JP2008151042A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】外径が異なる摺動部を有するニードルを容易にノズルボディに摺動可能に収容できる燃料噴射弁を提供する。
【解決手段】ニードル７は、第１摺動部８１を有する第１ニードル８、および該第１ニードル８とほぼ同軸上に配置され第１摺動部８１の外径よりも小さい第２摺動部９５と噴射孔４６を開閉する弁体部７１とを有する第２ニードル９を有し、第１ニードル８の第１端部８５と、第２ニードル９の第２端部９６との間に設けられ、ニードル７が噴射孔４６を開閉する両方向に動くように、連結する連結手段８２、９１と、第１、第２摺動部８１、９５の間に、第１端部８５または第２端部９６に流体圧を作用させる圧力制御室３２と、を備え、連結手段８２、９１は、第１端部８５に形成される凹部８３と、第２端部９６に形成され、凹部８３に挿入させて嵌め合わされる凸部９２、９３とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料噴射弁に関する。

従来から、ニードルに形成された弁体部をハウジングに形成された噴射孔から外側方向に移動させることにより燃料の噴射と停止とを制御する、いわゆる外開弁形式の燃料噴射弁が知られている（特許文献１参照）。

この燃料噴射弁は、ニードルの反噴射孔側端部に、ニードルを開弁方向に移動する力（以下、開弁方向の力という）を発生する油圧制御室と、ニードルを閉弁方向に移動する力（以下、閉弁方向の力という）を付与するスプリングを有している。この加圧室内の圧力を増加させることにより、ニードルに開弁方向の力を増大させ、この力が上述のスプリングによる閉弁方向の力よりも勝ったとき、ニードルは開弁方向に移動し、噴射孔から燃料が噴射される。
特開平１１−３５１０９８号公報

一般に、内燃機関の燃焼効率を向上させたり、燃料消費を抑制したりするため、燃料噴射弁の噴射孔を燃焼室に臨ませたり、噴射孔から噴射される燃料を微粒化したりする方法を採用することがあり、それらに適した燃料噴射弁に供給する燃料の圧力は、比較的高いものとなっている。また、この傾向は、ますます強くなり、燃料噴射弁に供給する燃料圧は高くなっている。

しかしながら、上述の外開弁形式のニードルを有する燃料噴射弁は、ニードルの反噴射孔側の端面が単に油圧制御室に臨む構造であるため、油圧制御室に燃料が供給されると、その燃料の圧力が上記端面に作用し、ニードルには、ニードルを噴射孔側の方向、すなわち開弁方向の力のみが発生する。燃料噴射弁に供給する燃料圧を高くすると、ますますニードルを開弁方向の力が増大するので、閉弁を維持するには、閉弁方向の力を増大させる必要がある。

従来技術の燃料噴射弁においては、閉弁を維持するには、閉弁方向に付勢するスプリングの付勢力を大きく設定せざるを得ず、燃料噴射弁の体格が大型化するという問題が生じる。

上述した問題に対し、本出願人は、同日付けで提出した特許出願において、ニードルの両端部間に、流体圧を作用させると、閉弁方向に移動する力を発生する受圧面が形成されているニードルと、この受圧面に燃料圧を作用させる流体を蓄圧する圧力制御室とを有する燃料噴射弁を提案している。

この燃料噴射弁では、ニードルの両端部間に受圧面を有し、この受圧面に流体圧を作用させる流体を蓄圧する圧力制御室が形成されているので、ニードルには、圧力制御室の噴射孔側および反噴射孔側に圧力制御室の液密を保つための摺動部が形成される。しかも、ニードルに形成される２つの摺動部は、それぞれ外径が異なっている。外径が異なる摺動部を同軸上にノズルボディの縦孔に摺動可能に収容するのは非常に困難である。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、外径が異なる摺動部を有するニードルを容易にノズルボディに形成された縦孔に摺動可能に収容することが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、先端部に噴射孔、および噴射孔と連通する縦孔を有するノズルボディと、縦孔に摺動自在に収容され、噴射孔を開閉するニードルと、を備え、燃料源からの燃料を噴射または停止する燃料噴射弁において、ニードルは、第１摺動部を有する第１ニードル、および、該第１ニードルとほぼ同軸上に配置され、第１摺動部の外径よりも小さい第２摺動部と噴射孔を開閉する弁体部とを有する第２ニードルを有し、第１ニードルの第２ニードル側の端部である第１端部と、第２ニードルの第１ニードル側の端部である第２端部との間に設けられ、第１、第２ニードルが噴射孔を開閉すべく軸方向に共に動くように、第１、第２ニードルを互いに連結する連結手段と、第１、第２摺動部の間に、ノズルボディの縦孔とニードルによって区画され、第１端部または第２端部に調整された流体圧を作用させ、ニードルに開閉方向の力を発生させる圧力制御室と、を備え、連結手段は、第１端部に形成される凹部と、第２端部に形成され、第１、第２ニードルが互いの径方向の動きを拘束しあわないように凹部に挿入させて嵌め合わされる凸部とを有することを特徴としている。

この構成によれば、ニードルは第１、第２ニードルに分割されている。そして、第１ニードルには、第１摺動部が形成され、第２ニードルには、第１摺動部よりも外径が小さい第２摺動部が形成されている。このため、第１、第２ニードルを別々にノズルボディの縦孔に摺動可能に収容することができる。

そして、第１、第２ニードルは、連結手段によって互いの径方向の動きが拘束されないように連結されている。このため、第１、第２ニードルと縦孔との摺動を確保したまま第１、第２ニードルを連結することができる。したがって、外径の異なる第１、第２ニードルと縦孔との摺動を確保しつつ、同軸上に第１、第２ニードルをノズルボディに収容することができる。

請求項２に記載の発明によれば、凸部は、その最大外径が第２摺動部の外径以下であることを特徴としている。この構成によれば、第２ニードルに形成されている凸部は、第２ニードルをノズルボディの縦孔に収容する際、この縦孔のうち第２摺動部が摺動する部分を通過できる。これにより、第２ニードルをノズルボディの縦孔に引っ掛けることなく容易に収容することができる。

