JP3700981B2 - 蓄圧式燃料噴射装置 - Google Patents

Description

技術分野
この発明は、ディーゼル機関等の内燃機関に適用される蓄圧式燃料噴射装置に関する。
背景技術
従来、多気筒エンジンの燃料噴射装置には、電子回路によって噴射量、噴射時期等の制御を行う燃料噴射方式（電子制御燃料噴射システム）、噴射ポンプから共通の通路を経て各燃焼室に燃料を分配する共同噴射方式（コモンレール噴射システム）、噴射ポンプから共通の通路及び蓄圧室を経て各燃焼室に燃料を分配する蓄圧式噴射方式（アキュムレータ噴射システム）等があり、これらの方式の燃料噴射装置自体には、噴射ポンプからの燃料を一旦溜めておくための蓄圧室は設けられていないので、各燃料噴射装置への燃料の供給は共通の通路であるコモンレール即ち蓄圧室を通じて行われている。
第８図は、従来の蓄圧式燃料噴射装置のインジェクタ（以下、第一従来例という。）を示している。かかる従来のインジェクタは、例えば、特開昭５９−１６５８５８号公報や特開昭６２−２８２１６４号公報に記載されているような圧力バランス型インジェクタであって、電磁弁をオン・オフしてバランスチャンバ内に燃料を供給又は排出することによって針弁をノズルのシート部に着座又は上昇させる構造を有しており、バランスチャンバ内に付与される針弁の閉弁方向の燃料圧力を除くことによって針弁をノズルのシート部から上昇させて燃料噴射を行うものである。かかる構造を更に説明すると、インジェクタ３０のケーシング３１内には、ガイド孔３２、燃料溜まり室３３及びコントロールボリューム即ちバランスチャンバ３４が形成されている。ガイド孔３２内には針弁３５が摺動自在に設けられている。針弁３５は、ガイド孔３２に摺動自在に嵌合された大径部３６と、該大径部３６に一体に設けた小径部３７とからなり、小径部３７の先端には弁体部３８が設けられている。ケーシング３１にはホール形の噴射ノズル３９（第１１図参照）が設けられ、噴射ノズル３９の先端には噴孔４０が形成されている。また、噴射ノズル３９の先端にはシート部４１が形成されており、針弁３５の弁体部３８がシート部４１に着座することにより噴孔４０は閉じる。なお、ホール形の噴射ノズル３９では、閉弁後にシート部４１から燃焼室に至る通路内に溜まった燃料が燃焼室内の高い温度、圧力変動などにより噴出する場合があり（即ち、後だれ）、燃料が未燃焼ガスとなって排出ガス中のＨＣが増加するので、シート部４１から噴孔４０までの容積（サックボリューム４９）はできるだけ小さくする必要がある。
ケーシング３１は蓄圧配管（図示せず）から高圧燃料を内部へ導入するための供給口４２を有し、供給口４２に通じる流路は２つの流路４３，４４に分岐し、一方の流路４３はオリフィスＢを介してバランスチャンバ３４に連通し、他方の流路４４は燃料溜まり室３３へ連通している。また、ケーシング３１にはバランスチャンバ３４と外部とを連通するオリフィスＡが形成されている。
ケーシング３１にはオリフィスＡを開閉する電磁弁４５が設けられている。供給口４２から導入された高圧燃料はバランスチャンバ３４と燃料溜まり室３３とへ導入され、針弁３５に作用する。電磁弁４５が通電されていない時には、オリフィスＡ（排出路４６）は電磁弁４５によって閉じられており、一方で高圧燃料がバランスチャンバ３４と燃料溜まり室３３とに供給されているので、針弁３５に作用する圧力の面積差によって、針弁３５は下方へ押し付けられ、噴孔４０は閉じた状態になっている。電磁弁４５のソレノイド４７を励磁すると、弁体４８が吸引されてオリフィスＡが開き、その結果、バランスチャンバ３４の圧力が降下していく。そして、燃料溜まり室３３内の圧力に基づく針弁の押し上げ力の方がバランスチャンバ３４内の圧力に基づく針弁の押し下げ力よりも大きくなると、針弁３５は上昇し、噴孔４０が開き、噴射が始まる。そして、電磁弁４５のソレノイド４７が消磁されると、弁体４８はオリフィスＡを閉じ、オリフィスＢを通じて導入された高圧燃料によってバランスチャンバ３４内の燃圧は瞬時に高まり、その結果、針弁３５が降下し、噴孔４０が閉じ、噴射が停止する。即ち、電磁弁４５を非通電状態にしてオリフィスＡを閉じてバランスチャンバ３４内の燃料圧力を瞬時に高めたとき、燃料溜まり室３３から噴射ノズル３９を通って噴孔４０から噴射される燃料の流ればあるから、燃料圧力は、針弁３５の小径部３７とその周囲のケーシング３１との間に形成されている環状の燃料流路が有する流路抵抗のために、噴射ノズル３９の先端ほど低下している。したがって、バランスチャンバ３４内の高い燃料圧力、燃料溜まり室３３における燃料圧力及びシート部４１における燃料圧力に基づいて、針弁３５には全体として押し下げる力が作用するので、針弁３５は閉弁する。
