図1に示すように、本開示の一実施形態による燃料噴射装置10は、燃料供給システム1に用いられている。燃料噴射装置10は、内燃機関であるディーゼルエンジン(以下、「エンジン2」)の各燃焼室2bに、燃料タンク4に貯留された燃料を供給する。燃料供給システム1は、フィードポンプ5、高圧燃料ポンプ6、コモンレール3、及び制御装置70等を、燃料噴射装置10と共に備えている。
フィードポンプ5は、例えばトロコイド式の電動ポンプである。フィードポンプ5は、高圧燃料ポンプ6に内蔵されている。フィードポンプ5は、燃料タンク4に貯留された燃料としての軽油を、高圧燃料ポンプ6に圧送する。フィードポンプ5は、高圧燃料ポンプ6と別体で、例えば燃料タンク4の内部に配置される構成であってもよい。
高圧燃料ポンプ6は、例えばプランジャ式のポンプである。高圧燃料ポンプ6は、エンジン2の出力軸によって駆動される。高圧燃料ポンプ6は、燃料配管6aによってコモンレール3と接続されている。高圧燃料ポンプ6は、フィードポンプ5により供給された燃料をさらに昇圧し、高圧燃料としてコモンレール3に供給する。
コモンレール3は、高圧燃料配管3bを介して複数の燃料噴射装置10と接続されている。コモンレール3は、余剰燃料配管8aを介して燃料タンク4と接続されている。コモンレール3は、高圧燃料ポンプ6から供給される高圧燃料を一時的に蓄え、圧力を保持したまま各燃料噴射装置10に分配する。コモンレール3には、圧力センサ3a及び減圧弁8が備えられている。圧力センサ3aはコモンレール3に蓄えられた燃料圧力を検出する。減圧弁8は、圧力センサ3aによる検出値が目標圧力よりも高い場合に、余剰になった燃料を余剰燃料配管8aへ排出する。
制御装置70は、図1及び図2に示すECU(Electronic Control Unit)70a及びEDU(Electronic Driver Unit)70bを含む電子制御ユニットである。制御装置70は、燃料噴射装置10と共に燃料噴射システム90を構成する。制御装置70は、各燃料噴射装置10と電気的に接続されている。制御装置70は、エンジン2の稼動状態に応じて、各燃料噴射装置10による燃料の噴射を制御する。
ECU70aは、マイクロコンピュータ又はマイクロコントローラを主体に構成された演算回路を備えている。演算回路には、プロセッサ、RAM、及び書き換え可能な不揮発性のメモリ装置が含まれている。EDU70bは、ECU70aから入力される指令信号に基づき、燃料噴射装置10の駆動部30に駆動電圧を印加する。
ECU70aには、噴射圧取得部71及び充電制御部72が設けられている。噴射圧取得部71及び充電制御部72は、噴射制御プログラムに基づいて構築される機能ブロックであってもよく、複数の集積回路及び受動素子等を組み合わせてなる専用の電気回路部であってもよい。
噴射圧取得部71は、燃料噴射装置10における噴射圧を取得する。噴射圧は、コモンレール3から燃料噴射装置10の間のいずれの箇所で検出されてもよい。例えば噴射圧は、圧力センサ3aによって取得される燃料圧力であってよい。噴射圧は、各燃料噴射装置10に内蔵された圧力センサにて検出される燃料圧力の値であってもよい。
充電制御部72は、後述するピエゾアクチュエータ31の充放電を制御する。充電制御部72は、EDU70bに出力する指令信号の値(以下「指令値」)の増減により、EDU70bからピエゾアクチュエータ31に投入される駆動エネルギの大きさを増減させる。充電制御部72は、噴射圧取得部71にて取得される噴射圧に基づき、EDU70bへ向けて出力する指令値を調整可能である。
燃料噴射装置10は、燃焼室2bを形成するヘッド部材2aの挿入孔に挿入された状態で、ヘッド部材2aに取り付けられている。燃料噴射装置10は、高圧燃料配管3bを介して供給される高圧燃料を、噴孔23から燃焼室2bへ向けて直接的に噴射する。燃料噴射装置10は、噴孔23からの燃料の噴射を制御する弁構造を備えている。燃料噴射装置10は、高圧燃料の一部を、噴孔23の開閉に使用する。燃料噴射装置10に供給された燃料の一部は、戻り配管8b及び余剰燃料配管8aを通じて燃料タンク4へ戻される。
燃料噴射装置10は、図2及び図3に示すように、弁ボデー20、ノズルニードル50、ニードルシリンダ60、駆動部30、並びに制御弁体110及びピストン120を有する圧力制御機構100を備えている。
弁ボデー20は、インジェクターボデー部材20a、流路形成部材20b、バルブボデー部材20c、ノズルボデー部材20d、リテーニングナット20e等の複数の金属部材を組み合わせることによって構成されている。弁ボデー20の内部には、高圧燃料通路21、低圧燃料通路22、高圧室21a、弁室25、及び制御室27が設けられている。加えて弁ボデー20には、噴孔23が形成されている。
高圧燃料通路21は、インジェクターボデー部材20a、流路形成部材20b、及びバルブボデー部材20cに形成されている。高圧燃料通路21は、高圧燃料配管3b(図1参照)と接続されている。高圧燃料通路21は、高圧燃料配管3bを通じてコモンレール3(図1参照)から供給される高圧燃料を、高圧室21aに供給する。
