JP2008144635A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射弁のＴＱ−Ｑ特性を簡単な構造で線形化できる燃料噴射弁を提供する。
【解決手段】孔１２、２１、および、該孔１２、２１と連通する噴孔１３を有するハウジング１１、２０と、孔１２、２１に収容され、一端部に噴孔１３を開閉する弁体部４５、および圧力制御室３４を区画する端面４３を有する弁部材４０と、圧力制御室３４と低圧側とを接続する出口通路３２と、出口通路３２を開閉することで圧力制御室３４の圧力を調整する制御弁５２と、制御弁５２を駆動する駆動手段６０と、を有し、駆動手段６０で制御弁５２を駆動することで、圧力制御室３４の圧力を調整し、弁部材４０の開閉動作を制御する燃料噴射弁であって、弁部材４０は、端面４３に、圧力制御室３４と連通する凹部４４を有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料噴射弁に関する。

従来から、噴孔が形成されるハウジングと、このハウジング内に収容され、一端部に噴孔を開閉する弁体部が形成され、他端部に弁体部を閉弁方向に付勢する付勢力を付与する圧力制御室を区画する端面が形成される弁部材とを有し、駆動手段（ソレノイド）にて制御弁を駆動することで、上記圧力制御室と低圧側との出口通路を開閉し、上記圧力制御室の圧力を調整し、上記弁部材の開閉動作を制御する燃料噴射弁が知られている（特許文献１参照）。駆動手段は、外部の制御装置から所定時間のパルス幅信号を受信し、その信号に基づいて、制御弁を開閉制御し、圧力制御室の圧力を制御する。
特開平９−１６６０６３号公報

ところが、上記従来の燃料噴射弁では、噴孔から噴射される燃料量（噴射量）を微小にする制御を実行しようとすると（微小Ｑ制御）、上記パルス幅信号は非常に短時間となるため、制御弁の弁体はフルリフトに至る前に閉弁動作を開始することがある。

このため、上記パルス幅信号と、制御弁の弁体の開弁開始から閉弁までの開弁期間との関係が線形の関係とならず、パルス幅信号と圧力制御室の圧力変化との関係も線形とすることができない。その結果、パルス幅信号（ＴＱ）と、そのパルス幅信号における噴射量（Ｑ）との関係（ＴＱ−Ｑ特性）も線形の関係とならなくなるという問題が生じる。

この問題を解決する手段として、次に挙げる手段を講じることが考えられる。一つは、制御弁の応答速度を速めるべく、駆動手段の性能を向上させることである。この解決手段によれば、駆動手段の性能を向上することにより、制御弁の閉弁動作するタイミングのときには、既に制御弁の弁体はフルリフトの状態となっているので、圧力制御室の圧力が変化して弁部材が動作する範囲でのパルス幅信号と制御弁の開弁期間との関係を線形の関係とすることができる。

しかしながら、この解決手段では、駆動手段の体格が大きくなってしまうので、燃料噴射弁の限られたスペース内にその駆動手段を収容することが困難になるという問題がある。

もう一つは、制御弁によって開閉制御される出口通路の通路径を小さくすることである。この解決手段によれば、出口通路を開放し、圧力制御室の圧力を低下させるときの変化が緩やかになる。これにより、弁部材が噴孔を開弁するまでの時間が長くなるので、制御弁の弁体がフルリフトに至るまでの時間を確保できる。これにより、圧力制御室の圧力が変化して弁部材が動作する範囲でのパルス幅信号と制御弁の開弁期間との関係を線形の関係とすることができる。

しかしながら、この解決手段では、出口通路の通路径を小さくしているので、この通路を通る流量が少なくなり、上述したように圧力制御室の圧力の変化が緩やかになる。この圧力の変化は弁部材の動作に関連しているため、噴射率が変化してしまう。噴射率が変化すると、エンジンの性能にも影響が出てしまうため好ましくない。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料噴射弁のＴＱ−Ｑ特性を簡単な構造で線形化できる燃料噴射弁を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明によれば、孔、および、該孔と連通する噴孔を有するハウジングと、孔に収容され、一端部に噴孔を開閉する弁体部、および他端部に孔の内壁とともに、弁体部に噴孔を閉弁する方向の付勢力を付与する圧力制御室を区画する端面を有する弁部材と、圧力制御室と低圧側とを接続する出口通路と、出口通路を開閉することで圧力制御室の圧力を調整する制御弁と、制御弁を駆動する駆動手段と、を有し、駆動手段で制御弁を駆動することで、圧力制御室の圧力を調整し、弁部材の開閉動作を制御する燃料噴射弁であって、弁部材は、端面に、圧力制御室と連通する凹部を有することを特徴としている。

