JP4308449B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のコモンレール燃料噴射システムに好適に用いられる燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コモンレール内の高圧燃料を内燃機関の各気筒に噴射供給するために用いられる従来技術の燃料噴射装置としては、特開平１１−２００９８１号公報に記載されているピエゾ駆動式の燃料噴射装置がある。図１０に示したこの装置は、燃料噴射弁１００のハウジング１３０の上半部内に収容したピエゾアクチュエータ１０２を伸縮させることで制御室１０１内の燃料を加圧し、これによってニードル１０３を駆動する構成を有している。制御室１０１はより詳細には、ピエゾピストン１２１の昇降によって容積が増減する制御室第一部分１２０とニードル１０３の昇降によって容積が増減する制御室第二部分１０１ｂとそれらを結ぶ連通孔で構成されており、レギュレータを介して高圧ポンプに接続され、ピエゾアクチュエータ１０２の収縮時にほぼコモンレール圧となるように制御されている。そして、ピエゾアクチュエータ１０２が収縮している時、ニードル１０３は下端部１０３ｃがシート面１１１に着座して、燃料溜り１０５と噴孔１１２の連通を遮断している。
【０００３】
ニードル１０３は、中間部１０３ｂがハウジング１３０の第１ガイド穴１０４内に摺動可能に保持され、大径の上端部１０３ａが第２ガイド穴１０６内に摺動可能に位置している。上端部１０３ａ上方のスプリング室１０７には、スプリング１０９が収容されて、ニードル１０３に閉弁方向の力を作用させている。一方、ニードル１０３には又、上端部１０３ａと中間部１０３ｂの段差面１１０に作用する制御室１０１内の燃料圧、中間部１０３ｂと下端部１０３ｃの段差面１０８に作用する燃料溜り１０５の燃料圧、及び下端部１０３ｃの直径とシール部の直径の差に相当する面積に作用する燃料溜り１０５の燃料圧等による開弁方向の力が作用しており、以下で説明するように、この開弁力がスプリング１０９の閉弁力を上回るとニードル１０３がリフトし、燃料噴射が開始される。
【０００４】
初期状態においては、ピエゾアクチュエータ１０２は収縮しており、スプリング１０９による閉弁方向の力が開弁方向に作用する力の総和より大きく、ニードル１０３はシート面１１１に押圧されて閉弁している。又、制御室１０１及び燃料溜り１０５内はコモンレール圧に保たれている。この状態において駆動回路から電圧が印加されると、ピエゾアクチュエータ１０２が伸長を始め、制御室第一部分１２０の容積が減少する。制御室第一部分１２０の燃料は連通孔を通って制御室第二部分１０１ｂに供給されると共に圧力が上昇し、段差面１１０に作用する開弁方向の力が増加する。開弁方向の力の総和が閉弁方向の力より大きくなると、ニードル１０３がシート面１１１から離れてリフトし始め、燃料の噴射が開始される。
【０００５】
一方、閉弁する時には、駆動回路からの電圧の印加が停止され、ピエゾアクチュエータ１０２が収縮して、制御室第一部分１２０の容積が増大する。これにより制御室第一部分１２０内の圧力が低下し、制御室第二部分１０１ｂから連通孔を通って制御室第一部分１２０へ燃料が移動して制御室第二部分１０１ｂの圧力が下がり、段差面１１０に作用する開弁方向の力が減少する。開弁方向の力の総和が閉弁方向の力を下回ると、ニードル１０３は下降し始める。
【０００６】
近年、排気対策等のためにニードルを応答性良く制御して開閉弁することが望まれているが、図１０に示された装置においては、上述のように、ニードル１０３の昇降、即ち開閉弁は、ピエゾアクチュエータ１０２の伸縮に伴う制御室第一部分１２０と制御室第二部分１０１ｂとの間の燃料の移動により行われるので、開閉弁速度は細く長い連通孔を通る燃料移動速度により律速される。即ち、図１０に示した従来構造においては、ピエゾアクチュエータ１０２を高応答で伸縮させても、細く長い連通孔を介して燃料を移動するため、ニードル１０３を昇降させて開閉弁させるまでに応答遅れを生じてしまうという問題がある。
【０００７】