第９図は、従来の蓄圧式燃料噴射装置における燃料供給系を表した模式図である。オリフィスＡとオリフィスＢは固定オリフィス（オリフィスＡの内径ｄ_A、オリフィスＢの内径ｄ_Bは一定）であり、オリフィスＡはオリフィスＢよりも大きく設定されている（ｄ_A＞ｄ_B）ので、オリフィスＡから流出する燃料流量はオリフィスＢの大きさによって決まることになる。また、針弁３５のリフトはある噴射量以上はフルリフトになる。
第１０図は、ディーゼル機関に用いられるインジェクタの噴孔面積特性、即ち針弁３５のリフト量と噴射ノズル３９の有効開口面積の関係を示すグラフである。低リフト時、即ち針弁３５のリフト量が小さい時には、噴射ノズル３９の有効開口面積は弁体部３８とシート部４１との間の隙間の大きさに応じて増加するが、該隙間の面積が噴孔４０の面積を越えると、有効開口面積は針弁３５のリフトに関係なく一定になる。
第１２図に示した従来例は、電磁弁が非通電状態のときに針弁３５の閉弁作用をより確実にするために、単に流路抵抗に依存するのみではなく、針弁３５に対して押し下げる方向の力を作用させる戻しばね５６を設けた例（以下、第二従来例という。第一従来例と同等の構成要素には同一の符号を付してあるので、詳細な再度の説明を省略する。）である。即ち、第二従来例の針弁３５は、大径部３６、小径部３７及び大径部３６に形成された縮径部５０から構成されている。ケーシング３１と縮径部５０との間に形成された低圧部５１には戻しばね５２が収納されている。戻しばね５２の大径部３６側端部は、低圧部５１のケーシング３１の肩部に支持されているばね座５３に当接しており、戻しばね５２の小径部３７側端部は、縮径部５０の下側肩部に支持されているばね座５４に当接している。戻しばね５２は、常時、針弁３５を閉弁方向に付勢しており、針弁３５の迅速な閉弁作用を行わしめて噴射ノズルからの燃料の後だれを防止する作用がある。なお、低圧部５１に漏れ出た燃料は流路５５を経て燃料タンクに回収される。また、供給口４２からの流路４３は、一旦大径部３６内に形成された流路５６からオリフィスＣ（第８図に示した従来例のオリフィスＢに相当する。オリフィス径ｄ_C）を経てバランスチャンバ３４に連通している。燃料圧力が針弁３５に作用する閉弁方向の力と開弁方向の力とが釣り合って十分な閉弁作用が得られない状態になっても、戻しばね５２が針弁３５を確実に閉弁させる。
ところで、近年の燃費、出力馬力、排気ガス等のエンジンに要求される性能水準が高まってきており、エンジンがこのような高い水準の諸性能を満足するには噴孔から噴射される単位時間当たりの噴射量である燃料噴射率をエンジン負荷等の状況に応じて微細に制御することが求められる。そのための基本的な技術として、針弁のリフト量を少なくとも多段階に制御可能とすることが必要である。
燃料噴射率の微細な制御の一例として、噴射初期段階における燃料噴射率、即ち、初期噴射率の制御が挙げられる。初期噴射率が大きい場合には、燃焼騒音やＮＯ_Xを生じるという問題がある。
ところで、エンジン回転数や負荷の状態に応じた最適な燃料噴射率制御を行うには、針弁のリフト量を正確に制御すること、即ち針弁をハーフリフト状態に保持するハーフリフト制御が可能であることが必要である。ところが、上記第一及び第二従来例の如きインジェクタは電磁弁のＯＮ又はＯＦＦによって針弁３５をシート部４１にフルリフト又は着座させるものであって、ハーフリフトを精密に制御できる構造に構成されていない。
また、別のインジェクタ（以下、第三従来例という）として、可変噴孔数機構を採用することによって初期噴射率の制御を行うことが提案されている（例えば、実開昭５７−１４２１７０号公報参照）。
第１１図に示す如きホール形の噴射ノズル３９では、低リフト時（実線位置）には弁体部３８とシート部４１との間隔ｄが小さいため、供給口４２から燃料溜まり室３３を経て燃料が噴孔４０から噴射されるまでの燃料噴射経路の中で、シート部４１が最大絞り部となる。即ち、フルリフト時（破線位置）にはシート部４１における開口面積は噴孔４０の開口面積よりも大きいため、有効開口面積は当然噴孔４０の開口面積で決まるが、低リフト時にはシート部４１における開口面積が噴孔４０の開口面積よりも小さいので、有効開口面積はシート部４１で決まることになる。従って、低リフト時には、噴射される高圧燃料の圧力即ち燃圧Ｐ₂は、針弁３５に作用する燃圧（＝コモンレール圧）Ｐ₁よりも小さくなる（Ｐ₂＜Ｐ₁）。つまり、低リフト時の実際の噴射圧Ｐ₂は、要求される噴射圧Ｐ₁に満たない低圧噴射となってしまうため、噴霧微粒化が達成されず、スモーク増加を招いてしまう。