この構成によれば、弁部材の他端部にハウジングの孔の内壁とともに、圧力制御室を区画する端面に凹部が形成されているので、圧力制御室の容積を、弁部材の端面、およびハウジングの孔の内壁で区画される従来技術の圧力制御室の容積に比べ大きくすることができる。圧力制御室の容積を大きくすることにより、弁部材を開弁動作すべく出口通路を制御弁にて開弁した場合、圧力制御室の圧力が変化し始めるタイミングを遅らせることができる。

圧力変化の開始タイミングを遅らせられるので、その間に制御弁をフルリフトの位置までの時間を確保できる。すなわち、弁部材の閉弁タイミングを制御弁のフルリフト後とすることができ、弁部材が動作する範囲でのパルス幅信号と制御弁の開弁期間との関係を線形の関係とすることができる。

その結果、上記パルス幅信号と、制御弁によって制御される圧力制御室の圧力変化との関係を線形化でき、パルス幅信号（ＴＱ）と、そのパルス幅信号における噴射量（Ｑ）との関係（ＴＱ−Ｑ特性）を線形化できる。

以上、説明したように、圧力制御室を区画する、弁部材の他端部に形成された端面に凹部を形成するという極めて簡単な構造で燃料噴射弁のＴＱ−Ｑ特性を線形化できる。

また、請求項２に記載の発明によれば、凹部は、弁部材の最大径部分に形成されていることを特徴としている。弁部材に凹部を形成すると、その凹部が形成された部位の肉厚は必然的に薄くなり、強度低下が懸念されるが、この構成によれば、弁部材の最大径部に凹部を形成することにより、弁部材の強度を確保しつつ、圧力制御室の容積を拡大できる。

さらに、請求項３に記載の発明によれば、最大径部分は、弁部材を孔に対して軸方向にガイドするガイド部であることを特徴としている。圧力制御室の液密性を確保するためには、ガイド部は軸方向にある程度の長さ必要である。燃料噴射弁の全長を短縮する際にも、このガイド部の長さは上記理由により、確保する必要がある。この構成によれば、上記最大径部分は、弁部材を孔に対して軸方向にガイドするガイド部であるため、燃料噴射弁の全長を容易に短縮化できる。

（第１実施形態）
本発明が適用された燃料噴射弁の第１実施形態を図１から図４を参照して説明する。

本実施形態の燃料噴射弁の全体構成を図１を参照して説明する。燃料噴射弁は、例えばディーゼルエンジン用の蓄圧式燃料噴射装置に用いられるものであり、図示しない蓄圧装置から供給される高圧燃料をエンジン燃焼室に噴射するものである。この燃料噴射弁は、図１に示すように、噴射ノズル１０、ロアボデー２０、オリフィスプレート３０、ピストン４０、電磁弁５０より構成されている。

噴射ノズル１０は、上端面から下端近傍までノズル孔１２が形成され、下端部に噴孔１３を有するノズルボデー１１と、ノズル孔１２の内部で摺動自在に支持されるニードル４５（請求項に記載の弁部材、弁体部に相当）とから構成されている。このニードル４５は、ニードル４５の上端部に配設されたコイルスプリング４６によって下方（閉弁方向）に付勢されている。また、噴射ノズル１０は、リテーニングナット７０によりロアボデー２０の下部に締結されている。

ロアボデー２０は、噴射ノズル１０および電磁弁５０を支持する筐体であり、その内部には、噴射ノズル１０のニードル４５を操作する部品が収容され、噴孔１３から噴射される燃料を噴射ノズル１０に供給する通路などが形成されている。

ロアボデー２０には、ニードル４５の駆動を制御する棒状のピストン４０（請求項に記載の弁部材に相当）を挿入するシリンダ孔２１、蓄圧装置から供給された高圧燃料を噴射ノズル１０へ導く高圧通路２２と、オリフィスプレート３０へ導く高圧通路２３、および電磁弁５０の内部でリークした燃料やシリンダ孔２１の下部でリークした燃料を低圧側へ排出する低圧通路２４等が形成されている。

ピストン４０は、ロアボデー２０の略中心部に形成されたシリンダ孔２１に摺動自在に挿入されるガイド部４１と、ガイド部４１とニードル４５との間に配設され、ニードル４５に連接するロッド部４２とで構成されている。ロッド部４２の周囲には、ニードル４５を下方に付勢するコイルスプリング４６が配設されている。

ガイド部４１は、シリンダ孔２１との間に微細な摺動クリアランスを介してシリンダ孔２１に挿入される。このガイド部４１の軸方向長さは、後述する圧力制御室３４に蓄圧された燃料が、上記摺動クリアランスを介してシリンダ孔２１の下部にリークするのを抑制する程度の長さである。この長さは、圧力制御室３４に蓄圧される燃料の圧力や、摺動クリアランスの設定などによって決定されるため、ある程度の長さが必要となる。

