JP4120113B2 - 燃料噴射装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、段階的に燃料を噴射可能な燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高圧燃料供給ポンプから燃料噴射装置であるインジェクタに燃料を供給する燃料供給システムにおいて、燃料圧力によりニードルリフトを変化させ噴射特性を可変にしようとする技術が提案されている。燃料噴射装置の噴射率および燃料噴霧の濃度や拡散状態は、燃料の着火特性、ＮＯｘ、黒煙、ＨＣなどの発生量、燃焼効率などに大きく影響する。
【０００３】
例えば、所定のニードルリフト間隔をおいてニードルを付勢するように２個のばねを構成した２段開弁圧ノズルが公知となっている。この技術によれば、ニードルは燃料噴射ポンプから圧送される燃料圧力にしたがいリフトする。しかし、燃料噴射ポンプから燃料噴射装置に圧送される燃料圧力はエンジン運転状態によって変動するので、エンジンの要求する噴射率を全運転条件において実現するのは困難である。
【０００４】
そこで図２１に示す米国特許５６９４９０３号に開示されるインジェクタ２３０のように、噴孔閉塞方向にニードル２３１に燃料圧力を加える制御室２６０を設けるものが知られている。燃料溜まり２３２に導入される燃料圧力により噴孔開放方向に受ける力と、制御室２６０の燃料圧力から噴孔閉塞方向に受ける力と、スプリング２３７から噴孔閉塞方向に受ける力との大小関係によりニードル２３１のリフトを制御している。エンジン運転状態によって燃料圧力が変動しても制御室２６０の圧力を制御することにより、ニードル２３１の開閉タイミングを高精度に制御しようとしている。また、制御室２６０を閉塞する方向にパイロットバルブステム２７０を付勢する２個のばね２９０、２９７の付勢力とコイル２７４への通電電流とによりパイロットバルブステム２７０のリフトを２段階に制御して制御室２６０の燃料圧力を変化させることにより、ニードル２３１を段階的にリフトさせ、所望の燃料噴射率を得ようとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の燃料噴射装置の構成では、ニードル２３１は、制御室２６０の圧力の変化とスプリング２３７と、燃料溜まり２３２の燃料圧力との大小関係でリフトするので、ステム２７０が段階的にリフトしてもニードル２３１はステム２７０と同様に段階的にリフトするとは限らない。さらに、温度変化等により電磁力吸引力が変化するとステム２７０のリフト特性が変化し、ステム２７０の開口面積特性が変化する。また、粘性等の燃料特性の変化により制御室２６０の圧力変化が不安定になり、これに伴いニードル２３１のリフト特性が変化して燃料の噴射率が不安定になることがある。また、ステム２７０の非常に小さいリフト量を制御するので、インジェクタ２３０の個体間のばらつきを押さえることが難しく、高精度に安定した噴射制御は困難であった。
【０００６】
また、上記のいずれも、噴射率を可変制御することは可能であるが、噴霧角や噴霧の到達距離などの噴霧状態の可変制御は実現困難である。噴霧状態が適切に制御されない場合、燃費出力が低下し、ＮＯｘ、黒煙、ＨＣなどの発生が多くなるという問題がある。
本発明の目的は、エンジン運転状態に応じた燃料噴射状態を提供し、ＮＯｘ、黒煙、ＨＣを低減し燃費出力を向上する燃料噴射装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１から５、１１のいずれか一項記載の燃料噴射装置によれば、燃料圧力から噴孔開放方向に受ける力と、複数の付勢手段および複数の圧力室から噴孔閉塞方向に受ける力との大小関係により弁部材のリフト量が制御される。そして、複数の圧力室の少なくとも一室の圧力を制御手段で制御することにより、エンジン運転状態により燃料噴射装置に導入される燃料圧力が変動しても、弁部材の開閉タイミングを高精度に制御できる。また、複数の付勢手段から弁部材に加わる付勢力が弁部材のリフト量により段階的に変化するので、圧力室の圧力に応じ弁部材が段階的にリフトする。エンジン運転状態により燃料噴射装置に導入される燃料圧力が変動しても、弁部材を段階的にリフトさせることができるので、エンジンの全運転領域において所望の燃料噴射率に制御できる。
【０００８】
また、弁部材のリフト量に応じ燃料噴射率および燃料噴霧状態を変化させる噴射可変手段を備えているので、エンジンの全運転領域、特に低噴射圧においても、噴霧角と到達距離を弁部材のリフト量に応じて可変制御でき、構造が簡単で安価な燃料供給装置を提供できる。この燃料供給装置を使い、噴射率制御と噴霧制御を実施することにより、全運転領域で所定の噴霧を形成し、ＮＯｘ、ＨＣ、黒煙の発生を低減できる。
また、本発明の請求項１記載の燃料噴射装置によれば、複数の可動部材がそれぞれ複数の圧力室の各燃料出口を開閉するので、各圧力室の圧力を個別に制御できる。したがって、各圧力室の圧力を段階的に低下させることにより、弁部材を段階的にリフトさせることができる。
また、本発明の請求項１記載の燃料噴射装置によれば、複数の可動部材を同軸上に配設しているので、制御弁の体格を小型化できる。さらに、複数の可動部材を燃料出口閉塞方向に付勢するばねを有し、可動部材は異なるタイミングで複数の圧力室の各燃料出口を開閉するので、各圧力室の圧力を個別に高精度に制御することができる。
さらに、本発明の請求項１記載の燃料噴射装置によれば、第１の可動部材が所定量リフトすると第２の可動部材は第１の可動部材とともにリフト可能である。つまり、一つの駆動源により制御弁の各可動部材をリフトさせることができるので、制御弁の体格が小さくなる。
【０００９】
本発明の請求項６記載の燃料噴射装置によれば、複数の圧力室ごとに複数の伝達部材は受圧面を有する。したがって、圧力室の数に付勢手段の数を合わせれば弁部材を３段以上の多段にリフトさせることができる。
本発明の請求項７記載の燃料噴射装置によれば、複数の圧力室を伝達部材と同軸上に形成しているので、燃料噴射装置の径を小さくすることができる。
本発明の請求項８記載の燃料噴射装置によれば、複数の圧力室のいずれかまたは複数に複数の付勢手段をそれぞれ配設しているので、付勢手段を収容する空間が小さくなり、燃料噴射装置を小型化できる。
【００１０】
本発明の請求項９記載の燃料噴射装置によれば、弁部材が弁座に着座しているとき、噴孔閉塞方向に向け複数の圧力室の圧力を受ける伝達部材の受圧面積は噴孔開放方向に燃料圧力を受ける弁部材の受圧面積より大きく、弁部材が弁座から離座すると、噴孔閉塞方向に向け複数の圧力室の圧力を受ける弁部材の受圧面積から燃料圧力の低下した圧力室に面する弁部材の受圧面の受圧面積を引いた受圧面積は噴孔開放方向に燃料圧力を受ける弁部材の受圧面積より小さくなる。弁部材が弁座に着座するまで、弁部材が噴孔閉塞方向に燃料圧力から受ける力が弁座に着座しているときよりも小さくなるので、弁部材が弁座に着座するときの速度を低減し、閉弁衝撃をやわらげることができる。
【００１２】
本発明の請求項１０記載の燃料噴射装置によれば、電気的な力によって可動部材を駆動するので、可動部材の動きを高精度に制御し、燃料噴射率を高精度に制御できる。
【００１４】
本発明の請求項１２記載の燃料噴射装置によれば、エンジン運転状態が低速から中速あるいは低負荷から中負荷域では弁部材のリフトを第１リフト量、または小さなリフト量とすることにより燃料噴射量を減少し、高速または高負荷時には弁部材のリフトを第１リフト量と第２リフト量との和以上にすることにより燃料噴射量を増加している。エンジン運転状態に応じ最適な燃料噴射率を選択している。
【００１５】
本発明の請求項１３記載の燃料噴射装置によれば、燃料噴射期間中に弁部材のリフト量を段階的に切り替えることにより、一回の燃料噴射期間中において最適な燃料噴射率を実現できるので、ＮＯｘ、ＨＣ、黒煙の発生を低減できる。
本発明の請求項１４記載の燃料噴射装置によれば、エンジンの運転状態が切り替わるとき、制御手段は、エンジンの一行程毎に最適な噴射回数に制御し、燃料噴射毎に弁部材を最適なリフト状態にし、最適な噴射期間で燃料を噴射制御している。したがって、ＮＯｘ、ＨＣ、黒煙の発生を低減できる。
本発明の請求項１５記載の燃料噴射装置によれば、エンジン運転全域において最適な噴射回数で、かつ最適な弁部材のリフト状態で燃料を噴射制御している。したがって、ＮＯｘ、ＨＣ、黒煙の発生を低減できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示す複数の実施例を図に基づいて説明する。
（第１実施例）
本発明の第１実施例による燃料噴射装置であるインジェクタ１を図１に示す。インジェクタ１は図示しないエンジンのエンジンヘッドに挿入搭載され、エンジンの各気筒内に燃料を直接噴射するように構成されている。燃料噴射ポンプから吐出された高圧燃料は図示しない蓄圧管の蓄圧室で所定圧に蓄圧され、インジェクタ１に供給される。燃料噴射ポンプは、エンジンの回転数、負荷、あるいは吸入燃料圧力、吸入空気量、冷却水の温度にしたがい吐出圧を調整する。
【００１７】
インジェクタ１のハウジング１１と弁ボディ１２とはチップパッキン１３をはさみリテーニングナット１４で締結されている。弁部材２０は、噴孔１２ｂ側からニードル２１、ロッド２３、制御ピストン２４、２５により構成されている。ロッド２３および制御ピストン２４、２５は伝達部材を構成している。
【００１８】
ニードル２１は弁ボディ１２に往復移動自在に支持されている。ニードル２１は、第１の付勢手段としての第１スプリング１５により制御ピストン２５、２４、ロッド２３を介し弁ボディ１２に形成した弁座１２ａに付勢されている。第１スプリング１５は第２制御室６５に制御ピストン２５と同軸に収容されている。第１スプリング１５の初期設定荷重はＦｓ１、ばね定数はｋ１である。第２の付勢手段としての第２スプリング１６はハウジング１１内のロッド２３の周囲にロッド２３と同軸に嵌挿され、チップパッキン１３にスプリング座１７を押圧している。第２スプリング１６の初期設定荷重はＦｓ２、ばね定数はｋ２である。図２に示すように、スプリング座１７がチップパッキン１３に着座しているとき、スプリング座１７の下端面１７ａはニードル２１の肩部２２と隙間ｈ１、つまり第１リフト量を形成している。スプリング座１７がチップパッキン１３に着座しているとき、スプリング座１７の下端面１７ａはチップパッキン１３の下端面１３ａよりｈ２、つまり第２リフト量分つきだしている。したがって、ニードル２１の最大リフト量はｈ１＋ｈ２となる。
【００１９】
図１に示すように、電磁弁３０はハウジング１１の上部とナット３１で締結されている。電磁弁３０は、アーマチャ３２、ボディ３３、プレート３４、コイル３５、第１制御弁４０、第２制御弁４３、第１スプリング４２、第２スプリング４４等で構成されている。第１制御弁４０および第２制御弁４３は可動部材である。
【００２０】
第２制御弁４３は第２スプリング４４の付勢力によりボディ３３に形成した弁座３３ａに着座可能である。第２制御弁４３は円筒状に形成されており、軸方向に貫通する貫通孔を有している。第２制御弁４３は内周壁により第１制御弁４０を往復移動自在に支持している。第１制御弁４０と第２制御弁４３とは同軸上に配置されている。第１制御弁４０は第１スプリング４２の付勢力によりプレート３４に着座可能である。第１制御弁４０の上部に位置するコア４１は、コイル３５に通電することにより発生する励起吸引力により第１スプリング４２の付勢力にアーマチャ３２の端面３２ａに吸引される。図４に示すように、第１制御弁４０が図４の上方にリフトし第２制御弁４３の端部４３ａに当接するまでの第１リフト量はＨ１である。コイル３５に供給される電流値がさらに高い場合、第１制御弁４０のコア４１を吸引する力がさらに大きくなり、第１スプリング４２と第２スプリング４４との付勢力の和に抗し第１制御弁４０および第２制御弁４３がともに上昇し、第２制御弁４３がアーマチャ３２の係止部３２ｂに当接して停止する。第１制御弁４０が第２制御弁４３に当接してから第２制御弁４３が係止部３２ｂに当接するまでの第２リフト量はＨ２である。第１制御弁４０はＨ１＋Ｈ２の最大リフトをする。
【００２１】
図３に示すように、圧力室としての第１制御室６０に入口絞り６１および出口絞り６２が連通している。出口絞り６２の流路面積は入口絞り６１の流路面積よりも大きい。出口絞り６２は低圧側と連通可能な燃料通路である。入口絞り６１は、ハウジング１１に圧入あるいは嵌合挿入されているライナー２６に形成されており、燃料通路５１と連通している。燃料流入通路５０、燃料通路５１、入口絞り６１を通り第１制御室６０に高圧燃料が供給される。出口絞り６２はボディ３３とハウジング１１との間に挟持されているプレート３４に形成されており、燃料室６３に連通している。また、圧力室としての第２制御室６５に入口絞り６６および出口絞り６７が連通している。出口絞り６７の流路面積は入口絞り６６の流路面積よりも大きい。入口絞り６６は燃料通路５１に連通しており、燃料流入通路５０、燃料通路５１、入口絞り６６を通り第２制御室６５に高圧燃料が供給される。出口絞り６７は燃料通路６８に連通している。出口絞り６７、燃料通路６８、６９、７０は低圧側と連通可能な燃料通路を構成している。
【００２２】
第１制御弁４０が出口絞り６２を開放することで、第１制御室６０の高圧燃料は、出口絞り６２、低圧側の燃料室６３、燃料通路６４、５７ａ、５６ａ、燃料排出通路５８から燃料タンク３に排出される。燃料通路５７ａはボディ３３の周囲に燃料通路６４と連通するように形成され、プレート３４に形成された燃料通路５６ａを介し燃料通路５６に連通している。燃料通路５６はハウジング１１内のロッド２３周囲に開口しており、ハウジング１１内の低圧燃料を燃料タンク３ヘ排出している。第２制御弁４３がボディ３３の弁座３３ａから離座することにより燃料通路７０を開放すると、第２制御室６５の高圧燃料は、出口絞り６７、燃料通路６８、６９、７０、燃料室６３、燃料通路６４、５７ａ、５６ａ、燃料排出通路５８から燃料タンク３に排出される。ボディ３３に形成され燃料通路５７ａに連通する燃料通路５７は第２スプリング４４を収容している電磁弁３０内に開口しており、電磁弁３０内の低圧燃料を燃料通路５７ａ、５６ａを介し燃料タンク３に排出している。
【００２３】
制御ピストン２４はハウジング１１に嵌挿されている。制御ピストン２４の反噴孔側に位置している制御ピストン２５はライナー２６に嵌挿されており、第１制御室６０に面している。制御ピストン２４の下部はロッド２３に当接している。第１スプリング１５は一端をライナー２６に当接し、他端を制御ピストン２５に係止されている。制御ピストン２４と制御ピストン２５とは別体としたが、一体に構成してもよい。また、制御ピストン２４とロッド２３は一体でもよい。
【００２４】
制御ピストン２４および制御ピストン２５が第１制御室６０から燃料圧力を受ける受圧面積Ａｐ１、第２制御室６５から燃料圧力を受ける受圧面積Ａｐ２の合計Ａｐは、弁ボディ１２と摺動するニードル２１のガイド部の断面積、つまり、ニードル２１を収容する弁ボディ１２の収容孔の断面積Ａｇより大きく形成されている。図示しない蓄圧管から供給される高圧燃料は、ハウジング１１に形成された燃料流入通路５０、燃料通路５１、チップパッキン１３に形成された燃料通路５２、ノズルボディ１２に形成された燃料通路５３、燃料溜まり５４からニードル２１周囲の燃料通路５５を経てニードル２１と弁座１２ａとで形成する弁部２に至る。
【００２５】
次に、弁部２の周辺について構成を説明する。図７の（Ａ）に示すように、ニードル２１の先端に設けられた当接部２１ａは弁ボディ１２に形成した弁座１２ａに着座可能である。弁部２は、当接部２１ａ、噴射可変手段としての旋回力形成部２１０、渦巻き室２１９および噴孔１２ｂから構成されている。旋回力形成部２１０は、弁ボディ１２のシート面２２０と、ニードル２１の外周上に形成された円錐面２１１、２１２、２１３、円筒面２１４と複数の斜め溝２１５によって構成される。円錐面２１１は、シート面２２０よりわずかに小さいか同じ円錐角度で形成されている。旋回力形成部２１０は上記の構成だけでなく、基本構成として、弁ボディ１２に形成されたシート面２２０のような円錐面と、ニードル２１の外周面に形成された円錐面２１１とが相対して、円錐面である２１１と２２０のいずれかに斜め溝２１５が形成されている構造であれば、次に述べる作用効果が十分に得られる。また、円錐面ではなく球面同士であっても同様の作用効果が得られる。
【００２６】
渦巻き室２１９は、弁ボディ１２のシート面２２０とニードル２１の旋回力形成部２１０の下流部にある円錐面２１３、円筒面２１６によって構成される。この渦巻き室２１９も、前記形状にこだわるものでなく、円筒面２１６は円錐面でも、円筒と円錐の合成面でも球面等でも構成可能である。ニードル２１の当接部２１ａは第１のスプリング１５によって噴孔閉塞方向に付勢され弁座１２ａに着座可能である。また、燃料通路５５内の燃料圧力により弁座１２ａから離座する方向、つまり噴孔開放方向に力を受ける。当接部２１ａの下流には弁ボディ１２のシート面２２０と、それより大きな円錐角をもつニードル２１の円錐面２１７と、さらに大きな円錐角を持つ円錐面２１８とで流路が構成されている。弁ボディ１２はシート面２２０から円錐面２２１へと連続的に円錐面を変化させて噴孔１２ｂに連通する流路を構成している。円錐面２１７、２１８は同じ角度の１つの円錐面でもよい。また、弁ボディ１２側もシート面２２０、円錐面２２１はシート面２２０と同じ角度のひとつの円錐面でも、さらには円弧等の曲面でも構成可能である。
