JP2008280958A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】可変噴孔式の燃料噴射弁において、低負荷時に排出されるエミッションを低減させることができる燃料噴射弁を提供する。
【解決手段】内燃機関の負荷が高いほど高圧となる燃料を蓄積するコモンレール３から燃料が供給され、内燃機関にその燃料を供給する燃料噴射弁１は、第１噴孔群１４を開閉制御するアウタニードル３０と、第２噴孔群１５を開閉制御するインナニードル４０を有する。燃料噴射弁１は、少なくともアウタニードル３０に背圧を作用させるための背圧室１７の圧力を制御する圧力制御装置５０を有している。圧力制御装置５０は、内燃機関の負荷が低いほどアウタニードル３０のリフト速度が遅くなるように背圧室１７の圧力を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、２つのニードルを有する可変噴孔式の燃料噴射弁に関する。

従来、ニードルリフト量に応じて噴孔面積を２段階に変更することができる可変噴孔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、図８に示すように、軸方向孔１３０が形成されるとともに、先端部に複数の噴孔１４０、１５０が形成されたボデー１００と、その軸方向孔１３０に軸方向に移動可能に収容され、複数の噴孔１４０、１５０の内、一部の噴孔１４０を開閉するアウタニードル３００と、アウタニードル３００の内周側に同軸的に移動可能に収容され、一部の噴孔以外の噴孔１５０を開閉するインナニードル４００とを有する。ボデー１００には、アウタニードル３００およびインナニードル４００に対して複数の噴孔１４０、１５０を閉弁する方向の背圧を作用させるための燃料が供給される背圧室１７０が形成され、軸方向孔１３０の先端部には複数の噴孔１４０、１５０と連通する燃料溜り室１６０が形成されている。さらに、燃料噴射弁には、その背圧室１７０内の圧力を制御する圧力制御手段５００が設けられている。
特開２００５−３２０９０４号公報

上記燃料噴射弁は、内燃機関の低負荷時にはアウタニードル３００のみをリフトさせ、前記一部の噴孔１４０のみから燃料を噴射させることでエミッション（例えば、ＨＣ、ＣＯ）を低減し、高負荷時にはアウタニードル３００およびインナニードル４００をリフトさせ複数の噴孔１４０、１５０全てから燃料を噴射させることで噴射期間の短縮によるスモークの発生を低減している。

ここで、燃料噴射弁から噴射される燃料の飛距離は、燃料の貫徹力および燃焼室内の圧力や温度に依存する。燃料室内の圧力が低ければ低いほど燃料の貫徹力に対する飛距離は長くなる。また、燃焼室内の温度が低ければ低いほど燃料は蒸発し難くなるため、燃料は粒子の状態のまま飛散することとなり、飛距離が長くなる。

低負荷時における内燃機関の燃焼室は、高負荷時に比べ燃焼室内の圧力は低く、また温度も低い。この状態でアウタニードルをリフトさせ上記一部の噴孔から燃料を噴射すると、上述した理由により燃料の飛距離が長くなり、燃料が燃焼室の側壁やピストンの頂面に付着しやすくなる。その結果、低負荷時におけるエミッション性能が低下してしまうという問題が発生する。

本発明の目的は、可変噴孔式の燃料噴射弁において、低負荷時に排出されるエミッションを低減させることができる燃料噴射弁を提供することである。

請求項１に記載の発明によれば、内燃機関の負荷が高いほど高圧となる燃料を蓄積するコモンレールから燃料が供給され、内燃機関にその燃料を供給する燃料噴射弁において、
コモンレールからの燃料が供給される燃料溜り室が内部に形成されるとともに、この燃料溜り室と燃料噴射弁の外部とを連通する複数の噴孔が形成されているボデーと、ボデーに軸方向へ移動自在に収容され、複数の噴孔の内、一部の噴孔を開閉する第１ニードルと、第１ニードルの内周側で同軸的に移動することができるとともに、一部の噴孔以外の噴孔を開閉する第２ニードルと、
少なくとも第１ニードルに、一部の噴孔を閉弁する方向の背圧を作用させるための燃料が供給されるボデーの内部に形成された背圧室内の圧力を制御する圧力制御手段であって、内燃機関の負荷が低いときでは第１ニードルのみがリフトするように、また、内燃機関の負荷が高いときでは第１ニードルがリフトするとともに第２ニードルもリフトするように背圧室内の圧力を制御することで、負荷が高いときほど噴孔の総開口面積を増加させ、かつ、負荷が低いときほど、第１ニードルのリフト速度が遅くなるように背圧室内の圧力を制御する圧力制御手段と、を備えることを特徴としている。

この構成によれば、圧力制御手段によって、内燃機関が低負荷のときは高負荷のときに比べ第１ニードルのリフト速度が遅くなるように背圧室内の圧力を制御している。これにより、一部の噴孔から噴射される燃料の初期噴射速度が遅くなり、燃料の貫徹力が高負荷時に比べ低下する。

上述したように低負荷時では、噴射された燃料の飛距離は長くなる傾向にあるが、この構成によれば、低負荷ほど燃料の貫徹力を小さくすることができるため、燃料の飛距離の伸びを抑制することができる。その結果、燃焼室の壁面やピストンの頂面への燃料の付着を抑制することができ、低負荷時に排出されるエミッションを低減させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、圧力制御手段は、背圧室の圧力を制御して、第１ニードルをリフトさせる際、背圧室から排出させるときの背圧室の圧力の低下率を負荷が低いときほど小さくすることを特徴としている。

