JP4178537B2 - 燃料噴射装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料噴射装置に関し、特に気筒の内部へ燃料を直接噴射する内燃機関において燃料の噴射を段階的に制御する燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ディーゼル機関では排出物（ＮＯｘ、ＨＣ、黒煙）の低減および高出力かつ低燃費という要求を両立するため、機関の運転条件に応じて噴射率を可変にすることが要求されている。この要求を実現するため、従来技術としてニードル弁を段階的に付勢する２段開弁圧ノズルが公知となっている。
しかし、燃料噴射ポンプから圧送される燃料の圧力は機関の運転状態によって変動するため、上記の従来技術では機関が要求する噴射率を全ての運転条件において満足することは困難である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、例えば米国特許５，６９４，９０３号に開示されているように、制御室を設け、制御室内の燃料の圧力によりニードル弁を噴孔閉塞方向に付勢する燃料噴射装置が公知である。この燃料噴射装置では、ノズルの燃料溜まりに導入される燃料の圧力によりニードル弁が噴孔を開放する方向に受ける力と、制御室内の燃料圧力によりニードル弁が噴孔閉塞方向に受ける力とを制御することにより燃料の噴射を制御している。
【０００４】
制御室内の燃料の圧力は、制御室から低圧側への流路の開口面積を可変とすることにより制御されている。制御室内の燃料の圧力が変化することにより、ニードル弁を噴孔閉塞方向へ付勢する燃料の圧力による力が可変となる。ニードル弁を噴孔開放方向へ付勢する力が噴孔閉塞方向へ付勢する力よりも大きくなると、ニードル弁は段階的にリフトする。これにより、噴孔から噴射される燃料の噴射率が可変となる。
【０００５】
しかしながら、米国特許５，６９４，９０３号に開示されるような従来の燃料噴射装置では、制御室内の燃料の圧力は制御室から低圧側への流路の開口面積、燃料の物性あるいは燃料の温度などにより変化し一定ではないため、ニードルのリフトは不安定となる。その結果、機関の運転状態に応じた燃料の噴射の制御は困難であるという問題がある。
【０００６】
また、例えば特開平１０−５４３２号公報に開示されている燃料噴射弁では、液圧式の作業室に接続されている低圧力通路を開閉制御することにより、ニードル弁の第１リフト量を規制する構成としている。
しかしながら、特開平１０−５４３２５号公報に開示されている燃料噴射弁では、別構成としての低圧液圧圧力源が必要となり、コストが増大するという問題がある。さらに、液体の弾性変形による圧力上昇によってニードルの閉弁方向の力が発生するため、噴射される燃料の圧力によってニードルが停止する位置が異なる。その結果、正確なリフト量の制御は困難となり、機関の運転状態に応じた燃料の噴射の制御は困難であるという問題がある。
【０００７】
そこで本発明の目的は、機関の運転状態に応じて燃料の噴射を制御し、機関からのＮＯｘ、黒煙あるいはＨＣなど有害物質の排出を低減し、かつ機関の燃費および出力を向上する燃料噴射装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１、２、４、７から１０のいずれか記載の燃料噴射装置によると、流量調節手段の第１絞り部、第２絞り部および第３絞り部を直列に配設することにより、第１圧力室および第２圧力室の内部の燃料の圧力は圧力制御手段の弁部材により制御される。弁部材は、駆動部により弁座部との間の流路面積が可変となるように段階的に制御されている。弁部材が弁座部との間の流路面積を可変とすることにより、第１圧力室からバルブ室へ連通する通路の開口部の開口面積が変化する。そのため、開口部から低圧側通路へ排出される燃料の流量が変化し、第１圧力室および第２圧力室の燃料の圧力を制御することができる。第１圧力室および第２圧力室の燃料の圧力が制御されることにより、第１ピストンおよび第２ピストンをニードル弁方向へ付勢する力が変化する。ニードル弁は、第１ピストンおよび第２ピストンを介してニードル弁を噴孔閉塞方向へ付勢する力とニードル弁を噴孔開放方向へ付勢する力とがつり合った位置までリフトする。
【０００９】
したがって、機関の運転状態に応じて圧力制御手段の駆動部が弁部材を駆動する力を制御することにより、ニードル弁のリフト量が可変となるので、機関から排出されるＮＯｘ、黒煙あるいはＨＣなど有害物質を低減でき、かつ機関の燃費および出力を向上することができる。
【００１０】
また、第１圧力室および第２圧力室の燃料は、噴孔から噴射される燃料が供給される高圧燃料通路から供給される。そのため、第１ピストンおよび第２ピストンは高圧燃料通路から供給される高圧の燃料により駆動される。したがって、ニードル弁制御手段を駆動するための圧力源を別構成として必要とせず、燃料噴射装置のコストを低減することができる。
【００１１】
本発明の請求項１または３記載の燃料噴射装置によると、駆動部は弁部材を第１リフト状態または第２リフト状態のいずれかに制御可能である。第２リフト状態のとき開口部の開口面積は、第１リフト状態のときよりも大きくなる。そのため、第１圧力室からバルブ室へ流入する燃料の流量が可変となる。したがって、弁部材のリフト量に応じて第１圧力室および第２圧力室の燃料の圧力を制御することができる。