これに対して可変噴孔数機構１２は、第１３図に示すように、噴射ノズル１１の先端に形成された円筒部１３に針弁６のリフト方向（矢印Ｃ参照）に沿って、従来の噴孔４０よりも直径の小さな複数個の噴孔１４ａが形成され、噴孔１４ａの開口面積の総和は従来の噴孔の開口面積よりも大きくなるように形成されている。針弁６の弁体部９がシート部１５に当接した状態では針弁６の外周面６ａで全ての噴孔１４ａの開口を閉塞するように構成されているので、後だれの不具合は生じ難い。一方、針弁６の先端には送油孔１６が開口すると共に送油孔１６は針弁６の縮径部１７に形成された通路１８に連通している。
可変噴孔数機構１２によれば、針弁６がリフトすると、燃料溜まり室４と通路１８及び送油孔１６が連通し且つ閉塞されていた噴孔１４ａの開口は針弁６のリフト量に応じて次々に開放される。例えば、針弁６のリフト量がＳ₁のときは、下側の噴孔１４ａのみが開放され、針弁６のリフト量がＳ₂のときは、下側のみならず上側の噴孔１４ａも開放される。従って、可変噴孔数機構１２によれば、低リフト時における初期段階では開口する噴孔１４ａの開口面積は従来よりも小さいので、初期噴射率を低く抑えることができる。
また、可変噴孔数機構１２はパイロット噴射を行う場合にも適している。即ち、内燃機関の一回の燃焼に必要な燃料を複数回に分割して噴射する燃料噴射装置において、燃料の大部分を噴射するメイン噴射に先だって、燃料の着火遅れを防止する必要がある時に微量の燃料噴射（パイロット噴射）を行うことがあるが、可変噴孔数機構１２はこのようなパイロット噴射を行う場合に適している。
第三従来例の可変噴孔数機構１２を備えたインジェクタは、各噴孔１４ａの開口面積が第一従来例の噴孔４０の開口面積に比べて小さいので、低リフト時であっても、有効開口面積は噴孔１４ａの開口面積によって決まることになり、初期噴射率を低く抑えることが可能である。しかしながら、第三従来例のインジェクタにおいて、針弁６のハーフリフト制御が可能であることが必要である。従って、ハーフリフト制御ができない上記第一、及び第二従来例のインジェクタと組み合わせて使用することは不可能である。
一方、圧力バランス型のインジェクタにおいて、針弁のハーフリフト制御を行う例として、針弁に対してばね荷重が異なる戻しばねを順次作用させて針弁のハーフリフト状態を一時的に作り出すインジェクタがある（第四従来例という。例えば特開平２−１６１１６５号公報参照）。即ち、針弁を小径のピストンと大径のピストンとで構成し、大径のピストンのリフトに基づく主噴射の前に、小径のピストンのリフトによってパイロット噴射を可能としたものである。
また、針弁をハーフリフトさせる手段としては、電磁弁を極短時間だけ励磁する手段がある（第五従来例という。例えば、特開平６−１５９１８４号公報参照）。即ち、電磁弁をＯＮすることによって排出路が開放されるや否や、即電磁弁をＯＦＦとして排出路を閉じるように制御するものである。このような制御により、針弁がフルリフトする以前にハーフリフト状態でバランスチャンバに燃料圧力が付与され、針弁が座着することになる。
しかしながら、第四従来例や第五従来例においては、一時的にはハーフリフト状態は得られても、そのハーフリフト状態を保持することができない。また、このようなハーフリフト手段では、その時々の燃料圧力の影響などで針弁のリフト量がばらつき、ハーフリフトの精密な制御が困難である。また、僅かな時間で電磁弁のＯＮとＯＦＦを繰り返す必要があるため、高性能な電磁弁が必要であり、コスト高となる。
したがって、この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、針弁のリフト量を精密に制御可能とし、かつ針弁のハーフリフト状態の保持を可能とし、そして近年のエンジンに対する高い性能水準の要求を満たすことを可能にする圧力バランス型の蓄圧式燃料噴射装置を提供することである。
この発明の目的は、また、針弁のハーフリフトを精密に制御できるように構成することにより、燃焼騒音の低減、ＨＣ，ＮＯ_Xの生成を抑制することができる初期噴射率の制御を可能にした蓄圧式燃料噴射装置を提供することである。
発明の開示
