JP2013137016A - 燃料噴射器 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃エンジンの燃料システムで使用される燃料噴射器を提供すること。
【解決手段】燃料噴射器は、高圧燃料のための供給通路２４と、噴射ノズルとを有する。噴射ノズルは、燃料噴射器からの燃料送出を制御するためにバルブニードル座に係合され得るバルブニードル２６を含む。バルブニードル２６を制御することを目的として制御チャンバ４２内の燃料圧力を制御するために第１の制御バルブ４８が設けられる。この燃料噴射器はまた、低圧ドレン２１内の燃料圧力を制御するための第２の制御バルブ７８を含む。本発明はまた、低圧ドレン２１内の燃料圧力を制御するための制御バルブ７８に関連する。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃エンジンの燃料システムで使用される燃料噴射器に関する。例えば、本発明は、燃料システムの複数の噴射器に燃料を供給するためのコモンレールに燃料を供給するためのコモンレールポンプを有するコモンレール燃料システムで使用されるのに適する噴射器に関する。別法として、本発明は、各噴射器が専用のポンプを有するような、ユニット噴射器燃料システムで使用される噴射器に関してもよい。

既知のコモンレール燃料システムは、高圧燃料ポンプによって高圧で燃料を装入されるアキュムレータ容積部またはコモンレールを含む。高圧の燃料がコモンレールにより複数の噴射器に供給され、これらの各々の噴射器は関連するエンジンシリンダ内に燃料を噴射するように構成されている。

各噴射器は、閉位置に向かうようにばね偏倚されるバルブニードルを有する噴射ノズルを含み、この閉位置では、バルブニードルはバルブニードル座に面して着座する。噴射は、二方向のノズル制御バルブにより制御チャンバ内の燃料圧力（制御圧力）を制御することにより、制御される。制御チャンバはバルブニードルの後端部にあり、コモンレールからの高圧供給通路に継続的に連通される。

ノズル制御バルブは、制御チャンバが低圧ドレンに連通されることになる開位置と、制御チャンバと低圧ドレンとの間の連通が遮断されることになる閉位置との間で動作可能である。噴射を開始する場合、ノズル制御バルブがその開位置へと移動され、制御チャンバと低圧ドレンとの間の連通が開かれ、それにより制御チャンバ内の燃料圧力が低下し、したがってバルブニードルをその座から持ち上げることが可能となる。噴射を終了する場合、ノズル制御バルブが閉位置に移動され、それにより制御チャンバと低圧ドレンとの間の連通が閉じられる。制御チャンバ内へと燃料が継続的に流れることから、制御チャンバ内では高い燃料圧力が再び得られ、それによりバルブニードルが再び着座して噴射が終了する。

バルブニードルが噴射中に最大のリフト位置に到達すると、制御チャンバと低圧ドレンとの間の連通が実質的に瞬時に遮断される。制御チャンバから低圧ドレンへのスピルフロー（ｓｐｉｌｌ ｆｌｏｗ）がこのように急速に停止されると、空洞が縮んだりおよび／または圧力スパイクが起こったりする可能性がある。発生する局所的な低圧領域および反射圧力波により、例えばノズル制御バルブのバルブシートの近傍でキャビテーション浸食が起こる可能性がある。ノズル制御バルブの動作も影響を受ける場合がある。

バルブニードルが最大のリフト位置に到達することの影響に焦点を当てて説明するために、図１Ａに燃料送出ゲイン曲線Ｃ２が示されており、図１Ｂに燃料送出スタビリティ曲線Ｃ１が示されている。燃料送出ゲイン曲線Ｃ２は噴射時にノズルから噴射される燃料を示している。非直線性「Ａ」が、噴射器の作動から約８００μｓのゲイン曲線上に見られる。燃料送出スタビリティ曲線Ｃ１は、燃料送出ゲイン曲線Ｃ２上の非直線性「Ａ」に合致するショット間の燃料送出量不安定性の増加を示すスパイク「Ｂ」を示す。この合致するスパイク「Ｂ」は非直線性および不安定性を示しており、この不安定性とは、ノズルバルブニードルが最大のリフト「Ｃ」に到達し、それにより、スピルドレン内の流れの流体運動量により引き込まれるスピルフローの後ろに空洞が形成されるときに、制御チャンバから低圧ドレンへのスピルフローが急に停止されることにより生じるものである。この低圧空洞は、スピルドレン内で流体流れが逆行するときに崩壊する。空洞が崩壊するときに、スピルドレン内において、ノズル制御バルブ（ＮＣＶ）の底部シートの下方に局所的に高い圧力が発生する。空洞が崩壊するときのこの局所的な高い圧力はＮＣＶバルブピンの下側に作用し、これは、ノズル制御バルブクロージャが底部シート上に戻る動きに影響し、これが非直線性の原因となる。

従来技術のシステムの二次ドレンラインに絞りを組み込むことが提案されている。正確なサイズのオリフィスは、ＮＣＶ底部シートの下方の領域に入る流れおよびその領域から出る流れを制限することができる。しかし、この構成は、スピルポート自体の中の高精度な幾何形状または流れの調整を必要とする。

本発明の１つの目的は、コモンレールタイプまたはユニット噴射器タイプの燃料システムで使用されるのに適する、上述の問題のうちの少なくとも１つを克服または軽減する改善された燃料噴射器を提供することである。