低圧燃料通路22は、流路形成部材20bに形成されている。低圧燃料通路22は、燃料噴射装置10に供給された燃料を戻り配管8b(図1参照)に流出させる通路である。低圧燃料通路22は、流路形成部材20bの中央を軸方向に貫通するピン収容孔20fと接続されており、ピン収容孔20fに対して傾斜した姿勢で延伸している。ピン収容孔20fに臨む低圧燃料通路22の入口部分には、アウトオリフィス22aが形成されている。アウトオリフィス22aは、ピン収容孔20fから低圧燃料通路22に流出する燃料の流量を制限する。アウトオリフィス22aの通過によって低圧燃料通路22に供給される燃料は、高圧燃料通路21を流通する高圧燃料よりも低圧となる。
高圧室21aは、ノズルボデー部材20dに円柱状に形成された空間である。高圧室21aには、ノズルニードル50及びニードルシリンダ60が収容されている。高圧室21aは、高圧燃料通路21と接続されている。高圧室21aは、高圧燃料通路21を通じて供給される高圧燃料で満たされている。高圧室21aは、高圧燃料を噴孔23まで流通させる。尚、高圧室21aの燃料圧力が「第一圧力」であり、第一圧力よりも低圧な低圧燃料通路22の燃料圧力が「第二圧力」である。
弁室25には、燃料が充填されている。弁室25は、高圧室21a及び低圧燃料通路22に接続可能である。弁室25は、駆動部30と制御室27との間に位置している。弁室25は、制御弁体110によって上下に区分けされている。弁室25のうちで、圧力制御機構100及び流路形成部材20bの間に形成されている空間が、上弁室部25bである。弁室25のうちで、圧力制御機構100の内部に区画されている空間が、下弁室部25aである。上弁室部25b及び下弁室部25aは、互いに接続されている。
制御室27には、弁室25を通じて燃料が供給される。制御室27は、弁室25に接続されている。制御室27は、弁室25を介して高圧室21a及び低圧燃料通路22にそれぞれ接続可能である。制御室27には、燃料が充填されている。制御室27は、ピストン120、ノズルニードル50、及びニードルシリンダ60によって区画された扁平な円柱状の空間である。制御室27は、ノズルニードル50を挟んで噴孔23の反対側に位置している。
噴孔23は、ヘッド部材2a(図1参照)へ挿入される弁ボデー20において、挿入方向の先端部に形成されている。噴孔23は、燃焼室2b(図1参照)に露出している。弁ボデー20の先端部は、円錐状又は半球状に形成されている。噴孔23は、弁ボデー20の内側から外側に向けて放射状に複数設けられている。各噴孔23は、燃焼室2bへ向けて高圧燃料を噴射する。高圧燃料は、噴孔23を通過することによって霧化され、空気と混合し易い状態となる。
ノズルニードル50は、金属材料により円柱形に形成されている。ノズルニードル50の噴孔23側の先端は円錐形に形成されている。ノズルニードル50は、高圧室21aに収容されており、高圧室21aの高圧燃料から噴孔23を開く方向(以下、「開弁方向」)の力を受ける。ノズルニードル50には、ニードル受圧面51、スプリングシート部53、及びニードル摺動面54が形成されている。
ニードル受圧面51は、制御室27に臨むノズルニードル50の円状の端面である。ニードル受圧面51は、制御室27に充填された燃料から、噴孔23を閉じる方向(以下、「閉弁方向」)の力を受ける。ノズルニードル50は、制御室27の燃料圧力によって閉弁方向に押圧されている。ノズルニードル50は、制御室27の燃料圧力の変動により、軸方向に沿って弁ボデー20に対し相対変位し、噴孔23の開閉を行う。
スプリングシート部53は、ノズルニードル50に鍔状に設けられている。スプリングシート部53及びニードルシリンダ60の間には、ニードルスプリング52が軸方向に押し縮められた状態で設置されている。ニードルスプリング52は、円筒螺旋状に形成されたコイルスプリングである。ニードルスプリング52は、噴孔23を閉じる方向への付勢力をスプリングシート部53に印加している。
ニードル摺動面54は、ノズルニードル50の外周壁面のうちで、ニードルシリンダ60に内嵌される部分である。ニードル摺動面54は、ニードルシリンダ60に対し摺動可能に支持されている。ニードル摺動面54は、ニードルシリンダ60の内周壁面との間で、制御室27及び高圧室21aの間の油密を形成している。
以上のノズルニードル50は、制御室27の減圧により、高圧室21aの燃料に押し上げられ、開弁方向へ向けて変位する。その結果、高圧室21aに充填された高圧燃料は、噴孔23から燃焼室2b(図1参照)へ向けて噴射される。一方、制御室27の圧力回復によれば、ノズルニードル50は閉弁方向に押し下げられる。その結果、噴孔23からの燃料噴射は、停止される。尚、開弁方向及び閉弁方向は、共にノズルニードル50の変位方向である。
ニードルシリンダ60は、金属材料等により円筒状に形成されている。ニードルシリンダ60は、ニードル摺動面54に外嵌される。ニードルシリンダ60は、ニードル摺動面54との間で油密を形成している。ニードルシリンダ60は、ニードルスプリング52の付勢力により、ピストン120の下端面に押し当てられている。ニードルシリンダ60は、ニードルスプリング52の付勢力をピストン120に伝達する。
