JP2019148193A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータの駆動負荷を低減することの可能な燃料噴射装置を提供する。【解決手段】燃料噴射装置ＦＩは、制御弁２８、直動ピストン２７、及びスプリング３３を備える。直動ピストン２７は、制御弁２８と一体となって初期位置から変位することにより、ノズルニードル１３をリフト動作させる油圧力を制御室１９に発生させる。制御弁２８は、閉弁状態から開弁動作する際に、開弁動作の初期において直動ピストン２７と独立して変位するとともに、開弁方向に更に変位して直動ピストン２７に当接することにより直動ピストン２７と一体的に変位し、開弁状態から閉弁動作する際に、直動ピストン２７と独立して変位可能である。直動ピストン２７は、制御弁２８が閉弁動作する際に、スプリング３３の付勢力により初期位置に戻る。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料噴射装置に関する。

従来、燃料噴射装置には、ニードル直動式の燃料噴射装置と、油圧サーボ式の燃料噴射装置とがある。ニードル直動式の燃料噴射装置は、ピエゾ素子の積層体からなるアクチュエータを用いてノズルニードルを直接開閉動作させる構造からなる。油圧サーボ式の燃料噴射装置は、ノズルニードルの直上に設けられる制御室と、制御室及び低圧室を連通する連通路を開閉させる制御弁と、制御弁を開閉動作させるアクチュエータとを備えている。油圧サーボ式の燃料噴射装置は、制御弁の開閉動作に基づいて制御室内の燃料圧力を変化させることによりノズルニードルを開閉動作させる構造からなる。このような構造の違いにより、油圧サーボ式の燃料噴射装置よりも、ニードル直動式の燃料噴射装置の方が燃料噴射圧に依存せずにノズルニードルの挙動、すなわち噴射率をコントロールし易いという特徴を有している。しかしながら、ニードル直動式の燃料噴射装置は、油圧サーボ式の燃料噴射装置と比較すると、ノズルニードルの駆動に必要な負荷が大きくなるため、アクチュエータの駆動負荷が増加するという課題を有している。

そこで、下記の特許文献１に記載の燃料噴射装置では、油圧サーボ機構と直動機構とが併用されている。具体的には、特許文献１に記載の燃料噴射装置は、制御室と低圧室とを連通する連通路の途中に設けられる制御弁を備えている。燃料噴射装置には、制御弁が着座するシート座面が形成されている。制御弁は、シート座面に着座することにより、制御室及び低圧室の連通を遮断する閉弁状態になっている。シート座面には、制御弁が配置されるバルブ室から低圧室に貫通する挿通孔が形成されている。この挿通孔には、アクチュエータの駆動力を制御弁に伝達するための駆動伝達部材が挿通されている。

特許文献１に記載の燃料噴射装置では、アクチュエータの伸張によりその駆動力が駆動伝達部材を介して制御弁に伝達されると、制御弁がシート座面から離座して開弁状態になる。これにより、制御室が低圧室に連通されて制御室内の燃料圧力が低下するため、ノズルニードルが開弁する。特許文献１に記載の燃料噴射装置は、このような制御室の減圧に基づきノズルニードルを開弁させる油圧サーボ機構を有している。

また、特許文献１に記載の燃料噴射装置は、油圧力を介してアクチュエータの駆動力をノズルニードルに伝達する直動ピストンを備えている。具体的には、直動ピストンには、アクチュエータの駆動力が制御弁を介して伝達される。直動ピストンは、制御弁を介して伝達されるアクチュエータの駆動力に基づいて変位することにより、ノズルニードルを開弁動作させる油圧力を発生させる。このように、特許文献１に記載の燃料噴射装置は、アクチュエータの駆動力を直動ピストンの油圧力を介してノズルニードルに伝達することによりノズルニードルを開弁させる直動機構を有している。

特許文献１に記載の燃料噴射装置は、これらの油圧サーボ機構と直動機構とを有することにより、アクチュエータの負荷を低減しつつ、噴射率の自由度を向上させている。

特開２０１７−２８９１号公報

ところで、特許文献１に記載の燃料噴射装置では、油圧サーボ機構で動作する際にノズルニードルの上昇に伴って直動ピストンを変位させる必要があるため、アクチュエータの駆動力として、制御弁を開弁させるために必要な駆動力だけでなく、直動ピストンを変位させるために必要な駆動力も必要となる。これが、アクチュエータの駆動負荷を大きくさせる要因となっている。

本開示は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、アクチュエータの駆動負荷を低減することの可能な燃料噴射装置を提供することにある。

上記課題を解決する燃料噴射装置（ＦＩ）は、本体（１０，１１，１２）と、ノズルニードル（１３）と、制御室（１９）と、制御弁（２８）と、アクチュエータ（１４）と、直動ピストン（２７）と、スプリング（３３）と、を備える。本体は、高圧の燃料が流通する高圧燃料通路（１６）、高圧燃料通路を流れる燃料よりも低圧の燃料が流通する低圧室（２９）、及び高圧燃料通路を流通する燃料を噴射する噴射孔（１２１）を有する。ノズルニードルは、本体の内部に往復動可能に収容され、噴射孔を開閉する。制御室には、ノズルニードルに閉弁方向の圧力を付与する高圧の燃料が充填される。制御弁は、本体に設けられたシート座面（１１４）に着座して閉弁状態になることにより制御室及び低圧室の連通を遮断する。アクチュエータは、制御弁をシート座面から離座させて制御弁を開弁状態にすることにより制御室及び低圧室を連通させる。直動ピストンは、制御弁と一体となって初期位置から変位することにより、ノズルニードルをリフト動作させる油圧力を制御室に発生させる。スプリングは、直動ピストンを初期位置に戻す方向に付勢する。制御弁は、閉弁状態から開弁動作する際に、開弁動作の初期において直動ピストンと独立して変位するとともに、開弁方向に更に変位して直動ピストンに当接することにより直動ピストンと一体的に変位し、開弁状態から閉弁動作する際に、直動ピストンと独立して変位可能である。直動ピストンは、制御弁が閉弁動作する際に、スプリングの付勢力により初期位置に戻る。

