JP2008175179A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】噴射圧に依存することなく「ニードル弁上昇速度」を一定に維持できる燃料噴射制御装置を提供すること。
【解決手段】ニードル弁４２の背面側が臨む制御室Ｒ２に燃料供給路Ｃ１からコモンレール３０内の高圧（噴射圧Pc）の燃料を流入させる燃料流入路Ｃ２において流入オリフィスＺ１が介装され、制御室Ｒ２から燃料タンクＴに燃料を排出させる燃料排出路Ｃ３において、上流側から順に、排出オリフィスＺ２、制御室Ｒ２内の圧力（制御圧Pcntl）を制御するために燃料排出路Ｃ３を連通・遮断する制御弁４３、並びに、噴射圧Pcと制御弁４３の下流側の圧力（制御弁背圧Pback）との差圧（＝Pc−Pback）を一定値に調整する制御弁背圧調整機構が介装されている。これにより、ニードル弁４２が上昇していく際において排出オリフィスＺ２を通過する燃料の流量を噴射圧Pcに依存することなく一定にできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

従来より、図５に示すように、内燃機関（特に、ディーゼル機関）の燃焼室に燃料を噴射する噴孔１１０を開閉するニードル弁１２０と、内部の燃料の圧力である噴射圧Pcによりニードル弁１２０の一端側（図５において下端側）が開弁方向（図５において上方向）の力を受けるとともにニードル弁１２０の開弁状態において内部の燃料が噴孔１１０から燃焼室に向けて噴射されるノズル室１３０と、内部の燃料の圧力である制御圧Pcntlによりニードル弁１２０の他端側（図５において上端側）が閉弁方向（図５において下方向）の力を受ける制御室１４０と、高圧発生部（図示しない液圧ポンプ＋コモンレール）が発生する高圧燃料をノズル室１３０に供給する燃料供給路１５０と、燃料供給路１５０から制御室１４０に燃料を流入させる流入オリフィス１６０が介装された燃料流入路１７０と、制御室１４０から燃料を燃料タンク（図示せず）へ排出させる排出オリフィス１８０が介装された燃料排出路１９０と、燃料排出路１９０に介装されて燃料排出路１９０を連通・遮断する制御弁２１０とを備えた燃料噴射制御装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。制御室１４０内にはニードル弁１２０を閉弁方向へ常時付勢するコイルスプリング２２０が備えられている。
特開２００５−３２０８７０号公報

図５に示した装置では、閉弁状態にあるニードル弁１２０を開弁させる場合（閉弁状態（ニードル弁リフト量＝０）から開弁状態（ニードル弁リフト量＞０）へと変更させる場合）、制御弁２１０が開弁させられる（閉状態から開状態へと変更される）。これにより、燃料排出路１９０を通して制御室１４０から燃料が排出されて制御圧Pcntlが噴射圧Pcから低下し、これに伴って燃料流入路１７０を通して制御室１４０に燃料供給路１５０から燃料が流入する。この結果、制御圧Pcntlは、排出オリフィス１８０を通過する燃料の流出流量（排出オリフィス流量）と流入オリフィス１６０を通過する燃料の流入流量（流入オリフィス流量）の差（＝排出オリフィス流量−流入オリフィス流量）に応じた速度をもって噴射圧Pcから低下していく。

このように低下していく制御圧Pcntlが「ニードル弁開弁圧」（ニードル弁１２０が閉弁状態から開弁状態へ移行する時点での制御圧Pcntl）まで達すると、ニードル弁１２０が開弁し（図５において上方へ移動し）、この結果、燃料噴射が開始される。その後、ニードル弁１２０は、制御室１４０内の燃料の体積の減少速度（＝排出オリフィス流量−流入オリフィス流量）に応じた速度をもって上昇していく（図５において上方へ移動していく）。即ち、ニードル弁リフト量が増大していく。この間、燃料噴射は継続される。以下、このようにニードル弁１２０が上昇する際のニードル弁１２０の上昇速度（ニードル弁リフト量の増大速度）を「ニードル弁上昇速度」と称呼する。

一方、このように上昇していく（開弁状態にある）ニードル弁１２０を閉弁させる場合（開弁状態から閉弁状態へと変更させる場合）、制御弁２１０が閉弁させられる（開状態から閉状態へと変更される）。これにより、燃料排出路１９０を通した制御室１４０からの燃料の排出が中止される一方、燃料流入路１７０を通した制御室１４０への燃料の流入は継続される。この結果、ニードル弁１２０は、制御室１４０内の燃料の体積の増大速度（即ち、流入オリフィス１６０を通過する燃料の流入流量）に応じた速度をもって下降していく（図５において下方へ移動していく）。即ち、ニードル弁リフト量が減少していく。以下、このようにニードル弁１２０が下降する際のニードル弁１２０の下降速度（リフト量の減少速度）を「ニードル弁下降速度」と称呼する。そして、ニードル弁リフト量が「０」に達すると、ニードル弁１２０が閉弁し、燃料噴射が終了する。このように、制御弁２１０を制御して制御圧Pcntlを制御することでニードル弁１２０の位置（ニードル弁リフト量）が調整されて燃料の噴射制御が行われる。