又、図１０に示した従来構造では、燃料噴射弁１００を誤開弁せずに閉弁状態に保つために、ピエゾアクチュエータ１０２が収縮している閉弁状態の時にはスプリング１０９による閉弁方向の力がニードル１０３に作用する燃料圧による開弁方向の力よりも常に大きい必要がある。このため、閉弁状態において燃料圧（コモンレール圧）が最高となる時点における開弁力よりも大きい閉弁力を有するスプリング１０９を取付ける必要が生じると共に、開弁する時にはその大きな閉弁力に抗して開弁する開弁力を発生するためのピエゾアクチュエータを含む駆動部が必要となり、装置が大型化すると共に多くの駆動エネルギを必要とするという問題があった。この問題に対処するためには、特願２０００−１８７４６６において、図１１に示された装置が提案されている。
【０００８】
この装置は、基本構成においては図１０に示された装置と同様であって、燃料噴射弁２００の上部に取付けられたピエゾアクチュエータ２４１を伸縮させることで制御室２１０内の燃料を加圧し、これによって変位拡大ピストン２０２を駆動してそれに連結されているニードル２０３を昇降する構成を有している。制御室２１０は、ピエゾピストン２４５の昇降によって容積が増減する制御室第一部分２４６と変位拡大ピストン２０２の昇降によって容積が増減する制御室第二部分２０５とそれらを結ぶ連通孔で構成されている。
【０００９】
特徴は、変位拡大ピストン２０２の大径部の上端面２０２Ｃに接する空間２０６に燃料が導入されていて変位拡大ピストン２０２に閉弁方向にも燃料圧が作用することであり、これによって開閉弁方向の作用力がバランスし、コモンレール圧を変えても、燃料圧による作用力が変わらないことである。
【００１０】
このため、コモンレール圧の最高時に対応して設定していた閉弁用スプリング２１３の閉弁方向の作用力を小さく設定することが可能となり、噴射弁の小型簡素化に有効である。しかしながら、この構造においても、二つの離れた制御室第一部分２４６と制御室第二部分２０５とを細く長い連通孔で繋いでいる構造のために、応答性の改良が望まれる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、燃料の圧力変化を受けて開閉弁する燃料噴射弁において、応答性を改善した燃料噴射弁を提供することを目的とする。
【００１２】
又、本発明の他の目的は、燃料の圧力変化を受けて開閉弁する燃料噴射弁において、応答性の改善と共に、小型化及び駆動エネルギの低減を図った燃料噴射弁を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載された燃料噴射弁を提供する。
【００１４】
請求項１のような構成とすることで、相互の圧力伝達及び燃料移動により弁の開閉力を生ずる二つの制御室が近くに配設され、両制御室を連結する連通孔の距離を短くすることが出来るので、相互の燃料移動が速やかに行われ、燃料噴射弁の応答性を改善するという効果が得られる。
【００１５】
又、請求項２のような構成とすることでも、請求項１に記載の構成と同様に、相互の圧力伝達及び燃料移動により弁の開閉力を生ずる二つの制御室が近くに配設され、両制御室を連結する連通孔の距離を短くすることが出来るので、相互の燃料移動が速やかに行われ、燃料噴射弁の応答性を改善するという効果が得られる。更に、請求項２のような構成とすれば、中ピストンが第二制御室と中ピストンの第二制御室の反対側に面する空間との圧力差によりピエゾアクチュエータ側に付勢されるので、中ピストンをピエゾアクチュエータ側に付勢するためのバネ部材等が必要ない。
【００１６】
請求項３のような構成とすることによっても、二つの制御室を近くに配設し、両制御室を連結する連通孔の距離を短くすることで相互の燃料移動を速やかに行うようにして、燃料噴射弁の応答性を改善するという効果が得られるが、請求項３のような構成とすると更に、中ピストンの第二制御室の反対側に面する空間と燃料通路とが連通され、燃料圧力による中ピストンへの作用力がバランスさせられると共に、変位拡大ピストンへの作用力をもバランスさせられるので、必要な閉弁力が小さくなり、閉弁力を作用させるためのスプリング部材等の小型化が可能となる。又、閉弁力が小さくなるために必要な開弁力も小さくなるので、制御室内の小さな圧力変化で変位拡大ピストン及びそれに連結したニードルを応答性良く作動させることが可能となると共に、ピエゾアクチュエータの小型化、投入エネルギの省電力化（即ち、駆動エネルギの低減）という効果もある。更に、第二制御室内に配置されたバネ部材が、閉弁する時に変位拡大ピストンを下向きに付勢し、中ピストンを上向きに付勢してこれらの間を押し開けるように作用し、連通孔を介した燃料移動を促進して両制御室内の圧力の降下が迅速に行われるようにすると共に、両制御室への燃料補給を容易にし、連続使用中の応答遅れが防止されるようにする効果もある。