この構成によれば、制御弁の開弁動作の初期においては制御弁が直動ピストンとは独立して変位するため、アクチュエータの駆動力として、直動ピストンを変位させるために必要な駆動力が必要ない。そのため、アクチュエータの駆動負荷を低減することができる。また、制御弁が閉弁動作する際に制御弁と直動ピストンとが独立して変位可能であれば、制御弁が閉弁状態になることにより直動ピストンに付与される油圧力を低下させた後に、スプリングの付勢力により直動ピストンを初期位置に戻すことができる。これにより、直動ピストンに付与される油圧力が低下するよりも前に直動ピストンを初期位置に戻す場合と比較すると、直動ピストンを初期位置に戻すために必要なスプリングの付勢力を小さくすることができる。よって、制御弁と共に直動ピストンを変位させる際にスプリングの付勢力に抗する力がアクチュエータに必要であることを考慮すると、スプリングの付勢力を小さくすることができれば、結果としてアクチュエータの駆動負荷を低減することができる。

なお、上記手段、特許請求の範囲に記載の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本開示によれば、アクチュエータの駆動負荷を低減することの可能な燃料噴射装置を提供できる。

図１は、第１実施形態の燃料噴射装置の断面構造を示す断面図である。 図２は、第１実施形態の燃料噴射装置の拡大断面構造を示す断面図である。 図３は、第１実施形態の燃料噴射装置の動作例を示す断面図である。 図４は、第１実施形態の燃料噴射装置の動作例を示す断面図である。 図５は、第１実施形態の燃料噴射装置の動作例を示す断面図である。 図６（Ａ）〜（Ｄ）は、第１実施形態の燃料噴射装置における大径ピストンの変位量、油密室の油圧力、制御弁の変位量、及び直動ピストンの変位量の推移を示すタイミングチャートである。 図７は、第１実施形態の変形例の燃料噴射装置の拡大断面構造を示す断面図である。 図８は、第２実施形態の燃料噴射装置の拡大断面構造を示す断面図である。

以下、燃料噴射装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
＜第１実施形態＞
はじめに、燃料噴射装置の第１実施形態について説明する。

図１に示されるように、本実施形態の燃料噴射装置ＦＩは、インジェクタボディ１０、オリフィスプレート１１、ノズルボディ１２、ノズルニードル１３、及びアクチュエータ１４等を備えている。オリフィスプレート１１及びノズルボディ１２はノズルリテーリングナット１５によりインジェクタボディ１０の下方に固定されている。本実施形態では、インジェクタボディ１０、オリフィスプレート１１、及びノズルボディ１２により本体が構成されている。以下では、インジェクタボディ１０からノズルボディ１２に向かう方向を「下方」と称し、その逆の方向を「上方」と称する。

ノズルボディ１２は、軸線ｍ１を中心に略有底筒状に形成されている。ノズルボディ１２の内部には、軸線ｍ１を中心に略円柱状に形成されたノズルニードル１３が収容されている。したがって、軸線ｍ１はノズルニードル１３の中心軸に相当する。ノズルボディ１２の内部空間は、ノズルニードル１３を収容するニードル収容孔１２０を構成している。ノズルニードル１３は、ニードル収容孔１２０の内壁面に対して摺動可能に接することにより、軸線ｍ１に沿った方向に往復動可能に支持されている。ニードル収容孔１２０は、ノズルボディ１２の上面において開口している。ニードル収容孔１２０には、インジェクタボディ１０の燃料通路１０１及びオリフィスプレート１１の燃料通路１１０を通じて高圧の燃料が供給されている。以下では、これらの燃料通路１０１，１１０をまとめて「高圧燃料通路１６」とも称する。

ノズルボディ１２の先端部には、燃料が噴射される噴射孔１２１が形成されている。ノズルボディ１２の先端部の内壁面には、円錐状の着座面１２２が形成されている。ノズルニードル１３の先端部には、着座面１２２に着座するシート面１３０が形成されている。シート面１３０が着座面１２２に着座している場合、ノズルニードル１３により噴射孔１２１が閉塞されているため、噴射孔１２１からの燃料の噴射が遮断された状態となる。シート面１３０が着座面１２２から離座すると、噴射孔１２１が開口して、ニードル収容孔１２０内の高圧の燃料が噴射孔１２１から噴射される。このように、ノズルニードル１３は、軸線ｍ１に沿った方向に往復動することにより噴射孔１２１を開閉する。

ニードル収容孔１２０の上方には、ノズルシリンダ１７が収容されている。ノズルシリンダ１７は、軸線ｍ１を中心に円筒状に形成されている。ノズルシリンダ１７は、ノズルボディ１２の内部に収容されたスプリング１８によりオリフィスプレート１１の底面に向かって付勢されている。

ノズルシリンダ１７の内部には、ノズルニードル１３における先端部とは反対側の基端部が挿入されている。ノズルニードル１３の基端部は、ノズルシリンダ１７の内壁面に摺動可能に接することにより、軸線ｍ１に沿った方向に往復動可能に支持されている。ノズルニードル１３の上端面、ノズルシリンダ１７の内壁面、及びオリフィスプレート１１の底面により囲まれる空間によって制御室１９が構成されている。制御室１９には、ノズルニードル１３に閉弁方向の圧力を付与するための高圧の燃料が充填されている。

オリフィスプレート１１には、高圧ポート１１１、及び連通路１１２が形成されている。
高圧ポート１１１は、オリフィスプレート１１の底面において制御室１９に面する部分から高圧燃料通路１６までオリフィスプレート１１の内部を延びるように形成されている。したがって、制御室１９には、高圧燃料通路１６を流れる高圧の燃料が高圧ポート１１１を通じて流入可能となっている。高圧ポート１１１には、高圧燃料通路１６から制御室１９への高圧燃料の流入を規制するインオリフィス１１３が形成されている。