ところで、図５に示した装置では、ニードル弁１２０の開弁後において、制御圧Pcntlは、「ニードル弁開弁圧」から、「噴射圧Pcからコイルスプリング２２０の付勢力に相当する制御室１４０内の圧力分（以下、「バネ力相当圧力分Px」と称呼する。）を減じて得られる圧力（Pc−Px）」まで迅速に上昇し、その後はニードル弁１２０の閉弁まで圧力（Pc−Px）で推移する。これは、ニードル弁１２０の開弁状態では、ニードル弁１２０の一端側の受圧面積と他端側の受圧面積とが等しいことに基づく（詳細は後述する）。

従って、ニードル弁１２０が上昇していく間において、流入オリフィス１６０の上下流間の差圧は、噴射圧Pcに依存することなく、「バネ相当圧力分Px」で略一定となる。換言すれば、噴射圧Pcに依存することなく、上記流入オリフィス流量は一定となる。

一方、ニードル弁１２０が上昇していく間において、排出オリフィス１８０の上下流間の差圧は、上記圧力（Pc−Px）に略等しくなる。これは、制御弁２１０の下流側の圧力（以下、「制御弁背圧」と称呼する。）が大気圧で一定であることに基づく。換言すれば、噴射圧Pcが大きいほど、排出オリフィス１８０の上下流間の差圧が大きくなり、従って、上記排出オリフィス流量が大きくなる。以上より、図５に示した装置では、上記「ニードル弁上昇速度」（＝（排出オリフィス流量−流入オリフィス流量）に応じた速度）は、噴射圧Pcが大きいほど大きくなる。

しかしながら、このように、噴射圧Pcが大きいほど「ニードル弁上昇速度」が大きくなると、以下の問題が生じる。即ち、噴射圧Pcが小さくて「ニードル弁上昇速度」が小さい場合、ニードル弁１２０の開弁直後の極短期間において「ニードル弁リフト量が所定の微小量以下で推移する期間」が長くなる。ここで、図６に示すように、「ニードル弁リフト量が所定の微小量以下で推移する期間」（斜線で示した領域に対応）では、ニードル弁１２０の上記一端側（図５において下端側）と弁座部との間にて実質的なオリフィスが形成されて圧力損失が生じ、噴孔直前圧力（図５において空間２３０内の燃料圧力）が低くなる。従って、燃料の実質的な噴射圧力が低下して噴射燃料の微粒子化が阻害され易い。以上より、「ニードル弁上昇速度」が小さい場合、上述した噴射圧力の低下により噴射燃料の微粒子化が阻害され得る期間が長くなるという問題が生じる。即ち、噴射圧Pcが小さい場合、上述した噴射圧力の低下を抑制するために「ニードル弁上昇速度」を大きくしたいという要求がある。

一方、噴射圧Pcが大きくて「ニードル弁上昇速度」が大きい場合、制御弁２１０の開弁期間（開弁状態に維持されている期間）に対する燃料噴射量が大きくなり、この結果、制御弁２１０の開弁期間の調整による燃料噴射量の制御精度が低下するという問題が生じる。即ち、噴射圧Pcが大きい場合、上述した燃料噴射量の制御精度の低下を抑制するために「ニードル弁上昇速度」を小さくしたいという要求がある。以上のことから、噴射圧Pcに依存することなく「ニードル弁上昇速度」を一定に維持できる燃料噴射制御装置の到来が望まれているところである。

本発明の目的は、噴射圧に依存することなく「ニードル弁上昇速度」を一定に維持できる燃料噴射制御装置を提供することにある。

本発明に係る燃料噴射制御装置は、上記と同じニードル弁、ノズル室、制御室、高圧発生部、燃料供給路、燃料流入路、燃料排出路、及び制御弁を備え、前記制御弁を制御して前記制御圧を制御することで前記ニードル弁の位置（ニードル弁リフト量）を調整して燃料の噴射制御を行う燃料噴射制御装置（図５に示したものと同じ装置）において、前記制御弁よりも下流の前記燃料排出路に介装されて、前記噴射圧と前記制御弁の下流側の圧力である制御弁背圧との差圧を（前記制御弁の開弁状態において）一定値に調整する制御弁背圧調整機構を更に備えている。

ここにおいて、前記燃料流入路、及び前記制御弁背圧調整機構よりも上流の前記燃料排出路にはそれぞれ、オリフィス（上記流入オリフィス、及び上記排出オリフィス）が設けられていることが好ましい。また、ニードル弁の開弁状態では、ニードル弁の前記一端側の受圧面積と前記他端側の受圧面積とが等しいことが好適である。更には、前記制御室内において前記ニードル弁を閉弁方向へ常時付勢する弾性部材が備えられていることが好適である。

上記構成によれば、制御弁背圧調整機構により、噴射圧と制御弁背圧との差圧が一定値（ΔP1）に調整される。従って、ニードル弁が上昇していく間において、排出オリフィスの上下流間の差圧は、制御室内の圧力である上記圧力（Pc−Px）から制御弁背圧（＝Pc−ΔP1）を減じた値（＝ΔP1−Px）に略等しくなる。即ち、排出オリフィスの上下流間の差圧は、噴射圧に依存することなく、値（ΔP1−Px）で略一定となる。換言すれば、ニードル弁が上昇していく間において、噴射圧に依存することなく、上記排出オリフィス流量は一定となる。

一方、上述したように、ニードル弁が上昇していく間において、上記流入オリフィス流量も噴射圧に依存することなく一定となる。以上より、上記「ニードル弁上昇速度」（＝（排出オリフィス流量−流入オリフィス流量）に応じた速度）は、噴射圧に依存することなく、一定に維持され得る。

