JP2017075532A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 １つのアクチュエータで２つの第１、第２バルブ８、９を開閉動作させることで、体格の大型化を抑制することのできる燃料噴射弁を提供することにある。
【解決手段】 燃料噴射弁は、第１バルブ８とピストンロッド５の移動量が軸方向の隙間Ｓよりも小さい時には、第１バルブ８のみが開弁動作する。
そして、第１バルブ８とピストンロッド５の移動量が軸方向の隙間Ｓよりも大きくなると、第１バルブ８が第２バルブ９に当接し、アクチュエータの駆動力がピストンロッド５、第１バルブ８を介して第２バルブ９に伝わる。このように、第１バルブ８とピストンロッド５の移動量が軸方向の隙間Ｓよりも大きい時には、第１バルブ８が第２バルブ９に当接して第１、第２バルブ８、９がともに開弁動作する。
したがって、１つのアクチュエータで２つの第１、第２バルブ８、９を開閉動作させることで、燃料噴射弁の体格の大型化を抑制することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、制御室内の燃料圧力を調整することで、ニードルを開閉動作させて燃料の噴射を開始したり、停止したりする燃料噴射弁に関するものである。

従来より、エンジンの気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁として、アクチュエータの駆動力を利用して制御弁の弁体を駆動することで、ニードル上面に設置される制御室内の燃料圧力を調整し、ニードルの開閉動作を制御する燃料噴射弁が周知である。
このような燃料噴射弁のうち、ニードルの開弁速度を可変制御する機構を備えた燃料噴射弁が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この燃料噴射弁は、制御室から燃料噴射弁の外部（例えば燃料系の低圧側）へ燃料を流出させる低圧燃料通路の途中に２つの第１、第２制御弁を並列配置している。
低圧燃料通路は、制御室の下流側で分岐した２つの第１、第２分岐燃料通路を備えている。
第１制御弁は、第１分岐燃料通路を開閉する弁体である第１バルブ、およびこの第１バルブを収容する第１弁体収容室を備えている。
第２制御弁は、第２分岐燃料通路を開閉する弁体である第２バルブ、およびこの第２バルブを収容する第２弁体収容室を備えている。

そして、第１バルブのみを開弁したり、第１、第２バルブの両方とも開弁したりすることで、制御室から燃料噴射弁の外部への燃料の排出速度を制御することにより、ニードルの開弁速度を可変とする構造が提案されている。
しかしながら、特許文献１に記載の燃料噴射弁においては、第１、第２バルブを作動させるためにアクチュエータを２個搭載する必要があるため、燃料噴射弁の体格が大型化するという問題が生じている。

米国特許出願公開第２０１３／０２３３９４１号明細書

本発明の目的は、１つのアクチュエータで２つの第１、第２弁体を開閉動作させることで、体格の大型化を抑制することのできる燃料噴射弁を提供することにある。

請求項１に記載の発明によれば、アクチュエータの駆動力がロッドを介して第１弁体に伝わる。すると、第１弁体が第１流路を開く位置に変位することで、制御室からの燃料の流出が実施される。これにより、制御室から第１流路、燃料通路を経由して燃料噴射弁の外部へ燃料が流出し、制御室内の燃料圧力が低下する。そして、制御室内の燃料圧力、つまりニードルに対して噴孔を閉じる側に作用する燃料圧力がニードル開弁圧まで低下すると、ニードルが開弁（リフト）して燃料噴射が開始される。
このとき、第１弁体とロッドの移動量が軸方向の隙間よりも小さい時には、第１弁体のみが開弁動作する。

そして、第１弁体とロッドの移動量が軸方向の隙間よりも大きくなると、第１弁体が第２弁体に当接し、アクチュエータの駆動力がロッド、第１弁体を介して第２弁体に伝わる。このように、第１弁体とロッドの移動量が軸方向の隙間よりも大きい時には、第１弁体が第２弁体に当接して第１、第２弁体がともに開弁動作する。
したがって、１つのアクチュエータで２つの第１、第２弁体を開閉動作させることで、体格の大型化を抑制することができる。

燃料噴射弁の全体構成を示した断面図である（実施形態１）。 燃料噴射弁の主要構成を示した断面図である（実施形態１）。 ピエゾ充電電圧の変化に対する第１バルブのリフト波形を示したタイミングチャートである（実施形態１）。 ピエゾ充電電圧の変化に対する第１バルブのリフト波形を示したタイミングチャートである（実施形態１）。 ピエゾ充電電圧の変化に対する第１、第２バルブのリフト波形および燃料噴射率を示したタイミングチャートである（実施形態１）。 ピエゾ充電電圧の変化に対する第１、第２バルブのリフト波形および燃料噴射率を示したタイミングチャートである（実施形態１）。

以下、図面を参照しながら、発明を実施するための形態を説明する。

［実施形態１の構成］
図１ないし図６は、本発明を適用した実施形態１を示したものである。

本実施形態の燃料噴射弁１は、ニードル２、制御プレート３、アクチュエータ４、ピストンロッド５、第１、第２制御弁およびハウジング６を備えている。
ここで、ニードル２が軸方向先端側に移動する方向を閉弁方向とし、また、ニードル２が軸方向後端側に移動する方向を開弁方向と呼ぶ場合がある。
また、制御プレート３が軸方向先端側に移動する方向を開弁方向とし、また、制御プレート３が軸方向後端側に移動する方向を閉弁方向と呼ぶ場合がある。
また、第１制御弁の第１弁体（以下第１バルブ）８および第２制御弁の第２弁体（以下第２バルブ）９が軸方向先端側に移動する方向を開弁方向とし、また、第１バルブ８および第２バルブ９が軸方向後端側に移動する方向を閉弁方向と呼ぶ場合がある。

