JP4178731B2 - 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、内燃機関（以下、エンジンという）の燃料噴射装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ディーゼルエンジン等においては、厳しくなる排気ガス規制に対処する必要が生じており、排気ガス中に含まれる有害成分の低減を図るとともに、さらなる燃費の向上が望まれている。そこで、燃料噴射装置による燃料噴射を、時間的、空間的および質的に最適化することが望まれている。時間的には高精度な噴射率制御、空間的には広範囲の噴霧分布、質的には噴射燃料の微粒化がそれぞれ要求される。
【０００３】
このような燃料噴射の最適化を目的とした燃料噴射装置として、特開昭６１−１３５９７９号公報、特開昭６０−３６７７２号公報、特開平９−３２６８７号公報に開示される技術が知られている。
【０００４】
特開昭６１−１３５９７９号公報に開示されている燃料噴射装置を図６を参照して説明する。この燃料噴射装置１００は、第１噴孔１０１および第２噴孔１０２をそれぞれ開閉するための第１ノズル弁１０３および第２ノズル弁１０４を有する。
第１ノズル弁１０３および第２ノズル弁１０４は、第１スプリング１０５および第２スプリング１０６によって閉弁方向へ付勢されており、燃料供給圧から受ける力の釣合いにより、第１ノズル弁１０３および第２ノズル弁１０４が往復移動する。
【０００５】
特開昭６０−３６７７２号公報に開示されている燃料噴射装置を図７を参照して説明する。この燃料噴射装置１１０も、第１噴孔１１１および第２噴孔１１２をそれぞれ開閉する第１ノズル弁１１３および第２ノズル弁１１４を有する。
第１ノズル弁１１３は、第１スプリング１１５によって閉弁方向へ付勢されており、燃料供給圧から受ける力の釣合いにより、第１ノズル弁１１３が往復移動する。第２ノズル弁１１４は、第２スプリング１１６によって閉弁方向へ付勢されており、電磁コイル１１７が通電されるとその磁力によりリフトして第２噴孔１１２を開弁するものである。
【０００６】
特開平９−３２６８７号公報に開示されている燃料噴射装置を図８を参照して説明する。この燃料噴射装置１２０も、第１噴孔１２１および第２噴孔１２２をそれぞれ開閉する第１ノズル弁１２３および第２ノズル弁１２４を有するものであり、この第１ノズル弁１２３および第２ノズル弁１２４は、第１スプリング１２５および第２スプリング１２６によって閉弁方向へ付勢されている。
第１ノズル弁１２３は、その反噴孔側に圧力制御室１２７が配置され、その圧力制御室１２７の燃料圧力によっても閉弁方向の力を受ける。圧力制御室１２７の燃料圧力は、三方弁１２８を制御することにより増減する。第１ノズル弁１２３は、コモンレールから供給される燃料圧力から受ける力と、第１スプリング１２５の付勢力と、圧力制御室１２７から受ける力とのバランスにより往復移動する。
第２ノズル弁１２４は、第１ノズル弁１２３の内部に貫通配置されるものであり、第１ノズル弁１２３のリフト途中において、第１ノズル弁１２３の段差部１２３ａが第２ノズル弁１２４の段差部１２４ａに係止して、第１ノズル弁１２３とともにリフトするものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特開昭６１−１３５９７９号公報に開示されている燃料噴射装置１００では、第１ノズル弁１０３および第２ノズル弁１０４の開弁タイミングは、燃料噴射ポンプから供給される燃料供給圧から受ける力と、第１スプリング１０５および第２スプリング１０６の付勢力とのバランスにより決定されるので、燃料噴射時期を高精度に制御するのは困難であった。
また、第１ノズル弁１０３の開弁圧は、第２ノズル弁１０４の開弁圧よりも低く設定されているので、低い燃料供給圧で第１ノズル弁１０３が開くことになる。このため、初期噴射圧が低くなるので初期噴射時において燃料が良好に微粒化しない。
さらに、燃料供給圧の上昇とともに第１ノズル弁１０３および第２ノズル弁１０４がリフトするので、初期噴射率の上昇が穏やかである。このため、燃料噴射時間が長くなり、排気ガス中に煤等のパティキュレートが発生し易くなるという問題がある。
なお、第１ノズル弁１０３の開弁圧を上昇させることにより初期噴射圧を高くできるが、噴射期間が短縮されてしまうため、所望の噴射量が得られない、低回転域において燃料が噴射しない領域ができてしまう等の問題がある。
【０００８】
特開昭６０−３６７７２号公報に開示されている燃料噴射装置１１０は、エンジン負荷またはエンジン回転数等のエンジン運転状態に応じて第２ノズル弁１１４を往復移動させるものである。つまり、１回の燃料噴射期間中に電磁コイル１１７を通電制御するものではなく、第１ノズル弁１１３と第２ノズル弁１１４のリフト位置をずらせて燃料の初期噴射率を低減することを目的としていない。
１回の燃料噴射期間中に電磁コイル１１７で第２ノズル弁１１４をリフトさせることは、特開昭６０−３６７７２号公報に開示されている構成では、応答性等の面から噴射精度に問題が生じてしまうが、その解決技術についてはなんら開示がなされていない。
【０００９】
特開平９−３２６８７号公報に開示されている燃料噴射装置１２０は、コモンレールで蓄圧された高圧燃料が常時供給されるものであり、三方弁１２８によって圧力制御される圧力制御室１２７の内圧変化によって第１ノズル弁１２３が開閉操作されるものであるため、燃料噴射時期の高精度制御が可能となり、さらに燃料の初期噴射圧が高くなるものである。
また、第１ノズル弁１２３の作動に遅れて、第１ノズル弁１２３によって第２ノズル弁１２４を開弁させる構成を採用している。これにより、１回の燃料噴射期間中において、初期の燃料噴射率を低減しつつ初期噴射圧を上昇させることができ、いわゆるブーツ型噴射が可能になる。
【００１０】
しかしながら、１回の燃料噴射期間中における初期の噴射率と後期の噴射率は、第１ノズル弁１２３の段差部１２３ａと第２ノズル弁１２４の段差部１２４ａのギャップｈ1 によって定まってしまう。つまり、例えば噴射圧、即ちコモンレール圧力を変えた時などの条件が変化するエンジン運転状態の全域において、全て最適な燃料噴射を得ることはできないという問題がある。
また、特開平９−３２６８７号公報には、他の実施例としてギャップｈ1 によらず、第２ノズル弁１２４を操作するための第２圧力制御室（図示しない）を設けた例の開示がある。しかし、この例においても、第１圧力制御室１２７に遅れて第２圧力制御室の圧力が下がるように、通路途中に絞り（図示しない）を設けている。この絞りによって、第１ノズル弁１２３の作動から、定められた遅れをもって第２ノズル弁１２４が作動することになり、ギャップｈ1 の場合と同様、エンジン運転状態の全域において、最適な燃料噴射を得ることはできないという問題がある。
【００１１】
なお、第１ノズル弁１２３を作動させるための第１圧力制御室１２７と、第２ノズル弁１２４を作動させるための第２圧力制御室とをそれぞれ独立して制御するために、２つの電磁コイルと、２つの三方弁とを設けることも考えられるが、部品点数が増し、燃料噴射装置１２０が大型化して実用的ではない。
【００１２】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、エンジン運転状態の全域において、最適な燃料噴射を得ることができる燃料噴射装置の提供にある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明を採用することにより、バルブボディに形成された第１噴孔と、第２噴孔とが、第１ノズル弁と第２ノズル弁とによって、独立的に開閉制御される。つまり、１回の燃料噴射期間中に、第１ノズル弁による第１噴孔の開弁時期と、第２噴孔の開弁時期とを独立して制御することができる。
これによって、エンジン運転状態の全域において、最適な燃料噴射を得ることが可能になり、エンジン運転状態の全域において、排気ガス中に含まれる有害物質の低減および燃費向上を可能にすることができる。
【００１４】
請求項２の発明として、制御弁の切り替えによって、第１圧力制御室が高圧から低圧に切り替えられることにより、第１ノズル弁が第１噴孔から離座するとともに、第２圧力制御室が高圧から低圧に切り替えられることにより、第２ノズル弁が第２噴孔から離座するように設けても良い。
【００１５】
請求項３の発明として、制御弁による第１圧力制御室および第２圧力制御室の圧力切り替えタイミングは、車両の運転状態に応じてそれぞれが独立したタイミングで実施されるように設けても良い。
請求項４の発明として、第２ノズル弁は、第１ノズル弁の内部において軸方向へ摺動自在に配置されるとともに、第１ノズルの内部に配置された第２スプリングによって閉弁方向へ付勢されるように設けても良い。
請求項５の発明として、第２ノズル弁は、第１ノズル弁の摺動孔の内部に摺動する円柱状の摺動部と、バルブボディに当接して第２噴孔を閉塞するための円錐状のシート部とを備える棒状弁体であるように設けても良い。
【００１６】
請求項６の発明として、第２ノズル弁は、第１ノズル弁の摺動孔の内部に摺動する摺動部と、バルブボディに当接して第２噴孔を閉塞するためのシート部とを、球面によって形成する球状弁体であるように設けても良い。
請求項７の発明として、第２ノズル弁の最大リフト時は、第２ノズル弁の反噴孔側の端部が第１ノズル弁に当接することで、最大リフト量が設定されるように設けても良い。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、複数の実施例と変形例を用いて説明する。
〔第１実施例〕
図１に示す燃料噴射装置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、エンジンの各気筒に燃料を直接噴射するように構成されている。図示しない燃料噴射ポンプから燃料配管を通って図示しないコモンレールに供給された高圧燃料は、コモンレール内で一定の高圧に蓄圧され、燃料配管を通って各気筒毎に配置された燃料噴射装置１に供給される。燃料噴射装置１に供給された燃料のうち余剰燃料は燃料タンク２へリターンする。なお、図示しない燃料噴射ポンプは、エンジンの回転数、負荷、吸入燃料圧力、吸入空気量、冷却水の温度等に従って燃料吐出圧を調整するように設けられている。
【００１８】
