JP4003770B2

JP4003770B2 - 燃料噴射装置

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Publication number: JP4003770B2
Application number: JP2004289995A
Authority: JP
Inventors: 和広大前; 義正渡辺
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-10-01
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2007-11-07
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Description

本発明は燃料噴射装置に関する。

内燃機関の燃料噴射装置において、ニードル弁の内端面上に形成された背圧制御室および噴射圧を増大するための増圧ピストンの中間室を夫々高圧燃料供給通路又は低圧燃料返戻通路に選択的に連結可能な三方弁を具備し、この三方弁による燃料通路切換作用によってニードル弁の開閉制御および増圧ピストンによる噴射圧の増大制御を行うようにした燃料噴射装置が公知である（例えば特許文献１参照）。この燃料噴射装置では三方弁による燃料通路切換操作によりニードル弁の開弁タイミングと増圧ピストンによる増圧作用の開始タイミングとの位相差を変えることができ、それによって燃料の噴射率を機関運転状態に応じた望ましい噴射率に制御することができる。
特開２００３−１０６２３５

しかしながらこの燃料噴射装置では三方弁による燃料通路切換作用時に高圧燃料供給通路が低圧燃料返戻通路に連通してしまい、その結果高圧燃料供給通路内の多量の高圧燃料が低圧燃料返戻通路内に漏洩してしまうという問題を生ずる。また、このように多量の高圧燃料が漏洩してしまうと高圧燃料を送り出す高圧燃料ポンプの容量が足りなくなってしまうという問題も発生する。

上記問題点を解決するために本発明によれば、ニードル弁の内端面上に形成された背圧制御室および噴射圧を増大するための増圧ピストンの中間室を夫々高圧燃料供給通路又は低圧燃料返戻通路に選択的に連結可能な三方弁を具備し、この三方弁による燃料通路切換作用によってニードル弁の開閉制御および増圧ピストンによる噴射圧の増大制御を行うようにした燃料噴射装置において、三方弁内に背圧制御室又は中間室の一方に常時連結された圧力切替室を形成し、圧力切替室の一側に高圧燃料供給通路を開口させると共にこの高圧燃料供給通路の開口を開閉制御をする第１の弁体を具備しており、圧力切替室の他側に低圧燃料返戻通路を開口させると共にこの低圧燃料返戻通路の開口を開閉制御する第２の弁体を具備しており、更に三方弁が圧力制御室を具備すると共にこの圧力制御室内の燃料圧を制御することにより第１の弁体の両端部において第１の弁体の軸線方向に作用する燃料圧の圧力差および第２の弁体の両端部において第２の弁体の軸線方向に作用する燃料圧の圧力差を制御して背圧制御室又は中間室の一方の連通先を高圧燃料供給通路から低圧燃料返戻通路に切替えるときには第１の弁体が開弁していて第２の弁体が閉弁している状態から第１の弁体および第２の弁体が共に閉弁している状態を経た後に第１の弁体が閉弁していて第２の弁体が開弁している状態に切替えると共に、背圧制御室又は中間室の一方の連通先を低圧燃料返戻通路から高圧燃料供給通路に切替えるときには第１の弁体が閉弁していて第２の弁体が開弁している状態から第１の弁体および第２の弁体が共に閉弁している状態を経た後に第１の弁体が開弁していて第２の弁体が閉弁している状態に切替え、背圧制御室又は中間室の他方を第２の弁体が開弁したときに圧力切替室に連通させるか又は常時圧力制御室に連通させるようにしている。

三方弁による燃料通路切換作用時に多量の高圧燃料が低圧燃料返戻通路内に漏洩するのを阻止することができる。

図１は燃料噴射装置の全体を図解的に示しており、図１において一点鎖線で囲まれた部分１はエンジンに取付けられた燃料噴射弁を示している。図１に示されるように燃料噴射装置は高圧の燃料を貯留するためのコモンレール２を備えており、このコモンレール２内には燃料タンク３内の燃料が高圧燃料ポンプ４を介して供給される。コモンレール２内の燃料圧は高圧燃料ポンプ４の吐出量を制御することにより機関運転状態に応じた目標燃料圧に維持され、目標燃料圧に維持されているコモンレール２内の高圧の燃料が高圧燃料供給通路５を介して燃料噴射弁１に供給される。

図１に示されるように燃料噴射弁１は燃焼室内に燃料を噴射するためのノズル部６と、噴射圧を増圧させるための増圧器７と、燃料通路を切換えるための三方弁８とを具備している。ノズル部６はニードル弁９を備えており、ノズル部６の先端にはニードル弁９の先端部により開閉制御される噴口１０（図示せず）が形成されている。ニードル弁９の周りには噴射される高圧燃料で満たされたノズル室１１が形成されており、ニードル弁９の内端面上には燃料で満たされている背圧制御室１２が形成されている。背圧制御室１２内にはニードル弁９を下方に向けて、即ち閉弁方向に付勢する圧縮ばね１２ａが挿入されている。この背圧制御室１２は一方では絞り１３および燃料流通通路１４を介して三方弁８に連結されており、他方では燃料流通通路１５ｂおよび絞り１３よりも流通断面積の小さな絞り１６を介して燃料流通通路１５ａに連結されている。また、ノズル室１１も燃料流通通路１５ｃを介して燃料流通通路１５ａに連結されており、この燃料流通通路１５ａは燃料流通通路１５から燃料流通通路１５ａに向けてのみ流通可能な逆止弁１７を介して燃料流通通路１５に連結されている。