第１制御弁は、ハウジング６の制御室７から燃料を排出する第１流路（後述する）を開閉する第１バルブ８、およびこの第１バルブ８を閉弁方向に付勢する第１バルブスプリング１１を有している。
第２制御弁は、制御室７から燃料を排出する第２流路（後述する）を開閉する第２弁体（以下第２バルブ）９、およびこの第２バルブ９を閉弁方向に付勢する第２バルブスプリング１２を有している。
第１バルブ８は、第１バルブスプリング１１と一緒にハウジング６の第１弁体収容室１３内に収容されている。また、第２バルブ９は、第２バルブスプリング１２と一緒にハウジング６の第２弁体収容室１４内に収容されている。

ハウジング６は、内部にニードル収容孔が形成されたノズルボディ１５、および内部にピエゾ収容孔が形成されたインジェクタボディ１６を備えている。
ノズルボディ１５とインジェクタボディ１６との間には、３つのバルブボディ１７〜１９が挟み込まれている。
ここで、ハウジング６の軸方向を上下方向と定義した場合、ノズルボディ１５の上側にバルブボディ１７〜１９が配置されるとともに、インジェクタボディ１６の下側にバルブボディ１７〜１９が配置される。

ノズルボディ１５の先端には、エンジンの気筒内に燃料噴射を行う複数の噴孔２１が設けられている。これらの噴孔２１は、各入口がノズルボディ１５の内壁で開口し、各出口がノズルボディ１５の外壁で開口している。また、複数の噴孔２１は、エンジンの気筒内に燃料を噴射する。
ノズルボディ１５の先端の内壁には、ニードル２の先端が離着座する円錐状のシート面２２が設けられている。
ノズルボディ１５のニードル収容孔には、ニードル２の摺動部２３を摺動可能に支持する円筒状のノズルシリンダ２４が設置されている。

ハウジング６には、複数の噴孔２１と連通するノズル室２５、およびこのノズル室２５と連通し、ノズル室２５を介して複数の噴孔２１へ高圧燃料を導入する高圧導入流路２６が形成されている。また、ハウジング６には、ニードル２に対して噴孔２１を閉じる側（以下閉弁方向）に作用する燃料圧力を蓄える制御室７、および高圧導入流路２６から分岐して制御室７内へ高圧燃料を導入する高圧導入流路２７が形成されている。
高圧導入流路２６には、エンジンの運転が開始されると、サプライポンプやコモンレール等の燃料系の高圧部から高圧配管を介して、高圧燃料が導入される。
高圧導入流路２７は、制御室７への燃料の導入量を規制するインオリフィス２７ａを有している。
また、ハウジング６には、燃料噴射弁１の内部から外部へ燃料を流出させる低圧燃料通路２８が形成されている。
なお、バルブボディ１９には、ピストンロッド５を往復摺動可能に収容する摺動孔２９が形成されている。

ハウジング６には、制御室７と第１弁体収容室１３とを連通する第１分岐通路３１、および制御室７と第２弁体収容室１４とを連通する第２分岐通路３２が形成されている。
第１分岐通路３１は、第２分岐通路３２の途中から分岐している。この第１分岐通路３１は、制御室７からの燃料排出量を規制する第１アウトオリフィス３１ａを有している。 第２分岐通路３２は、制御室７からの燃料排出量を規制する第２アウトオリフィス３２ａを有している。
第１アウトオリフィス３１ａは、第１弁体収容室１３よりも上流側に設けられている。 第２アウトオリフィス３２ａは、第２弁体収容室１４よりも上流側に設けられている。

ノズルシリンダ２４は、バルブボディ１７の先端面に溶接固定されている。このノズルシリンダ２４は、バルブボディ１７の先端面からニードル収容孔の内部へ突出するように配置されている。また、ノズルシリンダ２４の内周には、制御プレート３を往復移動可能に支持するガイド孔が設けられている。
ノズルシリンダ２４は、制御プレート３の外周との間に、高圧導入流路２７と制御室７とを連通する連通路３５を形成する内壁を有している。この連通路３５は、制御プレート３の外周に形成される複数の平面部（または切欠き溝）とノズルシリンダ２４の内周面との間に形成されている。

ノズルシリンダ２４には、ニードル２の外周の環状段差２３ａとの間に所定の距離（ニードルフルリフト量）を隔てて対向し、ニードル２を係止可能な環状段差３６が一体的に設けられている。この環状段差３６は、ニードル２がフルリフトした際に、これ以上の移動を規制するためのニードルストッパを構成している。
ノズルシリンダ２４には、バルブボディ１７の先端面との間に所定の距離（プレート収容室の高さ）を隔てて対向し、制御プレート３を係止可能な環状段差３７が一体的に設けられている。この環状段差３７は、制御プレート３がフルリフトした際に、これ以上の移動を規制するためのプレートストッパを構成している。

［実施形態１の特徴］
ニードル２は、制御プレート３と一緒にノズルボディ１５の中心軸線上に設置されている。このニードル２は、ノズルボディ１５のニードル収容孔内に往復移動可能に収容されている。
ここで、ニードル２がノズルボディ１５のシート面２２に着座して噴孔２１を閉じている状態をニードル２の閉弁状態とし、また、ニードル２がシート面２２から離座して噴孔２１を開いている状態をニードル２の開弁状態とする。
ニードル２の先端は、ニードルスプリング３３の付勢力によってノズルボディ１５のシート面２２に突き当てられている。
ニードルスプリング３３は、ニードル２を閉弁方向に付勢している。