燃料噴射装置１のバルブボディ３の内部には、中空円筒状の第１ノズル弁４が往復移動可能な状態で収容されている。また、この第１ノズル弁４の内部には、第２ノズル弁５が往復移動可能な状態で収容されている。
第１ノズル弁４の反噴射方向には、第１ノズル弁４の噴射時期を制御する第１圧力制御室６が設けられており、第２ノズル弁５の反噴射方向にも、第２ノズル弁５の噴射時期を制御する第２圧力制御室７が設けられている。この第１、第２圧力制御室６、７の燃料圧力を制御することにより、燃料噴射装置１の噴射時期および噴射量を調整することができる。
【００１９】
コモンレールから供給される高圧燃料は、燃料インレット８、高圧通路９を介して燃料溜まり１０に供給される。また、燃料インレット８から高圧通路９に供給された高圧燃料は、第１入口絞り１１、第１燃料通路１２を介して第１圧力制御室６に供給されるとともに、第２入口絞り１３、第２燃料通路１４を介して第２圧力制御室７に供給される。
第１圧力制御室６は、第１燃料通路１２と第１出口絞り１５を介して制御弁１６のバルブ燃料室１７に連通しており、第２圧力制御室７は、第２燃料通路１４と第２出口絞り１８を介して制御弁１６のバルブ燃料室１７に連通している。ここで、第１出口絞り１５の流路面積は、第１入口絞り１１の流路面積よりも大きく設けられ、第２出口絞り１８の流路面積は、第２入口絞り１３の流路面積よりも大きく設けられている。
【００２０】
なお、制御弁１６は、第１出口絞り１５の下流と低圧通路１９との遮断あるいは連通を切り替えて、第１圧力制御室６を高圧あるいは低圧に制御するとともに、第２出口絞り１８の下流と低圧通路１９との遮断あるいは連通を切り替えて、第２圧力制御室７を高圧あるいは低圧に制御するものであり、この制御弁１６の詳細は後述する。
【００２１】
図２に示すように、第１ノズル弁４の先端の第１シート部２０が、バルブボディ３の第１弁座２１に着座することにより、第１噴孔２２を閉塞するように設けられている。
また、第１ノズル弁４の先端は、図２に示すように、第１弁座２１に当接する第１シート部２０の外縁と、第１ノズル弁４の外径との間に、第１受圧面２３が形成されており、この第１受圧面２３が高圧燃料から受ける力により第１ノズル弁４はリフト方向に向かう力を受ける。
【００２２】
第１ノズル弁４の反噴射側の端部は、ピン２４を介して第１スプリング２５から付勢力を受けるものであり、第１スプリング２５は、第１ノズル弁４を閉弁方向に向けて付勢している。また、第１ノズル弁４の反噴射側の端部は、第１圧力制御室６に面しており、第１圧力制御室６の燃料圧力から受ける力によって第１ノズル弁４は閉弁方向に付勢される。
なお、第１ノズル弁４は、反噴射側の端部がディスタンスピース２６の下面に係止することによりリフト量がｈ2 に規制される。つまり、第１弁座２１に対する第１ノズル弁４の最大リフト量はｈ2 である。
【００２３】
第２ノズル弁５は、燃料噴射側から順に、小径部２７、大径部２８、ニードルエンド２９が形成されている。図２に示すように小径部２７の先端に形成された円錐状の第２シート部３０は、バルブボディ３の第２弁座３１に着座することにより、第１噴孔２２より燃料下流側に形成された第２噴孔３２を閉塞するものである。
第２ノズル弁５の小径部２７と大径部２８との間には、第１ノズル弁４に形成された横孔３３を介して高圧燃料が供給されており、小径部２７と大径部２８の断面積差分の第２受圧面３４に受ける力により、第２ノズル弁５はリフト方向に力を受けている。
【００２４】
第２ノズル弁５の反噴射側の端部は、第１ノズル弁４の内部に収容された第２スプリング３５から付勢力を受けるものであり、第２スプリング３５は、第２ノズル弁５を閉弁方向に向けて付勢している。また、第２ノズル弁５の反噴射側の端部は、第２圧力制御室７に面しており、第２圧力制御室７の燃料圧力から受ける力によって第２ノズル弁５が閉弁方向に付勢される。
なお、第２ノズル弁５は、反噴射側のニードルエンド２９が第１ノズル弁４の収容孔の段差部に係止することにより、第１ノズル弁４に対するリフト量がｈ1 に規制される。つまり、第２弁座３１に対する第２ノズル弁５の最大リフト量はｈ1 ＋ｈ2 となる。
【００２５】
第１ノズル弁４のリフトについて説明する。第１圧力制御室６に高圧燃料が供給されていると、第１スプリング２５の閉弁力と第１圧力制御室６の閉弁力の和は、第１受圧面２３の開弁力よりも大きくなるので、第１ノズル弁４は第１弁座２１に着座する。
第１圧力制御室６が制御弁１６の作動によって排圧されると、第１圧力制御室６の閉弁力が低下するため、第１ノズル弁４は第１弁座２１から離座し、リフトを開始する。
【００２６】
第２ノズル弁５のリフトについても同様に説明する。第２圧力制御室７に高圧燃料が供給されていると、第２スプリング３５の閉弁力と第２圧力制御室７の閉弁力の和は、第２受圧面３４の開弁力よりも大きくなるので、第２ノズル弁５は第２弁座３１に着座する。
第２圧力制御室７が制御弁１６の作動によって排圧されると、第２圧力制御室７の閉弁力が低下するため、第２ノズル弁５は第２弁座３１から離座し、リフトを開始する。
【００２７】
上述したように、第１圧力制御室６および第２圧力制御室７は、制御弁１６によって圧力が制御される。
制御弁１６は、図１に示すように、低圧通路１９を閉塞して、第１圧力制御室６および第２圧力制御室７を共に高圧にする「閉弁モード」と、第２出口絞り１８の下流のみを閉塞して、第１出口絞り１５の下流と低圧通路１９を連通させて、第１圧力制御室６を低圧にするとともに、第２圧力制御室７を高圧にする「低噴射モード」と、第１出口絞り１５の下流と第２出口絞り１８の下流を共に低圧通路１９に連通させて、第１圧力制御室６および第２圧力制御室７を共に低圧にする「高噴射モード」とを切り替えるものである。
【００２８】
制御弁１６は、燃料噴射装置１の上部に装着される電磁弁４０の構成部品であり、この電磁弁４０は、ハウジング４１の上部とリテーニングナット４２によって締結されている。この電磁弁４０は、制御弁１６の他に、弁ボディ４３、電磁コイル４４、バルブピン４５、第１コイルバネ４６、第２コイルバネ４７等で構成されている。
【００２９】
制御弁１６は、第１コイルバネ４６の付勢力によってハウジング４１に着座して低圧通路１９を閉塞可能なものであり、低圧通路１９が閉塞されることにより上述した「閉弁モード」の設定となる。
制御弁１６の上部に設けられた円盤状のアーマチャ４８は、電磁コイル４４が通電されることにより発生する励磁吸引力により上方にリフトし、バルブピン４５の下端に当接してＨ1 リフトする。この状態の制御弁１６は、第１、第２出口絞り１５、１８の下流を共に低圧通路１９を連通させるものであり、上述した「高噴射モード」の設定となる。
【００３０】
この「高噴射モード」より電磁コイル４４に供給される電流値を更に大きくした場合では、制御弁１６のアーマチャ４８に作用する励磁吸引力が大きくなり、制御弁１６とバルブピン４５とが上昇して、制御弁１６の上シート部１６ａが弁ボディ４３の着座部４３ａに当接し、制御弁１６がＨ2 リフトする。この状態の制御弁１６は、第２出口絞り１８の下流側を閉塞して、第１出口絞り１５の下流と低圧通路１９を連通させるものであり、上述した「低噴射モード」の設定となる。
【００３１】
（第１実施例の作動説明）
次に、燃料噴射装置１の作動を説明する。
まず、図示しない燃料噴射ポンプから燃料が吐出され、図示しないコモンレールで所定の燃料圧に蓄圧された高圧燃料は、燃料噴射装置１の燃料インレット８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、エンジンの運転状態に応じたタイミングにおいて、エンジンの運転状態に応じた制御弁１６の駆動電流が生成されて、電磁コイル４４に供給される。
【００３２】
（第１ノズル弁４および第２ノズル弁５の閉弁時）
電磁コイル４４の通電OFF 時、制御弁１６は、第１コイルバネ４６の付勢力によりハウジング４１の上端に着座して低圧通路１９を閉塞する。これによって、第１出口絞り１５および第２出口絞り１８の下流が共に閉塞される「閉弁モード」になる。このため、高圧通路９、第１入口絞り１１、第１燃料通路１２を介して第１圧力制御室６に高圧燃料が供給されるとともに、高圧通路９、第２入口絞り１３、第２燃料通路１４を介して第２圧力制御室７に高圧燃料が供給される。
【００３３】
この状態において、第１受圧面２３の開弁力は、第１スプリング２５による閉弁力と第１圧力制御室６の閉弁力の和よりも小さいので、第１ノズル弁４は第１弁座２１に着座している。
この時、第２受圧面３４の開弁力は、第２スプリング３５の閉弁力と第２圧力制御室７の閉弁力の和よりも小さいので、第２ノズル弁５も第２弁座３１に着座している。
【００３４】
（第１ノズル弁４の開弁による小噴射率の作動説明）
電磁弁４０の電磁コイル４４に高い電流が供給されると、電磁コイル４４の励磁吸引力が大きくなり、制御弁１６がＨ2 リフトして制御弁１６の上シート部１６ａが弁ボディ４３の着座部４３ａに当接する。この状態では、第２出口絞り１８の下流が閉塞し、第１出口絞り１５の下流が低圧通路１９と連通する「低噴射モード」になる。
【００３５】
第１圧力制御室６は、第１燃料通路１２と第１出口絞り１５を介して低圧通路１９に連通する。第１入口絞り１１より第１出口絞り１５の流路面積が大きく設定されているため、流入燃料よりも流出燃料が多く、第１圧力制御室６の燃料圧力は低下し始める。
第１圧力制御室６の燃料圧力が低下することにより、第１受圧面２３の開弁力が、第１スプリング２５による閉弁力と第１圧力制御室６の閉弁力の和よりも大きくなり、第１ノズル弁４が第１弁座２１から離座する。
この時、第２受圧面３４の開弁力は、第２スプリング３５の閉弁力と第２圧力制御室７の閉弁力の和よりも小さいので、第２ノズル弁５は第２弁座３１に着座したままである。
【００３６】
第１ノズル弁４が第１弁座２１から離座することにより、第１噴孔２２から燃料が噴射される。第１ノズル弁４が第１弁座２１から離座すると、第１ノズル弁４の先端部も高圧燃料からリフト方向に力を受けるので、第１ノズル弁４のリフト速度が上昇し、初期噴射率が速やかに上昇する。そして、第１ノズル弁４がリフトして、その上端がディスタンスピース２６に当接すると、噴射率は一定（低噴射率）になる。
【００３７】