上記本発明に係る燃料噴射制御装置において、前記制御弁背圧調整機構は、前記燃料排出路を連通・遮断するスプール弁と、前記制御弁の下流側と接続されて内部の圧力である前記制御弁背圧により前記スプール弁の一端側が開弁方向の力を受ける背圧室と、前記燃料供給路に接続されて内部の圧力である前記噴射圧により前記スプール弁の他端側が閉弁方向の力を受ける圧力室と、前記背圧室内に配設された前記スプール弁を開弁方向へ常時付勢する弾性部材とを備え、前記スプール弁の一端側の受圧面積が前記他端側の受圧面積と等しいように構成することが好適である。

この場合、具体的には、前記スプール弁は、前記一端側から前記他端側に向けて拡径するテーパー面を前記一端側の先端部において一体的に備え、前記テーパー面が弁座から離間・前記弁座に当接することで前記燃料排出路を連通・遮断するように構成されることが好ましい。この場合、前記背圧室は前記燃料排出路の一部を兼ねている。

これによれば、電磁弁等の電力で制御される装置を使用することなく簡易な構成で、噴射圧と制御弁背圧との差圧を一定値（ΔP1）に調整する前記制御弁背圧調整機構を構成することができる。

前記制御弁背圧調整機構が上述した構成を備える場合、前記制御弁背圧調整機構は、前記背圧室と前記圧力室とを連通する連通路と、前記連通路に介装されて（前記制御弁の閉弁状態において）前記噴射圧と前記制御弁背圧との差圧が前記一定値（ΔP1）よりも大きい閾値を超えた場合にのみ前記圧力室から前記背圧室への燃料の流通を許可するとともに前記背圧室から前記圧力室への燃料の流通を禁止するチェック弁とを更に備えることが好適である。

前記制御弁背圧調整機構が上述した構成を備える場合、例えば、制御弁が閉弁状態に維持されている間において噴射圧が上昇すると、スプール弁が閉弁状態に維持されることで制御弁背圧が一定に維持される一方で、噴射圧が上昇することになる。この結果、噴射圧と制御弁背圧との差圧が前記一定値（ΔP1）よりも大きい値になる事態が発生し得る。このような場合、上記の連通路とチェック弁とが備えられていれば、上記閾値を前記一定値（ΔP1）よりも若干大きい値に設定することにより、噴射圧と制御弁背圧との差圧が前記一定値（ΔP1）より大幅に大きい値になることが防止され得る。

また、これと同様の作用効果を得るためには、前記噴射圧と前記制御弁背圧との差圧を前記一定値に調整するために、前記ニードル弁が閉弁状態に維持されている間（即ち、燃料が噴射されていない間）において前記制御弁を所定の短期間だけ開弁状態に制御する制御手段を備えてもよい。このように、燃料の噴射制御とは別に制御弁を所定の短期間だけ開弁状態に制御することで、噴射圧と制御弁背圧との差圧が前記一定値（ΔP1）よりも大きい値になっている場合であっても、前記制御弁背圧調整機構の作用により噴射圧と制御弁背圧との差圧が直ちに前記一定値（ΔP1）に調整され得る。

以下、本発明による内燃機関の燃料噴射制御装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施形態による内燃機関（ディーゼル機関）の燃料噴射制御装置１０の全体の概略構成を示している。この燃料噴射制御装置１０は、燃料タンクＴに貯留されている燃料を吸入・吐出する燃料ポンプ２０と、燃料ポンプ２０により吐出された高圧燃料が供給されるコモンレール３０と、コモンレール３０から燃料供給路Ｃ１を通して高圧燃料が供給されて内燃機関の燃焼室（図示せず）に燃料を噴射するインジェクタ４０と、燃料ポンプ２０及びインジェクタ４０を制御するＥＣＵ５０とを備える。燃料ポンプ２０とコモンレール３０は、前記「高圧発生部」に対応している。

なお、図１では、コモンレール３０から１本の燃料供給路Ｃ１を通して高圧燃料が供給される１つのインジェクタ４０が記載されているが、実際には、インジェクタ４０及び燃料供給路Ｃ１は内燃機関の複数の燃焼室の各々に対してそれぞれ設けられていて、各インジェクタ４０は対応する燃料供給路Ｃ１を通してコモンレール３０と個別に接続されている。燃料供給路Ｃ１内の燃料の圧力（以下、「噴射圧Pc」と呼ぶ。）は、コモンレール３０内の燃料の圧力（＝前記高圧燃料の圧力）と略等しい。以下、説明の便宜上、各図における紙面上の上・下・左・右を単に、「上」、「下」、「左」、「右」と称呼することもある。

燃料ポンプ２０は、ＥＣＵ５０からの指示により燃料の吸入流量を調整可能に構成されている。これにより、内燃機関の運転状態に応じて燃料の吐出圧（従って、噴射圧Pc）が調整できるようになっている。

インジェクタ４０は、主として、ボディ４１と、ボディ４１の内部の第１所定空間においてその軸線方向に摺動可能に収容された段付円柱状のニードル弁４２と、ボディ４１内に固定配置された電磁開閉弁である制御弁４３と、ボディ４１の内部の第２所定空間においてその軸線方向に摺動可能に収容された段付円柱状のスプール弁４４とを備えている。