この構成によれば、圧力制御手段にて背圧室の圧力を低下させる際、圧力低下率を内燃機関の負荷が低いときほど小さくなるようにしているので、第１ニードルのリフト速度を負荷が低いときほど遅くすることができる。

請求項３に記載の発明によれば、圧力制御手段は、背圧室と燃料噴射弁の外部とを接続する排出通路途中に設けられ、背圧室内の燃料の排出量を制御する第１制御弁と、コモンレールと背圧室とを接続する第１供給通路途中に設けられ、背圧室へのコモンレールの燃料の供給量を制御する第２制御弁とを有することを特徴としている。

この構成によれば、圧力制御手段は、背圧室内の燃料の排出量を制御する第１制御弁と、背圧室へのコモンレールの燃料の供給量を制御する第２制御弁を有しているので、背圧室の圧力の低下率を容易に制御させることができる。

請求項４に記載の発明によれば、第２制御弁は、負荷が低いほど絞り面積が大きくなる可変絞り弁であることを特徴としている。この構成によれば、第２制御弁として負荷が低いほど絞り面積が大きくなる可変絞り弁を用いているので、容易に背圧室からの排出量と背圧室への供給量の差を制御することができ、背圧室の圧力の低下率を制御することができる。

請求項５に記載の発明によれば、可変絞り弁は、弁室、コモンレールからの燃料を弁室に供給する流入通路、弁室の燃料を背圧室に流出する流出通路、流入通路から分岐し、弁室に接続される分岐通路、弁室の内壁面に開口する流入通路の開口部と流出通路の開口部との間に形成される弁座、および流入通路の開口部と分岐通路が分岐する分岐部との間に設けられ、通路面積が分岐通路よりも小さいオリフィスを有する本体と、
弁室に移動可能に収容され、弁座に着座することにより流入通路と流出通路との連通を遮断し、弁座から離座することにより流入通路と流出通路との連通を許可する弁体であって、弁室に収容されることにより弁室を流入通路からの燃料が供給される第１室と、分岐通路からの燃料が供給される第２室とに区画するとともに、第１室に供給された燃料圧力を受圧する第１受圧面と、第２室に供給された燃料圧力を受圧する第２受圧面とを有する弁体と、
第１室に収容され、弁体を弁座から離座させる方向に付勢する付勢手段と、を備え、
第１受圧面および第２受圧面の面積、ならびに付勢手段の付勢力は、第１制御弁が背圧室の燃料を排出させたとき、コモンレールの圧力が低いときほど弁体と弁座との間の距離が大きくなるように定められていることを特徴としている。

この構成によれば、流入通路の開口部と分岐部との間に分岐通路の通路面積よりも狭い通路面積を有するオリフィスが形成されているので、第１制御弁にて背圧室内の燃料が背圧されると、弁室の第１室と第２室との間に圧力差が生じる。この圧力差により、弁室に収容されている弁体が移動する。

具体的には、弁体は、第１受圧面および第２受圧面に作用する第１室および第２室内の圧力ならびに付勢手段の付勢力によって、弁体に働く着座方向の力と離座方向の力とが釣り合う位置まで移動する。

第１受圧面と第２受圧面の面積、ならびに付勢手段の付勢力は、第１制御弁にて背圧室内の燃料が排出されたとき、コモンレールの圧力が低いときほど弁体と弁座との距離（絞り面積）が大きくなる位置でバランスされるように定められている。この可変絞り弁によれば、電磁駆動力などの駆動力を用いずにコモンレールの圧力、すなわち内燃機関の負荷の状態に応じて自動的に絞り面積を調整できる。このため、燃料噴射弁の構造が簡単となる。

請求項６に記載の発明によれば、第１制御弁は、排出通路途中に設けられるとともに、コモンレールからの燃料が供給される第２供給通路が接続されており、背圧室内の燃料の燃料噴射弁の外部への排出を阻止するとともに、コモンレール内の燃料を背圧室に供給する第１位置と、コモンレール内の燃料の背圧室への供給を阻止するとともに、背圧室内の燃料を燃料噴射弁の外部へ排出する第２位置とを有する２位置３方弁であることを特徴としている。

この構成によれば、複数の噴孔を閉弁させる際、第１制御弁を第２位置から第１位置に切り替えると、背圧室には第１供給通路からだけでなく第２供給通路からもコモンレールの燃料が供給されるので、背圧室の圧力上昇速度を速めることができ、複数の噴孔を素早く閉弁させることができる。

図１は、本発明の一実施形態による燃料噴射弁の断面を示した図である。燃料噴射弁１は、例えばディーゼルエンジン（図示せず：以下、エンジンという）の各気筒の燃焼室内に燃料を供給するための燃料噴射装置（図示せず）の一部を構成する。この燃料噴射装置は、燃料タンク２の燃料を汲み上げるとともに高圧化して吐出する燃料噴射ポンプ（図示せず）、この燃料噴射ポンプから吐出された高圧燃料を噴射圧力で蓄圧するコモンレール３、エンジンの気筒に高圧燃料を噴射供給する燃料噴射弁１、燃料噴射ポンプや燃料噴射弁１などの作動を制御するＥＣＵ（図示せず）などを備える。コモンレール３の圧力は、エンジンの運転状態に応じて調整される。具体的には、エンジンの負荷が低いときほど低くなるように調整される。