本発明によると、内燃エンジンのための燃料システムで使用される燃料噴射器が提供され、この燃料噴射器は、高圧燃料のための供給通路と、噴射器からの燃料送出を制御するためにバルブニードル座に係合され得るバルブニードルを含む噴射ノズルと、バルブニードルを制御することを目的として制御チャンバ内の燃料圧力を制御するための第１の制御バルブと、を有し、ここでは、この燃料噴射器は、低圧ドレン内の燃料圧力を制御するための第２の制御バルブをさらに有し、この第２の制御バルブは一方向バルブである。第２の制御バルブを設けることにより、低圧ドレン内に高圧波が形成されることを制限すなわち抑制することができる物理的なシールを作ることが可能となる。一方向バルブは燃料噴射器の低圧ドレンを動作可能に隔離することができる。例えば、本明細書で説明するタイプの燃料噴射器を２つ以上有するアレイにおいて、各燃料噴射器に関連する一方向バルブが、その燃料噴射器の低圧ドレンをアレイ内の１つ以上の別の燃料噴射器から動作可能に隔離することができる。第２の制御バルブは指向的に偏倚される流量に対応することができる。

第２の制御バルブは第１の制御バルブの下流で低圧ドレン内に設けられてよい。第２の制御バルブは第１の制御バルブの底部シートの下方に設けられてよい。第２の制御バルブは、燃料が燃料噴射器から排流されるときに通るための出口ポートのところに設けられてよい。第２の制御バルブは、少なくとも、出口ポートを実質的に密閉することができる。第２の制御バルブ内に出口ポートが設けられてよい。

供給通路は第１の流れ経路を介して制御チャンバに連通されてよい。供給通路と制御チャンバとの間の連通は継続的なものであってよい。
燃料噴射器は、（ｉ）供給通路と制御チャンバとの間、または、（ｉｉ）制御チャンバと低圧ドレンとの間、を選択的に連通させるための第２の流れ経路を有してよい。動作可能な流れ経路は第１の制御バルブの位置によって決定される。

第１の制御バルブは第１および第２の動作位置を有してよい。第１の動作位置では、供給通路が、制御バルブシートを通って燃料流体が流れることを可能にすることによる補助流れ手段を介して、制御チャンバに連通され得る。第２の流れ経路を介する制御チャンバと低圧ドレンとの間の連通は、第１の制御バルブが上記の第１の動作位置にある場合は遮断される。

第１の制御バルブは、第２の流れ経路を介して制御チャンバを低圧ドレンに連通させるための第２の動作位置を有することができる。補助流れ手段を介する供給通路と制御チャンバとの間の連通は、第１の制御バルブが第２の動作位置にある場合は遮断されてよい。

第２の制御バルブは低圧ドレン内の正圧を維持するように動作可能であってよい。第２の制御バルブは、上記の第２の動作位置にある場合に正圧を維持することができる。
一方向バルブは上記の燃料噴射器に限定して関連させられてよい。一方向バルブは上記の燃料噴射器に組み込まれてよく、例えば、燃料噴射器のバルブ本体の一部分を形成してよい。

第１の制御バルブは、第１の制御バルブ部材および第１の制御バルブシートを有してよい。
第２の制御バルブは、第２の制御バルブ部材および第２の制御バルブシートを有してよい。第２の制御バルブ部材は、低圧ドレン内の燃料圧力を制御するために第２の制御バルブシートと協働することができる。

第２の制御バルブ部材は、第２の制御バルブを閉じるために第２の制御バルブシートの方に偏倚される弾性部材であってよい。使用中、第２の制御バルブを開けるためには、低圧ドレン内の燃料の圧力が弾性のバルブ部材の偏倚力に打ち勝たなければならない。低圧ドレン内の圧力が、弾性バルブ部材を変位させるのに不十分なレベルにまで低下すると、第２の制御バルブが閉じられ、少なくとも、低圧ドレンを実質的に密閉する。第２の制御バルブ部材は弾性材料で作られてよく、例えば、エラストマ、ゴム、ニトリルまたはＶｉｔｏｎ（登録商標）で作られてよい。

第２の制御バルブ部材はＯリングを有してよい。別法として、第２の制御バルブ部材は、例えばばね鋼で作られる、Ｃクリップを有してよい。
第２の制御バルブは、第２の制御バルブ部材を保持するための環状凹部を有してよい。出口ポートは環状凹部内に形成されてよい。第２の制御バルブ部材は、部分的に、または、完全に、出口ポートの上に重なっていてよい。出口ポートは、低圧ドレンに連通される放射状アパーチャによって画定されてよい。

第２の制御バルブは、第２の制御バルブを閉じることを目的として第２の制御バルブ部材を第２の制御バルブシートの方に偏倚するための偏倚手段を有してよい。この偏倚手段は、ばねなどの弾性部材を有してよい。第２の制御バルブ部材は例えばボールバルブであってよい。第２の制御バルブ部材は非可撓性すなわち剛体であってよい。第２の制御バルブシートは第２の制御バルブ部材を受けるように画定されてよい。第２の制御バルブ部材を着座位置から外し、それにより第２の制御バルブを開けるために、低圧ドレン内の燃料の圧力が偏倚手段に打ち勝つことができる。