制御プレート３は、ノズルシリンダ２４内に往復移動可能に収容されている。
制御プレート３は、高圧導入流路２７と制御室７との間に設けられて、高圧導入流路２７と制御室７との連通、遮断を切り替える。この制御プレート３は、高圧導入流路２７内の燃料圧力と制御室７内の燃料圧力との圧力差に応じて軸方向に移動するフローティングバルブである。
制御プレート３の後端面は、プレートスプリング３４の付勢力によってバルブボディ１７の先端面に突き当てられている。
ここで、制御プレート３がバルブボディ１７の先端面に着座して高圧導入流路２７を閉鎖している状態を制御プレート３の閉弁状態とし、また、制御プレート３がバルブボディ１７の先端面から離座して高圧導入流路２７を開放している状態を制御プレート３の開弁状態とする。
制御プレート３には、連通孔３９が形成されている。この連通孔３９は、制御プレート３の閉弁時にのみ、制御室７と第１、第２分岐通路３１、３２とを連通する。

本実施形態の燃料噴射弁１では、制御プレート３の図示上端面（以下開弁側受圧面）で受圧する開弁方向の油圧力が、制御プレート３の図示下端面（以下閉弁側受圧面）で受圧する閉弁方向の油圧力とプレートスプリング３４の閉弁方向の付勢力との合力よりも大きい場合、プレートスプリング３４の付勢力に抗して、バルブボディ１７の図示下端面（以下バルブシート）から制御プレート３が離座して環状段差３７に当接する。このとき、制御プレート３は、フルリフト状態となる。これにより、連通路３５を介して制御室７と高圧導入流路２７とが連通する。そして、制御プレート３の図示上端面とバルブボディ１７のバルブシートとの間には、高圧導入流路２７から導入された高圧燃料が流通可能な流路隙間（図示せず）が形成される。よって、流路隙間内に流入した高圧燃料は、連通路３５を介して制御室７内に導入される。
また、燃料噴射弁１では、制御プレート３の開弁側受圧面で受圧する開弁方向の油圧力が、制御プレート３の閉弁側受圧面で受圧する閉弁方向の油圧力とプレートスプリング３４の閉弁方向の付勢力との合力よりも小さい場合、バルブボディ１７のバルブシートに制御プレート３が着座する。このとき、制御プレート３は、ゼロリフト状態となる。これにより、制御室７と高圧導入流路２７との連通が遮断される。そして、制御室７と第１、第２分岐通路３１、３２とが、連通孔３９を介して連通する。

アクチュエータ４は、電荷の充放電により軸方向に伸縮するピエゾ素子をその軸方向に多数積層して構成されるピエゾ素子積層体を備えている。このアクチュエータ４は、一対のピエゾリード端子間に、電子制御装置（以下ＥＣＵ）からピエゾ充電が印加される。また、アクチュエータ４は、ピストンロッド５および
この場合、アクチュエータ４は、２つの第１、第２バルブ８、９と一緒に、ピストンロッド５の上下方向に直列的に配置されている。つまりアクチュエータ４は、２つの第１、第２バルブ８、９と一緒に、ピストンロッド５と同一軸線上に設置されている。
また、アクチュエータ４は、ピストンロッド５よりも上側に配置されている。

燃料噴射弁１では、ピエゾ素子積層体の特徴である駆動力の大きさに対する伸長量の不足分を補うという目的で、アクチュエータ４と第１バルブ８間に変位拡大機構を備えている。
変位拡大機構は、大径ピストン４１、小径ピストン４２、ピストンスプリング４３、ピエゾスプリング４４、ピストンシリンダ４５および油密室４６を有し、大径ピストン４１と小径ピストン４２との受圧面積比に応じてアクチュエータ４の伸縮に伴う変位を拡大して第１バルブ８を駆動している。
この変位拡大機構は、ピストンロッド５を介して、アクチュエータ４の変位方向と同一方向に第１バルブ８を駆動するように構成されている。

大径ピストン４１は、連接部材４７、４８を介してアクチュエータ４と連結している。この大径ピストン４１は、小径ピストン４２との間に油密室４６を介して対向している。また、大径ピストン４１は、アクチュエータ４の伸縮に伴う変位を受けて一体移動して油密室４６の圧力を増減する。また、大径ピストン４１は、ピストンシリンダ４５の大径シリンダ孔５１内に摺動可能に収容されている。
小径ピストン４２は、大径ピストン４１との間に油密室４６を介して対向し、油密室４６の圧力増加に伴って軸方向先端側に下降する。この小径ピストン４２は、ピストンシリンダ４５の小径シリンダ孔５２内に摺動可能に収容されている。また、小径ピストン４２の受圧面積は、大径ピストン４１の受圧面積よりも小さい。

ピストンスプリング４３は、小径ピストン４２に対して、ピストンロッド５に押し当てる方向に付勢する付勢力を発生するコイルスプリングである。このピストンスプリング４３は、ピストンシリンダ４５のスプリング収容室５３内に収容されている。
また、ピストンスプリング４３は、ピストンシリンダ４５の座部５４と小径ピストン４２の外周のシート５５との間で軸方向に圧縮された状態で配置されている。
ピエゾスプリング４４は、アクチュエータ４にプリセット荷重を与えるスリットスプリングである。このピエゾスプリング４４は、インジェクタボディ１６の内周とピストンシリンダ４５の外周との間に形成されたスプリング収容室５６内に収容されている。
ピエゾスプリング４４は、大径ピストン４１に固定されたシート５７とピストンシリンダ４５の座部５８との間で軸方向に圧縮された状態で配置されている。