一方、増圧器７は一体成形された大径ピストン１８と小径ピストン１９からなる増圧ピストンを具備する。小径ピストン１９と反対側の大径ピストン１８の頂面上には高圧の燃料で満たされた高圧室２０が形成されており、この高圧室２０は高圧燃料通路２１を介して高圧燃料供給通路５に連結されている。従って高圧室２０内には常時コモンレール２内の燃料圧（以下、コモンレール圧という）が作用している。これに対し、小径ピストン１９周りの大径ピストン１８の端面上には燃料で満たされた中間室２２が形成されており、この中間室２２内には大径ピストン１８を高圧室２０に向けて付勢する圧縮ばね２３が挿入されている。この中間室２２は絞り２４および燃料流通通路１５ａを介して燃料流通通路１５に連結されている。また、大径ピストン１８と反対側の小径ピストン１９の端面上には燃料で満たされた増圧室２５が形成されており、この増圧室２５は燃料流通通路１５ａに連結されている。

一方、三方弁８には高圧燃料供給通路５および燃料流通通路１５に加え、例えば燃料タンク３内に接続された低圧燃料返戻通路２６が連結されている。この三方弁８は電磁ソレノイド或いはピエゾ圧電素子のようなアクチュエータ２７によって駆動され、この三方弁８によって燃料流通通路１４および１５が高圧燃料供給通路５又は低圧燃料返戻通路２６に選択的に連結される。

図１は、三方弁８による燃料通路切換作用によって燃料流通通路１５が高圧燃料供給通路５に連結されている場合を示している。この場合、ノズル部６については、ノズル室１１内および背圧制御室１２内は共にコモンレール圧となっている。このときノズル室１１内の燃料圧によりニードル弁９を上昇させる力よりも背圧制御室１２内の燃料圧および圧縮ばね１３のばね力によってニードル弁９を下降させる力の方が強い。そのため、ニードル弁９は下降せしめられており、その結果ニードル弁９が閉弁するために噴口１０からの燃料噴射は停止されている。一方、増圧器７については、このとき高圧室２０内、中間室２２内および増圧室２５内は全てコモンレール圧となっており、従ってこのときには図１に示されるように大径ピストン１８および小径ピストン１９からなる増圧ピストンは圧縮ばね２３のばね力によって上昇した状態に保持されている。

一方、三方弁８による通路切換作用により三方弁８が図１に８ａ示す切換状態になると、即ち燃料流通通路１５が低圧燃料返戻通路２６に連結されると中間室２２内の燃料圧が低下するために大径ピストン１８および小径ピストン１９からなる増圧ピストンには下向きの大きな力が作用し、その結果増圧室２５内の燃料圧はコモンレール圧よりも高くなる。従ってこのとき、燃料流通通路１５ａ，１５ｃを介して増圧室２５内に連結されているノズル室１１内の燃料圧もコモンレール圧よりも高くなる。次いで三方弁８による通路切換作用により三方弁８が図１に８ｂ示す切換状態になると、即ち燃料流通通路１５に加えて燃料流通通路１４が低圧燃料返戻通路２６に連結されるとノズル部６の背圧制御室１２内の燃料圧が低下するためにニードル弁９が上昇し、その結果ニードル弁９が開弁してノズル室１１内の燃料が噴口１０から噴射される。従って三方弁８による切換状態を８ａから８ｂに切換えるタイミングを変えることによって大小ピストン１８，１９からなる増圧ピストンによる噴射圧の増圧開始タイミングとニードル弁９の開弁タイミングとの位相差を変えることができる。

次いで三方弁８による燃料通路切換作用により図１に示される如く燃料流通通路１５が再び高圧燃料供給通路５に連結されると、ノズル部６の背圧制御室１２内はコモンレール圧となり、その結果燃料の噴射が停止される。また、このとき増圧器７の中間室２２内もコモンレール圧となり、増圧室２５内もコモンレール圧となって大径ピストン１８および小径ピストン１９は圧縮ばね２３のばね力により再び図１に示されるような上昇した状態に保持される。このように三方弁８による燃料通路切換作用によって燃料噴射が制御される。

図２（Ａ）に図１に示される三方弁８の第１実施例を示す。図２（Ａ）を参照すると、三方弁８内には高圧燃料供給通路５の一部である高圧燃料供給通路５ａ，５ｂと、低圧燃料返戻通路２６の一部である低圧燃料返戻通路２６ａ，２６ｂとが延びており、更に三方弁８内には圧力切替室３０が形成されている。この第１実施例では圧力切替室３０は常時燃料流通通路１５に連通している。圧力切替室３０の一側には高圧燃料供給通路５ａが開口しており、圧力切替室３０の他側には低圧燃料返戻通路２６ａが開口している。この高圧燃料供給通路５ａの開口３１は第１の弁体３２によって開閉制御され、低圧燃料返戻通路２６ａの開口３３は第２の弁体３４によって開閉制御される。

第１の弁体３２は、軸線方向の中央部に形成されかつ開口３１を圧力切替室３０側から閉塞可能な円錐状シール部３５と、円筒状内端部３６と、円筒状外端部３７とを具備し、第２の弁体３４は、軸線方向の中央部に形成されかつ開口３３を圧力切替室３０側から閉塞可能な円錐状シール部３８と、中空円筒状内端部３９と、円筒状外端部４０とを具備する。図２（Ａ）に示されるように第１の弁体３２と第２の弁体３４は共通の軸線上に配置されており、第１の弁体３２の円筒状内端部３６は第２の弁体３４の中空円筒状内端部３９内に相対移動可能に嵌合せしめられている。

第１の弁体３２の円筒状外端部３７は円筒状凹所４１内に摺動可能に挿入されており、この第１の弁体３２の円筒状外端部３７により画定される円筒状凹所４１内には圧力制御室４２が形成される。この圧力制御室４２内には第１の弁体３２を第２の弁体３４に向けて付勢する圧縮ばね４３が挿入されている。圧力制御室４２は絞り開口４４を介して低圧燃料返戻通路２６ｂに連結されており、この絞り開口４４はアクチュエータ２７により駆動される溢流制御弁４５によって開閉制御される。