この発明は、先端に噴孔が形成された噴射ノズルを開閉する針弁、前記針弁に燃料圧を付与するバランスチャンバ、燃料供給口から前記バランスチャンバに燃料を供給する供給路、前記バランスチャンバから燃料を排出する排出路、前記排出路を開閉する電磁弁、及び前記電磁弁のリフト量を制御するリフト制御手段を備え、前記リフト制御手段の制御によって前記電磁弁のリフト量が増減し、前記電磁弁のリフト量に応じて前記排出路の開口面積が増減し、前記排出路の開口面積に応じて前記針弁のリフト量が増減し、前記針弁のリフト量に応じて前記供給路の開口面積及び前記噴射ノズルの開口度が増減することを特徴とする蓄圧式燃料噴射装置に関する。
この蓄圧式燃料噴射装置においては、電磁弁のリフト量が制御可能であるので、排出路の開口面積、従って単位時間当たりのバランスチャンバからの排出量も段階制御可能となり、その排出量に見合うように供給路の開口面積を通してのバランスチャンバ内への燃料流入量、即ち、供給路の開口面積を定める針弁のリフト量も制御可能となる。したがって、針弁によって開閉する噴射ノズルの開度、即ち噴射ノズルからの燃料噴射量を精度良く制御することができる。また、ハーフリフトの状態を電磁弁の操作によって保持することができ、燃料噴射時間の制御も容易になる。
前記リフト制御手段を、ソレノイドを消磁又は励磁することによって前記電磁弁の弁体の移動を少なくとも二つの位置で規制するストッパとすることができる。この場合には、ソレノイドの消磁又は励磁という簡単な手段によって、ストッパが電磁弁の弁体の移動を少なくとも二つの位置で規制して、燃料噴射量を少なくとも大小の二段階に制御することができる。
前記供給路に、前記針弁と前記針弁を摺動案内する弁ケーシングとの間に形成された溝状の通路を含ませると、針弁のリフト量によって前記溝状の通路が前記バランスチャンバに臨むオリフィスの開口面積が増減し、針弁のリフト量の精度良く且つ安定した制御を行うことができる。
前記噴射ノズルの開口度の制御は、前記噴孔の直近上流において前記針弁が弁シートから離間するリフト量、前記針弁が開く前記噴孔の開口面積、或いは噴孔を複数個の噴孔から構成する場合には針弁が開口した噴孔の数によって制御してよい。したがって、前記噴射ノズルは、前記針弁の低リフト時に開度が低く、前記針弁のフルリフト時に開度が最も大きくなる。
また、蓄圧式燃料噴射装置において、針弁のリフト量とエンジン負荷とを関係付ければ、低負荷時に排出路の開口面積を小さくして燃料噴射率を小さくし、高負荷時に排出路の開口面積を大きくして燃料噴射率を大きくすることができる。
また、蓄圧式燃料噴射装置において、前記噴射ノズルの先端に形成された噴孔に至る燃料通路は、燃料流れがあるときに燃料圧力を低下させるに十分の管路抵抗を有する場合には、電磁弁を非通電状態にして排出口を閉じてバランスチャンバと噴射ノズル側とに同等の燃料圧力を付与させようとしたときに、針弁の先端の弁体部に作用して針弁をリフトさせようとする力を減じることができる。したがって、針弁の閉鎖を確実に行うことができる。
また、この蓄圧式燃料噴射装置は、針弁とケーシングとの間に針弁を閉弁方向に付勢する戻しばねを設けた場合には、電磁弁を非通電状態にすることによって排出口を閉じたときに、針弁は、バランスチャンバに瞬時に生じる高い燃料圧力と、燃料溜まり室内の燃料圧力と、シート部に生じている燃料圧力とをそれぞれの受圧面積に応じて受けることになるが、たとえ燃料圧力に基づく閉弁方向に作用する力と燃料圧力に基づく開弁方向に作用する力との差が小さくて、十分な閉弁方向の力が得られなくても、戻しばねが常に針弁を閉弁方向に付勢しているため、針弁を確実に閉じることができる。前記電磁弁を通電状態にすることによって前記排出路が開かれているときは、針弁がハーフリフト状態とフルリフト状態のどちらの状態にあろうとも、バランスチャンバから燃料が排出されるためにバランスチャンバ内の圧力が低下するので、前記噴孔は前記針弁によって開かれる。また、戻しばねの積極的な閉弁方向の付勢力によって、針弁の迅速な閉弁動作を得ることができ、燃料の後だれ等の不具合を防ぐこともできる。