この噴射器は、バルブニードルがその座から離れて所定の量だけ移動したときに、第２の流れ経路を介する制御チャンバと低圧ドレンとの間の連通を遮断するための手段を備えることができ、それにより、噴射中の制御チャンバと低圧ドレンとの間の加圧燃料が失われることが制限される。

例えば、バルブニードルは、その着座位置から離れて所定の量だけ移動して例えば最大のリフト位置にきたときに、第２の制限流れ経路を介する制御チャンバと低圧ドレンとの間の連通を遮断するように構成されてよい。

第２の流れ経路は制御チャンバに連通される入口ポートを画定していてよく、ここでは、バルブニードルに関連する別の表面がニードルの最大リフト位置において入口ポートを覆う。通常、バルブニードルは、例えば、入口ポートを覆うためのその別の表面を画定する分離した端部部片を含んでよい。

代替の実施形態では、バルブニードルと、入口ポートを覆うための端部部片とは、互いに一体となるように成形されてもよい。
この燃料噴射器は、電磁的に作動可能なバルブまたは圧電的に作動可能なバルブの形態の第１および／または第２の制御バルブを含んでよい。これらの第１および／または第２の制御バルブ部材はばねにより偏倚されて閉じられ得る。

この噴射器は、コモンレール（すなわち、高圧燃料のためのアキュムレータ容積部）に供給を行うためのコモンレールポンプを含むコモンレール燃料システムの一部を形成することができ、ここでは、コモンレールがシステムの少なくとも１つの噴射器に燃料を供給する。

代替の実施形態では、この噴射器は、ユニット噴射器システムの一部を形成することができ、ここでは、専用のポンプが同じユニットの関連する噴射器に加圧流体を供給し、そのシステムの別の噴射器には供給を行わない。専用のポンプおよび噴射器は噴射器／ポンプユニットの一部を形成することができ、または別法として、専用のポンプは高圧燃料ラインを介して関連する噴射器から離されて配置されてもよい。

また、この噴射器は、コモンレール／ユニット噴射器のハイブリッドタイプの燃料システムで使用されるのにも適する。このタイプのシステムでは、各噴射器が関連するポンプを有し、このポンプは関連する噴射器に直接に燃料を供給することが可能であるか、あるいは、システムの１つまたは複数の別の噴射器に燃料を送るためのコモンレールに燃料を送ることが可能である。

別の態様によると、本発明は、内燃エンジンのための燃料噴射器の低圧ドレン内の燃料圧力を制御するための制御バルブを提供し、この制御バルブはバルブ部材およびバルブシートを有し、ここでは、バルブ部材は制御バルブを閉じるようにバルブシートの方に偏倚される。低圧ドレン内の燃料の圧力により、バルブ部材を変形させて制御バルブを開けることができる。制御バルブは制御バルブシートに関連する出口ポートを有することができる。

バルブ部材は、バルブシートと協働するための弾性のＯリングまたはＣクリップで構成されてよい。ＯリングまたはＣクリップは制御バルブ内に形成される環状凹部内に位置してよい。

別法として、制御バルブを閉じるようにバルブ部材をバルブシートの方に偏倚するために、偏倚手段が設けられてもよい。バルブ部材は例えばボールバルブであってよい。
制御バルブはバルブ本体を有してよい。バルブ部材は、バルブ本体の外側の少なくとも一部分の周りに設けられてよい。ニードルバルブの作動を制御するために、バルブ本体内に制御チャンバが設けられてよい。作動中、ニードルバルブはバルブ本体の長手方向軸に沿って移動することができる。制御バルブが使用されるとき、ニードルの一部分が制御チャンバ内に入ることができる。

さらに別の態様によると、本発明は、アパーチャ（aperture）を通る流体流れを制御するためのＣクリップを有する一方向バルブを提供する。Ｃクリップは、圧力の変化に反応して流体通路を開閉するように構成されてよい。例えば、Ｃクリップは、アパーチャを通る流体の流れを制御するためにアパーチャの上を延在してよい。Ｃクリップは、流体流れが上記のアパーチャを通って一方向のみに流れるのを可能にすることができる。Ｃクリップは、一方向バルブを閉位置まで偏倚するために弾性材料から形成されてよい（すなわち、少なくとも部分的にアパーチャを遮断する）。Ｃクリップは、例えば、ばね鋼で作られてよい。一方向バルブは燃料噴射システムで使用されるのに適する。

本出願の範囲内では、前のパラグラフ、特許請求の範囲、ならびに／または、以下の説明および図面に記載される種々の態様、実施形態、実施例および代替形態、より詳細にはそれらの個別の特徴が個別でもまたは任意の組み合わせでもなされ得ることが明確に意図される。例えば、１つの実施形態を参照して説明される特徴は、適合性がない場合を除いて、すべての実施形態に適用可能である。

次に、単に例として添付図面を参照して本発明を説明する。

図１Ａは従来技術の燃料噴射器の場合の燃料ゲイン曲線を示すグラフである。図１Ｂは従来技術の燃料噴射器の場合の燃料送出安定性曲線を示すグラフである。 第１の動作状態にある燃料噴射器の第１の実施形態を示す概略図である。 第２の動作状態にある図２の燃料噴射器を示す図である。 図２および３の燃料噴射器の一部を形成する３方向ノズル制御バルブの一実施形態を示す図である。 図２、３および４に示される燃料噴射器の低圧ドレンを制御するための戻り制御バルブを示す断面図である。