次に、運転状態に応じた所定時間が経過すると、電磁コイル４４への駆動電流の供給が停止され、制御弁１６が低圧通路１９を閉塞する（図１の状態）。すると、第１出口絞り１５の下流側と低圧通路１９との連通が遮断されるため、第１入口絞り１１からの高圧燃料により第１圧力制御室６が高圧状態に移り、第１ノズル弁４が速やかに閉弁方向に移動し、第１弁座２１に着座する。この結果、第１噴孔２２からの燃料噴射が終了する。
【００３８】
（第１ノズル弁４と第２ノズル弁５の開弁による大噴射率の作動説明）
電磁弁４０の電磁コイル４４に低い電流が供給されると、電磁コイル４４の励磁吸引力が小さくなり、制御弁１６が第１リフト量Ｈ1 の位置までリフトし、バルブピン４５の下端に当接して停止する。この状態では、第１出口絞り１５および第２出口絞り１８の下流が低圧通路１９に連通する「高噴射モード」になる。
【００３９】
第１圧力制御室６は、上述した「低噴射モード」と同様、第１燃料通路１２と第１出口絞り１５を介して低圧通路１９に連通する。第１入口絞り１１より第１出口絞り１５の流路面積が大きく設定されているため、流入燃料よりも流出燃料が多く、第１圧力制御室６の燃料圧力は低下し始める。
第１圧力制御室６の燃料圧力が低下することにより、第１受圧面２３の開弁力が、第１スプリング２５による閉弁力と第１圧力制御室６の閉弁力の和よりも大きくなり、第１ノズル弁４が第１弁座２１から離座する。
【００４０】
この時、第２圧力制御室７も、第２燃料通路１４と第２出口絞り１８を介して低圧通路１９に連通する。第２入口絞り１３より第２出口絞り１８の流路面積が大きく設定されているため、流入燃料よりも流出燃料が多く、第２圧力制御室７の燃料圧力は低下し始める。
第２圧力制御室７の燃料圧力が低下することにより、第２受圧面３４の開弁力が、第２スプリング３５の閉弁力と第２圧力制御室７の閉弁力の和よりも大きくなり、第２ノズル弁５が第２弁座３１から離座する。
【００４１】
第１ノズル弁４および第２ノズル弁５が、第１弁座２１および第２弁座３１から離座することにより、第１噴孔２２および第２噴孔３２から燃料が噴射される。第１ノズル弁４および第２ノズル弁５が第１弁座２１および第２弁座３１から離座すると、第１ノズル弁４および第２ノズル弁５の先端部も高圧燃料からリフト方向に力を受けるので、第１ノズル弁４および第２ノズル弁５のリフト速度が上昇し、初期噴射率が速やかに上昇する。そして、第１ノズル弁４がリフトして、その上端がディスタンスピース２６に当接するとともに、第２ノズル弁５がリフトして、その上端が第１ノズル弁４の内部の段差部に当接すると、噴射率は一定（高噴射率）になる。
【００４２】
次に、運転状態に応じた所定時間が経過すると、電磁コイル４４への駆動電流の供給が停止され、制御弁１６が低圧通路１９を閉塞する（図１の状態）。すると、第１出口絞り１５の下流側と低圧通路１９との連通が遮断されるとともに、第２出口絞り１８の下流側と低圧通路１９との連通が遮断されるため、第１入口絞り１１からの高圧燃料により第１圧力制御室６が高圧状態に移るとともに、第２入口絞り１３からの高圧燃料により第２圧力制御室７が高圧状態に移る。これにより、第１ノズル弁４および第２ノズル弁５が速やかに閉弁方向に移動し、第１弁座２１および第２弁座３１に着座する。この結果、第１噴孔２２および第２噴孔３２からの燃料噴射が終了する。
【００４３】
上記では、小噴射率の作動と、大噴射率の作動について説明した。これらは、１回の噴射中において、小噴射率の作動か、大噴射率の作動かの、どちらか一方を選ぶものである。ここで、小噴射率の作動と大噴射率の作動を、１回の噴射中で切り替えることが可能であり、この切り替えにより噴射率を２段階に切り替える「ブーツ型噴射」が性能上最も好ましい。
【００４４】
（１回の噴射中に噴射率を切り替えるブーツ型噴射の作動説明）
まず、電磁弁４０の電磁コイル４４に高い電流が供給される。すると、電磁コイル４４の励磁吸引力が大きくなり、制御弁１６がＨ2 リフトして制御弁１６の上シート部１６ａが弁ボディ４３の着座部４３ａに当接する。この状態では、第２出口絞り１８の下流が閉塞し、第１出口絞り１５の下流が低圧通路１９と連通する「低噴射モード」になる。
【００４５】
第１圧力制御室６は、第１燃料通路１２と第１出口絞り１５を介して低圧通路１９に連通する。第１入口絞り１１より第１出口絞り１５の流路面積が大きく設定されているため、流入燃料よりも流出燃料が多く、第１圧力制御室６の燃料圧力は低下し始める。
第１圧力制御室６の燃料圧力が低下することにより、第１受圧面２３の開弁力が、第１スプリング２５による閉弁力と第１圧力制御室６の閉弁力の和よりも大きくなり、第１ノズル弁４が第１弁座２１から離座する。
この時、第２受圧面３４の開弁力は、第２スプリング３５の閉弁力と第２圧力制御室７の閉弁力の和よりも小さいので、第２ノズル弁５は第２弁座３１に着座したままである。
【００４６】
第１ノズル弁４が第１弁座２１から離座することにより、第１噴孔２２から燃料が噴射される。第１ノズル弁４が第１弁座２１から離座すると、第１ノズル弁４の先端部も高圧燃料からリフト方向に力を受けるので、第１ノズル弁４のリフト速度が上昇し、初期噴射率が速やかに上昇する。そして、第１ノズル弁４がリフトして、その上端がディスタンスピース２６に当接すると、噴射率は一定（低噴射率）になる。
【００４７】
次に、運転状態に応じた所定時間が経過すると、電磁弁４０の電磁コイル４４に低い電流が供給される。すると、電磁コイル４４の励磁吸引力が小さくなるため、制御弁１６が第１リフト量Ｈ1 の位置まで戻る。この状態では、第１出口絞り１５および第２出口絞り１８の下流が低圧通路１９に連通する「高噴射モード」になる。
【００４８】
すると、第２圧力制御室７も、第２燃料通路１４と第２出口絞り１８を介して低圧通路１９に連通する。第２入口絞り１３より第２出口絞り１８の流路面積が大きく設定されているため、流入燃料よりも流出燃料が多く、第２圧力制御室７の燃料圧力は低下し始める。
第２圧力制御室７の燃料圧力が低下することにより、第２受圧面３４の開弁力が、第２スプリング３５の閉弁力と第２圧力制御室７の閉弁力の和よりも大きくなり、第２ノズル弁５が第２弁座３１から離座する。
【００４９】
第２ノズル弁５が第２弁座３１から離座することにより、第２噴孔３２からも燃料が噴射される。第２ノズル弁５が第２弁座３１から離座すると、第２ノズル弁５の先端部も高圧燃料からリフト方向に力を受けるので、第２ノズル弁５のリフト速度が上昇し、２段階目の噴射率が速やかに上昇する。そして、第２ノズル弁５がリフトして、その上端が第１ノズル弁４の内部の段差部に当接すると、噴射率は一定（高噴射率）になる。
【００５０】
次に、運転状態に応じた所定時間が経過すると、電磁コイル４４への駆動電流の供給が停止され、制御弁１６が低圧通路１９を閉塞する（図１の状態）。すると、第１出口絞り１５の下流側と低圧通路１９との連通が遮断されるとともに、第２出口絞り１８の下流側と低圧通路１９との連通が遮断されるため、第１入口絞り１１からの高圧燃料により第１圧力制御室６が高圧状態に移るとともに、第２入口絞り１３からの高圧燃料により第２圧力制御室７が高圧状態に移る。これにより、第１ノズル弁４および第２ノズル弁５が速やかに閉弁方向に移動し、第１弁座２１および第２弁座３１に着座する。この結果、第１噴孔２２および第２噴孔３２からの燃料噴射が終了する。
【００５１】
上記で示した「ブーツ型噴射」は、電磁コイル４４の駆動電流を大電流から小電流に切り替えるタイミングを、エンジンの運転状態に応じて変化させることにより、エンジンの運転状態の全域において最適な噴射率パターンを得ることができる。
【００５２】
（第１実施例の効果）
次に、比較例１（特開昭６１−１３５９７９号公報に開示される燃料噴射装置１００）および比較例２（特開平９−３２６８７号公報に開示される燃料噴射装置１２０）と比較して、この第１実施例の作動および効果を説明する。
【００５３】
比較例１は、第１実施例と同様に中空円筒状の第１ノズル弁と、その内部に往復移動可能に収容される第２ノズル弁とを有するが、電磁弁およびこの電磁弁により圧力調整される圧力制御室を持たず、燃料供給ポンプからの燃料供給圧の変化に応じて作動する燃料噴射装置である。
このため、第１ノズル弁および第２ノズル弁の開弁タイミングは、燃料噴射ポンプから供給される燃料供給圧から受ける力と、第１スプリングおよび第２スプリングの付勢力とのバランスにより決定される。
【００５４】
このため、初期噴射圧が小さいので、燃焼室に噴射された燃料が良好に微粒化せずに燃焼不良の原因となってしまう。また、低い燃料供給圧で第１ノズル弁が開弁することにより噴射時間が長くなるので、燃費が低下し、且つ噴射のシャープカット性が低下する。
この問題を解決するために、中空円筒状の第１ノズル弁のリフトタイミングを電磁弁で制御するように設けても、第２ノズル弁のリフトタイミングは、あくまでも燃料噴射ポンプから供給される燃料供給圧から受ける力と、第２スプリングの付勢力とのバランスにより決定される。このため、電磁弁の通電を制御して第１ノズル弁のリフト時期をずらせることにより初期噴射圧力を増加させることができても、初期噴射率を低減することはできない。
【００５５】
比較例２は、第１ノズル弁と第２ノズル弁を持ち、第１ノズル弁の反噴射方向に電磁弁で圧力制御される圧力制御室を有する燃料噴射装置であり、コモンレールで蓄圧された高圧燃料が常時供給されるものである。このように、比較例２では、一定圧の高圧燃料が供給されているので、圧力制御室を低下させて第１ノズル弁をリフトすると、噴射初期段階から高圧燃料が燃焼室に噴射される。このため、燃料が良好に微粒化する。
さらに、比較例２は、第１ノズル弁が所定量リフトしてから第２ノズル弁がリフトする構成であり、第１噴孔からの燃料噴射から所定時間遅れて第２噴孔から燃料が噴射される。このため、燃料の噴射時期および噴射量を高精度に制御できるとともに、初期噴射率を低減しつつ初期噴射圧を上昇させることができる。
【００５６】
しかしながら、１回の燃料噴射期間中において噴射率を変化させるのは、第１ノズル弁と第２ノズル弁の軸方向に形成したギャップ、および圧力制御室からリークする燃料通路の絞りである。つまり、噴射中に噴射率を変化させる手段は、製造時に設定されるものである。噴射圧力が変われば付随的に噴射中の噴射率が変わるが、噴射圧力と噴射率特性の両方をエンジン運転状態の全域において最適化することは不可能である。
【００５７】