オリフィスプレート３０は、ピストン４０の端部に形成される圧力制御室３４への燃料の供給量、および圧力制御室３４からの燃料の排出量を調整するオリフィスを形成した板状の部品であり、ロアボデー２０の上端面上に設けられている。オリフィスプレート３０には、下端面から上端面に貫通するテーパ通路３１が形成されており、下端面に行くほどこのテーパ通路３１の径が拡大するようになっている。このテーパ通路３１の下側は、シリンダ孔２１に連通している。ピストン４０の端面４３、シリンダ孔２１の内壁、およびテーパ通路３１の内壁面で囲まれる空間が形成される。この空間が圧力制御室３４となる。

テーパ通路３１の上側には、圧力制御室３４から排出される燃料の流量を調整するアウトオリフィス３２（請求項に記載の出口通路に相当）が形成されている。オリフィスプレート３０には、テーパ通路３１の内壁側面と上述の高圧通路２３とを連通し、圧力制御室３４に供給される燃料の流量を調整するインオリフィス３３が形成されている。

電磁弁５０は、アウトオリフィス３２の開閉を制御するものであり、可動子５１、ボール弁５２（請求項に記載の制御弁に相当）、バルブボデー５３、スプリング６４、ストッパ６３、およびソレノイド６０（請求項に記載の駆動手段に相当）から構成されている。電磁弁５０は、ロアボデー２０の上部に組み付けられ、アッパーボデー６５によってロアボデー２０に結合固着されている。

ボール弁５２は断面Ｔ字状の可動子５１の先端に支持され、可動子５１が上下方向に移動することによりアウトオリフィス３２を開閉する。可動子５１は、オリフィスプレート３０の上端面に支持されるバルブボデー５３に上下方向に摺動自在に支持される。バルブボデー５３には、可動子５１およびボール弁５２を収容するバルブ孔５４と、低圧通路２４とを連通する連通路５５が形成されている。ボール弁５２がアウトオリフィス３２を開弁したとき、圧力制御室３４の燃料がこの連通路５５を介して低圧通路２４へ排出される。

可動子５１の上部には、可動子５１を下方（閉弁方向）に付勢するスプリング６４が配設されている。そして、このスプリング６４の外周には、可動子５１の上方への移動（リフト）を規制するストッパ６３が設けられ、さらに、その外周には、ソレノイド６０が設けられている。

ソレノイド６０は、コネクタ６６からの通電により起磁力を発生するコイル６１と、コイル６１の発生する起磁力によって可動子５１を吸引する固定子６２から構成されている。コイル６１がＯＦＦの場合は、スプリング６４の付勢力により可動子５１が下方に押し付けられ、ボール弁５２がアウトオリフィス３２を閉弁する。コイル６１がＯＮされると、コイル６１に発生する起磁力により、可動子５１はスプリング６４の付勢力に抗して固定子６２に吸引され、ボール弁５２がアウトオリフィス３２を開弁する。

なお、ノズルボデー１１とロアボデー２０は、請求項に記載のハウジングに相当し、ノズル孔１２、シリンダ孔２１は、請求項に記載の孔に相当する。

次に、上述したように構成された燃料噴射弁の動作について説明する。蓄圧装置から燃料噴射弁に供給された高圧燃料は、噴射ノズル１０のノズル孔１２と圧力制御室３４とに供給される。コイル６１がＯＦＦの場合は、スプリング６４の付勢力により可動子５１が下方に押し付けられ、ボール弁５２がアウトオリフィス３２を閉弁している。このため、圧力制御室３４の圧力が高圧に保たれる。

ニードル４５には、圧力制御室３４の高圧圧力がピストン４０の端面４３に作用してニードル４５を下方（閉弁方向）へ押し付ける下向きの力、コイルスプリング４６の付勢力によってニードル４５を下方へ押し付ける下向きの力、および噴射ノズル１０のノズル孔１２に供給された高圧燃料がニードル４５の受圧面に作用してニードル４５を上方（開弁方向）へ押し上げる上向きの力が働く。

ボール弁５２がアウトオリフィス３２を閉弁している状態のときは、ニードル４５を下方へ押し下げる下向きの力が上回っているため、ニードル４５はリフトすることなく噴孔１３を閉じるので燃料は噴射されない。

コイル６１がＯＮされると、スプリング６４の付勢力に抗して可動子５１が上方に移動し、ボール弁５２がアウトオリフィス３２を開弁する。アウトオリフィス３２と低圧通路２４とが連通するため、圧力制御室３４の燃料がアウトオリフィス３２を通って低圧通路２４に排出され、圧力制御室３４の圧力が低下する。