【００１７】
又、請求項４のような構成にすることによっても、上述した請求項３の構成により得られる作用効果と同様の作用効果が得られる。そして、請求項４に記載の構成によれば、請求項３の構成によるよりも更に、請求項３の構成において第二制御室内に配設されたバネ部材が開弁した際に発生する閉弁方向の力の分だけ開弁力が小さくて済むので、更なる応答性の向上、ピエゾアクチュエータの小型化、並びに投入エネルギの省電力化等が可能となる。
【００１８】
更に、請求項５及び６のような構成とすることにより、二つの制御室間における相互の燃料移動がより速やかに行われるようになり、燃料噴射弁の応答性を更に改善するという効果が得られる。
【００１９】
又、請求項７のような構成とすることにより、応答性に関する連通孔総断面積の適正化が図られ、応答性の良い燃料噴射弁が得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
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。尚、図面において、同一又は類似の構成要素には共通の参照番号を付す。
【００２１】
図１は本発明の第一実施形態の燃料噴射弁１０を含む燃料噴射装置の全体構成図であり、燃料噴射弁は断面図で示されている。本構成は、高圧ポンプで所定圧に昇圧した燃料をコモンレールを介してエンジン各気筒に装着した噴射弁に供給する構成である。
【００２２】
噴射弁１０は、変位拡大ピストン２を摺動自在に装着したハウジングボディ１を有しており、ハウジングボディ１の下端にはニードル３を収容するノズルボディ３１がノズルリテーナ３２によって取付けられている。又、ハウジングボディ１の上端にはピエゾ駆動部４を構成するピエゾアクチュエータ４１を収容するピエゾケース４２がリテーナ４３によって取付けられている。
【００２３】
ピエゾ駆動部４は、ハウジングボディ１の上端面に密着させられるピストンホルダ４４と、ピストンホルダ４４内に収容されるピエゾピストン４５と、ピエゾアクチュエータ４１と、ピエゾアクチュエータ４１を収容したピエゾケース４２とを含み、リテーナ４３によって、ハウジングボディ１の上端面とピストンホルダ４４の下端面、並びにピストンホルダ４４の上端面とピエゾケース４２の下端面がそれぞれ密着するように取付けられている。ピエゾピストン４５は同軸の大径部と小径部とを有し、その小径部の外周とピストンホルダ４４の内径部とは、わずかなクリアランスを有して摺動可能である。ピエゾピストン４５の大径部の下端側には皿バネ４７が配設されており、ピエゾピストン４５とピエゾアクチュエータ４１とを上方に付勢してピエゾケース４２の内部上面４６に押圧し、プリセット荷重をかけている。尚、ピエゾケース４２とピストンホルダ４４とはノックピン（図示無し）にて周り止めをしてある。又、ピエゾケース４２の上面よりリード線４８が取り出され、外部の駆動回路と接続されている。この駆動回路は更にエンジンＥＣＵ(Electronic Control Unit)に接続されており、エンジンＥＣＵからの噴射信号に従ってピエゾアクチュエータ４１に通電し、伸縮させるようにする。
【００２４】
以上のような構成により、ピエゾアクチュエータ４１は、エンジンＥＣＵからの噴射信号に従って、ピエゾアクチュエータ４１がピエゾケース４２の内部上面４６に常に当接した状態で、ピエゾピストン４５を昇降させる。
【００２５】
ノズルボディ３１は、その下方先端部に噴孔３３を有し、ニードル３がシート面３４に着座することで、噴孔３３と上流の燃料通路（より詳細には、燃料溜り３９）とが遮断される。ニードル３のガイド部３５は３つの面取り部を有し、ニードル３の軸線とノズルボディ３１との軸線を合わせるガイドの機能と、面取り部によって燃料流路を形成する機能とを果たしている。
【００２６】
ニードル３の上端部３８と変位拡大ピストン２の下端部２１はコネクタ２３によって密着するように連結されている。ノズルボディ３１とハウジングボディ１との間には、ディスタンスピース３６、３７が配設され、ノックピン（図示無し）にて周り止めされていて、リテーナ３２によって各部材の上下端面が密着するようにして取付けられている。ディスタンスピース３６の中央にはニードル３のガイド部３５の寸法より小さい径の穴があいており、ニードルがリフトした時にガイド部３５の肩部がディスタンスピース３６に当接することでニードルリフト量を制限するようになっている。
