JP4245639B2

JP4245639B2 - 内燃機関の燃料噴射弁

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Publication number: JP4245639B2
Application number: JP2007106052A
Authority: JP
Inventors: 嘉紀太長根; 義正渡辺; 重夫野村; 義明西島
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
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Priority date: 2007-04-13
Filing date: 2007-04-13
Publication date: 2009-03-25
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Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射弁に関する。

近年、内燃機関に用いられる燃料噴射弁として、二つの噴孔群を具備し、一方の噴孔群の噴孔のみからの燃料噴射と両噴孔群の噴孔からの燃料噴射とを使い分けることができる燃料噴射弁が開発されている。斯かる燃料噴射弁では、一般に、低負荷運転状態においては一方の噴孔径の細い噴孔群のみから燃料を噴射することにより噴霧を微粒化すると共に、高負荷運転状態においてはこの噴孔群に加えて噴孔径の太い噴孔群からも燃料を噴射することにより短期間に多量の燃料を噴射することを可能としている。

このような燃料噴射弁としては、例えば、円筒状の外側ニードル弁とこの外側ニードル弁の内側に同軸に設けられた内側ニードル弁とを具備し、外側ニードル弁が一方の噴孔群の噴孔を開閉すると共に内側ニードル弁が他方の噴孔群の噴孔を開閉する燃料噴射弁が知られている（例えば、特許文献１）。

特に、特許文献１に開示された燃料噴射弁では、外側ニードル弁及び内側ニードル弁の後端側に設けられた制御室から燃料を流出させて制御室内の燃料の圧力を低下させることにより、外側ニードル弁及び内側ニードル弁を順次リフトさせることとしている。作動時には、制御室から燃料を流出させると、まず外側ニードル弁のリフトが開始されて一方の噴孔群の噴孔のみからの燃料噴射が行われると共に、外側ニードル弁が或る程度リフトされたところで内側ニードル弁のリフトが開始され、両噴孔群の噴孔からの燃料噴射が行われる。ただし、外側ニードル弁が或る程度リフトされる前に制御室からの燃料の流出を中止すると、内側ニードル弁のリフトが開始されることはなく、よって燃料噴射の開始から終了までに亘って一方の噴孔群の噴孔のみから燃料噴射が行われることになる。

特開２００５−３２０９０４特開平８−３５４６７特開２００５−２０７４３０

ところで、特許文献１に記載の燃料噴射装置では、制御室から燃料を流出させる燃料の流量を変更することができず、基本的にニードル弁のリフト開始から終了までに亘ってほぼ一定の流量で燃料が制御室から流出することになる。このため、例えば制御室から燃料を流出させる通路に設けられたオリフィスにおける絞りを小さくして制御室から流出する燃料の流量を多くすると、燃料噴射弁からの噴射率の挙動は図１０（Ａ）に実線ａ及びａ’で示したようになる。一方、制御室から燃料を流出させる通路に設けられたオリフィスにおける絞りを大きくして制御室から流出する燃料の流量を少なくすると、燃料噴射弁からの噴射率の挙動は図１０（Ａ）に破線ｂ及びｂ’で示したようになる。なお、図中のａ、ｂは機関運転状態が高負荷・高回転となっている場合等、長期間に亘って燃料噴射を行う場合、図中のａ’、ｂ’は機関運転状態が低負荷・低回転となっている場合等、短期間に燃料噴射を行う場合の噴射率の挙動をそれぞれ示している。

ここで、機関運転状態が高負荷・高回転となっている場合、機関本体から排出される排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_X）とスモークとの関係は図１０（Ｂ）に示したような関係となる。すなわち、高負荷・高回転時においては上記オリフィスの絞りが小さいとき（図中の実線ａ）の方がオリフィスの絞りが大きいとき（図中の破線ｂ）よりもスモーク及びＮＯ_Xの発生量が少ないことが分かる。また、図１０（Ａ）から分かるように、噴射期間中の総燃料噴射量はオリフィスの絞りが小さいときの方が多く、よって出力を高めることができる。従って、排気エミッション及び出力の観点から、機関運転状態が高負荷・高回転となっている場合には、オリフィスの絞りを小さくし、制御室から流出する燃料の流量を多くすることが好ましい。

一方、機関運転状態が低負荷・低回転となっている場合、機関本体から排出される排気ガス中に含まれるＮＯ_Xと炭化水素（ＨＣ）との関係は図１０（Ｃ）に示したような関係となる。すなわち、低負荷・低回転時においては上記オリフィスの絞りが大きいとき（図中の破線ｂ’）の方がオリフィスの絞りが小さいとき（図中の実線ａ’）よりもＨＣ及びＮＯ_Xの発生量が少ないことが分かる。従って、排気エミッションの観点から、機関運転状態が低負荷・低回転となっている場合には、オリフィスの絞りを大きくし、制御室から流出する燃料の流量を少なくすることが好ましい。

このように、機関運転状態に応じて制御室から流出させる最適な燃料の流量が異なっている。しかしながら、上記特許文献１に記載の燃料噴射弁では制御室から流出させる燃料の流量を変化させることができず、よって全ての運転領域において最適な燃料噴射率を得ることができない。