請求項３に記載の発明によれば、凸部は、ヘッド部と、ヘッド部の外径より小さいロッド部とを有し、ヘッド部とロッド部との間には、凸部側係止面が形成され、凹部は、凸部側係止面と対面し、第１ニードルと第２ニードルとが互いに離れるとき、凸部側係止面と当接する凹部側係止面を有することを特徴としている。

この構成によれば、凹部に係止するヘッド部と第２端部との間には、ヘッド部よりも外径が小さいロッド部が形成されているので、ヘッド部とロッド部との間には、軸方向に対して交差する凸部側係止面が形成される。この凸部側係止面が、凹部に形成された凹部側係止面と係止されることにより、第１、第２ニードルが互いに軸方向に離れるとき、第１、第２ニードルを共に動かすことができる。

請求項４に記載の発明によれば、凸部側係止面と凹部側係止面とは、面接触していることを特徴としている。この構成によれば、凸部側係止面と凹部側係止面とは、面接触で当接しているので、荷重を分散することができる。

請求項５に記載の発明によれば、凹部は、第１ニードルの径方向側面にも開口していることを特徴としている。この構成によれば、凹部は、第１ニードルの径方向側面にも開口しているので、第２ニードルの凸部を第１ニードルの径方向側面から挿入することができる。これにより、第１、第２ニードルを容易に連結することができる。

請求項６に記載の発明によれば、凸部と凹部は、径方向に隙間が形成されるように凹部に凸部が挿入され、第１ニードルと第２ニードルとが連結されることを特徴としている。この構成によれば、第１、第２ニードルを連結したとき、凸部と凹部との間には、隙間が形成されるので、ノズルボディに形成される縦孔の第１摺動部が摺動する部分と第２摺動部が摺動する部分の軸線が互いにずれていても、この軸ずれ分を吸収することができる。

請求項７に記載の発明によれば、ヘッド部とロッド部との接続部、および第２端部とロッド部との接続部の形状が、曲面、若しくは面取り形状となっていることを特徴としている。この構成によれば、第１、第２ニードルに互いに軸線方向に離れるような力が発生したとき、比較的応力集中しやすいヘッド部とロッド部との接続部、および第２端部とロッド部との接続部の形状が曲面、若しくは面取り形状となっているので応力集中を緩和することができる。

請求項８に記載の発明によれば、凹部の凹部側係止面は、少なくとも２つ有しており、これらの凹部係止面は、それぞれ周方向でほぼ等間隔となっていることを特徴としている。この構成によれば、凹部の凹部側係止面に凸部側係止面を当接させたとき、各凹部側係止面には、ほぼ均等に第２ニードルの荷重がかかるので、第１、第２ニードルを安定して連結することができる。

請求項９に記載の発明によれば、第１ニードルの凹部側係止面が形成されている部分の外径は、第１ニードルの第１摺動部の外径よりも大きいことを特徴としている。この構成によれば、凹部側係止面の面積を確保しやすくなり、凸部側係止面と係止させたときにかかる第２ニードルの荷重を分散させることができる。

請求項１０に記載の発明によれば、圧力制御室は、第１、第２摺動部の間に、第１端部および第２端部とが臨むように区画されていることを特徴としている。この構成によれば、調整された流体圧が圧力制御室に供給されると、その流体圧が第１、第２端部に作用する。これにより、第１、第２端部の軸方向投影面積を任意に設定すれば、流体圧が作用することによりニードルに発生する力の大きさと方向を任意に設定することができる。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態による燃料噴射弁を図１から図８に基づいて説明する。図１は、燃料噴射弁１の断面図であり、例えば直噴ガソリンエンジン（以下、省略してエンジンという）に使用される燃料噴射弁１である。燃料噴射弁１は、エンジンの各気筒に対応して設けられ、デリバリパイプ１１（請求項に記載の燃料源に相当）から燃料配管１４を介して燃料の供給を受けるようになっている。

デリバリパイプ１１には、エンジンに設ける燃料噴射弁１の個数と同数の燃料配管１４が設けられており、それぞれの燃料配管１４には、一つずつ燃料噴射弁１が接続されている。なお、デリバリパイプ１１には、燃料タンク１３の燃料が、サプライポンプ１２により圧送されて所定の燃料圧で蓄えられる。図示しない制御装置にて、燃料噴射弁１を制御することにより、各気筒への燃料の噴射制御を行う。また、燃料噴射弁１から噴射されなかった燃料、いわゆる余剰燃料は、戻り配管１５を介して燃料タンク１３に戻される。

図１に示すように、燃料噴射弁１は、棒状体で、図中下側部分がエンジンの図示しない燃焼室壁を貫通して燃焼室内に突出するように取り付けられている。燃料噴射弁１のハウジング１６は、複数の略円柱状の部品（ノズルボディ２、バルブボディ５、およびノズルホルダ６）を軸方向に重ねて構成される。そして、これらのボディ２、５、６は、リテーニングナット１７にて互いに固定される。

ハウジング１６を構成する上述の部品は、その内部に、燃料が流通する流路や空間が形成され、更に、その流路や空間内には、流路を流通する燃料の流れを制御する部品が設けられている。ハウジング１６内の燃料の流れを制御することにより、燃料噴射弁１から噴射される燃料の量やタイミングを制御することができる。

ノズルボディ２は、燃料噴射弁１をエンジンに搭載したとき、最も燃焼室側に配置される部品であり、ニードル７を軸方向に摺動可能に支持する部品である。ノズルボディ２は、大径側ノズルボディ３と小径側ノズルボディ４とから構成され、更に、小径側ノズルボディ４は、上部ノズルボディ４１と下部ノズルボディ４３とから構成される。