【００２７】
ハウジングボディ１内には、蓄圧室１１が設けてあり、そこにはスプリング受け１２が配設されている。スプリング１３は変位拡大ピストン２の下方端近傍部分を包囲して、スプリング受け１２とコネクタ２３との間に配設され、変位拡大ピストン２及びそれに連結したニードル３を下向き（閉弁方向）に付勢している。尚、スプリング受け１２及びディスタンスピース３６には複数の通路が設けてあり、蓄圧室１１を、シート面３４上流側でニードル３とノズルボディ３１との間に形成される燃料溜り３９と連通している。
【００２８】
変位拡大ピストン２の上側部分は、大径部２６と小径部２５がハウジングボディ１のガイド大径穴１６及びガイド小径穴１５内に、わずかなクリアランスを有して、上下摺動可能に保持されている。更に変位拡大ピストン２の大径部２６には筒状のガイド中径穴２７が設けられ、そのガイド中径穴２７内に中ピストン２８がその外径とガイド中径穴２７との間にわずかなクリアランスを有して摺動可能に保持されている。そして、変位拡大ピストン２の大径部２６の底面と小径部２５の側面及びハウジングボディ１のガイド大径穴１６で区画形成される第一制御室１８と中ピストン２８の底面と変位拡大ピストン２の大径部２６の内側に設けた筒状のガイド中径穴２７とによって区画形成される第二制御室１９とは、変位拡大ピストン２の両制御室１８、１９を仕切っている部分に設けられた大きくて短い流路、即ち連通孔５１で連通している。両制御室１８、１９への燃料の供給は、制御室が加圧された時に閉鎖する向きに配設した逆止弁２２を介して行われる。尚、本実施形態では逆止弁を使用しているが、代用として絞り部を設けても良い。又、この変更は後述する第二、第三の実施形態の燃料噴射弁においても行うことが可能である。
【００２９】
変位拡大ピストン２の大径部２６、中ピストン２８、ハウジングボディ１上端部、及びピストンホルダ４４にて区画形成される空間６０はドレン（図示無し）と連通しており低圧に保たれている。従って、第二制御室１９に燃料が供給されると、中ピストン２８には上向きの燃料圧が作用し、ピエゾアクチュエータ４１と密着しているピエゾピストン４５と当接可能となる。
【００３０】
燃料は、外部のコモンレール（図示無し）が燃料インレット６１へ噴射鋼管などで連結されており、燃料インレット６１から蓄圧室１１には通路６２を通って、制御室１８、１９へは逆止弁２２を通って供給される。
【００３１】
初期状態において、高圧燃料が燃料インレット６１より蓄圧室１１及び両制御室１８、１９に供給される。ここで変位拡大ピストン２に作用する力は、上向き（開弁方向）については、変位拡大ピストン２の大径部２６の直径をＤ26、その大径部２６に設けた筒状のガイド中径穴２７の直径をＤ27、変位拡大ピストン２の小径部２５の直径をＤ25とすると、蓄圧室１１及び両制御室１８、１９の燃料圧は等しいので、ドレン圧の空間６０に露出される変位拡大ピストン２の部分の断面積分の力、即ち（（π／４）・（Ｄ26 2 −Ｄ27 2 ））×（燃料圧−ドレン圧）が作用し、下向き（閉弁方向）については、閉弁用スプリング１３による力が作用する。ここでは上記上向きの作用力＜上記下向きの作用力になるように閉弁用スプリング力を設定してあるので、通常時は閉弁されている。
【００３２】
図２に示したように、ｔ１の時点でエンジンＥＣＵからの噴射信号に従い駆動回路にて所定の電圧をピエゾアクチュエータ４１に印加して伸長させると、ピエゾピストン４５が下方に押し下げられ当接している中ピストン２８が押し下げられる。第二制御室１９の容積は減少し、燃料は昇圧され、連通する第一制御室１８内も速やかに昇圧される。ここで、変位拡大ピストン２について両制御室１８、１９内の上昇した圧力が上下方向に作用する部分の面積の関係は、先に定義した直径で表現すると、（π／４）・（Ｄ26 2 −Ｄ25 2 ）＞（π／４）・（Ｄ27 2 ）なる関係にあり、両制御室１８、１９の圧力が上昇すると、変位拡大ピストン２に上向き（開弁方向）の力が加わる。更に制御室１８、１９の圧力が上昇し、閉弁用のスプリング１３の閉弁力を上回ると（ｔ２の時点）、変位拡大ピストン２が上昇を開始する。この時、燃料は速やかに連通孔５１を介して第二制御室１９から第一制御室１８に移動する。変位拡大ピストン２の上昇に伴い、コネクタ２３によって連結されたニードル３も上昇してシート面３４から離座し、燃料溜り３９と噴孔３３が連通されて噴孔３３からエンジンシリンダ内への燃料噴射が開始される。その後、離座したニードル３は、ガイド部３５の上端がディスタンスピース３６に当接して上昇が止まり（ｔ３の時点）、その後は一定リフトで噴射を継続する。