第２の弁体３４の円筒状外端部４０は円筒孔４６内に摺動可能に挿入されかつ高圧燃料供給通路５ｂ内に突出する。一方、互いに嵌合している第１の弁体３２の円筒状内端部３６と第２の弁体３４の中空円筒状内端部３９間には中間圧力室４７が形成される。この中間圧力室４７は一方では第１の弁体３２内に形成された燃料通路４８および絞り４９を介して圧力制御室４２内に連結されており、他方では第２の弁体３４内に形成された燃料通路５０および絞り５１を介して高圧燃料供給通路５ｂ内に連結されている。

なお、図２（Ａ）に示す第１実施例では第１の弁体３２の円筒状内端部３６および円筒状外端部３７の径、並びに各開口３１，３３の径は全て等しく、この径に比べて第２の弁体３４の円筒状外端部４０は小さな径を有する。従って第１の弁体３２には圧力制御室４２内の燃料圧と中間圧力室４７内の燃料圧のみが軸線方向に作用し、第１の弁体３２の外端部３７に軸線方向に向けて作用する燃料圧と第１の弁体３２の内端部３６に軸線方向に向けて作用する燃料圧との圧力差に応じて第１の弁体３２のシート部３５による開口３１の開閉作用、即ち第１の弁体３２の開閉弁作用が制御される。この圧力差はアクチュエータ２７および溢流制御弁４５からなる圧力制御装置によって制御される。

一方、第２の弁体３４の内端部３９には中間圧力室４７の燃料圧が作用し、第２の弁体３４の外端部４０には高圧燃料供給通路５ｂ内の燃料圧が作用する。この第２の弁体３４についても基本的には第２の弁体３４の外端部４０に軸線方向に向けて作用する燃料圧と第２の弁体３４の内端部３９に軸線方向に向けて作用する燃料圧との圧力差に応じて第２の弁体３４のシート部３８による開口３３の開閉作用、即ち第２の弁体３４の開閉弁作用が制御される。この圧力差はアクチュエータ２７および溢流制御弁４５からなる圧力制御装置によって制御される。

一方、図２（Ａ）に示されるように第２の弁体３４の中空円筒状内端部３９の外周面上にはその全周に亘って延びる突条５２が形成されており、この突条５２の外周には圧力切替室３０の内周面上を摺動する摺動シール面５３が形成されている。また、突条５２内には図２（Ａ）において突条５２の上方および下方の圧力切替室３０内を互いに連通する複数の連通孔５４が形成されている。更に、圧力切替室３０の内周面上には第２の弁体３４の摺動シール面５３により閉塞可能な圧力制御ポート５５が形成されており、この圧力制御ポート５５は燃料流通通路１４を介して背圧制御室１２に連結されている。図２（Ａ）に示されるように第２の弁体３４が閉弁しているときにはこの圧力制御ポート５５は第２の弁体３４の摺動シール面５３によって閉塞されている。

図４（Ａ），（Ｂ）は燃料噴射を行うべく溢流制御弁４５を開弁したときの第１の弁体３２のリフト量、第２の弁体３４のリフト量、噴射圧、ニードル弁９のリフト量および噴射率の変化を示している。また、図４（Ａ）は溢流制御弁４５のリフト量が大きい場合を示しており、図４（Ｂ）は溢流制御弁４５のリフト量が小さい場合を示している。次に図１から図４を参照しつつ本発明による燃料噴射方法について説明する。

図２（Ａ）に示されるように溢流制御弁４５が絞り開口４４を閉塞しているときには圧力制御室４２および中間圧力室４７は高圧燃料供給通路５ｂのみに連通しており、従ってこのとき圧力制御室４２および中間圧力室４７内の燃料圧は高圧燃料供給通路５ｂ内の燃料圧と等しくなっている。なお、以下高圧燃料供給通路５，５ａ，５ｂ内の燃料圧を高燃料圧と称し、低圧燃料返戻通路２６，２６ａ，２６ｂ内の燃料圧を低燃料圧と称する。

このように中間圧力室４７内の燃料圧が高燃料圧になるとこのとき第２の弁体３４に対して作用する高燃料圧の作用面積は内端部３９の方が外端部４０よりもはるかに大きくなるので第２の弁体３４は図２（Ａ）に示されるように閉弁した状態に保持される。このとき、前述したように圧力制御ポート５５は第２の弁体３４の摺動シール面５３によって閉塞されている。また、このとき圧力制御室４２内の燃料圧および中間圧力室４７内の燃料圧は共に高燃料圧となるので第１の弁体３２は圧縮ばね４３のばね力により第２の弁体３４に突き当るまで第２の弁体３４に向けて移動し、その結果図２（Ａ）に示されるように第１の弁体３２は開弁した状態に保持される。このとき燃料流通通路１５は圧力切替室３０および開口３１を介して高圧燃料供給通路５ａに連結されている。

燃料流通通路１５の連通先を高圧燃料供給通路５ａから低圧燃料返戻通路２６ａに切替えるときには溢流制御弁４５が絞り開口４４を開口する。溢流制御弁４５が絞り開口４４を開口すると圧力制御室４２内の燃料が低圧燃料返戻通路２６ｂ内に溢流しはじめ、その結果圧力制御室４２内の燃料圧が徐々に低下する。次いで圧力制御室４２内の燃料圧が第１の弁体３２を閉弁させる閉弁圧以下まで低下すると第１の弁体３２が図２（Ｂ）に示されるように閉弁する。この場合、溢流制御弁４５が絞り開口４４を開口したときの溢流制御弁４５のリフト量が大きいときには圧力制御室４２内の燃料圧の低下速度が速いために図４（Ａ）に示されるように第１の弁体３２は急速に閉弁する。これに対し、溢流制御弁４５が絞り開口４４を開口したときの溢流制御弁４５のリフト量が小さいときには圧力制御室４２内の燃料圧の低下速度が遅いために図４（Ｂ）に示されるように第１の弁体３２はゆっくりと閉弁する。