そこで、本発明の目的は、様々な機関運転領域において最適な燃料噴射率での燃料噴射を行うことができる燃料噴射弁を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、第一噴孔群及び第二噴孔群と、制御室と、第一ニードル弁及び第二ニードル弁とを具備し、上記第一ニードル弁が上記第一噴孔群の噴孔を開閉し、上記第二ニードル弁が第二噴孔群の噴孔を開閉し、上記第一ニードル弁及び上記第二ニードル弁のリフトは上記制御室内の燃料の圧力により制御せしめられる燃料噴射弁において、上記制御室に流入する燃料流量又は該制御室から流出する燃料流量を変更する流入・流出流量変更手段をさらに具備し、該流入・流出流量変更手段による燃料流量の変更制御は燃料供給源のコモンレール圧に基づいて行われる。
第１の発明によれば、制御室に流入する燃料流量又は制御室から流出する燃料流量が燃料供給源のコモンレール圧に基づいて変更せしめられる。ここで、コモンレール圧は機関負荷・機関回転数に応じて、すなわち機関運転状態に応じて変更される。したがって、第１の発明では、機関運転状態に応じて制御室に流入・流出する燃料流量が変更せしめられ、よって機関運転状態に応じて燃料噴射率の変更速度が変更せしめられる。
なお、上記「ニードル弁の上昇中」とは、二つのニードル弁のうち少なくともいずれか一方が上昇している状態を意味する。

上記課題を解決するために、第２の発明では、第一噴孔群及び第二噴孔群と、制御室と、ニードル弁とを具備し、上記ニードル弁のリフト量が所定量以下のときには上記第一噴孔群の噴孔のみが開放され、上記ニードル弁のリフト量が所定量よりも大きいときには上記第一噴孔群の噴孔に加えて上記第二噴孔群の噴孔が開放せしめられる燃料噴射弁において、上記制御室に流入する燃料流量又は該制御室から流出する燃料流量を変更する流入・流出流量変更手段をさらに具備し、該流入・流出流量変更手段による燃料流量の変更制御は燃料供給源のコモンレール圧に基づいて行われる。

第３の発明では、第１又は第２の発明において、上記流入・流出流量変更手段は上記燃料供給源のコモンレール圧が低くなると上記制御室内の燃料量の減少速度が遅くなるように燃料流量を変更する。

第４の発明では、第３の発明において、上記流入・流出流量変更手段は、上記燃料供給源及び上記制御室に連通する燃料流入通路と、該燃料流入通路を通って流れる燃料の流量を調整可能な流量制御弁とを具備し、上記燃料供給源のコモンレール圧が所定圧力以上であるときには上記流量制御弁が上記燃料流入通路を遮断すると共にコモンレール圧が所定圧力よりも低いときには上記流量制御弁が上記燃料流入通路を全開にする。

第５の発明では、第１〜第４のいずれか一つの発明において、上記流入・流出流量変更手段は上記ニードル弁の上昇初期における上記制御室内の燃料量の減少速度が上記ニードル弁の上昇後期における減少速度よりも遅くなるように燃料流量を変更する。

第６の発明では、第５の発明において、上記流入・流出流量変更手段は、上記燃料供給源及び上記制御室に連通する燃料流入通路と、該燃料流入通路を通って流れる燃料の流量を調整可能な流量制御弁とを具備し、上記ニードル弁上昇初期には該流量制御弁が燃料流入通路を遮断すると共に上記ニードル弁上昇後期には該流量制御弁が燃料流入通路を全開にする。

第７の発明では、第５の発明において、上記流入・流出流量変更手段は、燃料回収部及び上記制御室に連通する燃料流出通路と、該燃料流出通路を通って流れる燃料の流量を調整可能な流量制御弁とを具備し、上記ニードル弁上昇初期には該流量制御弁が燃料流出通路を遮断すると共に上記ニードル弁上昇後期には該流量制御弁が燃料流出通路を全開にする。

本発明によれば、機関運転状態に応じて燃料噴射率の変更速度が変更せしめられることから、様々な機関運転領域において最適な燃料噴射率での燃料噴射を行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の燃料噴射弁の第一実施形態を示す概略断面図であり、図２は図１に示した燃料噴射弁の拡大図である。図２の左側は外側ニードル弁のみがリフトされている状態、図２の右側は外側ニードル弁及び内側ニードル弁共にリフトされている状態を示している。

本実施形態の燃料噴射装置は、高圧ポンプによって燃料タンクから高圧燃料が供給されるコモンレール（燃料蓄圧部）１と、コモンレール１から高圧燃料が供給され且つ機関燃焼室（図示せず）内に燃料を噴射する燃料噴射弁（以下、「インジェクタ」と称す）２と、噴射すべき燃料を貯留する燃料タンク（燃料回収部）３とを備える。また、コモンレール１内の燃料圧力は比較的高い圧力（例えば、８０ＭＰａ〜１４０ＭＰａ）に保たれる。

インジェクタ２は、図２に示したように、筒状のノズルボディ１１と、このノズルボディ１１と同軸に配置された中実の内側ニードル弁１２と、上記ノズルボディ１１と同軸に配置された中空の外側ニードル弁１３とを具備する。ノズルボディ１１はその内部に中空空間を有し、この中空空間内に両ニードル弁１２、１３が収容される。また、外側ニードル弁１３はその内部に中空空間を有し、この中空空間内に内側ニードル弁１２が受容される。ノズルボディ１１の先端部には二つの噴孔群１４、１５が設けられており、これら噴孔群のうち内側噴孔群１４の噴孔は内側ニードル弁１２によって開閉されると共に外側噴孔群１５の噴孔は外側ニードル弁１３によって開閉される。各噴孔群１４、１５はそれぞれ一つ又はそれ以上の噴孔によって構成せしめられる。なお、本明細書においては、図１の下側、すなわちノズルボディ１１に噴孔群１４、１５が設けられている側を下方、図１の上側、すなわち噴孔群が設けられていない側を上方として説明する。