連通路１１２は、オリフィスプレート１１の底面において制御室１９に面する部分から、オリフィスプレート１１の上面に設けられるシート座面１１４までオリフィスプレート１１の内部を延びるように形成されている。シート座面１１４は、制御弁２８の下端面が当接する部分、すなわち制御弁２８が着座する部分である。

インジェクタボディ１０の内部には、軸線ｍ２に沿って延びるように収容孔１０２が形成されている。軸線ｍ２は、軸線ｍ１に対して高圧燃料通路１６が配置されている方向とは逆方向にずれて位置している。収容孔１０２には、アクチュエータ１４、大径ピストン２１、小径ピストン２２、シリンダアッパ２３、シリンダミドル２５、及びシリンダロア２６等が収容されている。本実施形態では、大径ピストン２１が第１ピストンに相当し、小径ピストン２２が第２ピストンに相当する。

アクチュエータ１４は、電荷の充放電により軸線ｍ２に沿った方向に伸縮するピエゾ素子を多数積層してなるピエゾ素子積層体と、ピエゾ素子積層体を保護する筒状の絶縁スリーブと、ピエゾ素子積層体の軸方向の両端に設けられる絶縁基板とを備えている。ピエゾ素子積層体への電圧の印加に基づきピエゾ素子積層体に電荷が充電されることにより、アクチュエータ１４が軸線ｍ２に沿って下方に伸張する。ピエゾ素子積層体が放電すると、アクチュエータ１４が軸線ｍ２に沿って上方に収縮する。アクチュエータ１４の伸張変位及び収縮変位に応じた駆動力がスペーサ２０を介して大径ピストン２１に伝達されることにより、大径ピストン２１が軸線ｍ２に沿った方向に変位する。

シリンダアッパ２３は、軸線ｍ２を中心に円筒状に形成されている。シリンダアッパ２３の内部には、大径ピストン２１の中央から下方までの部分が収容されている。大径ピストン２１は、シリンダアッパ２３の内壁面に対して摺動可能に接することにより、軸線ｍ２に沿った方向に往復動可能に支持されている。大径ピストン２１の上部には、環状のリング部材２１２が固定されている。環状のリング部材２１２とシリンダアッパ２３との間には、ピストンスプリング２４が配置されている。ピストンスプリング２４は、リング部材２１２を介して大径ピストン２１を上方に付勢している。この大径ピストン２１に付与されるピストンスプリング２４の付勢力により、アクチュエータ１４のピエゾ素子積層体にプリセット荷重が付与されている。

大径ピストン２１は、軸線ｍ２を中心に略有底円筒状に形成されている。大径ピストン２１は、その開口部分が下方を向く姿勢でシリンダアッパ２３により支持されている。大径ピストン２１の下方の開口部分には、小径ピストン２２の大径部２２０が挿入されている。大径ピストン２１の内壁面、及び小径ピストン２２の大径部２２０の上端面により囲まれる空間には、バルブスプリング３７が収容されている。バルブスプリング３７は、大径ピストン２１の内部の上壁面に設けられたスペーサ３０と、小径ピストン２２の大径部２２０の上端面との間に圧縮された状態で配置されている。このバルブスプリング３７の弾性力により小径ピストン２２が下方に向かって付勢されている。

インジェクタボディ１０の収容孔１０２の内部空間は、低圧室２９となっている。低圧室２９には、高圧燃料通路１６を流通する高圧の燃料よりも低圧の燃料が流通している。大径ピストン２１には、その内部空間２１０と低圧室２９とを連通させる連通路２１１が形成されている。したがって、大径ピストン２１の内部空間２１０には、低圧燃料が流通している。よって、低圧室２９には大径ピストン２１の内部空間２１０も含まれている。

小径ピストン２２は、軸線ｍ２を中心に円柱状に形成されている。小径ピストン２２は、大径部２２０と、大径部２２０の外径よりも小さい外径を有する小径部２２１とを有している。小径部２２１は、大径部２２０の下端面から軸線ｍ２に沿って下方に延びるように形成されている。図２に示されるように、大径部２２０及び小径部２２１のそれぞれの外径の違いにより、大径部２２０の下端面には段差面２２２が形成されている。

シリンダアッパ２３の下方には、シリンダミドル２５及びシリンダロア２６がこの順で配置されている。すなわち、シリンダミドル２５は、シリンダアッパ２３とシリンダロア２６とにより挟まれるようにして配置されている。シリンダミドル２５は、軸線ｍ２を中心に円筒状に形成されている。シリンダミドル２５の内部には、小径ピストン２２の小径部２２１が収容されている。小径ピストン２２の小径部２２１は、シリンダミドル２５の内壁面に対して摺動可能に接することにより、軸線ｍ２に沿った方向に往復動可能に支持されている。シリンダミドル２５の上面と小径ピストン２２の段差面２２２との間には、所定の隙間が形成されている。シリンダミドル２５の上面、小径ピストン２２の段差面２２２、小径ピストン２２の大径部２２０及び小径部２２１の外壁面、大径ピストン２１の底面、並びにシリンダアッパ２３の内壁面により囲まれる空間によって油密室３１が形成されている。油密室３１には、作動油としての燃料が充填されている。

シリンダロア２６は、軸線ｍ２を中心に略有底円筒状に形成されている。シリンダロア２６の底壁部２６３の底面は、オリフィスプレート１１の上面に当接している。シリンダロア２６の内部は、円盤状の直動ピストン２７が収容される直動ピストン収容室３４を構成している。直動ピストン２７は、シリンダロア２６の内壁面に対して摺動可能に接することにより、軸線ｍ２に沿った方向に往復動可能に支持されている。

直動ピストン収容室３４には、スプリング３３が収容されている。このスプリング３３の弾性力により直動ピストン２７がシリンダロア２６の底壁部２６３に向かって付勢されることにより、直動ピストン２７がシリンダロア２６の底壁部２６３に当接した状態で保持されている。以下では、シリンダロア２６の底壁部２６３に当接している直動ピストン２７の位置をシリンダロア２６の初期位置と称する。直動ピストン２７には、軸線ｍ２に沿ってその底面から上面に向かって貫通する挿通孔２７０が形成されている。挿通孔２７０には、制御弁２８が挿通されている。挿通孔２７０の内壁面と制御弁２８の外壁面との間には微少な隙間が形成されている。したがって、制御弁２８は、直動ピストン２７と独立して変位可能である。