圧力制御室３４の圧力が開弁圧力まで低下すると、ニードル４５を上方へ押し上げる上向きの力が上回り、ニードル４５がリフトして噴孔１３が開き、燃料の噴射が開始される。

コイル６１が再びＯＦＦされると、スプリング６４の付勢力によって可動子５１が下方に押し付けられ、ボール弁５２がアウトオリフィス３２を閉弁する。ボール弁５２がアウトオリフィス３２を閉弁することにより、再び圧力制御室３４の圧力が上昇する。

そして、圧力制御室３４の圧力が閉弁圧力まで上昇すると、ニードル４５を下方へ押し下げる下向きの力が上回り、ニードル４５が押し下げられて噴孔１３が閉じ、噴射が終了する。

上述したようにコイル６１のＯＮ、ＯＦＦによってニードル４５のリフトを制御し、燃料噴射を制御することができる。すなわち、コイル６１への通電の時間（パルス幅）を制御することにより、噴孔１３から噴射される燃料量を制御することができる。

次に、本実施形態における特徴部分を、図２を参照して説明する。図２は、ピストン４０の端面４３付近の要部断面図である。

図２に示すように、ピストン４０の端面４３には、圧力制御室３４と連通する凹部４４が形成されている。凹部４４は圧力制御室３４と連通しているため、図５に示す従来のものよりも、圧力制御室３４の容積を容易に大きくすることができる。この凹部４４は、端面４３側からドリルなどの工具によって容易に形成される。凹部４４を設けることによる作用効果については、後ほど説明する。

次に、本実施形態の作用効果について従来技術と比較しながら図２から図７を参照して説明する。図２から図４は、本実施形態のものを示し、図５から図７は、従来技術のものを示している。

まず、従来技術の燃料噴射弁を図５から図７を参照して説明する。図５は、従来技術の要部断面図を示し、この燃料噴射弁のピストン４００の端面４３０は、平坦となっている。圧力制御室３４０は、ピストン４００の端面４３０、ロアボデー２０のシリンダ孔２１の内壁、およびオリフィスプレート３０のテーパ通路３１の内壁面によって区画されている。

この圧力制御室３４０には、高圧通路２３およびインオリフィス３３を介して蓄圧装置から高圧燃料が供給されるようになっている。そして、本実施形態と同様な電磁弁５０によって、アウトオリフィス３２の開閉が制御されるようになっている。アウトオリフィス３２が開弁されることにより、圧力制御室３４０の燃料が排出され、圧力が低下する。なお、図５に示すピストン４００、端面４３０、圧力制御室３４０以外の構成部品については、図１のものと同じとする。

次に、従来技術の燃料噴射弁の動作を図６、図７を参照して説明する。図６には、コイル６１への通電時間（パルス幅）を変化させた場合のボール弁５２のリフト量、それに伴う圧力制御室３４０の圧力の変化、圧力制御室３４０の圧力変化に伴うニードル４５のリフト量の変化が示してある。

図６には、３つの通電時間（パルス幅）パターン（ＴＱ１１、ＴＱ２１、ＴＱ３１）が記載されている。ＴＱ１１は、最もパルス幅が小さく、ＴＱ３１は、最もパルス幅が大きい。以下、パルス幅毎にボール弁５２のリフト量、圧力制御室３４０の圧力、ニードル４５のリフト量の変化について説明する。なお、この図６において、ＴＱ１１の場合の状態を破線で示し、ＴＱ２１の場合の状態を一点鎖線で示し、ＴＱ３１の場合の状態を二点鎖線で示すこととする。ＴＱ１１、ＴＱ２１、ＴＱ３１のそれぞれが共通する部分は実線で示すこととする。

既に説明したように、通常、噴孔１３から噴射される燃料量（噴射量Ｑ）を調整する際、コイル６１に通電するパルス幅の長さを変更している。すなわち、燃料噴射弁は、パルス幅ＴＱを短くすることによりニードル４５が噴孔１３を開いている時間を短くし噴射量Ｑを少なくするようにしている。ここでいう、パルス幅とは、ボール弁５２を操作することによって、ニードル４５が噴孔１３を開閉することができる範囲のものである。

ところが、図６に示すように、パルス幅がＴＱ１１のときのボール弁５２の開弁期間（ボール弁５２がアウトオリフィス３２を開弁している期間）は、パルス幅がＴＱ２１のときに比べ、長くなっている。これは、パルス幅ＴＱ１１が非常に短く、コイル６１への通電が開始されてから可動子５１がストッパ６３に当接する前にコイル６１への通電が停止されるからである。可動子５１がストッパ６３に当接する前にコイル６１への通電が停止されると、可動子５１は、通電が停止された時点からすぐには下方には移動せず、可動子５１の慣性力でしばらくの間は上方へ移動しようとする。スプリング６４の付勢力が可動子５１に働く慣性力を上回ったとき可動子５１は下方に移動し始める。