一方、溢流制御弁４５が開弁して圧力制御室４２内の燃料圧が低下しはじめると中間圧力室４７内の燃料が燃料通路４８を介して圧力制御室４２内に流出しはじめ、その結果中間圧力室４７の燃料圧も低下しはじめる。しかしながら燃料通路４８内には絞り４９が設けられており、しかも高圧燃料供給通路５ｂから燃料通路５０を介して中間圧力室４７内に燃料が供給されるために中間圧力室４７内の燃料圧は圧力制御室４２内の燃料圧に比べてゆっくりと低下し、従って図２（Ｂ）および図４に示されるように第１の弁体３２が閉弁したときでも第２の弁体３４は閉弁した状態に保持されている。

次いで中間圧力室４７内の燃料圧が更に低下し、中間圧力室４７内の燃料圧が第２の弁体３４を開弁させる開弁圧以下まで低下すると図３（Ａ）に示されるように第１の弁体３２が閉弁している状態で第２の弁体３４が開弁しはじめる。その結果、燃料流通通路１５は圧力切替室３０および開口３３を介して低圧燃料返戻通路２６ａに連結される。
燃料流通通路１５が低圧燃料返戻通路２６ａに連結されると増圧器７の中間室２２内の燃料圧が徐々に低下し、その結果大小ピストン１８，１９からなる増圧ピストンによる増圧作用によってノズル室１１内の燃料圧、即ち噴射圧は図４（Ａ），（Ｂ）に示されるように徐々に増大する。なお、図４（Ａ），（Ｂ）からわかるようにこのときの噴射圧の増大速度は溢流制御弁４５のリフト量の影響をほとんど受けない。また、第２の弁体３４が開弁しはじめたときには図３（Ａ）に示されるように圧力制御ポート５５は依然として第２の弁体３４の摺動シール面５３によって閉塞されている。

中間圧力室４７内の燃料圧が更に低下し、第２の弁体３４のリフト量が増大して第２の弁体３４のリフト量が図４（Ａ），（Ｂ）に示される一定リフト量Ｘを越えると、即ち第２の弁体３４が一定開度以上開弁すると図３（Ｂ）に示されるように圧力制御ポート５５が圧力切替室３０に開口し、その結果背圧制御室１２が圧力切替室３０および開口３３を介して低圧燃料返戻通路２６ａに連結される。背圧制御室１２が低圧燃料返戻通路２６ａに連結されると図４（Ａ），（Ｂ）に示されるようにニードル弁９が開弁し、燃料噴射が開始される。

上述したように第１の弁体３２が閉弁すると第２の弁体３４が開弁するがこのとき溢流制御弁４５のリフト量が大きいと第２の弁体３４は図４（Ａ）に示されるように急速に開弁し、溢流制御弁４５のリフト量が小さいと第２の弁体３４は図４（Ｂ）に示されるようにゆっくりと開弁する。第２の弁体３４が急速に開弁すると図４（Ａ）に示されるように噴射圧が増大しないうちにニードル弁９が開弁し、その結果噴射初期における噴射率はゆっくりと大きくなる。これに対し、第２の弁体３４がゆっくりと開弁すると図４（Ｂ）に示されるように噴射圧が増大した後にニードル弁９が開弁し、その結果噴射初期における噴射率は急速に大きくなる。

このようにこの実施例では溢流制御弁４５のリフト量を変えることにより圧力制御室４２内の燃料圧の低下速度を変えることによって噴射初期の噴射率を大きく変えることができる。また、溢流制御弁４５のリフト量を変えるのではなく、溢流制御弁４５の開弁速度を変えることにより圧力制御室４２内の燃料圧の低下速度を変えることによっても噴射初期の噴射率を変えることができる。

上述したように燃料流通通路１５の連通先を高圧燃料供給通路５ａから低圧燃料返戻通路２６ａに切替えるときには図２（Ａ）に示されるように第１の弁体３２が開弁していて第２の弁体３４が閉弁している状態から図２（Ｂ）に示されるように第１の弁体３２および第２の弁体３４が共に閉弁している状態を経た後に図３（Ａ），（Ｂ）に示されるように第１の弁体３２が閉弁していて第２の弁体３４が開弁している状態に切替えられる。一方、燃料流通通路１５の連通先を低圧燃料返戻通路２６ａから高圧燃料供給通路５ａに切替えるときには溢流制御弁４５によって絞り開口４４が閉塞される。溢流制御弁４５によって絞り開口４４が閉塞されると中間圧力室４７および圧力制御室４２内には高圧燃料供給通路５ａから燃料が供給され、このとき圧力制御室４２内の燃料圧は中間圧力室４７内の燃料圧に比べてゆっくりと高燃料圧まで上昇する。

従ってこのときには第１の弁体３２および第２の弁体３４は図３（Ｂ）に示す状態から図３（Ａ）および図２（Ｂ）に示す状態を経て図２（Ａ）に示す状態となる。即ち、このときには第１の弁体３２が閉弁していて第２の弁体３４が開弁している状態から第１の弁体３２および第２の弁体３４が共に閉弁している状態を経た後に第１の弁体３２が開弁していて第２の弁体３４が閉弁している状態に切替えられる。

このように燃料流通通路１５の連通先を高圧燃料供給通路５ａから低圧燃料返戻通路２６ａに切換えるときには図２（Ａ），（Ｂ）、図３（Ａ），（Ｂ）の順で各弁体３２，３４が移動せしめられるが図２（Ａ），（Ｂ）、図３（Ａ），（Ｂ）からわかるようにこの間、高圧燃料供給通路５ａが圧力切替室３０内で低圧燃料返戻通路２６ａに連通することはなく、斯くして多量の高圧燃料が低圧燃料返戻通路２６ａ内に漏洩することがない。一方、燃料流通通路１５の連通先を低圧燃料返戻通路２６ａから高圧燃料供給通路５ａに切換えるときにも高圧燃料供給通路５ａが圧力切替室３０内で低圧燃料返戻通路２６ａに連通することはなく、斯くして多量の高圧燃料が低圧燃料返戻通路２６ａ内に漏洩するのを阻止することができる。