【００３３】
所定量の燃料を噴射させた後、ｔ４の時点でエンジンＥＣＵからの信号に従い駆動回路による電圧印加を停止すると、ピエゾアクチュエータ４１は収縮し、ピエゾピストン４５及びそれに燃料の圧力で当接している中ピストン２８は上昇する。これにより第二制御室１９の容積が増大し、その内部の圧力が低下する。燃料が連通孔５１を通って第一制御室１８から第二制御室１９に移動するため、第一制御室１８の圧力も低下し、変位拡大ピストン２に作用する上向きの力が減少する。この結果、変位拡大ピストン２に作用する上向きの力が閉弁用スプリング１３の力よりも小さくなるため変位拡大ピストン２は下降し始め（ｔ５の時点）、同時にコネクタ２３で連結されたニードル３も下降して、ｔ６の時点でシート面３４に着座し、噴孔３３と燃料溜り３９が遮断されて噴射が終了する。
【００３４】
以下同様に、エンジンＥＣＵからの噴射信号に従って、繰り返し駆動回路によりピエゾアクチュエータ４１を伸縮させることでニードル３を昇降させ、噴射タイミング、噴射量を制御する。
【００３５】
近年では、排気対策のために多重噴射（エンジン一行程中に複数回に分けて噴射すること）が望まれており、燃料噴射弁を応答性良く開閉する必要がある。本発明のような制御室の容積変化に応じた圧力変化を受けて開閉弁する燃料噴射弁では、開閉弁する際に二つの制御室（又は制御室第一部分と制御室第二部分）の間を連通孔を通って燃料が移動するので、応答性向上のためにはこの燃料の移動を速やかに行わせる必要がある。このため本実施形態では、この連通孔５１が従来技術のものに比べ大きくて短くなるような構成とし、燃料の移動が速やかに行われるようにして応答性を向上させている。図２には、応答性の比較のために従来技術の燃料噴射弁１００に関する値が点線で示されている。
【００３６】
又、更なる応答性の向上を図るために、連通孔５１は複数設けられ、リング状に等間隔で配置されていることが好ましい。即ち、第二制御室１９が円柱状である一方、第一制御室１８は中央に変位拡大ピストン２の小径部２５を有しているために円筒状であるので、連通孔５１を１つとするよりも、例えば図３に示したように円筒状の第一制御室１８の形状に合わせて第二制御室１９の底面に円を成すように複数の連通孔５１を均等に配置した方が開閉弁する時の燃料の移動を速やかに行うことが可能となる。又、同様の目的で、図４に示したように、連通孔５１が第二制御室１９の中央に向かって傾斜して設けられると共に連通孔５１の第二制御室１９側入口のある変位拡大ピストン２の大径部２６に設けられたガイド中径穴２７底部中央部に座繰（すり鉢状の凹み）５２を設けることも有効である。このような変位拡大ピストン２の構成は、第二制御室１９内から連通孔５１内への燃料の移動及び連通孔５１から第二制御室１９内への燃料の移動を容易にする。尚、上述したような複数の連通孔５１を有する変位拡大ピストンの構成は、後述する本発明の第二、第三の実施形態の燃料噴射弁においても採用可能である。
【００３７】
図５は、連通孔５１の総断面積と第二制御室１９の断面積との比（連通孔５１総断面積／第二制御室１９断面積）と開弁時間の関係について示した図である。ここで、連通孔５１の総断面積とは、各連通孔５１を通る流れの方向に垂直な断面での各連通孔５１の断面積の総和であり、第二制御室１９の断面積とは、変位拡大ピストン２の長手方向軸線に垂直な断面での第二制御室１９の断面積である。又、開弁時間とは、ニードル３が上昇し始めてから所定の最大リフト量まで上昇するまでの時間を意味する。図５に示されたように、連通孔総断面積が小さい時（即ち、連通孔５１総断面積／第二制御室１９断面積が５％未満の場合）には、燃料の出入りが律速されるために応答が悪くなる。又、逆にこの比を大きくしていくと、制御室１８、１９の総容積が増加したことになり、中ピストンの昇降に伴う圧力変化が減少し開弁時間が遅くなることが考えられる。しかしながら、図５に示されたように、上記の比が２０％程度までは実用上問題のないことが確認された。