燃料噴射弁１は、図１に示すように、燃料噴射を断続する第１ニードルとしてのアウタニードル３０および第２ニードルとしてのインナニードル４０を収容するノズル部１０と、ノズル部１０内に形成されるアウタニードル３０およびインナニードル４０の背圧を制御する圧力制御手段としての圧力制御装置５０から構成されている。圧力制御装置５０によって背圧を制御することによりアウタニードル３０およびインナニードル４０の動作が制御され、ノズル部１０からの燃料噴射の断続が制御される。

ノズル部１０は、アウタニードル３０およびインナニードル４０を収容するノズルボデー１１と通路部材１２とを有する。ノズルボデー１１には、上端面が開口する軸方向孔１３が形成されている。通路部材１２は、その開口を塞ぐようにしてノズルボデー１１に取り付けられている。ノズルボデー１１および通路部材１２が請求項に記載のボデーに相当する。

軸方向孔１３は、ノズルボデー１１の下端面付近まで延びている。ノズルボデー１１の下端面には、軸方向孔１３と外部とが連通する第１噴孔群１４および第２噴孔群１５が形成されている。

第１噴孔群１４は、軸方向孔１３の中心軸を中心とした仮想円上に沿って複数個形成され、第２噴孔群１５は、前記仮想円よりも小さい仮想円上に沿って複数個形成されている。第１噴孔群１４は、請求項に記載の一部の噴孔に相当し、第２噴孔群１５は、請求項に記載の一部の噴孔以外の噴孔に相当する。第１噴孔群１４の噴孔径は、第２噴孔群１５の噴孔径よりも小さい。

軸方向孔１３には、アウタニードル３０とインナニードル４０とが収容される。アウタニードル３０は、略円筒状に形成され、先端部が軸方向孔１３の下端面に離着座することにより第１噴孔群１４を開閉する。アウタニードル３０は、軸方向孔１３の内壁に摺動可能に支持され、軸方向孔１３内を軸方向へ移動可能である。

アウタニードル３０の側壁と軸方向孔１３の内壁との間には隙間が形成されている。この隙間は、コモンレール３からの高圧燃料が供給される燃料溜り室１６となる。燃料溜り室１６は、アウタニードル３０が軸方向孔１３の下端面から離座することにより第１噴孔群１４と連通する。

アウタニードル３０の側壁にはフランジ部３１が形成されている。フランジ部３１は燃料溜り室１６に収容され、アウタニードル３０を閉弁方向に付勢する第１スプリング３３の一端部を支持している。第１スプリング３３の他端部は、燃料溜り室１６の上壁面に支持されている。

インナニードル４０は、略円柱状に形成され、アウタニードル３０の内周側で同軸的に移動することができるとともに、先端部が軸方向孔１３の下端面に離着座することにより第２噴孔群１５を開閉する。

アウタニードル３０およびインナニードル４０が軸方向孔１３に収容されることにより、アウタニードル３０の上端部３２、インナニードル４０の上端部４２、軸方向孔１３の内壁、および通路部材１２の下端面とで囲まれる空間が形成される。この空間が背圧室１７となる。この背圧室１７にコモンレール３の高圧燃料が供給されることにより、両上端部３２、４２に第１、第２噴孔群１４、１５を閉弁する方向の背圧を作用させることができる。これにより、アウタニードル３０およびインナニードル４０には、閉弁方向の付勢力が働く。

インナニードル４０の上端部４２にはフランジ部４１が形成されている。フランジ部４１は背圧室１７に収容され、インナニードル４０を閉弁方向に付勢する第２スプリング４３の一端部を支持している。第２スプリング４３の他端部は、通路部材１２の下端面に支持されている。

ノズルボデー１１または通路部材１２には、コモンレール３の高圧燃料を燃料溜り室１６に供給する高圧通路２１、燃料溜り室１６の高圧燃料を圧力制御装置５０に供給する第１燃料通路２２、高圧燃料を、圧力制御装置５０を介して背圧室１７に供給したり、背圧室１７の高圧燃料を、圧力制御装置５０を介して排出したりする第２燃料通路２３、およびコモンレール３の高圧燃料を、圧力制御装置５０を介して背圧室１７に供給する供給通路２４が形成されている。供給通路２４が請求項に記載の第１供給通路に相当し、第１燃料通路２２が請求項に記載の第２供給通路に相当する。

圧力制御装置５０は、背圧（背圧室１７の圧力）を制御する装置である。圧力制御装置５０にて背圧を制御することにより、アウタニードル３０およびインナニードル４０に発生する閉弁方向の付勢力を制御する。

ここで、燃料溜り室１６には、常にコモンレール３の高圧燃料が供給されている。アウタニードル３０の下端部には、当該高圧燃料が作用しており、第１噴孔群１４を開弁する方向の付勢力が働く。アウタニードル３０が軸方向孔１３の下端面から離座した場合、インナニードル４０の下端部にも、燃料溜り室１６の高圧燃料が作用する。このとき、インナニードル４０にも第２噴孔群１５を開弁する方向の付勢力が働く。