これに対し、パルス幅がＴＱ１１よりも長いＴＱ２１では、コイル６１への通電が停止する時点では、既に可動子５１はストッパ６３に当接している状態であるため、パルス幅ＴＱ１１のときとは異なり、可動子５１には慣性力が働いていない。したがって、コイル６１への通電が停止するとスプリング６４の付勢力により、可動子５１は下方へ移動し始める。

このような現象がパルス幅ＴＱ１１とＴＱ２１との間に起こるため、ＴＱ１１がＴＱ２１よりも短くてもボール弁５２の開弁期間は、ＴＱ１１の方が長くなってしまう。なお、ＴＱ２１よりも長いパルス幅であるＴＱ３１では、コイル６１への通電を停止するときには既に可動子５１はストッパ６３に当接しているため、開弁期間は、パルス幅の変化に対して線形の関係となる。

この現象は、圧力制御室３４０の圧力の変化にも影響する。具体的には、図６に示すように、ボール弁５２の開弁期間がＴＱ２１よりもＴＱ１１の方が長いため、圧力制御室３４０の圧力が開弁圧力となってから閉弁圧力となるまでの期間がＴＱ１１の方が長くなる。すると、ニードル４５が噴孔１３を開いている期間もＴＱ１１の方が長くなってしまい、噴射量Ｑが多くなってしまう。

その結果、横軸にパルス幅ＴＱをとり、縦軸に噴射量ＱをとったときのＴＱ−Ｑ特性図（図７）が示す通り、パルス幅ＴＱと噴射量Ｑとの関係は線形の関係とならなくなってしまう。このため、他の部分（エンジン制御装置など）でこの非線形の関係を補正する必要があり、噴射量制御が複雑となってしまう。

一方、本実施形態では、上述したように、ピストン４０の端面４３に凹部４４を形成するという非常に簡単な構造で従来技術の燃料噴射弁の問題を解決することができる。以下、端面４３に凹部４４を形成することによる作用効果を、図２から４を参照して説明する。

図２に示すように、端面４３に凹部４４を形成すると、圧力制御室３４の容積が、従来技術の燃料噴射弁の圧力制御室３４０に比べ凹部４４の容積分大きくなる。このように圧力制御室３４の容積を拡大すると、ボール弁５２をリフトさせてアウトオリフィス３２を開弁させてから圧力制御室３４の圧力が低下し始める時期を、従来技術に比べ遅くすることができる。それによって、パルス幅が短いＴＱ１のときであっても、可動子５１をストッパ６３に当接させた状態で、コイル６１への通電を停止することができる。

パルス幅が短いＴＱ１である場合においても、可動子５１をストッパ６３に当接させた状態でコイル６１への通電を停止させることができるので、それよりもパルス幅が長いＴＱ２、ＴＱ３も可動子５１をストッパ６３に当接させた状態でコイル６１への通電を停止することができる。

したがって、パルス幅ＴＱとボール弁５２の開弁期間との関係を線形の関係にすることができる。よって、圧力制御室３４の開弁圧力となってから閉弁圧力となるまでの期間も、パルス幅ＴＱの変化に対して線形の関係とすることができ、パルス幅ＴＱとニードル４５が噴孔１３を開いている期間との関係も線形の関係とすることができる。その結果、図４の本実施形態のＴＱ−Ｑ特性図に示すように、パルス幅ＴＱと噴射量Ｑとの関係をニードル４５が動作する範囲で線形の関係とすることができる。

これにより、従来技術の燃料噴射弁のように他の部分（エンジン制御装置など）でＴＱ−Ｑ特性を補正する必要が無くなり、噴射量制御が複雑となるのを抑制することができる。

また、凹部４４は、ガイド部４１に形成されているため、圧力制御室３４の容積を拡大しつつ燃料噴射弁の全長の短縮化を容易にすることができる。燃料噴射弁のピストン４０のガイド部４１は、上述したように圧力制御室３４に蓄圧された燃料が、摺動クリアランスを介してシリンダ孔２１の下部にリークするのを抑制する長さが必要である。ガイド部４１は、上記の理由によりある程度の長さを確保しなければならないため、燃料噴射弁の全長を短縮化するには他の部分、例えばロッド部４２の長さを短縮することによって対応しなければならない。