大径側ノズルボディ３には、その略中央部にニードル７の一部を軸方向に摺動可能に支持する縦孔３１がこのノズルボディ３の両端面を貫通するように形成されている。縦孔３１の外周側には、燃料が通過する高圧流路３３の一部、および制御圧流路３５の一部が、大径側ノズルボディ３の両端面を貫通するように形成されている。

また、高圧流路３３の流路途中には、オリフィス３４が形成され、制御圧流路３５の流路途中には、オリフィス３６が形成されている。オリフィス３４の流路径は、オリフィス３６の流路径よりも小さい。このため、オリフィス３４を通過する燃料量は、オリフィス３６を通過する燃料量よりも少なくなる。また、高圧流路３３の外周側には、デリバリパイプ１１からの燃料が通過する供給流路３７の一部が、大径側ノズルボディ３の両端面を貫通するように形成されている。

大径側ノズルボディ３の下方には、小径側ノズルボディ４の上部ノズルボディ４１が設けられている。このノズルボディ４１にも、上述の縦孔３１の中心軸とほぼ一致する中心軸を有する縦孔４２が形成されている。この縦孔４２は、ニードル７の一部を軸方向に摺動可能に支持する部分と、ニードル７を上方へ付勢する部品を収容する部分を有している。

ニードル７を上方へ付勢する部品を収容する部分の径は、ニードル７を支持する部分の径よりも大きくなっている。そして、ニードル７を支持する部分の径は、上述の縦孔３１の径よりも小さくなっている。そして、上部ノズルボディ４１には、上述の付属品を収容する部分に連通する供給流路３７の一部が形成されている。

大径側ノズルボディ３と上部ノズルボディ４１との間には、ニードル７がノズルボディ２に収容されることにより、縦孔３１の側面、ニードル７の側面、上部ノズルボディ４１の端面で囲まれる圧力制御室３２が形成される。また、ニードル７の反噴射孔側には、大径側端面８６、縦孔３１、バルブボディ５の下側端面で囲まれる低圧室３８が形成される。この圧力制御室３２には、上述の高圧流路３３と制御圧流路３５が接続されている。この圧力制御室３２内の圧力を制御することにより、ニードル７に作用する圧力を制御でき、ニードル７に発生する閉弁方向の力を制御することができる。

上部ノズルボディ４１の下方には、下部ノズルボディ４３が設けられている。このノズルボディ４３にも、上述の縦孔３１、縦孔４２の中心軸とほぼ一致する中心軸を有する縦孔４４が形成されている。この縦孔４４は、このノズルボディ４３の先端部４５を貫通するように形成されており、縦孔４４の開口部が噴射孔４６となる。噴射孔４６の周囲には、ニードル７が着座するシート部４７が形成されている。

この縦孔４４は、噴射孔４６に近づくほど径が小さくなっている。上部ノズルボディ４１側の径は、上述の部品を収容することができる程度の径となっており、その下方の径は、上述の部品の一部を係止する程度の径となっている。

上部ノズルボディ４１と下部ノズルボディ４３とを軸方向に重ねると、上述の部品を収容することができる空間が形成される。この空間が、燃料溜り室４８となる。この燃料溜り室４８には、上述の供給通路３７を通過してきた燃料が溜まるようになっており、燃料溜り室４８は、噴射孔４６に連通している。そして、この燃料溜り室４８には、上述のニードル７を上方へ付勢する部品である、上部ばね受け部４８１、下部ばね受け部４８２、およびコイルスプリング４８３が収容される。

コイルスプリング４８３は、圧縮された状態で、上部ばね受け部４８１と下部ばね受け部４８２との間に配置される。上部ばね受け部４８１は、ニードル７の段部に係止され、下部ばね受け部４８２は、下部ノズルボディ４３に形成された段部に係止される。このため、ニードル７には、コイルスプリング４８３による付勢力が上方に働く。各ばね受け部４８１、４８２の間には、ニードル７がシート部４７に着座した状態で、距離Ｌの隙間が形成されている。なお、ニードル７の構造については、後ほど詳細に説明する。

大径側ノズルボディ３の上方には、圧力制御室３２内の燃料圧を制御する制御弁５２１を収容するバルブボディ５が設けられている。バルブボディ５には、略中央部に制御弁５２１を収容する制御弁室５２および制御弁室５２と常時連通する副室５３が形成されている。副室５３の下方には、縦孔５１が形成されており、その縦孔５１の下方には、スプリング室５７が形成されている。スプリング室５７の下方には、スプリング室５７とニードル７の端部に形成される低圧室３８とを連通する連結流路５９が形成されている。

これらの室５２、５３、５７、３８および孔５１並びに流路５９は、反噴射孔側から、制御弁室５２、副室５３、縦孔５１、スプリング室５７、連結流路５９、低圧室３８の順で軸方向に並んで配置されている。また、スプリング室５７には、燃料タンク１３に通じる戻り流路５８が接続されており、噴射孔４６が閉弁されているときは、スプリング室５７と低圧室３８の圧力は、制御弁室５２、副室５３、圧力制御室３２、燃料溜り室４８と比べると低くなっている。

これらの室５２、５３、５７、３８および孔５１並びに流路５９の外周側には、高圧流路３３の一部と制御圧流路３５の一部が形成されている。高圧流路３３の外周側には、供給流路３７の一部が形成されている。更に、バルブボディ５の上方の端面には、デリバリパイプ１１からの燃料を高圧流路３３と供給流路３７に分岐する分岐部５５が形成されている。更に、分岐部５５には、副室５３に連結する連結流路５６が形成されている。

このように分岐部５５を制御弁室５２付近に設けることにより、燃料噴射弁１に、デリバリパイプ１１からの燃料を供給する高圧流路３３および連結流路５６のためのポートを個別に形成する必要がなくなるとともに、連結流路５６の流路長さを可能な限り短くすることができ、燃料噴射弁１に形成される流路を簡素化することができる。なお、制御弁５２１については、後ほど詳細に説明する。