【００１２】
本発明の請求項５または６記載の燃料噴射装置によると、弁部材が第１リフト状態のとき、開口部の開口面積は第３絞り部の流路面積よりも小さく、第２リフト状態のとき、開口部の開口面積は第３絞り部の流路面積よりも大きくなる。そのため、第３絞り部および開口部の開口面積の関係に基づいて、第１圧力室および第２圧力室の燃料の圧力を制御することができる。
【００１３】
本発明の請求項１１記載の燃料噴射装置によると、弁部材は第３絞り部を開閉制御する。そのため、絞り効果は第３絞り部の絞り効果に弁部材のリフト量に応じた絞り効果を加えたものとなる。
本発明の請求項１２記載の燃料噴射装置によると、弁部材は低圧側通路を開閉制御する。そのため、弁部材が第１圧力室からバルブ室へ流入する燃料により受ける力が低減される。その結果、弁部材を付勢する第１付勢手段および第２付勢手段の付勢力を低減することができる。したがって、弁部材を駆動する駆動部の駆動力を低減でき、例えば電磁駆動により弁部材を駆動する場合、コイルなどに印加すべき電流値を小さくすることができる。
【００１４】
本発明の請求項１３記載の燃料噴射装置によると、駆動部はコイルを有している。そのため、コイルに印加する電流値を制御することにより弁部材の移動量を制御することができる。
本発明の請求項１４記載の燃料噴射装置によると、駆動部は圧電素子または磁歪素子を有している。そのため、圧電素子に印加する電流値または電圧値を制御することにより弁部材の移動量を制御することができる。また、圧電素子は電流値または電圧値の変化に対する応答性が高いため、弁部材の制御ならびにニードル弁の制御を迅速に行うことができる。そのため、ニードル弁のリフト時の応答性を向上することができる。
【００１５】
【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面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としてのインジェクタを図１、図２および図３に示す。
第１実施例によるインジェクタ１は、図示しないコモンレールから供給される高圧の燃料をディーゼル機関の各気筒へ直接噴射する。
【００１６】
インジェクタ１は高圧の燃料によって駆動される。高圧の燃料は機関の回転数および負荷、ならびに燃料、空気および冷却水の温度または圧力などに応じて図示しない燃料噴射ポンプにより加圧され、図示しないコモンレールに蓄圧状態で蓄えられている。
インジェクタ１は、ノズルボディ１０、ニードル弁２０、ハウジング３０、ニードル弁制御手段４０および圧力制御手段５０を備えている。
【００１７】
ノズルボディ１０は略円筒形状に形成され、先端近傍に噴孔１１が形成されている。ノズルボディ１０の内周側には、ニードル弁２０が軸方向へ移動可能に収容されている。ノズルボディ１０には燃料溜まり１２が形成されており、燃料溜まり１２にはハウジング３０の高圧燃料通路３１から供給された燃料が蓄えられる。
【００１８】
ニードル弁２０は、ノズルボディ１０に配設されている弁座部１３に着座可能な当接部２１を有している。当接部２１が弁座部１３に着座することにより噴孔１１からの燃料の噴射が遮断され、当接部２１が弁座部１３から離座することにより噴孔１１から燃料が噴射される。ニードル弁２０は、小径部２２および大径部２３を有している。小径部２２はノズルボディ１０との間に燃料通路２４を形成している。燃料通路２４は燃料溜まり１２から噴孔１１へ供給される燃料が流通する。大径部２３は、ノズルボディ１０の内周面１０ａと摺動可能である。
【００１９】
ハウジング３０は、リテーニングナット２によりチップパッキン３を介してノズルボディ１０と一体に接続されている。ハウジング３０には、コモンレールに接続されている高圧燃料通路３１および燃料通路３２が形成されている。燃料通路３２は、チップパッキン３に形成されている燃料通路３３を経由してノズルボディ１０の燃料溜まり１２に接続されている燃料通路１４と接続されている。ハウジング３０の内部には、ニードル弁制御手段４０およびスプリング３４が収容されている。スプリング３４は、ハウジング３０の内部に形成されているスプリング収容室３０ａに配設され、ロッド３５を介してニードル弁２０を噴孔閉塞方向へ付勢している。
【００２０】
ニードル弁制御手段４０は、第１ピストン４１、第２ピストン４２およびシリンダ４３から構成されている。第１ピストン４１は、ハウジング３０の内周側に軸方向へ摺動可能に収容されている。第１ピストン４１の噴孔側の端部はロッド３５に当接可能であり、反噴孔側の端部は第２ピストン４２に当接可能である。
第２ピストン４２はシリンダ４３の内周側に軸方向へ摺動可能に収容されている。第２ピストン４２の噴孔側の端部は第１ピストン４１に当接可能である。第２ピストン４２の内部には燃料流路４２１が形成されている。
【００２１】
シリンダ４３は、第１シリンダ４３１および第２シリンダ４３２から構成されている。第１シリンダ４３１には、高圧燃料通路３１と接続されている燃料流路４３１ａが形成されている。
第１ピストン４１の反噴孔側の面、第２シリンダ４３２の内周面、ならびに第２ピストン４２の噴孔側の面から第１圧力室４４が形成されている。第１圧力室４４には、第２ピストン４２の燃料流路４２１および燃料流路４５が連通している。
【００２２】
