縦孔２３がインジェクタＩの軸方向に形成され、縦孔２３の拡径部により第１弁室２２が形成される。油圧式切替弁４は、棒状の本体部４ｂ下端寄りにくびれ部を有しており、くびれ部よりも上端側が摺動部となって縦孔２３に摺動自在に保持されている。くびれ部よりも下端側は第１弁室２２内に位置して、大径の弁体部４ａとなっている。弁体部４ａの上端部および下端部はテーパ状に面取りされており、かつ第１弁室２２の側壁面との間に環状の間隙が形成される大きさとしてある。

バルブボディＢ３とニードルボディＢ１との間に挟まれ、第１弁室２２の下壁部を形成するディスタンスピースＢ２には、インジェクタＩの軸方向に貫通する孔が形成されており、第１弁室２２とニードル背圧室５とを常時、連通する連通路５１となっている。連通路５１には途中にオリフィス５２が形成されている。

バルブボディＢ３には、高圧通路６１から分岐して第１弁室２２に通じる高圧分岐通路６３が形成されている。高圧分岐通路６３の先端は油圧式切替弁４のくびれ部位置で縦孔２３の側壁面に開口しており、くびれ部外周の環状空間を介して、第１弁室２２と連通している。油圧式切替弁４の弁体部４ａが上方変位すると、弁体部４ａの上側テーパ部が第１弁室２２の段面を上側シートとして着座する。この時、第１弁室２２と高圧分岐通路６３との連通が遮断される。

一方、ディスタンスピースＢ２には、低圧通路６２から分岐して第１弁室２２に通じる低圧分岐通路６５が形成されている。低圧分岐通路６５は、油圧式切替弁４の弁体部４ａの下端面と対向する位置で第１弁室２２の下壁面に開口しており、この開口端は出口ポート６４となっている。弁体部４ａが下方変位して第１弁室２２下壁面の下側シートに着座することにより、出口ポート６４を閉鎖すると、第１弁室２２と低圧分岐通路６５との連通が遮断される。出口ポート６４の直下流にはオリフィス６５１が形成される。

油圧式切替弁４は、その本体部４ｂよりも上方の縦孔２３内に形成される油圧室２１の圧力の増減により変位する。また、本体部４ｂ内には、上端側が油圧室２１に開口し下端側がくびれ部下端位置まで達する縦孔４１と、該縦孔４１をくびれ部外周の環状空間と常時、連通させる横孔４２が形成される。この縦孔４１と横孔４２とにより、油圧室２１に、高圧通路６１から高圧分岐通路６３を介して高圧燃料が供給され、油圧式切替弁４の背圧を発生するようになっている。また、油圧式切替弁４は、油圧室２１に収容されるコイルスプリング２４のスプリング力により常時、下方に付勢されている。

油圧室２１は、連通路６６を介して第２弁室３４に通じている。第２弁室３４は、バルブボディＢ３と、その上方のバルブボディＢ６の下端面に形成した凹所により形成される。バルブボディＢ６は、第２弁室３４となる凹所の外周縁部が環状に下方に突出して、対向するバルブボディＢ３上端面の環状溝に圧入固定されている。

連通路６６は、縦孔２３の頂部からバルブボディＢ３の上端面に達する小孔により構成され、途中にオリフィス６６１が設けてある。連通路６６となる小孔は第２弁室３４の下壁面に開口し、その開口端は、油圧室２１から第２弁室３４への出口ポート６７となる。第２弁室３４は、その周縁部位置で、バルブボディＢ３上端面の環状溝を介して低圧通路６２と常時、連通している。

電磁式切替弁３は、ソレノイド３１に対向位置するアーマチャ３２と、アーマチャ３２と一体に変位するバルブニードル３６および弁体３５を有して、油圧室２１と第２弁室３４の連通と遮断を切替える。ソレノイド３１は二重筒状のステータの環状空間部にコイルを巻回したもので、コイルに接続されるリード線３７を介して通電される。ソレノイド３１の下端に面して設けたアーマチャ室３３には、円盤状のアーマチャ３２が収容されており、ソレノイド３１の磁極面と対向している。ソレノイド３１の内周にはスプリング部材としてのコイルスプリング３８が収容されて、アーマチャ３２と弾接し、アーマチャ３２をソレノイド３１から離間する方向に付勢している。