シリンダロア２６には、直動ピストン収容室３４を低圧室２９に連通させる連通路２６２が形成されている。したがって、直動ピストン収容室３４には、低圧の燃料が流通している。
制御弁２８の上端部は、小径ピストン２２の小径部２２１の底面に形成された凹状の挿入穴２２３に圧入されている。したがって、制御弁２８は、小径ピストン２２と一体となって変位する。制御弁２８の下端部には、他の部分よりも外径が大きい頭部２８０が形成されている。頭部２８０の外径は、直動ピストン２７の挿通孔２７０の内径よりも大きい。頭部２８０の底面は、オリフィスプレート１１のシート座面１１４に当接している。

軸線ｍ２に沿った方向において頭部２８０と直動ピストン２７の底面との間には、隙間が形成されている。したがって、小径ピストン２２と一体となって制御弁２８が上方に変位する際には、まずは制御弁２８が直動ピストン２７とは独立して上方に変位する。その後、制御弁２８が更に上方に変位することにより制御弁２８の頭部２８０が直動ピストン２７に接触すると、直動ピストン２７が制御弁２８の頭部２８０により上方に押圧される。そのため、それ以降は制御弁２８及び直動ピストン２７が一体となって上方に変位する。

シリンダロア２６の底壁部２６３には、軸線ｍ２に沿ってその底面から上面に貫通する貫通孔２６４が形成されている。貫通孔２６４の内部には、制御弁２８の頭部２８０が配置されている。以下では、貫通孔２６４の内部空間を、減圧室３２とも称する。減圧室３２は、オリフィスプレート１１に形成された連通路１１２の一端部に連通されている。

シリンダロア２６には、減圧室３２を低圧室２９に連通させる低圧ポート２６０が形成されている。制御弁２８がシート座面１１４に着座している場合、すなわち制御弁２８が閉弁状態である場合、連通路１１２を介した制御室１９と低圧ポート２６０との連通が遮断されている。制御弁２８がシート座面１１４から離座して開弁状態になることにより、制御室１９が連通路１１２を通じて低圧ポート２６０に連通される。

低圧ポート２６０には、アウトオリフィス２６１が形成されている。アウトオリフィス２６１は、連通路１１２から低圧ポート２６０への燃料の流通を規制している。
図１に示されるように、燃料噴射装置ＦＩは、アクチュエータ１４を駆動させる駆動部４０を更に備えている。駆動部４０は、電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）４００や、電子駆動装置（ＥＤＵ：Electronic Driving Unit）４０１等から構成されている。本実施形態では、ＥＣＵ４００が制御部に相当する。

ＥＣＵ４００は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するマイクロコンピュータを中心に構成されている。ＥＣＵ４００は、より上位のＥＣＵから受信した信号に基づいてＲＯＭに記憶されている制御プログラムを実行する。これにより、ＥＣＵ４００は、燃料噴射装置ＦＩを駆動するための各種制御を実行する。例えば、ＥＣＵ４００は、アクチュエータ１４の伸縮駆動を制御する制御信号をＥＤＵ４０１に送信する。

ＥＤＵ４０１は、アクチュエータ１４に印加させる高電圧を発生する高電圧発生回路と、複数のスイッチング素子とを有している。ＥＤＵ４０１は、ＥＣＵ４００からの制御信号である噴射信号に基づいて複数のスイッチング素子のオン及びオフを切り替えることによりアクチュエータ１４への電力供給を制御する。すなわち、ＥＣＵ４００からＥＤＵ４０１に送信される制御信号に基づいてアクチュエータ１４の駆動が制御される。具体的には、ＥＣＵ４００が制御信号として開弁指令をＥＤＵ４０１に送信すると、ＥＤＵ４０１からアクチュエータ１４のピエゾ素子積層体に電圧が印加され、アクチュエータ１４が伸張する。また、ＥＣＵ４００が制御信号として閉弁指令をＥＤＵ４０１に送信すると、ＥＤＵ４０１がアクチュエータ１４のピエゾ素子積層体を放電させる。これにより、アクチュエータ１４が収縮する。

次に、本実施形態の燃料噴射装置ＦＩの動作例について説明する。
ＥＣＵ４００からＥＤＵ４０１に対して閉弁指令が送信されている場合、ＥＤＵ４０１がアクチュエータ１４への電圧の印加を停止しているため、アクチュエータ１４は収縮状態になっている。この場合、大径ピストン２１、小径ピストン２２、直動ピストン２７、及び制御弁２８は図１に示される位置に配置されている。すなわち、制御弁２８は閉弁状態になっている。そのため、制御室１９と低圧ポート２６０との連通が遮断されている。このとき、高圧燃料通路１６を流通する高圧の燃料が制御室１９に流入しているため、制御室１９には高圧の燃料が充填されている。制御室１９内の燃料圧力によりノズルニードル１３が下方に押圧されることによりノズルニードル１３が噴射孔１２１を閉塞している。すなわち、燃料噴射装置ＦＩは閉弁状態になっている。