各ニードル３０、４０に働く開弁方向の付勢力は、コモンレール３の圧力に依存する。図３は、エンジンの回転数と負荷との関係を示している。図３に示すように、コモンレール３の圧力は、エンジンの運転状態が高負荷高回転に向かうほど高くなるように制御される。図３では、コモンレール３の圧力を２段階としている。低負荷低回転側の圧力をＰｃ１とし、高負荷高回転側の圧力をＰｃ２としている。圧力の制御は、上述したように燃料噴射ポンプを制御することによって行う。なお、図３では、コモンレール３の圧力は、２段階しか図示されていないが、３段階以上としてもよいし、無段階に制御するようにしてもよい。

また、アウタニードル３０には、第１スプリング３３による閉弁方向の付勢力が働いており、インナニードル４０には、第２スプリング４３による閉弁方向の付勢力が働いている。

アウタニードル３０は、ニードルに働く閉弁方向の付勢力の合計と、開弁方向の付勢力の合計のバランスによって軸方向孔１３における位置が決定される。すなわち、閉弁方向の付勢力の合計が開弁方向の付勢力の合計よりも勝れば、アウタニードル３０は、閉弁方向に移動し、反対に、開弁方向の付勢力の合計が閉弁方向の付勢力よりも勝れば、開弁方向に移動する。

圧力制御装置５０は、背圧室１７へコモンレール３の高圧燃料を供給する状態と、燃料タンク２へ背圧室１７の高圧燃料を排出する状態を切り替える。背圧室１７へコモンレール３の高圧燃料が供給されると、アウタニードル３０に働く閉弁方向の付勢力が開弁方向の付勢力よりも勝るので、第１噴孔群１４は閉弁される。このとき、インナニードル４０の下端部には、燃料溜り室１６の高圧燃料が供給されないので、閉弁方向の付勢力が開弁方向の付勢力よりも勝り、第２噴孔群１５も閉弁される。

背圧室１７の高圧燃料が燃料タンク２へ排出されると、アウタニードル３０に働く開弁方向の付勢力が閉弁方向の付勢力よりも勝り、第１噴孔群１４が開弁される。アウタニードル３０が所定量リフトすると、アウタニードル３０の上端部３２がインナニードル４０のフランジ部４１に当接する。さらに、アウタニードル３０がリフトすると、インナニードル４０は、アウタニードル３０とともにリフトし、第２噴孔群１５が開弁される。

背圧室１７に再びコモンレール３の高圧燃料が供給されると、アウタニードル３０およびインナニードル４０に働く閉弁方向の付勢力は、開弁方向の付勢力よりも勝るので、第１、第２噴孔群１４、１５は閉弁される。

アウタニードル３０およびインナニードル４０のそれぞれの上端部３２、４２およびそれぞれの下端部の面積、並びに、第１、第２スプリング３３、４３の付勢力は、圧力制御装置５０が背圧室１７の圧力を制御することによって、各ニードル３０、４０が開閉動作できるように定められている。

図１に示すように、圧力制御装置５０は、第１制御弁としての２位置３方弁５１（以下、単に３方弁という）と、第２制御弁としての可変絞り弁５２とを備えている。

３方弁５１は、コモンレール３の高圧燃料を背圧室１７に供給したり、背圧室１７の高圧燃料を燃料タンク２に排出したりする弁である。３方弁５１には、上記第１燃料通路２２、第２燃料通路２３、および燃料タンク２と接続される排出通路２５が接続されている。請求項に記載する排出通路は、第２燃料通路２３および排出通路２５に相当する。

３方弁５１は、第１燃料通路２２と第２燃料通路２３とを接続して、コモンレール３の高圧燃料を背圧室１７に供給する第１位置と、第２燃料通路２３と排出通路２５とを接続して、背圧室１７の高圧燃料を燃料タンク２に排出する第２位置とを有し、これらの位置を適宜、切り替えることにより背圧室１７の圧力を制御する。３方弁５１が第１位置の状態のときは、排出通路２５は遮断され、第２位置の状態のときは、第１燃料通路２２は遮断される。第１、第２位置の切り替えは、例えば電磁駆動装置によって行われる。

可変絞り弁５２は、供給通路２４途中に設けられ、背圧室１７に供給されるコモンレール３の高圧燃料の流量を調整する弁である。可変絞り弁５２は、エンジンの負荷に基づいて変化するコモンレール３の圧力に応じて、内部の絞り面積が自動的に変化する弁である。この絞り面積は、コモンレール３の圧力が低いときほど、大きくなるようになっている。

図２に、可変絞り弁５２の詳細を示す。可変絞り弁５２は、各種通路と弁室５４とを有する本体５３と、弁室５４に収容される弁体７１と、弁体７１を開弁方向に付勢する付勢手段としての第３スプリング７４とから構成されている。

本体５３は、弁室５４と、一方が高圧通路２１に接続され、他方が弁室５４に接続される流入通路６１と、一方が弁室５４に接続され、他方が背圧室１７に接続される流出通路６３と、一方が流入通路６１に接続され、他方が弁室５４に接続される分岐通路６５とが形成されている。

流入通路６１には、弁室５４に形成される開口部６２と分岐通路６５が分岐される分岐部６６との間にオリフィス６７が形成される。オリフィス６７の通路面積は、分岐通路６５よりも小さい。