バルブボディ５の上方には、制御弁５２１を駆動するアクチュエータであるピエゾアクチュエータ６１１とこのアクチュエータ６１１の変位を制御弁５２１に伝達する伝達ピストン６１２を収容するノズルホルダ６が設けられている。このノズルホルダ６は、略円柱状の２部品からなり、下方が制御弁室５２に連通し、上方が排出ポート６３に連通する収容孔６１を有する。この収容孔６１には、ピエゾアクチュエータ６１１と伝達ピストン６１２が収容される。そして、収容孔６１の外周側には、上方に燃料配管１４が接続される供給ポート６２を有する供給流路３７の一部が形成されている。この供給流路３７は、分岐部５５を通るように形成されている。

次に、制御弁５２１について説明する。制御弁５２１は、いわゆる２位置３方弁として機能する弁であり、供給流路３７の燃料を圧力制御室３２へ供給する流路と、圧力制御室３２の燃料を戻り配管１５へ排出する流路とを切り替えるものである。

具体的には、制御弁５２１を一方の位置に制御すると、供給流路３７、分岐部５５、連結流路５６、副室５３、制御弁室５２、制御圧流路３５という順で燃料が流通する第１の経路を形成し、他方の位置に制御すると、圧力制御室３２、制御圧流路３５、制御弁室５２、収容孔６１、排出ポート６３という順で燃料が流通する第２の経路が形成される。

ノズルホルダ６の下方の端面には、制御弁５２１が着座する上方シート部５４１が形成されている。制御弁５２１が上方に移動し、上方シート部５４１に着座すると、制御弁室５２−排出ポート６３間の流路が断たれ、上述した第１の経路が形成される。

また、制御弁室５２と副室５３との間には、制御弁５２１が着座する下方シート部５４２が形成されている。制御弁５２１が下方に移動し、下方シート部５４２に着座すると、副室５３−制御弁室５２間の流路が断たれ、上述した第２の経路が形成される。

制御弁５２１は、下方に副室ピストン部５２２を有している。そして、副室ピストン部５２２の下方には、制御弁５２１および副室ピストン部５２２を上方に付勢するコイルスプリング５２４が設けられている。なお、副室ピストン部５２２は、縦孔５１に軸方向に摺動可能に支持される。副室ピストン部５２２の上方端面５２３は、副室５３内に臨み、下方端面は、スプリング室５７に望むように配置されている。

ピエゾアクチュエータ６１１の電荷を放出したり、電荷を注入したりすることにより、制御弁５２１を上方シート部５４１に着座させるか、下方シート部５４２に着座させるかを制御することができる。

ピエゾアクチュエータ６１１の電荷を放出すると、アクチュエータ６１１は収縮するので、伝達ピストン６１２は上方に移動する。制御弁５２１は、副室ピストン部５２２がコイルスプリング５２４によって上方に付勢されているので、上方に移動し、上方シート部５４１に着座する。

ピエゾアクチュエータ６１１に電荷を注入すると、アクチュエータ６１１は伸長するので、伝達ピストン６１２は下方に移動する。制御弁５２１は、伝達ピストン６１２によって下方に押され、下方シート部５４２に着座する。

制御弁５２１には、副室ピストン部５２２が形成されているため、連結流路５６を介してデリバリパイプ１１からの燃料が供給されると、副室ピストン部５２２の上方端面５２３に燃料圧が作用するため、制御弁５２１を下方に移動させる際、ピエゾアクチュエータ６１１の負担を軽減させることができる。

次に、ニードル７について詳細に説明する。図１に示すように、ニードル７は、一方の先端部に、噴射孔４６を開閉する弁体部７１を有している。この弁体部７１は、いわゆる外開弁であり、ニードル７が下方に移動すると、噴射孔４６のシート部４７から弁体部７１が離れ、上方に移動すると、シート部４７に弁体部７１が着座する。

ニードル７は、反噴射孔側の端部に、外径の異なる大径ピストン部８（請求項に記載の第１ニードルに相当）と小径ピストン部９（請求項に記載の第２ニードルに相当）を有している。大径ピストン部８は、小径ピストン部９よりも反噴射孔側に設けられている。これらのピストン部８、９は、それぞれ、縦孔３１、４２に軸方向に摺動可能に支持されている。

大径ピストン部８と小径ピストン部９とは、別々の部品で構成されており、大径ピストン部８には、大径側係止部８２が形成され、小径ピストン部９には、小径側係止部９１が形成されている。大径側係止部８２と小径側係止部９１とを係止させることにより、大径ピストン部８と小径ピストン部９は互いに連結する。なお、大径側係止部８２と小径側係止部９１が請求項に記載の連結手段に相当する。大径ピストン部８と小径ピストン部９とが各係止部８２、９１によって連結されることによって、ニードル７は一体物となり軸方向に共に移動可能となる。

次に、大径ピストン部８と小径ピストン部９について詳細に説明する。大径ピストン部８は、略円柱状の大径側摺動部８１（請求項に記載の第１摺動部に相当）と、この大径摺動部８１よりも外径が大きい略円柱状の大径側係止部８２との２つの部分を有している。少なくとも大径側摺動部８１は、大径側ノズルボディ３に形成された縦孔３１に軸方向に摺動可能に支持されている。これにより、縦孔３１は、圧力制御室３２と低圧室３８とに区分けされる。

大径側係止部８２は、図３に示すように、下方が開口する溝部８３（請求項に記載の凹部に相当）を有している。この溝部８３は、大径側係止部８２の径方向側面にも開口するように形成されている。溝部８３の内壁には、小径側係止部９１と当接する大径側係止面８４（請求項に記載の凹部側係止面に相当）が形成されている。大径側係止面８４は、ニードル７の軸方向に交差するように、かつ、その面８４が上方を向くように溝部８３の内壁に形成されている。溝部８３を側面から見ると、溝部８３の開口部分の内壁間の距離よりも、開口部分の上方の内壁間の距離の方が大きくなっている。なお、本実施形態では、溝部８３は２つの大径側係止面８４を備えている。