第１シリンダ４３１の内周面、第２ピストン４２の反噴孔側の面、ならびに後述する圧力制御手段５０のバルブプレート５１の噴孔側の面から第２圧力室４６が形成されている。第２圧力室４６には、燃料流路４３１ａおよび第２ピストン４２の燃料流路４２１が連通している。
燃料流路４３１ａと高圧燃料通路３１との間には、第１絞り部としての第１入口絞り４７が配設されており、燃料流路４３１ａから第２圧力室４６へ流入する燃料の流量を規制している。また、第２ピストン４２の燃料流路４２１と第１圧力室４４との間には、第２絞り部としての第２入口絞り４８が配設されており、第２圧力室４６から燃料流路４２１を経由して第１圧力室４４へ流入する燃料の流量を規制している。
【００２３】
圧力制御手段５０は、ニードル弁制御手段４０の反噴孔側に配設されている。圧力制御手段５０は、バルブプレート５１、弁部材５２、弁ボディ５３、駆動部５４および付勢手段５５から構成されている。
弁部材５２は、バルブプレート５１に形成されている弁座部５１ａに着座可能である。弁部材５２の噴孔側の端部には当接部材５２１が配設され、バルブプレート５１に形成されている開口部５１１を開閉する。弁部材５２はアーマチャ５２２と一体に形成されている。
【００２４】
弁ボディ５３は、内部に弁部材５２を軸方向へ摺動可能に収容している。弁ボディ５３は大径部５３ａを有しており、この大径部５３ａの内周面とバルブプレート５１の弁ボディ側の面からバルブ室５６が形成されている。弁ボディ５３には低圧開口部５３１が形成されている。そのため、バルブ室５６は燃料流路４５および低圧通路５７へ連通している。
【００２５】
駆動部５４は、コイル５４１およびコア５４２を有している。コイル５４１へ電流が印加されることによりコア５４２に電磁吸引力が発生する。発生した電磁吸引力により、アーマチャ５２２はコア５４２方向へ吸引され、アーマチャ５２２とともに弁部材５２が駆動される。
【００２６】
付勢手段５５は、第１付勢手段としての第１スプリング５５１および第２付勢手段としての第２スプリング５５２を有している。第１スプリング５５１は一方の端部がアーマチャ５２２に当接し、他方の端部がストッパ５８に当接している。第２スプリング５５２は一方の端部がストッパ５８に当接し、他方の端部がストッパ５９に当接している。第１スプリング５５１および第２スプリング５５２は、当接部材５２１が弁座部５１ａに着座するように弁部材５２をバルブプレート方向へ付勢している。
【００２７】
コイル５４１に印加される電流値が小さくコア５４２に発生する電磁吸引力が小さいとき、第１スプリング５５１のみが圧縮され、弁部材５２は弁部材５２の端部５２ａとストッパ５８とが当接する位置まで移動される。コイル５４１に印加される電流値が大きくなりコア５４２に発生する電磁吸引力が大きくなると、第１スプリング５５１に加え第２スプリング５５２も圧縮され、ストッパ５８とストッパ５９とが当接するまで弁部材５２はさらに移動する。
【００２８】
バルブプレート５１には、燃料流路４５を経由して第１圧力室４４と連通する燃料流路５１２が形成されている。燃料流路５１２とバルブ室５６との連通部が開口部５１１となる。また、燃料流路５１２には第３絞り部としての出口絞り５１２ａが配設され、燃料流路５１２からバルブ室５６へ流入する燃料の流量を制御している。
バルブプレート５１には低圧燃料通路５１３が形成され、この低圧燃料通路５１３は低圧側燃料通路７０に接続されている。低圧側燃料通路７０は、圧力制御手段５０およびニードル弁制御手段４０で余剰となった燃料を図示しない燃料タンクへと還流する。
【００２９】
流量調節手段は、上記の第１入口絞り４７、第２入口絞り４８および出口絞り５１２ａにより構成されている。流量調節手段は、インジェクタ１へ燃料を供給する高圧燃料通路３１とインジェクタ１から燃料が排出される低圧側燃料通路７０との間に直列に配設されている。第１入口絞り４７は、高圧燃料通路３１と第２圧力室４６とを接続する燃料流路４３１ａに配設されている。第２入口絞り４８は、第２圧力室４６と第１圧力室４４とを接続する第２ピストン４２の燃料流路４２１に配設されている。出口絞り５１２ａは、第１圧力室４４とバルブ室５６とを接続する燃料流路５１２に配設されている。また、出口絞り５１２ａはバルブプレート５１に配設されている。
【００３０】
次に、圧力制御手段５０の弁部材５２の作動について説明する。
図２に示すように、コイル５４１に電流が印加されていない状態のとき、第１スプリング５５１および第２スプリング５５２の付勢力により弁部材５２の当接部材５２１はバルブプレート５１の弁座部５１ａに着座している。
【００３１】
コイル５４１に第１電流値が印加されると、第１スプリング５５１の付勢力に抗してアーマチャ５２２が吸引され、ストッパ５８と弁部材５２の端部５２ａとが当接する位置まで弁部材５２は移動する。この状態が図３に示すような第１リフト状態である。このとき、弁部材５２に第２スプリング５５２の付勢力が加わるため、コア５４２に発生する電磁吸引力と第１スプリング５５１および第２スプリング５５２の付勢力の和とがつり合い、弁部材５２はリフトＨ１の位置で停止する。
【００３２】
コイル５４１に第１電流値よりも大きな第２電流値が印加されると、弁部材５２を吸引する電磁吸引力が大きくなり、第１スプリング５５１および第２スプリング５５２の付勢力の和に抗して弁部材５２は上昇する。そして、図１に示すようにアーマチャ５２２とコア５４２とが当接する位置で停止する。これが第２リフト状態であり、弁部材５２は最大リフト量Ｈ１＋Ｈ２となる。