弁室５４の内壁面には、流入通路６１の開口部６２と流出通路６３の開口部６４との間に弁座５５が形成されている。弁体７１は、弁座５５に着座することにより、流入通路６１と流出通路６３との連通を遮断し、離座することにより、流入通路６１と流出通路６３との連通を許可する。

弁体７１は、弁室５４を流入通路６１からの燃料が供給される第１室５６と、分岐通路６５からの燃料が供給される第２室５７とに区画するように、弁室５４の内壁面に摺動可能に支持されている。弁体７１の第１室５６側の面が第１受圧面７２となり、第２室５７側の面が第２受圧面７３となる。第２受圧面７３の面積は、第１受圧面７２の面積よりも大きくなっている。

第１受圧面７２に第１室５６の圧力が作用すると、弁体７１には開弁方向の付勢力が働く。第２受圧面７３に第２室５７の圧力が作用すると、弁体７１には閉弁方向の付勢力が働く。弁体７１には、第１、第２室５６、５７に供給される燃料圧力が作用することにより発生する付勢力のほかに第３スプリング７４による開弁方向の付勢力が働いている。

第１室５６には、一端部が弁体７１の第１受圧面７２に支持され、他端部が第１室５６の壁面に支持される第３スプリング７４が収容されている。第３スプリング７４は、弁体７１を弁座５５から離座する方向に付勢する。

第１受圧面７２の面積をＡ１、第２受圧面７３の面積をＡ０、第１室５６の圧力をＰｓ、第２室５７の圧力をＰｃ、第３スプリング７４の付勢力をＦとしたとき、弁体７１は（Ｐｓ×Ａ１＋Ｆ）＝（Ｐｃ×Ａ０）の式に基づきその位置が決定される。当該式の左辺（Ｐｓ×Ａ１＋Ｆ）が右辺（Ｐｃ×Ａ０）を上回ると弁体７１は、弁座５５から離座する方向に移動し、両辺が等しくなるところで停止する。反対に右辺が左辺を上回ると弁体７１は、弁座５５に着座する方向に移動し、両辺が等しくなるところで停止する。

上記式中の圧力Ｐｃは、コモンレール３の圧力であり、圧力Ｐｃは図３に示したように、エンジンの負荷に応じて変化する。以下、低負荷時のコモンレール３の圧力をＰｃ１と表し、高負荷時のコモンレール３の圧力をＰｃ２と表す（Ｐｃ１＜Ｐｃ２）。

また、図１に示すように、３方弁５１が第１位置にあるときは、背圧室１７の圧力もＰｃと同圧となるため、第１室５６の圧力Ｐｓは圧力Ｐｃとなる。したがって、圧力Ｐｓも上記圧力Ｐｃと同様、エンジンの負荷に応じて変化する。以下、低負荷時の第１室５６の圧力をＰｓ１と表し、高負荷時の第１室５６の圧力をＰｓ２と表す（Ｐｓ１＜Ｐｓ２）。

本実施形態では、面積Ａ１、面積Ａ０、および付勢力Ｆは、３方弁５１が第１位置から第２位置へ切り替わったとき、負荷によって変化する圧力Ｐｃが低いほど弁体７１と弁座５５との距離が大きくなるように定められている。

次に、可変絞り弁５２の動作について詳細に説明する。図４は、低負荷時、高負荷時における、３方弁５１および可変絞り弁５２の動作と、可変絞り弁５２の第１室５６の圧力状態を示すタイムチャートである。図中、左側は低負荷時の状態を示し、右側は高負荷時の状態を示す。

時刻ｔａまでは、３方弁５１は第１位置に制御されているので、コモンレール３の高圧燃料が第１燃料通路２２、３方弁５１、および第２燃料通路２３を介して背圧室１７に供給される。このとき、エンジンの負荷は低負荷であるため、コモンレール３の圧力はＰｃ１となっており、背圧室１７に供給される燃料の圧力Ｐｓ１もＰｃ１とほぼ同じ圧力となっている。圧力Ｐｓ１は、図中の一点鎖線で示す（Ｐｃ１×Ａ０−Ｆ）／Ａ１よりも高い圧力となっているため、弁体７１は、開弁した状態に維持される。以下、（Ｐｃ１×Ａ０−Ｆ）／Ａ１で表される圧力を第１バランス圧力Ｐｂ１という。

時刻ｔａ時に３方弁５１が第２位置に切り替えられると、背圧室１７の高圧燃料が燃料タンク２に排出される。流入通路６１途中にはオリフィス６７が設けられているため、第１室５６の圧力Ｐｓ１は、低下し始める。第１室５６と第２室５７との間には、圧力差が発生する。

圧力Ｐｓ１が、第１バランス圧力Ｐｂ１よりも下回ると、弁体７１は閉弁方向に移動し始める（時刻ｔｂ参照）。すると、弁体７１と弁座５５との距離が短くなり、絞り面積が小さくなる。

３方弁５１が再び第１位置に切り替えられると、第１室５６の圧力Ｐｓ１は再び上昇する（時刻ｔｃ参照）。圧力Ｐｓ１が、第１バランス圧力Ｐｂ１よりも上回ると、弁体７１は開弁方向に移動し始め、開弁位置（最大リフト位置）で停止する（時刻ｔｄ以降参照）。