ニードル弁４２は、上記第１所定空間を、ノズル室Ｒ１と、制御室Ｒ２とに区画している。ノズル室Ｒ１は燃料供給路Ｃ１と連通していて、ノズル室Ｒ１内の燃料圧力は上記噴射圧Pcと等しい。ノズル室Ｒ１は、ボディ４１の下端部に設けられて燃焼室に臨む複数の噴孔４１ａとも連通している。

ニードル弁４２の下端側の先端部には先端に近づくほど縮径するテーパー部（円錐形状部）４２ａが同軸的に形成されている。ニードル弁４２が上記第１所定空間内にて下降してテーパー部４２ａが噴孔４１ａ近傍に形成されたボディ４１の円形弁座部４１ｂに当接した状態（図１に示す状態）にて、噴孔４１ａがノズル室Ｒ１から遮断されるようになっている。この状態では、燃料が噴射されない。

以下、この状態を、ニードル弁４２の閉弁状態とも称呼する。また、ニードル弁４２のリフト量（ニードル弁リフト量）は、この状態からのニードル弁４２の上方への移動量（上昇量）を意味するものとする。即ち、図１に示したニードル弁４２の閉弁状態では、ニードル弁リフト量は「０」である。

一方、ニードル弁４２が閉弁状態から上方へ移動（上昇）してテーパー部４２ａが円形弁座部４１ｂから離間すると、噴孔４１ａがノズル室Ｒ１と連通するようになっている。この状態（即ち、ニードル弁リフト量＞０）では、燃料が噴射圧Pcをもって噴射される。以下、この状態を、ニードル弁４２の開弁状態とも称呼する。また、以下において、開弁状態から閉弁状態に移行することを「閉弁」と呼び、閉弁状態から開弁状態に移行することを「開弁」と呼ぶものとする。

ニードル弁４２の下端側は、ノズル室Ｒ１内の圧力（＝噴射圧Pc）により開弁方向（上方向）の力F1を受ける。ここで、ニードル弁４２におけるノズル室Ｒ１と制御室Ｒ２とを区画する摺動部４２ｂの外径をD1、円形弁座部４１ｂの弁座径（シート径）をD2とすると、ニードル弁４２の閉弁状態では、この開弁方向の力F1についてのニードル弁４２の下端側の受圧面積は(π/4)・(D1²−D2²)となる。従って、ニードル弁４２の閉弁状態では、この開弁方向の力F1は、下記(1)式にて表すことができる。

F1＝(π/4)・(D1²−D2²)・Pc …(1)

なお、ニードル弁４２が開弁すると、テーパー部４２ａにおける円形弁座部４１ｂと当接する部位よりも先端側の部分も噴射圧Pcをもった燃料にさらされることになる。従って、ニードル弁４２の開弁状態では、この開弁方向の力F1についてのニードル弁４２の下端側の受圧面積が(π/4)・D2²だけ増大して(π/4)・D1²となる。従って、ニードル弁４２の開弁状態では、この開弁方向の力F1は、下記(2)式にて表すことができる。

F1＝(π/4)・D1²・Pc …(2)

ニードル弁４２の上端側は、制御室Ｒ２内の圧力（以下、「制御圧Pcntl」と称呼する。）により閉弁方向（下方向）の力F2を受ける。この閉弁方向の力F2についてのニードル弁４２の上端側の受圧面積は(π/4)・D1²である。従って、この閉弁方向の力F2は、下記(3)式にて表すことができる。このように、ニードル弁４２の開弁状態では、ニードル弁４２の上端側の受圧面積と下端側の受圧面積とは等しい。

F2＝(π/4)・D1²・Pcntl …(3)

加えて、制御室Ｒ２内には、ニードル弁４２を閉弁方向へ常時付勢するコイルスプリング４５が配設されている。このコイルスプリング４５の付勢力（閉弁方向の力）をF3とすると、ニードル弁４２の上端側は、閉弁方向の力（F2+F3）を受ける。なお、コイルスプリング４５は、燃料ポンプ２０の非作動中など噴射圧Pcが低い場合等において、ニードル弁４２が開弁して燃料が燃焼室へ流出する事態等の発生を防止するために設けられている。

後述するように、制御圧Pcntlは、制御弁４３の開閉制御により噴射圧Pc以下の範囲内で変化し得るようになっている。制御圧Pcntlを噴射圧Pcよりも小さい或る圧力（以下、「ニードル弁開弁圧Py」と称呼する。）まで噴射圧Pcから低下させると、ニードル弁４２が開弁する（閉弁状態から開弁状態へ移行する）。

このニードル弁開弁圧Py（＜Pc）は、上記(1)式、(3)式を考慮すると、下記(4)式にて表すことができる。このように、ニードル弁開弁圧Pyは噴射圧Pcに依存する。以上のように、制御圧Pcntlの制御によりニードル弁リフト量が調整されて、噴孔４１ａが開閉されるようになっている。

Py＝{1/((π/4)・D1²)}・{(π/4)・(D1²−D2²)・Pc−F3} …(4)

制御室Ｒ２は、燃料供給路Ｃ１から分岐するとともに流入オリフィスＺ１（開口面積は一定）が介装された燃料流入路Ｃ２を通して燃料供給路Ｃ１と連通している。これにより、噴射圧Pcと制御圧Pcntl（≦Pc）の差圧（即ち、流入オリフィスＺ１の上下流間の差圧）に応じて燃料流入路Ｃ２を通して燃料供給路Ｃ１から制御室Ｒ２内に燃料が流入するようになっている。