【００３８】
次に本発明の第二実施形態について説明する。図６は本発明の第二実施形態の燃料噴射弁２０を含む燃料噴射装置の全体構成図であり、燃料噴射弁２０は断面図で示されている。基本的な構成は図１で示した第一実施形態の燃料噴射弁１０を含む燃料噴射装置と同様であるので説明を省略するが、本実施形態の燃料噴射弁２０は、応答性を向上するために第二制御室１９内にバネ７１が配設されると共に、燃料インレット６１と蓄圧室１１とを結ぶ通路６２から空間６０へ接続される通路７２が設けられ、更に空間６０と連通していたドレンが廃止されたことを特徴とする。第二制御室１９内のバネ７１は例えばウェーブワッシャなどが用いられ、組付け時に、シート面３４に着座しているニードル３と連結した変位拡大ピストン２の大径部２６に設けられたガイド中径穴２７の底面を支持面とし、中ピストン２８をピエゾピストン４５に当接させている。
【００３９】
燃料を充填した初期状態において、本実施形態では、蓄圧室１１、両制御室１８、１９及び空間６０が全て同じ圧力になり、変位拡大ピストン２に関して燃料圧により作用する力は上下方向でバランスしている。それゆえ、変位拡大ピストン２は、閉弁用スプリング１３及び第二制御室１９内に設置したバネ７１の作用により下方に付勢され、変位拡大ピストン２に連結したニードル３はシート面３４に着座し、噴孔３３と燃料溜り３９を遮断している。この時、閉弁用スプリング１３及び第二制御室内のバネ７１による下向き（閉弁方向）の力は、ニードル先端部分に作用するシリンダ内圧力による力より大きければよく、燃料圧による上向き（開弁方向）の力をも補償する必要のある第一実施形態の場合に比べ、必要な閉弁力は小さくて済み、閉弁用スプリング１３の小型化が可能となる。閉弁力が小さいために必要な開弁力も小さくなり、制御室１８、１９内の小さな圧力変化で変位拡大ピストン２及びそれに連結したニードル３を応答性良く作動させることが可能となる（図７参照）。又、開弁力が小さく出来るために、ピエゾアクチュエータ４１の小型化、投入エネルギの省電力化にも有用である。更に、本実施形態の構成においては、燃料圧が変わっても閉弁方向の力は変わらないので、閉弁速度を一定に保つことが出来る。
【００４０】
図７に示したように、ｔ１の時点でエンジンＥＣＵからの噴射信号に従い、駆動回路にてピエゾアクチュエータ４１に電圧を印加すると、ピエゾアクチュエータ４１は下方に伸長し、ピエゾピストン４５を皿バネ４７に抗して下方に押し下げ、中ピストン２８をバネ７１に抗して押し下げる。第二制御室１９の容積は減少し、第二制御室１９内の燃料が昇圧される。連通する第一制御室１８内も同時に昇圧され、第一実施形態に関して前述した変位拡大ピストン２について両制御室１８、１９内の上昇した圧力が上下方向に作用する部分の面積の関係によって上向き（開弁方向）の力が発生する。この上向きの力がバネ７１及び閉弁用スプリング１３の下向きの力を上回る時点（ｔ２）において、変位拡大ピストン２が上昇を開始し、燃料が速やかに連通孔５１を介して第二制御室１９から第一制御室１８に移動する。変位拡大ピストン２の上昇に伴い、コネクタ２３によって連結されたニードル３も上昇してシート面３４から離座し、燃料溜り３９と噴孔３３が連通されて噴孔３３からエンジンシリンダ内への燃料噴射が開始される。その後、離座したニードル３は、ガイド部３５の上端がディスタンスピース３６に当接して上昇が止まり（ｔ３の時点）、その後は一定リフトで噴射を継続する。
【００４１】
所定量の燃料を噴射させた後、ｔ４の時点でエンジンＥＣＵからの信号に従い駆動回路による電圧印加を停止すると、ピエゾアクチュエータ４１が収縮し、これによって皿バネ４７の作用でピエゾピストン４５が上昇すると共に、ピエゾピストン４５に当接している中ピストン２８がバネ７１の作用で上昇する。これにより第二制御室１９の容積が増大し、その内部の圧力が低下する。燃料が連通孔５１を通って第一制御室１８から第二制御室１９に移動するため、第一制御室１８内の圧力も低下し、変位拡大ピストン２に作用する上向きの力が減少する。この結果、変位拡大ピストン２は閉弁用スプリング１３及び第二制御室１９内のバネ７１の作用により下降し始め（ｔ５の時点）、同時にコネクタ２３で連結されたニードル３も下降して、ｔ６の時点でシート面３４に着座し、噴孔３３と燃料溜り３９が遮断されて噴射が終了する。