この状態でＥＣＵ４００からＥＤＵ４０１に対して開弁指令が送信されると、ＥＤＵ４０１がアクチュエータ１４への電圧の印加を行うため、アクチュエータ１４のピエゾ素子積層体が充電される。これによりアクチュエータ１４が伸張すると、大径ピストン２１が下方に変位するため、油密室３１内の燃料が押圧される。その結果、図３に示されるように、油密室３１内の燃料圧力が小径ピストン２２の段差面２２２に対して上方に加わるため、小径ピストン２２が上方に押圧される。したがって、小径ピストン２２と一体となって制御弁２８が上方に変位するため、制御弁２８がオリフィスプレート１１のシート座面１１４から離座して開弁状態になる。よって、制御室１９内の燃料がオリフィスプレート１１の連通路１１２を通じて減圧室３２に流入する。減圧室３２に流入した燃料は低圧ポート２６０を通じてアウトオリフィス２６１により減圧されつつ低圧室２９に流入する。一方、図１に示されるように、高圧燃料通路１６から制御室１９への高圧燃料の流入は、高圧ポート１１１に形成されたインオリフィス１１３により規制される。燃料噴射装置ＦＩでは、インオリフィス１１３を流通する燃料の流量が、アウトオリフィス２６１を流通する燃料の流量よりも小さくなるように、インオリフィス１１３及びアウトオリフィス２６１のそれぞれの絞り直径が設定されている。これにより、高圧ポート１１１から制御室１９に流入する燃料の流量よりも、制御室１９から低圧ポート２６０に流出する燃料の流量の方が多くなるため、制御室１９内の燃料圧力が徐々に低下する。

制御室１９内の燃料圧力が低下すると、制御室１９内の燃料圧力とニードル収容孔１２０内の燃料圧力との差圧により、ノズルニードル１３に上方の力が付与されるため、ノズルニードル１３が上方にリフト動作する。よって、噴射孔１２１が開放されるため、噴射孔１２１から高圧の燃料が噴射される。すなわち、燃料噴射装置ＦＩは開弁状態になる。図３に示される状態では、燃料噴射装置ＦＩは、制御室１９内の燃料圧力の低下に基づいてノズルニードル１３を開弁方向にリフト動作させる油圧サーボ駆動で動作する。

以下では、図３に示されるように制御弁２８を開弁させるために必要な動力をアクチュエータ１４に発生させるためにアクチュエータ１４の充電を行う制御を油圧サーボ制御と称する。本実施形態では、油圧サーボ制御が第１制御に相当する。
なお、図３に示されるように、大径ピストン２１において油密室３１の油圧力が作用する受圧面、すなわち大径ピストン２１の下端面の面積を「Ｓ１」とし、小径ピストン２２において油密室３１の油圧力が作用する受圧面、すなわち小径ピストン２２の段差面２２２の面積を「Ｓ２」とすると、本実施形態の燃料噴射装置ＦＩでは、受圧面の面積Ｓ１よりも受圧面の面積Ｓ２の方が小さくなっている。これにより、大径ピストン２１の変位量よりも小径ピストン２２の変位量を大きくすることができる。本実施形態の燃料噴射装置ＦＩでは、このような構造により、アクチュエータ１４及び大径ピストン２１の変位量よりも小径ピストン２２及び制御弁２８の変位量を大きくすることの可能な変位拡大機構が構成されている。

図３に示される状態から更にアクチュエータ１４に電圧が印加され続けることによりアクチュエータ１４が伸張して大径ピストン２１が更に下方に変位すると、図４に示されるように小径ピストン２２が更に上方に変位する。これにより、小径ピストン２２と一体となって制御弁２８が更に上方に変位することにより、制御弁２８の頭部２８０が直動ピストン２７に接触するとともに、制御弁２８の頭部２８０が直動ピストン２７を上方に押圧する。その結果、直動ピストン２７は、制御弁２８と一体となって上方に変位する。直動ピストン２７が上方に変位することにより、減圧室３２の容積が拡大する。減圧室３２の容積の拡大に伴って制御室１９内の燃料が減圧室３２に流入するため、制御室１９内の燃料が減少する。

制御室１９内の燃料が減少することにより、ノズルニードル１３には、上方に向かう方向の油圧力が作用するため、ノズルニードル１３が上方に更に変位する。すなわち、ノズルニードル１３が開弁方向に更にリフト動作するため、噴射孔１２１から噴射される燃料量が増加する。このように、直動ピストン２７は、アクチュエータ１４の伸張に基づいてノズルニードル１３をリフト動作させる油圧力を発生させる。図４に示される状態では、燃料噴射装置ＦＩは、アクチュエータ１４の駆動力を制御室１９の油圧力を介してノズルニードル１３に伝達することによりノズルニードル１３を開弁方向にリフト動作させる直動駆動で動作する。

以下では、図４に示されるように制御弁２８と共に直動ピストンを開弁させるために必要な動力をアクチュエータ１４に発生させるためにアクチュエータ１４の充電を行う制御を直動制御と称する。本実施形態では、直動制御が第２制御に相当する。
その後、ＥＣＵ４００からＥＤＵ４０１に対して閉弁指令が送信されると、アクチュエータ１４が収縮する。アクチュエータ１４の収縮により大径ピストン２１が上方に変位すると、油密室３１内の油圧力により小径ピストン２２が下方に変位する。そのため、図５に示されるように、制御弁２８が、オリフィスプレート１１のシート座面１１４に着座する閉弁状態になる。よって、制御室１９と低圧ポート２６０との連通が遮断される。一方、高圧燃料通路１６を流れる高圧の燃料が高圧ポート１１１を通じて制御室１９に流入する。そのため、制御室１９に高圧の燃料が充填される。これにより、制御室１９内の燃料圧力によりノズルニードル１３が下方に押圧されて噴射孔１２１を閉塞する。すなわち、燃料噴射装置ＦＩは閉弁状態になる。

また、図５に示される状態では、制御弁２８が直動ピストン２７と独立して変位するため、直動ピストン２７は、減圧室３２内の油圧力によりシリンダロア２６の底壁部２６３から離間した状態となっている。制御弁２８が閉弁状態になると、減圧室３２内の燃料が低圧ポート２６０に流れることにより減圧室３２内の燃料圧力が低下するため、直動ピストン２７に付与される油圧力が減少する。直動ピストン２７に付与されている油圧力がスプリング３３の弾性力よりも小さくなると、直動ピストン２７は、スプリング３３の弾性力により下方に変位することにより、図２に示されるシリンダロア２６の底壁部２６３に当接している状態、すなわち初期位置に復帰する。