ノズルボディ１１の内面と外側ニードル弁１３の外周面及び内側ニードル弁１２の先端部の外面との間には、インジェクタ２から噴射すべき燃料が流れるノズル室１６が形成される。このノズル室１６は、コモンレール１に通じる高圧燃料供給通路１７と連通していると共に、ノズルボディ１１の先端部に設けられた噴孔群１４、１５の各噴孔と連通する。

内側ニードル弁１２及び外側ニードル弁１３はそれぞれその軸線方向に摺動可能であり、斯かるニードル弁１２、１３の軸線方向の摺動により噴孔群１４、１５の各噴孔が開閉される。すなわち、ニードル弁１２、１３がリフト（上昇）せしめられると、それぞれ内側噴孔群１４及び外側噴孔群１５の各噴孔とノズル室１６とが通じ、各噴孔から燃料が噴射せしめられる。一方、ニードル１２、１３が最も下方の位置（リフトしていない状態）にあり、ニードル１２、１３の先端部がノズルボディ１１の先端部の内壁面に形成されたシート上に載置されている場合には各噴孔は閉じられており、よって各噴孔からの燃料の噴射が停止せしめられる。

内側ニードル弁１２は内側ニードル用バネ１８によって内側噴孔群１４の各噴孔を閉弁するように軸線方向下方に向かって付勢されている。また、外側ニードル弁１３は外側ニードル用バネ１９によって外側噴孔群１５の各噴孔を閉弁するように軸線方向下方に向かって付勢されている。また、ニードル弁１２、１３の上端面とノズルボディ１１の内面との間に圧力制御室２０が画成される。この圧力制御室２０内には燃料が供給されており、この圧力制御室２０内の燃料圧力により内側ニードル弁１２及び外側ニードル弁１３は下向きの力を受ける。すなわち、内側ニードル弁１２及び外側ニードル弁１３はバネ１８、１９及び圧力制御室２０内の燃料により下向きの力を受けている。逆に、内側ニードル弁１２及び外側ニードル弁１３はノズル室１６内の燃料圧力により上向き（噴孔開弁方向）の力を受ける。

したがって、内側ニードル弁１２は内側ニードル用バネ１８及び圧力制御室２０内の燃料圧力により内側ニードル弁１２が受ける下向き（噴孔閉弁方向）の力が、ノズル室１６内の燃料圧力により内側ニードル弁１２が受ける上向き（噴孔開弁方向）の力と同一であるか又はそれよりも大きい場合、内側ニードル弁１２は下降せしめられるか又は内側噴孔群１４の各噴孔を閉じたまま維持せしめられる。逆に、内側ニードル用バネ１８及び圧力制御室２０内の燃料圧力によって内側ニードル弁１２が受ける下向きの力が、ノズル室１６内の燃料圧力により内側ニードル弁１２が受ける上向きの力よりも小さい場合、内側ニードル弁１２は上昇せしめられる。

外側ニードル弁１３についても同様なことが言え、外側ニードル用バネ１９及び圧力制御室２０内の燃料圧力により外側ニードル弁１３が受ける下向き（噴孔閉弁方向）の力が、ノズル室１６内の燃料圧力により外側ニードル弁１３が受ける上向き（噴孔開弁方向）の力と同一であるか又はそれよりも大きい場合、外側ニードル弁１３は下降せしめられるか又は外側噴孔群１５の各噴孔を閉じたまま維持せしめられる。逆に、外側ニードル用バネ１９及び圧力制御室２０内の燃料圧力によって外側ニードル弁１３が受ける下向きの力が、ノズル室１６内の燃料圧力により外側ニードル弁１３が受ける上向きの力よりも小さい場合、外側ニードル弁１３は上昇せしめられる。なお、外側ニードル用バネ１９の付勢力は内側ニードル用バネ１８の付勢力よりも弱いものとされる。

圧力制御室２０は、オリフィス２１を介して燃料流出入通路２２と連通しており、この燃料流出入通路２２は制御弁２３に接続されている。制御弁２３にはノズル室１６内に連通する高圧燃料通路２４と、燃料タンク３に接続されているリターン通路２５とが接続されている。制御弁２３は、燃料流出入通路２２を高圧燃料通路２４とリターン通路２５とに選択的に連通されることが可能である。

図１に示したように制御弁２３によって燃料流出入通路２２が高圧燃料通路２４に連通せしめられている（以下、「高圧接続状態」という）と、圧力制御室２０がノズル室１６と連通することから圧力制御室２０内の燃料圧力はコモンレール１の高い燃料圧力（以下、「レール圧」という）にまで上昇せしめられる。一方、制御弁２３によって燃料流出入通路２２がリターン通路２５に連通せしめられている（以下、「リターン接続状態」という）と、圧力制御室２０内の燃料が燃料タンク３に戻されることから、圧力制御室２０内の燃料圧力は徐々に低下せしめられる。

なお、制御弁２３はＥＣＵによって制御されるソレノイドアクチュエータによって制御せしめられる。しかしながら、制御弁２３を制御するための手段は、ソレノイドアクチュエータでなくてもよく、圧電素子、超磁歪素子等、他のタイプのアクチュエータを用いてもよい。