また、制御室Ｒ２は、排出オリフィスＺ２（開口面積は一定）、制御弁４３、及びスプール弁４４が介装された燃料排出路Ｃ３を通して燃料タンクＴと連通している。

制御弁４３は、ＥＣＵ５０からの指示により開閉制御され得るようになっている。また、後述するように、スプール弁４４の作用により、制御弁４３の下流側（且つスプール弁４４の上流側）の圧力（以下、「制御弁背圧Pback」と称呼する。）が噴射圧Pcに応じて調整されるようになっている。

これにより、制御弁４３が開弁状態にある場合、制御圧Pcntlと制御弁背圧Pbackの差圧（即ち、排出オリフィスＺ２の上下流間の差圧）に応じて燃料排出路Ｃ３を通して制御室Ｒ２から燃料タンクＴへ燃料が排出されるようになっている。一方、制御弁４３が閉弁状態にある場合、制御室Ｒ２は、燃料タンクＴから遮断される。これにより、燃料排出路Ｃ３を通した制御室Ｒ２から燃料タンクＴへの燃料の排出が禁止される。

以下、スプール弁４４についてその拡大図である図２をも参照しながら説明する。スプール弁４４は、上記第２所定空間を、左側から順に、背圧室Ｒ３と、中間室Ｒ４と、圧力室Ｒ５とに区画している。

背圧室Ｒ３は燃料排出路Ｃ３を通して制御弁４３の下流側と連通していて、背圧室Ｒ３内の燃料圧力は上記制御弁背圧Pbackである。中間室Ｒ４は燃料排出路Ｃ３を通して燃料タンクＴと連通している。圧力室Ｒ５は流路Ｃ４を通して燃料供給路Ｃ１と連通していて、圧力室Ｒ５内の燃料圧力は噴射圧Pcと常時等しい。背圧室Ｒ３と中間室Ｒ４は、燃料排出路Ｃ３の一部を兼ねている。

スプール弁４４の左端側の先端部には、左側から右側に向けて拡径するテーパー部（円錐形状部）４４ａが同軸的に形成されている。スプール弁４４が上記第２所定空間内にて左方向に移動してテーパー部４４ａがボディ４１の円形弁座部４１ｃに当接した状態（図１、図２に示す状態）にて、背圧室Ｒ３、及び中間室Ｒ４が互いに遮断されるようになっている。以下、この状態を、スプール弁４４の閉弁状態とも称呼する。

一方、スプール弁４４が閉弁状態から右方向へ移動してテーパー部４４ａが円形弁座部４１ｃから離間すると、背圧室Ｒ３、及び中間室Ｒ４が互いに連通するようになっている。以下、この状態を、スプール弁４４の開弁状態とも称呼する。

スプール弁４４の左端側は、背圧室Ｒ３内の圧力（＝制御弁背圧Pback）により開弁方向（右方向）の力F4（図２の白矢印を参照）を受ける。ここで、円形弁座部４１ｃの弁座径（シート径）をD3とすると、この開弁方向の力F4についてのスプール弁４４の左端側の受圧面積は(π/4)・D3²となる。従って、この開弁方向の力F4は、下記(5)式にて表すことができる。

F4＝(π/4)・D3²・Pback …(5)

加えて、背圧室Ｒ３内には、スプール弁４４を開弁方向へ常時付勢するコイルスプリング４６が配設されている。このコイルスプリング４６の付勢力（開弁方向の力）をF5（図２の黒矢印を参照）とすると、スプール弁４４の左端側は、開弁方向の力（F4+F5）を受けている。なお、本例では、コイルスプリング４６のスプリング定数が非常に小さいため、コイルスプリング４６の付勢力F5は、スプール弁４４の左右方向の位置に依存することなく一定として扱う。

スプール弁４４の右端側は、圧力室Ｒ５内の圧力（＝噴射圧Pc）により閉弁方向（左方向）の力F6（図２の白矢印を参照）を受ける。ここで、スプール弁４４における圧力室Ｒ５と中間室Ｒ４とを区画する摺動部４４ｂの外径をD4とすると、この閉弁方向の力F6についてのスプール弁４４の右端側の受圧面積は(π/4)・D4²となる。従って、この閉弁方向の力F6は、下記(6)式にて表すことができる。

F6＝(π/4)・D4²・Pc …(6)

また、スプール弁４４における上記シート径D3と上記外径D4の間では、下記(7)式に示した関係が成立している。

D3＝D4 …(7)

以上より、スプール弁４４は、閉弁状態において「開弁方向の力(F4+F5)＞閉弁方向の力F6」となると開弁し、開弁状態において「開弁方向の力(F4+F5)＜閉弁方向の力F6」になると閉弁する。

この結果、制御弁４３の開弁状態において、制御弁背圧Pbackが、コイルスプリング４６の付勢力F5に相当する背圧室Ｒ３内の圧力分ΔP1（＝F5/((π/4)・D3²)、一定)だけ噴射圧Pcから小さい圧力（＝Pc−ΔP1）に調整される。即ち、噴射圧Pcと制御弁背圧Pbackの差圧ΔP（＝Pc−Pback）が値ΔP1（一定）に調整されるようになっている。以上、ボディ４１の上記第２所定空間と、スプール弁４４と、コイルスプリング４６とは、前記「制御弁背圧調整機構」に対応している。