比較例１および比較例２に比較して、第１実施例の燃料噴射装置１は、第１ノズル弁４と第２ノズル弁５をそれぞれ独立して制御できるので、第１ノズル弁４のみ作動する小噴射率作動、第１、第２ノズル弁４、５の両方が同時に作動する大噴射率作動、第１ノズル弁４の作動に続いて第２ノズル弁５が作動するブーツ型噴射率作動のうち、運転状態に適した最適なものをエンジンの運転条件毎に自在に選択して制御することができる。
【００５８】
また、第１噴孔２２および第２噴孔３２を適切に設定した上で、第２ノズル弁５のみを作動させる４つめの作動形態を選択肢に加えることも可能である。また、ブーツ型噴射率作動において、第２ノズル弁５を先に作動させ、引き続き第１ノズル弁４を作動させるという作動形態を選択肢に加えても良い。
つまり、エンジン運転条件の全域において、第１噴孔２２のみの小噴射率噴射と、第１噴孔２２と第２噴孔３２の両方での大噴射率噴射との選択はもちろん、１回の燃料噴射期間中に先ず第１噴孔２２のみまたは第２噴孔３２のみによる小噴射率噴射を行い、途中から第１噴孔２２と第２噴孔３２の両方での大噴射率噴射に切り替えることも、その切り替え時期を運転状態に応じて変えることも自由に制御できる。また、切り替え順を逆、つまり１回の燃料噴射期間中において、第１噴孔２２と第２噴孔３２の両方での大噴射率噴射から、第１噴孔２２のみまたは第２噴孔３２のみによる小噴射率噴射に切り替えることも可能である。
【００５９】
上記に示した各切り替え制御は、噴射量、噴射時期、噴射圧力などの特性とは独立して制御できるので、エンジン運転条件の全域において、最適な噴射特性を得ることができる。特に、初期噴射率を低減しつつ、初期噴射圧を上昇させることができるので、排気ガス中への有害物質の混入を低下できる。
また、噴霧分布が大きく、燃料が良好に微粒化されるので、燃焼効率が向上して燃費を向上できる。
さらに、第１ノズル弁４と第２ノズル弁５を独立して制御するが、それらは１つの電磁弁４０によって制御できるように構成したので、燃料噴射装置１を小型化することができる。
【００６０】
〔第２実施例〕
第２実施例を図３、図４を用いて説明する。図３は、第２実施例による燃料噴射装置１の断面図、図４はその要部拡大図である。なお、第１実施例と同一機能物は同一符号を付す。
【００６１】
第１ノズル弁４および第２ノズル弁５が第１弁座２１および第２弁座３１に着座している状態では、第１ノズル弁４の第１シート部２０は第１噴孔２２の燃料上流側に着座するものであり、第２ノズル弁５の第２シート部３０は第２噴孔３２の燃料上流側に着座するものである。
第１ノズル弁４の先端部分には、第１ノズル弁４と第２ノズル弁５とに囲まれた油圧室５０が形成されており、第１ノズル弁４の第１シート部２０が第１弁座２１に着座することにより、燃料溜まり１０との連通が遮断される。
【００６２】
この第２実施例では、第１実施例に示した小径部２７および横孔３３が設けられておらず、燃料溜まり１０からの燃料は、第１ノズル弁４の着座時、第１弁座２１より下流には導入されないように設けられている。そして、第２ノズル弁５の先端は、図４に示すように、第２弁座３１に当接する第２ノズル弁５の第２シート部３０の外縁と、第２ノズル弁５の外径との間に、第２受圧面３４が形成されており、この第２受圧面３４が高圧燃料から受ける力により第２ノズル弁５はリフト方向に向かう力を受ける。従って、第１ノズル弁４が着座している状態では、第２ノズル弁５をリフト方向へ作動するための燃料圧力は存在せず、第２ノズル弁５のみを作動させることはできない。
【００６３】
作動としては、制御弁１６の作動によって第１圧力制御室６が低圧に切り替わり、第１ノズル弁４がリフトをすると、燃料溜まり１０の燃料が油圧室５０に導入される。その油圧室５０に供給された燃料圧力を第２受圧面３４が受けることによって、第２ノズル弁５はリフト方向の力を受ける。そして、この状態において、第２圧力制御室７が高圧であれば第２ノズル弁５はリフトせず、第２圧力制御室７が低圧に切り替われば第２ノズル弁５はリフトを開始する。なお、第２ノズル弁５がリフトを開始すると、第２ノズル弁５の先端に受ける燃料圧力によって第２ノズル弁５は大きなリフト力を受けることになるので、第１実施例と同様、初期噴射圧が速やかに上昇する。
【００６４】
ただし、この第２実施例では、第１実施例では可能であった作動のうち、第２ノズル弁５のみの作動と、第２ノズル弁５の開弁が先行するブーツ型噴射は不可能になる。
しかし、第１ノズル弁４と第２ノズル弁５の両方が閉弁状態の時は、第２圧力制御室７の圧力を低下させても閉弁状態が保たれる。このため、第２圧力制御室７を先行して圧力を低下させておいてから第１圧力制御室６の圧力を低下させるように設けることにより、第１ノズル弁４と第２ノズル弁５を同時に開弁させることができる。
【００６５】
また、この第２実施例では、第１実施例に示した小径部２７および横孔３３が設けられておらず、第２ノズル弁５の先端に第２受圧面３４を形成したものであるため、構造が簡素化されており、製造コストを安価に抑えることができる。
さらに、上述した同時開弁が可能であることに加えて、常時高圧に晒される部位が減少するので、燃料リークが減少する。つまり、高い信頼性で優れた効果を発揮できる。特に、第１実施例では、第１ノズル弁４の着座時においても第１噴孔２２の下流側に高圧燃料が供給されていたので、その高圧燃料は第１噴孔２２からリークが発生する可能性があったが、この第２実施例では第１ノズル弁４が着座している時は、第１噴孔２２の下流側に高圧燃料は供給されない。このため、第１ノズル弁４の第１シート部２０は、第１噴孔２２の上流側のみをシールできれば良く、第１ノズル弁４を簡素化でき、製造コストを安価に抑えることができる。
【００６６】
この第２実施例の望ましい変形例を示す。第１ノズル弁４が着座した状態の時、第２圧力制御室７の高圧燃料は、第１ノズル弁４と第２ノズル弁５の間の摺動部の隙間を通って油圧室５０に流入する。すると、この燃料は、第１ノズル弁４および第２ノズル弁５が着座しているにもかかわらず、油圧室５０に流入した燃料が、第１噴孔２２から燃焼室へ流出する場合が想定される。そこで、第１ノズル弁４と第２ノズル弁５の間の摺動部に環状のリーク回収溝を設け、このリーク回収溝を低圧通路１９に連通させる。これによって、第２圧力制御室７の高圧燃料が、第１ノズル弁４と第２ノズル弁５の間の摺動部の隙間にリークしても、そのリーク燃料はリーク回収溝を介して燃料タンク２に戻されることになり、上記の不具合を解消できる。
【００６７】
この第２実施例は、燃料リークの発生が抑えられるため、噴射圧力の高いエンジンに適用しても、高い信頼性を得ることができる。
また、この第２実施例の望ましい変形例においても、第１実施例と同様、エンジンの運転条件の全域において自由な切り替え間隔の設定が可能なブーツ型噴射ができるので、排気ガス中に発生するＮＯｘやパティキュレートの量を減少させることができる。
【００６８】
〔第３実施例〕
第３実施例を図５を用いて説明する。図５は燃料噴射装置１の要部断面図である。なお、上記実施例と同一機能物は同一符号を付して説明を省略する。
上記の第１、第２実施例の第２ノズル弁５は、第１ノズル弁４の摺動孔の内部に摺動する円柱状の摺動部と、バルブボディ３に当接して第２噴孔３２を閉塞するための円錐状の第２シート部３０とを備える棒状弁体であった。これに対し、この第３実施例の第２ノズル弁５は、第１ノズル弁４の摺動孔の内部に摺動する摺動部と、バルブボディ３に当接して前記第２噴孔３２を閉塞するための第２シート部３０とが、球面によって形成される球状弁体である。
作動および効果は第２実施例と同じであるが、この第３実施例では、第２ノズル弁５として球状弁体を採用することによって、燃料噴射装置１の小型化および低コスト化が可能になる。
【００６９】
〔変形例〕
上記の各実施例では、電磁弁４０を用いて制御弁１６を駆動する例を示したが、電磁弁４０に代えて電歪型のアクチェータを用いるなど、他のアクチェータを用いて制御弁１６を駆動しても良い。
また、各燃料通路のとり回しや、第１スプリング２５、第２スプリング３５の配置状態等も、上記で示した実施例に限定されるものでなく、適宜変更可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料噴射装置の断面図である（第１実施例）。
【図２】燃料噴射装置の要部断面図である（第１実施例）。
【図３】燃料噴射装置の断面図である（第２実施例）。
【図４】燃料噴射装置の要部断面図である（第２実施例）。
【図５】燃料噴射装置の要部断面図である（第３実施例）。
【図６】燃料噴射装置の断面図である（第１従来例）。
【図７】燃料噴射装置の断面図である（第２従来例）。
【図８】燃料噴射装置の断面図である（第３従来例）。
【符号の説明】
１ 燃料噴射装置
３ バルブボディ
４ 第１ノズル弁
５ 第２ノズル弁
６ 第１圧力制御室
７ 第２圧力制御室
１６ 制御弁
２２ 第１噴孔
３２ 第２噴孔
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関（以下、エンジンという）の燃料噴射装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ディーゼルエンジン等においては、厳しくなる排気ガス規制に対処する必要が生じており、排気ガス中に含まれる有害成分の低減を図るとともに、さらなる燃費の向上が望まれている。そこで、燃料噴射装置による燃料噴射を、時間的、空間的および質的に最適化することが望まれている。時間的には高精度な噴射率制御、空間的には広範囲の噴霧分布、質的には噴射燃料の微粒化がそれぞれ要求される。
【０００３】
このような燃料噴射の最適化を目的とした燃料噴射装置として、特開昭６１−１３５９７９号公報、特開昭６０−３６７７２号公報、特開平９−３２６８７号公報に開示される技術が知られている。
【０００４】
特開昭６１−１３５９７９号公報に開示されている燃料噴射装置を図６を参照して説明する。この燃料噴射装置１００は、第１噴孔１０１および第２噴孔１０２をそれぞれ開閉するための第１ノズル弁１０３および第２ノズル弁１０４を有する。
第１ノズル弁１０３および第２ノズル弁１０４は、第１スプリング１０５および第２スプリング１０６によって閉弁方向へ付勢されており、燃料供給圧から受ける力の釣合いにより、第１ノズル弁１０３および第２ノズル弁１０４が往復移動する。
【０００５】