ピストンシリンダ４５は、軸方向に延びる大径シリンダ孔５１、この大径シリンダ孔５１よりも小さい小径シリンダ孔５２、およびバルブボディ１９とピストンシリンダ４５との間に形成されたスプリング収容室５３を有している。
ピストンシリンダ４５は、ピエゾスプリング４４の先端を保持する座部５８を有している。
ピストンシリンダ４５には、スプリング収容室５３とスプリング収容室５６とを連通する径方向連通孔５９が形成されている。
油密室４６は、内部に燃料が充填されている。この油密室４６は、チェック弁（図示せず）を介して、スプリング収容室５６に連通している。また、油密室４６は、スプリング収容室５６、径方向連通孔５９を介して、燃料噴射弁１の燃料出口（図示せず）に連通している。
チェック弁が開弁すると、油密室４６内に高圧燃料よりも燃料圧力が低い低圧燃料が供給される。

ここで、バルブボディ１９には、第１弁体収容室１３を介して、第１分岐通路３１と低圧燃料通路２８とを連通する第１低圧ポート６１が形成されている。この第１低圧ポート６１は、ハウジング６の制御室７から燃料噴射弁１の外部へ燃料を排出する第１流路の一部を構成する。また、第１低圧ポート６１は、ピストンロッド５を往復移動可能に収容する第１収容孔を兼ねている。なお、第１流路は、制御室７から流出した燃料が、第１分岐通路３１、第１弁体収容室１３、第１低圧ポート６１および低圧燃料通路２８を経由して燃料噴射弁１の外部へ排出される燃料通路である。

また、バルブボディ１９の下端面に結合するバルブボディ１８には、第１、第２弁体収容室１３、１４を介して、第２分岐通路３２と低圧燃料通路２８とを連通する第２低圧ポート６２が形成されている。この第２低圧ポート６２は、ハウジング６の制御室７から第２分岐通路３２、第１、第２弁体収容室１３、１４を介して、低圧燃料通路２８へ燃料を排出する第２流路の一部を構成する。なお、第２流路は、制御室７から流出した燃料が、第２分岐通路３２、第２弁体収容室１４、第２低圧ポート６２、第１弁体収容室１３、第１低圧ポート６１および低圧燃料通路２８を経由して燃料噴射弁１の外部へ排出される燃料通路である。

ピストンロッド５は、バルブボディ１９の第１低圧ポート６１を貫通するように設置されている。このピストンロッド５は、第１バルブ８よりも上側に配置されている。また、ピストンロッド５の軸方向後端側は、バルブボディ１９の上端面よりスプリング収容室５３内に突出しており、その軸方向後端面は、小径ピストン４２の下端面に当接している。また、ピストンロッド５の軸方向先端側は、バルブボディ１９の第１弁体収容室１３内に突出しており、その軸方向先端面は、第１バルブ８の上端面に当接している。
ピストンロッド５は、小径ピストン４２の開弁方向の変位、つまりアクチュエータ４の伸長に伴う変位を第１バルブ８に伝える。

第１制御弁は、第１バルブ８、第１バルブスプリング１１および第１弁体収容室１３を有している。
第１バルブ８は、ピストンロッド５の下側に配置されている。この第１バルブ８は、ピストンロッド５を介して小径ピストン４２に強制的に開弁駆動される。また、第１バルブ８は、バルブボディ１９の第１低圧シート面６３から離座して第１低圧ポート６１を開く開弁状態と、第１低圧シート面６３に着座して第１低圧ポート６１を閉じる閉弁状態とを備えている。
第１バルブスプリング１１は、第１バルブ８に対して、第１バルブ８を開弁状態から閉弁状態へ動作させる方向（閉弁方向）に付勢する付勢力を発生するコイルスプリングである。

第２制御弁は、第２バルブ９、第２バルブスプリング１２および第２弁体収容室１４を有している。
第２バルブ９は、第１バルブ８の下側に配置されている。この第２バルブ９は、ピストンロッド５、第１バルブ８を介して小径ピストン４２に強制的に開弁駆動される。また、第２バルブ９は、バルブボディ１８の第２低圧シート面６４から離座して第２低圧ポート６２を開く開弁状態と、第２低圧シート面６４に着座して第２低圧ポート６２を閉じる閉弁状態とを備えている。
第２バルブスプリング１２は、第２バルブ９に対して、第２バルブ９を開弁状態から閉弁状態へ動作させる方向（閉弁方向）に付勢する付勢力を発生するコイルスプリングである。

ここで、２つの第１、第２バルブ８、９は、アクチュエータ４およびハウジング６の軸方向に直列配置されている。これらの第１、第２バルブ８、９は、それぞれピストンロッド５が軸方向先端側へ移動する途中で、当接する押圧ピン６５および当接部６６を有している。
第１バルブ８は、押圧ピン６５と当接部６６との引っ掛かりにより、軸方向先端側へ移動する途中で、第２バルブ９を押圧し、第１、第２バルブスプリング１１、１２の付勢力に抗して第２バルブ９を軸方向先端側へ引き下げるように構成されている。
押圧ピン６５は、第１バルブ８の下端面から第２バルブ９へ突出している。
当接部６６は、ピストンロッド５が最上点にある時に、押圧ピン６５の先端面との間に軸方向の隙間（Ｓ）を隔てて対向し、押圧ピン６５よりも軸方向下端側にある。
ここで、第２低圧ポート６２は、押圧ピン６５を往復移動可能に収容する収容孔を兼ねている。