駆動部30は、圧力制御機構100を駆動する。駆動部30は、ピエゾアクチュエータ31及び駆動伝達ピン32を有している。ピエゾアクチュエータ31は、ピエゾ素子によって構成された層と薄い電極層とが交互に積まれた積層体である。ピエゾアクチュエータ31には、指令信号に基づいて規定された駆動電圧がEDU70bによって印加される。ピエゾアクチュエータ31は、EDU70bによって投入される駆動エネルギの充電により、ピエゾ素子の特性である逆電圧効果によって伸長する。ピエゾアクチュエータ31は、投入された駆動エネルギの放電により、縮んだ状態となる。以上のように、ピエゾアクチュエータ31は、ノズルニードル50の変位方向に沿った伸縮作動を行う。
駆動伝達ピン32は、ピエゾアクチュエータ31の伸長作動を圧力制御機構100に伝達する押圧軸部である。駆動伝達ピン32は、流路形成部材20bに形成されたピン収容孔20fに収容されている。駆動伝達ピン32の先端部は、制御弁体110に突き当てられる。駆動部30は、電荷の蓄積によって伸長したピエゾアクチュエータ31により、駆動伝達ピン32を弁室25に突き出す方向へ変位させる。一方、駆動部30は、電荷の放出によるピエゾアクチュエータ31の収縮により、駆動伝達ピン32をピン収容孔20fへと引き戻す。
圧力制御機構100は、バルブボデー部材20cに形成された機構収容孔20gに収容されている。圧力制御機構100は、全体として円柱状を呈しており、バルブボデー部材20cの内周壁面に内嵌されている。機構収容孔20gは、円柱状を呈するバルブボデー部材20cの径方向の中央に形成され、バルブボデー部材20cを軸方向に貫通する貫通孔である。機構収容孔20gは、円柱状の収容空間を形成している。機構収容孔20gには、ストッパ部20sが形成されている。ストッパ部20sは、バルブボデー部材20cの内周壁面に設けられた径方向の段差部である。ストッパ部20sは、ピストン120の下端面の外縁と対向している。
圧力制御機構100は、駆動部30によって閉弁方向に押圧されることにより、制御室27の燃料圧力を増減させる機構である。圧力制御機構100は、駆動伝達ピン32の変位により、制御室27に燃料を流入させる流入状態と制御室27からの燃料を流出させる流出状態とを切り替える三方弁の機能を有している。加えて圧力制御機構100は、駆動伝達ピン32の変位により、制御室27及び弁室25の総容積を増減させる容積可変機構の機能を有している。
圧力制御機構100は、制御弁体110、ピストン120、及びバルブスプリング140等によって構成されている。制御弁体110は、金属材料によって形成された閉弁部材111及び伝達部材113等を組み合わせてなる。ピストン120は、金属材料によって形成されたメインピストン部材120a及びサブピストン部材130等を組み合わせてなる。
制御弁体110は、全体として円柱状を呈しており、弁室25に収容されている。制御弁体110は、ピエゾアクチュエータ31が縮んだ状態で、制御室27から低圧燃料通路22への燃料流出を停止させる。制御弁体110は、ピエゾアクチュエータ31の伸長作動による変位で制御室27から低圧燃料通路22への燃料流出を可能にする。
閉弁部材111は、弁室25に臨むピン収容孔20fの流出開口26を開閉する部材である。閉弁部材111は、弁室25のうちで上弁室部25bに配置されている。閉弁部材111は、閉塞部112a及び球状面部112bを有している。
閉塞部112aは、流出開口26よりも直径の大きい円形の平面状に形成されている。閉塞部112aは、流出開口26の周囲を円環状に囲む第一シート面部28と対向している。閉塞部112aの中央には、駆動伝達ピン32が当接している。駆動伝達ピン32を通じて閉弁部材111にピエゾアクチュエータ31の伸長作動が伝達されることで、閉塞部112aは、第一シート面部28から離座する。その結果、流出開口26が開状態となる。一方、ピエゾアクチュエータ31が縮んだ状態で、閉塞部112aは、第一シート面部28に着座している。その結果、流出開口26が閉じられる。球状面部112bは、閉塞部112aの外縁と連続した部分球面状に形成されている。
伝達部材113は、大径部113a及び小径部113bを有する二段円柱状に形成されている。小径部113bは、大径部113aに対しメインピストン部材120a側に位置している。伝達部材113には、弁体摺動面114、接触部115、及び弁連通路117が形成されている。
弁体摺動面114は、大径部113aの外周壁面である。弁体摺動面114は、円筒面状に形成されている。弁体摺動面114は、サブピストン部材130の内周壁面に内嵌されている。弁体摺動面114は、サブピストン部材130に対して摺動可能である。