【００４２】
本実施形態の構造によれば、上述したように、第一実施形態の構造に比べて必要な閉弁力及び開弁力を小さくすることが出来るので、ピエゾアクチュエータ４１の駆動エネルギを小さくすることが出来る（図７においてピエゾ伸び量が第一実施形態に比べ小さい）。又、燃料圧に依存せずに素早く閉弁することも可能となる。
【００４３】
バネ７１は、閉弁する時に変位拡大ピストン２を下向きに付勢し、中ピストン２８を上向きに付勢してこれらの間を押し開ける作用を有している。閉弁する時に第二制御室１９を押し開けることで、第一制御室１８から第二制御室１９への連通孔５１を介した燃料移動を促進する効果があり、両制御室１８、１９内の圧力の降下が迅速に行われるようになる。又、制御室１８、１９内圧力をｔ６付近で初期状態の圧力（コモンレールから供給される燃料圧力）より低くして両制御室１８、１９への燃料補給を容易にし、連続使用中の応答遅れが防止されるようにする。つまり、開弁する時には、両制御室１８、１９内が加圧されるため、変位拡大ピストン２の各摺動部（即ち、大径部２６の外径部とボディ１のガイド大径穴１６、大径部２６に設けられたガイド中径穴２７と中ピストン２８の外径部、小径部２５の外径部とボディ１のガイド小径穴１５）から、制御室１８又は１９内の燃料がリークする。そのため、開弁後に変位拡大ピストン２が下降してニードル３が着座位置に戻ろうとする時には、両制御室１８、１９の燃料圧は空間６０の燃料圧より低くなり、中ピストン２８には、（中ピストン２８の断面積）×（上記燃料リークによる減圧分）の下向きの力が作用する。この結果、バネ７１が配設されていない場合には、変位拡大ピストン２及びそれに連結されているニードル３は速やかに初期状態の位置に戻らず、逆止弁２２を介してリーク分の燃料が補充されるまで、変位拡大ピストン２の下降が遅れ、ひいては連結するニードル３による閉弁が遅れることとなる。これに対し、本実施形態においては、バネ７１が第二制御室１９内に配設されているので、リーク分による両制御室１８、１９の圧力低下に抗して中ピストン２８を初期状態位置に戻すと共に変位拡大ピストン２を閉弁位置に押し下げることが可能であり、それによって、両制御室１８、１９内と燃料通路６２内とで圧力差を生じさせ、両制御室１８、１９内に速やかに燃料を補充することが可能となる。
【００４４】
バネ７１が第二制御室１９内に配設されていない場合には、上述したような燃料の補充が素早く且つ十分に行われないため、次の開弁時になっても、両制御室１８、１９の圧力が空間６０よりも低いままであり、両制御室１８、１９内の圧力を十分な開弁力を得るための所定圧まで上昇させるのに多くの変位及び時間を要することとなって、応答性が悪くなる。
【００４５】
以上のように、バネ７１を第二制御室１９内に配設することにより、次の開弁時までに速やかに十分な燃料の補給が行われ、応答性良く再び開弁させることが可能となる。つまり、本実施形態により、多重噴射時においても、応答性良くニードルを昇降させ燃料噴射弁を開閉させることが可能となる。
【００４６】
尚、図７には、第一実施形態の燃料噴射弁１０と第二実施形態の燃料噴射弁２０の同一の噴射信号に対する各作動パラメータ（ピエゾアクチュエータ伸び量、制御室内圧力、ニードルリフト）の変化について比較するために第一実施形態の燃料噴射弁１０に関する値が点線で示されている。
【００４７】
次に本発明の第三実施形態について説明する。図８は本発明の第三実施形態の燃料噴射弁３０を含む燃料噴射装置の全体構成図であり、燃料噴射弁３０は断面図で示されている。本実施形態の構成は、図６で示した第二実施形態の燃料噴射弁２０を含む燃料噴射装置に類似しており、同様の部分については説明を省略するが、本実施形態の燃料噴射弁３０においては、第二実施形態の燃料噴射弁２０において第二制御室１９内に配設されていたバネ７１が廃止されると共に、中ピストン７３の上部部分につば７７が設けられ、このつば７７とボディ１に設けられたバネ受け座７４との間にバネ７５が配設されている。このような構成とすることで、以下で説明するように、第二実施形態の燃料噴射弁２０に比べて更に小さなピエゾアクチュエータ４１の伸び量で開弁が可能となり、駆動エネルギの低減を図ることが出来る。即ち、第二実施形態の燃料噴射弁２０においては、開弁する時に、第二制御室１９内に配設されたバネ７１が変位拡大ピストン２の上昇により圧縮され、下向きの力が増加される。一方、本実施形態では、開弁する時に変位拡大ピストン２の上昇によるバネ７５の圧縮は発生しないため、下向きの力は増加せず、その分だけ両制御室１８、１９内を昇圧することによって発生させる開弁に必要な上向きの力は小さくて済むので、必要なピエゾアクチュエータ４１の伸び量も小さくなり、駆動エネルギの低減を図ることが出来る。