図５は燃料噴射装置の第２実施例を示しており、図６（Ａ）は図５に示される三方弁８を示している。図６（Ａ）を参照すると、この第２実施例においても三方弁８内には高圧燃料供給通路５の一部である高圧燃料供給通路５ａ，５ｂと、低圧燃料返戻通路２６の一部である低圧燃料返戻通路２６ａ，２６ｂとが延びており、更に三方弁８内には圧力切替室６０が形成されている。この圧力切替室６０は常時燃料流通通路１５に連通しており、この燃料流通通路１５は図５に示されるように一方では逆止弁１７および燃料流通通路１５ａを介してノズル室１１および増圧室２５に連結されており、他方では燃料流通通路１５ｄおよび絞り２４を介して中間室２２に連結されている。圧力切替室６０の一側には高圧燃料供給通路５ａが開口しており、圧力切替室６０の他側には低圧燃料返戻通路２６ａが開口している。この高圧燃料供給通路５ａの開口６１は第１の弁体６２によって開閉制御され、低圧燃料返戻通路２６ａの開口６３は第２の弁体６４によって開閉制御される。

第１の弁体６２は中空円筒状をなしており、第１の弁体６２の外端部６５には開口６１を高圧燃料供給通路５ａ側から閉塞可能な円錐状シール部６６が形成されている。図６（Ｃ）はこの第１の弁体６２の平面図を示している。一方、第２の弁体６４の内端部６８には開口６３を低圧燃料返戻通路２６ａ側から閉塞可能な円錐状シール６９が形成されており、図６（Ｂ）はこの第２の弁体６４の平面図を示している。この第２の弁体６４の内端面上には第２の弁体６４の軸線周りにおいて環状をなす環状溝７１が形成されている。図６（Ａ）に示されるように第１の弁体６２と第２の弁体６４は共通の軸線上に配置されており、第１の弁体６２の中空円筒状内端部６７は第２の弁体６４内に形成された環状溝７１内に相対移動可能に嵌合せしめられている。

第２の弁体６４の円筒状外端部７０は円筒状凹所７２内に摺動可能に挿入されており、この第２の弁体６４の円筒状外端部７０により画定される円筒状凹所７２内には圧力制御室７３が形成される。この圧力制御室７３は一方では絞り７４を介して高圧燃料供給通路５ｂに連結されており、他方では絞り開口７５を介して低圧燃料返戻通路２６ｂに連結されている。この絞り開口７５はアクチュエータ２７により駆動される溢流制御弁４５によって開閉制御される。また、この圧力制御室７３は燃料流通通路１４を介して図５に示されるように常時背圧制御室１２に連結されている。

環状溝７１の最奥部と第１の弁体６２の内端面間には環状室７６が形成されており、図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示されるようにこの環状室７６は第２の弁体６４内に形成された複数の連通孔７７を介して圧力制御室７３内に連通している。従って環状室７６内の燃料圧は圧力制御室７３内の燃料圧と同じ燃料圧に維持される。一方、第１の弁体６２の内部に形成される中空室７８は常時高圧燃料供給通路５ａ内に連通しており、従ってこの中空室７８には常時高圧燃料供給通路５ａ内の高圧燃料が導びかれている。この高圧燃料の燃料圧は中空室７８内に面している第２の弁体６４の内端面上に作用する。この中空室７８内には第２の弁体６４を第１の弁体６２から引離す方向に付勢する圧縮ばね７９が挿入されている。

なお、各弁体６２，６４に対して軸線方向に作用する燃料圧の作用面積であって、互いに相殺する燃料圧の加わる作用面積を除いた有効作用面積に注目すると、図６（Ａ）に示される第２実施例においては、第２の弁体６４の外端部に対して作用する圧力制御室７３内の燃料圧の有効作用面積から第２の弁体６４の内端部に対して作用する高圧燃料供給通路５ａ内の燃料圧の有効作用面積を差引いた有効作用面積差が、第１の弁体６２の内端部に対して作用する圧力制御室７３内の燃料圧の有効作用面積から第１の弁体６２の外端部に対して作用する高圧燃料供給通路５ａ内の燃料圧の有効作用面積を差引いた有効作用面積差よりも大きく形成されている。

この第２実施例においても、第１の弁体６２の外端部６５に軸線方向に向けて作用する高圧燃料供給通路５ａ内の燃料圧と第１の弁体６２の内端部６７に軸線方向に向けて作用する圧力制御室７３内の燃料圧との圧力差に応じて第１の弁体６２のシート部６６による開口６１の開閉作用、即ち第１の弁体６２の開閉弁作用が制御され、第２の弁体６４の外端部７０に軸線方向に向けて作用する圧力制御室７３内の燃料圧と第２の弁体６４の内端部６８に軸線方向に向けて作用する高圧燃料供給通路５ａ内の燃料圧との圧力差に応じて第２の弁体６４のシート部６９による開口６３の開閉作用、即ち第２の弁体６４の開閉弁作用が制御される。

具体的に言うと、この第１の弁体６２と第２の弁体６４の開閉弁作用は溢流制御弁４５により圧力制御室７３内の燃料圧を制御することによって行われる。この場合、上述した第１の弁体６２における有効作用面積差と第２の弁体６４における有効作用面積差との差異によって第１の弁体６２の開閉弁時期と第２の弁体６４の開閉弁時期との間で時間差が生じる。

図８および図９は燃料噴射を行うべく溢流制御弁４５を開弁したときの圧力制御室７３内の燃料圧、第１の弁体６２のリフト量、第２の弁体６４のリフト量、噴射圧、ニードル弁９のリフト量および噴射率の変化を示している。また、図８は溢流制御弁４５のリフト量が大きい場合を示しており、図９は溢流制御弁４５のリフト量が小さい場合を示している。次に図５から図９を参照しつつ燃料噴射方法について説明する。