接触部115は、軸方向にてバルブボデー部材20cと対向する伝達部材113の上端面に設けられた凹部である。接触部115は、上端面の径方向の中央に位置しており、閉弁部材111を収容している。接触部115は、凹球面状に形成されており、球状面部112bに面接触している。接触部115及び球状面部112bの間の摺動により、伝達部材113は、閉弁部材111に対する相対的な傾きを許容される。
弁連通路117は、伝達部材113を軸方向に沿って貫通する貫通孔によって形成されている。弁連通路117は、接触部115の外周側に配置されている。弁連通路117は、下弁室部25aと上弁室部25bとを連通する燃料通路である。弁連通路117は、制御弁体110の位置に係らず、下弁室部25a及び上弁室部25bの間を常に連通している。
ピストン120は、バルブボデー部材20cの内周壁面に摺動可能に支持されている。ピストン120は、ノズルニードル50の変位方向に沿って変位可能である。ピストン120は、ピエゾアクチュエータ31が縮んだ状態で、制御弁体110との間に変位方向の隙間GPを形成している。隙間GPの大きさは、例えば10〜30μm程度である。隙間GPは、ピエゾアクチュエータ31の伸長作動に伴う制御弁体110の閉弁方向への変位によって消失する。ピストン120は、ピエゾアクチュエータ31の伸長作動によって変位した制御弁体110と当接する。ピストン120は、制御弁体110から伝達される力によって閉弁方向に変位することで、上弁室部25bの容積を増加させる。その結果、ピストン120は、制御室27に減圧を生じさせる。
メインピストン部材120aは、円柱状に形成され、サブピストン部材130及びニードルシリンダ60の間に位置している。メインピストン部材120aの両端面のうちで制御弁体110に対向する上端面には、サブピストン部材130及びバルブスプリング140が載置されている。メインピストン部材120aの下端面は、制御室27及び高圧室21aに臨んでいる。メインピストン部材120aの下端面は、ピストン120の閉弁方向への変位によってストッパ部20sに当接し、ピストン120の閉弁方向への変位を制限する。メインピストン部材120aには、流入流路122、ピストン連通路127、ピストン摺動面124、及び第二シート面部128が形成されている。
流入流路122は、メインピストン部材120aの下端面の外縁部分から、上端面の中央へ向けて延伸する貫通孔によって形成されている。流入流路122は、高圧室21aと弁室25との連通を形成している。弁室25に臨む流入流路122の流入開口122aは、上端面の中央に開口している。流入開口122aは、高圧室21aから下弁室部25aに燃料を流入させる。流入開口122aは、メインピストン部材120aへの制御弁体110の当接によって閉じられる。流入開口122aの閉塞によれば、高圧室21aと弁室25との接続が遮断される。流入流路122には、インオリフィス123が形成されている。インオリフィス123は、流入開口122aが開状態の場合にて、高圧室21aから弁室25に流入する燃料の流量を制限する。
ピストン連通路127は、サブピストン部材130を軸方向に沿って貫通する貫通孔によって形成されている。ピストン連通路127は、サブピストン部材130の中心から外れた位置に設けられている。ピストン連通路127は、制御室27と下弁室部25aとを連通する燃料通路である。ピストン連通路127は、制御弁体110の位置に係らず、制御室27及び下弁室部25aの間を常に連通している。ピストン連通路127及び弁連通路117により、制御室27は、上弁室部25bと常に連通されている。
ピストン摺動面124は、メインピストン部材120aの外周壁面である。ピストン摺動面124は、円筒面状に形成されている。ピストン摺動面124は、バルブボデー部材20cの内周壁面に内嵌されている。ピストン摺動面124は、バルブボデー部材20cに対して摺動可能である。
第二シート面部128は、軸方向にて制御弁体110の下端面と対向するメインピストン部材120aの上端面に設けられている。第二シート面部128は、平坦な平面状に形成されている。第二シート面部128は、流入開口122aを囲む円環状である。ピエゾアクチュエータ31が縮んだ状態にて、第二シート面部128と制御弁体110の下端面との間には、上述の隙間GPが形成される。制御弁体110のピストン120への当接により、第二シート面部128は、制御弁体110の下端面との間で油密を形成する。
サブピストン部材130は、円筒状に形成され、メインピストン部材120aとバルブボデー部材20cとの間にメインピストン部材120aと同軸配置されている。サブピストン部材130の外径は、メインピストン部材120aの外径と実質同一である。サブピストン部材130には、ピストン受圧面131及び円筒壁部132が形成されている。
ピストン受圧面131は、軸方向にて流路形成部材20bと対向するサブピストン部材130の上端面である。ピストン受圧面131は、円環状に形成されている。ノズルニードル50の変位方向に沿って見たピストン受圧面131の投影面積は、当該変位方向に沿って見たニードル受圧面51の投影面積よりも大きい。ピストン受圧面131は、ピエゾアクチュエータ31が縮んだ状態でニードルスプリング52の付勢力によって流路形成部材20bの下端面に押し当てられている。