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明による蓄圧式燃料噴射装置の第一実施例を示す概略図、第２図は第１図に示した蓄圧式燃料噴射装置における燃料供給系を表した模式図、第３図はこの発明による蓄圧式燃料噴射装置の第二実施例を示す概略図、第４図はこの発明による蓄圧式燃料噴射装置の第三実施例を示す概略図、第５図はこの発明による蓄圧式燃料噴射装置の第四実施例を示す概略図、第６図は第５図に示した蓄圧式燃料噴射装置の制御フローチャートの一例を示す図、第７図は第５図に示した蓄圧式燃料噴射装置のマップの一例を示す図、第８図は従来の蓄圧式燃料噴射装置の概略図、第９図は従来の蓄圧式燃料噴射装置における燃料供給系を表した模式図、第１０図は従来のディーゼル機関に用いられるインジェクタの噴孔面積特性を示すグラフ、第１１図は従来の蓄圧式燃料噴射装置におけるホール形ノズルの断面図、第１２図は従来の蓄圧式燃料噴射装置の別の例を示す概略図、第１３図は可変噴孔数機構を採用した噴射ノズルの断面図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照しながら、この発明による蓄圧式燃料噴射装置の実施例について説明する。この発明による蓄圧式燃料噴射装置の第一実施例を第１図及び第２図を参照して説明する。
第１図に示すように、インジェクタ１のケーシング２内には、ガイド孔３、燃料溜まり室４及びコントロールボリューム即ちバランスチャンバ５が形成されている。ガイド孔３内には針弁６が摺動自在に設けられている。針弁６は、ガイド孔３に摺動自在に嵌合された大径部７と、該大径部７に一体に設けられた小径部８とからなる。また、針弁６の大径部７にはバランスチャンバ５と燃料溜まり室４とを連通するスリット１０が軸方向に沿って形成されている。スリット１０は、針弁６が閉じた状態でバランスチャンバ５内に高さＨだけに相当する開口面積で臨んでいて、バランスチャンバ５と連通している。針弁６がリフトすることによってスリット１０の高さＨが増加する。スリット１０は第一従来例のオリフィスＢの代わりに針弁６に形成されたものであり、第一従来例のようにバランスチャンバ５に何ら加工する必要がないため、部品点数の削減が可能であり、加工も簡単である。また、高さＨは、針弁６のスリット１０の深さｗよりも十分小さいものである。
インジェクタ１の先端には噴射ノズル１１が形成されている。噴射ノズル１１においては、小径部８の先端に円錐状の弁体部９が形成されており、弁体部９はケーシング２の先端内部に形成されたシート部１５と共働する。弁体部９がシート部１５からリフトするに応じて、噴射ノズル１１の先端に形成された噴孔１４から燃料が噴射され、弁体部９がシート部１５に座着することによって、燃料の噴射が停止される。
ケーシング２は蓄圧配管（図示せず）から高圧燃料を内部へ導入するための供給口１９を有しており、供給口１９は燃料溜まり室４に連通し、燃料溜まり室４はスリット１０を介してバランスチャンバ５に連通しており、供給口１９、燃料溜まり室４及びスリット１０は、インジェクタ１の供給路を構成している。供給路はスリット１０の上端で絞られており、針弁６のリフトに伴ってスリット１０の高さＨが高くなり、これに伴って供給路の開口面積が増大することになる。また、ケーシング２にはバランスチャンバ５内の燃料を排出するためのオリフィスＡ（排出路２０）が形成されている。燃料溜まり室４に溜められた燃料は、小径部８の先端に至るまでの間、小径部８と噴射ノズル１１との間に形成されている間隔が狭いが長さが十分長い環状通路を通るため、その管路抵抗を受けて圧力が若干低下する。
ケーシング２の上部にはリフト制御手段を構成するリフト制御機構２１が設けられている。リフト制御機構２１は、オリフィスＡ（排出路２０）を開閉する従来型の電磁弁２２と、電磁弁２２の弁体２６のリフト量を制御するためのリフト制御機構２３とを組み合わせたものである。電磁弁２２はケーシング２の方へ向けてばね２４で付勢され且つソレノイド２５に吸引される弁体２６を有し、電磁弁２２に通電していないときには該弁体２６でオリフィスＡが閉じられている。電磁弁２２に通電すると、電磁弁２２がリフトして即ち弁体２６がリフトしてオリフィスＡは開き、バランスチャンバ５の燃圧が排出される。
リフト制御機構２１はソレノイド２７を消磁又は励磁することによって、弁体２６の移動を２つの位置で規制するストッパ２８を有している。従って、電磁弁２２のリフト即ち弁体２６のケーシング上面２９からの移動距離Ｌは、ストッパ２８の位置に応じてＬ₁とＬ₂の二段に切り換えることができる。
この蓄圧式燃料噴射装置は、リフト制御機構２１を採用して電磁弁２２のリフトを二段に切り換えることができるようにしたこと、及びオリフィスＢの開口面積（スリット１０の高さＨ）を変化させることができるようにしたことにより、針弁６のリフト量も精度よく二段に切り換えることができるようになる。その理由について以下に説明する。