バルブボディＢ６には、第２弁室３４の上壁部を貫通してアーマチャ室３３底面に至る縦孔３９が形成されており、この縦孔３９にバルブニードル３６が摺動自在に保持されている。バルブニードル３６は、上端部がアーマチャ室３３内に突出して、アーマチャ３２の下端面に固定されており、バルブニードル３６の下端部は第２弁室３４内に突出している。

第２弁室３４内に突出するバルブニードル３６下端部は、下端面に設けた凹陥部に半球状の弁体３５を保持して一体に変位するようになっている。弁体３５は、平坦な下端面が第２弁室３４の下壁面と出口ポート６７位置で対向している。弁体３５が下方変位して出口ポート６７外周縁部のシート面に着座することで、出口ポート６７を閉鎖すると、第２弁室３４と油圧室２１との連通が遮断される。

上記構成のインジェクタＩの作動について説明する。図２、３において、ソレノイド３１に通電すると、ソレノイド３１がアーマチャ３２を吸引して、バルブニードル３６が上方変位する。すると弁体３５が、油圧室２１から第２弁室３４への出口ポート６７の燃料圧力を受けて開弁し、油圧室２１の燃料が連通路６６、オリフィス６６１、出口ポート６７、第２弁室３４、低圧通路６２を経て流出する。これにより油圧式切替弁４の背圧となる油圧室２１の圧力が低下し、第１弁室２２において弁体部４ａが下側シートから離座するとともに上方変位して上側シートに着座する。

この状態では、弁体部４ａが第１弁室２２と高圧通路６１との間を遮断して、第１弁室２２への高圧燃料の供給が禁止されるとともに、ノズルニードル背圧室５から第１弁室２２への出口ポート６４が開放されて、ノズルニードル背圧室５の燃料が、オリフィス５２、連通路５１、第１弁室２２、低圧分岐通路６５、低圧通路６２を経て流出する。これによりノズルニードル背圧室５３の圧力が低下し、開弁圧力以下になるとノズルニードル１１がリフトして噴孔１２から燃料噴射が開始される。

一方、ソレノイド３１への通電を停止すると、アーマチャ３２およびバルブニードル３６が下方変位し、弁体３５が出口ポート６７を閉鎖するために、油圧室２１と低圧通路６２の間が遮断される。これにより油圧室２１の燃料圧力が上昇して、油圧式切替弁４が上側シートから離座するとともに下側シートに着座する。この状態では、第１弁室２２と低圧通路６２とが遮断されるとともに、高圧通路６１、高圧分岐通路６３、第１弁室２２、連通路５１を経てニードル背圧室５に高圧燃料が供給される。ニードル背圧室５の圧力が上昇し、閉弁圧力以上になると、ノズルニードル１１が閉弁して燃料噴射を終了する。

上記構成のインジェクタＩは、ニードル背圧室５と低圧通路６２の連通と遮断の切替えを、油圧駆動の油圧式切替弁４にて制御するので、必要な駆動力を電磁式切替弁３のソレノイド３１の仕様に依存することなく設定することができ、ソレノイド３１の体格を小さくすることができる。ただし、この場合、アーマチャ３２を弁体３５の閉弁方向に付勢するコイルスプリング３８のスプリング力も小さく設定され、電磁式切替弁３の作動が外力の影響を受けて不安定となりやすいことから、本実施形態では、アーマチャ室３３に連通する低圧燃料排出通路２０１に逆止弁構造の調圧弁Ｖを設置して、低圧通路６２のリターン燃料の圧力（以下、リターン圧という）を、燃料タンクＴの圧力よりも高く保つ。これにより、アーマチャ室３３の燃料のダンパ機能で弁体３５のバウンスを抑制し、噴射を安定させることができる。