図６（Ａ）に示されるように溢流制御弁４５が絞り開口７５を閉塞しているときには圧力制御室７３は高圧燃料供給通路５ｂのみに連通しており、従ってこのとき圧力制御室７３内の燃料圧は高圧燃料供給通路５ｂ内の燃料圧と同じ高燃料圧となっている。このとき圧力制御室７３に常時に連結されている背圧制御室１２内の燃料圧も高燃料圧となっている。従ってこのとき図５に示されるようにニードル弁９は閉弁しており、噴口１０からの燃料噴射は停止されている。

一方、上述のように圧力制御室７３内の燃料圧が高燃料圧になるとこのとき第２の弁体６４に対して作用する高燃料圧の有効作用面積は外端部７０の方が内端部６８よりもはるかに大きくなるので第２の弁体６４は図６（Ａ）に示されるように閉弁した状態に保持される。また、このとき環状室７６内も高燃料圧となり、また第１の弁体６２の内端部６７に対して作用する高燃料圧の有効作用面積と第１の弁体６２の外端部６５に対して作用する高圧燃料の有効作用面積とが等しいので第１の弁体６２は圧縮ばね７９のばね力により第２の弁体６４から離れる方向に移動し、その結果図６（Ａ）に示されるように第１の弁体６２は開弁した状態に保持される。このとき燃料流通通路１５は圧力切替室６０および開口６１を介して高圧燃料供給通路５ａに連結されている。従ってこのとき、ノズル室１１、高圧室２０内、中間室２２内および増圧室２５内は全て高燃料圧、即ちコモンレール圧となっており、従ってこのときには図５に示されるように大径ピストン１８および小径ピストン１９は圧縮ばね２３のばね力によって上昇した状態に保持されている。

燃料流通通路１５の連通先を高圧燃料供給通路５ａから低圧燃料返戻通路２６ａに切替えるときには溢流制御弁４５が絞り開口７５を開口する。溢流制御弁４５が絞り開口７５を開口すると圧力制御室７３内の燃料が低圧燃料返戻通路２６ｂ内に溢流しはじめ、その結果圧力制御室７３内の燃料圧が徐々に低下する。次いで圧力制御室７３内の燃料圧が第１の弁体６２を閉弁させる閉弁圧以下まで低下すると第１の弁体６２が図７（Ａ）に示されるように閉弁する。この場合、溢流制御弁４５が絞り開口７５を開口したときの溢流制御弁４５のリフト量が大きいときには圧力制御室７３内の燃料圧の低下速度が速いために図８に示されるように第１の弁体６２は急速に閉弁する。これに対し、溢流制御弁４５が絞り開口７５を開口したときの溢流制御弁４５のリフト量が小さいときには圧力制御室７３内の燃料圧の低下速度が遅いために図９に示されるように第１の弁体６２はゆっくりと閉弁する。

一方、第２の弁体６４の外端部７０に対して作用する圧力制御室７３内の燃料圧の有効作用面積は第２の弁体６４の内端部６８に対して作用する高燃料圧の有効作用面積よりもかなり大きいので圧力制御室７３内の燃料圧が或る程度低下しないと第２の弁体６４は開弁しない。従って図７（Ａ）、図８および図９に示されるように第１の弁体６２が閉弁したときでも第２の弁体６４は閉弁した状態に保持されている。

次いで圧力制御室７３内の燃料圧が更に低下し、圧力制御室７３内の燃料圧が第２の弁体６４を開弁させる開弁圧以下まで低下すると図７（Ｂ）に示されるように第１の弁体６２が閉弁している状態で第２の弁体６４が開弁する。その結果、燃料流通通路１５は圧力切替室６０および開口６３を介して低圧燃料返戻通路２６ａに連結される。燃料流通通路１５が低圧燃料返戻通路２６ａに連結されると増圧器７の中間室２２内の燃料圧が徐々に低下し、その結果大小ピストン１８，１９からなる増圧ピストンによる増圧作用によってノズル室１１内の燃料圧、即ち噴射圧は図８および図９に示されるように徐々に増大する。次いで図８および図９に示されるように圧力制御室７３内の燃料圧、即ち背圧制御室１２内の燃料圧がニードル弁９の開弁圧Ｙよりも低下するとニードル弁９が開弁し、燃料噴射が開始される。

この実施例では図８に示されるように圧力制御室７３内の燃料圧を急速に低下させると噴射圧が増大しないうちにニードル弁９が開弁し、その結果噴射初期における噴射率はゆっくりと大きくなる。これに対し、図９に示されるように圧力制御室７３内の燃料圧をゆっくりと低下させると噴射圧が増大した後にニードル弁９が開弁し、その結果噴射初期における噴射率は急速に大きくなる。

このようにこの実施例でも溢流制御弁４５のリフト量を変えることにより圧力制御室７３内の燃料圧の低下速度を変えることによって噴射初期の噴射率を大きく変えることができる。また、この実施例においても溢流制御弁４５のリフト量を変えるのではなく、溢流制御弁４５の開弁速度を変えることにより圧力制御室７３内の燃料圧の低下速度を変えることによっても噴射初期の噴射率を変えることができる。

一方、この実施例でも燃料流通通路１５の連通先を高圧燃料供給通路５ａから低圧燃料返戻通路２６ａに切替えるときには図６（Ａ）に示されるように第１の弁体６２が開弁していて第２の弁体６４が閉弁している状態から図７（Ａ）に示されるように第１の弁体６２および第２の弁体６４が共に閉弁している状態を経た後に図７（Ｂ）に示されるように第１の弁体６２が閉弁していて第２の弁体６４が開弁している状態に切替えられる。一方、燃料流通通路１５の連通先を低圧燃料返戻通路２６ａから高圧燃料供給通路５ａに切替えるときには溢流制御弁４５によって絞り開口７５が閉塞される。溢流制御弁４５によって絞り開口７５が閉塞されると圧力制御室７３内には高圧燃料供給通路５ａから燃料が供給され、このとき圧力制御室７３内の燃料圧は徐々に高燃料圧まで上昇する。