このように構成された燃料噴射弁２では、燃料噴射を行うべきときには、まず制御弁２３を高圧接続状態からリターン接続状態へと切り替える。これにより、圧力制御室２０内の燃料が燃料流出入通路２２、制御弁２３、リターン通路２５を介して燃料タンク３内に流出せしめられる。オリフィス２１の存在により圧力制御室２０からの燃料の流出は一定流量に制限される。これに伴って、圧力制御室２０内の燃料圧力が徐々に低下し、まずバネの付勢力の弱い外側ニードル弁１３が上昇し始め、外側噴孔群１５の各噴孔からの燃料噴射が開始せしめられる。

そして、或る程度外側ニードル弁１３が上昇してもなお制御弁２３をリターン接続状態にし続けると、圧力制御室２０内の燃料圧力は更に低下し、内側ニードル弁１２が上昇し始め、内側噴孔群１４の各噴孔からも燃料噴射が開始される。その後、制御弁２３をリターン接続状態から高圧接続状態へと切り替えると、圧力制御室２０内の燃料圧力が徐々に上昇し、内側ニードル弁１２及び外側ニードル弁１３が共に下降すると共に、まず内側噴孔群１４が閉弁せしめられ、次いで外側噴孔群１５が閉弁せしめられ、燃料噴射が終了せしめられる。

一方、上記或る程度外側ニードル弁１３が上昇する前に制御弁２３をリターン接続状態から高圧接続状態へと切り替えると、圧力制御室２０内には燃料が流入し、これに伴って圧力制御室２０内の燃料圧力が徐々に上昇し、外側ニードル弁１３が下降すると共に、ついには外側噴孔群１５が閉弁せしめられ、燃料噴射が終了せしめられる。このように制御弁２３を制御することにより、燃料噴射弁２から少量の燃料噴射を行うことができる。

ところで、本実施形態の燃料噴射弁２では、圧力制御室２０は、オリフィス２１を介して燃料流出入通路２２と連通すると共に、オリフィス３０を介して燃料流入通路３１に連通している。この燃料流入通路３１は高圧燃料供給通路１７に連通していると共に燃料流入通路３１の途中には自動弁３２が設けられる。自動弁３２には自動弁駆動用燃料通路３３が接続されており、この自動弁駆動用燃料通路３３も高圧燃料供給通路１７に連通している。

自動弁駆動用燃料通路３３により自動弁３２にはレール圧が加えられる。これにより、レール圧が所定圧力以上の圧力となっている場合には自動弁３２が閉じられ、よって燃料流入通路３１を介しては圧力制御室２０内に燃料が流入しない。一方、レール圧が所定圧力よりも低い圧力となっている場合には自動弁３２が開かれ、よって燃料流入通路３１を介して圧力制御室２０内に燃料が流入する。

ところで、コモンレール１のレール圧は図３（Ａ）に示したように機関負荷及び機関回転数に応じて変化せしめられる。すなわち、機関運転状態が低負荷・低回転にあるときには内燃機関のピストンが圧縮上死点にあるときの燃焼室内の圧力（圧縮端圧力）が低く且つ燃料を噴射すべき吸気行程又は圧縮行程の期間が長いことからレール圧は低く設定され、逆に機関運転状態が高負荷・高回転にあるときには圧縮端圧力が高く且つ吸気行程又は圧縮行程の期間が短いことからレール圧は高く設定される。

従って、本実施形態では、コモンレール１のレール圧が所定圧力（図３（Ａ）中の自動弁切替レール圧）よりも低い圧力となっている場合（図３（Ａ）中の領域α）、すなわち機関運転状態が低負荷・低回転状態にあるときには自動弁３２は開かれる。このため、制御弁２３をリターン接続状態に切り替えると、オリフィス２１及び燃料流出入通路２２を介して圧力制御室２０から燃料が流出しつつ燃料流入通路３１及びオリフィス３０を介して圧力制御室２０に燃料が流入する。従って、圧力制御室２０内の燃料圧力の低下速度は遅く、よって図３（Ｂ）に示したように噴射率の上昇速度は遅い。この結果、図１０（Ｃ）に示したようにＨＣ及びＮＯ_Xの発生量を低減させることができる。

一方、コモンレール１のレール圧が上記所定圧力以上の圧力となっている場合、（図３（Ａ）中の領域β）、すなわち機関運転状態が高負荷・高回転状態にあるときには自動弁３２が閉じられる。このため、制御弁２３をリターン接続状態に切り替えると、オリフィス２１及び燃料流出入通路２２を介して圧力制御室２０から燃料が流出しているときに燃料流入通路３１及びオリフィス３０を介しては圧力制御弁２０に燃料が流入しない。従って、圧力制御室２０内の燃料圧力の低下速度は速く、よって図３（Ｃ）に示したように噴射率の上昇速度は速い。この結果、短時間に多量に燃料を噴射させて内燃機関の出力を高めることができると共に、図１０（Ｂ）に示したようにスモーク及びＮＯ_Xの発生量を低減させることができる。

すなわち、本実施形態の燃料噴射弁２によれば、低負荷・低回転時にはＨＣ及びＮＯ_Xの発生を低減させると共に、高負荷・高回転時にはスモーク及びＮＯ_Xの発生を低減させ且つ出力を高めることができる。

なお、上記実施形態では、自動弁３２はレール圧に応じて燃料流入通路３１を遮断と開放との間で切り替える切替弁として用いられているが、レール圧に応じて開度が変化して燃料流入通路３１内を流れる燃料の流量を制御する流量制御弁であってもよい。