図６は、大径ピストン部８の大径側係止部８２の平面図である。これら２つの大径側係止面８４は、図６に示すように、大径側係止面８４同士の間隔Ｌ１がほぼ同じとなるように形成されている。

小径ピストン部９は、略円柱状の小径側摺動部９５（請求項に記載の第２摺動部に相当）と、小径側摺動部９５の外径以下の外径を有する略円柱状の小径側係止部９１との２つの部分を有している。小径側摺動部９５は、小径側ノズルボディ４に形成された縦孔４２に軸方向に摺動可能に支持されている。

ここで、大径側摺動部８１と縦孔３１との隙間、および小径側摺動部９５と縦孔４２との隙間は、圧力制御室３２の液密性を確保できる程度に設定されている。例えば、１〜５μｍのように非常に小さく設定されている。

小径側係止部９１は、ヘッド部９２とヘッド部９２と小径側摺動部９５とを連結するロッド部９３とを有している。図３に示すように、ヘッド部９２はロッド部９３よりも外径が大きく、ヘッド部９２の下方の面には、上述の大径側係止面８４と対面する小径側係止面９４（請求項に記載の凸部側係止面に相当）が形成されている。なお、ヘッド部９２とロッド部９３が請求項に記載の凸部に相当する。

大径ピストン部８と小径ピストン部９とを連結するときは、図４に示すように、溝部８３の側方から、ヘッド部９２の小径側端面９９が溝部８３の底部８７とが対面するようにヘッド部９２とロッド部９３とを挿入し、大径側係止面８４に小径側係止面９４を当接させる。大径ピストン部８に小径ピストン部９を連結させたとき、小径側係止部９４は、溝部８３に覆われるので、ニードル７の軸方向長さ、すなわち、燃料噴射弁１の全長が長くなるのを抑制することができる。

このように、両ピストン部８、９は連結されているので、両ピストン部８、９に互いに離れる方向の力が発生したときは、大径側係止面８４と小径側係止面９４とが当接し、両ピストン部８、９を上方または下方のいずれかの方向に共に移動させることができる。大径側係止面８４と小径側係止面９４との接触は、面接触となっている。これにより、大径側係止面８４、および小径側係止面９４にかかる荷重を分散させることができる。

図１および図３に示すように、大径ピストン部８と小径ピストン部９とが連結された状態のニードル７は、大径ピストン部８の下方の端部と小径ピストン部９の端部とが圧力制御室３２に臨むようにハウジング１６に配置される。したがって、圧力制御室３２に高圧流路３３を経由してデリバリパイプ１１の燃料が供給されると、大径側係止部８２の下方の端面である大径側受圧面８５（請求項に記載の第１端部に相当）と、小径側摺動部９５とロッド部９３との間に形成される面である小径側受圧面９６（請求項に記載の第２端部に相当）に燃料圧が作用する。大径側受圧面８５は、噴射孔４６に向かうようにして圧力制御室３２内に配置されている。

圧力制御室３２に所定の燃料圧を有する燃料が供給されると、大径側受圧面８５および小径側受圧面９６には同じ圧力が作用する。大径側受圧面８５に燃料圧が作用すると、大径ピストン部８には、ニードル７を上方に移動させる力が発生する。また、小径側受圧面９６に燃料圧が作用すると、小径ピストン部９には、ニードル７を下方に移動させる力が発生する。大径側受圧面８５は、小径側受圧面９６に比べ、軸方向の投影面積が大きいため、ニードル７には、上方に移動する力が発生する。

上述したように、低圧室３８の圧力は、低圧側である燃料タンク１３に接続されているため、圧力制御室３２の圧力値は、低圧室３８の圧力値以上となり、ニードル７を上方に移動させる力を大きくすることができる。

詳細に説明すると、大径側受圧面８５に作用した圧力は、大径ピストン部８には、このピストン部８を上方に移動させる力が発生する。小径側受圧面９６に作用した圧力は、小径ピストン部９には、小径ピストン部９を下方に移動させる力が発生する。大径ピストン部８に発生する上方の力は、小径ピストン部９に発生する下方の力よりも勝るので、大径ピストン部８は、小径ピストン部９を上方に引っ張るようにして上方に移動する。

なお、圧力制御室３２内の圧力は、制御弁５２１によって調整可能であるため、ニードル７に発生する上方の力を調整することができる。圧力制御室３２に供給された燃料の一部は、大径側係止部８２および大径側摺動部８１の側面と縦孔３１の内壁との間を通って連結流路５９、スプリング室５７、および戻り流路５８を介して燃料タンク１３に戻る。

次に、ニードル７に作用する燃料圧とニードル７に発生する力との関係について説明する。ニードル７は、ニードル７を下方に移動させる力と上方に移動させる力のバランスによってその軸方向の位置が決定される。

ニードル７を下方に移動させる力は、供給流路３７を介して燃料溜り室４８に供給される燃料圧が弁体部７１の受圧面７２に作用することによって発生する力と、低圧室３８内の燃料圧が大径側端面８６に作用することによって発生する力である。

ニードル７を上方に移動させる力は、燃料溜り室４８内に収容されているコイルスプリング４８３の付勢力と、圧力制御室３２に供給される燃料圧が上述の大径側受圧面８５から小径側受圧面９６を差し引いた面積に作用することにより発生する力との合計の力である。

なお、図１に示すように、圧力制御室３２内の圧力がデリバリパイプ１１と同じ圧力となっているときは、ニードル７を下方に移動させる力よりも上方に移動させる力のほうが勝っているので、ニードル７は上方に移動しようとする。

上述の力のバランスは、圧力制御室３２内の圧力を調整することにより変えることができる。圧力制御室３２内の圧力を低下させると、上方に移動させる力が弱まるので、上方に移動させる力よりも下方に移動させる力が勝り、ニードル７は、下方に移動する。その状態から、再び、圧力制御室３２内の圧力を上昇させる（デリバリパイプ１１と同じ圧力にする）と、下方に移動させる力よりも上方に移動させる力が勝り、ニードル７は、上方に移動する。