図２を参照すると、圧縮点火式内燃エンジンのための燃料システムが、本発明の第１の実施形態の燃料噴射器（破線１０内）を含んでいる。噴射器１０は、高圧燃料ポンプ１４により通常は約４００〜３０００バールの圧力レベルまでの高い圧力で燃料を装入されるアキュムレータ容積部またはコモンレール１２から高圧燃料を受けるように構成される。燃料ポンプ１４は、相対的に低い圧力で低圧燃料リザーバまたはドレン１８から燃料を受け取り、第１の送出ラインすなわち流れ経路２０を介してコモンレール１２に加圧燃料を送出する。コモンレール１２は第２の送出ラインすなわち流れ経路２２を介して高い圧力（「供給圧力」と称される）で燃料を供給し、第２の送出ラインすなわち流れ経路２２は、関連する噴射器１０の供給通路２４に燃料を送出するように構成されている。噴射器１０と低圧ドレン１８との間には戻りライン２１が設けられる。

実際には、燃料システムは噴射器１０と同様の複数の燃料噴射器を含み、関連するエンジンの各エンジンシリンダに対して１つの噴射器が設けられる。このシステムの各々の燃料噴射器は、コモンレール１２から高圧で燃料を受け取って他の噴射器と同様の方式で動作するように構成される。したがって、以下の説明では、このシステムの噴射器１０を１つのみ説明する。

噴射器１０はバルブニードル２６を有する噴射ノズル２５を含み、バルブニードル２６は、ばねチャンバ３２内に収容されるバルブニードルばね３０によりバルブニードル座２８の方に偏倚される。噴射ノズル２５は、中でバルブニードル２６が移動可能である止まり孔（blind bore）３６を備えるノズル本体３４（下側端部分のみが示される）を含む。ばねチャンバ３２はノズル孔３６の上側端部のところに画定され、ばねチャンバ３２およびノズル孔３６の両方が噴射器供給通路２４から高圧燃料を受け取る。バルブニードル２６は孔３６内およびばねチャンバ３２内の燃料圧力に対して露出される上方を向いたスラスト表面を有し、上記の燃料圧力によりバルブニードル２６に上向きの力が加えられ、これは、バルブニードルを開ける方向に作用する。

バルブニードル２６は、ノズル孔３６へと送出される燃料がバルブニードル座２８を通過して孔３６の閉鎖端部のところに画定されるサック容積部３８まで流れ得るかどうかを制御するために、バルブニードル座２８に係合されるようにおよびその係合から外されるように移動可能である。サック容積部３８は、ノズル本体３４内に設けられる複数の出口開口部４０（そのうちの２つが示される）に連通され、したがって、バルブニードル２６がバルブニードル座２８から離れるように移動して燃料がサック容積部３８内まで流れると、出口４０を介して関連する燃焼空間まで燃料が噴射される。

バルブニードル座２８から離れているバルブニードル２６の端部では、バルブニードル２６の端部表面が制御チャンバ４２内の燃料圧力に対して露出される。制御チャンバ４２内の燃料圧力は、バルブニードルばねの力と併せて、バルブニードル２６を座２８に対して偏倚するように作用する。

別の実施形態では、バルブニードルはニードルピストンに連結されてもよく、その場合、バルブニードル２６の表面ではなく、ニードルピストンの表面が制御チャンバ４２内の燃料圧力に対して露出される。

供給通路２４から制御チャンバ４２に入る燃料のための流れ経路は２つの経路が可能である。噴射器供給通路２４と制御チャンバ４２との間に、第１の流れ経路４４の形態の第１の制御チャンバ充填経路が設けられる。この第１の流れ経路４４は、制限された流量の燃料が制御チャンバ４２内に継続的に流れるのを可能にし、この流量は経路４４内の第１の絞りすなわちオリフィス４４ａによって決定される。補助の流れ経路４７および第２の制限流れ経路４６により、補助の制御チャンバ充填経路が形成される。第２の流れ経路４６は、この第２の流れ経路４６を通る流量を決定する第２の絞りすなわちオリフィス４６ａを有する。補助の制御チャンバ充填経路４７、４６は、ノズル制御バルブ４８の制御下で高圧燃料を制御チャンバ４２に供給することができる。

ノズル制御バルブ４８は３方向制御バルブ４８の形態をとり、これは、第２の制限流れ経路４６およびその結果として制御チャンバ４２が、供給通路２４からの補助の流れ経路４７または戻りライン２１のいずれに連通されるかを決定するために開位置と閉位置との間で動作可能である。ノズル制御バルブ４８は、ノズル制御バルブ部材５２と、ノズル制御バルブ部材５２を閉位置へと偏倚するように機能する制御バルブばね５０とを含む。ノズル制御バルブが閉位置にある場合、第２の制限流れ経路４６を介する制御チャンバ４２と戻りライン２１との間の連通が遮断され、代わりに、制御チャンバ４２は補助の流れ経路４７および第２の流れ経路４６を介して供給通路２４に連通される。したがって、ノズル制御バルブ４８が閉位置にある状況では、第２の制限流れ経路４６に連通されている補助の流れ経路４７により、噴射器供給通路２４と制御チャンバ４２との間に、（第１の流れ経路４４に加えて）補助の制御チャンバ充填手段が存在することになる。