次に、図３を参照しながら、この燃料噴射制御装置１０の作動の一例について説明する。時刻ｔ１以前では、制御弁４３が閉弁状態に維持されていて、燃料流入路Ｃ２の存在により、制御圧Pcntlが噴射圧Pcと等しい圧力に維持されている。この結果、制御圧Pcntlは上記(4)式にて表されるニードル弁開弁圧Pyよりも大きい。従って、ニードル弁４２は閉弁状態に維持されている。即ち、ニードル弁リフト量は「０」に維持されていて、燃料が噴射されていない。また、上述したように、制御弁背圧Pbackは値（Pc−ΔP1）に維持されている。

時刻ｔ１にてＥＣＵ５０からの指示により制御弁４３が開弁すると、時刻ｔ１以降、燃料排出路Ｃ３を通して制御室Ｒ２から燃料が排出されていき、制御圧Pcntlが噴射圧Pcから低下していく。これに伴って、燃料流入路Ｃ２を通して制御室Ｒ２に燃料供給路Ｃ１から燃料が流入する。

この結果、制御圧Pcntlは、排出オリフィスＺ２を通過する燃料の流出流量（排出オリフィス流量Qout）と流入オリフィスＺ１を通過する燃料の流入流量（流入オリフィス流量Qinの差（＝Qout−Qin)）に応じた速度をもって噴射圧Pcから低下していく。また、時刻ｔ１以降（且つ制御弁４３が開弁状態にある間）、上述した「制御弁背圧調整機構」の作用により、制御弁背圧Pbackは、値（Pc−ΔP1）に一致するように（即ち、差圧（Pc−Pback）が値ΔP1に一致するように）調整されていく。

時刻ｔ１以降において低下していく制御圧Pcntlが時刻ｔ２にて、上記(4)式にて表されるニードル弁開弁圧Pyまで達すると、ニードル弁４２が開弁し（ニードル弁リフト量が「０」から増大を開始し）、この結果、燃料噴射が開始される。

ニードル弁４２が開弁する時刻ｔ２以降、ニードル弁４２は、制御室Ｒ２内の燃料の体積の減少速度（＝Qout−Qin）に応じた速度（＝上記「ニードル弁上昇速度」）をもって上昇していく（時刻ｔ２〜ｔ４を参照）。この間、燃料噴射は継続される。

ニードル弁４２が開弁する時刻ｔ２以降、噴射圧Pcは、燃料が噴射開始されたことに起因して極短期間だけ減少した後、燃料供給路Ｃ１内の圧力脈動に起因して直ちに上昇していく。これに伴って、時刻ｔ２以降、制御弁背圧Pbackも、差圧（Pc−Pback）が値ΔP1で一定となるように、噴射圧Pcの増減パターンに合わせて増減していく。

また、ニードル弁４２が開弁すると、上述したように、テーパー部４２ａにおける円形弁座部４１ｂと当接する部位よりも先端側の部分も噴射圧Pcをもった燃料にさらされるから、上記開弁方向の力F1についてのニードル弁４２の下端側の受圧面積と上記閉弁方向の力F2についてのニードル弁４２の下端側の受圧面積とが等しくなる（上記(2)式、(3)式を参照。受圧面積＝(π/4)・D1²）。

このことに起因して、ニードル弁４２が開弁する時刻ｔ２以降、制御圧Pcntlは、ノズル室Ｒ１内の圧力（＝噴射圧Pc）から、コイルスプリング４５の付勢力F3に相当する制御室Ｒ２内の圧力分（＝F3/((π/4)・D1²)、以下、「バネ力相当圧力分Px」と称呼する。）を減じて得られる圧力（Pc−Px）まで迅速に上昇していき、時刻ｔ２の直後の時刻ｔ３にて、制御圧Pcntlは、圧力（Pc−Px）に達する。時刻ｔ３以降、制御圧Pcntlは、圧力（Pc−Px）で推移していく。なお、本例では、コイルスプリング４５のスプリング定数が非常に小さいため、コイルスプリング４５の付勢力F3（従って、バネ力相当圧力分Px）は、ニードル弁リフト量に依存することなく一定として扱う。

時刻ｔ４にてＥＣＵ５０からの指示により制御弁４３が閉弁すると、時刻ｔ４以降、燃料排出路Ｃ３を通した制御室Ｒ２からの燃料の排出が中止される一方、燃料流入路Ｃ２を通した制御室Ｒ２への燃料の流入は継続される。この結果、時刻ｔ４以降、ニードル弁４２は、制御室Ｒ２内の燃料の体積の増大速度（＝Qin）に応じた速度（＝上記「ニードル弁下降速度」）をもって下降していく（時刻ｔ４〜ｔ５を参照）。この間、燃料噴射は継続される。

そして、ニードル弁リフト量が「０」に達する時刻ｔ５になると、ニードル弁４２が閉弁し、燃料噴射が終了する。時刻ｔ５以降、燃料流入路Ｃ２を通して燃料供給路Ｃ１から制御室Ｒ２内に燃料が供給されることで、制御圧Pcntlは噴射圧Pcに近づく。制御圧Pcntlが噴射圧Pcに一致した後は、時刻ｔ１以前と同様、制御圧Pcntlは、噴射圧Pcと等しい圧力に維持される。