【００２７】
次に、インジェクタ１の作動について説明する。
まず、図示しない燃料噴射ポンプから燃料が吐出され、図示しない蓄圧管に送出される。蓄圧管の蓄圧室で所定の一定圧に蓄圧された高圧燃料はインジェクタ１に供給される。また、図示しないエンジン制御装置（ＥＣＵ）により、エンジンの運転条件に応じた制御弁駆動電流が生成され、電磁弁３０のコイル３５に供給される。駆動電流の供給によりコイル３５に励起吸引力が発生すると、第１スプリング４２の付勢力に抗し第１制御弁４０を吸引する。すると出口絞り６２が開放され、第１制御室６０が出口絞り６２を介して低圧側の燃料室６３に連通する。入口絞り６１より出口絞り６２の流路面積が大きく設定されているので、流入燃料量より流出燃料量が多く、第１制御室６０の燃料圧力Ｐｃ１は低下し始める。この圧力低下速度は、入口絞り６１と出口絞り６２との流路面積の差と第１制御室６０の容積の設定で任意に調節できる。第１制御室６０の圧力が低下し、第１スプリング１５の設定荷重と、第１制御室６０および第２制御室６５の燃料圧力から受ける力との合力である噴孔閉塞方向の力がニードル２１を押し上げる力より小さくなるとニードル２１は開弁しはじめる。コイル３５の通電保持電流ＩＨ１で発生する励起吸引力が第１スプリング４２と第２スプリング４４との合力より小さいとき、図４に示す第１リフト量Ｈ１の位置で第１制御弁４０は停止する。
【００２８】
次に、ニードル２１に働く力を説明する。
(1) ニードル２１のリフト量ｈが第１リフト量ｈ１より小さいとき（ｈ＜ｈ１）
▲１▼ニードル閉弁時（ｈ＝０）
閉弁力Ｆｃｌは、第１制御室６０および第２制御室６５の燃料圧力Ｐｃｔから噴孔閉塞方向に弁部材２０に働く力Ｆｃｔと、第１スプリング１５の初期設定荷重Ｆｓ１との合計である。Ｆｃｌ＝Ｆｃｔ＋Ｆｓ１＝Ｐｃｔ×Ａｐ＋Ｆｓ１である。また、Ｐｃｔ×Ａｐ＝Ｐｃ１×Ａｐ１＋Ｐｃ２×Ａｐ２である。ここで、Ｐｃ１は第１制御室６０の圧力、Ｐｃ２は第２制御室６５の圧力、Ａｐ１は第１制御室６０から噴孔閉塞方向に燃料圧力を受ける弁部材２０の受圧面積、Ａｐ２は第２制御室６５から噴孔閉塞方向に燃料圧力を受ける弁部材２０の受圧面積である。Ａｐ＝Ａｐ１＋Ａｐ２の関係にある。
【００２９】
開弁力Ｆｏは、燃料圧力から噴孔開放方向にニードル２１に加わる力Ｆｄであり、Ｆｏ＝Ｆｄ＝Ｐｄ（Ａｇ−Ａｓ）である。Ｐｄは燃料通路５５の燃料圧力、Ａｓはニードル２１が弁座１２ａに着座しているときのシート面積である。ニードルに加わる力Ｆを次式(1) に示す。
Ｆ＝Ｆｏ−Ｆｃｌ＝Ｐｄ（Ａｇ−Ａｓ）−Ｐｃｔ×Ａｐ−Ｆｓ１・・・(1)
【００３０】
▲２▼ニードル開弁時（０＜ｈ＜ｈ１）
第１制御室６０の燃料圧力が低下しニードル２１が弁座１２ａから離座すると、第１スプリング１５の収縮分ｈが加わり、ばね力ＦｓはＦｓ＝Ｆｓ１＋ｋ１×ｈとなる。したがって閉弁力ＦｃｌはＦｃｌ＝Ｆｃｔ＋Ｆｓ＝Ｆｃｔ＋Ｆｓ１＋ｋ１×ｈ、開弁力はＦｏ＝Ｆｄ＝Ｐｄ×Ａｇである。ニードルに加わる力Ｆを次式(2) に示す。
Ｆ＝Ｆｏ−Ｆｃｌ＝Ｐｄ×Ａｇ−Ｆｃｔ−Ｆｓ１−ｋ１×ｈ・・・(2)
このとき、弁部材２０が第１制御室６０および第２制御室６５から燃料圧力を受ける受圧面積Ａｐから燃料圧力の低下した第１制御室６０から燃料圧力を受ける受圧面積Ａｐ１を引いた受圧面積、すなわち第２制御室６５から燃料圧力を受ける受圧面積Ａｐ２は、Ａｇよりも小さい。
【００３１】
(2) ニードル２１のリフト量ｈが第１リフト量ｈ１以上のとき（ｈ１≦ｈ）
ばね力Ｆｓは第２スプリング１６の初期設定荷重Ｆｓ２と収縮分が加わりＦｓ＝ｋ１×ｈ＋Ｆｓ１＋ｋ２（ｈ−ｈ１）＋Ｆｓ２である。閉弁力Ｆｃｌは、Ｆｃｌ＝Ｆｃｔ＋Ｆｓ＝Ｐｃｔ×Ａｐ＋ｋ１×ｈ＋Ｆｓ１＋ｋ２（ｈ−ｈ１）＋Ｆｓ２、開弁力ＦｏはＦｏ＝Ｆｄ＝Ｐｄ×Ａｇとなる。ニードル２１に加わる力Ｆを次式(3) に示す。
Ｆ＝Ｆｏ−Ｆｃｌ＝Ｐｄ×Ａｇ−Ｐｃｔ×Ａｐ−ｋ１×ｈ−Ｆｓ１−ｋ２（ｈ−ｈ１）−Ｆｓ２・・・(3)
【００３２】
次に第１制御弁４０、４３に働く力を説明する。
(1) 第１制御弁４０のリフト量Ｈが０の閉弁時（Ｈ＝０）
第１制御弁４０に働く閉弁力Ｆｖｃ１は第１スプリング４２の初期設定荷重Ｆｖｓ１だけである。つまりＦｖｃ１＝Ｆｖｓ１である。第１制御弁４０に働く開弁力は、第１制御室６０の燃料圧力Ｐｃ１から第１制御弁４０が受ける開弁力Ｆｖｏ１であり、Ｆｖｏ１＝Ａｏ１×Ｐｃ１である。Ａｏ１は出口絞り６２の開口面積である。第１制御弁４０に加わる力Ｆｖ１を次式(4) に示す。
Ｆｖ１＝Ｆｖｏ１−Ｆｖｃ１＝Ａｏ１×Ｐｃ１−Ｆｖｓ１・・・(4)
【００３３】
第２制御弁４３に加わる閉弁力Ｆｖｃ２は、第２スプリング４４の初期設定荷重Ｆｖｓ２である。つまりＦｖｃ２＝Ｆｖｓ２である。第２制御弁４３に働く開弁力Ｆｖｏ２は、第２制御室６５の燃料圧力Ｐｃ２から第２制御弁４３が受ける力であり、Ｆｖｏ２＝Ａｏ２×Ｐｃ２である。Ａｏ２は、弁座３３ａに着座した状態で第２制御室６５の燃料圧力を受ける第２制御弁４３の受圧面積である。第２制御弁４３に加わる力Ｆｖ２を次式(5) に示す。
Ｆｖ２＝Ｆｖｏ２−Ｆｖｃ２＝Ａｏ２×Ｐｃ２−Ｆｖｓ２・・・(5)
Ｈ＝０では、第１制御弁４０と第２制御弁４３は相互に力を及ぼしていない。
【００３４】
(2) 第１制御弁４０だけがリフトしているとき（０＜Ｈ＜Ｈ１）
コイル３５に電流が供給され、第１の保持電流ＩＨ１による励起吸引力Ｆｍ１が第１制御弁４０に加わると第１制御弁４０はプレート３４からリフトする。初期設定荷重Ｆｖｓ１に加え第１スプリング４２の収縮分が第１制御弁４０に閉弁力として加わるので、第１制御弁４０に加わる閉弁力Ｆｖｃ１はＦｖｃ１＝Ｆｖｓ１＋Ｋ１×Ｈとなる。また、開弁力Ｆｖｏ１は前記の励起吸引力Ｆｍ１と、上下の受圧面積差Ａｖｏ１に加わる燃料室６３の燃料圧力Ｐｖ１から第１制御弁４０が受ける力である。Ｈ＞０のとき、第１制御室６０の燃料圧力Ｐｃ１は、低下しているか、あるいは出口絞り６２を介して燃料室６３の燃料圧力Ｐｖ１に影響を与える。いずれにしても、燃料室６３は燃料通路６４、５７ａ、５６ａ、燃料排出通路５８を介して燃料タンク３に開放されているので殆ど大気圧と等しくなっており、無視できる圧力となっている。開弁力の合計はＦｖｏ１＝Ｆｍ１＋Ａｖｏ１×Ｐｖ１となる。第１制御弁４０に加わる力Ｆｖ１を次式(6) に示す。
Ｆｖ１＝Ｆｖｏ１−Ｆｖｃ１＝Ｆｍ１＋Ａｖｏ１×Ｐｖ１−Ｆｖｓ１−Ｋ１×Ｈ・・・(6)
この時点で第２制御弁４３に加わる力は式(5) で示す力と同じである。
【００３５】
(3) 第１制御弁４０および第２制御弁４３がリフトしているとき（Ｈ１≦Ｈ）
コイル３５に第２保持電流ＩＨ２が供給され、励起吸引力Ｆｍ２が第１制御弁４０に加わっている。第１制御弁４０に加わる第１スプリング４２の閉弁力はＦｖｓ１＋Ｋ１×Ｈとなる。これに、第２制御弁４３に加わる第２スプリング４４のばね力Ｆｖｓ２＋Ｋ２×（Ｈ−Ｈ１）が加わる。第１制御弁４０に加わる閉弁力Ｆｖｃ１はＦｖｃ１＝Ｆｖｓ１＋Ｋ１×Ｈ＋Ｆｖｓ２＋Ｋ２×（Ｈ−Ｈ１）であり、第１制御弁４０に加わる開弁力Ｆｖｏ１はＦｖｏ１＝Ｆｍ２＋Ａｖｏ１×Ｐｖ１である。第２制御弁４３から受ける力を無視した第１制御弁４０に加わる力Ｆｖ１を次式(7) に示す。
Ｆｖ１＝Ｆｖｏ１−Ｆｖｃ１＝Ｆｍ２＋Ａｖｏ１×Ｐｖ１−Ｆｖｓ１−Ｋ１×Ｈ・・・(7)
【００３６】
次に、第２制御弁４３が開弁していることから、燃料通路７０の燃料圧力はＰｃ１より低下し燃料室６３と同様に大気圧に近いＰｖ２になっている。Ｐｖ２≒Ｐｖ１とおける。燃料室６３、燃料通路７０の燃料圧力から開弁方向に力を受ける第２制御弁４３の受圧面積をＡｖｏ２とすると、Ｆｖｏ２＝Ａｖｏ２×Ｐｖ２である。第２制御弁４３の閉弁力Ｆｖｃ２は、Ｆｖｃ２＝Ｆｖｓ２＋Ｋ２×（Ｈ−Ｈ１）となる。第１制御弁４０から受ける力を無視した第２制御弁４３に加わる力Ｆｖ２を次式(8) に示す。
Ｆｖ２＝Ｆｖｏ２−Ｆｖｃ２＝Ａｖｏ２×Ｐｖ２−Ｆｖｓ２−Ｋ２×（Ｈ−Ｈ１）・・・(8)
第１制御弁４０と第２制御弁４３との相互力を考慮し、両制御弁に加わる力Ｆｖを次式(9) に示す。
Ｆｖ＝Ｆｖ１＋Ｆｖ２＝Ｆｍ２＋Ａｖｏ１×Ｐｖ１−Ｆｖｓ１−Ｋ１×Ｈ＋Ａｖｏ２×Ｐｖ２−Ｆｖｓ２−Ｋ２×（Ｈ−Ｈ１）・・・(9)
【００３７】
コイル３５に駆動電流を供給し、励起吸引力により第１スプリング４２に抗して第１制御弁４０が開弁し、図４に示す第１リフト量Ｈ１になると、第１制御室６０の燃料圧力Ｐｃ１が低下し、第１スプリング１５の初期設定荷重Ｆｓ１と合わせた力により、蓄圧管から供給される圧力Ｐｄによりニードル２１が第１のスプリング１５に抗して押し上げられ開弁する。式(1) において、Ｆ≧０の条件が成立したときである。そして、ニードル２１が第１リフト量ｈ１まで上昇する。第１リフト量ｈ１から第２スプリング１６の初期設定荷重Ｆｓ２が負荷されるため、ニードル２１はｈ１でリフトを停止する。図６においてニードルリフト線図の（Ａ）に示す状態である。第１制御室６０の燃料圧力が低下しても式(2) においてＦ≧０、式(3) においてＦ＜０である間は、ニードル２１は第１リフト量ｈ１で停止している。さらに、電磁弁３０のコイル３５に高い電流が流れると励起吸引力が増加し、第２制御弁４３も第１制御弁４０とともに第１スプリング４２、第２スプリング４４の付勢力に抗して開弁し図６に示すリフト状態（Ｈ１＋Ｈ２）になる。第２制御室６５の燃料圧力が低下し、式(3) においてＦ≧０が成立するとニードル２１は第１リフト量ｈ１からさらにリフトを開始する。ニードル２１は第１リフト量ｈ１からさらに第２リフト量ｈ２上昇する。ニードルリフトはｈ１＋ｈ２となり、最大リフト状態で停止する。図６の（Ｂ）または（Ｃ）の（ｂ）に示す状態である。
【００３８】
第２制御室６５の燃料圧力が、低下していくとニードル２１を開弁させようとする力はさらに増加していくが、ニードル２１の肩部２２がチップパッキン１３の下端面１３ａに係止されているので、ニードル２１はこれ以上リフトしない。噴孔開放方向の荷重はチップパッキン１３が受ける。所定の駆動パルス時間が過ぎると、コイル３５への駆動電流の供給が停止され、第２制御弁４３が弁座３３ａに着座することにより燃料通路７０が閉塞される。すると、入口絞り６６から流入する高圧燃料により第２制御室６５の燃料圧力が上昇を開始する。さらに、第１制御弁４０がプレート３４に着座することにより出口絞り６２が閉塞される。すると、入口絞り６１から流入する高圧燃料により第１制御室６０の燃料圧力が上昇を開始する。
【００３９】
制御ピストン２４、制御ピストン２５を押し下げる力が上昇し、ロッド２３を介しニードル２１を噴孔閉塞方向に押し下げ始める。第２リフト量ｈ２だけ下降したところで、第２スプリング１６の荷重がニードル２１に負荷されなくなり、第１制御室６０および第２制御室６５の燃料圧力と第１スプリング１５の初期設定荷重Ｆｓ１だけが弁部材２０を噴孔閉塞方向に付勢する。ニードル２１に加わる閉弁力が減少するので、ニードル２１は速度を落として弁座１２ａに着座する。したがって、着座時における衝撃力と騒音が低減される。このように、電磁弁３０に供給する電流値で制御される二つの第１制御弁４０、第２制御弁４３により第１制御室６０および第２制御室６５の燃料圧力を制御し、２組の絞り６１、６２、ならびに絞り６６、６７の流路面積の設定で第１制御室６０および第２制御室６５の燃料圧力を制御している。そして、噴孔開放方向および噴孔閉塞方向に燃料圧力から受ける力、ならびに第１スプリング１５および第２スプリング１６の付勢力の大小関係によりニードル２１を段階的にリフトさせている。開弁時は、第１リフト量ｈ１だけ、または（ｈ１＋ｈ２）まで、さらには、第１リフト量ｈ１での期間を長くし、ｈ２へつなぐという階段的なリフト特性も可能である。さらに、閉弁時のｈ１期間をなくすか短く設定することができる。これにより、燃焼初期の燃料噴射量を減少させて窒素酸化物、燃焼騒音を低下させる。さらに、噴射終わりの燃料噴射率の終了を短時間で行うことで黒煙の発生を押さえることができる。
【００４０】
上記のようにニードル２１のリフトを段階的に制御するときの弁部２の作動を説明する。
ニードル２１のリフト量がｈ１のとき、図７の（Ｂ）に示すようにニードル２１の円錐面２１１とシート面２２０はごくわずかなすきまを形成する。このとき図８に示すように、斜め溝２１５を流れる燃料の速度Ｖｎと、円錐面２１１とシート面２２０との間を流れる燃料速度Ｗｂとが発生する。図９の（Ａ）に示すように、速度Ｖｎは円周方向速度成分Ｕｎと軸方向速度成分Ｗｎに分解される。ＶｎとＷｂの速度の大きさの比は、ほぼそれぞれの流路面積比で決まり、ニードル２１のリフトに対し図９の（Ｂ）に示すような変化を生ずる。つまり、斜め溝２１５の速度Ｖｎは斜め溝２１５が一定の流路面積をニードル２１のリフトにかかわらず有しているため、リフトにより開口する当接部２１ａと弁座１２ａとの間の開口面積にしたがい燃料流量が増加するとＶｎは増加する。第１リフト量ｈ１付近で当接部２１ａと弁座１２ａとが形成する開口面積と斜め溝２１５の流路面積とが等しくなるように設定されていれば、第１リフト量ｈ１においてＶｎは最高速に達する。Ｗｎはほぼリフトに比例して増加するが、Ｖｎの増加に比して実際のニードルリフト量の百分の数ｍｍから十分の数ｍｍ程度では値は小さく緩やかな増加である。その結果、第１リフト量ｈ１付近でＶｎとＷｂの比は最大になる。このとき、噴霧角は噴孔出口での円周方向速度成分と軸方向速度成分の比で決まるが、運動量保存則と自由渦の法則から、渦巻き室２１９に流入する円周方向速度成分Ｕｎと軸方向速度成分Ｗ＝Ｗｎ＋Ｗｂとの比と同じになる。つまり噴霧はｔａｎ（α／２）＝Ｕｎ／（Ｗｎ＋Ｗｂ）で求められる噴霧角αで燃料を噴射する。
【００４１】
第１制御室６０の燃料圧力がさらに低下するとニードル２１は第１のスプリング１５および第２のスプリング１６の付勢力に抗して押し上げられ、最大リフト量（ｈ１＋ｈ２）に達する。この状態では、当接部２１ａと弁座１２ａとの間の面積が増加し燃料速度Ｗｂが増加するので、斜め溝２１５内の速度ＶｎはＷｂに乱され少し減速する。この結果、噴霧角αは図９の（Ｃ）に示すように減少する。
【００４２】
第１実施例では、渦巻き室２１９の径を押さえて形成しているため渦巻き室２１９の容積が減少し、旋回力を形成するのに時間遅れが少なくなる。さらに、当接部２１ａの直上に渦巻き室２１９が形成されているので、噴霧角の変化はリフト量に素早く追随する。渦巻き噴射による噴霧は、燃料を剪断することで微粒化するために、他のホールノズルに比べ低い噴射圧力でより微粒化できる。
【００４３】
次に、第１実施例のインジェクタをエンジン運転状態に応じて制御する方法について説明する。
図１０に示すように、基本的に低中速、低中負荷領域では、ニードル２１のリフトは第１リフト量ｈ１の低リフト状態を維持させ、低噴射率と低到達噴霧で燃料を燃焼室に供給する。高速域または高負荷では、ｈ１＋ｈ２までニードル２１をリフトさせて高噴射率、高到達噴霧とする。図１０の（Ｂ）の噴射圧力、図１０の（Ｃ）の噴射時期は噴射量を基にしたマップによって制御される。エンジン運転状態によって、温度（空気、冷却水、燃料）、吸気圧等による補正がマップに加えられる。定常運転をするエンジンでは、リフト量がｈ１までの第１段のリフトと、リフト量が（ｈ１＋ｈ２）までの第２段のリフトの運転域は図１０の（Ａ）の実線で切り換えることで問題ない。しかし、過渡運転がある車等に搭載するエンジンでは、図１０の（Ａ）の破線領域をエンジン運転条件が通過するときは過渡状態と判定し、特別な制御を行うことでリフト量の切り替えによるエンジン出力の階段状変化を防止する。例えば、図６の（Ｃ）に示すように噴射期間中に階段状のリフトとなるように電磁弁３０への通電電流を制御することで、エンジン出力の階段状変化を防止できる。第１段のリフトと第２段のリフトの長さの比は、図１０の（Ａ）の破線域でのエンジン運転状態によって変化させる。また、エンジンの一行程中に複数の噴射回数を設定できる。例えば、低負荷から高負荷へエンジン運転条件が変化するとき、第１リフト量ｈ１だけの第１段の複数噴射から第２リフト量ｈ２を加えた第２段の噴射を０回から徐々に増加させること、また複数回噴射の中で噴射期間を個別に制御することが可能である。図６の（Ａ）と（Ｂ）の複数の組み合わせで、図６の（Ｃ）のリフトを組み合わせることが可能である。図１０の（Ａ）の破線領域を往復する運転条件時には、その噴射制御をヒステリシスを持たせることも勿論可能である。
【００４４】
以上説明した第１実施例では、将来の燃焼概念に必要とされる噴霧角可変技術が、ニードルリフトを安定して２段階に制御するとともに、ニードルリフトにより弁部２において燃料流れの旋回形成力を変化させるように構成することで、安価にかつ低噴射圧力で実現できる。また、斜め溝２１５の出入り口の曲面の曲率半径をそれぞれ傾斜側、つまり入り口では流れ込む側、また、出口側では渦巻き流の下流側を大きく形成することにより、燃料流れの損失が少なく、剥離を起こさずキャビテーションの発生を防止することができる。すなわち、噴射系の不要な圧力上昇を少なくし、機械効率を向上させる。さらに、ノズルの信頼性が向上する。