【００３３】
次に、上記構成のインジェクタ１の作動について説明する。
図示しないエンジン制御装置（ＥＣＵ）から機関の運転条件に応じた駆動電流がコイル５４１へ印加される。駆動電流が印加されることによりコア５４２に電磁吸引力が発生し、アーマチャ５２２はコア５４２に吸引され弁部材５２が移動する。
【００３４】
図３に示すように弁部材５２がリフト量Ｈ１の第１リフト状態のとき、弁部材５２はバルブプレート５１の弁座部５１ａから離座する。このとき、バルブプレート５１の開口部５１１の開口面積は出口絞り５１２ａの流路面積以下となるように設定されている。弁部材５２がバルブプレート５１から離座することにより、燃料流路５１２とバルブ室５６とは連通する。
【００３５】
したがって、第１入口絞り４７、第２入口絞り４８、ならびに弁部材５２により有効流路面積を減じた出口絞り５１２ａの面積の関係によって、第１圧力室４４内の燃料の圧力Ｐｒ１、第２圧力室４６内の燃料の圧力Ｐｒ２、ならびに図示しないコモンレール内の圧力Ｐｃの圧力がそれぞれ決定される。つまり、Ｐｒ１＜Ｐｒ２＜Ｐｃの関係となるように圧力比が設定される。
【００３６】
ニードル弁２０が弁座部１３に着座しているとき、ニードル弁２０の受圧面積と燃料溜まり１２の内部の圧力（Ｐｃに等しい）との積と、スプリング３４の付勢力との和が、第１ピストン４１の断面積と第１圧力室４４の燃料の圧力との積より大きくなると、ニードル弁２０は開弁を開始する。ニードル弁２０がリフトすると、ニードル弁２０と協働する第１ピストン４１は第２ピストン４２の下端面に当接する。このとき、第２圧力室４６の圧力は十分高く、かつ第２ピストン４２の断面積が第１ピストン４１より大きく設定されている。そのため、図３の上向きに作用する力は、ニードル弁２０の大径部２３の断面積と燃料溜まり１２内部の燃料の圧力Ｐｃとの積と、第２ピストン４２の断面積と第１圧力室４４内の燃料の圧力Ｐｒ１との積との和となる。一方、図３の下向きに作用する力は、スプリング３４の付勢力、第１ピストン４１の断面積と第１圧力室４４の燃料の圧力Ｐｒ１との積、ならびに第２ピストン４２の断面積と第２圧力室４６の燃料の圧力Ｐｒ２との積の和となる。このとき、図３の上向きに作用する力と下向きに作用する力はつり合い、ニードル弁２０はリフト量がｈ１となる位置で停止する。
【００３７】
ノズルボディ１０に形成されている噴孔１１を、ニードル弁２０のリフトにしたがって噴孔１１の開口面積が変化する、あるいは開口する噴孔１１の数が変化するような形態とすると、ニードル弁２０のリフト量がｈ１と小さいとき、低噴射率および到達距離の小さい噴霧となる。
【００３８】
ＥＣＵからコイル５４１に印加される駆動電流が大きくなると、コア５４２に発生する電磁吸引力が増大し、第１スプリング５５１と第２スプリング５５２との付勢力の和よりも大きくなる。そのため、弁部材５２は第１リフト状態のリフト量Ｈ１に加えリフト量Ｈ２まで上昇し、ストッパ５９に当接して停止する。このとき、第２リフト状態となりリフト量はＨ１＋Ｈ２となる。
【００３９】
この状態では、弁部材５２が出口絞り５１２ａを開口する面積は出口絞り５１２ａの流路面積よりも大きくなる。そして、燃料流路５１２からバルブ室５６への流路面積は出口絞り５１２ａの流路面積とほぼ等しくなる。この結果、第１圧力室４４の燃料の圧力Ｐｒ１、第２圧力室４６の燃料の圧力Ｐｒ２とコモンレール内の燃料の圧力Ｐｃとの間の圧力差は拡大する。そのため、燃料溜まり１２の燃料の圧力によりニードル弁２０を開弁方向へ付勢する力は、第１リフト状態のリフト量Ｈ１に保持しようとする第１圧力室４４および第２圧力室４６の燃料の圧力により第１ピストン４１および第２ピストン４２を介してニードル弁２０を閉弁方向へ付勢する力よりも大きくなる。したがって、ニードル弁２０はリフト量が増大し、最大リフト量であるｈ２まで上昇し停止する。ノズルボディ１０の噴孔１１を上記のような可変方式のものとすることにより、噴射率が増大し噴霧到達距離が拡大される。
【００４０】
所定の時間が経過しコイル５４１への駆動電流の供給が停止されると、弁部材５２が下降し、当接部材５２１がバルブプレート５１の弁座部５１ａに着座する。開口部５１１が閉塞されると、燃料流路５１２から低圧通路５７への燃料の流れは停止される。燃料の流れが停止されると、第１圧力室４４および第２圧力室４６の燃料の圧力Ｐｒ１およびＰｒ２は上昇する。そのため、第１ピストン４１および第２ピストン４２を閉弁方向へ付勢する力がニードル弁２０を開弁方向へ付勢する力よりも大きくなる。これにより、ニードル弁２０は弁座部１３に着座し、燃料の噴射は終了する。
【００４１】
次に、流量調節手段の設定について説明する。
インジェクタ１のニードル弁制御手段４０内の燃料の流れを第１入口絞りｉ１部、第２入口絞りｉ２部、ならびに出口絞りｏ部で絞られる三重絞りの流れとする。この場合、出口絞りと弁部材の開弁状態に応じた絞り効果とをあわせて出口絞りとしている。
【００４２】
第１入口絞りｉ１部の流量率
Ｑｉ１＝μｉ１×Ａｉ１｛２（Ｐｃ−Ｐｒ２）／ρ｝^1/2 式（１）
第２入口絞りｉ２部の流量率
Ｑｉ２＝μｉ２×Ａｉ２｛２（Ｐｒ２−Ｐｒ１）／ρ｝^1/2 式（２）
出口絞りｏ部の流量率
Ｑｏ=μｏ×Ａｏ｛２（Ｐｒ１−Ｐｚ）／ρ｝^1/2 式（３）
【００４３】