以下、ニードル弁４２の開弁後（時刻ｔ２以降）における「ニードル弁上昇速度」について説明する。上述したように、「ニードル弁上昇速度」は、「排出オリフィス流量Qout−流入オリフィス流量Qin」に応じた速度となる。ここで、上述したように、制御圧Pcntlは、ニードル弁４２の開弁後直ちに「噴射圧Pc−バネ力相当圧力分Px」まで迅速に上昇し、その後は圧力（Pc−Px）で推移する（時刻ｔ３以降を参照）。従って、ニードル弁４２が上昇していく間において、流入オリフィスＺ１の上下流間の差圧は、噴射圧Pcに依存することなく、「バネ相当圧力分Px」で略一定となる。換言すれば、噴射圧Pcに依存することなく、流入オリフィス流量Qinは一定となる。

一方、制御弁４３の開弁状態（時刻ｔ１以降）において、上記「制御弁背圧調整機構」の作用により、制御弁背圧Pbackは値（Pc−ΔP1）に調整される。従って、ニードル弁４２が上昇していく間において、排出オリフィスＺ２の上下流間の差圧は、制御室Ｒ２内の圧力である制御圧Pcntl（＝Pc−Px）から制御弁背圧Pback（＝Pc−ΔP1）を減じた値（＝ΔP1−Px）に略等しくなる。即ち、排出オリフィスＺ２の上下流間の差圧は、噴射圧Pcに依存することなく、値（ΔP1−Px）で略一定となる。換言すれば、ニードル弁４２が上昇していく間において、上記排出オリフィス流量Qoutも噴射圧Pcに依存することなく一定となる。

以上より、ニードル弁４２の開弁後における「ニードル弁上昇速度」は、噴射圧Pcに依存することなく一定に維持され得る。これにより、上述した図５に示した従来の装置において発生する、「噴射圧Pcの減少による「ニードル弁上昇速度」の減少に起因する上述した噴射圧力の低下の問題（図６を参照）」、並びに、「噴射圧Pcの増大による「ニードル弁上昇速度」の増大に起因する上述した燃料噴射量の制御精度の低下の問題」を解決することができる。

以上、説明したように、本発明による燃料噴射制御装置の実施形態によれば、ニードル弁４２の上端側（背面側）に形成された制御室Ｒ２に燃料供給路Ｃ１から高圧（噴射圧Pc）の燃料を流入させる燃料流入路Ｃ２において流入オリフィスＺ１が介装され、制御室Ｒ２から燃料タンクＴに燃料を排出させる燃料排出路Ｃ３において、上流側から順に、排出オリフィスＺ２、制御室Ｒ２内の圧力（制御圧Pcntl）を制御するために燃料排出路Ｃ３を連通・遮断する制御弁４３、並びに、噴射圧Pcと制御弁４３の下流側の圧力（制御弁背圧Pback）との差圧（＝Pc−Pback）を値ΔP1（一定）に調整する制御弁背圧調整機構が介装されている。

これにより、ニードル弁４２の開弁後においてニードル弁４２が上昇していく間において、排出オリフィスＺ２を通過する流量（排出オリフィス流量Qout）が噴射圧Pcに依存することなく一定となる。一方、ニードル弁４２が上昇していく間において、流入オリフィスＺ１を通過する流量（流入オリフィス流量Qin）も噴射圧Pcに依存することなく一定となる。従って、ニードル弁４２の開弁後における「ニードル弁上昇速度」（＝「排出オリフィス流量Qout−流入オリフィス流量Qin」に応じた速度）を、噴射圧Pcに依存することなく一定に維持することができる。

本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態においては、スプール弁４４は、一端側（図２において左側）から他端側（図２において右側）に向けて拡径するテーパー面４４ａを前記一端側の先端部において備え、テーパー面４４ａが弁座４１ｃから離間・弁座４１ｃに当接することで燃料排出路Ｃ３を連通・遮断するように構成されているが、スプール弁４４は、一端側（図２において左側）から他端側（図２において右側）に向けて拡径するテーパー面を軸方向中央部において備え、そのテーパー面が対応する弁座から離間・その弁座に当接することで燃料排出路Ｃ３を連通・遮断するように構成されてもよい。

また、上記実施形態において、図４に示すように、前記制御弁背圧調整機構において、背圧室Ｒ３と圧力室Ｒ５とを連通する連通路Ｃ５と、連通路Ｃ５に介装されて噴射圧Pcと制御弁背圧Pbackとの差圧（＝Pc−Pback）が前記値ΔP1よりも若干大きい閾値ΔP2（＞ΔP1）を超えた場合にのみ圧力室Ｒ５から背圧室Ｒ３への燃料の流通を許可するとともに背圧室Ｒ３から圧力室Ｒ５への燃料の流通を常時禁止するチェック弁４７と、連通路Ｃ５に介装されたオリフィスＺ３とを更に備えることが好適である。

前記制御弁背圧調整機構では、例えば、制御弁４３が閉弁状態に維持されている間（例えば、図３では、時刻ｔ４以降等）において噴射圧Pcが上昇する場合、「開弁方向の力(F4+F5)＜閉弁方向の力F6」の関係が成立してスプール弁４４が閉弁状態に維持されることで制御弁背圧Pbackが一定に維持される。この結果、噴射圧Pcと制御弁背圧Pbackとの差圧（＝Pc−Pback）が値ΔP1よりも大きい値になる事態が発生し得る。このような場合、図４に示した構成によれば、噴射圧Pcと制御弁背圧Pbackとの差圧（＝Pc−Pback）が閾値ΔP2を超えることが抑制され得る。即ち、差圧（＝Pc−Pback）が値ΔP1より大幅に大きい値になることが防止され得る。