図４は、第一実施形態の燃料噴射弁の変更例を示す図である。図４から分かるように、本変更例の燃料噴射弁４０は上記実施形態の燃料噴射弁と同様に二つの噴孔群１４’、１５’を有するが、一つのニードル弁４１のみを有する。ノズルボディ１１’はその側方に高圧燃料供給通路１７に連通する流入貫通孔４２と、制御弁２３に連通する流出貫通孔４３とを具備する。ノズルボディ１１’の先端にはサック部４４が設けられており、内側噴孔群１４’はこのサック部４４に連通する。また、ニードル弁４１の先端には円筒状部分４５が設けられ、この円筒状部分４５はサック部４４内で摺動する。サック部４４内にはＴ字状の流路４６が設けられる。

図４に示した燃料噴射弁４０では、圧力制御室２０’内の燃料圧力が高いと、ニードル弁４１はリフトされず、ニードル弁４１によって外側噴孔群１５’及び内側噴孔群１４’の全ての噴孔が閉弁される。この状態から圧力制御室２０’内の燃料圧力が低下するとニードル弁４１が上昇し始める。ニードル弁４１が上昇を開始すると外側噴孔群１５’の噴孔が開弁され、これら噴孔からの燃料噴射が開始せしめられる。このとき、内側噴孔群１４’の噴孔はニードル弁４１の円筒状部分４５によって閉じられており、よって内側噴孔群１４’の噴孔からは燃料が噴射されない。

その後、圧力制御室２０’内の燃料圧力がさらに低下せしめられてニードル弁４１がさらに上昇せしめられると、外側噴孔群１５’からの燃料噴射量が増大すると共に内側噴孔群１４’の噴孔が開弁され、これら噴孔からの燃料噴射が開始せしめられる。そして、圧力制御室２０’内の燃料圧力がさらに低下せしめられると、内側噴孔群１４’からの燃料噴射量も増大する。

そして、本変更例では、第一実施形態の燃料噴射弁２と同様に、オリフィス２１、燃料流出入通路２２、制御弁２３に加えて、オリフィス３０、燃料流入通路３１、自動弁３２、自動弁駆動用燃料通路３３が設けられる。これにより、レール圧に応じて圧力制御室２０’内の燃料圧力の低下速度が変化せしめられ、レール圧が低いときには圧力制御室２０’内の燃料圧力の低下速度は遅く、レール圧が高いときには圧力制御室２０’内の燃料圧力の低下速度は速くせしめられる。この結果、第一実施形態と同様に、低負荷・低回転時にはＨＣ及びＮＯ_Xの発生を低減させると共に、高負荷・高回転時にはスモーク及びＮＯ_Xの発生を低減させ且つ出力を高めることができる。

次に、図５（Ａ）を参照して本発明の第二実施形態の燃料噴射弁５０について説明する。第二実施形態の燃料噴射弁５０の構成は基本的に第一実施形態の燃料噴射弁２の構成と同様である。

しかしながら、燃料噴射弁５０では、ノズル室１６に連通する高圧燃料通路２４に代えてコモンレール１に連通する高圧燃料通路２４’が制御弁２３に接続されると共に、自動弁３２には自動弁駆動用通路３３に加えて自動弁制御用燃料通路５１が接続され、自動弁制御用燃料通路５１は燃料流出入通路２２に連通せしめられる。自動弁３２は、自動弁駆動用燃料通路３３内の燃料圧力と自動弁制御用燃料通路５１内の燃料圧力との差圧（以下、「燃料差圧」という）に応じて作動し、燃料差圧が小さいときには自動弁３２は開かれ、逆に燃料差圧が大きいときには自動弁３２が閉じられる。

ここで、自動弁制御用燃料通路５１内の燃料圧力は燃料流出入通路２２内を流れる燃料の圧力に対応して変化するため、制御弁２３が高圧接続状態にあるとき、すなわち燃料流出入通路２２内を高圧の燃料が流れているときには自動弁制御用燃料通路５１内の燃料圧力も高く、一方、制御弁２３がリターン接続状態にされて燃料流出入通路２２内を流れる燃料の圧力が徐々に低下すると、自動弁制御用燃料通路５１内の燃料圧力も徐々に低下する。

従って、制御弁２３が高圧接続状態にあるときには燃料差圧がほぼゼロであるため、図５（Ａ）に示したように自動弁３２は開かれる。このため、圧力制御室２０には燃料流出入通路２２及び燃料流入通路３１を介して燃料が流入し、圧力制御室２０内の圧力はレール圧に維持されるため、ニードル弁１２、１３はリフトされず、よって両噴孔群１４、１５の噴孔からは燃料が噴射されない。

その後、制御弁２３がリターン接続状態に切り替えられると燃料流出入通路２２、リターン通路２５を介して圧力制御室２０から燃料が流出せしめられ、圧力制御室２０内の燃料圧力が低下し、外側ニードル弁１３の上昇が開始せしめられる。この結果、外側噴孔群１３の各噴孔から燃料が噴射せしめられる。ただし、制御弁２３の切り替え直後においては自動弁３２が開かれていることから、燃料流入通路３１を介して圧力制御室２０内に燃料が流入するため、圧力制御室２０内の燃料圧力の低下速度は遅い。