本実施形態では、ニードル７の大径ピストン部８の大径側受圧面８５が、圧力制御室３２に臨み、圧力制御室３２内の圧力が作用すると、ニードル７を上方に移動させる力が発生するように形成されているので、従来技術の外開弁形式のものに比べ、弁体部７１がシート部４７に着座するときのシート力を、コイルスプリング４８３の体格を大きくせずに向上させられる。

また、圧力制御室３２内の圧力を調整するだけで、ニードル７を上方に移動させる力を調整でき、ニードル７の移動を制御することもできる。すなわち、ニードル７を移動させるための駆動装置を別に用意することなく、ニードル７の移動を制御することができる。

つまり、大径側受圧面８５を圧力制御室３２に臨ませ、圧力制御室３２を調整可能とすることで、噴射孔４６の閉弁時のニードル７のシート力を向上させるという機能と、ニードル７の移動を制御するという機能とを併せ持たせることができる。

また、大径側係止部８２の外径は、大径側摺動部８１の外径よりも大きいため、小径側係止面９４と当接する大径側係止面８４の面積を大きくすることができる。これによれば、ニードル７が上方に移動する際の各係止面８４、９４にかかる荷重を分散することができる。

そして、図５に示すように、ロッド部９３の断面は、円柱状の側面２箇所を軸方向に切り落としたような形状となっている。このようにロッド部９３を形成することにより、ヘッド部９２に形成される小径側係止面９４の面積を確保しつつ、ロッド部９３の断面積をできるだけ大きくすることができるので、ロッド部９３の強度低下を抑制することができる。

また、図３に示すように、ヘッド部９２とロッド部９３との接続部９７、およびロッド部９３と小径側摺動部９５との接続部９８の形状が、曲面、若しくは、面取り形状となっているので、小径ピストン部９が大径ピストン部８に引っ張られるようにして上方に移動する際に生じる、各接続部９７、９８の応力集中を緩和させることができる。

また、大径ピストン部８の大径側係止面８４は、図６に示すように、各大径側係止面８４同士の間隔Ｌ１がほぼ同じように形成されているので、大径側係止面８４に小径側係止面９４を当接させ、ニードル７が上方または下方に移動するとき、大径側摺動部８１および小径側摺動部９５の側面が縦孔３１、４２にかた当たりすることを抑制でき、安定して両ピストン部８、９を連結することができる。

溝部８３に形成される大径側係止面８４は、２つに限定されるものではない、図７に示すように、大径側係止面８４は３つであってもよい。大径側係止面８４が３つ以上であっても、図６に示す大径側係止面８４と同様、各大径側係止面８４同士の間隔Ｌ２は同じであったほうが好ましい。

次に、本実施形態の作動を図１から図３に基づいて説明する。図１は、燃料噴射を停止している状態を示し、図２は、燃料噴射を行っている状態を示している。

図１の状態では、ピエゾアクチュエータ６１１は、電荷が放出された状態である。この状態では、アクチュエータ６１１は収縮し、伝達ピストン６１２は上方に移動している。伝達ピストン６１２は、上方に移動しているため、制御弁５２１は、コイルスプリング５２４の付勢力により上方に移動し、制御弁５２１が上方シート部５４１に着座する。

この状態で、デリバリパイプ１１から所定の燃料圧を有した燃料が供給ポート６２から供給流路３７に供給されると、その燃料は、供給流路３７を介して燃料溜り室４８に供給される。そして、圧力制御室３２には、高圧流路３３と、連結流路５６、副室５３、制御弁室５２、制御圧流路３５という２つの経路から供給流路３７内の燃料が供給される。

このとき、ニードル７には、上述したように受圧面７２に燃料溜り室４８の燃料圧が作用したときに発生する下方の力、大径側受圧面８５と小径側受圧面９４に圧力制御室３２の燃料圧が作用したときに発生する上方の力とコイルスプリング４８３の付勢力による上方の力が発生する。この状態では、下方の力よりも上方の力の方が勝っているため、ニードル７は上方に移動しようとする。このため、弁体部７１がシート部４７に着座する状態が維持される。

続いて、ピエゾアクチュエータ６１１に電荷が注入されると、アクチュエータ６１１は、伸長し、伝達ピストン６１２は下方に移動する。伝達ピストン６１２が下方に移動すると、制御弁５２１も下方に移動し、制御弁５２１が下方シート部５４２に着座する。

制御弁５２１が下方シート部５４２に着座すると、制御弁室５２と副室５３との連通が断たれるため、燃料の流通経路が変化する。すなわち、圧力制御室３２、制御圧流路３５、制御弁室５２、収容孔６１、排出ポート６３という経路が形成され、圧力制御室３２の燃料が燃料噴射弁１から排出される。圧力制御室３２へは、噴射停止時と同様に高圧流路３３を介して燃料が供給されるが、オリフィス３４の径がオリフィス３６の径よりも小さいので、圧力制御室３２内の圧力は低下する。

すると、ニードル７に作用する上述の力のバランスが変化する。すなわち、ニードル７に発生する下方の力が上方の力よりも勝り、ニードル７は下方に移動する。このため、弁体部７１は、シート部４７から離座し、燃料溜り室４８内の燃料が噴射孔４６から噴射される。

所定時間燃料が噴射されたところで、再び、ピエゾアクチュエータ６１１の電荷を放出すると、燃料噴射弁１は図１の状態に戻り、燃料の噴射が停止する。本実施形態では、圧力制御室３２への燃料の供給経路が、２つ（高圧流路３３を介して供給される経路と制御圧流路３５を介して供給される経路）あるので、圧力制御室３２内の圧力の回復が比較的速い。このため、ニードル７を上方に移動させる速度を速くすることができ、燃料噴射弁１の閉弁特性を向上させることができる。