本実施形態の燃料噴射弁１の作用を図１および図２に基づいて簡単に説明する。
アクチュエータ４に電圧が印加されず、第１、第２バルブ８、９がそれぞれ第１、第２低圧シート面６３、６４に着座し、第１、第２低圧ポート６１、６２を閉鎖している場合には、制御室７内に高圧燃料が充満しているので、ニードルスプリング３３の付勢力によってニードル２の先端がノズルボディ１５のシート面２２に着座する。このため、高圧導入流路２６から高圧燃料が導入されるノズル室２５と複数の噴孔２１との連通が遮断される。

したがって、燃料噴射弁１は、ニードル２が閉弁した閉弁状態となり、複数の噴孔２１からエンジンの各気筒に形成される燃焼室内への燃料噴射が成されない。
このとき、制御室７、連通孔３９、第１、第２分岐通路３１、３２および第１、第２弁体収容室１３、１４内に、高圧の燃料が充満しているので、プレートスプリング３４の付勢力によって制御プレート３が閉弁状態となっている。

次に、アクチュエータ４に対して、第１バルブ８のみを開弁させるのに必要な電圧が印加されると、第１バルブ８が第１低圧シート面６３から離座して第１低圧ポート６１を開放する。このとき、第２バルブ９は、第２低圧シート面６４に着座した状態を維持しているので、第２低圧ポート６２の閉鎖状態は継続される。
これにより、制御室７内の燃料は、連通孔３９、第１分岐通路３１、第１アウトオリフィス３１ａおよび第１弁体収容室１３内の燃料と一緒に、第１低圧ポート６１および低圧燃料通路２８を通って燃料噴射弁１の外部（燃料系の低圧側）へ流出する。

よって、制御室７内の燃料圧力は、低下していく。そして、制御室７内の燃料圧力が、ニードルスプリング３３の付勢力によって決まるニードル開弁圧以下に低下すると、ニードルスプリング３３の付勢力に抗してニードル２がシート面２２から離座してリフトを開始する。このため、ノズル室２５と複数の噴孔２１とが連通する。
したがって、燃料噴射弁１は、ニードル２が開弁した開弁状態となり、複数の噴孔２１からエンジンの燃焼室内へ燃料が噴射される。

また、アクチュエータ４に対して、第１、第２バルブ８の両方とも開弁させるのに必要な電圧が印加されると、第１、第２バルブ８、９がそれぞれ第１、第２低圧シート面６３、６４から離座し、第１、第２低圧ポート６１、６２を開放する。
これにより、制御室７内の燃料は、連通孔３９、第１、第２分岐通路３１、３２、第１、第２アウトオリフィス３１ａ、３２ａおよび第１、第２弁体収容室１３、１４内の燃料と一緒に、第１、第２低圧ポート６１、６２および低圧燃料通路２８を通って燃料噴射弁１の外部へ流出する。
なお、第２弁体収容室１４から第２低圧ポート６２を通り抜けた燃料は、第１弁体収容室１３内で第１分岐通路３１から入ってきた燃料と合流して第１低圧ポート６１を通り抜ける。

よって、制御室７内の燃料圧力は、第１バルブ８のみを開弁させた場合よりも素早く低下していく。そして、制御室７内の燃料圧力がニードル開弁圧以下に低下すると、ニードルスプリング３３の付勢力に抗してニードル２がシート面２２から離座してリフトを開始する。このため、ノズル室２５と複数の噴孔２１とが連通する。
したがって、燃料噴射弁１は、ニードル２が開弁した開弁状態となり、複数の噴孔２１からエンジンの燃焼室内へ燃料が噴射される。

次に、噴孔２１から燃焼室内に噴射される燃料噴射圧により第１バルブ８をリフトさせるのに必要な電圧波形が異なる点を図３および図４を用いて説明する。
燃料噴射圧が所定値（６０ＭＰａ）よりも低い噴射圧条件では、第１バルブ８に作用する油圧力が低いため、アクチュエータ４のバルブ開弁力は小さい。したがって、第１バルブ８のみを開弁させるのに必要なピエゾ充電電圧は低くなる（図３中において実線ＶＡ）。
第１バルブ８の開弁後は、第１バルブ８に作用する油圧力が、第１バルブ８の開弁時よりも低下するため、アクチュエータ４に作用する力（駆動負荷）が小さくなる。その結果、アクチュエータ４は伸長するが、第１バルブ８の押圧ピン６５の下端が第２バルブ９の当接部６６に当接する位置（２０μｍ）まで第１バルブ８がリフトしない（図３中において実線ＬＡ）。

そこで、燃料噴射圧が所定値（６０ＭＰａ）よりも低い噴射圧条件の場合には、第１バルブ８の開弁後、押圧ピン６５の下端が当接部６６に当接するまで、ピエゾ充電電圧を上昇させる（図３中において実線ＶＢ）。
これにより、アクチュエータ４が大きく伸長し、押圧ピン６５の下端が当接部６６に当接する位置（２０μｍ）まで第１バルブ８がリフトする（図３中において実線ＬＢ）。
また、ピエゾ充電電圧を、押圧ピン６５の下端が当接部６６に当接する位置（２０μｍ）まで、一気に充電しても良いことは言うまでもない（図３中において破線ＶＣ）。
これにより、アクチュエータ４の伸長速度が速くなり、押圧ピン６５の下端が当接部６６に当接する位置（２０μｍ）まで素早く第１バルブ８がリフトする（図３中において破線ＬＣ）。

一方、燃料噴射圧が所定値（１００ＭＰａ）以上に高い噴射圧条件では、第１バルブ８に作用する油圧力が高いため、アクチュエータ４のバルブ開弁力は大きい。このため、第１バルブ８のみを開弁させるのに必要なピエゾ充電電圧は低噴射圧時と比べて高くなる（図３中において一点鎖線ＶＤ）。
その結果、第１バルブ８の開弁後のアクチュエータ４の伸長量が低噴射圧時と比べて大きいため、押圧ピン６５の下端が当接部６６に当接する位置（２０μｍ）まで素早く第１バルブ８がリフトする（図３中において一点鎖線ＬＤ）。