その後、圧力制御室２０内の燃料圧力が所定圧力よりも低くなると、外側ニードル弁１３に加えて内側ニードル弁１２も上昇せしめられ、その結果、内側噴孔群１４の各噴孔からも燃料が噴射せしめられる。また、圧力制御室２０内の燃料圧力が所定圧力よりも低くなるのに前後して、燃料差圧が上記所定差圧以上になる。これに伴って、自動弁３２が閉じられ、これにより圧力制御室２０には燃料流入通路３１を介して燃料が流入せず、このため燃料の流出速度が増大する。この結果、外側ニードル弁１２の上昇速度又は両ニードル弁１２、１３の上昇速度が増大する。

図６は、燃料噴射弁からの燃料噴射の開始から終了までの噴射率の推移を示す図である。図６（Ａ）は外側ニードル弁１２の上昇終了後内側ニードル弁１３の上昇開始前に自動弁３２が開かれた状態から閉じられた状態に切り替わるように設定した場合における本実施形態の燃料噴射弁２による噴射率の推移、図６（Ｂ）、（Ｃ）は燃料流入通路３１等が設けられていない燃料噴射弁による燃料噴射の開始から終了までの噴射率の推移を示す図である。特に、図６（Ｂ）は燃料流出入通路２２に設けられたオリフィス２１の絞りを小さくして圧力制御室２０からの燃料流出速度を速くした場合を、図６（Ｃ）はオリフィス２１の絞りを大きくして圧力制御室２０からの燃料流出速度を遅くした場合をそれぞれ示している。

図６（Ａ）から分かるように、本実施形態の燃料噴射弁２では、燃料噴射を開始してからニードル弁１２、１３の上昇初期（図中の期間ｘ）のうちは圧力制御室２０内の燃料圧力の低下速度が遅いことから噴射率の上昇速度は遅い。その後、ニードル弁１２、１３の上昇後期（図中の期間ｙ）においては圧力制御室２０内の燃料圧力の低下速度が速いことから噴射率の上昇速度は速くなる。

本実施形態の燃料噴射弁２はこのような噴射挙動をとることにより、機関運転状態が低負荷・低回転にあるときには図６（Ａ）に破線で示したような態様で燃料噴射が行われることになる。このように噴射が行われることで噴射率の上昇速度が遅くっているため、図１０（Ｃ）に示したようにＨＣ及びＮＯ_Xの発生量を低減させることができる。

一方、機関運転状態が高負荷・高回転にあるときには図６（Ａ）に実線で示したような態様で燃料噴射が行われることになる。このように噴射が行われることで、少なくともニードル弁１２、１３の上昇後期における噴射率の上昇速度が速くなっているため、短時間に多量に燃料を噴射させて内燃機関の出力を高めることができると共に、図１０（Ｂ）に示したようにスモーク及びＮＯ_Xの発生量を低減させることができる。

すなわち、上述したような燃料噴射弁２によれば、低負荷・低回転時にはＨＣ及びＮＯ_Xの発生を低減させると共に、高負荷・高回転時にはスモーク及びＮＯ_Xの発生を低減させ且つ出力を高めることができる。

以上より、本実施形態によれば、燃料噴射弁５０から燃料噴射をする際に、ニードル弁１２、１３の上昇に伴って圧力制御室２０内の燃料圧力の低下速度が二段階に変更される。このため、燃料噴射量に応じて、すなわち機関負荷に応じて燃料噴射の噴射パターンをより適切なパターンとすることができる。

なお、自動弁３２が切り替わる条件はレール圧に応じて変化する。すなわち、レール圧が高いほど燃料流出入通路２２内の燃料圧力が高いときから自動弁３２が開弁状態から閉弁状態に切り替わる。

また、圧力制御室２０内の燃料圧力が所定圧力よりも低くなるのと、燃料差圧が上記所定差圧以上になるのが同時期になるように所定圧力及び所定差圧を設定するのが好ましいが、圧力制御室２０内の燃料圧力が所定圧力よりも低くなるよりも早く燃料差圧が上記所定差圧以上になるように、又は圧力制御室２０内の燃料圧力が所定圧力よりも低くなるよりも遅く燃料差圧が上記所定差圧以上になるように所定圧力及び所定差圧を設定してもよい。

図５（Ｂ）は上記第二実施形態の燃料噴射弁５０の変更例を示している。本変更例の燃料噴射弁５０’の構成は基本的に第二実施形態の燃料噴射弁５０の構成と同様であるが、燃料噴射弁５０’では、自動弁制御用燃料通路５１’が燃料流出入通路２２に接続されずに、圧力制御室２０に接続されている点で異なっている。

ここで、圧力制御室２０内の燃料圧力は、制御弁２３をリターン接続状態とした場合に燃料流出入通路２２内の燃料圧力よりも遅れて低下する。従って、本変更例では、上記第二実施形態の燃料噴射弁５０に比べて、自動弁３２の駆動を遅らせることができる。

次に、図７（Ａ）を参照して本発明の第三実施形態の燃料噴射弁６０について説明する。第三実施形態の燃料噴射弁６０の構成は基本的に第二実施形態の燃料噴射弁５０の構成と同様である。

しかしながら、燃料噴射弁６０では、制御弁２３には、圧力制御室２０に連通する二つの燃料流出入通路２２、６１と、コモンレール１に連通する高圧燃料通路２４’と、燃料タンク３に接続されているリターン通路２５とが接続される。また、制御弁２３は、燃料流出入通路２２、６１が高圧燃料通路２４’に接続される状態（高圧接続状態）と、燃料流出入通路２２、６１がリターン通路２５に接続される状態（リターン接続状態）との間で切り替え可能である。