ある程度の長さを確保しなければならないガイド部４１に凹部４４を形成するようにすれば、ガイド部４１以外の部分を短縮化する際の妨げとならないため、燃料噴射弁の短縮化が容易にできる。また、ガイド部４１は、ピストン４０において最も径の大きい部位であるため、凹部４４を形成したとしても、凹部４４の内壁からガイド部４１の外壁までの肉厚を比較的厚くすることができ、ある程度の強度を確保することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明がピエゾアクチュエータを備える燃料噴射弁に適用された第２実施形態を図８、図９を参照して説明する。

本実施形態の燃料噴射弁の全体構成を図８を参照して説明する。燃料噴射弁、図８に示すように、噴射ノズル１１０、オリフィスプレート１３０、バルブボデー１６０、制御弁１６２、ロアボデー１２０、ピエゾアクチュエータ１５０、伝達装置１５１より構成されている。燃料噴射弁は、下方から噴射ノズル１１０、オリフィスプレート１３０、バルブボデー１６０、ロアボデー１２０の順で積層され、互いにリテーニングナット１７０により締結されている。

噴射ノズル１１０は、上端面から下端近傍ノズル孔１１２が形成され、下端部に噴孔１１３を有するノズルボデー１１１と、ノズル孔１１２内部に収容されるニードル１４０（請求項に記載の弁部材に相当）と、ニードル１４０を摺動自在に支持する筒状部材１１４と、筒状部材１１４をオリフィスプレート１３０の下端面に付勢するととともに、ニードル１４０を下方（閉弁方向）に付勢するコイルスプリング１４５とから構成されている。ニードル１４０の下方には、弁体部１４１が形成されており、ノズル孔１１２の下端部に着座することにより噴孔１１３が閉ざされる。

ノズルボデー１１１のノズル孔１１２内にニードル１４０、筒状部材１１４、およびコイルスプリング１４５を収容させたとき、ノズル孔１１２とニードル１４０との間に形成される空間が燃料溜り室１１５となり、筒状部材１１４、ニードル１４０の端面１４３、オリフィスプレート１３０の下端面で区画される空間が圧力制御室１３４となる。

オリフィスプレート１３０は、噴射ノズル１１０とバルブボデー１６０との間に配置され、高圧通路１３１、通路１３２、連通路１３３（請求項に記載の出口通路に相当）がこのプレート１３０の両端面を貫通するように形成されている。高圧通路１３１は、蓄圧装置（図示せず）からの高圧燃料を燃料溜り室１１５に供給するための通路である。通路１３２は、後述する弁室１６１と燃料溜り室１１５とを連通する通路である。そして、連通路１３３は、圧力制御室１３４と弁室１６１とを連通する通路である。なお、高圧通路１３１は、オリフィスプレート１３０、バルブボデー１６０、およびロアボデー１２０を貫くようにして形成され、蓄圧装置に接続されている。

バルブボデー１６０は、オリフィスプレート１３０とロアボデー１２０との間に配置され、上述の通路１３２、連通路１３３内の燃料の流れを制御する制御弁１６２を収容している。制御弁１６２は、弁室１６１に収容されている。弁室１６１は、下方が通路１３２と連通路１３３に開口し、上方がロアボデー１２０の縦孔１２１に連通するようになっている。縦孔１２１は、図示しない低圧通路に接続されており、縦孔１２１内の圧力は比較的低圧となっている。弁室１６１には、制御弁１６２を上方に付勢するスプリング１６５が収容されている。

制御弁１６２は、上側に低圧側シート１６３が形成され、下側に高圧側シート１６４が形成されている。低圧側シート１６３が弁室１６１の上側に着座すると、通路１３２、弁室１６１、連通路１３３、圧力制御室１３４の経路が形成され、燃料溜り室１１５の高圧燃料が、圧力制御室１３４に供給される。高圧側シート１６４が弁室１６１の下側に着座すると、通路１３２が塞がれるとともに、低圧側シート１６３が弁室１６１の上側から離座する。これにより、圧力制御室１３４、連通路１３３、弁室１６１、ロアボデー１２０の縦孔１２１という経路が形成され、圧力制御室１３４内の高圧燃料が縦孔１２１に排出され、圧力制御室１３４の圧力が低下する。

ロアボデー１２０は、縦孔１２１内にピエゾアクチュエータ１５０および伝達装置１５１を収容して、下端面にバルブボデー１６０を支持している。ピエゾアクチュエータ１５０は、ＰＺＴなどの圧電セラミック層と電極層とを交互に積層したものであり、図示しない駆動回路により充放電することにより、積層方向（上下方向）に伸縮する。ピエゾアクチュエータ１５０の下側に設けられる伝達装置１５１は、ピエゾアクチュエータ１５０の伸縮運動を制御弁１６２に伝達する装置である。