次に、図６を参照して、ＥＣＵ４００によるアクチュエータ１４の制御態様について説明する。
例えば時刻ｔ１０でＥＣＵ４００が図３に示される油圧サーボ制御を開始したとすると、図６（Ａ）に示されるように、大径ピストン２１の変位量が時刻ｔ１０から徐々に増加する。これに伴い、図６（Ｂ）に示されるように、油密室３１の油圧力が徐々に上昇する。そして、時刻ｔ１１で油密室３１の油圧力が所定値ＦＨ１まで上昇すると、図６（Ｃ）に示されるように制御弁２８が変位して開弁する。その後、制御弁２８は、開弁位置Ｐ１に保持される。開弁位置Ｐ１は、初期位置に保持されている直動ピストン２７に制御弁２８が当接する位置である。

一方、制御弁２８が開弁することにより、制御室１９内の燃料が減圧室３２に流入するため、制御室１９内の燃料圧力が上昇する。この制御室１９内の燃料圧力の上昇に基づいて直動ピストン２７に上方の油圧力が作用するため、図６（Ｄ）に示されるように、直動ピストン２７は、時刻ｔ１１以降、シリンダロア２６の底壁部２６３から離間する方向に変位した後、スプリング３３の付勢力により時刻ｔ１２で初期位置に戻る。

ＥＣＵ４００は、時刻ｔ１２以降の時刻ｔ１３で図４に示される直動制御を開始する。これにより、図６（Ａ）に示されるように、大径ピストン２１の変位量が時刻ｔ１３から増加するため、図６（Ｂ）に示されるように、油密室３１の油圧力も増加する。そして、時刻ｔ１４で油密室３１の油圧力が所定値ＦＨ２まで上昇すると、図６（Ｃ）に示されるように、制御弁２８が開弁位置Ｐ１から更に変位し始める。そして、この制御弁２８の変位に応じて、図６（Ｄ）に示されるように、直動ピストン２７が時刻ｔ１４から変位し始める。

ところで、仮に直動ピストン２７が初期位置に復帰するよりも前の時刻ｔ２０の時点でＥＣＵ４００が図４に示される直動制御を開始したとすると、図６（Ａ）に二点鎖線で示されるように、大径ピストン２１の変位量が時刻ｔ２０から増加する。このとき、直動ピストン２７と制御弁２８の頭部２８０との間の距離が広がっているため、制御弁２８が開弁位置Ｐ１から所定距離Ｌだけずれた位置Ｐ２まで変位した時刻ｔ２１で直動ピストン２７に接触する。その後、図６（Ｃ）に二点鎖線で示されるように、時刻ｔ２１から若干遅れた時刻ｔ２２から制御弁２８が開弁位置Ｐ２から更に変位し始める。そして、この制御弁２８の変位に応じて、図６（Ｄ）に二点鎖線で示されるように、直動ピストン２７が時刻ｔ２２から変位し始める。

このように、直動ピストン２７が初期位置に復帰するよりも前の時刻ｔ２０の時点でＥＣＵ４００が図４に示される直動制御を開始した場合、制御弁２８を直動ピストン２７に接触させるためには、制御弁２８に空走距離Ｌが必要となる。これは、アクチュエータ１４の駆動エネルギを増加させる要因となる。

これに対し、本実施形態の燃料噴射装置ＦＩのように、直動ピストン２７が初期位置に一旦戻った後にＥＣＵ４００が直動制御を開始すれば、制御弁２８の空走距離Ｌを無くすことが可能であるため、アクチュエータ１４の駆動エネルギを低減することができる。また、直動ピストン２７が初期位置に一旦戻った後にＥＣＵ４００が直動制御を開始すれば、より的確に直動ピストン２７の変位量を制御することができるため、結果的に燃料噴射装置ＦＩの燃料噴射量をより高い精度で制御することが可能となる。

なお、ＥＣＵ４００は、直動制御を実行する必要がない場合には、油圧サーボ制御のみを実行する。
以上説明した本実施形態の燃料噴射装置ＦＩによれば、以下の（１）〜（６）に示される作用及び効果を得ることができる。

（１）制御弁２８の開弁動作の初期においては制御弁２８が直動ピストン２７とは独立して変位するため、アクチュエータ１４の駆動力として、直動ピストン２７を変位させるために必要な駆動力が必要ない。そのため、アクチュエータ１４の駆動負荷を低減することができる。また、制御弁２８が閉弁動作する際に制御弁２８と直動ピストン２７とが独立して変位可能であれば、制御弁２８が閉弁状態になることにより直動ピストン２７に付与される油圧力を低下させた後に、スプリング３３の付勢力により直動ピストン２７を初期位置に戻すことができる。これにより、直動ピストン２７に付与される油圧力が低下するよりも前に直動ピストン２７を初期位置に戻す場合と比較すると、直動ピストン２７を初期位置に戻すために必要なスプリング３３の付勢力を小さくすることができる。具体的には、スプリング３３により直動ピストン２７に付与されている付勢力を、直動ピストン２７に加わる油圧力の上限値よりも低い値に設定することができる。よって、制御弁２８と共に直動ピストン２７を変位させる際にスプリング３３の付勢力に抗する力がアクチュエータ１４に必要になることを考慮すると、スプリング３３の付勢力を小さくすることができれば、結果としてアクチュエータ１４の駆動負荷を低減することができる。

（２）本実施形態の燃料噴射装置ＦＩでは、大径ピストン２１の底面が、アクチュエータ１４の伸張方向において油密室３１の油圧力が作用する受圧面となっている。また、小径ピストン２２の段差面２２２は、アクチュエータ１４の伸張方向とは逆方向において油密室３１の油圧力が作用する受圧面となっている。このような構成によれば、大径ピストン２１及び小径ピストン２２のそれぞれの線膨張係数の差に基づく各ピストン２１，２２の初期位置のばらつきを油密室３１にて吸収することが可能となる。