上記の式において、Ｐは圧力、Ａは面積、Ｖは容積、μは流量係数、ρは燃料密度を示している。また、各添字は、ｃがコモンレール、ｒ１が第１圧力室、ｒ２が第２圧力室、ｚが開放された大気圧部、ｉ１が第１入口絞り、ｉ２が第２入口絞り、ならびにｏが出口絞りを示している。なお、ＰｃとＰｚは一定である。
【００４４】
上記の式（１）、（２）および（３）より、Ｑｉ１＝Ｑｉ２＝Ｑｏであるから、
μｉ１×Ａｉ１｛２（Ｐｃ−Ｐｒ２）／ρ｝^1/2
＝μｉ２×Ａｉ２｛２（Ｐｒ２−Ｐｒ１）／ρ｝^1/2 式（４）
μｉ２×Ａｉ２｛２（Ｐｒ２−Ｐｒ１）／ρ｝^1/2
＝μｏ×Ａｏ｛２（Ｐｒ１−Ｐｚ）／ρ｝^1/2 式（５）
μｉ１×Ａｉ１｛２（Ｐｃ−Ｐｒ２）／ρ｝^1/2
＝μｏ×Ａｏ｛２（Ｐｒ１−Ｐｚ）／ρ｝^1/2 式（６）
となる。流量係数はオリフィス形状により同一であると仮定できるので、
【００４５】
μｉ１＝μｉ２＝μｏ 式(７)
となる。上記の式（４）より、
Ａｉ１｛２（Ｐｃ−Ｐｒ２）／ρ｝^1/2
＝Ａｉ２｛２（Ｐｒ２−Ｐｒ１）／ρ｝^1/2
よって、
（Ａｉ１／Ａｉ２）²（Ｐｃ−Ｐｒ２）＝Ｐｒ２−Ｐｒ１
となる。ここで、
（Ａｉ１／Ａｉ２）²＝Ｃ₁ 式（８）
とすると、
Ｃ₁（Ｐｃ−Ｐｒ２）＝Ｐｒ２−Ｐｒ１
となる。よって、
Ｐｒ２＝（Ｃ₁Ｐｃ＋Ｐｒ１）／（１＋Ｃ₁） 式（９）
となる。
【００４６】
同様に式（５）から、
Ａｉ２｛２（Ｐｒ２−Ｐｒ１）／ρ｝^1/2
＝Ａｏ｛２（Ｐｒ１−Ｐｚ）／ρ｝^1/2
よって、
（Ａｉ２／Ａｏ）²（Ｐｒ２−Ｐｒ１）＝Ｐｒ１−Ｐｚ
となる。ここで、
（Ａｉ２／Ａｏ）²＝Ｃ₂ 式（１０）
とすると、
Ｃ₂（Ｐｒ２−Ｐｒ１）＝Ｐｒ１−Ｐｚ
となる。よって、
Ｐｒ１＝（Ｃ₂Ｐｒ２＋Ｐｚ）／（１＋Ｃ₂） 式（１１）
となる。
【００４７】
同様に式（６）から、
Ａｉ１｛２（Ｐｃ−Ｐｒ２）／ρ｝^1/2
＝Ａｏ｛２（Ｐｒ１−Ｐｚ）／ρ｝^1/2
よって、
（Ａｉ１／Ａｏ）²（Ｐｃ−Ｐｒ２）＝Ｐｒ１−Ｐｚ
となる。ここで、
（Ａｉ１／Ａｏ）²＝Ｃ₃ 式（１２）
とすると、
Ｃ₃（Ｐｃ−Ｐｒ２）＝Ｐｒ１−Ｐｚ 式（１３）となる。
【００４８】
式（１３）に式（９）を代入すると、
Ｃ₃｛Ｐｃ−（Ｃ₁Ｐｃ＋Ｐｒ１）／（１＋Ｃ₁）｝＝Ｐｒ１−Ｐｚ
となる。よって、
Ｃ₃｛１−Ｃ₁／（１＋Ｃ₁）｝Ｐｃ
＝Ｐｒ１｛１＋Ｃ₃／（１＋Ｃ₁）｝−Ｐｚ 式（１４）
となる。また、式（１１）を代入すると、
Ｃ₃（Ｐｃ−Ｐｓｒ２）＝（Ｃ₂Ｐｒ２＋Ｐｚ）／（１＋Ｃ₂）−Ｐｚ
となり、
Ｃ₃Ｐｃ＝Ｐｒ２｛Ｃ₃＋Ｃ₂／（１＋Ｃ₂）｝−Ｐｚ｛１−１／（１＋Ｃ₂）｝
式（１５）となる。
【００４９】
ここで、背圧Ｐｚ＝０と近似すると、式（１４）および式（１５）は、
Ｃ₃｛１−Ｃ₁／（１＋Ｃ₁）｝Ｐｃ
＝Ｐｒ１｛１＋Ｃ₃／（１＋Ｃ₁）｝ 式（１６）
であるから、
Ｃ₃Ｐｃ＝Ｐｒ２｛Ｃ₃＋Ｃ₂／（１＋Ｃ₂）｝ 式（１７）
となる。さらに、式（１６）および式（１７）は、
Ｐｒ１／Ｐｃ
＝Ｃ₃｛１−Ｃ₁／（１＋Ｃ₁）｝／｛１＋Ｃ₃／（１＋Ｃ₁）｝ 式（１８）
Ｐｒ２／Ｐｃ＝Ｃ₃／｛Ｃ₃＋Ｃ₂／（１＋Ｃ₂）｝ 式（１９）
となる。式（１８）および式（１９）より、第１圧力室４４および第２圧力室４６の燃料の圧力は、コモンレールの燃料の圧力Ｐｃと第１入口絞り４７、第２入口絞り４８および出口絞り５１２ａの３つの絞りの面積Ａｉ１、Ａｉ２およびＡｏによって決定されることになる。すなわち、圧力の比を各絞りの面積を組み合わせることで一定に保持可能であることを示している。
【００５０】
そして、閉弁速度を維持する圧力を確保するため、入口側の絞りの面積を所定値以上にすることにより、燃料の圧力Ｐｒ１を迅速に上昇させるための入口側の絞りが決定される。また、第１リフト状態のときのＰｒ１を決定する第１リフト状態のときの開口部５１１の開口面積、ならびに第２リフト状態のときの燃料の圧力Ｐｒ２を決定する第２リフト状態のときの開口部５１１の開口面積Ａｏ２、Ａｉ１およびＡｉ２の値が決定される。したがって、要求される弁部材５２のリフト量、ならびに弁座部５１ａの開口部５１１の径を決定可能である。
【００５１】
また、第１圧力室４４および第２圧力室４６の圧力比Ｐｒ１／Ｐｒ２は、式（１１）においてＰｚ＝０とすると、
Ｐｒ１＝（Ｃ₂ＰＲ２）／（１＋Ｃ₂）
Ｐｒ１／Ｐｒ２＝Ｃ₂／（１＋Ｃ₂） 式（２０）
で示される。Ｃ₂すなわち第２入口絞り４８と出口絞り５１２ａの面積比の二乗（Ａｉ２／Ａｏ）²で決定される。
【００５２】
次に、インジェクタ１の開弁時のリフト条件を算出する。
まず、受圧面積を定義する。閉弁時におけるニードル弁２０の受圧面積をＡｓ＝ｄｓ²π／４、開弁時のニードル弁２０の受圧面積をＡｇ＝ｄｇ²π／４、第１ピストン４１の受圧面積をＡｒ１＝ｄｒ１²π／４、第２ピストン４２の受圧面積をＡｒ２＝ｄｒ２²π／４、第１リフト状態のときの第２ピストン４２上昇方向への受圧面積をＡｒ２−Ａｒ１とする。
【００５３】
最初に、閉弁状態から開弁するために要する圧力比Ｐｒ１／Ｐｃを求める。
第１圧力室４４の燃料の圧力Ｐｒ１と燃料溜まり１２内部の燃料の圧力Ｐｄ＝Ｐｃとがニードル弁２０の開閉に関係する。安定となるための条件は、
Ｐｃ・Ａｓ＝Ｐｒ１・Ａｒ１＋Ｆｏ
であり、左辺が大きくなると開弁する。
【００５４】
Ｐｃ・Ａｓ≧Ｐｒ１・Ａｒ１＋Ｆｏ
両辺をＰｃ・Ａｒ１で除し、左右両辺を入れ替えると、
Ｐｒ１／Ｐｃ≦Ａｓ／Ａｒ１−Ｆｏ／（Ｐｃ・Ａｒ１）