【００４５】
また、最大リフト量（ｈ１＋ｈ２）から弁部材２０が閉弁を開始するとき、第１スプリング１５の荷重と第２スプリング１６の荷重との合力により閉弁速度は大きいが、第１リフト量ｈ１以下では第１スプリング１５の小さい初期設定荷重により着座直前のニードル閉分速度が低減するので、閉弁衝撃を和らげることができる。さらに、弁部材２０が弁座１２ａから離座した状態では、弁部材２０が噴孔開放方向に燃料圧力を受ける受圧面積が、噴孔閉塞方向に両制御室から燃料圧力を受ける受圧面積から燃料出口を開放されている制御室から燃料圧力を受ける受圧面積を引いた受圧面積よりも大きい。したがって、ニードル２１が弁座１２ａに着座する速度が低減し、閉弁衝撃を和らげることができる。この点からも、信頼性を向上することができる。また、第１段のリフトだけの噴射を行う軽負荷時には燃料噴射率を低く押さえられるので、微小噴射量が安定して制御できる。さらに、渦巻き室２１９内の圧力均衡作用によりニードル２１の当接部２１ａの偏心を調心し、ニードル２１を弁ボディ１２と同軸に保持し噴霧の変形を防止することができる。
【００４６】
（第２実施例）
本発明の第２実施例を図１１に示す。第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し、説明を省略する。旋回力形成部２１０とシート面２２０との間の距離で旋回速度方向を変える第１実施例と異なり、第２実施例では、ニードル８３のリフト量によって弁ボディ８０に形成した複数の第１噴孔８１、第２噴孔８２を開閉し、噴射率、噴霧を変化させる構成になっている。第１噴孔８１および第２噴孔８２は噴射可変手段を構成している。
【００４７】
ニードル８３は燃料通路８４をその内部に形成しており、燃料通路８４は弁ボディ８０に形成した燃料通路５１と燃料溜まり５４を介して連通している。ニードル８３の当接部８３ａは、図示しない第１スプリング１５の付勢力により弁ボディ８０に形成された弁座８０ａに押圧されている。第１噴孔８１および第２噴孔８２は弁ボディ８０の外径部に複数開口し、それぞれ第１噴孔群と第２噴孔群を構成している。第１噴孔８１および第２噴孔８２はそれぞれの下側開口部を距離Ｌｈをもつように開口している。この距離Ｌｈはニードル８３の第１リフト量ｈ１より大きく、最大リフト量（ｈ１＋ｈ２）より小さく構成されている。ニードル８３が電磁弁の駆動によりリフトを開始すると、当接部８３ａは弁座８０ａを離れ、高圧燃料は第１噴孔８１より燃料を噴射開始する。ニードル８３はリフトを継続し第１リフト量ｈ１で停止する。この状態では、第１噴孔８１だけ開口している。さらにニードル８３がリフトし、リフト量ｈがＬｈより大きくなると、第２噴孔８２からも噴射を開始する。ニードル８３のリフト量が（ｈ１＋ｈ２）の最大リフトでは、第１噴孔８１および第２噴孔８２を完全に開口して最大の噴射率となる。（ｈ１＋ｈ２）は（Ｌｈ＋第２噴孔８２の径）より大きく設定されている。
【００４８】
第２実施例の構成と作動によれば、第１実施例の１つの広い角度をもつ円錐噴霧とは異なり、各噴孔の小さな噴霧角度をもつ複数の噴霧が形成され、噴霧群全体として１つの円錐角をもつ噴霧を形成する。第１噴孔群と第２噴孔群とで異なる円錐噴霧角をもつことが可能である。また、噴射率がニードル８３のリフト量により２段階に変化し、さらに、第１噴孔８１および第２噴孔８２の噴孔径を変化させることで噴射率を調節できる。
【００４９】
（第３実施例）
本発明の第３実施例によるインジェクタを図１２に示す。インジェクタ４において第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し、説明を省略する。電磁弁３０の構成は模式的に示されている。第１実施例と異なるのは、第１スプリング１５を第２制御室６５から外し制御ピストン２４の下部に配置し、ロッド２３を負荷するように構成したことにある。基本的な作動は第１実施例と同じである。この構成によれば、第２制御室６５の容積が減少するので第２制御室６５の燃料圧力Ｐｃ２の変化応答性が早くなり、ニードル２１の開閉応答性が向上する。さらに、圧力を変化させるために出入りする燃料量が減少し燃料噴射ポンプの吐出量を低減できるので、燃料噴射ポンプの駆動トルクが低下しエンジン出力が向上する効果がある。
【００５０】
（第４実施例）
本発明の第４実施例を図１３に示す。第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し、説明を省略する。第１実施例と異なるのは、第２スプリング１６の内周側に第１スプリング１５を配置し、第１スプリング１５の付勢力をプレッシャピン８５を介してニードル２１に加えている点である。また、ニードル２１上部の突きだしをなくし平面化したことで、ニードル形状が単純化されている。また第４実施例では、第２スプリング１６のスプリング座８６にニードル２１が当接するまでの第１リフト量ｈ１だけが規定され、第２リフト量ｈ２は規定されていない。
【００５１】
この構成によればロッド２３の全長が短縮でき弁部材２０の質量が軽減される。また、噴孔開放方向および噴孔閉塞方向にニードル２１に働く力の均衡に第２リフト量を任せることで、弁部材２０製造時の調整行程が省略でき製造価格が低減する。
【００５２】
（第１参考例）
本発明の第１参考例によるインジェクタを図１４に示す。インジェクタ５において第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し説明を省略する。第１実施例の３位置３方向の電磁弁３０から２位置２方向の電磁弁９０に代えることにより、電磁弁の構成を簡単化している。これに伴い、図示しないが、図１に示す第１制御弁４０と第２制御弁４３とを一体化し、第１スプリング４２、第２スプリング４４のいずれかを廃止している。電磁弁９０は第１制御室６０の出口絞り６２だけを開閉する。第２制御室６５には燃料出口としての出口絞りが形成されていない。したがって、第２制御室６５の圧力は制御されず、常に蓄圧管から供給される圧力となる。また第１実施例で用いたチップパッキン１３を廃止し、第２スプリング１６のスプリング座９１を弁ボディ１２の端面に当接させている。第４実施例と同じく第２リフト量ｈ２は規定されていない。
この構成によれば、ニードル２１の第２段のリフト開始圧力は制御されず、一定圧力でニードル２１は自動的に第２段のリフトを開始する。インジェクタの構成および制御が簡単化され、低価格かつ小型のインジェクタを提供できる。
【００５３】
（第５実施例）
本発明の第５実施例を図１５に示す。第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し、説明を省略する。
ライナー１００はプレート３４とハウジング１０５との間に挟持されている。ライナー１００は、フランジ部１０１および円筒部１０２を有している。フランジ部１０１に、第２制御室６５と出口絞り６７とを連通する連通路１０１ａ、ならびに入口絞り６１が形成されている。
【００５４】
制御ピストン１１０は、軸中央部に円柱部１１１を有し、円柱部１１１の外周に円柱部１１１と円筒状の溝を形成する円筒部１１２を有している。円筒部１１２は径方向外側に延びる拡径部１１２ａを設けている。ライナー１００の円筒部１０２は制御ピストン１１０の円柱部１１１に摺動自在に嵌合している。
第５実施例では、制御ピストン１１０の拡径部１１２ａを大きくすることにより第２制御室６５の燃料圧力を受ける受圧面積を大きくすることができるので、第２段のリフトに要する燃料圧力を最大噴射圧まで増加できる。
【００５５】
（変形例）
第５実施例において、ライナー１００の形状を変形した例を図１６に示す。円筒状に形成されたライナー１２０は第１スプリング１５によってプレート３４に押圧され、第１制御室６０と第２制御室６５とを高圧油密している。
【００５６】
（第６実施例）
本発明の第６実施例を図１７に示す。第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し、説明を省略する。第１実施例と異なるのは、第２スプリング４４をスペーサ１２１の第２制御弁１２３側に配置したことである。この構成によれば、第１制御弁１２２の全長を短縮でき電磁弁３０を小型化できる。
【００５７】
（第７実施例）
本発明の第７実施例を図１８に示す。第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し、説明を省略する。第１実施例と異なるのは、第１制御弁１３０のコア１３１をプランジャ形状から平板形状にし、第１スプリング４２をアーマチャ３２の上部に構成したことである。コア１３１は第１制御弁１３０に形成した突部１３０ａに嵌合している。コア１３１を平板状にしたので第１制御弁１３０に働く励起吸引力が増加する。また、第１スプリング４２の調整が容易にできるので、第２制御弁１３２のリフト開始時期を精度良く設定できる。
【００５８】
（第８実施例）
本発明の第８実施例を図１９に示す。第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し、説明を省略する。第１実施例と異なるのは、まず外周側に位置する第１制御弁１４０がリフトし、次に内周側の第２制御弁１４５がリフトすることである。第２制御弁１４５および第２スプリング４４は第１制御弁１４０内に収容されている。この構成では、第１リフト量Ｈ１は、第１制御弁１４０の内周側にある段部１４１が第２制御弁１４５の係止部１４６に当接し規定される。最大リフト量（Ｈ１＋Ｈ２）は、第１制御弁１４０のコア１４２がアーマチャ１５０の端面１５０ａに当接して規定される。第１制御弁１４０、第２制御弁１４５の位置関係を適用するため、第１制御室６０と第２制御室６５との位置も逆転している。
【００５９】
（第９実施例）
本発明の第９実施例を図２０に示す。第８実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し、説明を省略する。第８実施例と異なるのは、第１制御弁１４０、第２制御弁１４５を付勢する第１スプリング４２、第２スプリング４４をいずれもコア１４２側に構成したことである。
第８実施例、第９実施例の構成によれば、コア１４２を含む制御弁構造が簡易化され、さらに低価格で製造可能となる。第１制御室６０および第２制御室６５の構成自由度が増加しエンジンに容易に搭載できるインジェクタを製造できる。
【００６０】
（第１０実施例）
本発明の第１０実施例によるインジェクタを図２１に示す。インジェクタ６において第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し説明を省略する。電磁弁３０の構成は模式的に示されている。図２１に示す電磁弁３０の弁部３０ａは、第１実施例においてコイル３５に駆動電流が供給されていない状態を示し、弁部３０ｂは第１制御弁だけがリフトしている状態を示し、弁部３０ｃは第１制御弁および第２制御弁がリフトしている状態を示している。
【００６１】
制御ピストン２７は制御ピストン２４の反ニードル側に位置している。ニードル２１が弁座１２ａに着座した状態で制御ピストン２７は制御ピストン２４と非接触である。制御ピストン２４と制御ピストン２７との間に第１制御室６０が形成されており、制御ピストン２７の第１制御室６０と反対側に第２制御室６５が形成されている。後述するように、ニードル２１がｈ１以上リフトしようとすると第２制御室６５の燃料圧力は制御ピストン２４およびニードル２１に噴孔閉塞方向に加わるので、第２制御室６５は請求項１記載の付勢手段および圧力室を構成している。第１制御室６０の圧力を制御することにより噴孔１２ｂの開閉が切り替わり、第２制御室６５の圧力を制御することによりニードル２１のリフト量がｈ１または（ｈ１＋ｈ２）のいずれかに選択される。
【００６２】
次に、インジェクタ６の作動について説明する。
ニードル２１が弁座１２ａに着座した図２１に示す状態から、図２２の（Ａ）に示すようにエンジン運転状態に応じた駆動電流が図示しないＥＣＵにより電磁弁３０のコイル３５に供給され電磁弁３０の弁部３０ｂが選択されると、出口絞り６２が開放され、第１制御室６０の燃料圧力Ｐｃ１は低下し始める。第１制御室６０の圧力が低下し、第１スプリング１５の設定荷重と第１制御室６０の燃料圧力から受ける力との合力である噴孔閉塞方向の力がニードル２１を押し上げる力より小さくなるとニードル２１および制御ピストン２４はリフトを開始し、噴孔１２ｂから燃料が噴射される。ニードル２１および制御ピストン２４が第１リフト量ｈ１リフトすると制御ピストン２４は制御ピストン２７に衝突する。第２制御室６５の燃料圧力は噴孔閉塞方向にニードル２１を移動する方向に働くので、第２制御室６５の燃料出口が閉塞され第２制御室６５の燃料圧力が高い状態では、制御ピストン２４が制御ピストン２７に当接した状態でニードル２１は停止する。
【００６３】
図２１に示す状態から図２２の（Ｂ）に示すようにエンジン運転状態に応じた駆動電流がコイル３５に供給され弁部３０ｃが選択されると、出口絞り６２および出口絞り６７が開放され、第１制御室６０および第２制御室６５の燃料圧力Ｐｃ１、Ｐｃ２は低下し始める。ニードル２１および制御ピストン２４がリフトし制御ピストン２４が制御ピストン２７に衝突するときには第２制御室６５の燃料圧力は低下しているので、ニードル２１および制御ピストン２４は第１リフト量ｈ１よりもリフトする。そして、ニードル２１が（ｈ１＋ｈ２）リフトするとチップパッキン１３の下端面１３ａに係止されこれ以上リフトしない。
【００６４】
噴射期間中にコイル３５に供給する電流値を増加することにより、図２２の（Ｃ）に示すように、リフト量をｈ１から（ｈ１＋ｈ２）に増加することもできる。逆に、噴射期間中にコイル３５に供給する電流値を低下することにより、リフト量を（ｈ１＋ｈ２）からｈ１に減少することもできる。
【００６５】
所定の噴射時間が経過し図２２の（Ｃ）に示す状態からコイル３５への駆動電流の供給を遮断すると、出口絞り６２、６７が閉塞され第１制御室６０および第２制御室６５の燃料圧力が上昇する。そして、制御ピストン２４、２７を噴孔閉塞方向に押し下げるので、ニードル２１が弁座１２ａに着座し、燃料噴射が終了する。
【００６６】
次に、ニードル２１に働く力を説明する。
(1) ニードル２１のリフト量ｈが第１リフト量ｈ１より小さいとき（ｈ＜ｈ１）
▲１▼ニードル閉弁時（ｈ＝０）
閉弁力Ｆｃｌは、第１制御室６０の燃料圧力Ｐｃ１から噴孔閉塞方向に弁部材２０に働く力Ｆｃｔ１と、第１スプリング１５の初期設定荷重Ｆｓ１との合計である。Ｆｃｌ＝Ｆｃｔ１＋Ｆｓ１＝Ｐｃ１×Ａｐ１＋Ｆｓ１である。ここで、Ｐｃ１は第１制御室６０の圧力、Ａｐ１は第１制御室６０から噴孔閉塞方向に燃料圧力を受ける制御ピストン２４の受圧面積である。
【００６７】
開弁力Ｆｏは、燃料圧力から噴孔開放方向にニードル２１に加わる力Ｆｄであり、Ｆｏ＝Ｆｄ＝Ｐｄ（Ａｇ−Ａｓ）である。Ｐｄは燃料通路５５の燃料圧力、Ａｇは弁ボディ１２の収容孔の断面積、Ａｓはニードル２１が弁座１２ａに着座しているときのシート面積である。ニードルに加わる力Ｆを次式(10) に示す。
Ｆ＝Ｆｏ−Ｆｃｌ＝Ｐｄ（Ａｇ−Ａｓ）−Ｐｃ１×Ａｐ１−Ｆｓ１・・・(10)
【００６８】
▲２▼ニードル開弁時（０＜ｈ＜ｈ１）
第１制御室６０の燃料圧力が低下しニードル２１が弁座１２ａから離座すると、第１スプリング１５の収縮分ｈが加わり、ばね力ＦｓはＦｓ＝Ｆｓ１＋ｋ１×ｈとなる。したがって閉弁力ＦｃｌはＦｃｌ＝Ｆｃｔ１＋Ｆｓ＝Ｆｃｔ１＋Ｆｓ１＋ｋ１×ｈ、開弁力はＦｏ＝Ｆｄ＝Ｐｄ×Ａｇである。ニードルに加わる力Ｆを次式(11) に示す。
【００６９】
(2) ニードル２１のリフト量ｈが第１リフト量ｈ１以上のとき（ｈ１≦ｈ）
制御ピストン２４と制御ピストン２７とが当接するので、第２制御室６５の燃料圧力Ｐｃ２から噴孔閉塞方向に制御ピストン２７に加わる力Ｆｃｔ２がニードル２１にも加わり、Ｆｃｔ＝Ｆｃｔ１＋Ｆｃｔ２となる。したがって、
となる。
ここで、Ａｐ２は第２制御室６５から噴孔閉塞方向に燃料圧力を受ける制御ピストン２７の受圧面積である。開弁力ＦｏはＦｏ＝Ｆｄ＝Ｐｄ×Ａｇである。ニードルに加わる力Ｆを次式(12) に示す。
ニードルリフト量がｈ１のときＰｃ２はＰｄとほぼ同等の圧力であり、ニードルリフト量が（ｈ１＋ｈ２）のときＰｃ２はＰｄよりも低圧になっている。
【００７０】
第１０実施例では、制御ピストン２４と制御ピストン２７との間に第１制御室６０を形成し、ニードル２１がｈ１リフトするまで制御ピストン２４と制御ピストン２７とが非接触である。噴射圧力の高低に関わらずコイル３５に供給する駆動電流値を制御することにより、ニードルリフト量を自由に変更できる。したがって、任意の噴射率を実現することができる。
【００７１】
（第２参考例）
本発明の第２参考例によるインジェクタを図２３および図２４に示す。インジェクタ７において第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し説明を省略する。第２参考例では、制御弁の駆動力として圧電素子を用いている。