ピストン受圧面131は、ピストン120及び制御弁体110の閉弁方向への変位によって流路形成部材20bの下端面から離間し、上弁室部25bの容積を拡大させる。一方で、ピストン120の閉弁方向への変位によれば、制御室27の容積が減少する。上述したように、ピストン受圧面131の投影面積がニードル受圧面51の投影面積よりも大きいため、上弁室部25bの容積の増加分は、制御室27の容積の減少分よりも大きくなる。その結果、ピストン120及び制御弁体110の閉弁方向への変位によれば、弁室25及び制御室27の総容積が増加する。
円筒壁部132は、制御弁体110の大径部113aを軸方向に変位可能に支持し、且つ、バルブボデー部材20cの内周壁面によって変位可能に支持されている。円筒壁部132の軸方向の長さは、伝達部材113の軸方向の長さよりも、隙間GPの間隔分だけ、長くされている。円筒壁部132及び小径部113bの間には、円筒状の下弁室部25aが形成されている。
バルブスプリング140は、円筒螺旋状に形成されたコイルスプリングである。バルブスプリング140は、軸方向に押し縮められた状態で、大径部113aとメインピストン部材120aとの間に配置されている。バルブスプリング140は、下弁室部25aに収容されており、小径部113bの外周側に位置している。バルブスプリング140は、流出開口26へ向けて制御弁体110を付勢している。
ここまで説明した燃料噴射装置10は、燃料噴射における噴射率の推移の態様を変更可能である。一例として、燃料噴射装置10は、噴射率を標準的に立ち上げる低速開弁モードでの燃料噴射と、低速開弁モードよりも噴射率を急峻に立ち上げる高速開弁モードでの燃料噴射とを行うことができる。以下、低速開弁モード及び高速開弁モードを比較しつつ、燃料噴射装置10による燃料噴射の作動の詳細を、図3〜図7に基づき、図2を参照しつつ説明する。
図3には、ピエゾアクチュエータ31の無通電時、即ち、ピエゾアクチュエータ31の縮んだ状態が示されている。この状態における制御弁体110は、初期位置として、閉塞部112aを第一シート面部28に着座させている。初期位置の制御弁体110は、低圧燃料通路22と弁室25との接続を遮断している。故に、弁室25及び制御室27から低圧燃料通路22への燃料の流出は、中断されている。
一方、制御弁体110の下端面は、第二シート面部128から離座しており、第二シート面部128との間に微小な隙間GPを形成している。こうした制御弁体110の初期位置では、弁室25と高圧室21aとが連通状態となり、制御室27は、弁室25を介して高圧室21aと接続される。そのため制御室27の燃料圧力は、高圧室21aの燃料圧力と実質同一となる。ノズルニードル50は、制御室27の燃料から受ける油圧力により、噴孔23の閉弁状態を維持する。
ピストン120は、初期位置として、ピストン受圧面131を流路形成部材20bの下端面に当接させている。一方で、ピストン120の下端面は、ストッパ部20sから離座している。ピストン120の下端面とストッパ部20sとの間には、微小な隙間(以下、「変位区間DGP」)が形成されている。ピエゾアクチュエータ31が縮んだ状態にて、変位区間DGPとして確保されている距離は、隙間GPとして確保されている距離よりも小さい。尚、変位区間DGPは、隙間GPより大きくてもよく、又は隙間GPと実質同一であってもよい。
図4に示す低速開弁モードでは、ピエゾアクチュエータ31に第一駆動エネルギが投入される。第一駆動エネルギは、制御弁体110を変位させる一方で、ピストン120の変位を実質的に生じさせない駆動エネルギである。故に、低速開弁モードでは、圧力制御機構100による弁室25の容積拡大は、実施されない。
低速開弁モードにおける駆動部30は、ピエゾアクチュエータ31の伸長作動により、駆動伝達ピン32によって制御弁体110を押し下げる。制御弁体110の変位に伴う流出開口26の開弁により、上弁室部25bは、ピン収容孔20fを介して、低圧燃料通路22と連通する。制御室27及び弁室25の間がピストン連通路127によって互いに接続されているため、制御弁体110の変位によって弁室25と低圧燃料通路22とが接続されると、制御室27の燃料は、弁室25を通じて、低圧燃料通路22に流出する。
低圧燃料通路22への燃料流出に伴う制御室27の減圧により、ニードル受圧面51に作用する閉弁方向の油圧力が減少する。制御室27の燃料圧力が開弁圧Po(図8参照)を下回ると、ノズルニードル50は、高圧燃料の油圧力によって開弁方向への変位を開始する。以上により、噴孔23が開弁状態となる。
そして、ノズルニードル50の開弁方向への変位によれば、制御室27の容積が減少する。故に、燃料流出によって減少した制御室27の燃料圧力が回復する。ノズルニードル50の変位量が特定のリフト量(以下、「バランスリフト量」)に到達すると、容積減少に伴う制御室27の圧力回復により、ノズルニードル50に作用する閉弁方向の油圧力と開弁方向の油圧力とが釣り合うようになる。その結果、開弁方向へ変位するノズルニードル50の変位速度が低下する。ノズルニードル50は、バランスリフト量への到達後、アウトオリフィス22aを流通する燃料の流出量に応じて、実質的に一定の速度で開弁方向への変位を継続する。