図５にコモンレール３の圧力と弁体７１のリフト量との関係を示し、図６に弁体７１のリフト量と可変絞り弁５２を介して背圧室１７へ流れる燃料の流量との関係を示す。第１バランス圧力Ｐｂ１は、上記式からも分かるようにコモンレール３の圧力Ｐｃ１に依存する。圧力Ｐｃ１が高ければ高いほど第１バランス圧力Ｐｂ１は上昇する。第１バランス圧力Ｐｂ１が上昇すると、図５に示すように弁体７１が閉弁位置に近づく。弁体７１が閉弁位置に近づくと、図６に示すように、絞り面積が小さくなり可変絞り弁５２を介して背圧室１７へ流れる燃料の流量が少なくなる。

高負荷時ではコモンレール３の圧力は、Ｐｃ２となっている。図４に示すように、時刻ｔｅまでは、３方弁５１は第１位置に制御されているので、第１室５６の圧力Ｐｓ２は圧力Ｐｃ２とほぼ同じ圧力となっている。高負荷時においては、（Ｐｃ２×Ａ０−Ｆ）／Ａ１で表される第２バランス圧力Ｐｂ２は、圧力Ｐｓ２よりも高くなっている。その結果、弁体７１は、閉弁位置に保持される。

時刻ｔｅにて３方弁５１が第２位置に切り替えられ、時刻ｔｆにて３方弁５１が再び第１位置に切り替えられても、圧力Ｐｓ２は、常に第２バランス圧力Ｐｂ２よりも下回っているため、弁体７１は閉弁位置に保持される。

コモンレール３の圧力が比較的高い状態のときは、弁体７１は閉弁位置に保持される（図５参照）。弁体７１が閉弁位置に保持されると、可変絞り弁５２を介して流れる燃料の流量がゼロとなる（図６参照）。

次に、燃料噴射弁１の動作について詳細に説明する。図７は、低負荷時、高負荷時における、燃料噴射弁１の動作を示すタイムチャートである。図中、左側は低負荷時の状態を示し、右側は高負荷時の状態を示す。

低負荷の状態においては、コモンレール３の圧力は、Ｐｃ１となっている。時刻ｔ１までは、３方弁５１の状態は第１位置に保持される。このとき、可変絞り弁５２の弁体７１は、開弁位置に保持される。３方弁５１が第１位置に保持されるので、背圧室１７には、コモンレール３の圧力Ｐｃ１が供給される。この状態のとき、アウタニードル３０およびインナニードル４０に働く閉弁方向の付勢力は、開弁方向の付勢力よりも勝っているので、アウタニードル３０およびインナニードル４０は第１、第２噴孔群１４、１５を閉弁する。このため、燃料溜り室１６の燃料は、第１、第２噴孔群１４、１５から噴射されない。

時刻ｔ１時に３方弁５１が第２位置に切り替えられると、背圧室１７の燃料が第２燃料通路２３、排出通路２５を介して燃料タンク２に排出される。このとき、可変絞り弁５２の弁体７１は、図４で説明したように、開弁位置から閉弁位置に移動し始める。弁体７１は閉弁位置に向かって移動するが完全には閉弁しないため、背圧室１７の燃料は３方弁５１を介して燃料タンク２に排出されつつも、背圧室１７にはコモンレール３の燃料が供給される。３方弁５１を介して排出される燃料の量の方が多いため、背圧室１７の圧力は徐々に低下する。

背圧室１７の圧力がアウタニードル３０の開弁方向への付勢力と閉弁方向への付勢力とが釣り合うときの背圧室１７の圧力（以下、第１開弁圧力という）よりも下回ると、アウタニードル３０がリフトし始める（時刻ｔ２）。アウタニードル３０がリフトすると、第１噴孔群１４が燃料溜り室１６と連通するので第１噴孔群１４から燃料が噴射される（時刻ｔ２から時刻ｔ４）。

時刻ｔ３時に３方弁５１が再び第１位置に切り替えられると、背圧室１７の燃料の排出が停止し、第１燃料通路２２、第２燃料通路２３を介して背圧室１７にコモンレール３の燃料が供給される。すると、背圧室１７の圧力は、再び上昇する。背圧室１７の圧力が所定の圧力を上回るとアウタニードル３０は第１噴孔群１４を閉弁する。３方弁５１を第１位置に切り替えると、背圧室１７には、供給通路２４からだけでなく第１燃料通路２２からもコモンレール３の高圧燃料が供給されるので、背圧室１７の圧力上昇速度を速めることができ、第１噴孔群１４を素早く閉弁させることができる。

低負荷時では、エンジンに供給する燃料は少ないため、アウタニードル３０のみを動作させている。アウタニードル３０のみを動作させるには、３方弁５１の第２位置の期間を調整することにより達成できる。この期間は、アウタニードル３０の形状やコモンレール３の圧力などに基づき定められる。なお、図中、時刻ｔ５からｔ８は、時刻ｔ１からｔ４とほぼ同じであるため説明は省略する。

高負荷の状態においては、コモンレール３の圧力は、Ｐｃ２（＞Ｐｃ１）となっている。時刻ｔ９までは、３方弁５１の状態は第１位置に保持される。このとき、可変絞り弁５２の弁体７１は、閉位置に保持される。３方弁５１が第１位置に保持されるので、背圧室１７には、コモンレール３の圧力Ｐｃ２が供給される。この状態のとき、アウタニードル３０およびインナニードル４０に働く閉弁方向の付勢力は、開弁方向の付勢力よりも勝っているので、アウタニードル３０およびインナニードル４０は第１、第２噴孔群１４、１５を閉弁する。このため、燃料溜り室１６の燃料は、第１、第２噴孔群１４、１５から噴射されない。