概して５４で示される電磁アクチュエータが、制御バルブばねの力に逆らってノズル制御バルブ部材５２を開位置へと移動させるように動作可能である。ノズル制御バルブ４８が開位置にある場合、制御チャンバ４２は第２の制限流れ経路４６を介して戻りライン２１に連通され、追加の充填流れ経路４７、４６を介する制御チャンバ４２と供給通路２４との間の連通が遮断される。

電磁アクチュエータ５４は従来のタイプのアクチュエータであり、これは、後でさらに考察するように、噴射を開始するためにノズル制御バルブ４８を開けることが必要とされる場合に電流を供給するときに経由するための通電可能な巻線（図２および３には示されない）を含む。第２の制限流れ経路４６は制御チャンバ４２への入口ポートすなわち開口部５８を有する。バルブニードル２６はその上側端部に小径端部部片２６ａを備え、これは、バルブニードル２６がその座２８から所定の量だけ離れるように移動されてその行程の最大範囲（最大のリフト位置）まできたときに、入口ポート５８と協働することができる。バルブニードルの端部部片２６ａと第２の流れ経路４６の入口ポート５８とが協働することにより、噴射が行われるときに制御チャンバ４２から高圧燃料が失われるのを軽減するための手段が形成される。

戻りライン２１は図４に示されるように出口ポート７６を画定する。戻りライン２１内の燃料圧力を制御するために出口ポート７６のところに戻り制御バルブ７８が設けられる。戻り制御バルブ７８は、バルブニードル２６がその最大のリフト位置に到達したときに発生する可能性がある圧力波を抑制するために戻りライン２１内の正圧を維持する一方向バルブである。戻り制御バルブ７８の実際の実装形態は図４を参照して後で説明する。

次に、出口４０を介した燃料の噴射を実現するための燃料システムの動作を詳細に説明する。図２に示される位置では、ノズル制御バルブ４８が閉位置にあり、第２の制限流れ経路４６が補助の流れ経路４７に連通されていることにより、高圧燃料が第１の制限流れ経路４４および第２の制限流れ経路４６の両方を介して制御チャンバ４２内に供給されている。このノズル制御バルブの閉位置では、第２の制限流れ経路４６を介する制御チャンバ４２と戻りライン２１との間の連通が遮断される。制御チャンバ４２内の高い燃料圧力はバルブニードルばね３０の力と併せて作用し、出口開口部４０を介する噴射を防止するためにバルブニードル２６を座２８に係合させるように偏倚する働きをする。これは燃料噴射器の非噴射状態である。

噴射を開始することが必要とされる場合、アクチュエータ５４が、制御バルブばね５０の力に逆らってノズル制御バルブ４８をその開位置まで移動させるために、通電される。ノズル制御バルブ４８を開くことにより、第２の制限流れ経路４６を介する噴射器供給通路２４と制御チャンバ４２との間の連通が閉じられ、第２の制限流れ経路４６を介する制御チャンバ４２と戻りライン２１との間の連通が開く。このような状況では、制御チャンバ４２内の燃料が第２の制限流れ経路４６を通して制御チャンバ４２から戻りライン２１まで流れることが可能であり、したがって低圧となる。したがって、この動作状態では、第２の制限流れ経路４６、下側シート７４および戻りライン２１が、制御チャンバ４２と低圧ドレン１８との間に燃料のための戻り流れ経路を画定する。

制御チャンバ４２内の燃料圧力が低下すると、バルブニードル２６の上側端部に作用する閉じる力が低下する。その結果として、ノズル孔３６に送出される高圧燃料がバルブニードルを開ける方向において噴射器のスラスト表面に作用することから、バルブニードル２６がその座２８から離れるように移動する。したがって、燃料はサック容積部３８内まで流れることができ、さらに出口開口部４０を通してエンジンシリンダ内まで流れることができる。これは図３に示されるように燃料システムの噴射状態である。

噴射段階では、制御チャンバ４２内の燃料圧力が低圧（すなわち、ドレン圧力）と供給圧力（すなわち、供給通路２４内の圧力）との間の中間レベルまで低下する。制御チャンバ４２内の燃料圧力が低下するレベルは、第１の流れ経路４４（燃料が制御チャンバ４２内まで流れるときに通る）内の第１の絞り４４ａによって形成される流れ面積と第２の流れ経路４６（燃料が低圧に向かって流れる）内の絞り４６ａによって形成される流れ面積との比によって決定される。第１の絞り４４ａおよび第２の絞り４６ａのサイズは、ノズル制御バルブ４８が開かれるときに、バルブニードルばねの力と併せた制御チャンバ４２の圧力が、バルブニードル２６に作用する上方向の力に負けるレベル（閾値の圧力レベル）にまで少なくとも低下することが可能になるように決定される。したがって、ノズル制御バルブ４８が開位置まで移動した後のある時点で、バルブニードル２６が座２８から離れて上昇し、それにより噴射が開始される。制御チャンバ４２内の圧力が閾値の圧力レベルにまで低下すると、制御チャンバ４２内の燃料圧力が低下する速度により、バルブニードル２６がその座から離れて上昇させられるときの速度がさらに決定される。