（３）大径ピストン２１の受圧面である底面の面積Ｓ１よりも、小径ピストン２２の受圧面である段差面２２２の面積Ｓ２の方が小さい。これにより、大径ピストン２１の変位量よりも小径ピストン２２及び制御弁２８の変位量を大きくすることが可能となる。
（４）シリンダロア２６は、その内部に直動ピストン２７及びスプリング３３を収容するとともに、直動ピストン２７を摺動可能に支持している。シリンダロア２６の内部空間は、低圧室２９に連通されている。これにより、直動ピストン２７を初期位置から変位させる際の油圧力の増加を抑制することができるため、結果としてアクチュエータ１４の駆動負荷を低減することができる。

（５）ＥＣＵ４００は、直動制御の実行開始時期ｔ１３を、制御弁２８の開弁後にシリンダロア２６の減圧室３２の燃料圧力により直動ピストン２７が初期位置から一旦変位した後に初期位置に戻る時期ｔ１２よりも遅れた時期に設定している。これにより、制御弁２８の空走が抑制されるため、アクチュエータ１４の駆動エネルギを低減することができる。また、より的確に直動ピストン２７の変位量を制御することができるため、結果的に燃料噴射装置ＦＩの燃料噴射量をより高い精度で制御することが可能となる。

（６）ＥＣＵ４００は、直動制御を実行する必要がない場合には、油圧サーボ制御のみを実行する。これにより、アクチュエータ１４の不要な駆動エネルギの増加を回避することができる。
（変形例）
次に、第１実施形態の燃料噴射装置ＦＩの変形例について説明する。

図７に示されるように、本変形例の燃料噴射装置ＦＩでは、小径ピストン２２の小径部２２１の底面が円錐台状に形成されている。制御弁２８の上端部は、小径ピストン２２の小径部２２１の底面に溶接により固定されている。
このような構造からなる燃料噴射装置ＦＩであっても、第１実施形態の燃料噴射装置ＦＩと同一又は類似の作用及び効果を得ることができる。

＜第２実施形態＞
次に、燃料噴射装置ＦＩの第２実施形態について説明する。以下、第１実施形態の燃料噴射装置ＦＩとの相違点を中心に説明する。なお、本実施形態では、制御弁２８が第１制御弁に相当する。

図８に示されるように、本実施形態の燃料噴射装置ＦＩは、制御室１９内に配置される圧力従動弁３５を更に備えている。圧力従動弁３５は、軸線ｍ１を中心に円盤状に形成されている。圧力従動弁３５は、制御室１９内に配置されたスプリング３６によりオリフィスプレート１１に向かって付勢されている。本実施形態では、圧力従動弁３５が第２制御弁に相当する。

圧力従動弁３５の中央部には、軸線ｍ１に沿って底面から上面に貫通する貫通孔３５１が形成されている。貫通孔３５１は、制御室１９とオリフィスプレート１１の連通路１１２とを連通させている。貫通孔３５１には、制御室１９からオリフィスプレート１１の連通路１１２への燃料の流通を規制するアウトオリフィス３５２が形成されている。圧力従動弁３５は、オリフィスプレート１１の底面に当接している場合、制御室１９と高圧ポート１１１との連通を遮断する。圧力従動弁３５がオリフィスプレート１１の底面から離間することにより、制御室１９と高圧ポート１１１とが連通される。

次に、本実施形態の燃料噴射装置ＦＩの動作例について説明する。
本実施形態の燃料噴射装置ＦＩでは、制御弁２８が閉弁状態である場合、制御室１９から低圧ポート２６０への燃料の流通が遮断されている。このとき、制御室１９内の燃料の圧力が、高圧ポート１１１を流通する燃料の圧力よりも低い場合には、それらの差圧に基づく油圧力が圧力従動弁３５に対して下方に作用する。この油圧力に基づいて圧力従動弁３５がスプリング３６の付勢力に抗してオリフィスプレート１１の底面から離間することにより、高圧ポート１１１と制御室１９とが連通される。これにより、制御室１９に高圧の燃料が流入可能となるため、制御室１９に高圧の燃料が充填される。この制御室１９内の燃料圧力によりノズルニードル１３が下方に押圧されることで、ノズルニードル１３が噴射孔１２１を閉塞している。よって、燃料噴射装置ＦＩは閉弁状態になっている。

アクチュエータ１４の伸張に基づき制御弁２８が開弁状態になると、制御室１９内の燃料が圧力従動弁３５の貫通孔３５１及びオリフィスプレート１１の連通路１１２を通じて低圧ポート２６０に流入する。このとき、制御室１９内の高圧の燃料がアウトオリフィス３５２を通過する際に減圧されるため、圧力従動弁３５の底面に作用する燃料圧力よりも、圧力従動弁３５の上面に作用する燃料圧力の方が小さくなる。そのため、圧力従動弁３５には、制御室１９からオリフィスプレート１１に向かう方向の油圧力が作用する。この油圧力によって圧力従動弁３５がオリフィスプレート１１の底面に当接することにより、オリフィスプレート１１の高圧ポート１１１が閉塞される。すなわち、圧力従動弁３５は、制御室１９内の燃料圧力の変化に基づいて高圧ポート１１１を閉塞する。高圧ポート１１１が閉塞されることにより高圧燃料通路１６と制御室１９との連通が遮断されるため、制御室１９への高圧燃料の流入が規制される。このとき、制御室１９内の燃料が圧力従動弁３５の貫通孔３５１及びオリフィスプレート１１の連通路１１２を通じて低圧ポート２６０に流出するため、制御室１９内の燃料圧力が徐々に低下する。この制御室１９内の燃料圧力の低下に基づいてノズルニードル１３がリフト動作することにより、燃料噴射装置ＦＩが開弁状態になる。

その後、アクチュエータ１４の収縮に基づき制御弁２８が閉弁状態になると、制御室１９内の燃料の圧力と、高圧ポート１１１を流通する燃料の圧力との差に応じた油圧力が圧力従動弁３５に対して下方に作用するため、圧力従動弁３５がオリフィスプレート１１の底面から離間する。これにより、高圧ポート１１１から制御室１９に高圧の燃料が流入するため、制御室１９に高圧の燃料が充填される。この制御室１９内の燃料圧力によりノズルニードル１３が下方に押圧されることで、ノズルニードル１３が噴射孔１２１を閉塞する。よって、燃料噴射装置ＦＩは閉弁状態になる。