ピエゾアクチュエータ１５０が充電されると、ピエゾアクチュエータ１５０は伸長する。伝達装置１５１は、その変位を、ピン１６６を介して制御弁１６２に伝達する。制御弁１６２は、ピン１６６によって下方に押されるため、高圧側シート１６４がオリフィスプレート１３０の上端面に着座し、通路１３２を塞ぐ。

ピエゾアクチュエータ１５０が放電されると、ピエゾアクチュエータ１５０は収縮する。伝達装置１５１は、その変位を、ピン１６６を介して制御弁１６２に伝達する。ピン１６６は、上方に移動するため、制御弁１６２はスプリング１６５の付勢力により上方に移動し、低圧側シート１６３が弁室１６１の上側に着座し、弁室１６１と縦孔１２１との連通を遮断し、圧力制御室１３４内の燃料がロアボデー１２０の縦孔１２１に排出されるのを阻止する。

次に、上述したように構成された燃料噴射弁の動作について説明する。蓄圧装置から燃料噴射弁に供給された高圧燃料は、燃料溜り室１１５と圧力制御室１３４に供給される。ピエゾアクチュエータ１５０が放電している場合は、スプリング１６５の付勢力により、制御弁１６２は弁室１６１の上側に着座し、弁室１６１と縦孔１２１との連通を遮断する。このため、圧力制御室１３４の圧力が高圧に保たれる。

ニードル１４０には、その端面１４３に圧力制御室１３４の高圧圧力が作用してニードル１４０を下方（閉弁方向）へ押し付ける下向きの力、コイルスプリング１４５の付勢力によってニードル１４０を下方へ押し付ける下向きの力、および燃料溜り室１１５に供給された高圧燃料がニードル１４０の弁体部１４１に形成された受圧面に作用してニードル１４０を上方（開弁方向）へ押し上げる上向きの力が働く。

制御弁１６２が弁室１６１と縦孔１２１との連通を遮断している状態のときは、ニードル１４０を下方へ押し下げる下向きの力が上回っているため、ニードル１４０はリフトすることなく噴孔１１３を閉じ燃料は噴射されない。

ピエゾアクチュエータ１５０が充電されると、制御弁１６２はピン１６６によって下方に押され、高圧側シート１６４が通路１３２を塞ぐとともに低圧側シート１６３が弁室１６１の上側から離座し、圧力制御室１３４と縦孔１２１とを連通する。このため、圧力制御室１３４の圧力は低下する。

圧力制御室１３４の圧力が開弁圧力まで低下すると、ニードル１４０を上方へ押し上げる上向きの力が上回り、ニードル１４０がリフトして噴孔１１３が開き、燃料の噴射が開始される。

ピエゾアクチュエータ１５０が再び放電されると、ピン１６６は上方に移動し、スプリング１６５の付勢力によって制御弁１６２は上方に押し上げられ、低圧側シート１６３が圧力制御室１３４と縦孔１２１との連通を遮断するとともに高圧側シート１６４がオリフィスプレート１３０の上端面から離座し、通路１３２を開く。このため、圧力制御室１３４には、燃料溜り室１１５の高圧燃料が供給され、圧力が再び上昇する。

そして、圧力制御室１３４の圧力が閉弁圧力まで上昇すると、ニードル１４０を下方へ押し下げる下向きの力が上回り、ニードル１４０が押し下げられて噴孔１１３を閉じ、噴射が終了する。

上述したようにピエゾアクチュエータ１５０の充放電によってニードル１４０のリフトを制御し、燃料噴射を制御することができる。すなわち、ピエゾアクチュエータ１５０の充電時間（充電されてから放電されるまでの時間）を制御することにより、圧力制御室１３４と縦孔１２１との連通している期間（連通期間）を制御することができる。圧力制御室１３４と縦孔１２１とが連通している間は、ニードル１４０は噴孔１１３を開くので、この連通期間を制御することにより、噴孔１１３から噴射される燃料量を制御することができる。

次に、本実施形態における特徴部分を、図９を参照して説明する。図９は、ニードル１４０の端面１４３付近の要部断面図である。

図９に示すように、ニードル１４０の端面１４３には、圧力制御室１３４と連通する凹部１４４が形成されている。凹部１４４は圧力制御室１３４と連通しているため圧力制御室１３４の容積を容易に大きくすることができる。圧力制御室１３４の容積を大きくすることによる作用効果は、第１実施形態と同様である。

従来技術では、ピエゾアクチュエータ１５０の充電時間が非常に短い場合、すなわち、低圧側シート１６３が弁室１６１の上側から離座して、高圧側シート１６４がオリフィスプレート１３０の上端面に着座するまでに、充電時間が終了する場合、ピエゾアクチュエータ１５０が放電した瞬間、高圧側シート１６４はオリフィスプレート１３０の上端面に着座していないので、制御弁１６２には慣性力（その場でとどまろうとする力）が働く。このため、上記充電時間より充電時間が長い場合、すなわち、高圧側シート１６４がオリフィスプレート１３０に着座した後に放電する場合であっても、充電時間が長いにもかかわらず、圧力制御室１３４と縦孔１２１とが連通している時間が長くなることがある。