まず、電磁弁２２が次式を満足するような高さＬ₁だけリフトした場合、
πｄ_AＬ₁＜πｄ_A ²／４
コントロールボリューム５内の高圧燃料はオリフィスＡから排出される。このとき、オリフィスＡを通過する流量Ｑ₁は、
Ｑ₁＝Ｃ₁πｄ_AＬ₁・〔２（Ｐ_CV−Ｐ_O）／ρ〕^1/2
となる。このため、バランスチャンバ５内の圧力は低下し、針弁６はリフトする。この時のスリット通過流量Ｑ₂は、
Ｑ₂＝Ｃ₂ｂＨ₁・〔２（Ｐ_CR−Ｐ_CV）／ρ〕^1/2
である。スリット通過流量Ｑ₂がオリフィスＡを通過する流量Ｑ₁と等しくなった時、即ち、Ｑ₂＝Ｑ₁
上記関係になった時、燃料溜まり室４側とバランスチャンバ５側とで圧力がバランスし、針弁６のリフトは停止する。このとき、Ｈ₁−Ｈ₀のリフト量が得られる。
次に、電磁弁２２が次式を満足する高さＬ₂（＞Ｌ₁）だけリフトした場合、
πｄ_AＬ₂≧πｄ_A ²／４
オリフィスＡを通過する流量Ｑ₁’は、
Ｑ₁’＝（Ｃ₁πｄ_A ²／４）・〔２（Ｐ_CV−Ｐ_O）／ρ〕^1/2＞Ｑ₁
となり、これに伴い、スリット通過流量Ｑ₂’とオリフィスＡ通過流量Ｑ₁’との間に、
Ｑ₂’＝Ｃ₂ｂＨ₂・〔２（Ｐ_CR−Ｐ_CV）／ρ〕^1/2＝Ｑ_１’
の関係が成り立つような高さＨ₂まで針弁６がリフトする。
上記の式Ｑ₁’＞Ｑ₁に、上記Ｑ₂＝Ｑ₁の及び上記Ｑ₂’＝Ｑ₁’を代入することにより、次式を導き出すことができる。
Ｈ₂＞Ｈ₁
以上のとおりであるから、この蓄圧式燃料噴射装置は針弁６のリフト量を精度よく二段（Ｈ₁，Ｈ₂）に切り換えることができるようになる。
上記各式における各符号は、それぞれ次のとおりである。
ｂ；スリット１０の幅
ｄ_A；オリフィスＡ（排出路２０）の内径
Ｐ_O；オリフィスＡ（排出路２０）の圧力：概略２〜４ｂａｒ
Ｐ_CV；バランスチャンバ５の圧力
Ｐ_CR；供給口１９の圧力（＝コモンレール圧力）
Ｃ₁；オリフィスＡの流量係数
Ｃ₂；スリット１０の流量係数
ρ；高圧燃料の密度
第２図に模式的に示した蓄圧式燃料噴射装置における燃料供給系に見られるように、スリット及びオリフィスにおいて、実線は低リフトＬ₁、破線は高リフトＬ₂の場合の流路断面の大きさを示している。第９図に示したものとの違いは、第９図のオリフィスＡとオリフィスＢが共に可変となっている点にある。
第３図に示したこの発明による蓄圧式燃料噴射装置の第二実施例においては、第１図に示した実施例と同じ又は相当する構成要素については、同一の符号を付してあるので、再度の説明を省略する。第二実施例においては、第１２図に従来例として示した例と同様、針弁６は戻しばね５２で付勢されている。即ち、第二実施例は、第１図に示した実施例のように閉弁作用を単に流路抵抗に依存するのではなく、電磁弁２２が非通電状態のときに針弁６の閉弁作用をより確実にするとともに、ばねによる積極的な付勢力で迅速な閉弁作用を得ようとするものである。戻しばね５２に関する具体的構造は、第１２図に示した例と同様であるので、ここでの説明を省略する。
第４図に示すこの発明による蓄圧式燃料噴射装置の第三実施例は、燃料供給口１９から噴射ノズル１１に至る燃料供給路、即ち、針弁の小径部とその周囲のケーシングとの間に形成されている環状の供給路に、絞り５７を設けたものである。このように構成することにより、燃料供給口１９から噴射ノズル１１に至る燃料供給路に燃料が流れるときには、絞り５７の部分で燃料に圧力降下が生じ、シート部１５側に作用して針弁６を開弁方向に付与する力が小さくなるので、バランスチャンバ５内の燃料圧力が電磁弁２２の作動により瞬時に減少したときに、針弁６に働く圧力差に基づいて針弁６を確実に閉じることができる。第１図及び第３図に示した実施例と同一又は同等な構成要素には同一の符号を付してあるので、ここでの説明を省略する。
噴孔と弁体部との構造において、第５図に示すような可変噴孔数機構１２を採用することができる。即ち、ケーシング２には可変噴孔数手段を構成する可変噴孔数機構１２を備えた噴射ノズル１１が形成されている。噴射ノズル１１の具体的構造は第１３図に示したものを採用することができ、ここでの再度の説明を省略する。なお、可変噴孔数機構１２は、針弁６のリフトに応じて開口面積が増大するもの、或いは噴孔数が切り替わるもの（開口する噴孔数が増えるもの）であればどのような形のものでもよく、第１３図に示したものに限定されない。例えば、噴孔１４は、リフト方向に延びるスリット状のものであって針弁６のリフトに応じてスリット状の開口を閉塞する面積が変化するものであってもよい。