特開昭６０−３６７７２号公報に開示されている燃料噴射装置を図７を参照して説明する。この燃料噴射装置１１０も、第１噴孔１１１および第２噴孔１１２をそれぞれ開閉する第１ノズル弁１１３および第２ノズル弁１１４を有する。
第１ノズル弁１１３は、第１スプリング１１５によって閉弁方向へ付勢されており、燃料供給圧から受ける力の釣合いにより、第１ノズル弁１１３が往復移動する。第２ノズル弁１１４は、第２スプリング１１６によって閉弁方向へ付勢されており、電磁コイル１１７が通電されるとその磁力によりリフトして第２噴孔１１２を開弁するものである。
【０００６】
特開平９−３２６８７号公報に開示されている燃料噴射装置を図８を参照して説明する。この燃料噴射装置１２０も、第１噴孔１２１および第２噴孔１２２をそれぞれ開閉する第１ノズル弁１２３および第２ノズル弁１２４を有するものであり、この第１ノズル弁１２３および第２ノズル弁１２４は、第１スプリング１２５および第２スプリング１２６によって閉弁方向へ付勢されている。
第１ノズル弁１２３は、その反噴孔側に圧力制御室１２７が配置され、その圧力制御室１２７の燃料圧力によっても閉弁方向の力を受ける。圧力制御室１２７の燃料圧力は、三方弁１２８を制御することにより増減する。第１ノズル弁１２３は、コモンレールから供給される燃料圧力から受ける力と、第１スプリング１２５の付勢力と、圧力制御室１２７から受ける力とのバランスにより往復移動する。
第２ノズル弁１２４は、第１ノズル弁１２３の内部に貫通配置されるものであり、第１ノズル弁１２３のリフト途中において、第１ノズル弁１２３の段差部１２３ａが第２ノズル弁１２４の段差部１２４ａに係止して、第１ノズル弁１２３とともにリフトするものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特開昭６１−１３５９７９号公報に開示されている燃料噴射装置１００では、第１ノズル弁１０３および第２ノズル弁１０４の開弁タイミングは、燃料噴射ポンプから供給される燃料供給圧から受ける力と、第１スプリング１０５および第２スプリング１０６の付勢力とのバランスにより決定されるので、燃料噴射時期を高精度に制御するのは困難であった。
また、第１ノズル弁１０３の開弁圧は、第２ノズル弁１０４の開弁圧よりも低く設定されているので、低い燃料供給圧で第１ノズル弁１０３が開くことになる。このため、初期噴射圧が低くなるので初期噴射時において燃料が良好に微粒化しない。
さらに、燃料供給圧の上昇とともに第１ノズル弁１０３および第２ノズル弁１０４がリフトするので、初期噴射率の上昇が穏やかである。このため、燃料噴射時間が長くなり、排気ガス中に煤等のパティキュレートが発生し易くなるという問題がある。
なお、第１ノズル弁１０３の開弁圧を上昇させることにより初期噴射圧を高くできるが、噴射期間が短縮されてしまうため、所望の噴射量が得られない、低回転域において燃料が噴射しない領域ができてしまう等の問題がある。
【０００８】
特開昭６０−３６７７２号公報に開示されている燃料噴射装置１１０は、エンジン負荷またはエンジン回転数等のエンジン運転状態に応じて第２ノズル弁１１４を往復移動させるものである。つまり、１回の燃料噴射期間中に電磁コイル１１７を通電制御するものではなく、第１ノズル弁１１３と第２ノズル弁１１４のリフト位置をずらせて燃料の初期噴射率を低減することを目的としていない。
１回の燃料噴射期間中に電磁コイル１１７で第２ノズル弁１１４をリフトさせることは、特開昭６０−３６７７２号公報に開示されている構成では、応答性等の面から噴射精度に問題が生じてしまうが、その解決技術についてはなんら開示がなされていない。
【０００９】
特開平９−３２６８７号公報に開示されている燃料噴射装置１２０は、コモンレールで蓄圧された高圧燃料が常時供給されるものであり、三方弁１２８によって圧力制御される圧力制御室１２７の内圧変化によって第１ノズル弁１２３が開閉操作されるものであるため、燃料噴射時期の高精度制御が可能となり、さらに燃料の初期噴射圧が高くなるものである。
また、第１ノズル弁１２３の作動に遅れて、第１ノズル弁１２３によって第２ノズル弁１２４を開弁させる構成を採用している。これにより、１回の燃料噴射期間中において、初期の燃料噴射率を低減しつつ初期噴射圧を上昇させることができ、いわゆるブーツ型噴射が可能になる。
【００１０】
しかしながら、１回の燃料噴射期間中における初期の噴射率と後期の噴射率は、第１ノズル弁１２３の段差部１２３ａと第２ノズル弁１２４の段差部１２４ａのギャップｈ1 によって定まってしまう。つまり、例えば噴射圧、即ちコモンレール圧力を変えた時などの条件が変化するエンジン運転状態の全域において、全て最適な燃料噴射を得ることはできないという問題がある。
また、特開平９−３２６８７号公報には、他の実施例としてギャップｈ1 によらず、第２ノズル弁１２４を操作するための第２圧力制御室（図示しない）を設けた例の開示がある。しかし、この例においても、第１圧力制御室１２７に遅れて第２圧力制御室の圧力が下がるように、通路途中に絞り（図示しない）を設けている。この絞りによって、第１ノズル弁１２３の作動から、定められた遅れをもって第２ノズル弁１２４が作動することになり、ギャップｈ1 の場合と同様、エンジン運転状態の全域において、最適な燃料噴射を得ることはできないという問題がある。
【００１１】
なお、第１ノズル弁１２３を作動させるための第１圧力制御室１２７と、第２ノズル弁１２４を作動させるための第２圧力制御室とをそれぞれ独立して制御するために、２つの電磁コイルと、２つの三方弁とを設けることも考えられるが、部品点数が増し、燃料噴射装置１２０が大型化して実用的ではない。
【００１２】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、エンジン運転状態の全域において、最適な燃料噴射を得ることができる燃料噴射装置の提供にある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明を採用することにより、バルブボディに形成された第１噴孔と、第２噴孔とが、第１ノズル弁と第２ノズル弁とによって、独立的に開閉制御される。つまり、１回の燃料噴射期間中に、第１ノズル弁による第１噴孔の開弁時期と、第２噴孔の開弁時期とを独立して制御することができる。
これによって、エンジン運転状態の全域において、最適な燃料噴射を得ることが可能になり、エンジン運転状態の全域において、排気ガス中に含まれる有害物質の低減および燃費向上を可能にすることができる。
【００１４】
請求項２の発明として、制御弁の切り替えによって、第１圧力制御室が高圧から低圧に切り替えられることにより、第１ノズル弁が第１噴孔から離座するとともに、第２圧力制御室が高圧から低圧に切り替えられることにより、第２ノズル弁が第２噴孔から離座するように設けても良い。
【００１５】
請求項３の発明として、制御弁による第１圧力制御室および第２圧力制御室の圧力切り替えタイミングは、車両の運転状態に応じてそれぞれが独立したタイミングで実施されるように設けても良い。
請求項４の発明として、第２ノズル弁は、第１ノズル弁の内部において軸方向へ摺動自在に配置されるとともに、第１ノズルの内部に配置された第２スプリングによって閉弁方向へ付勢されるように設けても良い。
請求項５の発明として、第２ノズル弁は、第１ノズル弁の摺動孔の内部に摺動する円柱状の摺動部と、バルブボディに当接して第２噴孔を閉塞するための円錐状のシート部とを備える棒状弁体であるように設けても良い。
【００１６】
請求項６の発明として、第２ノズル弁は、第１ノズル弁の摺動孔の内部に摺動する摺動部と、バルブボディに当接して第２噴孔を閉塞するためのシート部とを、球面によって形成する球状弁体であるように設けても良い。
請求項７の発明として、第２ノズル弁の最大リフト時は、第２ノズル弁の反噴孔側の端部が第１ノズル弁に当接することで、最大リフト量が設定されるように設けても良い。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、複数の実施例と変形例を用いて説明する。
〔第１実施例〕
図１に示す燃料噴射装置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、エンジンの各気筒に燃料を直接噴射するように構成されている。図示しない燃料噴射ポンプから燃料配管を通って図示しないコモンレールに供給された高圧燃料は、コモンレール内で一定の高圧に蓄圧され、燃料配管を通って各気筒毎に配置された燃料噴射装置１に供給される。燃料噴射装置１に供給された燃料のうち余剰燃料は燃料タンク２へリターンする。なお、図示しない燃料噴射ポンプは、エンジンの回転数、負荷、吸入燃料圧力、吸入空気量、冷却水の温度等に従って燃料吐出圧を調整するように設けられている。
【００１８】
燃料噴射装置１のバルブボディ３の内部には、中空円筒状の第１ノズル弁４が往復移動可能な状態で収容されている。また、この第１ノズル弁４の内部には、第２ノズル弁５が往復移動可能な状態で収容されている。
第１ノズル弁４の反噴射方向には、第１ノズル弁４の噴射時期を制御する第１圧力制御室６が設けられており、第２ノズル弁５の反噴射方向にも、第２ノズル弁５の噴射時期を制御する第２圧力制御室７が設けられている。この第１、第２圧力制御室６、７の燃料圧力を制御することにより、燃料噴射装置１の噴射時期および噴射量を調整することができる。
【００１９】
コモンレールから供給される高圧燃料は、燃料インレット８、高圧通路９を介して燃料溜まり１０に供給される。また、燃料インレット８から高圧通路９に供給された高圧燃料は、第１入口絞り１１、第１燃料通路１２を介して第１圧力制御室６に供給されるとともに、第２入口絞り１３、第２燃料通路１４を介して第２圧力制御室７に供給される。
第１圧力制御室６は、第１燃料通路１２と第１出口絞り１５を介して制御弁１６のバルブ燃料室１７に連通しており、第２圧力制御室７は、第２燃料通路１４と第２出口絞り１８を介して制御弁１６のバルブ燃料室１７に連通している。ここで、第１出口絞り１５の流路面積は、第１入口絞り１１の流路面積よりも大きく設けられ、第２出口絞り１８の流路面積は、第２入口絞り１３の流路面積よりも大きく設けられている。
【００２０】
なお、制御弁１６は、第１出口絞り１５の下流と低圧通路１９との遮断あるいは連通を切り替えて、第１圧力制御室６を高圧あるいは低圧に制御するとともに、第２出口絞り１８の下流と低圧通路１９との遮断あるいは連通を切り替えて、第２圧力制御室７を高圧あるいは低圧に制御するものであり、この制御弁１６の詳細は後述する。