弁ボディ１２とハウジング１６７とは、弁ホルダ１６０、弁ホルダ１６２および弁座部材１６５を挟んでリテーニングナット１４で締結されている。第１０実施例と同様に、制御ピストン２７は制御ピストン２４の反ニードル側に位置し、ニードル２１が噴孔を閉塞した状態で制御ピストン２７は弁ホルダ１６０の肩部１６１に係止されており制御ピストン２４と非接触である。制御ピストン２４と制御ピストン２７との間に第１制御室６０が形成されており、制御ピストン２７の第１制御室６０と反対側に第２制御室６５が形成されている。
【００７２】
制御弁１７０は弁ホルダ１６２内に往復移動自在に収容されている。スプリング１７３は制御弁１７０を弁座部材１６５の弁座１６６に向けて付勢している。圧電素子１８０はコネクタ１８１に埋設されているピン１８２と電気的に接続している。圧電素子１８０に電圧が印加されると、圧電素子１８０が図２３の下方に延びる。印加電圧値が高くなると圧電素子１８０の延び量が大きくなる。
【００７３】
油圧ピストン１８３の一端は圧電素子１８０と当接しており、他端は皿ばね１８４と当接している。皿ばね１８４はばね座１８５と当接しており、油圧ピストン１８３を圧電素子１８０に向けて付勢している。油圧ピストン１８６はスプリング１８８により油圧ピストン１８３に向けて付勢されている。油圧ピストン１８６のロッド１８７は制御弁１７０と当接している。
【００７４】
図２４に示すように、制御弁１７０の周囲に形成されている燃料空間１９０には、制御弁１７０の位置に関わらず燃料通路５１から絞り１９５を介しコモンレールから高圧燃料が供給されている。制御弁１７０の当接部１７１が弁座１６６に着座し当接部１７２が弁座１６３から離座している状態では、燃料空間１９０は、連通路１９１を介し第１制御室６０と連通し、かつ第２制御室６５と連通している。ロッド１８７周囲の燃料空間１９２は低圧の燃料通路１９３と連通している。
【００７５】
次に、インジェクタ７の作動について説明する。
(1) 圧電素子１８０に電圧を印加していない状態では、油圧ピストン１８３、１８６は図２３に示す位置にある。制御弁１７０はスプリング１７３の付勢力により弁座部材１６５の弁座１６６に着座している。燃料空間１９０は低圧側の燃料空間１９２との連通を遮断されているので、燃料通路５１から供給される高圧燃料により高圧である。第１制御室６０および第２制御室６５は燃料空間１９０と連通しており高圧である。制御ピストン２７が第２制御室６５から燃料圧力を受ける受圧面積は、第１制御室６０から燃料圧力を受ける受圧面積よりも大きいので、制御ピストン２７は図２３の下方に付勢され弁ホルダ１６０の肩部１６１に係止されている。
【００７６】
制御ピストン２４およびニードル２１は第１制御室６０の燃料圧力から受ける力により、弁ボディ１２の弁座に着座し噴孔を閉塞している。
(2) 圧電素子１８０に電圧を印加して圧電素子１８０が延びると、圧電素子１８０とともに油圧ピストン１８３が図２３の下方に移動する。圧電素子１８０の延び量および油圧ピストン１８３の移動量をＬ、油圧ピストン１８３の断面積をＡｈｌ、油圧ピストン１８６の断面積をＡｈｓとすると、油圧ピストン１８６は圧電素子１８０により、図２３の下方に（Ｌ×Ａｈｌ／Ａｈｓ）移動するように駆動される。油圧ピストン１８６のロッド１８７は制御弁１７０に当接しているので、圧電素子１８０が図２３の下方にＬ延びると、制御弁１７０も図２３の下方に（Ｌ×Ａｈｌ／Ａｈｓ）移動するように駆動される。
【００７７】
▲１▼圧電素子１８０に電圧を印加することにより圧電素子１８０が延び、制御弁１７０の当接部１７１が弁座１６６から離座し当接部１７２が弁ホルダ１６２の弁座１６３に当接すると、第１制御室６０は連通路１９１、燃料空間１９０、当接部１７１と弁座１６６との開口部、燃料空間１９２を介し低圧の燃料通路１９３と連通する。当接部１７１と弁座１６６との間に形成される開口面積は、燃料空間１９０に高圧燃料を供給する絞り１９５の通路面積よりも大きいので、第１制御室６０の圧力は低下する。第１制御室６０の燃料圧力が低下することにより制御ピストン２４とともにニードル２１がリフトし、燃料が噴射される。
【００７８】
当接部１７２が弁座１６３に着座することにより第２制御室６５は閉塞されるので、第２制御室６５の燃料圧力は保持される。したがって、制御ピストン２４がｈ１リフトし制御ピストン２７に衝突すると、第２制御室６５の燃料圧力により制御ピストン２４は制御ピストン２７に係止される（図２５の（Ａ）参照）。
【００７９】
▲２▼圧電素子１８０に印加する電圧を上記▲１▼よりも低下させ制御弁１７０の移動量（Ｌ×Ａｈｌ／Ａｈｓ）を小さくすると、制御弁１７０が弁座１６３、１６６から離座する位置に制御弁１７０が移動する。すると、第１制御室６０および第２制御室６５は、燃料空間１９０、当接部１７１と弁座１６６との開口部、燃料空間１９２を介し低圧の燃料通路１９３と連通するので、両制御室の燃料圧力が低下する。第１制御室６０の圧力低下により制御ピストン２４がリフトし制御ピストン２７に衝突すると、第２制御室６５の燃料圧力も低下しているので、図２５の（Ｂ）に示すように、制御ピストン２７が弁ホルダ１６２のニードル側端面に係止されるまでニードル２１は制御ピストン２４、２７とともに（ｈ１＋ｈ２）リフトする。
▲３▼燃料噴射中に圧電素子１８０に印加する電圧値を変更することにより、図２５の（Ｃ）に示すよう燃料噴射中に噴射率を変更することができる。
【００８０】
(3) 所定時間が経過し圧電素子１８０への通電を遮断すると、圧電素子１８０は図２３に示す状態まで収縮する。すると、油圧ピストン１８６がスプリング１８８の付勢力により図２３の上方に移動し、制御弁１７０がスプリング１７３の付勢力により弁座１６６に着座する。第１制御室６０および第２制御室６５と低圧側との連通が遮断され、両制御室の燃料圧力が上昇する。そして、制御ピストン２４およびニードル２１が第１制御室６０の燃料圧力により噴孔閉塞方向に付勢され、燃料噴射が終了する。
第２参考例では、圧電素子１８０の伸縮により制御弁１７０を駆動しているので、コイルに通電して発生する磁力により制御弁を駆動する場合に比べ、インジェクタ７の開閉応答性が向上する。
【００８１】
（第１１実施例）
本発明の第１１実施例を図２６に示す。第１０実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し説明を省略する。
第２制御室６５と電磁弁３０とを接続する燃料通路２０２とコモンレールの高圧燃料を第２制御室６５に導入する燃料流入通路５０とを連通するバイパス通路２００が形成され、バイパス通路２００に絞り２０１が形成されている。絞り２０１の通路面積は出口絞り６７の通路面積よりも小さい。燃料通路２０５は、第１制御室６０と電磁弁３０とを接続している。
【００８２】
電磁弁３０の弁部３０ｃが選択されて制御ピストン２７がリフトし、制御ピストン２４およびニードルが（ｈ１＋ｈ２）リフトした状態で電磁弁３０のコイル３５への通電をオフし電磁弁３０の弁部３０ａが選択されると、入口絞り６６に加え、絞り２０１を通ってコモンレールから高圧燃料が第２制御室６５に供給される。第１０実施例に比べ第２制御室６５の燃料圧力の上昇率が高く、図２８の（Ａ）に示すようにリフト量（ｈ１＋ｈ２）からリフト量ｈ１まで移動するニードルの閉弁速度が上昇するので、噴孔から噴射する燃料を素早く遮断できる。したがって、排ガス中の未燃成分を低減できる。ニードルの閉弁速度は絞り２０１の通路面積を調整することにより制御できる。
【００８３】
（変形例）
燃料流入通路５０と燃料通路２０２とをバイパス通路２００で連通する代わりに、図２７に示すように、コモンレールの高圧燃料を第１制御室６０に導入する燃料通路５１と燃料通路２０５とを連通するバイパス通路２０６が形成され、バイパス通路２０６に絞り２０７が形成されている。絞り２０７の通路面積は出口絞り６２の通路面積よりも小さい。
【００８４】
例えば制御ピストン２４およびニードルがｈ１リフトした状態から電磁弁３０のコイル３５への通電をオフし電磁弁３０の弁部３０ａが選択されると、入口絞り６１に加え、絞り２０７を通ってコモンレールから高圧燃料が第１制御室６０に供給される。第１０実施例に比べ第１制御室６０の燃料圧力の上昇率が高く、図２８の（Ｂ）に示すようにリフト量ｈ１から噴孔を閉塞するまでのニードルの閉弁速度が上昇するので、噴孔から噴射する燃料を素早く遮断できる。したがって、排ガス中の未燃成分を低減できる。絞り２０７の通路面積を調整することによりニードルの閉弁速度を制御できる。また、バイパス通路２００、２０６をともに形成し、各バイパス通路に絞り２０１、２０７を形成してもよい。この場合、図２８の（Ｃ）に示すように、リフト量（ｈ１＋ｈ２）から噴孔を閉塞するまでの閉弁速度が全体として上昇する。
【００８５】
以上説明した第１０、１１実施例および第２参考例では、制御ピストン２４と制御ピストン２７との間に第１制御室６０を形成し、リフト量０からｈ１までは制御ピストン２４と制御ピストン２７とを非接触にしている。第１制御室６０の燃料圧力を制御することにより噴孔を開閉し、第２制御室６５の圧力を制御することによりニードル２１のリフト量を段階的に変更できる。
【００８６】
以上説明した本発明の実施の形態を示す上記複数の実施例では、ニードルリフトを明確に段階的に制御でき、これにより噴霧と噴射率をニードルリフト量に応じて変化させることと、低圧で微粒化できることで、初期の噴射燃料の着火遅れを低減し、後続の噴霧は初期噴霧が利用していない空気の領域へ噴射され、完全燃焼を実現できる。また、低圧化による噴射系の駆動トルクが低減され信頼性も増す。さらに、ニードル閉弁時の負荷衝撃力を軽減しかつ駆動音が低減され、ノズルの信頼性も向上する。軽負荷時の噴射量、あるいは分割噴射に本発明のインジェクタを利用することで、前記噴射量が微小量でも安定して制御できる。また、主噴射を前記噴射と異なる噴射率と噴霧角で噴射し、前記噴射燃焼が利用していない燃焼室内の空気を利用するようにでき、黒煙の発生防止、出力、燃費の向上が可能となる。また、同一噴射期間内にニードルリフトを変化させ、噴射率、噴霧を制御することでも、上記の効果が得られる。
【００８７】
上記複数の実施例では２段階のリフトを実現しているが、例えば噴孔閉塞方向に弁部材を付勢するスプリングの数を３個以上にし、噴孔閉塞方向に弁部材に燃料圧力を加える制御室の数を３個以上にすることより、３段以上のリフトを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例によるインジェクタを示す断面図である。
【図２】 第１実施例の段階リフトを実現する構成を示す断面図である。
【図３】 第１実施例の電磁弁を示す断面図である。
【図４】 第１実施例による第１リフトを示す断面図である。
【図５】 第１実施例による第２リフトを示す断面図である。
【図６】 第１実施例の段階リフトを実現するタイムチャートである。
【図７】 （Ａ）は第１実施例のノズル部を示す断面図であり、（Ｂ）は第１リフト時を示す（Ａ）のVII−VII線断面図であり、（Ｃ）は第２リフト時を示す（Ａ）のVII−VII線断面図である。
【図８】 第１実施例による第２リフトにおけるノズル部を示す断面図である。
【図９】 第１実施例によるリフト量と燃料流速および噴霧角を示す特性図である。
【図１０】 第１実施例によるエンジン回転数とエンジン負荷、噴射圧力、噴射時期との関係を示す特性図である。
【図１１】 本発明の第２実施例によるインジェクタを示す断面図である。
【図１２】 本発明の第３実施例によるインジェクタを示す断面図である。
【図１３】 本発明の第４実施例によるインジェクタを示す断面図である。
【図１４】 本発明の第１参考例によるインジェクタを示す断面図である。
【図１５】 本発明の第５実施例によるインジェクタの電磁弁を示す断面図である。
【図１６】 第５実施例の変形例によるインジェクタの電磁弁を示す断面図である。
【図１７】 本発明の第６実施例によるインジェクタの電磁弁を示す断面図である。
【図１８】 （Ａ）は本発明の第７実施例によるインジェクタの電磁弁を示す断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図１９】 本発明の第８実施例によるインジェクタの電磁弁を示す断面図である。
【図２０】 本発明の第９実施例によるインジェクタの電磁弁を示す断面図である。
【図２１】 本発明の第１０実施例によるインジェクタを示す断面図である。
【図２２】 第１０実施例の段階リフトを実現するタイムチャートである。
【図２３】 本発明の第２参考例によるインジェクタを示す断面図である。
【図２４】 第２参考例によるインジェクタの制御ピストン、制御弁および油圧ピストンを示す断面図である。
【図２５】 第２参考例の段階リフトを実現するタイムチャートである。
【図２６】 本発明の第１１実施例によるインジェクタの制御ピストン周囲を示す模式的断面図である。
【図２７】 第１１実施例の変形例によるインジェクタの制御ピストン周囲を示す模式的断面図である。
【図２８】 ニードルの閉弁速度を示すタイミチャートであり、（Ａ）は第１１実施例、（Ｂ）は変形例、（Ｃ）は第１１実施例と変形例とを組み合わせた例である。
【図２９】 従来のインジェクタを示す断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料噴射装置
２ 弁部
１２ 弁ボディ
１２ａ 弁座
１２ｂ 噴孔
１５ 第１スプリング（第１の付勢手段）
１６ 第２スプリング（第２の付勢手段）
２１ ニードル（弁部材）
２３ ロッド(伝達部材、弁部材)
２４、２５ 制御ピストン（伝達部材、弁部材）
３０ 電磁弁
４０ 第１制御弁（可動部材）
４２ 第１スプリング
４３ 第２制御弁（可動部材）
４４ 第２スプリング
６０ 第１制御室
６５ 第２制御室
８１ 第１噴孔（噴射可変手段）
８２ 第２噴孔（噴射可変手段）
８３ ニードル（弁部材）
９０ 電磁弁
１１０ 制御ピストン（伝達部材）
１２２、１３０、１４０ 第１制御弁（可動部材）
１２３、１３２、１４５ 第２制御弁（可動部材）
２１０ 旋回力形成部（噴射可変手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、段階的に燃料を噴射可能な燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高圧燃料供給ポンプから燃料噴射装置であるインジェクタに燃料を供給する燃料供給システムにおいて、燃料圧力によりニードルリフトを変化させ噴射特性を可変にしようとする技術が提案されている。燃料噴射装置の噴射率および燃料噴霧の濃度や拡散状態は、燃料の着火特性、ＮＯｘ、黒煙、ＨＣなどの発生量、燃焼効率などに大きく影響する。
【０００３】
例えば、所定のニードルリフト間隔をおいてニードルを付勢するように２個のばねを構成した２段開弁圧ノズルが公知となっている。この技術によれば、ニードルは燃料噴射ポンプから圧送される燃料圧力にしたがいリフトする。しかし、燃料噴射ポンプから燃料噴射装置に圧送される燃料圧力はエンジン運転状態によって変動するので、エンジンの要求する噴射率を全運転条件において実現するのは困難である。
【０００４】
そこで図２１に示す米国特許５６９４９０３号に開示されるインジェクタ２３０のように、噴孔閉塞方向にニードル２３１に燃料圧力を加える制御室２６０を設けるものが知られている。燃料溜まり２３２に導入される燃料圧力により噴孔開放方向に受ける力と、制御室２６０の燃料圧力から噴孔閉塞方向に受ける力と、スプリング２３７から噴孔閉塞方向に受ける力との大小関係によりニードル２３１のリフトを制御している。エンジン運転状態によって燃料圧力が変動しても制御室２６０の圧力を制御することにより、ニードル２３１の開閉タイミングを高精度に制御しようとしている。また、制御室２６０を閉塞する方向にパイロットバルブステム２７０を付勢する２個のばね２９０、２９７の付勢力とコイル２７４への通電電流とによりパイロットバルブステム２７０のリフトを２段階に制御して制御室２６０の燃料圧力を変化させることにより、ニードル２３１を段階的にリフトさせ、所望の燃料噴射率を得ようとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の燃料噴射装置の構成では、ニードル２３１は、制御室２６０の圧力の変化とスプリング２３７と、燃料溜まり２３２の燃料圧力との大小関係でリフトするので、ステム２７０が段階的にリフトしてもニードル２３１はステム２７０と同様に段階的にリフトするとは限らない。さらに、温度変化等により電磁力吸引力が変化するとステム２７０のリフト特性が変化し、ステム２７０の開口面積特性が変化する。また、粘性等の燃料特性の変化により制御室２６０の圧力変化が不安定になり、これに伴いニードル２３１のリフト特性が変化して燃料の噴射率が不安定になることがある。また、ステム２７０の非常に小さいリフト量を制御するので、インジェクタ２３０の個体間のばらつきを押さえることが難しく、高精度に安定した噴射制御は困難であった。