従ってこのときには第１の弁体６２および第２の弁体６４は図７（Ｂ）に示す状態から図７（Ａ）に示す状態を経て図６（Ａ）に示す状態となる。即ち、このときには第１の弁体６２が閉弁していて第２の弁体６４が開弁している状態から第１の弁体６２および第２の弁体６４が共に閉弁している状態を経た後に第１の弁体６２が開弁していて第２の弁体６４が閉弁している状態に切替えられる。

燃料流通通路１５の連通先を高圧燃料供給通路５ａから低圧燃料返戻通路２６ａに切換えるときには図６（Ａ）、図７（Ａ）、図７（Ｂ）の順で各弁体６２，６４が移動せしめられるがこの間、高圧燃料供給通路５ａが圧力切替室６０内で低圧燃料返戻通路２６ａに連通することはなく、斯くして多量の高圧燃料が低圧燃料返戻通路２６ａ内に漏洩することがない。一方、燃料流通通路１５の連通先を低圧燃料返戻通路２６ａから高圧燃料供給通路５ａに切換えるときにも高圧燃料供給通路５ａが圧力切替室６０内で低圧燃料返戻通路２６ａに連通することはなく、斯くして多量の高圧燃料が低圧燃料返戻通路２６ａ内に漏洩するのを阻止することができる。

図１０は図２（Ａ）に示す三方弁８と全く同一の構造を有する三方弁８を示している。しかしながら図１０に示す実施例では図２（Ａ）に示す実施例とは異なって燃料流通通路１４が圧力切替室３０内に常時連結されており、燃料流通通路１５が圧力制御ポート５５に連結されている。即ち、図１０に示す三方弁８を用いた場合の燃料噴射装置の全体は図１１に示されるようになる。図１０および図１１からわかるように圧力切替室３０は燃料流通通路１４を介して背圧制御室１２内に連結されており、圧力制御ポート５５は燃料流通通路１５，１５ａ，１５ｄを介してノズル室１１、中間室２２および増圧室２５に連結されている。なお、この実施例では高圧燃料をノズル室１１、中間室２２および増圧室２５に供給するために燃料流通通路１５が絞り８０を介して燃料流通通路１４に連結されている。この絞り８０は絞り１３および絞り２４に比べて小さな流通断面積を有する。

図１２は図６（Ａ）に示す三方弁８と全く同一の構造を有する三方弁８を示している。しかしながら図１２に示す実施例では図６（Ａ）に示す実施例とは異なって燃料流通通路１４が圧力切替室６０内に常時連結されており、燃料流通通路１５ｄが圧力制御室７３に連結されている。即ち、図１２に示す三方弁８を用いた場合の燃料噴射装置の全体は図１３に示されるようになる。図１２および図１３に示されるように圧力切替室６０は燃料流通通路１４，１５ａを介してノズル室１１、背圧制御室１２および増圧室２５に連結され、圧力制御室７３は燃料流通通路１５ｄを介して中間室２２に連結されている。

図１０から図１３に示す実施例では溢流制御弁４５が開弁するとニードル弁９が開弁して燃料噴射が開始された後に大小ピストン１８，１９からなる増圧ピストンによる噴射圧の増大作用が行われる。従ってこれら実施例では噴射初期における噴射率は小さく、噴射開始後暫らくすると噴射率が増大する。なお、これらの実施例においても溢流制御弁４５のリフト量又は開弁速度を変えることによって噴射率が増大する時期を機関運転状態に応じた最適な時期に制御することができる。

燃料噴射装置の全体図である。三方弁の第１実施例の側面断面図である。三方弁の第１実施例の側面断面図である。噴射率等の変化を示すタイムチャートである。燃料噴射装置の全体図である。三方弁の第２実施例を示す図である。三方弁の第２実施例の側面断面図である。噴射率等の変化を示すタイムチャートである。噴射率等の変化を示すタイムチャートである。三方弁の第３実施例の側面断面図である。燃料噴射装置の全体図である。三方弁の第４実施例の側面断面図である。燃料噴射装置の全体図である。

符号の説明

２コモンレール
５，５ａ，５ｂ高圧燃料供給通路
６ノズル部
７増圧器
８三方弁
９ニードル弁
１２背圧制御室
１４，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ燃料流通通路
１８大径ピストン
１９小径ピストン
２２中間室
２５増圧室
２６，２６ａ，２６ｂ低圧燃料返戻通路
３０，６０圧力切替室
３１，３３，６１，６３開口
３２，６２第１の弁体
３４，６４第２の弁体
３６，３９，６７，６８内端部
３７，４０，６５，７０外端部
４２，７３圧力制御室
４５溢流制御弁
４８，５０燃料通路
５３摺動シール面
５５圧力制御ポート
７１環状溝