バルブニードル２６が最大のリフトにあるとき、バルブニードル２６の端部部片が入口ポート５８を覆う。入口ポート５８が覆われると、第１の流れ経路４４、４４ａを通して燃料が制御チャンバ４２内に継続して流れることにより、制御チャンバ４２内の燃料圧力が増加し始める。しかし、バルブニードル２６の端部部片の一領域が入口ポート５８のところの低い圧力に対して露出されるので、バルブニードル２６の端部の小さい表面積だけが制御チャンバ４２内の圧力に対して露出される。したがって、ノズル孔３６が供給圧力で継続して燃料の供給を受けるとき、バルブニードル２６がその上昇位置で維持される。

噴射を停止する場合、アクチュエータの巻線への通電を切断することにより、ノズル制御バルブ４８が閉位置に戻される。ノズル制御バルブ４８が閉じられることにより、第２の制限流れ経路４６を介する制御チャンバ４２と戻りライン２１との間の連通が閉じられ、代わりに、補助の流れ経路４７と第２の制限流れ経路４６との間の連通が開かれ、その結果、燃料がノズル制御バルブ４８を通って制御チャンバ４２内まで流れることが可能となる。したがって、燃料が第１の流れ経路４４を通ることにより（これは継続される）および燃料が追加的に第２の流れ経路４７、４６を通ることにより、制御チャンバ４２内の圧力が再び高圧となる。制御チャンバ４２内の燃料圧力が再び高圧になると、バルブニードル２６の圧力が実質的に平衡状態となり、バルブニードルばね３０がバルブニードル座２８に対してバルブニードル２６を偏倚するように働き、それにより噴射が停止される。

例えば噴射タイミング（例えば、ポンピングに対する）などの噴射器１０の特性、バルブニードル２６の移動速度、および、燃料送出量は、第１の流れ経路４４および第２の流れ経路４６内の絞り４４ａ、４６ａの流れ面積と、バルブニードルばね３０の予荷重と、バルブニードル座２８の直径とを慎重に選択することにより、最適化され得る。

噴射器１０は好適には、噴射ノズル２５およびノズル制御バルブ４８が同じ噴射器ユニット１０の一部を形成するように形成される。例として、図４が、図２および３に示される噴射器１０の一部の１つの実際的な実施形態を示している。図２および３に示される部品と同様の部品は参照を容易にするために同じ参照符号で参照される。

アクチュエータ５４は、電磁巻線５５と、ばね５０（図２および３に示される）と、巻線５５が通電されることおよび通電を切断されることに応答して動作し得るアーマチュア６１とを含む。図２および３の実施形態と図４の実施形態との間の１つの違いは、図２および３ではアクチュエータ５４が「作動時押出し（ｅｎｅｒｇｉｓｅ−ｔｏ−ｐｕｓｈ）」タイプ（すなわち、ばねの力５０に逆らってノズル制御バルブ部材を押圧するためにアクチュエータの巻線を通電する）であり、図４ではアクチュエータ５４が「作動時引込み（ｅｎｅｒｇｉｓｅ−ｔｏ−ｐｕｌｌ）」タイプであることに留意されたい。

ノズル制御バルブ部材５２はアーマチュア６１に連結される。図４に示されるように、上側バルブハウジング６０が第１のバルブハウジング孔６６を備える。ノズル制御バルブ部材５２は、アーマチュア６１に連結される領域である上側ガイド領域５２ａと、上側円錐台形表面を有する座領域５２ｂと、下側領域５２ｃとを含む。バルブネック５２ｄが上側ガイド領域５２ａを座領域５２ｂから分離する。上側ガイド領域５２ａは第１のバルブハウジング孔内で移動するように誘導される。ノズル制御バルブ部材５２の座領域５２ｂは、上側円錐台形表面上に画定される上側座表面６８を含む。バルブハウジング孔６６の一領域は、ノズル制御バルブ部材５２が開位置にあるときにノズル制御バルブ部材５２の上側座表面６８に係合されるための上側バルブシート７０を画定するような形状である。

ノズル制御バルブ部材５２の下側領域５２ｃは、案内されないが、バルブハウジング６０内に設けられる大径孔領域６９内で移動する。バルブ部材５２の上側ガイド領域５２ａおよび下側領域５２ｃの直径は実質的に等しい。ノズル制御バルブ部材５２はまた、バルブ部材５２の残り部分と一体に形成される大径カラー５２ｂを含む。バルブネック５２ｄはカラー５２ｂを上側ガイド領域５２ａから分離する。カラー５２ｂは、上側座表面６８を画定する円錐台形表面を含む。上側バルブシート７０に対する上側座表面６８の直径は上側ガイド領域５２ａおよび下側領域５２ｃの直径と実質的に等しい。下側座表面７２は下側バルブ領域５２ｃの端部表面によって画定される。下側座表面は、ノズル本体３４の上側表面によって画定される平坦な下側バルブシート７４に係合可能である。