が成立するとき、ニードル弁２０は開弁することになる。
【００５５】
次に、第１リフト状態のときにニードル弁２０が停止する条件を考えると、
Ｐｒ１・Ａｒ１＋Ｆｓ１≦Ｐｃ・Ａｇ≦Ｐｒ２・Ａｒ２−Ｐｒ１（Ａｒ２−Ａｒ１）＋Ｆｓ１
となる。最後に第２リフト状態までの力を求めると、
Ｐｃ・Ａｇ≧Ｆｓ２＋Ｐｒ２・Ａｒ２−Ｐｒ１（Ａｒ２−Ａｒ１）
となる。
【００５６】
以上のように第１入口絞り４７、第２入口絞り４８、および出口絞り５１２ａと弁部材５２の開弁状態による絞り効果とをあわせた出口絞りの面積関係、第１ピストン４１、第２ピストン４２およびニードル弁２０の開閉時における受圧面積、ならびにスプリング３４の設定荷重を決定することにより、ニードル弁２０のリフト量が段階的に制御される。
【００５７】
第１実施例では、直列する第１入口絞り４７、第２入口絞り４８および出口絞り５１２ａにより燃料の流量を調整し、出口絞り５１２ａの開口面積を弁部材５２で可変となるように制御している。これにより、第１ピストン４１および第２ピストン４２の移動量、ならびにニードル弁２０のリフト量を段階的に制御できる。そのため、ディーゼル機関の運転状態に応じて、噴孔１１から噴射される燃料の噴射率または噴霧の形状などを可変とすることができる。したがって、ディーゼル機関からのＮＯｘ、黒煙あるいはＨＣなど有害物質の排出を低減でき、かつ燃費および出力を向上することができる。
【００５８】
また、第１圧力室４４および第２圧力室４６の燃料の圧力の制御は、弁部材５２を有する圧力制御手段５０により制御される。圧力制御手段５０は、単一の弁部材５２を駆動することにより、第１圧力室４４および第２圧力室４６の燃料の圧力を制御することができるので、圧力制御手段５０を簡単な構成とすることができ、製造コストが増大することがない。
【００５９】
第１実施例では、ニードル弁２０が２つのリフト状態になる場合について説明したが、コイル５４２に供給する電流値を制御することにより２段階に限らず多段階または連続的にリフトするように駆動することができる。
【００６０】
（第２実施例）
本発明の第２実施例によるインジェクタを図４に示す。第１実施例と実質的に同一の構成部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
第２実施例によるインジェクタは、弁部材５２が低圧通路５７の開口部５７ａを開閉する点で高圧通路の開口部を開閉する第１実施例と異なる。
【００６１】
第２実施例では、弁部材５２の外径と当接部材５２１の外径とを実質的に同一にすることができる。上記の構成とすることにより、高圧燃料の圧力は弁部材５２を閉弁する方向へ作用し、弁部材５２が閉弁時に受ける高圧燃料による開弁力をほぼ０とすることができる。
そのため、第１スプリング５５１の荷重を第１実施例における出口絞りの受圧面積と高圧の燃料の圧力との積に相当する力以上に設定する必要がない。その結果、電磁吸引力を低減することができ、コイル５４１に印加すべき電流値を低減することができる。
【００６２】
また、出口絞り５１２ａの径を大きくすることができるため、第１圧力室４４および第２圧力室４６の圧力を短時間で減圧または増圧することができる。その結果、第１入口絞り４７、第２入口絞り４８および出口絞り５１２ａの組合わせの範囲が広がり、大きな製造公差を確保することができる。
【００６３】
（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５に示す。第１実施例と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第３実施例によるインジェクタ１００では、弁部材１０１の駆動力として例えばピエゾ素子などの圧電素子１０２を用いる点でコイルを用いる第１実施例と異なる。また、弁部材１０１が開閉するのは第２実施例と同様に低圧通路１０３の開口部１０３ａである。
【００６４】
圧電素子１０２には図示しないＥＣＵにより電圧が供給され、供給された電圧に応じて圧電素子１０２はニードル弁２０の軸方向の長さが変化する。圧電素子１０２は、カバー１０４に反噴孔側の端部が固定されている。そのため、全長が変化すると、第１油圧ピストン１０５の軸方向に力が加えられる。第１油圧ピストン１０５は、スプリング１０６により図５の上方へ付勢され、圧電素子１０２の動きに追随するように設定されている。圧電素子１０２に電圧が供給されていない場合、弁部材１０１はカバー１０４に形成されている弁座部１０４ａに着座している。
【００６５】
油圧室１０７は、カバー１０４の内周面、第１油圧ピストン１０５の端面および第２油圧ピストン１０９の端面によって形成されている。第１油圧ピストン１０５が油圧室１０７の燃料を介して第２油圧ピストン１０９を押圧することにより、第１油圧ピストン１０５の断面積と第２油圧ピストン１０９の断面積との比の逆数に相当する力で第２油圧ピストン１０９は駆動される。
【００６６】
第２油圧ピストン１０９は、スプリング１１０によって上方に付勢され、ストッパ１１１によって上方への動きが規制されている。スプリング１１０は、カバー１０４の内周部１０４ａに配設されている。内周部１０４ａは、低圧燃料通路５１３を介して図示しない燃料タンクヘ連通している。
【００６７】