時刻ｔ９時に３方弁５１が第２位置に切り替えられると、背圧室１７の燃料が第２燃料通路２３、排出通路２５を介して燃料タンク２に排出される。このとき、可変絞り弁５２の弁体７１は、図４で説明したように、閉弁位置にある。このため、コモンレール３の燃料はこの可変絞り弁５２を介して供給されることがなくなる。したがって、低負荷時と異なり、高負荷時では、背圧室１７の燃料は、３方弁５１を介して燃料タンク２に排出されるのみである。このため、背圧室１７の圧力の低下率は、低負荷時に比べ大きくなる。つまり、背圧室１７の圧力は、低負荷時に比べ急激に低下する。

背圧室１７の圧力がアウタニードル３０の開弁方向への付勢力と閉弁方向への付勢力とが釣り合うときの背圧室１７の圧力（以下、第２開弁圧力という）よりも下回ると、アウタニードル３０がリフトし始める（時刻ｔ１０）。アウタニードル３０がリフトすると、第１噴孔群１４が燃料溜り室１６と連通するので第１噴孔群１４から燃料が噴射される。

アウタニードル３０がさらにリフトすると、アウタニードル３０の上端部３２がインナニードル４０のフランジ部４１に当接する。そして、上端部３２がフランジ部４１に当接した後もアウタニードル３０がさらにリフトすると、インナニードル４０は、アウタニードル３０とともにリフトし始める（時刻ｔ１１）。すると、燃料は、第１噴孔群１４からだけではなく第２噴孔群１５からも噴射され、図７に示すように噴射率が急上昇する。インナニードル４０は、通路部材１２の下端面に当接するまでリフトする。

時刻ｔ１２時に３方弁５１が再び第１位置に切り替えられると、背圧室１７の燃料の排出が停止し、第１燃料通路２２、第２燃料通路２３を介して背圧室１７にコモンレール３の燃料が供給される。すると、背圧室１７の圧力は、再び上昇する。背圧室１７の圧力が所定の圧力を上回るとアウタニードル３０およびインナニードル４０がともに下降する。最初に、インナニードル４０が第２噴孔群１５を閉弁する（時刻ｔ１３）。その後、アウタニードル３０が第１噴孔群１４を閉弁する（時刻ｔ１４）。

高負荷時では、エンジンに供給する燃料は多い。また、エンジンは高回転であるため、短期間に大量の燃料を供給する必要がある。本実施形態では、アウタニードル３０およびインナニードル４０の両方を動作させることにより、第１、第２噴孔群１４、１５から燃料を噴射することができる。これにより、短期間で大量の燃料をエンジンに供給することができる。なお、図中、時刻ｔ１５からｔ２０は、時刻ｔ９からｔ１４とほぼ同じであるため説明は省略する。

ここで、低負荷時と高負荷時の３方弁５１が第１位置から第２位置に切り替わったときの背圧室１７の圧力の低下について説明する。低負荷時では、上述したように可変絞り弁５２はコモンレール３の圧力によって絞り面積が変化するが完全には閉弁しない。一方、高負荷時では、可変絞り弁５２は閉弁する。可変絞り弁５２は、エンジンの負荷が低いほど弁体７１の位置が開弁位置に近づくようになっている。つまり、エンジンの負荷が低いほど可変絞り弁５２の絞り面積が大きくなる。

このような可変絞り弁５２を設けることにより、低負荷時における３方弁５１が第１位置から第２位置に切り替わったときの背圧室１７の低下率を高負荷時に比べ小さくすることができる。これにより、アウタニードル３０を低負荷ほど遅い速度でリフトさせることができる。その結果、アウタニードル３０がリフトしたときの第１噴孔群１４から噴射される燃料の初期噴射速度を遅くすることができ、燃料の貫徹力が高負荷時に比べ低下させることができる。

低負荷時では、噴射された燃料の飛距離は長くなる傾向にあるが、本実施形態では、アウタニードル３０のリフト速度を遅くすることにより燃料の貫徹力を小さくすることができるため、燃料の飛距離の伸びを抑制することができる。このため、低負荷時に燃焼室の壁面やピストンの頂面への燃料の付着を抑制することができ、低負荷時に排出されるエミッションを低減させることができる。

また、本実施形態では、電磁駆動力などの駆動力を用いずに、コモンレール３の圧力、すなわち負荷の状態に応じて自動的に絞り面積（弁体７１の位置）を調整できる可変絞り弁５２を使用しているので燃料噴射弁１の構造が簡単となる。

本発明の一実施形態による燃料噴射弁の断面図である。 図１の燃料噴射弁に用いられる可変絞り弁の断面図である。 エンジンの回転数と負荷との関係を示すグラフである。 低負荷時、高負荷時における、３方弁および可変絞り弁の動作と、可変絞り弁の第１室の圧力状態を示すタイムチャートである。 コモンレールの圧力と可変絞り弁の弁体のリフト量との関係を示すグラフである。 可変絞り弁の弁体のリフト量と可変絞り弁を介して背圧室へ流れる燃料の流量との関係を示すグラフである。 低負荷時、高負荷時における、燃料噴射弁の動作を示すタイムチャートである。 従来技術による燃料噴射弁の断面図である。