まず、図４により調圧弁Ｖの詳細構造を説明する。図４（ａ）において、バルブボディ７１には、段付の縦穴７２が形成され、小径の縦穴７２下端部には、インジェクタＩの低圧通路６２に続く低圧燃料排出経路２０１が接続されている。大径の縦穴７２上端部内には、ボールバルブ７３が配設され、上方に配したスプリング７４によって、縦穴７２の段付部に形成されるテーパ状のシート面７５に押圧されている。スプリング７４の上端側は、縦穴７２の上端開口を液密的に閉鎖する閉鎖部材７６の下端面に当接支持される。縦穴７２上端部の側壁には、貫通穴７７が形成され、燃料タンクＴへ至る低圧燃料排出経路２０１に接続されている。

図４（ａ）のように、ボールバルブ７３には、インジェクタＩ側の低圧燃料排出経路２０１から導入されるリターン燃料の油圧力が上向きに作用している。この油圧力が、下向きに作用するスプリング７４のスプリング力と同じかそれ以下である場合には、ボールバルブ７３は開弁せず、リターン圧は上昇する。図４（ｂ）のように、油圧力がスプリング力を超えると、ボールバルブ７３は開弁して、リターン燃料が貫通穴７７から燃料タンクＴ側の低圧燃料排出経路２０１へ排出され、リターン圧は下降する。このようにして、調圧弁Ｖのスプリング力を調整することにより、リターン圧を設定圧に保つことができる。

図５に調圧弁Ｖの他の構成例を示す。図において、バルブボディ７１の下端部は、内部を低圧室８２とする容器状のボディ部材８１に固定してあり、小径の縦穴７２下端部は、低圧室８２に開口している。低圧室８２は、ボディ部材８１の側壁に突設した接続管部８３にて、インジェクタＩ側の低圧燃料排出経路２０１に接続される。一方、バルブボディ７１の外周には、貫通穴７７周りにボディ部材８４が固定されて、その内部に貫通穴７７に連通する環状室８５を形成している。環状室８５は、ボディ部材８４の側壁に突設した接続管部８６にて、燃料タンクＴ側の低圧燃料排出経路２０１に接続される。

このように構成すると、低圧燃料排出経路２０１との接続が容易になるとともに、低圧室８２および環状室８５により、調圧弁Ｖが低圧燃料排出経路２０１の圧力変動等の影響を受けることがなく、安定した作動が可能となる利点がある。またひとつの調圧弁Ｖにより複数気筒の調圧が可能となり簡素な構成となる。

調圧弁Ｖによって設定される圧力値は、具体的には、低圧燃料排出経路２０１に連通するアーマチャ室３３内において、アーマチャ３２の作動に伴う気泡の発生が抑制可能な圧力に調整する。この時、アーマチャ室３３に、弁体３５のバウンスを抑制するダンパ室機能を持たせて、アーマチャ室３３の燃料圧力を利用して弁体３５の再開弁を防止することができる。この効果を図６、７により従来構成と比較して説明する。

図７は調圧弁Ｖを有しない従来構成であり、低圧通路６２’に続く低圧燃料排出経路２０１が燃料タンクＴに開放されているために、リターン圧は低くなっている。この場合、図６（ａ）において、電磁式切替弁３’の閉弁時に、ソレノイド３１’の吸引力が解除されるとスプリング３８’のスプリング力によりアーマチャ３２’が下降し、これと一体のバルブニードル３６’が弁体３５’を出口ポート６７’周囲のシート面に押圧する。この際に、金属と金属との衝突となるために、シート面から受ける衝撃により弁体３５’がバウンスしようとする。