第２油圧ピストン１０９は、小径部１０９ａが適当な微小の間隔を置いて弁部材１０１に当接するように構成されている。内周部１０４ａは、弁部材１０１が下方に移動し開口部１０３ａを開放したとき、燃料流路５１２および出口絞り５１２ａを経由して第１圧力室４４に連通する。
【００６８】
第３実施例によると、圧電素子１０２に印加する電圧値を変更して弁部材１０１のリフト量を制御することにより、第１実施例と同様の作動をすることができる。
ニードル弁２０のリフト量をｈ１とするには、圧電素子１０２の変位量が小さくなるように電圧値を印加する。印加された電圧により圧電素子１０２が変位し、圧電素子１０２により押圧される第１油圧ピストン１０５が油圧室１０７の内部の燃料を加圧し、油圧室１０７の燃料の圧力が上昇し、スプリング１１０の付勢力よりも大きくなると、第２油圧ピストン１０９が図５の下方へ押し下げられる。第２油圧ピストン１０９が押し下げられると、第２油圧ピストン１０９の小径部１０９ａは弁部材１０１に当接し、弁部材１０１は弁座部１０４ａから離座し、弁部材１０１は出口絞り５１２ａと適当な絞り面積となるように開弁する。そして、弁部材１０１はバルブプレート５１とは当接しない位置で停止する。これにより、第１実施例と同様に第１圧力室４４および第２圧力室４６の燃料の圧力が制御される。さらに、第１ピストン４１が第２ピストン４２の下端面に当接して停止すると、ニードル弁２０のリフト量はｈ１となる。
【００６９】
次に、圧電素子１０２に印加される電圧値が増大され、第１油圧ピストン１０５により駆動される弁部材１０１がバルブプレート５１に当接すると、弁部材１０１は出口絞り５１２ａの面積以上の流路面積を形成するように低圧通路１０３の開口部１０３ａを開口する。これにより、第１圧力室４６および第２圧力室５１の圧力はさらに低下するため、第２ピストン４２は上昇し、ニードル弁２０のリフト量はｈ２となる。
【００７０】
第３実施例では、弁部材１０１を圧電素子１０２により駆動することにより、駆動時の弁部材１０１の応答性を向上することができる。したがって、ニードル弁２０が駆動するときの応答性を向上することができる。
【００７１】
（第４実施例）
本発明の第４実施例によるインジェクタを図６に示す。第３実施例と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第４実施例では、第３油圧ピストン１２０をバルブプレート５１に摺動自在に嵌挿している点で第３実施例と異なる。第３油圧ピストン１２０は、スプリング１２１により図６の上方すなわち弁部材１０１方向へ付勢されている。また、第３油圧ピストン１２０はバルブプレート５１とともに第２油圧室１２２を構成している。
【００７２】
第３油圧ピストン１２０は弁部材１０１と所定の距離Ｄ１を保持して対向しており、弁部材１０１が圧電素子１０２によって駆動されＤ１だけ移動すると、弁部材１０１は第３油圧ピストン１２０に当接する。弁部材１０１が圧電素子１０２により駆動されると、スプリング１２１の付勢力ならびに第２油圧室１２２の燃料の圧力による力によって弁部材１０１の移動を規制する。そのため、弁部材１０１の第１リフト状態のリフト量を正確に決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図２の要部を拡大した模式的な断面図であって、弁部材が第２リフト状態であるときを示す図である。
【図２】本発明の第１実施例による燃料噴射装置を示す模式的な断面図である。
【図３】図２の要部を拡大した模式的な断面図であって、弁部材が第１リフト状態であるときを示す図である。
【図４】本発明の第２実施例による燃料噴射装置を示す模式的な断面図である。
【図５】本発明の第３実施例による燃料噴射装置を示す模式的な断面図である。
【図６】本発明の第４実施例による燃料噴射装置を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１ インジェクタ（燃料噴射装置）
１０ ノズルボディ
１１ 噴孔
２０ ニードル弁
４０ ニードル弁制御手段
４１ 第１ピストン
４２ 第２ピストン
４４ 第１圧力室
４６ 第２圧力室
４７ 第１入口絞り（第１絞り部）
４８ 第２入口絞り（第２絞り部）
５０ 圧力制御手段
５１ バルブプレート
５１ａ 弁座部
５２ 弁部材
５３ 弁ボディ
５４ 駆動部
５５ 付勢手段
５６ バルブ室
７０ 低圧側燃料通路
５１２ａ 出口絞り（第３絞り部）
５４１ コイル
１００ インジェクタ
１０１ 弁部材
１０２ 圧電素子

Claims (14)

1. 燃料を噴射する噴孔が形成されているノズルボディと、
   前記ノズルボディの内部に軸方向へ移動可能に収容され、前記ノズルボディとの間に燃料流路を形成し、前記噴孔を開閉可能なニードル弁と、
   前記ニードル弁の反噴孔側に配設されている第１ピストン、前記第１ピストンの反噴孔側に配設され前記第１ピストンと当接可能な第２ピストン、前記第１ピストンの前記第２ピストン側に形成され前記第１ピストンを介して前記ニードル弁を噴孔閉塞方向へ付勢する燃料が蓄えられる第１圧力室、ならびに前記第２ピストンの反第１圧力室側に形成され前記噴孔へ燃料を供給する高圧燃料通路に連通し前記第２ピストンを前記第１ピストン方向へ付勢する燃料が蓄えられる第２圧力室を有するニードル弁制御手段と、