また、一方の燃料流出入通路６１の途中には自動弁３２が設けられる。この自動弁３２には自動弁駆動用燃料通路３３と自動弁制御用燃料通路５１とが接続され、自動弁制御用燃料通路５１は燃料流出入通路２２に接続される。自動弁３２は、自動弁駆動用燃料通路３３内の燃料圧力と自動弁制御用燃料通路５１内の燃料圧力との燃料差圧に応じて作動し、燃料差圧が小さいときには自動弁３２は閉じられ、逆に燃料差圧が大きいときには自動弁３２が開かれる。

ここで、自動弁制御用燃料通路５１内の燃料圧力は燃料流出入通路２２内を流れる燃料の圧力に対応して変化するため、制御弁２３が高圧接続状態にあるときには自動弁制御用燃料通路５１内の燃料圧力も高く、制御弁２３がリターン接続状態にされると自動弁制御用燃料通路５１内の燃料圧力も徐々に低下する。

従って、制御弁２３が高圧接続状態にあるときには燃料差圧がほぼゼロであるため、図７（Ａ）に示したように自動弁３２は閉じられる。そして、圧力制御室２０には高圧燃料通路２４’、燃料流出入通路２２を介して燃料が流入し、圧力制御室２０内の圧力はレール圧に維持されるため、ニードル弁１２、１３はリフトされず、よって両噴孔群１４、１５の噴孔からは燃料が噴射されない。

その後、制御弁２３がリターン接続状態にされると、自動弁３２が閉じられていることから圧力制御室２０内の燃料は一方の燃料流出入通路２２のみを介して流出することになる。これに伴って、外側ニードル弁１３が上昇し、よって外側噴孔群１５の各噴孔から燃料が噴射せしめられる。また、燃料流出入通路２２及び自動弁制御用燃料通路５１内の燃料圧力が低下することから、上記燃料差圧が徐々に増大する。

その後、圧力制御室２０内の燃料圧力が所定圧力よりも低くなると、外側ニードル弁１３に加えて内側ニードル弁１２も上昇せしめられ、その結果、内側噴孔群１４の各噴孔からも燃料が噴射せしめられる。また、圧力制御室２０内の燃料圧力が所定圧力よりも低くなるのに前後して、燃料差圧が上記所定差圧以上になる。これに伴って、自動弁３２が開かれ、これにより圧力制御室２０内の燃料は両燃料流出入通路２２、６１を介して流出することになる。このため、燃料の流出速度が増大し、外側ニードル弁１２の上昇速度又は両ニードル弁１２、１３の上昇速度が増大する。

以上より、本実施形態によれば、燃料噴射弁６０から燃料噴射をする際に、ニードル弁１２、１３の上昇に伴って圧力制御室２０内の燃料圧力の低下速度が二段階に変更される。このため、燃料噴射量に応じて、すなわち機関負荷に応じて燃料噴射の噴射パターンをより適切なパターンとすることができる。

さらに、本実施形態では、オリフィス６２及び燃料通路６３により高圧燃料通路１７と圧力制御室２０とが接続されている。これにより、圧力制御室２０内の燃料圧力の低下速度を調整することができるが、これらオリフィス６２、燃料通路６３は設けられなくてもよい。

図７（Ｂ）は上記第二実施形態の燃料噴射弁６０の変更例を示している。本変更例の燃料噴射弁６０’の構成は基本的に第三実施形態の燃料噴射弁６０の構成と同様であるが、燃料噴射弁６０’では、自動弁制御用燃料通路５１’が燃料流出入通路２２に接続されずに、圧力制御室２０に接続されている点で異なっている。このため、本変更例では、上記第三実施形態の燃料噴射弁６０に比べて、自動弁３２の駆動を遅らせることができる。

図８は、第二実施形態及び第三実施形態の燃料噴射弁５０、６０等に用いられる自動弁３２の構成の例を示す図である。図８に示した自動弁３２は特に第二実施形態の燃料噴射弁５０に用いられる。図８に示したように、自動弁３２は、シリンダ７０と、シリンダ７０内で摺動するピストン７１と、ピストン７１を付勢するバネ７２とを具備する。シリンダ７０には三つの通路が連結されており、ピストン７１の一方の摺動方向側の端面には、上記燃料噴射弁５０、６０の上流側燃料流入通路３１’及び自動弁駆動用燃料通路３３の両方を一つにまとめた通路が、他方の摺動方向側の端面には自動弁制御用燃料通路５１が、シリンダ７０の側面には下流側燃料流入通路３１’’がそれぞれ連結されている。また、ピストン７１内にはその一方の端面（図８中の上面）と側面との間で延びる通路７３が設けられる。

このように構成された自動弁３２では、自動弁制御用燃料通路５１内の燃料圧力が高いときには、図８（Ａ）に示したようにピストン７１の上面に加えられる燃料圧力と下面に加えられる燃料圧力の差圧が小さいため、バネ７２によりピストン７１は上方に付勢されている。このため、通路７３の出口はシリンダ７０の壁面により閉鎖されており、燃料流入通路３１は遮断されている。

一方、自動弁制御用燃料通路５１内の燃料圧力が低いときには、図８（Ｂ）に示したようにピストン７１の上面に加えられる燃料圧力よりもピストン７１の下面に加えられる燃料圧力の方が低くなり、バネ７２の付勢力に抗してピストン７１は下方に移動せしめられる。これにより、通路７３の出口が下流側燃料流入通路３１’’に通じ、よって燃料流入通路３１の遮断が解除される。