この時、アーマチャ室３３’では、アーマチャ３２’の下降によりアーマチャ３２’の上面とソレノイド３１’下端面との間の容積が増え、負圧となるために、燃料中に溶け込んでいたエアが気泡となって発生する。このため、弁体３５’がバウンスしても、アーマチャ３２’上方の気泡が潰れるだけで燃料がダンパ機能を果たさず、弁体３５’が再開弁して、噴射量が目標値より増加してしまう。この現象は、ソレノイド３１’の吸引力確保のため、アーマチャ３２’の上面とソレノイド３１’下端面との隙間が５０〜６０μｍと、ほぼ密着している状態にあり、アーマチャ３２’が下降しても燃料が流れ込みにくくなっていることによる。アーマチャ３２’の外周に隙間を設けたり、板面に貫通孔を形成してもあまり効果がなく、電磁切替弁３’の開閉動作が不安定となり、燃料噴射量が変動する問題点があった。

これに対し、本実施形態の構成において、調圧弁Ｖによりリターン圧を高く保った場合には、図６（ｂ）のように、アーマチャ室３３においてアーマチャ３２が下降した時、アーマチャ３２の上面とソレノイド３１下端面との間の容積が増えても、圧力が負圧まで下がらないように設定することで、気泡の発生を抑え、燃料のダンパ機能により弁体３５の再開弁を防止することができる。よって、電磁式切替弁３のソレノイド３１およびコイルスプリング３８を小型化しても、弁体３５を安定して作動させることができ、噴射量を所望の範囲として、噴射性能を向上できる。

好適には、調圧弁Ｖにより、インジェクタＩの低圧通路６２から調圧弁Ｖに至る低圧燃料排出経路２０１の圧力値が０．０４ＭＰａ以上となるように設定すると、コモンレールＲを備えた一般的な燃料噴射装置において、アーマチャ３２の作動に伴う気泡の発生をほぼ抑制可能となる。図８（ａ）の左図は、インジェクタＩからのリターン燃料の圧力（リターン圧）を変化させて噴射量に与える影響を調べたもので（条件：コモンレ−ル圧Ｐｃ＝２００ＭＰａ、噴射期間ＴＱ＝０．３６ｍｓ）、図中に目標燃料噴射量±０．５ｍｍ³ ／ｓｔとなる範囲を示している。図示されるように、リターン圧が０．０２±０．０２ＭＰａの範囲で噴射量が大きく変動し、リターン圧が０ＭＰａ（Ａ）から０．０２ＭＰａ（Ｂ）に向けて噴射量が急増した後、急減している。図８（ａ）の右図は、ＡとＢの噴射率の時間変化を表すもので、噴射率の立下がりタイミングが変化しており、電磁式切替弁３の閉弁時の再開弁によって噴射量が変動していると推測される。

ここで、ＡとＢのように噴射率の違いが生じる原因は、リターン圧に応じて、閉弁時にアーマチャ３２の上部空間における気泡混入量が変化し、バウンスの発生しない場合（Ａ）と、発生する場合（Ｂ）があるためと考えられる。図８（ｂ）は、アーマチャ３２のリフトと油圧切替弁４を制御する油圧室２１の圧力、ノズルニードル１１のリフトの関係を示すタイムチャートであり、アーマチャ３２がリフトして油圧室２１の圧力が所定圧以下となり、ノズルニードル１１がリフトを開始する時点（図中ａ）は、Ａ、Ｂとも同じである。その後、通電停止によりアーマチャ３２が下降して、油圧室２１の圧力が再び上昇し始めるが、弁体３５が閉弁した後、バウンスして再開弁すると、Ｂのように、アーマチャ３２が再びリフトし、油圧室２１の圧力上昇にずれが生じる。その結果、ノズルニードル１１のリフトにおいても、Ａの閉弁時点（図中ｂ）に対してＢの閉弁に遅れが生じ（図中ｃ）、噴射量が増加する要因となる。