   前記ニードル弁制御手段の反噴孔側に配設され、往復移動可能な弁部材、前記弁部材が着座可能な弁座部、前記第１圧力室に連通する開口部および燃料が排出される低圧側通路に連通する低圧開口部を有し前記弁部材を収容しているバルブ室、前記バルブ室が形成されている弁ボディ、前記弁座部と前記弁部材との間の流路面積が可変となるように前記弁部材の移動量を段階的に駆動可能な駆動部、ならびに前記駆動部が前記弁部材を駆動する方向とは逆方向へ前記弁部材を付勢する付勢手段を有し、前記第１圧力室の圧力を制御可能な圧力制御手段と、
   前記高圧燃料通路と前記低圧側通路との間に直列に配設され、前記高圧燃料通路と前記第２圧力室との間に配設されている第１絞り部、前記第１圧力室と前記第２圧力室との間に配設されている第２絞り部、ならびに前記第１圧力室と前記バルブ室との間に配設されている第３絞り部を有する流量調節手段と、を備え、
   前記駆動部は、前記開口部の所定面積が開放される第１リフト状態、または前記第１リフト状態よりも前記開口部の開口面積が大きな第２リフト状態のいずれかに前記弁部材を制御可能であり、
   前記第１リフト状態は、前記第１絞り部、前記第２絞り部、前記第３絞り部、および所定面積が解放された前記開口部のそれぞれにおいて燃料の流路が絞られ、前記高圧燃料通路に充満する燃料が前記第２圧力室、前記第１圧力室、前記低圧側通路の順で段階的に低圧となるように圧力差を生じて前記低圧側通路へ流れ、前記高圧燃料通路の燃料の圧力により前記ニードル弁および前記第１ピストンが前記第１圧力室の燃料の圧力に抗して前記噴孔を開放する方向へリフトする状態であり、
   前記第２リフト状態は、前記第１絞り部、前記第２絞り部、および前記第３絞り部のそれぞれにおいて燃料の流路が絞られ、前記高圧燃料通路に充満する燃料が前記第２圧力室、前記第１圧力室、前記低圧側通路の順で段階的に低圧となり、かつ、前記第２圧力室の燃料の圧力が前記第１リフト状態に比べ低圧となるように圧力差を生じて前記低圧側通路へ流れ、前記高圧燃料通路の燃料の圧力により前記ニードル弁、前記第１ピストン、および前記第２ピストンが前記第１圧力室および前記第２圧力室の燃料の圧力に抗して前記噴孔をさらに開放する方向へリフトする状態であることを特徴とする燃料噴射装置。
2. 前記第１ピストンは、前記第１圧力室の燃料の圧力が低下すると反噴孔方向へ移動して前記第２ピストンと当接し、前記第２圧力室の燃料の圧力が低下すると当接している前記第２ピストンとともに反噴孔方向へ移動することを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
3. 前記付勢手段は、付勢力が前記第１リフト状態のときの前記駆動部の駆動力よりも小さな第１付勢手段と、前記第１リフト状態のときの駆動力よりも大きく前記第２リフト状態のときの駆動力よりも小さな第２付勢手段とを有す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。
4. 前記開口部は、前記弁部材が前記駆動部により駆動されることにより開放されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の燃料噴射装置。
5. 前記第３絞り部は、前記開口部と前記第１圧力室とを連通する通路の前記バルブ室側に配設され、前記弁部材が前記第１リフト状態のとき前記開口部の開口面積は前記第３絞り部の流路面積よりも小さく、前記弁部材が前記第２リフト状態のとき該 開口面積は前記第３絞り部の流路面積より大きくなることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の燃料噴射装置。
6. 前記第３絞り部は、前記弁部材が着座可能な弁座部が配設されているバルブプレートに形成されていることを特徴とする請求項５記載の燃料噴射装置。
7. 前記第１絞り部は、前記高圧燃料通路に配設されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の燃料噴射装置。
8. 前記第１絞り部は、内部に前記第２ピストンを摺動可能に収容するシリンダに形成されている請求項７記載の燃料噴射装置。
9. 前記第２圧力室と前記第１圧力室とは、燃料の流量を調節する前記第２絞り部を経由して接続されてい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。
10. 前記第２入口絞り部は、前記第２ピストンまたは前記シリンダに形成されていることを特徴とする請求項９記載の燃料噴射装置。
11. 前記弁部材は、前記第３絞り部を開閉制御可能に配設されてい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。
12. 前記弁部材は、前記低圧側通路を開閉制御可能に配設されてい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。
13. 前記駆動部は、前記弁部材を駆動するコイルを有していることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項記載の燃料噴射装置。
14. 前記駆動部は、前記弁部材を駆動する圧電素子または磁歪素子を有していることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項記載の燃料噴射装置。

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