符号の説明

１ 燃料噴射弁、２ 燃料タンク、３ コモンレール、１１ ノズルボデー（ボデー）、１２ 通路部材（ボデー）、１４ 第１噴孔群（一部の噴孔）、１５ 第２噴孔群（一部の噴孔以外の噴孔）、１６ 燃料溜り室、１７ 背圧室、２１ 高圧通路、２２ 第１燃料通路（第２供給通路）、２３ 第２燃料通路、２４ 供給通路（第１供給通路）、２５ 排出通路、３０ アウタニードル（第１ニードル）、３２ 上端部、４０ インナニードル（第２ニードル）、４１ フランジ部、５０ 圧力制御装置（圧力制御手段）、５１ ２位置３方弁（第１制御弁）、５２ 可変絞り弁（第２制御弁）、５３ 本体、５４ 弁室、５５ 弁座、５６ 第１室、５７ 第２室、６１ 流入通路、６２ 開口部、６３ 流出通路、６４ 開口部、６５ 分岐通路、６６ 分岐部、６７ オリフィス、７１ 弁体、７２ 第１受圧面、７３ 第２受圧面、７４ 第３スプリング（付勢手段）

Claims (6)

1. 内燃機関の負荷が高いほど高圧となる燃料を蓄積するコモンレールから燃料が供給され、前記内燃機関にその燃料を供給する燃料噴射弁において、
   前記コモンレールからの燃料が供給される燃料溜り室が内部に形成されるとともに、この燃料溜り室と前記燃料噴射弁の外部とを連通する複数の噴孔が形成されているボデーと、
   前記ボデーに軸方向へ移動自在に収容され、前記複数の噴孔の内、一部の噴孔を開閉する第１ニードルと、
   前記第１ニードルの内周側で同軸的に移動することができるとともに、前記一部の噴孔以外の噴孔を開閉する第２ニードルと、
   少なくとも第１ニードルに、前記一部の噴孔を閉弁する方向の背圧を作用させるための燃料が供給される前記ボデーの内部に形成された背圧室内の圧力を制御する圧力制御手段であって、
   前記内燃機関の負荷が低いときでは前記第１ニードルのみがリフトするように、また、前記負荷が高いときでは前記第１ニードルがリフトするとともに前記第２ニードルもリフトするように前記背圧室内の圧力を制御することで、前記負荷が高いときほど前記噴孔の総開口面積を増加させ、かつ、前記負荷が低いときほど、前記第１ニードルのリフト速度が遅くなるように前記背圧室内の圧力を制御する圧力制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記圧力制御手段は、前記背圧室の圧力を制御して、前記第１ニードルをリフトさせる際、前記背圧室から排出させるときの前記背圧室の圧力の低下率を前記負荷が低いときほど小さくすることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 前記圧力制御手段は、前記背圧室と前記燃料噴射弁の外部とを接続する排出通路途中に設けられ、前記背圧室内の燃料の排出量を制御する第１制御弁と、前記コモンレールと前記背圧室とを接続する第１供給通路途中に設けられ、前記背圧室への前記コモンレールの燃料の供給量を制御する第２制御弁と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. 前記第２制御弁は、前記負荷が低いほど絞り面積が大きくなる可変絞り弁であることを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射弁。
5. 前記可変絞り弁は、
   弁室、前記コモンレールからの燃料を前記弁室に供給する流入通路、前記弁室の燃料を前記背圧室に流出する流出通路、前記流入通路から分岐し、前記弁室に接続される分岐通路、前記弁室の内壁面に開口する前記流入通路の開口部と前記流出通路の開口部との間に形成される弁座、および前記流入通路の前記開口部と前記分岐通路が分岐する分岐部との間に設けられ、通路面積が前記分岐通路よりも小さいオリフィスを有する本体と、
   前記弁室に移動可能に収容され、前記弁座に着座することにより前記流入通路と前記流出通路との連通を遮断し、前記弁座から離座することにより前記流入通路と前記流出通路との連通を許可する弁体であって、前記弁室に収容されることにより前記弁室を前記流入通路からの燃料が供給される第１室と、前記分岐通路からの燃料が供給される第２室とに区画するとともに、前記第１室に供給された燃料圧力を受圧する第１受圧面と、前記第２室に供給された燃料圧力を受圧する第２受圧面とを有する弁体と、
   前記第１室に収容され、前記弁体を前記弁座から離座させる方向に付勢する付勢手段と、を備え、
   前記第１受圧面および前記第２受圧面の面積、ならびに前記付勢手段の付勢力は、前記第１制御弁が前記背圧室の燃料を排出させたとき、前記コモンレールの圧力が低いときほど前記弁体と前記弁座との間の距離が大きくなるように定められていることを特徴とする請求項４に記載の燃料噴射弁。
6. 前記第１制御弁は、前記排出通路途中に設けられるとともに、前記コモンレールからの燃料が供給される第２供給通路が接続されており、前記背圧室内の燃料の前記燃料噴射弁の外部への排出を阻止するとともに、前記コモンレール内の燃料を前記背圧室に供給する第１位置と、前記コモンレール内の燃料の前記背圧室への供給を阻止するとともに、前記背圧室内の燃料を前記燃料噴射弁の外部へ排出する第２位置とを有する２位置３方弁であることを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。

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