低速閉弁モードにおける駆動部30は、制御弁体110の下端面を第二シート面部128に押し付けて、流入開口122aを閉じる。その結果、高圧室21aと弁室25との接続が遮断される。故に、高圧室21aから低圧燃料通路22への燃料リークが抑制される。尚、高圧室21aと弁室25との接続遮断によれば、高圧室21aと制御室27との接続も遮断状態となる。
図5及び図6に示す高速開弁モードでは、ピエゾアクチュエータ31に第二駆動エネルギが投入される。第二駆動エネルギは、第一駆動エネルギよりも大きな駆動エネルギである。駆動部30は、低速開弁モードよりも大きな伸長作動をピエゾアクチュエータ31に生じさせることで、駆動伝達ピン32によって制御弁体110をさらに押し下げる。その結果、制御弁体110は、ピストン120との間の隙間GPを消失させ、当接したピストン120を拡大方向へ向けて変位させる。尚、拡大方向は、閉弁方向と実質同一の方向である。また、高速開弁モードでも、低速開弁モードと同様に、制御弁体110の初期位置からの変位によって、制御室27の燃料の低圧燃料通路22への流出が開始される。
図5に示すように、制御弁体110及びピストン120は、燃料流出に伴う制御室27の減圧でノズルニードル50が開弁方向への変位を開始する以前に、ニードルシリンダ60を押し下げつつ、拡大方向へ向かう一体的な変位を開始する。ピストン120は、変位区間DGPを消失させつつ、ストッパ部20sに下端面を当接させる位置まで変位する。その結果、流路形成部材20bの下端面と圧力制御機構100の上端面との間の上弁室部25bが拡張される。こうして、ノズルニードル50の変位が開始される以前に、弁室25の容積、ひいては弁室25及び制御室27の総容積が、拡大された状態となる。
制御室27の圧力は、弁室25及び制御室27の総容積の拡大と、低圧燃料通路22への燃料流出とにより、降下する。そして、制御室27の圧力が開弁圧Po(図8参照)を下回ると、図6に示すように、ノズルニードル50の開弁方向への変位が開始され、噴孔23は開弁状態となる。上述した弁室25及び制御室27の総容積の増加によれば、バランスリフト量が拡大されるため、ノズルニードル50の変位速度を高く維持可能な期間(以下、「加速開弁期間」)が長く調整される。
詳記すると、バランスリフト量は、ノズルニードル50の開弁方向への変位に伴う制御室27の圧力復帰により、ノズルニードル50に作用する軸方向の油圧力が釣り合うリフト量である。故に、制御室27の容積が大きくなるほど、ノズルニードル50の上昇に伴う制御室27の圧力復帰が抑制されるため、バランスリフト量が大きくなる。弁室25が制御室27と接続された構成では、弁室25及び制御室27の総容積を増加させても、バランスリフト量が拡大される。以上のように、ピエゾアクチュエータ31に投入する駆動エネルギの調整により、弁室25及び制御室27の総容積を増減させれば、バランスリフト量、ひいては加速開弁期間の調整が可能になる。故に、例えば噴射率の立ち上がりを急峻する等、燃料噴射における噴射率の推移の態様が変更可能となる。
図7に示す閉弁期間では、ピエゾアクチュエータ31への通電が遮断される。通電停止後、ピエゾアクチュエータ31に蓄えられていた電荷が放出されると、ピエゾアクチュエータ31は、軸方向に収縮する。高速開弁モードにおける閉弁期間では、駆動部30の駆動力の消失に伴い、ピストン120は、ニードルシリンダ60によって伝達されるニードルスプリング52の復元力及びピストン120に作用する油圧力等に押され、流出開口26へ向けて変位する。これにより、ピストン120の下端面及びストッパ部20sの間には、変位区間DGPが確保される。
加えて、各開弁モードの閉弁期間にて、制御弁体110は、バルブスプリング140の復元力及び制御弁体110に作用する油圧力等により、ピストン120に対し流出開口26へ向けて変位する。制御弁体110は、閉塞部112aを第一シート面部28に着座させ、流出開口26を閉弁する。以上により、上弁室部25bと低圧燃料通路22との接続が遮断され、弁室25及び制御室27から低圧燃料通路22への燃料流出が停止される。
さらに、制御弁体110は、第二シート面部128から下端面を離座させ、流入開口122aを開弁する。これにより、制御弁体110の下端面及びメインピストン部材120aの上端面の間には、隙間GPが確保される。その結果、弁室25を介して高圧室21aと接続された制御室27には、流入流路122、隙間GP、及びピストン連通路127を通じて、高圧室21aの燃料が流入する。以上により、制御室27の燃料圧力が高圧室21aと同程度の初期圧力まで回復し、ノズルニードル50は、ニードルスプリング52の復元力及び油圧力等によって閉弁方向に押し下げられ、噴孔23を閉弁状態とする。
次に、高速開弁モードにおける燃料噴射装置10の作動の推移を、図8のタイムチャートを用いて、図5及び図2を参照しつつ説明する。