【００２１】
図２に示すように、第１ノズル弁４の先端の第１シート部２０が、バルブボディ３の第１弁座２１に着座することにより、第１噴孔２２を閉塞するように設けられている。
また、第１ノズル弁４の先端は、図２に示すように、第１弁座２１に当接する第１シート部２０の外縁と、第１ノズル弁４の外径との間に、第１受圧面２３が形成されており、この第１受圧面２３が高圧燃料から受ける力により第１ノズル弁４はリフト方向に向かう力を受ける。
【００２２】
第１ノズル弁４の反噴射側の端部は、ピン２４を介して第１スプリング２５から付勢力を受けるものであり、第１スプリング２５は、第１ノズル弁４を閉弁方向に向けて付勢している。また、第１ノズル弁４の反噴射側の端部は、第１圧力制御室６に面しており、第１圧力制御室６の燃料圧力から受ける力によって第１ノズル弁４は閉弁方向に付勢される。
なお、第１ノズル弁４は、反噴射側の端部がディスタンスピース２６の下面に係止することによりリフト量がｈ2 に規制される。つまり、第１弁座２１に対する第１ノズル弁４の最大リフト量はｈ2 である。
【００２３】
第２ノズル弁５は、燃料噴射側から順に、小径部２７、大径部２８、ニードルエンド２９が形成されている。図２に示すように小径部２７の先端に形成された円錐状の第２シート部３０は、バルブボディ３の第２弁座３１に着座することにより、第１噴孔２２より燃料下流側に形成された第２噴孔３２を閉塞するものである。
第２ノズル弁５の小径部２７と大径部２８との間には、第１ノズル弁４に形成された横孔３３を介して高圧燃料が供給されており、小径部２７と大径部２８の断面積差分の第２受圧面３４に受ける力により、第２ノズル弁５はリフト方向に力を受けている。
【００２４】
第２ノズル弁５の反噴射側の端部は、第１ノズル弁４の内部に収容された第２スプリング３５から付勢力を受けるものであり、第２スプリング３５は、第２ノズル弁５を閉弁方向に向けて付勢している。また、第２ノズル弁５の反噴射側の端部は、第２圧力制御室７に面しており、第２圧力制御室７の燃料圧力から受ける力によって第２ノズル弁５が閉弁方向に付勢される。
なお、第２ノズル弁５は、反噴射側のニードルエンド２９が第１ノズル弁４の収容孔の段差部に係止することにより、第１ノズル弁４に対するリフト量がｈ1 に規制される。つまり、第２弁座３１に対する第２ノズル弁５の最大リフト量はｈ1 ＋ｈ2 となる。
【００２５】
第１ノズル弁４のリフトについて説明する。第１圧力制御室６に高圧燃料が供給されていると、第１スプリング２５の閉弁力と第１圧力制御室６の閉弁力の和は、第１受圧面２３の開弁力よりも大きくなるので、第１ノズル弁４は第１弁座２１に着座する。
第１圧力制御室６が制御弁１６の作動によって排圧されると、第１圧力制御室６の閉弁力が低下するため、第１ノズル弁４は第１弁座２１から離座し、リフトを開始する。
【００２６】
第２ノズル弁５のリフトについても同様に説明する。第２圧力制御室７に高圧燃料が供給されていると、第２スプリング３５の閉弁力と第２圧力制御室７の閉弁力の和は、第２受圧面３４の開弁力よりも大きくなるので、第２ノズル弁５は第２弁座３１に着座する。
第２圧力制御室７が制御弁１６の作動によって排圧されると、第２圧力制御室７の閉弁力が低下するため、第２ノズル弁５は第２弁座３１から離座し、リフトを開始する。
【００２７】
上述したように、第１圧力制御室６および第２圧力制御室７は、制御弁１６によって圧力が制御される。
制御弁１６は、図１に示すように、低圧通路１９を閉塞して、第１圧力制御室６および第２圧力制御室７を共に高圧にする「閉弁モード」と、第２出口絞り１８の下流のみを閉塞して、第１出口絞り１５の下流と低圧通路１９を連通させて、第１圧力制御室６を低圧にするとともに、第２圧力制御室７を高圧にする「低噴射モード」と、第１出口絞り１５の下流と第２出口絞り１８の下流を共に低圧通路１９に連通させて、第１圧力制御室６および第２圧力制御室７を共に低圧にする「高噴射モード」とを切り替えるものである。
【００２８】
制御弁１６は、燃料噴射装置１の上部に装着される電磁弁４０の構成部品であり、この電磁弁４０は、ハウジング４１の上部とリテーニングナット４２によって締結されている。この電磁弁４０は、制御弁１６の他に、弁ボディ４３、電磁コイル４４、バルブピン４５、第１コイルバネ４６、第２コイルバネ４７等で構成されている。
【００２９】
制御弁１６は、第１コイルバネ４６の付勢力によってハウジング４１に着座して低圧通路１９を閉塞可能なものであり、低圧通路１９が閉塞されることにより上述した「閉弁モード」の設定となる。
制御弁１６の上部に設けられた円盤状のアーマチャ４８は、電磁コイル４４が通電されることにより発生する励磁吸引力により上方にリフトし、バルブピン４５の下端に当接してＨ1 リフトする。この状態の制御弁１６は、第１、第２出口絞り１５、１８の下流を共に低圧通路１９を連通させるものであり、上述した「高噴射モード」の設定となる。
【００３０】
この「高噴射モード」より電磁コイル４４に供給される電流値を更に大きくした場合では、制御弁１６のアーマチャ４８に作用する励磁吸引力が大きくなり、制御弁１６とバルブピン４５とが上昇して、制御弁１６の上シート部１６ａが弁ボディ４３の着座部４３ａに当接し、制御弁１６がＨ2 リフトする。この状態の制御弁１６は、第２出口絞り１８の下流側を閉塞して、第１出口絞り１５の下流と低圧通路１９を連通させるものであり、上述した「低噴射モード」の設定となる。
【００３１】
（第１実施例の作動説明）
次に、燃料噴射装置１の作動を説明する。
まず、図示しない燃料噴射ポンプから燃料が吐出され、図示しないコモンレールで所定の燃料圧に蓄圧された高圧燃料は、燃料噴射装置１の燃料インレット８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、エンジンの運転状態に応じたタイミングにおいて、エンジンの運転状態に応じた制御弁１６の駆動電流が生成されて、電磁コイル４４に供給される。
【００３２】
（第１ノズル弁４および第２ノズル弁５の閉弁時）
電磁コイル４４の通電OFF 時、制御弁１６は、第１コイルバネ４６の付勢力によりハウジング４１の上端に着座して低圧通路１９を閉塞する。これによって、第１出口絞り１５および第２出口絞り１８の下流が共に閉塞される「閉弁モード」になる。このため、高圧通路９、第１入口絞り１１、第１燃料通路１２を介して第１圧力制御室６に高圧燃料が供給されるとともに、高圧通路９、第２入口絞り１３、第２燃料通路１４を介して第２圧力制御室７に高圧燃料が供給される。
【００３３】
この状態において、第１受圧面２３の開弁力は、第１スプリング２５による閉弁力と第１圧力制御室６の閉弁力の和よりも小さいので、第１ノズル弁４は第１弁座２１に着座している。
この時、第２受圧面３４の開弁力は、第２スプリング３５の閉弁力と第２圧力制御室７の閉弁力の和よりも小さいので、第２ノズル弁５も第２弁座３１に着座している。
【００３４】
（第１ノズル弁４の開弁による小噴射率の作動説明）
電磁弁４０の電磁コイル４４に高い電流が供給されると、電磁コイル４４の励磁吸引力が大きくなり、制御弁１６がＨ2 リフトして制御弁１６の上シート部１６ａが弁ボディ４３の着座部４３ａに当接する。この状態では、第２出口絞り１８の下流が閉塞し、第１出口絞り１５の下流が低圧通路１９と連通する「低噴射モード」になる。
【００３５】
第１圧力制御室６は、第１燃料通路１２と第１出口絞り１５を介して低圧通路１９に連通する。第１入口絞り１１より第１出口絞り１５の流路面積が大きく設定されているため、流入燃料よりも流出燃料が多く、第１圧力制御室６の燃料圧力は低下し始める。
第１圧力制御室６の燃料圧力が低下することにより、第１受圧面２３の開弁力が、第１スプリング２５による閉弁力と第１圧力制御室６の閉弁力の和よりも大きくなり、第１ノズル弁４が第１弁座２１から離座する。
この時、第２受圧面３４の開弁力は、第２スプリング３５の閉弁力と第２圧力制御室７の閉弁力の和よりも小さいので、第２ノズル弁５は第２弁座３１に着座したままである。
【００３６】
第１ノズル弁４が第１弁座２１から離座することにより、第１噴孔２２から燃料が噴射される。第１ノズル弁４が第１弁座２１から離座すると、第１ノズル弁４の先端部も高圧燃料からリフト方向に力を受けるので、第１ノズル弁４のリフト速度が上昇し、初期噴射率が速やかに上昇する。そして、第１ノズル弁４がリフトして、その上端がディスタンスピース２６に当接すると、噴射率は一定（低噴射率）になる。
【００３７】
次に、運転状態に応じた所定時間が経過すると、電磁コイル４４への駆動電流の供給が停止され、制御弁１６が低圧通路１９を閉塞する（図１の状態）。すると、第１出口絞り１５の下流側と低圧通路１９との連通が遮断されるため、第１入口絞り１１からの高圧燃料により第１圧力制御室６が高圧状態に移り、第１ノズル弁４が速やかに閉弁方向に移動し、第１弁座２１に着座する。この結果、第１噴孔２２からの燃料噴射が終了する。
【００３８】
（第１ノズル弁４と第２ノズル弁５の開弁による大噴射率の作動説明）
電磁弁４０の電磁コイル４４に低い電流が供給されると、電磁コイル４４の励磁吸引力が小さくなり、制御弁１６が第１リフト量Ｈ1 の位置までリフトし、バルブピン４５の下端に当接して停止する。この状態では、第１出口絞り１５および第２出口絞り１８の下流が低圧通路１９に連通する「高噴射モード」になる。
【００３９】
第１圧力制御室６は、上述した「低噴射モード」と同様、第１燃料通路１２と第１出口絞り１５を介して低圧通路１９に連通する。第１入口絞り１１より第１出口絞り１５の流路面積が大きく設定されているため、流入燃料よりも流出燃料が多く、第１圧力制御室６の燃料圧力は低下し始める。
第１圧力制御室６の燃料圧力が低下することにより、第１受圧面２３の開弁力が、第１スプリング２５による閉弁力と第１圧力制御室６の閉弁力の和よりも大きくなり、第１ノズル弁４が第１弁座２１から離座する。
【００４０】
この時、第２圧力制御室７も、第２燃料通路１４と第２出口絞り１８を介して低圧通路１９に連通する。第２入口絞り１３より第２出口絞り１８の流路面積が大きく設定されているため、流入燃料よりも流出燃料が多く、第２圧力制御室７の燃料圧力は低下し始める。