ここでいう、充電時間とは、制御弁１６２を操作することによって、ニードル１４０が噴孔１１３を開閉することができる範囲のものである。

本実施形態では、ニードル１４０の端面１４３に圧力制御室１３４と連通する凹部１４４を形成しているので、第１実施形態のように、制御弁１６２を移動させて低圧側シート１６３を弁室１６１の上側から離座させ、圧力制御室１３４と縦孔１２１とを連通させてから圧力制御室１３４の圧力が低下し始める時期を、従来技術に比べ遅くすることができる。それによって、充電時間が短くても、制御弁１６２の高圧側シート１６４がオリフィスプレート１３０の上端面に着座させた状態で、放電を開始することができる。

充電時間が短い場合においても、高圧側シート１６４がオリフィスプレート１３０の上端面に着座させた状態から放電を開始させることができるので、それよりも充電時間が長い場合であれば、高圧側シート１６４がオリフィスプレート１３０の上端面に着座した状態から放電を開始することができる。

本実施形態でも、第１実施形態と同様、充電時間と上記連通期間との関係を線形の関係にすることができる。よって、圧力制御室１３４の開弁圧力となってから閉弁圧力となるまでの期間も、充電時間の変化に対して線形の関係とすることができ、充電時間とニードル１４０が噴孔１１３を開いている期間との関係を線形の関係とすることができる。

また、凹部１４４は、第１実施形態と同様、ガイド部１４２に形成されているため、圧力制御室１３４の容積を拡大しつつ燃料噴射弁の全長の短縮化が容易にできる。また、ガイド部１４２はニードル１４０において最も径の大きい部位であるため、凹部１４４を形成したとしても、凹部１４４の内壁からガイド部１４２の外壁までの肉厚を比較的厚くすることができ、ある程度の強度を確保することができる。

本発明の第１実施形態における燃料噴射弁の断面図である。 第１実施形態における燃料噴射弁の要部断面図である。 第１実施形態における燃料噴射弁の動作を示すタイムチャートである。 第１実施形態における燃料噴射弁のＴＱ−Ｑ特性図である。 従来技術における燃料噴射弁の要部断面図である。 従来技術における燃料噴射弁の動作を示すタイムチャートである。 従来技術における燃料噴射弁のＴＱ−Ｑ特性図である。 本発明の第２実施形態における燃料噴射弁の断面図である。 第２実施形態における燃料噴射弁の要部断面図である。

符号の説明

１０ 噴射ノズル、１１ ノズルボデー（ハウジング）、１２ ノズル孔（孔）、１３ 噴孔、２０ ロアボデー（ハウジング）、２１ シリンダ孔（孔）、２２ 高圧通路、２３ 高圧通路、２４ 低圧通路、３０ オリフィスプレート、３１ テーパ通路、３２ アウトオリフィス（出口通路）、３３ インオリフィス、３４ 圧力制御室、４０ ピストン（弁部材）、４１ ガイド部、４２ ロッド部、４３ 端面、４４ 凹部、４５ ニードル（弁体部）、４６ コイルスプリング、５０ 電磁弁、５１ 可動子、５２ ボール弁（制御弁）、５３ バルブボデー、５４ バルブ孔、５５ 連通路、６０ ソレノイド（駆動手段）、６１ コイル、６２ 固定子、６３ ストッパ、６４ スプリング、６５ アッパーボデー、６６ コネクタ、７０ リテーニングナット

Claims (3)

1. 孔、および、該孔と連通する噴孔を有するハウジングと、
   前記孔に収容され、一端部に前記噴孔を開閉する弁体部、および他端部に前記孔の内壁とともに、前記弁体部に前記噴孔を閉弁する方向の付勢力を付与する圧力制御室を区画する端面を有する弁部材と、
   前記圧力制御室と低圧側とを接続する出口通路と、
   前記出口通路を開閉することで前記圧力制御室の圧力を調整する制御弁と、
   前記制御弁を駆動する駆動手段と、を有し、
   前記駆動手段で前記制御弁を駆動することで、前記圧力制御室の圧力を調整し、前記弁部材の開閉動作を制御する燃料噴射弁であって、
   前記弁部材は、前記端面に、前記圧力制御室と連通する凹部を有することを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記凹部は、前記弁部材の最大径部分に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 前記最大径部分は、前記弁部材を前記孔に対して軸方向にガイドするガイド部であることを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射弁。

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