また、上記実施形態において、ニードル弁４２が閉弁状態に維持されている間（即ち、燃料が噴射されていない間）において差圧（＝Pc−Pback）を値ΔP1に調整するために、制御弁４３を所定の短期間だけ開弁状態に制御するように構成してもよい。この場合、具体的には、例えば、制御弁４３が閉弁状態に維持されていて制御圧Pcntlが噴射圧Pcと一致している状態において、制御弁４３を開弁し、制御圧Pcntlが上記(4)式にて表されるニードル弁開弁圧Pyまで減少する時点の前の時点で制御弁４３を閉弁するように構成され得る。これにより、差圧（＝Pc−Pback）が閾値ΔP1を超えている場合において、燃料が噴射されることなく、差圧（＝Pc−Pback）を直ちに値ΔP1に調整することができる。このような制御は、噴射圧Pcが上昇した場合にのみ実施してもよいし、所定のタイミングにて定期的に実施してもよい。

本発明の実施形態に係る燃料噴射制御装置の全体の概略構成図である。 図１に示したスプール弁（制御弁背圧調整機構）の拡大図である。 図１に示した燃料噴射制御装置の作動中における各物理量の変化の一例を示したタイムチャートである。 本発明の実施形態の変形例に係る制御弁背圧調整機構の拡大図である。 従来の燃料噴射制御装置の概略構成図である。 ニードル弁リフト量と噴孔直前圧力との関係を示したグラフである。

符号の説明

２０…燃料ポンプ、３０…コモンレール、４０…インジェクタ、４１…ボディ、４１ａ…噴孔、４１ｂ…円形弁座部、４１ｃ…円形弁座部、４２…ニードル弁、４２ａ…テーパー部、４３…制御弁、４４…スプール弁、４４ａ…テーパー部、４５…コイルスプリング、４６…コイルスプリング、５０…ＥＣＵ、Ｃ１…燃料供給路、Ｃ２…燃料流入路、Ｃ３…燃料排出路、Ｚ１…流入オリフィス、Ｚ２…排出オリフィス、Ｒ１…ノズル室、Ｒ２…制御室、Ｒ３…背圧室、Ｒ５…圧力室

Claims (6)

1. 内燃機関の燃焼室に燃料を噴射する噴孔を開閉するニードル弁と、
   内部の燃料の圧力である噴射圧により前記ニードル弁の一端側が開弁方向の力を受けるとともに前記ニードル弁の開弁状態において内部の燃料が前記噴孔から前記燃焼室に向けて噴射されるノズル室と、
   内部の燃料の圧力である制御圧により前記ニードル弁の他端側が閉弁方向の力を受ける制御室と、
   高圧の燃料を発生する高圧発生部と、
   前記高圧発生部が発生する前記高圧燃料を前記ノズル室に供給する燃料供給路と、
   前記燃料供給路から前記制御室に燃料を流入させる燃料流入路と、
   前記制御室から燃料を排出させる燃料排出路と、
   前記燃料排出路に介装されて前記燃料排出路を連通・遮断する制御弁と、
   を備え、前記制御弁を制御して前記制御圧を制御することで前記ニードル弁の位置を調整して燃料の噴射制御を行う燃料噴射制御装置であって、
   前記制御弁よりも下流の前記燃料排出路に介装されて、前記噴射圧と前記制御弁の下流側の圧力である制御弁背圧との差圧を一定値に調整する制御弁背圧調整機構を備えた燃料噴射制御装置。
2. 請求項１に記載の燃料噴射制御装置において、
   前記制御弁背圧調整機構は、
   前記燃料排出路を連通・遮断するスプール弁と、
   前記制御弁の下流側と接続されて内部の圧力である前記制御弁背圧により前記スプール弁の一端側が開弁方向の力を受ける背圧室と、
   前記燃料供給路に接続されて内部の圧力である前記噴射圧により前記スプール弁の他端側が閉弁方向の力を受ける圧力室と、
   前記背圧室内に配設された前記スプール弁を開弁方向へ常時付勢する弾性部材と、
   を備え、
   前記スプール弁の前記一端側の受圧面積が前記他端側の受圧面積と等しい燃料噴射制御装置。
3. 請求項２に記載の燃料噴射制御装置において、
   前記スプール弁は、前記一端側から前記他端側に向けて拡径するテーパー面を前記一端側の先端部において一体的に備え、前記テーパー面が弁座から離間・前記弁座に当接することで前記燃料排出路を連通・遮断するように構成された燃料噴射制御装置。
4. 請求項２又は請求項３に記載の燃料噴射制御装置において、
   前記制御弁背圧調整機構は、
   前記背圧室と前記圧力室とを連通する連通路と、
   前記連通路に介装されて、前記噴射圧と前記制御弁背圧との差圧が前記一定値よりも大きい閾値を超えた場合にのみ前記圧力室から前記背圧室への燃料の流通を許可するとともに前記背圧室から前記圧力室への燃料の流通を禁止するチェック弁と、
   を備えた燃料噴射制御装置。
5. 請求項２又は請求項３に記載の燃料噴射制御装置であって、
   前記噴射圧と前記制御弁背圧との差圧を前記一定値に調整するために、前記ニードル弁が閉弁状態に維持されている間において前記制御弁を所定の短期間だけ開弁状態に制御する制御手段を備えた燃料噴射制御装置。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の燃料噴射制御装置において、
   前記燃料流入路、及び、前記制御弁背圧調整機構よりも上流の前記燃料排出路にはそれぞれ、オリフィスが設けられている燃料噴射制御装置。

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