時刻t0にて、充電制御部72は、EDU70bへ向けた指令値の出力により、第二駆動エネルギのピエゾアクチュエータ31への投入を開始させる。時刻t0は、駆動エネルギのピエゾアクチュエータ31への投入を開始する時刻であり、ピエゾアクチュエータ31の充電を開始する充電開始時刻である。
時刻t0にて開始された充電に伴う伸長作動により、制御弁体110の変位が開始される。そして、隙間GPに相当する弁体空走距離だけ変位した制御弁体110は、ピストン120と当接し、ピストン120と一体的な変位を開始する。さらに、制御弁体110に押されることで、変位区間DGPに相当するピストン空走距離だけ変位したピストン120は、時刻t1にて、ストッパ部20sに当接する。これにより、制御弁体110及びピストン120の拡大方向への変位は完了する。加えて、ピエゾアクチュエータ31の充電も時刻t1にて完了する。即ち、時刻t1は、ピエゾアクチュエータ31の充電完了時刻である。そして、時刻t0から時刻t1までの時間が、昇圧完了時間Tuである。
時刻t1の後も継続される制御室27の減圧により、時刻t2にて、制御室27の圧力は、ノズルニードル50の開弁圧Poに到達する。その結果、時刻t2にて、ノズルニードル50は、開弁方向へのリフト変位を開始する。即ち、時刻t2は、ノズルニードル50の開弁開始時刻である。そして、時刻t0から時刻t2までの時間が、開弁時間Tsである。
以上のように、昇圧完了時間Tuが開弁時間Tsよりも短く設定される構成により、制御弁体110及びピストン120の拡大方向への変位は、ノズルニードル50が開弁方向へのリフト変位を開始する以前に開始され、且つ、完了される。こうした昇圧完了時間Tuは、例えば0.1ミリ秒程度に設定される。一方、開弁時間Tsは、0.25〜0.3ミリ秒程度に設定される。
ここまで説明した本実施形態では、ピエゾアクチュエータ31の伸長作動により、制御弁体110と当接したピストン120が、弁室25の容積を増加させる拡大方向に変位する。弁室25が制御室27と接続された構成であり、且つ、ノズルニードル50の開弁方向への変位開始以前に弁室25の容積が拡大されれば、燃料噴射装置10は、弁室25の容積の拡縮により、ノズルニードル50の変位速度が低下するタイミングを調整し得る。したがって、燃料噴射装置10は、燃料流出に伴う制御室の減圧を利用してノズルニードル50を開弁作動させる構成であっても、ノズルニードル50の変位の態様を変更できる。
具体的に、図9に示すように、弁室25の容積が拡大されない低速開弁モードでは、ノズルニードル50の変位量は、開弁開始後すぐにバランスリフト量に到達する。そのため、加速開弁期間は、短くなる。一方で、弁室25の容積が拡大される高速開弁モードでは、バランスリフト量の拡大により、加速開弁期間が低速開弁モードよりも長く確保される。以上のように、ピエゾアクチュエータ31の伸長作動によって弁室25の容積を可変にできる圧力制御機構100の採用によれば、ノズルニードル50の開弁速度を可変にする構成が実現可能となる。
そして、図10に示すように、ノズルニードル50の開弁速度の可変化によれば、噴射率の推移の態様が変更可能となる。高速開弁モードでは、加速開弁期間が長く継続されることにより、噴射率は、低速開弁モードよりも急速に立ち上げられる。故に、噴射率の波形は、矩形に近似した高矩形(ブーツ型)な形状となる。一方で、低速開弁モードでは、加速開弁期間の早期の終了により、噴射率は、高速開弁モードよりも緩やかな立ち上がりとなる。故に、噴射率の波形は、低矩形な形状となる。
加えて本実施形態では、ノズルニードル50の変位の開始される開弁開始時刻t2よりも前に、拡大方向へのピストン120の変位が完了される。故に、ノズルニードル50のリフト変位は、弁室25及び制御室27の総容積が拡大された状態で開始される。以上によれば、開弁方向に変位するノズルニードル50の挙動を安定化できるため、噴射量の精度及び制御性を確保することが可能となる。
また本実施形態では、昇圧完了時間Tuが開弁時間Tsよりも短く設定されている。開弁時間Tsは、制御室27の容積によって概ね決定される。故に、制御室27の容積から開弁時間Tsを測定又は算出し、昇圧完了時間Tuは、当該開弁時間Tsよりも短くなるよう調整される。このような設定によれば、ピストン120の変位は、ノズルニードル50の変位開始前に完了される。したがって、噴射量の精度及び制御性は、いっそう確保され易くなる。
ここで、ピエゾアクチュエータ31の変位量は、投入される駆動エネルギによって制御可能であるものの、温度による影響及び個体間でのばらつき等が不可避的に存在し得る。そこで本実施形態では、拡大方向へのピストン120の変位が、ストッパ部20sによって機械的に規制される。こうした構成であれば、ピストン120の最大変位量は、一定に維持され得る。このように、投入される駆動エネルギの制御棚がストッパ部20sによって規定されることで、弁室25の容積を拡大させる高速開弁モードでのノズルニードル50の変位の態様、ひいては噴射率の変化の態様が安定的となる。したがって、ノズルニードル50の開弁速度を可変とした構成であっても、噴射量の制御性が確保され得る。