図８（ａ）の左図のように、リターン圧が０．０２±０．０２ＭＰａの範囲を超えると、噴射量の変動は小さくなっており、リターン圧が高くなることで、電磁式切替弁３の閉弁時における気泡発生を抑制する効果が見られる。低圧燃料排出経路２０１の通路径、容積、電磁式切替弁３の開閉弁に伴う作動流体の量等によって、気泡の発生状態（負圧の発生状態）が若干異なるものの、通常の仕様であれば、低圧燃料排出経路２０１の圧力値が０．０４ＭＰａ以上となるように、調圧弁Ｖの設定圧を適宜調整することで、ほぼ同様の効果が得られる。これにより、アーマチャ室３３に弁体３５のバウンスを抑制するダンパ室として機能させ、噴射量のばらつきを小さくして、小型で噴射量制御性をより向上させた燃料噴射装置を実現することができる。

上記した０．０４ＭＰａ以上の圧力値の設定は、燃料種別を軽油、燃料温度は機関上限温度を考慮し決定されている。それにより、低沸点温度の燃料ほど、大きな圧力値に修正される。また、アーマチャ作動に伴う弁体部を燃料が流れる際に、弁体上流側と弁体下流側の流体圧力差の大きさが大きいほどに、大きな圧力値に修正される。

ただし、調圧弁Ｖの設定圧があまり大きな値になると、アーマチャ室３３の燃料圧力によるアーマチャ３２の作動への影響が大きくなる。そこで、好適には、低圧燃料排出経路２０１の圧力値が０．０４ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下の範囲となるように、調圧弁Ｖの設定圧を調整するとよい。これについて、以下に詳述する。

図９（ａ）は、図８（ａ）の左図よりさらに広い範囲で、リターン圧と噴射量の関係を調べたものである。図示されるように、リターン圧が０．０４ＭＰａ以上では噴射量の変動が小さく、リターン圧を高く維持することで気泡発生を抑制する効果が見られる。ところが、さらにリターン圧が高くなり、０．５ＭＰａを超えると、噴射量が急減している（図中Ｃ）。これは、ソレノイド３１の小型化により、閉弁のためのスプリング力が小さくなるとともに、開弁のためのアーマチャ３２の吸引力が小さくなっているために、アーマチャ室３３の圧力が高くなると、アーマチャ３２に作用する燃料圧力が無視できないものとなるからである。この時、図９（ｂ）のＣに示すように、アーマチャ３２のリフトおよび油圧室２１の圧力低下に遅れが生じ、その結果、ノズルニードル１１のリフト開始が、Ａの開弁時点（図中ａ）に対して遅れて噴射量が減少する要因となる。

よって、噴射量の変動を回避するためには、図９（ａ）から、リターン圧が０．０４ＭＰａ以上かつ０．５ＭＰａ以下となるように、調圧弁Ｖの設定圧を決定するのがよい。これにより、噴射量のばらつきをさらに小さくして、安定した噴射を実現できる。

図１０に本発明の第２実施形態を示す。本実施形態の基本構成は、上記図１の第１実施形態と同様であるため図示および説明を省略する。本実施形態では、インジェクタＩのアーマチャ室３３に連通し、リターン燃料が排出される低圧燃料排出経路２０１に調圧弁Ｖを配置するとともに、調圧弁Ｖの上流に、燃料噴射装置の他の部位、例えばサプライポンプＰや他気筒用のインジェクタＩに至る低圧燃料排出経路２０２を接続する構成としている。

上記第１実施形態の構成では、インジェクタＩから調圧弁Ｖに至る低圧燃料排出経路２０１に、他の低圧燃料排出経路が接続されていないので、低圧燃料排出経路２０１のリターン圧は、インジェクタＩからの低圧排出量のみで調圧弁Ｖの設定圧に到達することになる。これに対し、本実施形態では、他の低圧燃料排出経路２０２からもリターン燃料が流入するので、設定圧に到達するまでの時間が短縮され、調圧弁Ｖの圧力調整機能が向上する。