図４に示されるように、戻り制御バルブ７８は、戻りライン２１内の圧力を制御するために出口ポート７６の上に配置される。図５に示されるように、戻り制御バルブ７８は、円筒区間８２を備えるバルブ本体８０と、部分的なシールを形成するために出口ポート７６の上に位置決めされるためのＯリング８４とを有する。Ｏリング８４はバルブ本体８０内の環状凹部８６内に位置し、出口ポート７６を覆う。Ｏリング８４はゴムまたはニトリルなどの弾性材料から形成され、出口７６を閉鎖する閉鎖位置まで偏倚される。出口ポート７６は戻り制御バルブ本体８０内に形成される半径方向孔を備えており、この半径方向孔は、ノズル制御バルブ部材４８が付勢されると、戻りライン２１に対して開かれる円筒区間８２の内部に形成される制御チャンバ４２に連通される。出口ポート７６はＯリング８４上の摩耗を軽減するのを補助するための円錐台形開口部（図示せず）を有してよい。

ノズル制御バルブ部材５２はばね５０により閉位置に偏倚され（図示される方向での下向き）、この閉位置では、下側座表面７２が下側バルブシート７４に係合される。このような状況では、燃料は、噴射器供給通路２４から、補助流れ経路４７と、露出された上側バルブシート７０と第２の制限流れ経路４６とを通過して、制御チャンバ４２まで流れることができる。この流れ経路４７、４６を通る燃料の流れに加えて、供給圧力の燃料も第１の制限流れ経路４４を通って制御チャンバ４２内まで流れることができる。これは、バルブニードル２６が着座しておりしたがって制御チャンバ４２内の燃料圧力が高くなって噴射が行われないような、噴射サイクルの段階である。

ノズル制御バルブ４８を開けるために、アクチュエータ巻線５５が通電され、それにより、ノズル制御バルブ部材５２の座領域５２ａが下側バルブシート７４から離れて上側バルブシート７０に係合されるように移動する。このような状況では、補助の流れ経路４７および第２の制限流れ経路４６との間の連通が遮断され、代わりに、第２の制限流れ経路４６およびバルブ穿孔７６を介して制御チャンバ４２と戻りライン２１とが連通される。制御チャンバ４２内の燃料は、第１の制限流れ経路４４を介して制御チャンバ４２内に流れる燃料流量より多い流量で第２の制限流れ経路４６を介して低圧へと逃げ、したがって、バルブニードル２６が座から上昇する。この運転段階では、制御チャンバ４２内の燃料圧力が供給圧力とドレン圧力との間の中間レベルまで低下する。

戻りライン２１内の正圧の燃料圧力がＯリング８４を外側へと変形させ、それにより戻り制御バルブ７８が開かれて燃料が出口ポート７６を通って外へ出ることが可能となる。例えばバルブニードル２６が最大のリフト位置まで到達することにより、戻りライン２１内の燃料圧力が低下し、それにより、Ｏリング８４が非変形状態に戻ることが可能となり、それにより戻り制御バルブ７８が閉じられて出口ポート７６を介する燃料の流れが遮断される。重要なことに、Ｏリング８４の存在は、出口ポート７６の上流側で、すなわち、出口ポート７６のノズル制御バルブ側で、正圧を維持する傾向にある。圧力維持バルブとして機能する戻り制御バルブ７８と併せて、この動作により、この領域に空洞が形成されることが一切防止され、それにより上述したような望ましくない圧力スパイクが起こることが防止される。戻りライン２１内の圧力がさらにわずかにでも低下するとＯリング８４によりシールが強化されることになる。このように、戻り制御バルブ７８は、出口ポート７６を通って燃料が出るのを可能しかつ戻りライン２１内に燃料が引き戻されるのを防止する一方向バルブとして機能する。

戻り制御バルブ７８はバルブ部材５２の下方に正圧を維持し、それにより、空洞が形成されることが一切防止されるかまたは抑制され、圧力スパイクが起こることが一切防止される（このような圧力スパイクは、それ以外の場合で、例えば、バルブニードル２６が最大のリフト位置に到達するときに形成される低圧空洞が崩壊するときに発生する可能性がある）。したがって、戻り制御バルブ７８は、戻りライン２１内において下側バルブシート７４の下方に局所的に高い圧力が発生するのを防止または抑制することができる。このようにして、下側バルブシート７４内のノズル制御バルブ部材５２の座が戻りライン２１内の圧力変化の影響を実質的に受けないようにすることができ、実質的に直線性の燃料噴射を実現することができる（すなわち、従来技術のシステムで見られる非直線性を部分的にまたは完全に阻止することができる）。局所的な低圧領域を抑制して反射圧力波の振幅を制限することにより、戻り制御バルブ７８が、例えば下側バルブシート７４でキャビテーション浸食が起こることを軽減または防止することができるようになる。

本明細書で説明した燃料噴射器１０に対して、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更および修正がなされ得ることを認識されたい。
バルブを開くように偏倚するかまたはバルブを閉じるように偏倚するかのいずれかのために、任意選択で、領域５２ａ、５２ｃの直径は調整され得る（すなわち、その結果としてこれらの領域が異なることになる）。

ノズル制御バルブを制御するための電磁アクチュエータを設けることに対する代替手法として、例えば圧電アクチュエータなどの別のタイプのアクチュエータが使用されもよい。

本明細書で説明される燃料噴射器１０は、第１の制限流れ経路４４および第２の制限流れ経路４６内に第１の絞り４４ａおよび第２の絞り４６ａをそれぞれ含む。しかし、これらは本明細書で説明する本発明の動作に必須のものではなく、燃料噴射器１０から絞り４４ａ、４６ａの一方または両方が省かれてもよい。同様に、本発明は、補助の流れ経路４７を含まない燃料噴射器でも具体化され得る。