この蓄圧式燃料噴射装置によれば、上記のとおり、針弁６のリフト量を二段階に制御するリフト制御機構２１と、噴射ノズル１１の開口面積の変更手段として、例えば第１３図に示したような針弁６のリフト量（Ｓ₁，Ｓ₂）に応じて開口する噴孔１４の数が切り替わるような可変噴孔数手段を構成する可変噴孔数機構１２を組み合わせると、可変噴孔制御が可能となる。
第６図はこの蓄圧式燃料噴射装置の作動の一例を示した処理フロー図である。この処理フローでは、エンジン運転状態に応じて噴孔数の開放状態が切り換わるものであり、エンジンの負荷状態即ちエンジン回転数と負荷を検出し（ステップＳ１）、開放した噴孔数が少数となるようにリフト制御すべきか、又は多数となるようにリフト制御すべきかを判断する（ステップＳ２）。開放する噴孔数を少数（少噴孔数）とすべきであると判断した場合には、電磁弁２２のリフトを低くする（リフト量Ｌ＝Ｌ₁）ことによって、開放する噴孔数を少数にすることができる（ステップＳ３）。また、開放する噴孔数を多数（多噴孔数）とすべきであると判断した場合には、電磁弁２２のリフトを高くする（リフト量Ｌ＝Ｌ₂）ことによって、開放する噴孔数を多数にすることができる（ステップＳ４）。
第７図はこの蓄圧式燃料噴射装置のマップの一例を示したものである。上記マップはエンジン回転数に応じた負荷状態を示すものである。即ち、上記マップは、あるエンジン回転数における負荷が破線以下の領域にあれば少噴孔数となるようにリフト制御を行い、あるエンジン回転数における負荷が破線と実線の間の領域にある場合には、多噴孔数となるようにリフト制御することを示したものである。噴射量及び噴射圧が一定ならば、少噴孔数の方が初期噴射率が下がる。即ち、着火遅れ期間中に噴射される燃料が少ない分、予混合燃焼割合が小さくなり、燃焼騒音、ＮＯ_X生成が抑えられる。反面、少噴孔数では全噴射期間は長くなるので、燃料流量の絶対量は多い。また、多噴孔数では噴孔の開口面積が大きくなり燃料の噴射期間は短くなる。高負荷側では、多噴孔数としなければ噴霧の後ダレ等の不具合が生じ、スモーク、ＨＣの増加を招くことになる。
この蓄圧式燃料噴射装置では、電磁弁２２のリフトを制御するためのリフト制御機構２３は、必ずしも第１図に示すような電磁式である必要はなく、例えば、エピゾ素子を用いてもよいし、或いは二方弁駆動電流をパルス幅制御することによって達成できるものでもよい。
産業上の利用可能性
この発明による蓄圧式燃料噴射装置は、上記のように構成されているので、電磁弁のリフト位置を少なくとも二段階に制御し、電磁弁のリフトに伴って排出路の開口面積を増大し、かかる開口面積の増大に見合うだけの燃料の排出量に対応して、針弁のリフト量、即ち供給路の開口面積、そして噴射ノズルの開口度を増大しているので、針弁の段階的な開口、即ちハーフリフトを精密に制御できるように構成することができ、エンジンの負荷状態等のエンジンを取り巻く運転状況に対応した燃料噴射の量及び時間のきめの細かい制御が可能な蓄圧式燃料噴射装置として有用である。また、燃料噴射の量及び時間が噴射の初期であるときは、初期噴射率を低く抑えるような制御を行うことも可能となり、燃焼騒音やＮＯ_X生成を抑えることができる。また、パイロット噴射を行う場合にも同様の効果が得られる。
また、この蓄圧式燃料噴射装置においては、噴射ノズルの開口度が、噴孔の直近上流において針弁がシート部から離間するリフト量や、針弁が噴孔の開口面積、或いは一群の小噴孔の開口数を変更することにより変更されるので、噴射量を微細に制御することができ、特に極低流量時の制御が容易に行えるようになる。即ち、噴射量が極低流量時は噴射期間が非常に短いので、電磁弁のレスポンスの要求値が高いレベルになる。このため電磁弁のソレノイドには低インダクタンス、低インピーダンスでアンペア・ターンの大きいものが要求される。しかし、この蓄圧式燃料噴射装置においては噴射率の制御が容易であり、かつ電磁弁の作動時間であるハーフリフト時間の制御も電気的制御により容易となるので、低噴射量時の噴射期間を長くするという制御も可能となる。従って、電磁弁に要求されるレスポンスが低めになり、電磁弁の設計が簡単になる。また、この蓄圧式燃料噴射装置において、噴射ノズルの開口度を増大する手段として可変噴孔数手段を採用した場合には、電磁弁のリフトを噴射期間中に変化させることも可能であるから、従来の噴射系では全く不可能であった噴射率制御が可能になる。