なお、図８に示した自動弁３２によれば、通路７３の直径等を適切に選択することにより、自動弁制御用燃料通路５１内の燃料圧力が十分に低くないときには、図８（Ｃ）に示したように通路７３の出口が完全に開かず、よって通路７３の出口が完全に開いたときよりも少量の燃料が下流側燃料流入通路３１’’に流入するようにすることができる。これにより、例えば図５に示した燃料噴射弁５０では、ピストン７１の上面に加えられるレール圧が高いほど、及びピストン７１の下面に加えられる燃料圧力が低いほど通路７３の出口の開度が大きくなり、よってニードル弁１２、１３の上昇速度を速くすることができる。

図９は、第二実施形態及び第三実施形態の燃料噴射弁５０、６０に用いられる自動弁３２の構成の別の例を示す図である。図９に示した自動弁３２では、ピストン７１’の下面の一部にもレール圧が加えられる。ここで、上記図８に示した自動弁３２ではピストン上面に加えられるレール圧に抗するために、バネ７２として付勢力が大きく且つ比較的大きいサイズのバネが必要である。これに対して、上記図９に示した自動弁３２ではピストン７１’上面に加えられるレール圧に抗するために大きな付勢力は必要なく、よって比較的小さいサイズのバネとすることができる。

本発明の第一実施形態の燃料噴射弁の概略断面図である。図１に示した燃料噴射弁の拡大図である。機関負荷及び機関回転数とレール圧との関係、及び噴射率の挙動を示す図である。本発明の第一実施形態の燃料噴射弁の変更例を示す概略断面図である。本発明の第二実施形態の燃料噴射弁の概略断面図である。燃料噴射弁からの燃料噴射の開始から終了までの噴射率の推移を示す図である。本発明の第三実施形態の燃料噴射弁の概略断面図である。自動弁の例を示す図である。自動弁の別の例を示す図である。従来の燃料噴射弁における噴射率の挙動及びＮＯ_Xとスモーク又はＨＣとの関係を示す図である。

符号の説明

１コモンレール
２、４０、５０、６０燃料噴射弁
３燃料タンク
１１ノズルボディ
１２内側ニードル弁
１３外側ニードル弁
１４内側噴孔群
１５外側噴孔群
１６ノズル室
２０圧力制御室
２３制御弁
３２自動弁

Claims

第一噴孔群及び第二噴孔群と、制御室と、第一ニードル弁及び第二ニードル弁とを具備し、上記第一ニードル弁が上記第一噴孔群の噴孔を開閉し、上記第二ニードル弁が上記第二噴孔群の噴孔を開閉し、上記第一ニードル弁及び上記第二ニードル弁のリフトは上記制御室内の燃料の圧力により制御せしめられる燃料噴射弁において、
上記制御室に流入する燃料流量又は該制御室から流出する燃料流量を変更する流入・流出流量変更手段をさらに具備し、該流入・流出流量変更手段による燃料流量の変更制御は燃料供給源のコモンレール圧に基づいて行われることを特徴とする、燃料噴射弁。
第一噴孔群及び第二噴孔群と、制御室と、ニードル弁とを具備し、
上記ニードル弁のリフト量が所定量以下のときには上記第一噴孔群の噴孔のみが開放され、上記ニードル弁のリフト量が所定量よりも大きいときには上記第一噴孔群の噴孔に加えて上記第二噴孔群の噴孔が開放せしめられる燃料噴射弁において、
上記制御室に流入する燃料流量又は該制御室から流出する燃料流量を変更する流入・流出流量変更手段をさらに具備し、該流入・流出流量変更手段による燃料流量の変更制御は燃料供給源のコモンレール圧に基づいて行われることを特徴とする、燃料噴射弁。
上記流入・流出流量変更手段は上記燃料供給源のコモンレール圧が低くなると上記制御室内の燃料量の減少速度が遅くなるように燃料流量を変更することを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料噴射弁。
上記流入・流出流量変更手段は、上記燃料供給源及び上記制御室に連通する燃料流入通路と、該燃料流入通路を通って流れる燃料の流量を調整可能な流量制御弁とを具備し、上記燃料供給源のコモンレール圧が所定圧力以上であるときには上記流量制御弁が上記燃料流入通路を遮断すると共にコモンレール圧が所定圧力よりも低いときには上記流量制御弁が上記燃料流入通路を全開にすることを特徴とする、請求項３に記載の燃料噴射弁。
上記流入・流出流量変更手段は上記ニードル弁の上昇初期における上記制御室内の燃料量の減少速度が上記ニードル弁の上昇後期における減少速度よりも遅くなるように燃料流量を変更することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
上記流入・流出流量変更手段は、上記燃料供給源及び上記制御室に連通する燃料流入通路と、該燃料流入通路を通って流れる燃料の流量を調整可能な流量制御弁とを具備し、上記ニードル弁上昇初期には該流量制御弁が燃料流入通路を遮断すると共に上記ニードル弁上昇後期には該流量制御弁が燃料流入通路を全開にすることを特徴とする、請求項５に記載の燃料噴射弁。
上記流入・流出流量変更手段は、燃料回収部及び上記制御室に連通する燃料流出通路と、該燃料流出通路を通って流れる燃料の流量を調整可能な流量制御弁とを具備し、上記ニードル弁上昇初期には該流量制御弁が燃料流出通路を遮断すると共に上記ニードル弁上昇後期には該流量制御弁が燃料流出通路を全開にすることを特徴とする、請求項５に記載の燃料噴射弁。