次に、燃料噴射弁１の製造手順を図８に基づいて説明する。本実施形態の燃料噴射弁１に使用されるニードル７は、いわゆる外開弁形式のものであるため、最初に、大径ピストン部８を切り離した状態のニードル７を下部ノズルボディ４３の噴射孔４６から小径ピストン部９を挿入する。

その後、上方から下部ばね受け部４８２、コイルスプリング４８３、上部ばね受け部４８１の順で、ニードル７に挿入する。その後、上方から上部ノズルボディ４１を下部ノズルボディ４３の上部に被せる。このとき、図８に示すように、上部ノズルボディ４１の上端面からは、小径側係止部９１が突き出ている。

その後、小径側係止部９１と大径側係止部８２とを図４に示すように連結する。そして、大径側ノズルボディ３を上方から被せ、縦孔３１に大径側摺動部８１を挿入する。

その後、図示しないが、制御弁５２１等を組み付けたバルブボディ５およびピエゾアクチュエータ６１１等を組み付けたノズルホルダ６を順番に大径側ノズルボディ３の上方から被せていく。そして、最後に、リテーニングナット１７によって、小径側ノズルボディ４と、大径側ノズルボディ３と、バルブボディ５と、ノズルホルダ６とを一体化する。

本実施形態では、両端部間に圧力制御室３２内の圧力が作用することにより、ニードル７に開閉方向の力を発生させる大径側受圧面８５または小径側受圧面９６を有するニードル７を、大径側摺動部８１を有する大径ピストン部８と、大径側摺動部８１の外径よりも小さい小径側摺動部９５を有する小径ピストン部９との２つの部品より構成させている。

このため、ノズルボディ２の縦孔３１、４２に大径ピストン部８と小径ピストン部９とを別々に摺動可能に収容することができる。そして、大径ピストン部８と小径ピストン部９とは、互いの径方向の動きが拘束されないように、大径側係止部８２と小径側係止部９１とによって連結されている。よって、外径が異なる摺動部（大径側摺動部８１、小径側摺動部９５）を有するニードル７であっても、各摺動部８１、９５の摺動を確保しつつ、ニードル７をノズルボディ２に収容することができる。また、摺動部８１、９５の摺動が確保できるので、摺動部８１、９５間に形成される圧力制御室３２の液密性を確保させやすくなる。

また、小径ピストン部９に形成されているヘッド部９２は、その外径が小径側摺動部９５の外径以下となっているので、小径ピストン部９をノズルボディ２に収容させる際、ヘッド部９２は縦孔４２を通過できる。これにより、小径ピストン部９を縦孔４２に引っ掛けることなく容易に収容することができる。

本実施形態では、ノズルボディ２は大径側ノズルボディ３と小径側ノズルボディ４から構成され、各ノズルボディ３、４には、ニードル７を軸方向に摺動可能に支持する縦孔３１、４２がそれぞれ形成されている。したがって、加工の精度によっては、各縦孔３１、４２の軸線がずれることがある。

本実施形態では、小径側係止部９１のヘッド部９２およびロッド部９３、並びに大径側係止部８２の溝部８３の内壁は、大径ピストン部８に小径ピストン部９を連結したときに、ヘッド部９２およびロッド部９３の側面と、溝部８３の内壁との間に隙間が形成されるような隙間嵌めの寸法公差となっている。このため、各縦孔３１、４２の軸線のずれを吸収できる。

第１実施形態では、圧力制御室３２には、燃料溜り室４８に供給される流体と同じ流体、すなわち、デリバリパイプ１１内の燃料が供給されているが、図９に示すように、圧力制御室３２に供給される流体と燃料溜り室４８に供給される流体は別々のものであっても良い。例えば、図９に示すように、圧力制御室３２には、燃料ではない他の高圧流体（作動油）を供給し、燃料溜り室４８には、デリバリパイプ１１内の燃料を供給する。

具体的には、デリバリパイプ１１とは、別に請求項に記載の供給源としての作動油パイプ１１ａを備え、そのパイプ１１ａから作動油配管１４ａを介して圧力制御室３２および副室５３に作動油を供給する。作動油パイプ１１ａには、作動油タンク１３ａの作動油が、作動油用サプライポンプ１２ａにより圧送されて所定の圧力で蓄えられる。

この場合、第１実施形態とは異なり、燃料溜り室４８に燃料を供給する供給流路３７ａと、圧力制御室３２および副室５３作動油流路３７ｂは、それぞれ独立した流路とする必要がある。なお、圧力制御室３２および副室５３から排出される作動油は、作動油戻り配管１５ａを介して作動油タンク１３ａに戻される。

この他の実施形態における燃料噴射弁１ａの上述した以外の部品は同じ構成であるため、各部品の説明および燃料噴射弁１ａの動作説明については省略する。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による燃料噴射弁１ｂを図１０に基づいて説明する。図１０は、第１実施形態の図１に対応する図であり、燃料噴射停止時を示している。ここでは、上述の第１実施形態との相違点のみを説明する。

第１実施形態との相違点は、第１実施形態では、図１に示すように高圧流路３３が形成されているのに対し、第２実施形態では、図１０に示すように上述の高圧流路３３が形成されていない点である。図１０では、高圧流路３３が形成されていないため、圧力制御室３２への燃料の供給・排出は、以下に示すような動作となる。

ピエゾアクチュエータ６１１の電荷が放出された状態では、アクチュエータ６１１は収縮しているので、伝達ピストン６１２は上方に移動している。このとき、制御弁５２１はコイルスプリング５２４の付勢力により、上方に移動し、制御弁５２１が上方シート部５４１に着座する。

この状態で、デリバリパイプ１１から所定の燃料圧を有した燃料が供給ポート６２から供給流路３７に供給されると、その燃料は、供給流路３７を介して燃料溜り室４８に供給される。そして、圧力制御室３２には、連結流路５６、副室５３、制御弁室５２、制御圧流路３５というただ１つの経路から供給流路３７内の燃料が供給される。