以上説明した本実施形態の燃料噴射装置ＦＩによれば、以下の（７）に示される作用及び効果を更に得ることができる。
（４）圧力従動弁３５により高圧ポート１１１を遮断することができるため、第１実施形態の燃料噴射装置ＦＩのように、インオリフィス１１３を流通する燃料の流量が、アウトオリフィス２６１を流通する燃料の流量よりも小さくなるように、インオリフィス１１３及びアウトオリフィス２６１のそれぞれの絞り直径を設定する必要がない。したがって、インオリフィス１１３及びアウトオリフィス２６１のそれぞれの絞り直径を独立して設定可能であるため、燃料噴射装置ＦＩの設計の自由度を向上させることができる。

＜他の実施形態＞
なお、各実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
・第２実施形態の燃料噴射装置ＦＩの構成は、第１実施形態の変形例の燃料噴射装置ＦＩにも適用可能である。

・本開示は上記の具体例に限定されるものではない。上記の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素、及びその配置、条件、形状等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

ＦＩ：燃料噴射装置
１０：インジェクタボディ（本体）
１１：オリフィスプレート（本体）
１２：ノズルボディ（本体）
１３：ノズルニードル
１４：アクチュエータ
１６：高圧燃料通路
１９：制御室
２１：第１ピストン
２２：第２ピストン
２６：シリンダロア
２７：直動ピストン
２８：制御弁、第１制御弁
２９：低圧室
３１：油密室
３３：スプリング
３５：圧力従動弁（第２制御弁）
１１１：高圧ポート
１１４：シート座面
１２１：噴射孔
４００：ＥＣＵ（制御部）

Claims (9)

1. 高圧の燃料が流通する高圧燃料通路（１６）、前記高圧燃料通路を流れる燃料よりも低圧の燃料が流通する低圧室（２９）、及び前記高圧燃料通路を流通する燃料を噴射する噴射孔（１２１）を有する本体（１０，１１，１２）と、
   前記本体の内部に往復動可能に収容され、前記噴射孔を開閉するノズルニードル（１３）と、
   前記ノズルニードルに閉弁方向の圧力を付与する高圧の燃料が充填される制御室（１９）と、
   前記本体に設けられたシート座面（１１４）に着座して閉弁状態になることにより前記制御室及び前記低圧室の連通を遮断する制御弁（２８）と、
   前記制御弁を前記シート座面から離座させて前記制御弁を開弁状態にすることにより前記制御室及び前記低圧室を連通させるアクチュエータ（１４）と、
   前記制御弁と一体となって初期位置から変位することにより、前記ノズルニードルをリフト動作させる油圧力を前記制御室に発生させる直動ピストン（２７）と、
   前記直動ピストンを前記初期位置に戻す方向に付勢するスプリング（３３）と、を備え、
   前記制御弁は、
   閉弁状態から開弁動作する際に、開弁動作の初期において前記直動ピストンと独立して変位するとともに、開弁方向に更に変位して前記直動ピストンに当接することにより前記直動ピストンと一体的に変位し、
   開弁状態から閉弁動作する際に、前記直動ピストンと独立して変位可能であり、
   前記直動ピストンは、
   前記制御弁が閉弁動作する際に、前記スプリングの付勢力により前記初期位置に戻る
   燃料噴射装置。
2. 前記アクチュエータの駆動力が伝達されることにより、前記アクチュエータの伸張方向に変位する第１ピストン（２１）と、
   前記制御弁と一体となって変位する第２ピストン（２２）と、を備え、
   前記第１ピストン及び前記第２ピストンの間には、作動油が充填される油密室（３１）が設けられ、
   前記第１ピストンは、前記アクチュエータの伸張方向において前記油密室の油圧力が作用する受圧面を有し、
   前記第２ピストンは、前記アクチュエータの伸張方向とは逆方向において前記油密室の油圧力が作用する受圧面を有する
   請求項１に記載の燃料噴射装置。
3. 前記ピストンの受圧面の面積よりも、前記制御弁の受圧面の面積の方が小さい
   請求項２に記載の燃料噴射装置。
4. 前記制御弁を第１制御弁とするとき、
   前記高圧燃料通路から前記制御室に高圧の燃料を流入させる高圧ポート（１１１）と、
   前記制御弁が開弁することに基づいて前記高圧ポートを閉塞する第２制御弁（３５）と、を更に備える
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
5. 前記第２制御弁は、前記制御室内の燃料圧力の変化に基づいて前記高圧ポートを閉塞する圧力従動弁である
   請求項４に記載の燃料噴射装置。
6. 前記直動ピストン及び前記スプリングが内部に収容され、前記直動ピストンを摺動可能に支持するシリンダ（２６）を更に備え、
   前記シリンダの内部空間は、前記低圧室に連通されている
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
7. 前記スプリングにより前記直動ピストンに付与されている付勢力は、前記直動ピストンに加わる油圧力の上限値よりも低い値に設定されている
   請求項６に記載の燃料噴射装置。
8. 前記制御弁を開弁させるために必要な駆動力を前記アクチュエータに発生させるために前記アクチュエータの充電を行う第１制御と、前記制御弁と共に前記直動ピストンを変位させるために必要な駆動力を前記アクチュエータに発生させるために前記アクチュエータの充電を行う第２制御とを実行する制御部（４００）を更に備え、
   前記制御部は、前記第２制御の実行開始時期を、前記制御弁の開弁後に前記シリンダの内部空間の燃料圧力により前記直動ピストンが前記初期位置から一旦変位した後に前記初期位置に戻る時期よりも遅れた時期に設定している
   請求項６又は７に記載の燃料噴射装置。
9. 前記制御部は、前記第２制御を実行する必要が無い場合には、前記第１制御のみを実行する
   請求項８に記載の燃料噴射装置。

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