燃料噴射圧が４０ＭＰａの場合には、アクチュエータ４に印加するピエゾ充電電圧が低い電圧で第１バルブ８が開弁し、押圧ピン６５の下端が当接部６６に当接する電圧）２４Ｖ）まで昇圧する（図４において実線ＶＡ）。
これにより、燃料噴射圧が４０ＭＰａの場合には、押圧ピン６５の下端が当接部６６に当接する位置（２０μｍ）まで第１バルブ８がリフトする（図４中において実線ＬＡ）。

燃料噴射圧が６０ＭＰａ、８０ＭＰａのように高くするにつれ、第１バルブ８が開弁する電圧が高くなる（図４において実線ＶＢ、破線ＶＣ）。
これにより、燃料噴射圧が６０ＭＰａ、８０ＭＰａの場合も、押圧ピン６５の下端が当接部６６に当接する位置（２０μｍ）まで第１バルブ８がリフトする（図４中において実線ＬＢ、破線ＬＣ）。
そして、燃料噴射圧が１００ＭＰａ以上の場合には、第１バルブ８が開弁する電圧（図４中において一点鎖線ＶＤ）で押圧ピン６５の下端が当接部６６に当接する位置（２０μｍ）まで到達する（図４中において一点鎖線ＬＤ）。

次に、アクチュエータ４に印加するピエゾ充電電圧に対する、第１、第２バルブ８、９のリフト量および燃料噴射率の変化を図５に基づいて簡単に説明する。
アクチュエータ４に印加するピエゾ充電電圧が、第１バルブ８を開弁させるのに必要な第１電圧（Ｖ１）に到達すると、第１バルブ８が開弁し始め、第１バルブ８に作用する油圧力が減少する。そして、アクチュエータ４への作用力が小さくなり、アクチュエータ４が伸長し、第１バルブ８が第１バルブフルリフト（Ｌ１）までリフトする。すると、押圧ピン６５の下端が当接部６６に当接し、第１バルブ８のみ開弁状態となる。

これによって、第１低圧ポート６１のみが開放され、第２低圧ポート６２の閉鎖状態は維持される。このため、制御室７内の燃料は、連通孔３９、第１分岐通路３１、第１アウトオリフィス３１ａおよび第１弁体収容室１３内の燃料と一緒に、第１低圧ポート６１および低圧燃料通路２８を通って燃料噴射弁１の外部へ流出する。
したがって、第１、第２バルブ８、９の両方をともに開弁させた場合と比べて、制御室７から燃料噴射弁１の外部への燃料流出速度が遅くなるため、燃料噴射率の立ち上がり速度が遅い状態で燃料を噴射する（図５中において実線Ｆ１）。

また、ピエゾ充電電圧をゼロから第２電圧（Ｖ２）まで一気に充電すると、第１バルブ８が開弁し、さらに第１バルブ８が当接した第２バルブ９も開弁する。これにより、第１、第２バルブ８、９の両方とも第２バルブフルリフト（Ｌ２）までリフトする（図５中において破線）。
さらに、ピエゾ充電電圧を第３電圧（Ｖ３）まで印加することで、第２バルブ９をバルブボディ１７の図示上端面（第２弁体収容室１４の底面）に押し付けることで、安定した開弁状態を維持できる。

これによって、第１、第２バルブ８、９の両方とも開弁状態となり、第１、第２低圧ポート６１、６２が開放される。
このため、制御室７内の燃料は、連通孔３９、第１、第２分岐通路３１、３２、第１、第２アウトオリフィス３１ａ、３２ａおよび第１、第２弁体収容室１３、１４内の燃料と一緒に、第１、第２低圧ポート６１、６２および低圧燃料通路２８を通って燃料噴射弁１の外部へ流出する。
したがって、第１、第２バルブ８、９の両方とも開弁するので、第１バルブ８のみを開弁させた場合と比べて、制御室７から燃料噴射弁１の外部への燃料流出速度が早くなるため、燃料噴射率の立ち上がり速度が早い状態で燃料を噴射する（図５において破線Ｆ２）。

ここで、燃料噴射弁１からの燃料噴射を終了するに当たっては、ピエゾ充電電圧を第３電圧（Ｖ３）から第２電圧（Ｖ２）に減圧すると、第１バルブ８とともに第２バルブ９を押圧する押し付け力が減少する。
さらに、第２電圧（Ｖ２）から第１電圧（Ｖ１）に減圧すると、第２バルブ９が閉弁し、第１バルブ８のみ開弁状態となる。
さらに、第１電圧（Ｖ１）からゼロに減圧すると、第１、第２バルブ８、９がともに閉弁することになるので、燃料噴射が終了する。

次に、アクチュエータ４に印加するピエゾ充電電圧を途中で変化させた場合の、ピエゾ充電電圧に対する、第１、第２バルブ８、９のリフト量および燃料噴射率の変化を図６に基づいて簡単に説明する。
アクチュエータ４に印加するピエゾ充電電圧が、第１バルブ８を開弁させるのに必要な第１電圧（Ｖ１）に到達すると、第１バルブ８が開弁し始め、第１バルブ８が第１バルブフルリフト（Ｌ１）までリフトする。すると、押圧ピン６５の下端が当接部６６に当接し、第１バルブ８のみ開弁状態となる。これにより、燃料噴射率の立ち上がり速度が遅い状態で燃料を噴射し始める（図６中において実線Ｆ３）。