【０００６】
また、上記のいずれも、噴射率を可変制御することは可能であるが、噴霧角や噴霧の到達距離などの噴霧状態の可変制御は実現困難である。噴霧状態が適切に制御されない場合、燃費出力が低下し、ＮＯｘ、黒煙、ＨＣなどの発生が多くなるという問題がある。
本発明の目的は、エンジン運転状態に応じた燃料噴射状態を提供し、ＮＯｘ、黒煙、ＨＣを低減し燃費出力を向上する燃料噴射装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１から５、１１のいずれか一項記載の燃料噴射装置によれば、燃料圧力から噴孔開放方向に受ける力と、複数の付勢手段および複数の圧力室から噴孔閉塞方向に受ける力との大小関係により弁部材のリフト量が制御される。そして、複数の圧力室の少なくとも一室の圧力を制御手段で制御することにより、エンジン運転状態により燃料噴射装置に導入される燃料圧力が変動しても、弁部材の開閉タイミングを高精度に制御できる。また、複数の付勢手段から弁部材に加わる付勢力が弁部材のリフト量により段階的に変化するので、圧力室の圧力に応じ弁部材が段階的にリフトする。エンジン運転状態により燃料噴射装置に導入される燃料圧力が変動しても、弁部材を段階的にリフトさせることができるので、エンジンの全運転領域において所望の燃料噴射率に制御できる。
【０００８】
また、弁部材のリフト量に応じ燃料噴射率および燃料噴霧状態を変化させる噴射可変手段を備えているので、エンジンの全運転領域、特に低噴射圧においても、噴霧角と到達距離を弁部材のリフト量に応じて可変制御でき、構造が簡単で安価な燃料供給装置を提供できる。この燃料供給装置を使い、噴射率制御と噴霧制御を実施することにより、全運転領域で所定の噴霧を形成し、ＮＯｘ、ＨＣ、黒煙の発生を低減できる。
また、本発明の請求項１記載の燃料噴射装置によれば、複数の可動部材がそれぞれ複数の圧力室の各燃料出口を開閉するので、各圧力室の圧力を個別に制御できる。したがって、各圧力室の圧力を段階的に低下させることにより、弁部材を段階的にリフトさせることができる。
また、本発明の請求項１記載の燃料噴射装置によれば、複数の可動部材を同軸上に配設しているので、制御弁の体格を小型化できる。さらに、複数の可動部材を燃料出口閉塞方向に付勢するばねを有し、可動部材は異なるタイミングで複数の圧力室の各燃料出口を開閉するので、各圧力室の圧力を個別に高精度に制御することができる。
さらに、本発明の請求項１記載の燃料噴射装置によれば、第１の可動部材が所定量リフトすると第２の可動部材は第１の可動部材とともにリフト可能である。つまり、一つの駆動源により制御弁の各可動部材をリフトさせることができるので、制御弁の体格が小さくなる。
【０００９】
本発明の請求項６記載の燃料噴射装置によれば、複数の圧力室ごとに複数の伝達部材は受圧面を有する。したがって、圧力室の数に付勢手段の数を合わせれば弁部材を３段以上の多段にリフトさせることができる。
本発明の請求項７記載の燃料噴射装置によれば、複数の圧力室を伝達部材と同軸上に形成しているので、燃料噴射装置の径を小さくすることができる。
本発明の請求項８記載の燃料噴射装置によれば、複数の圧力室のいずれかまたは複数に複数の付勢手段をそれぞれ配設しているので、付勢手段を収容する空間が小さくなり、燃料噴射装置を小型化できる。
【００１０】
本発明の請求項９記載の燃料噴射装置によれば、弁部材が弁座に着座しているとき、噴孔閉塞方向に向け複数の圧力室の圧力を受ける伝達部材の受圧面積は噴孔開放方向に燃料圧力を受ける弁部材の受圧面積より大きく、弁部材が弁座から離座すると、噴孔閉塞方向に向け複数の圧力室の圧力を受ける弁部材の受圧面積から燃料圧力の低下した圧力室に面する弁部材の受圧面の受圧面積を引いた受圧面積は噴孔開放方向に燃料圧力を受ける弁部材の受圧面積より小さくなる。弁部材が弁座に着座するまで、弁部材が噴孔閉塞方向に燃料圧力から受ける力が弁座に着座しているときよりも小さくなるので、弁部材が弁座に着座するときの速度を低減し、閉弁衝撃をやわらげることができる。
【００１２】
本発明の請求項１０記載の燃料噴射装置によれば、電気的な力によって可動部材を駆動するので、可動部材の動きを高精度に制御し、燃料噴射率を高精度に制御できる。
【００１４】
本発明の請求項１２記載の燃料噴射装置によれば、エンジン運転状態が低速から中速あるいは低負荷から中負荷域では弁部材のリフトを第１リフト量、または小さなリフト量とすることにより燃料噴射量を減少し、高速または高負荷時には弁部材のリフトを第１リフト量と第２リフト量との和以上にすることにより燃料噴射量を増加している。エンジン運転状態に応じ最適な燃料噴射率を選択している。
【００１５】
本発明の請求項１３記載の燃料噴射装置によれば、燃料噴射期間中に弁部材のリフト量を段階的に切り替えることにより、一回の燃料噴射期間中において最適な燃料噴射率を実現できるので、ＮＯｘ、ＨＣ、黒煙の発生を低減できる。
本発明の請求項１４記載の燃料噴射装置によれば、エンジンの運転状態が切り替わるとき、制御手段は、エンジンの一行程毎に最適な噴射回数に制御し、燃料噴射毎に弁部材を最適なリフト状態にし、最適な噴射期間で燃料を噴射制御している。したがって、ＮＯｘ、ＨＣ、黒煙の発生を低減できる。
本発明の請求項１５記載の燃料噴射装置によれば、エンジン運転全域において最適な噴射回数で、かつ最適な弁部材のリフト状態で燃料を噴射制御している。したがって、ＮＯｘ、ＨＣ、黒煙の発生を低減できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示す複数の実施例を図に基づいて説明する。
（第１実施例）
本発明の第１実施例による燃料噴射装置であるインジェクタ１を図１に示す。インジェクタ１は図示しないエンジンのエンジンヘッドに挿入搭載され、エンジンの各気筒内に燃料を直接噴射するように構成されている。燃料噴射ポンプから吐出された高圧燃料は図示しない蓄圧管の蓄圧室で所定圧に蓄圧され、インジェクタ１に供給される。燃料噴射ポンプは、エンジンの回転数、負荷、あるいは吸入燃料圧力、吸入空気量、冷却水の温度にしたがい吐出圧を調整する。
【００１７】
インジェクタ１のハウジング１１と弁ボディ１２とはチップパッキン１３をはさみリテーニングナット１４で締結されている。弁部材２０は、噴孔１２ｂ側からニードル２１、ロッド２３、制御ピストン２４、２５により構成されている。ロッド２３および制御ピストン２４、２５は伝達部材を構成している。
【００１８】
ニードル２１は弁ボディ１２に往復移動自在に支持されている。ニードル２１は、第１の付勢手段としての第１スプリング１５により制御ピストン２５、２４、ロッド２３を介し弁ボディ１２に形成した弁座１２ａに付勢されている。第１スプリング１５は第２制御室６５に制御ピストン２５と同軸に収容されている。第１スプリング１５の初期設定荷重はＦｓ１、ばね定数はｋ１である。第２の付勢手段としての第２スプリング１６はハウジング１１内のロッド２３の周囲にロッド２３と同軸に嵌挿され、チップパッキン１３にスプリング座１７を押圧している。第２スプリング１６の初期設定荷重はＦｓ２、ばね定数はｋ２である。図２に示すように、スプリング座１７がチップパッキン１３に着座しているとき、スプリング座１７の下端面１７ａはニードル２１の肩部２２と隙間ｈ１、つまり第１リフト量を形成している。スプリング座１７がチップパッキン１３に着座しているとき、スプリング座１７の下端面１７ａはチップパッキン１３の下端面１３ａよりｈ２、つまり第２リフト量分つきだしている。したがって、ニードル２１の最大リフト量はｈ１＋ｈ２となる。
【００１９】
図１に示すように、電磁弁３０はハウジング１１の上部とナット３１で締結されている。電磁弁３０は、アーマチャ３２、ボディ３３、プレート３４、コイル３５、第１制御弁４０、第２制御弁４３、第１スプリング４２、第２スプリング４４等で構成されている。第１制御弁４０および第２制御弁４３は可動部材である。
【００２０】
第２制御弁４３は第２スプリング４４の付勢力によりボディ３３に形成した弁座３３ａに着座可能である。第２制御弁４３は円筒状に形成されており、軸方向に貫通する貫通孔を有している。第２制御弁４３は内周壁により第１制御弁４０を往復移動自在に支持している。第１制御弁４０と第２制御弁４３とは同軸上に配置されている。第１制御弁４０は第１スプリング４２の付勢力によりプレート３４に着座可能である。第１制御弁４０の上部に位置するコア４１は、コイル３５に通電することにより発生する励起吸引力により第１スプリング４２の付勢力にアーマチャ３２の端面３２ａに吸引される。図４に示すように、第１制御弁４０が図４の上方にリフトし第２制御弁４３の端部４３ａに当接するまでの第１リフト量はＨ１である。コイル３５に供給される電流値がさらに高い場合、第１制御弁４０のコア４１を吸引する力がさらに大きくなり、第１スプリング４２と第２スプリング４４との付勢力の和に抗し第１制御弁４０および第２制御弁４３がともに上昇し、第２制御弁４３がアーマチャ３２の係止部３２ｂに当接して停止する。第１制御弁４０が第２制御弁４３に当接してから第２制御弁４３が係止部３２ｂに当接するまでの第２リフト量はＨ２である。第１制御弁４０はＨ１＋Ｈ２の最大リフトをする。
【００２１】
図３に示すように、圧力室としての第１制御室６０に入口絞り６１および出口絞り６２が連通している。出口絞り６２の流路面積は入口絞り６１の流路面積よりも大きい。出口絞り６２は低圧側と連通可能な燃料通路である。入口絞り６１は、ハウジング１１に圧入あるいは嵌合挿入されているライナー２６に形成されており、燃料通路５１と連通している。燃料流入通路５０、燃料通路５１、入口絞り６１を通り第１制御室６０に高圧燃料が供給される。出口絞り６２はボディ３３とハウジング１１との間に挟持されているプレート３４に形成されており、燃料室６３に連通している。また、圧力室としての第２制御室６５に入口絞り６６および出口絞り６７が連通している。出口絞り６７の流路面積は入口絞り６６の流路面積よりも大きい。入口絞り６６は燃料通路５１に連通しており、燃料流入通路５０、燃料通路５１、入口絞り６６を通り第２制御室６５に高圧燃料が供給される。出口絞り６７は燃料通路６８に連通している。出口絞り６７、燃料通路６８、６９、７０は低圧側と連通可能な燃料通路を構成している。
【００２２】
第１制御弁４０が出口絞り６２を開放することで、第１制御室６０の高圧燃料は、出口絞り６２、低圧側の燃料室６３、燃料通路６４、５７ａ、５６ａ、燃料排出通路５８から燃料タンク３に排出される。燃料通路５７ａはボディ３３の周囲に燃料通路６４と連通するように形成され、プレート３４に形成された燃料通路５６ａを介し燃料通路５６に連通している。燃料通路５６はハウジング１１内のロッド２３周囲に開口しており、ハウジング１１内の低圧燃料を燃料タンク３ヘ排出している。第２制御弁４３がボディ３３の弁座３３ａから離座することにより燃料通路７０を開放すると、第２制御室６５の高圧燃料は、出口絞り６７、燃料通路６８、６９、７０、燃料室６３、燃料通路６４、５７ａ、５６ａ、燃料排出通路５８から燃料タンク３に排出される。ボディ３３に形成され燃料通路５７ａに連通する燃料通路５７は第２スプリング４４を収容している電磁弁３０内に開口しており、電磁弁３０内の低圧燃料を燃料通路５７ａ、５６ａを介し燃料タンク３に排出している。
【００２３】
制御ピストン２４はハウジング１１に嵌挿されている。制御ピストン２４の反噴孔側に位置している制御ピストン２５はライナー２６に嵌挿されており、第１制御室６０に面している。制御ピストン２４の下部はロッド２３に当接している。第１スプリング１５は一端をライナー２６に当接し、他端を制御ピストン２５に係止されている。制御ピストン２４と制御ピストン２５とは別体としたが、一体に構成してもよい。また、制御ピストン２４とロッド２３は一体でもよい。
【００２４】
制御ピストン２４および制御ピストン２５が第１制御室６０から燃料圧力を受ける受圧面積Ａｐ１、第２制御室６５から燃料圧力を受ける受圧面積Ａｐ２の合計Ａｐは、弁ボディ１２と摺動するニードル２１のガイド部の断面積、つまり、ニードル２１を収容する弁ボディ１２の収容孔の断面積Ａｇより大きく形成されている。図示しない蓄圧管から供給される高圧燃料は、ハウジング１１に形成された燃料流入通路５０、燃料通路５１、チップパッキン１３に形成された燃料通路５２、ノズルボディ１２に形成された燃料通路５３、燃料溜まり５４からニードル２１周囲の燃料通路５５を経てニードル２１と弁座１２ａとで形成する弁部２に至る。
【００２５】
次に、弁部２の周辺について構成を説明する。図７の（Ａ）に示すように、ニードル２１の先端に設けられた当接部２１ａは弁ボディ１２に形成した弁座１２ａに着座可能である。弁部２は、当接部２１ａ、噴射可変手段としての旋回力形成部２１０、渦巻き室２１９および噴孔１２ｂから構成されている。旋回力形成部２１０は、弁ボディ１２のシート面２２０と、ニードル２１の外周上に形成された円錐面２１１、２１２、２１３、円筒面２１４と複数の斜め溝２１５によって構成される。円錐面２１１は、シート面２２０よりわずかに小さいか同じ円錐角度で形成されている。旋回力形成部２１０は上記の構成だけでなく、基本構成として、弁ボディ１２に形成されたシート面２２０のような円錐面と、ニードル２１の外周面に形成された円錐面２１１とが相対して、円錐面である２１１と２２０のいずれかに斜め溝２１５が形成されている構造であれば、次に述べる作用効果が十分に得られる。また、円錐面ではなく球面同士であっても同様の作用効果が得られる。
【００２６】
渦巻き室２１９は、弁ボディ１２のシート面２２０とニードル２１の旋回力形成部２１０の下流部にある円錐面２１３、円筒面２１６によって構成される。この渦巻き室２１９も、前記形状にこだわるものでなく、円筒面２１６は円錐面でも、円筒と円錐の合成面でも球面等でも構成可能である。ニードル２１の当接部２１ａは第１のスプリング１５によって噴孔閉塞方向に付勢され弁座１２ａに着座可能である。また、燃料通路５５内の燃料圧力により弁座１２ａから離座する方向、つまり噴孔開放方向に力を受ける。当接部２１ａの下流には弁ボディ１２のシート面２２０と、それより大きな円錐角をもつニードル２１の円錐面２１７と、さらに大きな円錐角を持つ円錐面２１８とで流路が構成されている。弁ボディ１２はシート面２２０から円錐面２２１へと連続的に円錐面を変化させて噴孔１２ｂに連通する流路を構成している。円錐面２１７、２１８は同じ角度の１つの円錐面でもよい。また、弁ボディ１２側もシート面２２０、円錐面２２１はシート面２２０と同じ角度のひとつの円錐面でも、さらには円弧等の曲面でも構成可能である。
【００２７】
次に、インジェクタ１の作動について説明する。
まず、図示しない燃料噴射ポンプから燃料が吐出され、図示しない蓄圧管に送出される。蓄圧管の蓄圧室で所定の一定圧に蓄圧された高圧燃料はインジェクタ１に供給される。また、図示しないエンジン制御装置（ＥＣＵ）により、エンジンの運転条件に応じた制御弁駆動電流が生成され、電磁弁３０のコイル３５に供給される。駆動電流の供給によりコイル３５に励起吸引力が発生すると、第１スプリング４２の付勢力に抗し第１制御弁４０を吸引する。すると出口絞り６２が開放され、第１制御室６０が出口絞り６２を介して低圧側の燃料室６３に連通する。入口絞り６１より出口絞り６２の流路面積が大きく設定されているので、流入燃料量より流出燃料量が多く、第１制御室６０の燃料圧力Ｐｃ１は低下し始める。この圧力低下速度は、入口絞り６１と出口絞り６２との流路面積の差と第１制御室６０の容積の設定で任意に調節できる。第１制御室６０の圧力が低下し、第１スプリング１５の設定荷重と、第１制御室６０および第２制御室６５の燃料圧力から受ける力との合力である噴孔閉塞方向の力がニードル２１を押し上げる力より小さくなるとニードル２１は開弁しはじめる。コイル３５の通電保持電流ＩＨ１で発生する励起吸引力が第１スプリング４２と第２スプリング４４との合力より小さいとき、図４に示す第１リフト量Ｈ１の位置で第１制御弁４０は停止する。
【００２８】
次に、ニードル２１に働く力を説明する。
(1) ニードル２１のリフト量ｈが第１リフト量ｈ１より小さいとき（ｈ＜ｈ１）
▲１▼ニードル閉弁時（ｈ＝０）
閉弁力Ｆｃｌは、第１制御室６０および第２制御室６５の燃料圧力Ｐｃｔから噴孔閉塞方向に弁部材２０に働く力Ｆｃｔと、第１スプリング１５の初期設定荷重Ｆｓ１との合計である。Ｆｃｌ＝Ｆｃｔ＋Ｆｓ１＝Ｐｃｔ×Ａｐ＋Ｆｓ１である。また、Ｐｃｔ×Ａｐ＝Ｐｃ１×Ａｐ１＋Ｐｃ２×Ａｐ２である。ここで、Ｐｃ１は第１制御室６０の圧力、Ｐｃ２は第２制御室６５の圧力、Ａｐ１は第１制御室６０から噴孔閉塞方向に燃料圧力を受ける弁部材２０の受圧面積、Ａｐ２は第２制御室６５から噴孔閉塞方向に燃料圧力を受ける弁部材２０の受圧面積である。Ａｐ＝Ａｐ１＋Ａｐ２の関係にある。
【００２９】
開弁力Ｆｏは、燃料圧力から噴孔開放方向にニードル２１に加わる力Ｆｄであり、Ｆｏ＝Ｆｄ＝Ｐｄ（Ａｇ−Ａｓ）である。Ｐｄは燃料通路５５の燃料圧力、Ａｓはニードル２１が弁座１２ａに着座しているときのシート面積である。ニードルに加わる力Ｆを次式(1) に示す。