Claims

ニードル弁の内端面上に形成された背圧制御室および噴射圧を増大するための増圧ピストンの中間室を夫々高圧燃料供給通路又は低圧燃料返戻通路に選択的に連結可能な三方弁を具備し、該三方弁による燃料通路切換作用によってニードル弁の開閉制御および増圧ピストンによる噴射圧の増大制御を行うようにした燃料噴射装置において、三方弁内に上記背圧制御室又は中間室の一方に常時連結された圧力切替室を形成し、圧力切替室の一側に上記高圧燃料供給通路を開口させると共にこの高圧燃料供給通路の開口を開閉制御をする第１の弁体を具備しており、圧力切替室の他側に上記低圧燃料返戻通路を開口させると共にこの低圧燃料返戻通路の開口を開閉制御する第２の弁体を具備しており、更に三方弁が圧力制御室を具備すると共に該圧力制御室内の燃料圧を制御することにより第１の弁体の両端部において第１の弁体の軸線方向に作用する燃料圧の圧力差および第２の弁体の両端部において第２の弁体の軸線方向に作用する燃料圧の圧力差を制御して上記背圧制御室又は中間室の一方の連通先を高圧燃料供給通路から低圧燃料返戻通路に切替えるときには第１の弁体が開弁していて第２の弁体が閉弁している状態から第１の弁体および第２の弁体が共に閉弁している状態を経た後に第１の弁体が閉弁していて第２の弁体が開弁している状態に切替えると共に、上記背圧制御室又は中間室の一方の連通先を低圧燃料返戻通路から高圧燃料供給通路に切替えるときには第１の弁体が閉弁していて第２の弁体が開弁している状態から第１の弁体および第２の弁体が共に閉弁している状態を経た後に第１の弁体が開弁していて第２の弁体が閉弁している状態に切替え、上記背圧制御室又は中間室の他方を第２の弁体が開弁したときに圧力切替室に連通させるか又は常時圧力制御室に連通させるようにした燃料噴射装置。
第１の弁体と第２の弁体とを共通の軸線上に配置すると共に第１の弁体の内端部と第２の弁体の内端部とを相対移動可能に嵌合させ、上記圧力制御室を第１の弁体の外端部に形成して該圧力制御室内の燃料圧を第１の弁体の外端部に軸線方向に向けて作用させ、互いに嵌合している第１の弁体の内端部と第２の弁体の内端部間に中間圧力室を形成して該中間圧力室内の燃料圧を第１の弁体の内端部および第２の弁体の内端部に軸線方向に向けて作用させ、高圧燃料供給通路内の燃料圧を第２の弁体の外端部に軸線方向に向けて作用させ、第２の弁体の外周に圧力切替室の内周面上を摺動する摺動シール面を形成し、第２の弁体が閉弁しているときには該摺動シール面により閉塞されると共に第２の弁体が一定開度以上開弁すると圧力切替室内に開口する圧力制御ポートを圧力切替室の内周面上に形成して上記背圧制御室又は中間室の他方を該圧力制御ポートに連結し、上記背圧制御室又は中間室の一方の連通先を高圧燃料供給通路から低圧燃料返戻通路に切替えるときには第１の弁体が開弁していて第２の弁体が閉弁している状態のもとで圧力制御室内の燃料圧を第１の弁体の閉弁圧以下まで低下させて第１の弁体を閉弁させた後に中間圧力室内の燃料圧を第２の弁体の開弁圧以下まで低下させて第２の弁体を開弁させ、該背圧制御室又は中間室の一方の連通先を低圧燃料返戻通路から高圧燃料供給通路に切替えるときには第１の弁体が閉弁していて第２の弁体が開弁している状態のもとで中間圧力室内の燃料圧を第２の弁体の閉弁圧以上まで上昇させて第２の弁体を閉弁させた後に圧力制御室内の燃料圧を第１の弁体の開弁圧以上まで上昇させて第１の弁体を開弁させるようにした請求項１に記載の燃料噴射装置。
圧力制御室が第１の弁体内に形成された燃料通路および絞りを介して中間圧力室に連結され、中間圧力室が第２の弁体内に形成された燃料通路および絞りを介して高圧燃料供給通路に連結され、圧力制御室内の燃料を溢流させる溢流制御弁を具備しており、該溢流制御弁を開閉制御することにより圧力制御室内の燃料圧および中間圧力室内の燃料圧を制御するようにした請求項２に記載の燃料噴射装置。
第１の弁体と第２の弁体とを共通の軸線上に配置すると共に第１の弁体の内端部と第２の弁体の内端部とを相対移動可能に嵌合させ、上記圧力制御室を第２の弁体の外端部に形成して該圧力制御室内の燃料圧を第１の弁体の内端部および第２の弁体の外端部に夫々軸線方向に向けて作用させ、高圧燃料供給通路内の燃料圧を第１の弁体の外端部および第２の弁体の内端部に夫々軸線方向に向けて作用させ、上記背圧制御室又は中間室の他方を常時圧力制御室に連通させ、上記背圧制御室又は中間室の一方の連通先を高圧燃料供給通路から低圧燃料返戻通路に切替えるときには第１の弁体が開弁していて第２の弁体が閉弁している状態のもとで圧力制御室内の燃料圧を徐々に低下させて第１の弁体を閉弁させた後に第２の弁体を開弁させ、上記背圧制御室又は中間室の一方の連通先を低圧燃料返戻通路から高圧燃料供給通路に切替えるときには第１の弁体が閉弁していて第２の弁体が開弁している状態のもとで圧力制御室内の燃料圧を徐々に増大させて第２の弁体を閉弁させた後に第１の弁体を開弁させるようにした請求項１に記載の燃料噴射装置。
第２の弁体の外端部に対して作用する圧力制御室内の燃料圧の有効作用面積から第２の弁体の内端部に対して作用する高圧燃料供給通路内の燃料圧の有効作用面積を差引いた有効作用面積差が、第１の弁体の内端部に対して作用する圧力制御室内の燃料圧の有効作用面積から第１の弁体の外端部に対して作用する高圧燃料供給通路内の燃料圧の有効作用面積を差引いた有効作用面積差よりも大きく形成されており、圧力制御室が絞りを介して高圧燃料供給通路内に連結されると共に圧力制御室内の燃料を溢流させる溢流制御弁を具備しており、該溢流制御弁を開閉制御することにより圧力制御室内の燃料圧を制御するようにした請求項４に記載の燃料噴射装置。
上記圧力制御室内に連通しておりかつ上記共通の軸線周りにおいて環状をなす環状溝を第２の弁体内に形成し、中空円筒状をなす第１の弁体が第２の弁体の内端部側から該環状溝内に摺動可能に嵌入され、第１の弁体の中空部内に高圧燃料供給通路内の燃料が導びかれると共にこの燃料の燃料圧が第２の弁体の内端部に作用する請求項５に記載の燃料噴射装置。