その後、ピエゾ充電電圧を第３電圧（Ｖ３）まで一気に引き上げて、アクチュエータ４に印加するピエゾ充電電圧の上昇速度を速くすることで、第１、第２バルブ８、９の両方とも第２バルブフルリフト（Ｌ２）まで一気にリフトさせる。
よって、第１、第２バルブ８、９の両方とも開弁させることで、高噴射率にて燃料が噴射される。
したがって、第１、第２バルブ８、９の両方とも素早くリフトするので、第１、第２バルブ８、９を低速でリフトさせた場合と比べて、制御室７から燃料噴射弁１の外部への燃料流出速度が早くなるため、燃料噴射率の立ち上がり速度が早い状態で燃料を噴射する（図６において実線Ｆ３）。

［実施形態１の効果］
以上のように、本実施形態の燃料噴射弁１においては、ハウジング６の軸方向に１つのアクチュエータ４、変位拡大機構、ピストンロッド５および２つの第１、第２バルブ８、９を直列配置している。
そして、アクチュエータ４は、変位拡大機構と一緒にピストンロッド５の上側に配置されている。また、第１、第２バルブ８、９は、ピストンロッド５の下側に配置されているとともに、第１バルブ８のリフト量がゼロの時に互いに軸方向の隙間Ｓを隔てて対向して配置されている。

そして、第１バルブ８は、変位拡大機構およびピストンロッド５を介して、アクチュエータ４と一体移動可能に連結している。また、第２バルブ９は、第１バルブ８のリフト量が第１バルブリフト以上の時に第１バルブ８の押圧ピン６５が当接する当接部６６を備えている。
これによって、アクチュエータ４の駆動力は、第１バルブ８のリフト量が第１バルブリフト以下の時に第１バルブ８のみに伝わり、第１バルブ８のリフト量が第１バルブリフトよりも大きい時に第１、第２バルブ８、９の両方に伝わる。
したがって、本実施形態の燃料噴射弁１においては、１つのアクチュエータ４で２つの第１、第２バルブ８、９を開閉動作させることができるので、２つのアクチュエータで２つの第１、第２バルブをそれぞれ開閉動作させる従来構造と比べて、燃料噴射弁１の体格の大型化を抑制することができる。特に、本実施形態の燃料噴射弁１では、アクチュエータ４、変位拡大機構、ピストンロッド５および２つの第１、第２バルブ８、９を直列配置しているので、径方向に２つのアクチュエータ、２つの第１、第２バルブを並列配置した従来構造と比べて、燃料噴射弁１の径方向の寸法を縮径化することができる。

また、燃料噴射弁１は、アクチュエータ４の駆動力がピストンロッド５を介して第１バルブ８に伝わる。すると、第１バルブ８が第１低圧ポート６１を開く位置に変位することで、制御室７からの燃料の流出が実施される。これにより、制御室７から第１流路を経由して燃料噴射弁１の外部へ燃料が流出し、制御室７内の燃料圧力が低下する。そして、制御室７内の燃料圧力、つまりニードル２に対して噴孔を閉じる側に作用する燃料圧力がニードル開弁圧まで低下すると、ニードル２が開弁（リフト）して燃料噴射が開始される。 このとき、第１バルブ８とピストンロッド５の移動量が軸方向の隙間よりも小さい時には、第１バルブ８のみが開弁動作するため、制御室７から低圧燃料通路２８を介して燃料噴射弁１の外部への燃料排出量は変わらない。

また、燃料噴射弁１は、第１バルブ８とピストンロッド５の移動量が軸方向の隙間Ｓよりも大きくなると、第１バルブ８が第２バルブ９に当接し、アクチュエータ４の駆動力がピストンロッド５、第１バルブ８を介して第２バルブ９に伝わる。すると、第２バルブ９が第２低圧ポート６２を開く位置に変位することで、制御室７から第１流路および第２流路を経由して燃料噴射弁１の外部へ燃料が流出し、制御室７内の燃料圧力の低下速度が速くなる。
このように、第１バルブ８とピストンロッド５の移動量が軸方向の隙間Ｓよりも大きい時には、第１バルブ８が第２バルブ９に当接して第１、第２バルブ８、９がともに開弁動作するため、制御室７から低圧燃料通路２８を介して燃料噴射弁１の外部への燃料排出量は増える。
これによって、制御室７から低圧燃料通路２８を介して燃料噴射弁１の外部への燃料排出量を可変制御できるため、ニードル２の開弁速度を可変することができる。

また、エンジンの運転条件に応じて、アクチュエータ４に印加するピエゾ充電電圧を変更することで、制御室７からの燃料排出量およびニードル２の開弁速度を可変することができる。
ここで、エンジン負荷が低負荷で、且つ燃料噴射圧が高い場合には、アクチュエータ４に印加するピエゾ充電電圧を高負荷で、且つ低噴射圧時よりも高くする。これにより、第１、第２バルブ８、９をともに開弁させることで、制御室７からの燃料排出量を増やし、ニードル２の開弁速度を速くする。したがって、ニードル２の燃料噴射率の立ち上がりを速くすることができる。

また、エンジン負荷が高負荷で、燃料噴射圧が高い場合には、アクチュエータ４に印加するピエゾ充電電圧を低負荷で、且つ低噴射圧時よりも低くする。これにより、第１バルブ８のみを開弁させることで、制御室７からの燃料排出量を減らし、ニードル２の開弁速度を遅くする。したがって、燃料の噴射量の制御精度の悪化を抑えることができる。
また、メイン噴射に先立って微小噴射量のパイロット噴射を行う場合には、パイロット噴射時にはゆっくりとニードル２をリフトさせ、メイン噴射は早くニードル２をリフトさせる。これにより、エンジンの燃焼状態が改善されてスモークの発生量を減少することができる。