このとき、ニードル７は、第１実施形態でも説明したように、上方に移動しようとするので、弁体部７１がシート部４７に着座する状態が維持され、燃料の噴射が停止される。

続いて、ピエゾアクチュエータ６１１に電荷が注入されると、アクチュエータ６１１は、伸長するので、伝達ピストン６１２は下方に移動する。伝達ピストン６１２が下方に移動すると、制御弁５２１も下方に移動し、制御弁５２１が下方シート部５４２に着座する。

制御弁５２１が下方シート部５４２に着座すると、制御弁室５２と副室５３との連通が断たれるため、燃料の流通経路が変化する。圧力制御室３２、制御圧流路３５、制御弁室５２、収容孔６１、排出ポート６３という経路が形成され、圧力制御室３２の燃料が燃料噴射弁１から排出され、圧力制御室３２内の圧力は低下する。

すると、ニードル７は、第１実施形態でも説明したように、下方に移動しようとするので、弁体部７１がシート部４７から離座し、燃料溜り室４８内の燃料が噴射孔４６から噴射される。所定時間燃料が噴射されたところで、再び、ピエゾアクチュエータ６１１の電荷を放出すると、ニードル７は上方に移動し、弁体部７１がシート部４７に着座し、燃料の噴射が停止する。

本実施形態では、第１実施形態と異なり、高圧流路３３を備えていない。したがって、圧力制御室３２内の燃料を排出する際、圧力制御室３２には、新たな高圧燃料が供給されないため、デリバリパイプ１１内の燃料圧の損失を抑制することができる。

本発明の第１実施形態における燃料噴射弁の噴射停止時の断面図である。 本発明の第１実施形態における燃料噴射弁の噴射時の断面図である。 図１のニードルの要部断面図である。 図１のニードルの分解斜視図である。 図１のニードルのロッド部の断面図である。 図１の大径ピストン部の大径側係止部の平面図である。 図６の大径側係止部の変形例における大径側係止部の平面図である。 図１のノズルボディ部分の分解断面図である。 本発明の第１実施形態の他の実施形態における燃料噴射弁の断面図である。 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。

符号の説明

１ 燃料噴射弁、１１ デリバリパイプ（燃料源）、１２ サプライポンプ、１３ 燃料タンク、１４ 燃料配管、１５ 戻り配管、１７ リテーニングナット、２ ノズルボディ、３１ 縦孔、３２ 圧力制御室、３３ 高圧流路、３５ 制御圧流路、３７ 供給流路、３８ 低圧室、４２ 縦孔、４４ 縦孔、４６ 噴射孔、４８ 燃料溜り室、、７ ニードル、８ 大径ピストン部（第１ニードル）、８１ 大径側摺動部（第１摺動部）、８２ 大径側係止部（連結手段）、８３ 溝部（凹部）、８４ 大径側係止面（凹部側係止面）、８５ 大径側受圧面（第１端部）、８６ 大径側端面、９ 小径ピストン部（第２ニードル）、９１ 小径側係止部（連結手段）、９２ ヘッド部（凸部）、９３ ロッド部（凸部）、９４ 小径側係止面（凸部側係止面）、９５ 小径側摺動部（第２摺動部）、９６ 小径側受圧面（第２端部）

Claims (10)

1. 先端部に噴射孔、および前記噴射孔と連通する縦孔を有するノズルボディと、前記縦孔に摺動自在に収容され、前記噴射孔を開閉するニードルと、を備え、燃料源からの燃料を噴射または停止する燃料噴射弁において、
   前記ニードルは、第１摺動部を有する第１ニードル、および、該第１ニードルとほぼ同軸上に配置され、前記第１摺動部の外径よりも小さい第２摺動部と前記噴射孔を開閉する弁体部とを有する第２ニードルを有し、
   前記第１ニードルの前記第２ニードル側の端部である第１端部と、前記第２ニードルの前記第１ニードル側の端部である第２端部との間に設けられ、前記第１、第２ニードルが前記噴射孔を開閉すべく軸方向に共に動くように、前記第１、第２ニードルを互いに連結する連結手段と、
   前記第１、第２摺動部の間に、前記ノズルボディの前記縦孔と前記ニードルによって区画され、前記第１端部または前記第２端部に調整された流体圧を作用させ、前記ニードルに開閉方向の力を発生させる圧力制御室と、を備え、
   前記連結手段は、前記第１端部に形成される凹部と、前記第２端部に形成され、前記第１、第２ニードルが互いの径方向の動きを拘束しあわないように前記凹部に挿入させて嵌め合わされる凸部とを有することを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記凸部は、その最大外径が前記第２摺動部の外径以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 前記凸部は、ヘッド部と、前記ヘッド部の外径より小さいロッド部とを有し、前記ヘッド部と前記ロッド部との間には、前記凸部側係止面が形成され、
   前記凹部は、前記凸部側係止面と対面し、前記第１ニードルと前記第２ニードルとが互いに離れるとき、前記凸部側係止面と当接する前記凹部側係止面を有することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料噴射弁。
4. 前記凸部側係止面と前記凹部側係止面とは、面接触していることを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射弁。
5. 前記凹部は、前記第１ニードルの径方向側面にも開口していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
6. 前記凸部と前記凹部は、径方向に隙間が形成されるように前記凹部に前記凸部が挿入され、前記第１ニードルと前記第２ニードルとが連結されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
7. 前記ヘッド部と前記ロッド部との接続部、および前記第２端部と前記ロッド部との接続部の形状が、曲面、若しくは面取り形状となっていることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料噴射弁。
8. 前記凹部の前記凹部側係止面は、少なくとも２つ有しており、これらの前記凹部係止面は、それぞれ周方向でほぼ等間隔となっていることを特徴とする請求項３、４、または７のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
9. 前記第１ニードルの前記凹部側係止面が形成されている部分の外径は、前記第１ニードルの前記第１摺動部の外径よりも大きいことを特徴とする請求項３、４、７、または８のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
10. 前記圧力制御室は、前記第１、第２摺動部の間に、前記第１端部および前記第２端部とが臨むように区画されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。

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