図１１に本発明の第３実施形態を示す。本実施形態の基本構成は、上記図１の第１実施形態と同様であるため図示および説明を省略する。本実施形態では、インジェクタＩのアーマチャ室３３に連通し、リターン燃料が排出される低圧燃料排出経路２０１に、圧力調整手段である調圧弁Ｖ１と、上限圧設定手段である調圧弁Ｖ２を、並列に配置する。調圧弁Ｖ１は、上記第１実施形態の調圧弁Ｖと同様の構成で、低圧燃料排出経路２０１の圧力値が０．０４ＭＰａ以上、好ましくは０．０４ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下の設定圧となるように調整している。

調圧弁Ｖ２は、非常時用で、調圧弁Ｖ１のみで調圧できない場合の安全対策として設けられる。調圧弁Ｖ２は、上述した調圧弁Ｖと同様の逆止弁構造を有し、調圧弁Ｖ１よりも高い設定圧で開弁して、低圧燃料排出経路２０１の圧力値を所定の上限圧以下に維持するようになっている。好適には上限圧の設定範囲は、噴射量制御性を悪化させない０．５ＭＰａ以下で、また、通常時に作動しないように調圧弁Ｖ１よりも十分高くするのがよい。

常用の調圧弁Ｖ１に加えて、非常時用として調圧弁Ｖ２を設けることで、安全性を高めることができる。例えば調圧弁Ｖ１の故障やインジェクタＩから予期しない量の燃料が排出された場合にも、低圧燃料排出経路２０１のリターン圧が上限圧を越えることがないので、大きな性能悪化を防止することができる。

図１２に本発明の第４実施形態を示す。本実施形態の基本構成は、上記図１の第１実施形態と同様であるため図示および説明を省略する。本実施形態では、上記第３実施形態のように、調圧弁Ｖ１と調圧弁Ｖ２を低圧燃料排出経路２０１に並列配置した構成において、さらに、上記第２実施形態のように、調圧弁Ｖ１、Ｖ２の上流に他の低圧燃料排出経路２０２を接続する。

本実施形態によれば、上記第２、第３実施形態の両方の効果が得られ、低圧燃料排出経路２０１が調圧圧力に到達する時間を早くし、非常時の安全性を向上させることができる。

本発明の第１実施形態になる燃料噴射装置の全体構成図である。 インジェクタの全体断面図である。 インジェクタの要部断面図である。 調圧弁の全体断面図で、（ａ）は閉弁状態、（ｂ）は開弁状態における断面図である。 調圧弁の他の構成例を示す全体断面図である。 本発明の作動を説明するための図で、（ａ）はリターン圧が低い従来構成におけるインジェクタの要部断面図であり、（ｂ）はリターン圧が高い本発明におけるインジェクタの要部断面図である。 調圧弁を有しない従来の燃料噴射装置の全体構成図である。 （ａ）はリターン圧と噴射量の関係を示す図およびリターン圧が異なる場合の噴射率の違いを比較して示す図であり、（ｂ）はアーマチャリフトと油圧室圧、ニードルリフトとの関係を示すタイムチャートである。 （ａ）はリターン圧と噴射量の関係を示す図であり、（ｂ）はアーマチャリフトと油圧室圧、ニードルリフトとの関係を示すタイムチャートである。 本発明の第２実施形態になる燃料噴射装置の要部概略構成図である。 本発明の第３実施形態になる燃料噴射装置の要部概略構成図である。 本発明の第４実施形態になる燃料噴射装置の要部概略構成図である。

符号の説明

１０１ 高圧燃料導入経路
２０１ 低圧燃料排出経路
１ ノズル部
１１ ノズルニードル
１２ 噴孔
１３ ノズル室
２ 背圧制御部
２１ 油圧室
２２ 第１弁室
２３ 縦孔
２４ コイルスプリング
３ 電磁切替弁
３１ ソレノイド
３２ アーマチャ
３３ アーマチャ室
３４ 第２弁室
３５ 弁体
３６ バルブニードル
３７ リード線
３８ コイルスプリング（スプリング部材）
４ 油圧切替弁
４ａ 弁体部
４ｂ 本体部
４１ 縦孔
４２ 横孔
５ ノズルニードル背圧室
５１ 連通路
６１ 高圧通路
６２ 低圧通路
６３ 高圧分岐通路
６４ 出口ポート
６５ 低圧分岐通路
６６ 連通路
６７ 出口ポート
Ｂ 基体
Ｖ 調圧弁（圧力調整手段）
Ｖ１ 調圧弁（圧力調整手段）
Ｖ２ 調圧弁（上限圧設定手段）
７１ バルブボディ
７３ ボールバルブ