Ｆ＝Ｆｏ−Ｆｃｌ＝Ｐｄ（Ａｇ−Ａｓ）−Ｐｃｔ×Ａｐ−Ｆｓ１・・・(1)
【００３０】
▲２▼ニードル開弁時（０＜ｈ＜ｈ１）
第１制御室６０の燃料圧力が低下しニードル２１が弁座１２ａから離座すると、第１スプリング１５の収縮分ｈが加わり、ばね力ＦｓはＦｓ＝Ｆｓ１＋ｋ１×ｈとなる。したがって閉弁力ＦｃｌはＦｃｌ＝Ｆｃｔ＋Ｆｓ＝Ｆｃｔ＋Ｆｓ１＋ｋ１×ｈ、開弁力はＦｏ＝Ｆｄ＝Ｐｄ×Ａｇである。ニードルに加わる力Ｆを次式(2) に示す。
Ｆ＝Ｆｏ−Ｆｃｌ＝Ｐｄ×Ａｇ−Ｆｃｔ−Ｆｓ１−ｋ１×ｈ・・・(2)
このとき、弁部材２０が第１制御室６０および第２制御室６５から燃料圧力を受ける受圧面積Ａｐから燃料圧力の低下した第１制御室６０から燃料圧力を受ける受圧面積Ａｐ１を引いた受圧面積、すなわち第２制御室６５から燃料圧力を受ける受圧面積Ａｐ２は、Ａｇよりも小さい。
【００３１】
(2) ニードル２１のリフト量ｈが第１リフト量ｈ１以上のとき（ｈ１≦ｈ）
ばね力Ｆｓは第２スプリング１６の初期設定荷重Ｆｓ２と収縮分が加わりＦｓ＝ｋ１×ｈ＋Ｆｓ１＋ｋ２（ｈ−ｈ１）＋Ｆｓ２である。閉弁力Ｆｃｌは、Ｆｃｌ＝Ｆｃｔ＋Ｆｓ＝Ｐｃｔ×Ａｐ＋ｋ１×ｈ＋Ｆｓ１＋ｋ２（ｈ−ｈ１）＋Ｆｓ２、開弁力ＦｏはＦｏ＝Ｆｄ＝Ｐｄ×Ａｇとなる。ニードル２１に加わる力Ｆを次式(3) に示す。
Ｆ＝Ｆｏ−Ｆｃｌ＝Ｐｄ×Ａｇ−Ｐｃｔ×Ａｐ−ｋ１×ｈ−Ｆｓ１−ｋ２（ｈ−ｈ１）−Ｆｓ２・・・(3)
【００３２】
次に第１制御弁４０、４３に働く力を説明する。
(1) 第１制御弁４０のリフト量Ｈが０の閉弁時（Ｈ＝０）
第１制御弁４０に働く閉弁力Ｆｖｃ１は第１スプリング４２の初期設定荷重Ｆｖｓ１だけである。つまりＦｖｃ１＝Ｆｖｓ１である。第１制御弁４０に働く開弁力は、第１制御室６０の燃料圧力Ｐｃ１から第１制御弁４０が受ける開弁力Ｆｖｏ１であり、Ｆｖｏ１＝Ａｏ１×Ｐｃ１である。Ａｏ１は出口絞り６２の開口面積である。第１制御弁４０に加わる力Ｆｖ１を次式(4) に示す。
Ｆｖ１＝Ｆｖｏ１−Ｆｖｃ１＝Ａｏ１×Ｐｃ１−Ｆｖｓ１・・・(4)
【００３３】
第２制御弁４３に加わる閉弁力Ｆｖｃ２は、第２スプリング４４の初期設定荷重Ｆｖｓ２である。つまりＦｖｃ２＝Ｆｖｓ２である。第２制御弁４３に働く開弁力Ｆｖｏ２は、第２制御室６５の燃料圧力Ｐｃ２から第２制御弁４３が受ける力であり、Ｆｖｏ２＝Ａｏ２×Ｐｃ２である。Ａｏ２は、弁座３３ａに着座した状態で第２制御室６５の燃料圧力を受ける第２制御弁４３の受圧面積である。第２制御弁４３に加わる力Ｆｖ２を次式(5) に示す。
Ｆｖ２＝Ｆｖｏ２−Ｆｖｃ２＝Ａｏ２×Ｐｃ２−Ｆｖｓ２・・・(5)
Ｈ＝０では、第１制御弁４０と第２制御弁４３は相互に力を及ぼしていない。
【００３４】
(2) 第１制御弁４０だけがリフトしているとき（０＜Ｈ＜Ｈ１）
コイル３５に電流が供給され、第１の保持電流ＩＨ１による励起吸引力Ｆｍ１が第１制御弁４０に加わると第１制御弁４０はプレート３４からリフトする。初期設定荷重Ｆｖｓ１に加え第１スプリング４２の収縮分が第１制御弁４０に閉弁力として加わるので、第１制御弁４０に加わる閉弁力Ｆｖｃ１はＦｖｃ１＝Ｆｖｓ１＋Ｋ１×Ｈとなる。また、開弁力Ｆｖｏ１は前記の励起吸引力Ｆｍ１と、上下の受圧面積差Ａｖｏ１に加わる燃料室６３の燃料圧力Ｐｖ１から第１制御弁４０が受ける力である。Ｈ＞０のとき、第１制御室６０の燃料圧力Ｐｃ１は、低下しているか、あるいは出口絞り６２を介して燃料室６３の燃料圧力Ｐｖ１に影響を与える。いずれにしても、燃料室６３は燃料通路６４、５７ａ、５６ａ、燃料排出通路５８を介して燃料タンク３に開放されているので殆ど大気圧と等しくなっており、無視できる圧力となっている。開弁力の合計はＦｖｏ１＝Ｆｍ１＋Ａｖｏ１×Ｐｖ１となる。第１制御弁４０に加わる力Ｆｖ１を次式(6) に示す。
Ｆｖ１＝Ｆｖｏ１−Ｆｖｃ１＝Ｆｍ１＋Ａｖｏ１×Ｐｖ１−Ｆｖｓ１−Ｋ１×Ｈ・・・(6)
この時点で第２制御弁４３に加わる力は式(5) で示す力と同じである。
【００３５】
(3) 第１制御弁４０および第２制御弁４３がリフトしているとき（Ｈ１≦Ｈ）
コイル３５に第２保持電流ＩＨ２が供給され、励起吸引力Ｆｍ２が第１制御弁４０に加わっている。第１制御弁４０に加わる第１スプリング４２の閉弁力はＦｖｓ１＋Ｋ１×Ｈとなる。これに、第２制御弁４３に加わる第２スプリング４４のばね力Ｆｖｓ２＋Ｋ２×（Ｈ−Ｈ１）が加わる。第１制御弁４０に加わる閉弁力Ｆｖｃ１はＦｖｃ１＝Ｆｖｓ１＋Ｋ１×Ｈ＋Ｆｖｓ２＋Ｋ２×（Ｈ−Ｈ１）であり、第１制御弁４０に加わる開弁力Ｆｖｏ１はＦｖｏ１＝Ｆｍ２＋Ａｖｏ１×Ｐｖ１である。第２制御弁４３から受ける力を無視した第１制御弁４０に加わる力Ｆｖ１を次式(7) に示す。
Ｆｖ１＝Ｆｖｏ１−Ｆｖｃ１＝Ｆｍ２＋Ａｖｏ１×Ｐｖ１−Ｆｖｓ１−Ｋ１×Ｈ・・・(7)
【００３６】
次に、第２制御弁４３が開弁していることから、燃料通路７０の燃料圧力はＰｃ１より低下し燃料室６３と同様に大気圧に近いＰｖ２になっている。Ｐｖ２≒Ｐｖ１とおける。燃料室６３、燃料通路７０の燃料圧力から開弁方向に力を受ける第２制御弁４３の受圧面積をＡｖｏ２とすると、Ｆｖｏ２＝Ａｖｏ２×Ｐｖ２である。第２制御弁４３の閉弁力Ｆｖｃ２は、Ｆｖｃ２＝Ｆｖｓ２＋Ｋ２×（Ｈ−Ｈ１）となる。第１制御弁４０から受ける力を無視した第２制御弁４３に加わる力Ｆｖ２を次式(8) に示す。
Ｆｖ２＝Ｆｖｏ２−Ｆｖｃ２＝Ａｖｏ２×Ｐｖ２−Ｆｖｓ２−Ｋ２×（Ｈ−Ｈ１）・・・(8)
第１制御弁４０と第２制御弁４３との相互力を考慮し、両制御弁に加わる力Ｆｖを次式(9) に示す。
Ｆｖ＝Ｆｖ１＋Ｆｖ２＝Ｆｍ２＋Ａｖｏ１×Ｐｖ１−Ｆｖｓ１−Ｋ１×Ｈ＋Ａｖｏ２×Ｐｖ２−Ｆｖｓ２−Ｋ２×（Ｈ−Ｈ１）・・・(9)
【００３７】
コイル３５に駆動電流を供給し、励起吸引力により第１スプリング４２に抗して第１制御弁４０が開弁し、図４に示す第１リフト量Ｈ１になると、第１制御室６０の燃料圧力Ｐｃ１が低下し、第１スプリング１５の初期設定荷重Ｆｓ１と合わせた力により、蓄圧管から供給される圧力Ｐｄによりニードル２１が第１のスプリング１５に抗して押し上げられ開弁する。式(1) において、Ｆ≧０の条件が成立したときである。そして、ニードル２１が第１リフト量ｈ１まで上昇する。第１リフト量ｈ１から第２スプリング１６の初期設定荷重Ｆｓ２が負荷されるため、ニードル２１はｈ１でリフトを停止する。図６においてニードルリフト線図の（Ａ）に示す状態である。第１制御室６０の燃料圧力が低下しても式(2) においてＦ≧０、式(3) においてＦ＜０である間は、ニードル２１は第１リフト量ｈ１で停止している。さらに、電磁弁３０のコイル３５に高い電流が流れると励起吸引力が増加し、第２制御弁４３も第１制御弁４０とともに第１スプリング４２、第２スプリング４４の付勢力に抗して開弁し図６に示すリフト状態（Ｈ１＋Ｈ２）になる。第２制御室６５の燃料圧力が低下し、式(3) においてＦ≧０が成立するとニードル２１は第１リフト量ｈ１からさらにリフトを開始する。ニードル２１は第１リフト量ｈ１からさらに第２リフト量ｈ２上昇する。ニードルリフトはｈ１＋ｈ２となり、最大リフト状態で停止する。図６の（Ｂ）または（Ｃ）の（ｂ）に示す状態である。
【００３８】
第２制御室６５の燃料圧力が、低下していくとニードル２１を開弁させようとする力はさらに増加していくが、ニードル２１の肩部２２がチップパッキン１３の下端面１３ａに係止されているので、ニードル２１はこれ以上リフトしない。噴孔開放方向の荷重はチップパッキン１３が受ける。所定の駆動パルス時間が過ぎると、コイル３５への駆動電流の供給が停止され、第２制御弁４３が弁座３３ａに着座することにより燃料通路７０が閉塞される。すると、入口絞り６６から流入する高圧燃料により第２制御室６５の燃料圧力が上昇を開始する。さらに、第１制御弁４０がプレート３４に着座することにより出口絞り６２が閉塞される。すると、入口絞り６１から流入する高圧燃料により第１制御室６０の燃料圧力が上昇を開始する。
【００３９】
制御ピストン２４、制御ピストン２５を押し下げる力が上昇し、ロッド２３を介しニードル２１を噴孔閉塞方向に押し下げ始める。第２リフト量ｈ２だけ下降したところで、第２スプリング１６の荷重がニードル２１に負荷されなくなり、第１制御室６０および第２制御室６５の燃料圧力と第１スプリング１５の初期設定荷重Ｆｓ１だけが弁部材２０を噴孔閉塞方向に付勢する。ニードル２１に加わる閉弁力が減少するので、ニードル２１は速度を落として弁座１２ａに着座する。したがって、着座時における衝撃力と騒音が低減される。このように、電磁弁３０に供給する電流値で制御される二つの第１制御弁４０、第２制御弁４３により第１制御室６０および第２制御室６５の燃料圧力を制御し、２組の絞り６１、６２、ならびに絞り６６、６７の流路面積の設定で第１制御室６０および第２制御室６５の燃料圧力を制御している。そして、噴孔開放方向および噴孔閉塞方向に燃料圧力から受ける力、ならびに第１スプリング１５および第２スプリング１６の付勢力の大小関係によりニードル２１を段階的にリフトさせている。開弁時は、第１リフト量ｈ１だけ、または（ｈ１＋ｈ２）まで、さらには、第１リフト量ｈ１での期間を長くし、ｈ２へつなぐという階段的なリフト特性も可能である。さらに、閉弁時のｈ１期間をなくすか短く設定することができる。これにより、燃焼初期の燃料噴射量を減少させて窒素酸化物、燃焼騒音を低下させる。さらに、噴射終わりの燃料噴射率の終了を短時間で行うことで黒煙の発生を押さえることができる。
【００４０】
上記のようにニードル２１のリフトを段階的に制御するときの弁部２の作動を説明する。
ニードル２１のリフト量がｈ１のとき、図７の（Ｂ）に示すようにニードル２１の円錐面２１１とシート面２２０はごくわずかなすきまを形成する。このとき図８に示すように、斜め溝２１５を流れる燃料の速度Ｖｎと、円錐面２１１とシート面２２０との間を流れる燃料速度Ｗｂとが発生する。図９の（Ａ）に示すように、速度Ｖｎは円周方向速度成分Ｕｎと軸方向速度成分Ｗｎに分解される。ＶｎとＷｂの速度の大きさの比は、ほぼそれぞれの流路面積比で決まり、ニードル２１のリフトに対し図９の（Ｂ）に示すような変化を生ずる。つまり、斜め溝２１５の速度Ｖｎは斜め溝２１５が一定の流路面積をニードル２１のリフトにかかわらず有しているため、リフトにより開口する当接部２１ａと弁座１２ａとの間の開口面積にしたがい燃料流量が増加するとＶｎは増加する。第１リフト量ｈ１付近で当接部２１ａと弁座１２ａとが形成する開口面積と斜め溝２１５の流路面積とが等しくなるように設定されていれば、第１リフト量ｈ１においてＶｎは最高速に達する。Ｗｎはほぼリフトに比例して増加するが、Ｖｎの増加に比して実際のニードルリフト量の百分の数ｍｍから十分の数ｍｍ程度では値は小さく緩やかな増加である。その結果、第１リフト量ｈ１付近でＶｎとＷｂの比は最大になる。このとき、噴霧角は噴孔出口での円周方向速度成分と軸方向速度成分の比で決まるが、運動量保存則と自由渦の法則から、渦巻き室２１９に流入する円周方向速度成分Ｕｎと軸方向速度成分Ｗ＝Ｗｎ＋Ｗｂとの比と同じになる。つまり噴霧はｔａｎ（α／２）＝Ｕｎ／（Ｗｎ＋Ｗｂ）で求められる噴霧角αで燃料を噴射する。
【００４１】
第１制御室６０の燃料圧力がさらに低下するとニードル２１は第１のスプリング１５および第２のスプリング１６の付勢力に抗して押し上げられ、最大リフト量（ｈ１＋ｈ２）に達する。この状態では、当接部２１ａと弁座１２ａとの間の面積が増加し燃料速度Ｗｂが増加するので、斜め溝２１５内の速度ＶｎはＷｂに乱され少し減速する。この結果、噴霧角αは図９の（Ｃ）に示すように減少する。
【００４２】
第１実施例では、渦巻き室２１９の径を押さえて形成しているため渦巻き室２１９の容積が減少し、旋回力を形成するのに時間遅れが少なくなる。さらに、当接部２１ａの直上に渦巻き室２１９が形成されているので、噴霧角の変化はリフト量に素早く追随する。渦巻き噴射による噴霧は、燃料を剪断することで微粒化するために、他のホールノズルに比べ低い噴射圧力でより微粒化できる。
【００４３】
次に、第１実施例のインジェクタをエンジン運転状態に応じて制御する方法について説明する。
図１０に示すように、基本的に低中速、低中負荷領域では、ニードル２１のリフトは第１リフト量ｈ１の低リフト状態を維持させ、低噴射率と低到達噴霧で燃料を燃焼室に供給する。高速域または高負荷では、ｈ１＋ｈ２までニードル２１をリフトさせて高噴射率、高到達噴霧とする。図１０の（Ｂ）の噴射圧力、図１０の（Ｃ）の噴射時期は噴射量を基にしたマップによって制御される。エンジン運転状態によって、温度（空気、冷却水、燃料）、吸気圧等による補正がマップに加えられる。定常運転をするエンジンでは、リフト量がｈ１までの第１段のリフトと、リフト量が（ｈ１＋ｈ２）までの第２段のリフトの運転域は図１０の（Ａ）の実線で切り換えることで問題ない。しかし、過渡運転がある車等に搭載するエンジンでは、図１０の（Ａ）の破線領域をエンジン運転条件が通過するときは過渡状態と判定し、特別な制御を行うことでリフト量の切り替えによるエンジン出力の階段状変化を防止する。例えば、図６の（Ｃ）に示すように噴射期間中に階段状のリフトとなるように電磁弁３０への通電電流を制御することで、エンジン出力の階段状変化を防止できる。第１段のリフトと第２段のリフトの長さの比は、図１０の（Ａ）の破線域でのエンジン運転状態によって変化させる。また、エンジンの一行程中に複数の噴射回数を設定できる。例えば、低負荷から高負荷へエンジン運転条件が変化するとき、第１リフト量ｈ１だけの第１段の複数噴射から第２リフト量ｈ２を加えた第２段の噴射を０回から徐々に増加させること、また複数回噴射の中で噴射期間を個別に制御することが可能である。図６の（Ａ）と（Ｂ）の複数の組み合わせで、図６の（Ｃ）のリフトを組み合わせることが可能である。図１０の（Ａ）の破線領域を往復する運転条件時には、その噴射制御をヒステリシスを持たせることも勿論可能である。
【００４４】
以上説明した第１実施例では、将来の燃焼概念に必要とされる噴霧角可変技術が、ニードルリフトを安定して２段階に制御するとともに、ニードルリフトにより弁部２において燃料流れの旋回形成力を変化させるように構成することで、安価にかつ低噴射圧力で実現できる。また、斜め溝２１５の出入り口の曲面の曲率半径をそれぞれ傾斜側、つまり入り口では流れ込む側、また、出口側では渦巻き流の下流側を大きく形成することにより、燃料流れの損失が少なく、剥離を起こさずキャビテーションの発生を防止することができる。すなわち、噴射系の不要な圧力上昇を少なくし、機械効率を向上させる。さらに、ノズルの信頼性が向上する。
【００４５】
また、最大リフト量（ｈ１＋ｈ２）から弁部材２０が閉弁を開始するとき、第１スプリング１５の荷重と第２スプリング１６の荷重との合力により閉弁速度は大きいが、第１リフト量ｈ１以下では第１スプリング１５の小さい初期設定荷重により着座直前のニードル閉分速度が低減するので、閉弁衝撃を和らげることができる。さらに、弁部材２０が弁座１２ａから離座した状態では、弁部材２０が噴孔開放方向に燃料圧力を受ける受圧面積が、噴孔閉塞方向に両制御室から燃料圧力を受ける受圧面積から燃料出口を開放されている制御室から燃料圧力を受ける受圧面積を引いた受圧面積よりも大きい。したがって、ニードル２１が弁座１２ａに着座する速度が低減し、閉弁衝撃を和らげることができる。この点からも、信頼性を向上することができる。また、第１段のリフトだけの噴射を行う軽負荷時には燃料噴射率を低く押さえられるので、微小噴射量が安定して制御できる。さらに、渦巻き室２１９内の圧力均衡作用によりニードル２１の当接部２１ａの偏心を調心し、ニードル２１を弁ボディ１２と同軸に保持し噴霧の変形を防止することができる。
【００４６】
（第２実施例）
本発明の第２実施例を図１１に示す。第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し、説明を省略する。旋回力形成部２１０とシート面２２０との間の距離で旋回速度方向を変える第１実施例と異なり、第２実施例では、ニードル８３のリフト量によって弁ボディ８０に形成した複数の第１噴孔８１、第２噴孔８２を開閉し、噴射率、噴霧を変化させる構成になっている。第１噴孔８１および第２噴孔８２は噴射可変手段を構成している。
【００４７】
ニードル８３は燃料通路８４をその内部に形成しており、燃料通路８４は弁ボディ８０に形成した燃料通路５１と燃料溜まり５４を介して連通している。ニードル８３の当接部８３ａは、図示しない第１スプリング１５の付勢力により弁ボディ８０に形成された弁座８０ａに押圧されている。第１噴孔８１および第２噴孔８２は弁ボディ８０の外径部に複数開口し、それぞれ第１噴孔群と第２噴孔群を構成している。第１噴孔８１および第２噴孔８２はそれぞれの下側開口部を距離Ｌｈをもつように開口している。この距離Ｌｈはニードル８３の第１リフト量ｈ１より大きく、最大リフト量（ｈ１＋ｈ２）より小さく構成されている。ニードル８３が電磁弁の駆動によりリフトを開始すると、当接部８３ａは弁座８０ａを離れ、高圧燃料は第１噴孔８１より燃料を噴射開始する。ニードル８３はリフトを継続し第１リフト量ｈ１で停止する。この状態では、第１噴孔８１だけ開口している。さらにニードル８３がリフトし、リフト量ｈがＬｈより大きくなると、第２噴孔８２からも噴射を開始する。ニードル８３のリフト量が（ｈ１＋ｈ２）の最大リフトでは、第１噴孔８１および第２噴孔８２を完全に開口して最大の噴射率となる。（ｈ１＋ｈ２）は（Ｌｈ＋第２噴孔８２の径）より大きく設定されている。