［変形例］
本実施形態では、制御室７から連通孔３９、第１分岐通路３１、第１弁体収容室１３、第１低圧ポート６１および低圧燃料通路２８を通って燃料噴射弁１の外部へ燃料を流出させる第１流路と、制御室７から連通孔３９、第２分岐通路３２、第２弁体収容室１４、第２低圧ポート６２、第１弁体収容室１３、第１低圧ポート６１および低圧燃料通路２８を通って燃料噴射弁１の外部へ燃料を流出させる第２流路とを備えているが、上記の第１流路と、第２低圧ポート６２から第１弁体収容室１３および第１低圧ポート６１を介することなく直接低圧燃料通路２８へ燃料を流出させる第２流路とを備えても良い。
この場合、第２流路を流れる燃料は、連通孔３９、第２分岐通路３２、第２弁体収容室１４、第２低圧ポート６２および低圧燃料通路２８を通って燃料噴射弁１の外部へ排出される。

本実施形態では、制御室７内の燃料圧力を増減制御する２つの第１、第２バルブ８、９を開弁駆動する１つのアクチュエータとして、電荷の充放電により軸方向に伸縮するピエゾ素子積層体を主体とするアクチュエータ４を想定しているが、２つの第１、第２弁体を開弁駆動するアクチュエータとして、ソレノイドアクチュエータ、電動アクチュエータ、磁歪素子等を駆動源とするアクチュエータを使用しても良い。
本実施形態では、第２バルブ９の当接部６６に当接する押圧ピン６５を第１バルブ８に設けているが、第２バルブ９の図示上端面に押圧ピンを設け、この押圧ピンの先端面に第１バルブ８が当接する当接部を設けても良い。
本実施形態では、アクチュエータ４の駆動力を第１バルブ８に伝えるロッドとして、第１バルブ８および小径ピストン４２に対して別体構造のピストンロッド５を使用しているが、ロッドとして、第１バルブ８または小径ピストン４２のいずれか一方と一体構造のロッドを使用しても良い。

本実施形態の燃料噴射弁１を、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン用のインジェクタとして使用しても良い。
本実施形態では、制御室７内の燃料を燃料タンクに戻すようにしているが、制御室７内の燃料を燃料供給ポンプの加圧室よりも上流側の燃料供給経路（燃料系の低圧側）に戻すようにしても良い。
また、制御プレート３を、第１、第２バルブ８、９を開弁駆動するアクチュエータ４とは別体のアクチュエータによって開閉動作させるようにしても良い。
本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

１ 燃料噴射弁
２ ニードル
４ アクチュエータ
５ ピストンロッド
７ 制御室
８ 第１バルブ（第１弁体）
９ 第２バルブ（第２弁体）
１３ 第１弁体収容室
１４ 第２弁体収容室
２１ 噴孔

Claims (4)

1. 燃料を噴射する噴孔（２１）を開閉するニードル（２）と、
   このニードルに対して前記噴孔を閉じる側に作用する燃料圧力を蓄える制御室（７）とを備え、
   前記制御室内の燃料圧力を調整することで、前記ニードルを開閉動作させて燃料の噴射を開始したり、停止したりする燃料噴射弁（１）において、
   前記燃料噴射弁の内部から外部へ燃料を流出させる燃料通路（２８）と、
   前記制御室と前記燃料通路とを連通する第１、第２流路（１３、１４、３１、３２、６１、６２）と、
   前記第１、第２流路をそれぞれ開閉する第１、第２弁体（８、９）と、
   前記第１、第２弁体を開弁動作させる駆動力を発生する１つのアクチュエータ（４）と、
   このアクチュエータの駆動力を前記第１弁体に伝えるとともに、前記第１、第２弁体の軸方向に移動可能な１つのロッド（５）と
   を備え、
   前記第２弁体は、前記第１弁体と前記ロッドの移動量がゼロの時に、前記第１弁体との間に軸方向の隙間（Ｓ）を隔てて対向し、
   前記第１弁体と前記ロッドの移動量が前記軸方向の隙間よりも小さい時に、前記第１弁体のみが開弁動作し、
   前記第１弁体と前記ロッドの移動量が前記軸方向の隙間よりも大きい時に、前記第１弁体が前記第２弁体に当接して前記第１、第２弁体がともに開弁動作することを特徴とする燃料噴射弁。
2. 請求項１に記載の燃料噴射弁において、
   前記第１流路は、前記第１弁体を移動可能に収容する第１弁体収容室（１３）、およびこの第１弁体収容室よりも上流側に設けられて、前記制御室からの燃料排出量を規制する第１アウトオリフィス（３１ａ）を有し、
   前記第２流路は、前記第２弁体を移動可能に収容する第２弁体収容室（１４）、およびこの第２弁体収容室よりも上流側に設けられて、前記制御室からの燃料排出量を規制する第２アウトオリフィス（３２ａ）を有していることを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料噴射弁において、
   前記制御室内へ高圧燃料を導入する高圧導入流路（２６、２７）と、
   前記高圧導入流路と前記制御室との間に設けられて、前記高圧導入流路と前記制御室との連通、遮断を切り替える制御プレート（３）と
   を備え、
   前記制御プレートは、前記高圧導入流路内の燃料圧力と前記制御室内の燃料圧力との圧力差に応じて軸方向に移動することを特徴とする燃料噴射弁。
4. 請求項１ないし請求項３のうちのいずれか１つに記載の燃料噴射弁において、
   前記アクチュエータは、電荷の充放電により伸縮するピエゾ素子積層体を有していることを特徴とする燃料噴射弁。

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