第２圧力制御室７の燃料圧力が低下することにより、第２受圧面３４の開弁力が、第２スプリング３５の閉弁力と第２圧力制御室７の閉弁力の和よりも大きくなり、第２ノズル弁５が第２弁座３１から離座する。
【００４１】
第１ノズル弁４および第２ノズル弁５が、第１弁座２１および第２弁座３１から離座することにより、第１噴孔２２および第２噴孔３２から燃料が噴射される。第１ノズル弁４および第２ノズル弁５が第１弁座２１および第２弁座３１から離座すると、第１ノズル弁４および第２ノズル弁５の先端部も高圧燃料からリフト方向に力を受けるので、第１ノズル弁４および第２ノズル弁５のリフト速度が上昇し、初期噴射率が速やかに上昇する。そして、第１ノズル弁４がリフトして、その上端がディスタンスピース２６に当接するとともに、第２ノズル弁５がリフトして、その上端が第１ノズル弁４の内部の段差部に当接すると、噴射率は一定（高噴射率）になる。
【００４２】
次に、運転状態に応じた所定時間が経過すると、電磁コイル４４への駆動電流の供給が停止され、制御弁１６が低圧通路１９を閉塞する（図１の状態）。すると、第１出口絞り１５の下流側と低圧通路１９との連通が遮断されるとともに、第２出口絞り１８の下流側と低圧通路１９との連通が遮断されるため、第１入口絞り１１からの高圧燃料により第１圧力制御室６が高圧状態に移るとともに、第２入口絞り１３からの高圧燃料により第２圧力制御室７が高圧状態に移る。これにより、第１ノズル弁４および第２ノズル弁５が速やかに閉弁方向に移動し、第１弁座２１および第２弁座３１に着座する。この結果、第１噴孔２２および第２噴孔３２からの燃料噴射が終了する。
【００４３】
上記では、小噴射率の作動と、大噴射率の作動について説明した。これらは、１回の噴射中において、小噴射率の作動か、大噴射率の作動かの、どちらか一方を選ぶものである。ここで、小噴射率の作動と大噴射率の作動を、１回の噴射中で切り替えることが可能であり、この切り替えにより噴射率を２段階に切り替える「ブーツ型噴射」が性能上最も好ましい。
【００４４】
（１回の噴射中に噴射率を切り替えるブーツ型噴射の作動説明）
まず、電磁弁４０の電磁コイル４４に高い電流が供給される。すると、電磁コイル４４の励磁吸引力が大きくなり、制御弁１６がＨ2 リフトして制御弁１６の上シート部１６ａが弁ボディ４３の着座部４３ａに当接する。この状態では、第２出口絞り１８の下流が閉塞し、第１出口絞り１５の下流が低圧通路１９と連通する「低噴射モード」になる。
【００４５】
第１圧力制御室６は、第１燃料通路１２と第１出口絞り１５を介して低圧通路１９に連通する。第１入口絞り１１より第１出口絞り１５の流路面積が大きく設定されているため、流入燃料よりも流出燃料が多く、第１圧力制御室６の燃料圧力は低下し始める。
第１圧力制御室６の燃料圧力が低下することにより、第１受圧面２３の開弁力が、第１スプリング２５による閉弁力と第１圧力制御室６の閉弁力の和よりも大きくなり、第１ノズル弁４が第１弁座２１から離座する。
この時、第２受圧面３４の開弁力は、第２スプリング３５の閉弁力と第２圧力制御室７の閉弁力の和よりも小さいので、第２ノズル弁５は第２弁座３１に着座したままである。
【００４６】
第１ノズル弁４が第１弁座２１から離座することにより、第１噴孔２２から燃料が噴射される。第１ノズル弁４が第１弁座２１から離座すると、第１ノズル弁４の先端部も高圧燃料からリフト方向に力を受けるので、第１ノズル弁４のリフト速度が上昇し、初期噴射率が速やかに上昇する。そして、第１ノズル弁４がリフトして、その上端がディスタンスピース２６に当接すると、噴射率は一定（低噴射率）になる。
【００４７】
次に、運転状態に応じた所定時間が経過すると、電磁弁４０の電磁コイル４４に低い電流が供給される。すると、電磁コイル４４の励磁吸引力が小さくなるため、制御弁１６が第１リフト量Ｈ1 の位置まで戻る。この状態では、第１出口絞り１５および第２出口絞り１８の下流が低圧通路１９に連通する「高噴射モード」になる。
【００４８】
すると、第２圧力制御室７も、第２燃料通路１４と第２出口絞り１８を介して低圧通路１９に連通する。第２入口絞り１３より第２出口絞り１８の流路面積が大きく設定されているため、流入燃料よりも流出燃料が多く、第２圧力制御室７の燃料圧力は低下し始める。
第２圧力制御室７の燃料圧力が低下することにより、第２受圧面３４の開弁力が、第２スプリング３５の閉弁力と第２圧力制御室７の閉弁力の和よりも大きくなり、第２ノズル弁５が第２弁座３１から離座する。
【００４９】
第２ノズル弁５が第２弁座３１から離座することにより、第２噴孔３２からも燃料が噴射される。第２ノズル弁５が第２弁座３１から離座すると、第２ノズル弁５の先端部も高圧燃料からリフト方向に力を受けるので、第２ノズル弁５のリフト速度が上昇し、２段階目の噴射率が速やかに上昇する。そして、第２ノズル弁５がリフトして、その上端が第１ノズル弁４の内部の段差部に当接すると、噴射率は一定（高噴射率）になる。
【００５０】
次に、運転状態に応じた所定時間が経過すると、電磁コイル４４への駆動電流の供給が停止され、制御弁１６が低圧通路１９を閉塞する（図１の状態）。すると、第１出口絞り１５の下流側と低圧通路１９との連通が遮断されるとともに、第２出口絞り１８の下流側と低圧通路１９との連通が遮断されるため、第１入口絞り１１からの高圧燃料により第１圧力制御室６が高圧状態に移るとともに、第２入口絞り１３からの高圧燃料により第２圧力制御室７が高圧状態に移る。これにより、第１ノズル弁４および第２ノズル弁５が速やかに閉弁方向に移動し、第１弁座２１および第２弁座３１に着座する。この結果、第１噴孔２２および第２噴孔３２からの燃料噴射が終了する。
【００５１】
上記で示した「ブーツ型噴射」は、電磁コイル４４の駆動電流を大電流から小電流に切り替えるタイミングを、エンジンの運転状態に応じて変化させることにより、エンジンの運転状態の全域において最適な噴射率パターンを得ることができる。
【００５２】
（第１実施例の効果）
次に、比較例１（特開昭６１−１３５９７９号公報に開示される燃料噴射装置１００）および比較例２（特開平９−３２６８７号公報に開示される燃料噴射装置１２０）と比較して、この第１実施例の作動および効果を説明する。
【００５３】
比較例１は、第１実施例と同様に中空円筒状の第１ノズル弁と、その内部に往復移動可能に収容される第２ノズル弁とを有するが、電磁弁およびこの電磁弁により圧力調整される圧力制御室を持たず、燃料供給ポンプからの燃料供給圧の変化に応じて作動する燃料噴射装置である。
このため、第１ノズル弁および第２ノズル弁の開弁タイミングは、燃料噴射ポンプから供給される燃料供給圧から受ける力と、第１スプリングおよび第２スプリングの付勢力とのバランスにより決定される。
【００５４】
このため、初期噴射圧が小さいので、燃焼室に噴射された燃料が良好に微粒化せずに燃焼不良の原因となってしまう。また、低い燃料供給圧で第１ノズル弁が開弁することにより噴射時間が長くなるので、燃費が低下し、且つ噴射のシャープカット性が低下する。
この問題を解決するために、中空円筒状の第１ノズル弁のリフトタイミングを電磁弁で制御するように設けても、第２ノズル弁のリフトタイミングは、あくまでも燃料噴射ポンプから供給される燃料供給圧から受ける力と、第２スプリングの付勢力とのバランスにより決定される。このため、電磁弁の通電を制御して第１ノズル弁のリフト時期をずらせることにより初期噴射圧力を増加させることができても、初期噴射率を低減することはできない。
【００５５】
比較例２は、第１ノズル弁と第２ノズル弁を持ち、第１ノズル弁の反噴射方向に電磁弁で圧力制御される圧力制御室を有する燃料噴射装置であり、コモンレールで蓄圧された高圧燃料が常時供給されるものである。このように、比較例２では、一定圧の高圧燃料が供給されているので、圧力制御室を低下させて第１ノズル弁をリフトすると、噴射初期段階から高圧燃料が燃焼室に噴射される。このため、燃料が良好に微粒化する。
さらに、比較例２は、第１ノズル弁が所定量リフトしてから第２ノズル弁がリフトする構成であり、第１噴孔からの燃料噴射から所定時間遅れて第２噴孔から燃料が噴射される。このため、燃料の噴射時期および噴射量を高精度に制御できるとともに、初期噴射率を低減しつつ初期噴射圧を上昇させることができる。
【００５６】
しかしながら、１回の燃料噴射期間中において噴射率を変化させるのは、第１ノズル弁と第２ノズル弁の軸方向に形成したギャップ、および圧力制御室からリークする燃料通路の絞りである。つまり、噴射中に噴射率を変化させる手段は、製造時に設定されるものである。噴射圧力が変われば付随的に噴射中の噴射率が変わるが、噴射圧力と噴射率特性の両方をエンジン運転状態の全域において最適化することは不可能である。
【００５７】
比較例１および比較例２に比較して、第１実施例の燃料噴射装置１は、第１ノズル弁４と第２ノズル弁５をそれぞれ独立して制御できるので、第１ノズル弁４のみ作動する小噴射率作動、第１、第２ノズル弁４、５の両方が同時に作動する大噴射率作動、第１ノズル弁４の作動に続いて第２ノズル弁５が作動するブーツ型噴射率作動のうち、運転状態に適した最適なものをエンジンの運転条件毎に自在に選択して制御することができる。
【００５８】
また、第１噴孔２２および第２噴孔３２を適切に設定した上で、第２ノズル弁５のみを作動させる４つめの作動形態を選択肢に加えることも可能である。また、ブーツ型噴射率作動において、第２ノズル弁５を先に作動させ、引き続き第１ノズル弁４を作動させるという作動形態を選択肢に加えても良い。
つまり、エンジン運転条件の全域において、第１噴孔２２のみの小噴射率噴射と、第１噴孔２２と第２噴孔３２の両方での大噴射率噴射との選択はもちろん、１回の燃料噴射期間中に先ず第１噴孔２２のみまたは第２噴孔３２のみによる小噴射率噴射を行い、途中から第１噴孔２２と第２噴孔３２の両方での大噴射率噴射に切り替えることも、その切り替え時期を運転状態に応じて変えることも自由に制御できる。また、切り替え順を逆、つまり１回の燃料噴射期間中において、第１噴孔２２と第２噴孔３２の両方での大噴射率噴射から、第１噴孔２２のみまたは第２噴孔３２のみによる小噴射率噴射に切り替えることも可能である。
【００５９】
上記に示した各切り替え制御は、噴射量、噴射時期、噴射圧力などの特性とは独立して制御できるので、エンジン運転条件の全域において、最適な噴射特性を得ることができる。特に、初期噴射率を低減しつつ、初期噴射圧を上昇させることができるので、排気ガス中への有害物質の混入を低下できる。