【００４８】
第２実施例の構成と作動によれば、第１実施例の１つの広い角度をもつ円錐噴霧とは異なり、各噴孔の小さな噴霧角度をもつ複数の噴霧が形成され、噴霧群全体として１つの円錐角をもつ噴霧を形成する。第１噴孔群と第２噴孔群とで異なる円錐噴霧角をもつことが可能である。また、噴射率がニードル８３のリフト量により２段階に変化し、さらに、第１噴孔８１および第２噴孔８２の噴孔径を変化させることで噴射率を調節できる。
【００４９】
（第３実施例）
本発明の第３実施例によるインジェクタを図１２に示す。インジェクタ４において第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し、説明を省略する。電磁弁３０の構成は模式的に示されている。第１実施例と異なるのは、第１スプリング１５を第２制御室６５から外し制御ピストン２４の下部に配置し、ロッド２３を負荷するように構成したことにある。基本的な作動は第１実施例と同じである。この構成によれば、第２制御室６５の容積が減少するので第２制御室６５の燃料圧力Ｐｃ２の変化応答性が早くなり、ニードル２１の開閉応答性が向上する。さらに、圧力を変化させるために出入りする燃料量が減少し燃料噴射ポンプの吐出量を低減できるので、燃料噴射ポンプの駆動トルクが低下しエンジン出力が向上する効果がある。
【００５０】
（第４実施例）
本発明の第４実施例を図１３に示す。第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し、説明を省略する。第１実施例と異なるのは、第２スプリング１６の内周側に第１スプリング１５を配置し、第１スプリング１５の付勢力をプレッシャピン８５を介してニードル２１に加えている点である。また、ニードル２１上部の突きだしをなくし平面化したことで、ニードル形状が単純化されている。また第４実施例では、第２スプリング１６のスプリング座８６にニードル２１が当接するまでの第１リフト量ｈ１だけが規定され、第２リフト量ｈ２は規定されていない。
【００５１】
この構成によればロッド２３の全長が短縮でき弁部材２０の質量が軽減される。また、噴孔開放方向および噴孔閉塞方向にニードル２１に働く力の均衡に第２リフト量を任せることで、弁部材２０製造時の調整行程が省略でき製造価格が低減する。
【００５２】
（第１参考例）
本発明の第１参考例によるインジェクタを図１４に示す。インジェクタ５において第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し説明を省略する。第１実施例の３位置３方向の電磁弁３０から２位置２方向の電磁弁９０に代えることにより、電磁弁の構成を簡単化している。これに伴い、図示しないが、図１に示す第１制御弁４０と第２制御弁４３とを一体化し、第１スプリング４２、第２スプリング４４のいずれかを廃止している。電磁弁９０は第１制御室６０の出口絞り６２だけを開閉する。第２制御室６５には燃料出口としての出口絞りが形成されていない。したがって、第２制御室６５の圧力は制御されず、常に蓄圧管から供給される圧力となる。また第１実施例で用いたチップパッキン１３を廃止し、第２スプリング１６のスプリング座９１を弁ボディ１２の端面に当接させている。第４実施例と同じく第２リフト量ｈ２は規定されていない。
この構成によれば、ニードル２１の第２段のリフト開始圧力は制御されず、一定圧力でニードル２１は自動的に第２段のリフトを開始する。インジェクタの構成および制御が簡単化され、低価格かつ小型のインジェクタを提供できる。
【００５３】
（第５実施例）
本発明の第５実施例を図１５に示す。第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し、説明を省略する。
ライナー１００はプレート３４とハウジング１０５との間に挟持されている。ライナー１００は、フランジ部１０１および円筒部１０２を有している。フランジ部１０１に、第２制御室６５と出口絞り６７とを連通する連通路１０１ａ、ならびに入口絞り６１が形成されている。
【００５４】
制御ピストン１１０は、軸中央部に円柱部１１１を有し、円柱部１１１の外周に円柱部１１１と円筒状の溝を形成する円筒部１１２を有している。円筒部１１２は径方向外側に延びる拡径部１１２ａを設けている。ライナー１００の円筒部１０２は制御ピストン１１０の円柱部１１１に摺動自在に嵌合している。
第５実施例では、制御ピストン１１０の拡径部１１２ａを大きくすることにより第２制御室６５の燃料圧力を受ける受圧面積を大きくすることができるので、第２段のリフトに要する燃料圧力を最大噴射圧まで増加できる。
【００５５】
（変形例）
第５実施例において、ライナー１００の形状を変形した例を図１６に示す。円筒状に形成されたライナー１２０は第１スプリング１５によってプレート３４に押圧され、第１制御室６０と第２制御室６５とを高圧油密している。
【００５６】
（第６実施例）
本発明の第６実施例を図１７に示す。第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し、説明を省略する。第１実施例と異なるのは、第２スプリング４４をスペーサ１２１の第２制御弁１２３側に配置したことである。この構成によれば、第１制御弁１２２の全長を短縮でき電磁弁３０を小型化できる。
【００５７】
（第７実施例）
本発明の第７実施例を図１８に示す。第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し、説明を省略する。第１実施例と異なるのは、第１制御弁１３０のコア１３１をプランジャ形状から平板形状にし、第１スプリング４２をアーマチャ３２の上部に構成したことである。コア１３１は第１制御弁１３０に形成した突部１３０ａに嵌合している。コア１３１を平板状にしたので第１制御弁１３０に働く励起吸引力が増加する。また、第１スプリング４２の調整が容易にできるので、第２制御弁１３２のリフト開始時期を精度良く設定できる。
【００５８】
（第８実施例）
本発明の第８実施例を図１９に示す。第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し、説明を省略する。第１実施例と異なるのは、まず外周側に位置する第１制御弁１４０がリフトし、次に内周側の第２制御弁１４５がリフトすることである。第２制御弁１４５および第２スプリング４４は第１制御弁１４０内に収容されている。この構成では、第１リフト量Ｈ１は、第１制御弁１４０の内周側にある段部１４１が第２制御弁１４５の係止部１４６に当接し規定される。最大リフト量（Ｈ１＋Ｈ２）は、第１制御弁１４０のコア１４２がアーマチャ１５０の端面１５０ａに当接して規定される。第１制御弁１４０、第２制御弁１４５の位置関係を適用するため、第１制御室６０と第２制御室６５との位置も逆転している。
【００５９】
（第９実施例）
本発明の第９実施例を図２０に示す。第８実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し、説明を省略する。第８実施例と異なるのは、第１制御弁１４０、第２制御弁１４５を付勢する第１スプリング４２、第２スプリング４４をいずれもコア１４２側に構成したことである。
第８実施例、第９実施例の構成によれば、コア１４２を含む制御弁構造が簡易化され、さらに低価格で製造可能となる。第１制御室６０および第２制御室６５の構成自由度が増加しエンジンに容易に搭載できるインジェクタを製造できる。
【００６０】
（第１０実施例）
本発明の第１０実施例によるインジェクタを図２１に示す。インジェクタ６において第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し説明を省略する。電磁弁３０の構成は模式的に示されている。図２１に示す電磁弁３０の弁部３０ａは、第１実施例においてコイル３５に駆動電流が供給されていない状態を示し、弁部３０ｂは第１制御弁だけがリフトしている状態を示し、弁部３０ｃは第１制御弁および第２制御弁がリフトしている状態を示している。
【００６１】
制御ピストン２７は制御ピストン２４の反ニードル側に位置している。ニードル２１が弁座１２ａに着座した状態で制御ピストン２７は制御ピストン２４と非接触である。制御ピストン２４と制御ピストン２７との間に第１制御室６０が形成されており、制御ピストン２７の第１制御室６０と反対側に第２制御室６５が形成されている。後述するように、ニードル２１がｈ１以上リフトしようとすると第２制御室６５の燃料圧力は制御ピストン２４およびニードル２１に噴孔閉塞方向に加わるので、第２制御室６５は請求項１記載の付勢手段および圧力室を構成している。第１制御室６０の圧力を制御することにより噴孔１２ｂの開閉が切り替わり、第２制御室６５の圧力を制御することによりニードル２１のリフト量がｈ１または（ｈ１＋ｈ２）のいずれかに選択される。
【００６２】
次に、インジェクタ６の作動について説明する。
ニードル２１が弁座１２ａに着座した図２１に示す状態から、図２２の（Ａ）に示すようにエンジン運転状態に応じた駆動電流が図示しないＥＣＵにより電磁弁３０のコイル３５に供給され電磁弁３０の弁部３０ｂが選択されると、出口絞り６２が開放され、第１制御室６０の燃料圧力Ｐｃ１は低下し始める。第１制御室６０の圧力が低下し、第１スプリング１５の設定荷重と第１制御室６０の燃料圧力から受ける力との合力である噴孔閉塞方向の力がニードル２１を押し上げる力より小さくなるとニードル２１および制御ピストン２４はリフトを開始し、噴孔１２ｂから燃料が噴射される。ニードル２１および制御ピストン２４が第１リフト量ｈ１リフトすると制御ピストン２４は制御ピストン２７に衝突する。第２制御室６５の燃料圧力は噴孔閉塞方向にニードル２１を移動する方向に働くので、第２制御室６５の燃料出口が閉塞され第２制御室６５の燃料圧力が高い状態では、制御ピストン２４が制御ピストン２７に当接した状態でニードル２１は停止する。
【００６３】
図２１に示す状態から図２２の（Ｂ）に示すようにエンジン運転状態に応じた駆動電流がコイル３５に供給され弁部３０ｃが選択されると、出口絞り６２および出口絞り６７が開放され、第１制御室６０および第２制御室６５の燃料圧力Ｐｃ１、Ｐｃ２は低下し始める。ニードル２１および制御ピストン２４がリフトし制御ピストン２４が制御ピストン２７に衝突するときには第２制御室６５の燃料圧力は低下しているので、ニードル２１および制御ピストン２４は第１リフト量ｈ１よりもリフトする。そして、ニードル２１が（ｈ１＋ｈ２）リフトするとチップパッキン１３の下端面１３ａに係止されこれ以上リフトしない。
【００６４】
噴射期間中にコイル３５に供給する電流値を増加することにより、図２２の（Ｃ）に示すように、リフト量をｈ１から（ｈ１＋ｈ２）に増加することもできる。逆に、噴射期間中にコイル３５に供給する電流値を低下することにより、リフト量を（ｈ１＋ｈ２）からｈ１に減少することもできる。
【００６５】
所定の噴射時間が経過し図２２の（Ｃ）に示す状態からコイル３５への駆動電流の供給を遮断すると、出口絞り６２、６７が閉塞され第１制御室６０および第２制御室６５の燃料圧力が上昇する。そして、制御ピストン２４、２７を噴孔閉塞方向に押し下げるので、ニードル２１が弁座１２ａに着座し、燃料噴射が終了する。
【００６６】
次に、ニードル２１に働く力を説明する。
(1) ニードル２１のリフト量ｈが第１リフト量ｈ１より小さいとき（ｈ＜ｈ１）
▲１▼ニードル閉弁時（ｈ＝０）
閉弁力Ｆｃｌは、第１制御室６０の燃料圧力Ｐｃ１から噴孔閉塞方向に弁部材２０に働く力Ｆｃｔ１と、第１スプリング１５の初期設定荷重Ｆｓ１との合計である。Ｆｃｌ＝Ｆｃｔ１＋Ｆｓ１＝Ｐｃ１×Ａｐ１＋Ｆｓ１である。ここで、Ｐｃ１は第１制御室６０の圧力、Ａｐ１は第１制御室６０から噴孔閉塞方向に燃料圧力を受ける制御ピストン２４の受圧面積である。
【００６７】
開弁力Ｆｏは、燃料圧力から噴孔開放方向にニードル２１に加わる力Ｆｄであり、Ｆｏ＝Ｆｄ＝Ｐｄ（Ａｇ−Ａｓ）である。Ｐｄは燃料通路５５の燃料圧力、Ａｇは弁ボディ１２の収容孔の断面積、Ａｓはニードル２１が弁座１２ａに着座しているときのシート面積である。ニードルに加わる力Ｆを次式(10) に示す。
Ｆ＝Ｆｏ−Ｆｃｌ＝Ｐｄ（Ａｇ−Ａｓ）−Ｐｃ１×Ａｐ１−Ｆｓ１・・・(10)
【００６８】
▲２▼ニードル開弁時（０＜ｈ＜ｈ１）
第１制御室６０の燃料圧力が低下しニードル２１が弁座１２ａから離座すると、第１スプリング１５の収縮分ｈが加わり、ばね力ＦｓはＦｓ＝Ｆｓ１＋ｋ１×ｈとなる。したがって閉弁力ＦｃｌはＦｃｌ＝Ｆｃｔ１＋Ｆｓ＝Ｆｃｔ１＋Ｆｓ１＋ｋ１×ｈ、開弁力はＦｏ＝Ｆｄ＝Ｐｄ×Ａｇである。ニードルに加わる力Ｆを次式(11) に示す。
(2) ニードル２１のリフト量ｈが第１リフト量ｈ１以上のとき（ｈ１≦ｈ）
制御ピストン２４と制御ピストン２７とが当接するので、第２制御室６５の燃料圧力Ｐｃ２から噴孔閉塞方向に制御ピストン２７に加わる力Ｆｃｔ２がニードル２１にも加わり、Ｆｃｔ＝Ｆｃｔ１＋Ｆｃｔ２となる。したがって、
ここで、Ａｐ２は第２制御室６５から噴孔閉塞方向に燃料圧力を受ける制御ピストン２７の受圧面積である。開弁力ＦｏはＦｏ＝Ｆｄ＝Ｐｄ×Ａｇである。ニードルに加わる力Ｆを次式(12) に示す。
【００７０】
第１０実施例では、制御ピストン２４と制御ピストン２７との間に第１制御室６０を形成し、ニードル２１がｈ１リフトするまで制御ピストン２４と制御ピストン２７とが非接触である。噴射圧力の高低に関わらずコイル３５に供給する駆動電流値を制御することにより、ニードルリフト量を自由に変更できる。したがって、任意の噴射率を実現することができる。
【００７１】
（第２参考例）
本発明の第２参考例によるインジェクタを図２３および図２４に示す。インジェクタ７において第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し説明を省略する。第２参考例では、制御弁の駆動力として圧電素子を用いている。
弁ボディ１２とハウジング１６７とは、弁ホルダ１６０、弁ホルダ１６２および弁座部材１６５を挟んでリテーニングナット１４で締結されている。第１０実施例と同様に、制御ピストン２７は制御ピストン２４の反ニードル側に位置し、ニードル２１が噴孔を閉塞した状態で制御ピストン２７は弁ホルダ１６０の肩部１６１に係止されており制御ピストン２４と非接触である。制御ピストン２４と制御ピストン２７との間に第１制御室６０が形成されており、制御ピストン２７の第１制御室６０と反対側に第２制御室６５が形成されている。
【００７２】
制御弁１７０は弁ホルダ１６２内に往復移動自在に収容されている。スプリング１７３は制御弁１７０を弁座部材１６５の弁座１６６に向けて付勢している。圧電素子１８０はコネクタ１８１に埋設されているピン１８２と電気的に接続している。圧電素子１８０に電圧が印加されると、圧電素子１８０が図２３の下方に延びる。印加電圧値が高くなると圧電素子１８０の延び量が大きくなる。
【００７３】
油圧ピストン１８３の一端は圧電素子１８０と当接しており、他端は皿ばね１８４と当接している。皿ばね１８４はばね座１８５と当接しており、油圧ピストン１８３を圧電素子１８０に向けて付勢している。油圧ピストン１８６はスプリング１８８により油圧ピストン１８３に向けて付勢されている。油圧ピストン１８６のロッド１８７は制御弁１７０と当接している。
【００７４】
図２４に示すように、制御弁１７０の周囲に形成されている燃料空間１９０には、制御弁１７０の位置に関わらず燃料通路５１から絞り１９５を介しコモンレールから高圧燃料が供給されている。制御弁１７０の当接部１７１が弁座１６６に着座し当接部１７２が弁座１６３から離座している状態では、燃料空間１９０は、連通路１９１を介し第１制御室６０と連通し、かつ第２制御室６５と連通している。ロッド１８７周囲の燃料空間１９２は低圧の燃料通路１９３と連通している。
【００７５】
次に、インジェクタ７の作動について説明する。
(1) 圧電素子１８０に電圧を印加していない状態では、油圧ピストン１８３、１８６は図２３に示す位置にある。制御弁１７０はスプリング１７３の付勢力により弁座部材１６５の弁座１６６に着座している。燃料空間１９０は低圧側の燃料空間１９２との連通を遮断されているので、燃料通路５１から供給される高圧燃料により高圧である。第１制御室６０および第２制御室６５は燃料空間１９０と連通しており高圧である。制御ピストン２７が第２制御室６５から燃料圧力を受ける受圧面積は、第１制御室６０から燃料圧力を受ける受圧面積よりも大きいので、制御ピストン２７は図２３の下方に付勢され弁ホルダ１６０の肩部１６１に係止されている。
【００７６】
制御ピストン２４およびニードル２１は第１制御室６０の燃料圧力から受ける力により、弁ボディ１２の弁座に着座し噴孔を閉塞している。