さらに本実施形態では、制御弁体110を流路形成部材20bへ向けて付勢するバルブスプリング140が設けられている。故に、制御弁体110は、ピエゾアクチュエータ31の収縮作動に伴い、初期位置に戻り得る。制御弁体110の変位がピエゾアクチュエータ31の作動に円滑に追従すれば、ピエゾアクチュエータ31に投入される駆動エネルギが変更されても、圧力制御機構100及びノズルニードル50は、安定的な動作を行うことができる。
加えて本実施形態では、駆動部30によって押し下げられた制御弁体110が、ピストン120に形成された流入開口122aを閉じ、高圧室21aから弁室25への燃料の流入を停止させる。故に、高圧室21aから弁室25への燃料の流入を停止させない形態と比較して、ノズルニードル50の駆動に用いられないリーク燃料の消費量が低減され得る。
また本実施形態では、ピストン120に形成されたピストン連通路127が制御室27と弁室25とを連通させている。ピストン連通路127は、制御室27及び弁室25を短い距離で接続できる。その結果、ピストン連通路127の容積が低減され、ひいては、制御室27及び弁室25の総容積の低減が可能になる。以上によれば、圧力制御機構100は、拡大方向へのピストン120の変位によって実現される総容積の可変割合を大きく確保できる。したがって、燃料噴射装置10は、ピエゾアクチュエータ31に投入する駆動エネルギの制御により、ノズルニードル50の変位の態様をいっそう顕著に変更できる。
尚、上記実施形態では、弁ボデー20が「本体」に相当し、高圧室21aが「第一室」に相当し、低圧燃料通路22が「第二室」に相当し、ピエゾアクチュエータ31が「アクチュエータ」に相当し、ノズルニードル50が「ニードル」に相当する。また、ニードルシリンダ60が「制御室部材」に相当し、制御弁体110が「弁体」に相当し、ピストン連通路127が「連通路」に相当し、バルブスプリング140が「弁体付勢部材」に相当する。
(他の実施形態)
以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定して解釈されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態及び組み合わせに適用することができる。
上記実施形態では、ピストン120をストッパ部20sに当接させる第二駆動エネルギをピエゾアクチュエータ31に投入した場合を、高速開弁モードとして説明した。しかし、制御装置からピエゾアクチュエータに投入される駆動エネルギの大きさは、適宜変更可能である。例えば、充電制御部は、指令値の設定により、ストッパ部に当接しない程度の拡大方向への変位をピストンに生じさせる駆動エネルギを、ピエゾアクチュエータに投入させてもよい。
上記実施形態では、制御弁体110及びピストン120の間に隙間GPが設けられる構成により、駆動部30は、ピストン120を実質的に変位させることなく、流出開口26を開弁可能であった。しかし、圧力制御機構は、隙間GPを省略され、流出開口の開弁に伴ってピストンを常に変位させる構成であってもよい。こうした構成であっても、充電制御部がピエゾアクチュエータの伸長量を制御すれば、ノズルニードルの開弁速度の可変化が可能となる。
上記実施形態での高速開弁モードでは、ノズルニードル50の開弁方向への変位が開始される以前に、ピエゾアクチュエータ31の充電が完了されていた。しかし、ノズルニードルの変位開始後も、充電制御部の制御によるピエゾアクチュエータの充電が継続されてよい。また、噴射圧が高くなるほど、開弁時間Tsは長くなる。故に、充電制御部は、噴射圧が高くなるほど、昇圧完了時間Tuを長く確保する制御を行ってもよい。
上記実施形態では、拡大方向へのピストン120の最大変位量が、ストッパ部20sによって規定されていた。しかし、ストッパ部は、省略されてもよい。
上記実施形態の制御弁体110は、バルブスプリング140によって押圧されていた。しかし、ニードルシリンダの一端がピストンを貫通し、制御弁体に押圧力を印加可能な構成であれば、バルブスプリングに相当する構成は、省略されてよい。バルブスプリングの省略によれば、弁室の容積は、いっそう低減され得る。故に、弁室及び制御室の総容積の可変割合がさらに大きく確保可能となる。
上記実施形態では、制御弁体110の変位よって流出開口26が開かれると、高圧室21aと弁室25との連通が遮断され、リーク燃料の消費が抑制されていた。しかし、流出開口が開かれた状態でも、高圧室と弁室との接続は、維持されてよい。
上記実施形態の駆動部では、ピエゾアクチュエータ31がアクチュエータとして採用されていた。しかし、アクチュエータは、例えば磁電アクチュエータ等であってもよい。
上記実施形態では、燃料として軽油を噴射する燃料噴射装置に本開示の圧力制御機構等を適用した例を説明した。しかし、上記の圧力制御機構は、軽油以外の燃料、例えばジメチルエーテル等の液化ガス燃料を噴射する燃料噴射装置にも適用可能である。