Claims (10)

1. 高圧源に連通する高圧燃料導入経路および低圧源に連通する低圧燃料排出経路と、
   ノズルニードルが噴孔を開閉して上記高圧燃料導入経路から供給される高圧燃料を噴射するノズル部と、
   上記高圧燃料導入経路から供給される高圧燃料により上記ノズルニードルの背圧を発生させるノズルニードル背圧室と、
   電磁式切替弁の作動に伴い、上記ノズルニードル背圧室と上記低圧燃料排出経路との連通および遮断が切替えられて上記ノズルニードル背圧室の圧力を増減する背圧制御部とを備える燃料噴射装置であって、
   上記電磁式切替弁が、アーマチャに対向してこれを吸引駆動するソレノイドと、上記アーマチャと一体に移動する弁体と、上記アーマチャを初期位置に付勢するスプリング部材を有し、
   上記アーマチャを収容するアーマチャ室を上記低圧燃料排出経路に連通させるとともに、上記低圧燃料排出経路に圧力調整手段を設けて、上記アーマチャ室から上記圧力調整手段へ至る上記低圧燃料排出経路の圧力値を、上記低圧源の圧力値よりも高い設定圧に調整することを特徴とする燃料噴射装置。
2. 上記圧力調整手段は、上記低圧燃料排出経路の圧力値を、上記アーマチャ室において上記アーマチャの作動に伴う気泡の発生を抑制可能な圧力に調整する請求項１記載の燃料噴射装置。
3. 上記圧力調整手段は、上記低圧燃料排出経路の圧力値を０．０４ＭＰａ以上の設定圧に調整する請求項２記載の燃料噴射装置。
4. 上記圧力調整手段は、上記低圧燃料排出経路の圧力値を０．０４ＭＰａ以上で０．５ＭＰａ以下の設定圧に調整する請求項２記載の燃料噴射装置。
5. 上記アーマチャ室から上記圧力調整手段に至る上記低圧燃料排出経路に、他の低圧燃料排出経路を接続した請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
6. 上記低圧燃料排出経路に、上記アーマチャ室から上記圧力調整手段へ至る上記低圧燃料排出経路の圧力値を、上記圧力調整手段の設定圧よりも高い上限圧以下に調整する上限圧設定手段を設けた請求項１ないし５のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
7. 上記上限圧設定手段は、上記上限圧を、上記圧力調整手段の設定圧よりも高く、かつ０．５ＭＰａ以下の設定圧に調整する請求項６記載の燃料噴射装置。
8. 上記圧力調整手段として、上記燃料排出経路に逆止弁構造の調圧弁を設置した請求項１ないし７のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
9. 上記上限圧設定手段として、上記燃料排出経路に逆止弁構造の調圧弁を、上記圧力調整手段と並列に設置した請求項８記載の燃料噴射装置。
10. 上記背圧制御部は、
    上記ノズルニードル背圧室と上記低圧燃料排出経路の間に介設した第１弁室に、上記高圧燃料導入経路から高圧燃料が供給される油圧室の圧力により作動する油圧式切替弁を配設し、
    上記油圧室と上記低圧燃料排出経路の間に介設した第２弁室に、上記電磁式切替弁を配設して、
    上記電磁式切替弁が上記油圧室から上記第２弁室への出口ポートを開閉して上記油圧室の油圧を増減するのに伴い、上記油圧式切替弁が上記ノズルニードル背圧室から上記第１弁室への出口ポートを開閉して、ノズルニードル背圧室と上記低圧燃料排出経路との連通および遮断を切替える構成とした請求項１ないし９のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。