(2) 圧電素子１８０に電圧を印加して圧電素子１８０が延びると、圧電素子１８０とともに油圧ピストン１８３が図２３の下方に移動する。圧電素子１８０の延び量および油圧ピストン１８３の移動量をＬ、油圧ピストン１８３の断面積をＡｈｌ、油圧ピストン１８６の断面積をＡｈｓとすると、油圧ピストン１８６は圧電素子１８０により、図２３の下方に（Ｌ×Ａｈｌ／Ａｈｓ）移動するように駆動される。油圧ピストン１８６のロッド１８７は制御弁１７０に当接しているので、圧電素子１８０が図２３の下方にＬ延びると、制御弁１７０も図２３の下方に（Ｌ×Ａｈｌ／Ａｈｓ）移動するように駆動される。
【００７７】
▲１▼圧電素子１８０に電圧を印加することにより圧電素子１８０が延び、制御弁１７０の当接部１７１が弁座１６６から離座し当接部１７２が弁ホルダ１６２の弁座１６３に当接すると、第１制御室６０は連通路１９１、燃料空間１９０、当接部１７１と弁座１６６との開口部、燃料空間１９２を介し低圧の燃料通路１９３と連通する。当接部１７１と弁座１６６との間に形成される開口面積は、燃料空間１９０に高圧燃料を供給する絞り１９５の通路面積よりも大きいので、第１制御室６０の圧力は低下する。第１制御室６０の燃料圧力が低下することにより制御ピストン２４とともにニードル２１がリフトし、燃料が噴射される。
【００７８】
当接部１７２が弁座１６３に着座することにより第２制御室６５は閉塞されるので、第２制御室６５の燃料圧力は保持される。したがって、制御ピストン２４がｈ１リフトし制御ピストン２７に衝突すると、第２制御室６５の燃料圧力により制御ピストン２４は制御ピストン２７に係止される（図２５の（Ａ）参照）。
【００７９】
▲２▼圧電素子１８０に印加する電圧を上記▲１▼よりも低下させ制御弁１７０の移動量（Ｌ×Ａｈｌ／Ａｈｓ）を小さくすると、制御弁１７０が弁座１６３、１６６から離座する位置に制御弁１７０が移動する。すると、第１制御室６０および第２制御室６５は、燃料空間１９０、当接部１７１と弁座１６６との開口部、燃料空間１９２を介し低圧の燃料通路１９３と連通するので、両制御室の燃料圧力が低下する。第１制御室６０の圧力低下により制御ピストン２４がリフトし制御ピストン２７に衝突すると、第２制御室６５の燃料圧力も低下しているので、図２５の（Ｂ）に示すように、制御ピストン２７が弁ホルダ１６２のニードル側端面に係止されるまでニードル２１は制御ピストン２４、２７とともに（ｈ１＋ｈ２）リフトする。
▲３▼燃料噴射中に圧電素子１８０に印加する電圧値を変更することにより、図２５の（Ｃ）に示すよう燃料噴射中に噴射率を変更することができる。
【００８０】
(3) 所定時間が経過し圧電素子１８０への通電を遮断すると、圧電素子１８０は図２３に示す状態まで収縮する。すると、油圧ピストン１８６がスプリング１８８の付勢力により図２３の上方に移動し、制御弁１７０がスプリング１７３の付勢力により弁座１６６に着座する。第１制御室６０および第２制御室６５と低圧側との連通が遮断され、両制御室の燃料圧力が上昇する。そして、制御ピストン２４およびニードル２１が第１制御室６０の燃料圧力により噴孔閉塞方向に付勢され、燃料噴射が終了する。
第２参考例では、圧電素子１８０の伸縮により制御弁１７０を駆動しているので、コイルに通電して発生する磁力により制御弁を駆動する場合に比べ、インジェクタ７の開閉応答性が向上する。
【００８１】
（第１１実施例）
本発明の第１１実施例を図２６に示す。第１０実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付し説明を省略する。
第２制御室６５と電磁弁３０とを接続する燃料通路２０２とコモンレールの高圧燃料を第２制御室６５に導入する燃料流入通路５０とを連通するバイパス通路２００が形成され、バイパス通路２００に絞り２０１が形成されている。絞り２０１の通路面積は出口絞り６７の通路面積よりも小さい。燃料通路２０５は、第１制御室６０と電磁弁３０とを接続している。
【００８２】
電磁弁３０の弁部３０ｃが選択されて制御ピストン２７がリフトし、制御ピストン２４およびニードルが（ｈ１＋ｈ２）リフトした状態で電磁弁３０のコイル３５への通電をオフし電磁弁３０の弁部３０ａが選択されると、入口絞り６６に加え、絞り２０１を通ってコモンレールから高圧燃料が第２制御室６５に供給される。第１０実施例に比べ第２制御室６５の燃料圧力の上昇率が高く、図２８の（Ａ）に示すようにリフト量（ｈ１＋ｈ２）からリフト量ｈ１まで移動するニードルの閉弁速度が上昇するので、噴孔から噴射する燃料を素早く遮断できる。したがって、排ガス中の未燃成分を低減できる。ニードルの閉弁速度は絞り２０１の通路面積を調整することにより制御できる。
【００８３】
（変形例）
燃料流入通路５０と燃料通路２０２とをバイパス通路２００で連通する代わりに、図２７に示すように、コモンレールの高圧燃料を第１制御室６０に導入する燃料通路５１と燃料通路２０５とを連通するバイパス通路２０６が形成され、バイパス通路２０６に絞り２０７が形成されている。絞り２０７の通路面積は出口絞り６２の通路面積よりも小さい。
【００８４】
例えば制御ピストン２４およびニードルがｈ１リフトした状態から電磁弁３０のコイル３５への通電をオフし電磁弁３０の弁部３０ａが選択されると、入口絞り６１に加え、絞り２０７を通ってコモンレールから高圧燃料が第１制御室６０に供給される。第１０実施例に比べ第１制御室６０の燃料圧力の上昇率が高く、図２８の（Ｂ）に示すようにリフト量ｈ１から噴孔を閉塞するまでのニードルの閉弁速度が上昇するので、噴孔から噴射する燃料を素早く遮断できる。したがって、排ガス中の未燃成分を低減できる。絞り２０７の通路面積を調整することによりニードルの閉弁速度を制御できる。また、バイパス通路２００、２０６をともに形成し、各バイパス通路に絞り２０１、２０７を形成してもよい。この場合、図２８の（Ｃ）に示すように、リフト量（ｈ１＋ｈ２）から噴孔を閉塞するまでの閉弁速度が全体として上昇する。
【００８５】
以上説明した第１０、１１実施例および第２参考例では、制御ピストン２４と制御ピストン２７との間に第１制御室６０を形成し、リフト量０からｈ１までは制御ピストン２４と制御ピストン２７とを非接触にしている。第１制御室６０の燃料圧力を制御することにより噴孔を開閉し、第２制御室６５の圧力を制御することによりニードル２１のリフト量を段階的に変更できる。
【００８６】
以上説明した本発明の実施の形態を示す上記複数の実施例では、ニードルリフトを明確に段階的に制御でき、これにより噴霧と噴射率をニードルリフト量に応じて変化させることと、低圧で微粒化できることで、初期の噴射燃料の着火遅れを低減し、後続の噴霧は初期噴霧が利用していない空気の領域へ噴射され、完全燃焼を実現できる。また、低圧化による噴射系の駆動トルクが低減され信頼性も増す。さらに、ニードル閉弁時の負荷衝撃力を軽減しかつ駆動音が低減され、ノズルの信頼性も向上する。軽負荷時の噴射量、あるいは分割噴射に本発明のインジェクタを利用することで、前記噴射量が微小量でも安定して制御できる。また、主噴射を前記噴射と異なる噴射率と噴霧角で噴射し、前記噴射燃焼が利用していない燃焼室内の空気を利用するようにでき、黒煙の発生防止、出力、燃費の向上が可能となる。また、同一噴射期間内にニードルリフトを変化させ、噴射率、噴霧を制御することでも、上記の効果が得られる。
【００８７】
上記複数の実施例では２段階のリフトを実現しているが、例えば噴孔閉塞方向に弁部材を付勢するスプリングの数を３個以上にし、噴孔閉塞方向に弁部材に燃料圧力を加える制御室の数を３個以上にすることより、３段以上のリフトを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例によるインジェクタを示す断面図である。
【図２】 第１実施例の段階リフトを実現する構成を示す断面図である。
【図３】 第１実施例の電磁弁を示す断面図である。
【図４】 第１実施例による第１リフトを示す断面図である。
【図５】 第１実施例による第２リフトを示す断面図である。
【図６】 第１実施例の段階リフトを実現するタイムチャートである。
【図７】 （Ａ）は第１実施例のノズル部を示す断面図であり、（Ｂ）は第１リフト時を示す（Ａ）のVII−VII線断面図であり、（Ｃ）は第２リフト時を示す（Ａ）のVII−VII線断面図である。
【図８】 第１実施例による第２リフトにおけるノズル部を示す断面図である。
【図９】 第１実施例によるリフト量と燃料流速および噴霧角を示す特性図である。
【図１０】 第１実施例によるエンジン回転数とエンジン負荷、噴射圧力、噴射時期との関係を示す特性図である。
【図１１】 本発明の第２実施例によるインジェクタを示す断面図である。
【図１２】 本発明の第３実施例によるインジェクタを示す断面図である。
【図１３】 本発明の第４実施例によるインジェクタを示す断面図である。
【図１４】 本発明の第１参考例によるインジェクタを示す断面図である。
【図１５】 本発明の第５実施例によるインジェクタの電磁弁を示す断面図である。
【図１６】 第５実施例の変形例によるインジェクタの電磁弁を示す断面図である。
【図１７】 本発明の第６実施例によるインジェクタの電磁弁を示す断面図である。
【図１８】 （Ａ）は本発明の第７実施例によるインジェクタの電磁弁を示す断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図１９】 本発明の第８実施例によるインジェクタの電磁弁を示す断面図である。
【図２０】 本発明の第９実施例によるインジェクタの電磁弁を示す断面図である。
【図２１】 本発明の第１０実施例によるインジェクタを示す断面図である。
【図２２】 第１０実施例の段階リフトを実現するタイムチャートである。
【図２３】 本発明の第２参考例によるインジェクタを示す断面図である。
【図２４】 第２参考例によるインジェクタの制御ピストン、制御弁および油圧ピストンを示す断面図である。
【図２５】 第２参考例の段階リフトを実現するタイムチャートである。
【図２６】 本発明の第１１実施例によるインジェクタの制御ピストン周囲を示す模式的断面図である。
【図２７】 第１１実施例の変形例によるインジェクタの制御ピストン周囲を示す模式的断面図である。
【図２８】 ニードルの閉弁速度を示すタイミチャートであり、（Ａ）は第１１実施例、（Ｂ）は変形例、（Ｃ）は第１１実施例と変形例とを組み合わせた例である。
【図２９】 従来のインジェクタを示す断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料噴射装置
２ 弁部
１２ 弁ボディ
１２ａ 弁座
１２ｂ 噴孔
１５ 第１スプリング（第１の付勢手段）
１６ 第２スプリング（第２の付勢手段）
２１ ニードル（弁部材）
２３ ロッド(伝達部材、弁部材)
２４、２５ 制御ピストン（伝達部材、弁部材）
３０ 電磁弁
４０ 第１制御弁（可動部材）
４２ 第１スプリング
４３ 第２制御弁（可動部材）
４４ 第２スプリング
６０ 第１制御室
６５ 第２制御室
８１ 第１噴孔（噴射可変手段）
８２ 第２噴孔（噴射可変手段）
８３ ニードル（弁部材）
９０ 電磁弁
１１０ 制御ピストン（伝達部材）
１２２、１３０、１４０ 第１制御弁（可動部材）
１２３、１３２、１４５ 第２制御弁（可動部材）
２１０ 旋回力形成部（噴射可変手段）
Claims (15)
- 噴孔を開閉する弁部材と、
前記噴孔の燃料上流側に弁座を有する弁ボディであって、前記弁部材が前記弁座に着座することにより前記噴孔を閉塞し、前記弁部材が前記弁座から離座することにより前記噴孔を開放する弁ボディと、
前記弁部材のリフト量に応じ噴孔閉塞方向に前記弁部材を付勢する付勢力が段階的に変化する複数の付勢手段と、
噴孔閉塞方向に前記弁部材に燃料圧力を加える複数の圧力室の少なくとも一室の圧力を制御する制御手段と、
前記弁部材のリフト量に応じ燃料噴射率および燃料噴霧状態を変化させる噴射可変手段とを備え、
燃料圧力により噴孔開放方向に受ける力と、前記複数の圧力室の燃料圧力および前記複数の付勢手段により噴孔閉塞方向に受ける力との大小関係により前記弁部材は段階的にリフトし、
前記制御手段は、噴孔閉塞方向に前記弁部材に燃料圧力を加える前記複数の圧力室の少なくとも一室の圧力をエンジン運転条件により制御する制御弁を有し、
前記制御弁は複数の可動部材を有し、各可動部材は前記複数の圧力室の各燃料出口を開閉し、
前記制御弁は前記複数の可動部材を同軸上に配設し、前記複数の可動部材を燃料出口閉塞方向に付勢するばねを有し、前記可動部材は異なるタイミングで前記複数の圧力室の各燃料出口を開閉し、
前記弁部材は第１の圧力室および第２の圧力室から噴孔閉塞方向に圧力を受け、前記制御弁は、前記第１の圧力室を開閉する第１の可動部材と、前記第１の可動部材を往復移動自在に内周壁または外周壁で支持し前記第２の圧力室を開閉する第２の可動部材と、前記第１の圧力室を閉塞する方向に前記第１の可動部材を付勢する第１のばねと、前記第２の圧力室を閉塞する方向に前記第２の可動部材を付勢する第２のばねとを有し、前記第１の可動部材が所定量リフトすると前記第１の可動部材は前記第２の可動部材と当接し、当接した状態で前記第１の可動部材および前記第２の可動部材がさらにリフトすることにより前記第２制御室の燃料出口が開放されることを特徴とする燃料噴射装置。 - 前記複数の付勢手段は、前記弁部材のリフト量に関わらず噴孔閉塞方向に前記弁部材を付勢する第１の付勢手段と、前記弁部材が第１リフト量以上リフトすると噴孔閉塞方向に前記弁部材を付勢する第２の付勢手段とを有することを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
- 前記複数の付勢手段はばねであることを特徴とする請求項１または２記載の燃料噴射装置。
- 前記弁部材は、前記弁座に着座可能なニードルと、前記ニードルの反噴孔側に設けられ前記複数の付勢手段の付勢力を前記ニードルに伝達する複数の伝達部材とを有し、前記複数の伝達部材の少なくとも一つは前記複数の圧力室の少なくともいずれか一室から噴孔閉塞方向に圧力を受け前記ニードルに伝達することを特徴とする請求項１、２または３記載の燃料噴射装置。
- 前記複数の圧力室の二室以上から噴孔閉塞方向に燃料圧力を受ける前記伝達部材は、断面積の異なる一つの部材で異なる受圧面積を有するか、あるいは異なる受圧面積をもつ複数の部材で構成されていることを特徴とする請求項４記載の燃料噴射装置。
- 前記複数の圧力室ごとに前記伝達部材は受圧面を有することを特徴とする請求項４記載の燃料噴射装置。
- 前記複数の圧力室を前記伝達部材と同軸上に形成していることを特徴とする請求項６記載の燃料噴射装置。
- 前記複数の圧力室のいずれかまたは複数に前記複数の付勢手段をそれぞれ配設していることを特徴とする請求項６または７記載の燃料噴射装置。
- 前記弁部材が前記弁座に着座しているとき、噴孔閉塞方向に向け前記複数の圧力室から燃料圧力を受ける前記弁部材の受圧面積は噴孔開放方向に燃料圧力を受ける前記弁部材の受圧面積より大きく、前記弁部材が前記弁座から離座すると、噴孔閉塞方向に向け前記複数の圧力室の圧力を受ける前記弁部材の受圧面積から燃料圧力の低下した圧力室に面する前記弁部材の受圧面の受圧面積を引いた受圧面積は噴孔開放方向に燃料圧力を受ける前記弁部材の受圧面積より小さくなることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の燃料噴射装置。
- 前記複数の可動部材は、電気的に駆動されることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項記載の燃料噴射装置。
- 前記複数の圧力室はそれぞれ低圧側と連通可能な燃料通路を有し、各可動部材が各燃料通路を開閉することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項記載の燃料噴射装置。
- 前記制御手段は、エンジン運転条件が低速から中速あるいは低負荷から中負荷域では前記弁部材のリフトを前記第１リフト量、または小さなリフト量とし、高速または高負荷時には前記弁部材のリフトを前記第１リフト量と第２リフト量との和以上にすることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項記載の燃料噴射装置。
- 前記制御手段は、エンジン運転状態が低速から高速または低負荷から高負荷に切り替わるとき、あるいはエンジン運転状態が高速から低速または高負荷から低負荷に切り替わるとき、燃料噴射期間中に前記弁部材のリフト量を段階的に切り替えることを特徴とする請求項１２記載の料噴射装置。
- エンジンの運転状態が切り替わるとき、前記制御手段は、エンジンの一行程毎に最適な噴射回数に制御し、燃料噴射毎に前記弁部材を最適なリフト状態にし、最適な噴射期間で燃料を噴射制御することを特徴とする請求項１２または１３記載の燃料噴射装置。
- 前記制御手段は、エンジン運転全域において最適な噴射回数で、かつ最適な前記弁部材のリフト状態で燃料を噴射制御することを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項記載の燃料噴射装置。
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