また、噴霧分布が大きく、燃料が良好に微粒化されるので、燃焼効率が向上して燃費を向上できる。
さらに、第１ノズル弁４と第２ノズル弁５を独立して制御するが、それらは１つの電磁弁４０によって制御できるように構成したので、燃料噴射装置１を小型化することができる。
【００６０】
〔第２実施例〕
第２実施例を図３、図４を用いて説明する。図３は、第２実施例による燃料噴射装置１の断面図、図４はその要部拡大図である。なお、第１実施例と同一機能物は同一符号を付す。
【００６１】
第１ノズル弁４および第２ノズル弁５が第１弁座２１および第２弁座３１に着座している状態では、第１ノズル弁４の第１シート部２０は第１噴孔２２の燃料上流側に着座するものであり、第２ノズル弁５の第２シート部３０は第２噴孔３２の燃料上流側に着座するものである。
第１ノズル弁４の先端部分には、第１ノズル弁４と第２ノズル弁５とに囲まれた油圧室５０が形成されており、第１ノズル弁４の第１シート部２０が第１弁座２１に着座することにより、燃料溜まり１０との連通が遮断される。
【００６２】
この第２実施例では、第１実施例に示した小径部２７および横孔３３が設けられておらず、燃料溜まり１０からの燃料は、第１ノズル弁４の着座時、第１弁座２１より下流には導入されないように設けられている。そして、第２ノズル弁５の先端は、図４に示すように、第２弁座３１に当接する第２ノズル弁５の第２シート部３０の外縁と、第２ノズル弁５の外径との間に、第２受圧面３４が形成されており、この第２受圧面３４が高圧燃料から受ける力により第２ノズル弁５はリフト方向に向かう力を受ける。従って、第１ノズル弁４が着座している状態では、第２ノズル弁５をリフト方向へ作動するための燃料圧力は存在せず、第２ノズル弁５のみを作動させることはできない。
【００６３】
作動としては、制御弁１６の作動によって第１圧力制御室６が低圧に切り替わり、第１ノズル弁４がリフトをすると、燃料溜まり１０の燃料が油圧室５０に導入される。その油圧室５０に供給された燃料圧力を第２受圧面３４が受けることによって、第２ノズル弁５はリフト方向の力を受ける。そして、この状態において、第２圧力制御室７が高圧であれば第２ノズル弁５はリフトせず、第２圧力制御室７が低圧に切り替われば第２ノズル弁５はリフトを開始する。なお、第２ノズル弁５がリフトを開始すると、第２ノズル弁５の先端に受ける燃料圧力によって第２ノズル弁５は大きなリフト力を受けることになるので、第１実施例と同様、初期噴射圧が速やかに上昇する。
【００６４】
ただし、この第２実施例では、第１実施例では可能であった作動のうち、第２ノズル弁５のみの作動と、第２ノズル弁５の開弁が先行するブーツ型噴射は不可能になる。
しかし、第１ノズル弁４と第２ノズル弁５の両方が閉弁状態の時は、第２圧力制御室７の圧力を低下させても閉弁状態が保たれる。このため、第２圧力制御室７を先行して圧力を低下させておいてから第１圧力制御室６の圧力を低下させるように設けることにより、第１ノズル弁４と第２ノズル弁５を同時に開弁させることができる。
【００６５】
また、この第２実施例では、第１実施例に示した小径部２７および横孔３３が設けられておらず、第２ノズル弁５の先端に第２受圧面３４を形成したものであるため、構造が簡素化されており、製造コストを安価に抑えることができる。
さらに、上述した同時開弁が可能であることに加えて、常時高圧に晒される部位が減少するので、燃料リークが減少する。つまり、高い信頼性で優れた効果を発揮できる。特に、第１実施例では、第１ノズル弁４の着座時においても第１噴孔２２の下流側に高圧燃料が供給されていたので、その高圧燃料は第１噴孔２２からリークが発生する可能性があったが、この第２実施例では第１ノズル弁４が着座している時は、第１噴孔２２の下流側に高圧燃料は供給されない。このため、第１ノズル弁４の第１シート部２０は、第１噴孔２２の上流側のみをシールできれば良く、第１ノズル弁４を簡素化でき、製造コストを安価に抑えることができる。
【００６６】
この第２実施例の望ましい変形例を示す。第１ノズル弁４が着座した状態の時、第２圧力制御室７の高圧燃料は、第１ノズル弁４と第２ノズル弁５の間の摺動部の隙間を通って油圧室５０に流入する。すると、この燃料は、第１ノズル弁４および第２ノズル弁５が着座しているにもかかわらず、油圧室５０に流入した燃料が、第１噴孔２２から燃焼室へ流出する場合が想定される。そこで、第１ノズル弁４と第２ノズル弁５の間の摺動部に環状のリーク回収溝を設け、このリーク回収溝を低圧通路１９に連通させる。これによって、第２圧力制御室７の高圧燃料が、第１ノズル弁４と第２ノズル弁５の間の摺動部の隙間にリークしても、そのリーク燃料はリーク回収溝を介して燃料タンク２に戻されることになり、上記の不具合を解消できる。
【００６７】
この第２実施例は、燃料リークの発生が抑えられるため、噴射圧力の高いエンジンに適用しても、高い信頼性を得ることができる。
また、この第２実施例の望ましい変形例においても、第１実施例と同様、エンジンの運転条件の全域において自由な切り替え間隔の設定が可能なブーツ型噴射ができるので、排気ガス中に発生するＮＯｘやパティキュレートの量を減少させることができる。
【００６８】
〔第３実施例〕
第３実施例を図５を用いて説明する。図５は燃料噴射装置１の要部断面図である。なお、上記実施例と同一機能物は同一符号を付して説明を省略する。
上記の第１、第２実施例の第２ノズル弁５は、第１ノズル弁４の摺動孔の内部に摺動する円柱状の摺動部と、バルブボディ３に当接して第２噴孔３２を閉塞するための円錐状の第２シート部３０とを備える棒状弁体であった。これに対し、この第３実施例の第２ノズル弁５は、第１ノズル弁４の摺動孔の内部に摺動する摺動部と、バルブボディ３に当接して前記第２噴孔３２を閉塞するための第２シート部３０とが、球面によって形成される球状弁体である。
作動および効果は第２実施例と同じであるが、この第３実施例では、第２ノズル弁５として球状弁体を採用することによって、燃料噴射装置１の小型化および低コスト化が可能になる。
【００６９】
〔変形例〕
上記の各実施例では、電磁弁４０を用いて制御弁１６を駆動する例を示したが、電磁弁４０に代えて電歪型のアクチェータを用いるなど、他のアクチェータを用いて制御弁１６を駆動しても良い。
また、各燃料通路のとり回しや、第１スプリング２５、第２スプリング３５の配置状態等も、上記で示した実施例に限定されるものでなく、適宜変更可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料噴射装置の断面図である（第１実施例）。
【図２】燃料噴射装置の要部断面図である（第１実施例）。
【図３】燃料噴射装置の断面図である（第２実施例）。
【図４】燃料噴射装置の要部断面図である（第２実施例）。
【図５】燃料噴射装置の要部断面図である（第３実施例）。
【図６】燃料噴射装置の断面図である（第１従来例）。
【図７】燃料噴射装置の断面図である（第２従来例）。
【図８】燃料噴射装置の断面図である（第３従来例）。
【符号の説明】
１ 燃料噴射装置
３ バルブボディ
４ 第１ノズル弁
５ 第２ノズル弁
６ 第１圧力制御室
７ 第２圧力制御室
１６ 制御弁
２２ 第１噴孔
３２ 第２噴孔
Claims (7)
- （ａ）第１噴孔および第２噴孔を備えるバルブボディと、
（ｂ）高圧燃料の供給圧によって開弁方向へ向かう付勢力を受けるものであって、前記第１噴孔を開閉するための第１ノズル弁と、
（ｃ）高圧燃料の供給圧によって開弁方向へ向かう付勢力を受けるものであって、前記第２噴孔を開閉するための第２ノズル弁と、
（ｄ）高圧燃料の供給圧によって前記第１ノズル弁を閉弁方向へ付勢し、高圧燃料が排圧されることによって前記第１ノズル弁を閉弁方向へ付勢する力が低下する第１圧力制御室と、
（ｅ）高圧燃料の供給圧によって前記第２ノズル弁を閉弁方向へ付勢し、高圧燃料が排圧されることによって前記第２ノズル弁を閉弁方向へ付勢する力が低下する第２圧力制御室と、
（ｆ）前記第１圧力制御室内の燃料圧力および前記第２圧力制御室内の燃料圧力を切り替えることにより、前記第１ノズル弁による前記第１噴孔の開閉および前記第２ノズル弁による前記第２噴孔の開閉を制御する１つの制御弁と、を備え、
前記制御弁は、前記第１圧力制御室に燃料排出用の低圧通路を接続することにより、前記第１圧力制御室を高圧から低圧に切り替えるとともに、前記第２圧力制御室に前記低圧通路を接続することにより、前記第２圧力制御室を高圧から低圧に切り替えることを特徴とする燃料噴射装置。 - 請求項１の燃料噴射装置において、
前記制御弁の切り替えによって、前記第１圧力制御室が高圧から低圧に切り替えられることにより、前記第１ノズル弁が前記第１噴孔から離座するとともに、前記第２圧力制御室が高圧から低圧に切り替えられることにより、前記第２ノズル弁が前記第２噴孔から離座することを特徴とする燃料噴射装置。 - 請求項１または請求項２の燃料噴射装置において、
前記制御弁による前記第１圧力制御室および前記第２圧力制御室の圧力切り替えタイミングは、車両の運転状態に応じてそれぞれが独立したタイミングで実施されることを特徴とする燃料噴射装置。 - 請求項１ないし請求項３のいずれかの燃料噴射装置において、
前記第２ノズル弁は、前記第１ノズル弁の内部において軸方向へ摺動自在に配置されるとともに、前記第１ノズルの内部に配置された第２スプリングによって閉弁方向へ付勢されることを特徴とする燃料噴射装置。 - 請求項４の燃料噴射装置において、
前記第２ノズル弁は、前記第１ノズル弁の摺動孔の内部に摺動する円柱状の摺動部と、前記バルブボディに当接して前記第２噴孔を閉塞するための円錐状のシート部とを備える棒状弁体であることを特徴とする燃料噴射装置。 - 請求項４の燃料噴射装置において、
前記第２ノズル弁は、前記第１ノズル弁の摺動孔の内部に摺動する摺動部と、前記バルブボディに当接して前記第２噴孔を閉塞するためのシート部とを、球面によって形成する球状弁体であることを特徴とする燃料噴射装置。 - 請求項４ないし請求項６のいずれかの燃料噴射装置において、
前記第２ノズル弁の最大リフト時は、前記第２ノズル弁の反噴孔側の端部が前記第１ノズル弁に当接することで、最大リフト量が設定されることを特徴とする燃料噴射装置。
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