また、噴射率波形とタイミングの制御が、オリフィス、スリット、電磁弁の設計により、全て自由になる。また、可変噴孔数手段を採用すれば、パイロット噴射の最適制御が可能となり、アイドル域の低騒音化も図ることができる。更に、低負荷域の噴射特性を改善することにより、ＮＯ_X，ＨＣ，パティキュレートの低減が可能である。更に、この蓄圧式燃料噴射装置によれば、インジェクタの可変噴孔制御のための構造を非常に簡便にするとともに小型化することができること、バランスチャンバと電磁弁との応答性を適切に設定することで小型用エンジンから大型用エンジンまで幅広く対応でき、共通化できること、高圧下に曝される部品点数が非常に少ないこと、軽油のみならず、あらゆる燃料のあらゆる圧力の噴射に適用できる。
更に、燃料圧力は針弁に対して開弁方向にも閉弁方向にも作用するものであるが、圧力に基づく両方向の力が釣り合うと弁を閉鎖することが困難な場合には、噴射ノズルを閉じる方向に針弁を付勢する戻しばねを備えることが好ましい。また、噴射ノズルを閉じる方向に針弁を付勢するには、燃料供給口から噴射ノズルに至る燃料供給路に絞りを備えれば、絞りを通過した燃料の圧力が低下し、圧力差により前記噴射ノズルを閉じることができる。

Claims (10)

1. 先端に噴孔が形成された噴射ノズル、前記噴孔を開閉する針弁、前記針弁に燃料圧を付与するバランスチャンバ、前記噴射ノズルに形成した燃料供給口から前記バランスチャンバに燃料を供給する供給路、前記バランスチャンバから燃料を排出する排出路、前記排出路を開閉する電磁弁、及び前記電磁弁のリフト量を制御するリフト制御手段を備え、前記リフト制御手段の作動によって、前記電磁弁のリフト量、前記電磁弁のリフト量に応じて増減する前記排出路の開口面積、前記排出路の開口面積に応じて増減する前記針弁のリフト量、前記針弁のリフト量に応じて増減する前記供給路の開口面積、及び前記針弁のリフト量に応じて増減する前記噴孔の開口度を制御することから成る蓄圧式燃料噴射装置。
2. 前記リフト制御手段は、ソレノイドを消磁又は励磁することによって前記電磁弁の弁体の移動を少なくとも二つの位置で規制するストッパであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の蓄圧式燃料噴射装置。
3. 前記供給路は前記針弁と前記針弁を摺動案内する弁ケーシングとの間に形成された溝状の通路を含んでおり、前記供給路の前記開口面積は前記溝状の通路が前記バランスチャンバに臨むオリフィスの開口面積であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の蓄圧式燃料噴射装置。
4. 前記噴射ノズルの開口度は、前記噴孔の直近上流において前記針弁が弁シートから離間するリフト量によって増減されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の蓄圧式燃料噴射装置。
5. 前記噴射ノズルの開口度は、前記針弁が前記噴孔の開口面積を変更することによって増減されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の蓄圧式燃料噴射装置。
6. 前記噴孔は複数個の噴孔から成り、前記噴孔の開口面積は開口した噴孔の数により増減することを特徴とする請求の範囲第５項に記載の蓄圧式燃料噴射装置。
7. 前記供給路は、燃料流れに対して前記噴射ノズルを閉じる方向の差圧を生じるのに十分な管路抵抗を有していることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の蓄圧式燃料噴射装置。
8. 前記噴射ノズルを閉じる方向に前記針弁を付勢する戻しばねを備えていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の蓄圧式燃料噴射装置。
9. 前記燃料供給口から前記噴射ノズルに至る燃料供給路に絞りを備えていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の蓄圧式燃料噴射装置。
10. 低負荷時に前記排出路の開口面積を小さくし、高負荷時に前記排出路の開口面積を大きくすることを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄圧式燃料噴射装置。

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