戻り制御バルブ７８の動作を制御するためのアクチュエータが設けられてもよい。

１０ 燃料噴射器
１２ コモンレール
１４ 高圧燃料ポンプ
１８ 低圧ドレン
２０ 第１の送出ライン
２１ 戻りライン
２２ 第２の送出ライン
２４ 噴射器供給通路
２５ 噴射ノズル
２６ バルブニードル
２６ａ 小径端部部片
２８ バルブニードル座
３０ バルブニードルばね
３２ ばねチャンバ
３４ ノズル本体
３６ ノズル孔
３８ サック容積部
４０ 出口開口部
４２ 制御チャンバ
４４ 第１の流れ経路
４４ａ 絞り
４６ 第２の流れ経路
４６ａ 絞り
４７ 補助の流れ経路
４８ ノズル制御バルブ
５０ 制御バルブばね
５２ ノズル制御バルブ部材
５２ａ 上側ガイド領域
５２ｂ 座領域
５２ｃ 下側領域
５２ｄ バルブネック
５４ 電磁アクチュエータ
５５ 巻線
５８ 入口ポート
６０ 上側バルブハウジング
６１ アーマチュア
６６ 第１のバルブハウジング孔
６８ 上側座表面
６９ 大径孔領域
７０ 上側バルブシート
７２ 下側座表面
７４ 下側バルブシート
７６ 出口ポート
７８ 戻り制御バルブ
８０ 戻り制御バルブ本体
８２ 円筒区間
８４ Ｏリング
８６ 環状凹部

Claims (15)

1. 内燃エンジンのための燃料システムで使用される燃料噴射器（１０）であって、
   高圧燃料のための供給通路（２４）と、
   前記噴射器（１０）からの燃料送出を制御するようにバルブニードル座（２８）に係合可能なバルブニードル（２６）を含む噴射ノズル（２５）と、
   前記バルブニードル（２６）を制御するように制御チャンバ（４２）内の燃料圧力を制御するための第１の制御バルブ（４８）と
   を備え、
   低圧ドレン（２１）内の燃料圧力を制御するための第２の制御バルブ（７８）をさらに備え、前記第２の制御バルブ（７８）が一方向バルブである、
   燃料噴射器（１０）。
2. 前記第１の制御バルブ（４８）が前記制御チャンバ（４２）と前記低圧ドレン（２１）との間で燃料流れを制御するように動作可能である、請求項１に記載の燃料噴射器（１０）。
3. 前記第２の制御バルブ（７８）が前記低圧ドレン（２１）内で正圧を維持するように動作可能である、請求項１または請求項２に記載の燃料噴射器（１０）。
4. 前記第２の制御バルブ（７８）が、少なくとも、前記低圧ドレン（２１）を実質的に密閉するように第２の制御バルブシート（８８）と協働することができる第２の制御バルブ部材（８０）を有する、請求項１、２または３のいずれか一項に記載の燃料噴射器（１０）。
5. 前記第２の制御バルブ部材（８０）が弾性材料であり、前記第２の制御バルブ（７８）を閉じるように前記第２の制御バルブ部材（８８）に向けて偏倚される、請求項４に記載の燃料噴射器（１０）。
6. 前記第２の制御バルブ部材（８０）が弾性材料で作られる、請求項５に記載の燃料噴射器（１０）。
7. 前記第２の制御バルブ部材（８０）がＯリングまたはＣクリップを有する、請求項４、５または６のいずれか一項に記載の燃料噴射器（１０）。
8. 前記第２の制御バルブ（７８）が前記Ｏリングまたは前記Ｃクリップを配置するための環状凹部（８４）を有する、請求項７に記載の燃料噴射器（１０）。
9. 出口ポート（８６）が前記環状凹部（８４）内に形成される、請求項８に記載の燃料噴射器（１０）。
10. 前記第２の制御バルブ（７８）が、前記第２の制御バルブ（７８）を閉じるように前記第２の制御バルブ部材を前記第２の制御バルブシート（８８）に向けて偏倚するための偏倚手段を有する、請求項４に記載の燃料噴射器（１０）。
11. 前記偏倚手段がばねまたは弾性部材を有する、請求項１０に記載の燃料噴射器（１０）。
12. 前記第２の制御バルブ部材（８０）がボールバルブ部材で構成される、請求項４、１０または１１のいずれか一項に記載の燃料噴射器（１０）。
13. 内燃エンジンのための燃料噴射器（１０）の低圧ドレン（２１）内の燃料圧力を制御するための制御バルブ（７８）であって、制御バルブ部材（８０）および制御バルブシート（８８）を備えており、前記制御バルブ部材（８０）が、前記制御バルブ（７８）を閉じるように前記制御バルブシート（８８）に向けて偏倚される、制御バルブ（７８）。
14. 前記制御バルブ部材（８０）が、前記制御バルブシート（８８）上に配置される弾性ＯリングまたはＣクリップで構成される、請求項１３に記載の制御バルブ（７８）。
15. アパーチャを通る流体流れを制御するためのＣクリップを有する一方向バルブ。