【００４８】
燃料を充填した初期状態においては、本実施形態の燃料噴射弁３０においても第二実施形態の燃料噴射弁２０と同様に、蓄圧室１１、両制御室１８、１９及び空間６０が全て同じ圧力になり、変位拡大ピストン２に関して燃料圧により作用する力は上下方向でバランスしている。従って、変位拡大ピストン２は、閉弁用スプリング１３の作用により下方に付勢され、変位拡大ピストン２に連結したニードル３はシート面３４に着座し、噴孔３３と燃料溜り３９を遮断している。この時、閉弁用スプリング１３による下向き（閉弁方向）の力は、ニードル先端部分に作用するシリンダ内圧力による力より大きければよく、燃料圧による上向き（開弁方向）の力をも補償する必要のある第一実施形態に比べ、第二実施形態の燃料噴射弁２０と同様、必要な閉弁力は小さくて済む。そのため、第二実施形態の燃料噴射弁２０について上述したように、閉弁用スプリング１３の小型化が可能となる。更に本実施形態では、上述したように第二実施形態の燃料噴射弁２０よりも必要な開弁力が小さいので、制御室１８、１９内の更に小さな圧力変化でのニードル３の応答性の良い作動、ピエゾアクチュエータ４１の更なる小型化、投入エネルギの更なる省電力化等が可能になる。又、第二実施形態の燃料噴射弁２０と同様に燃料圧が変わっても閉弁方向の力は変わらないので、閉弁速度を一定に保つことが出来る。
【００４９】
図９に示したように、ｔ１の時点でエンジンＥＣＵからの噴射信号に従い、駆動回路にてピエゾアクチュエータ４１に電圧を印加すると、ピエゾアクチュエータ４１は下方に伸長し、ピエゾピストン４５を皿バネ４７に抗して下方に押し下げ、中ピストン７３をバネ７５に抗して押し下げる。第二制御室１９の容積は減少し、第二制御室１９内の燃料が昇圧される。連通する第一制御室１８内も同時に昇圧され、第一実施形態に関して前述した変位拡大ピストン２について両制御室１８、１９内の上昇した圧力が上下方向に作用する部分の面積の関係によって上向き（開弁方向）の力が発生する。この上向きの力が閉弁用スプリング１３の下向きの力を上回る時点（ｔ２）において、変位拡大ピストン２が上昇を開始し、燃料が速やかに連通孔５１を介して第二制御室１９から第一制御室１８に移動する。変位拡大ピストン２の上昇に伴い、コネクタ２３によって連結されたニードル３も上昇してシート面３４から離座し、燃料溜り３９と噴孔３３が連通されて噴孔３３からエンジンシリンダ内への燃料噴射が開始される。その後、離座したニードル３は、ガイド部３５の上端がディスタンスピース３６に当接して上昇が止まり（ｔ３の時点）、その後は一定リフトで噴射を継続する。
【００５０】
所定量の燃料を噴射させた後、ｔ４の時点でエンジンＥＣＵからの信号に従い駆動回路による電圧印加を停止すると、ピエゾアクチュエータ４１が収縮し、これによって皿バネ４７の作用でピエゾピストン４５が上昇すると共に、ピエゾピストン４５に当接している中ピストン７３がバネ７５の作用で上昇する。これにより第二制御室１９の容積が増大し、その内部の圧力が低下する。燃料が連通孔５１を通って第一制御室１８から第二制御室１９に移動するため、第一制御室１８の圧力も低下し、変位拡大ピストン２に作用する上向きの力が減少する。この結果、変位拡大ピストン２は閉弁用スプリング１３の作用により下降し始め（ｔ５の時点）、同時にコネクタ２３で連結されたニードル３も下降して、ｔ６の時点でシート面３４に着座し、噴孔３３と燃料溜り３９が遮断されて噴射が終了する。
【００５１】
本実施形態の構造によれば、上述したように第二実施形態の構造に比べ、ピエゾアクチュエータ４１の駆動エネルギを更に小さくすることが出来る（図９においてピエゾアクチュエータ伸び量が第二実施形態に比べ小さい）。又、第二実施形態の燃料噴射弁２０と同様に燃料圧に依存せずに素早く閉弁することも可能となる。更に、バネ７５が閉弁する時に中ピストン７３を上向きに付勢して第二制御室１９を広げることにより、第二実施形態の燃料噴射弁２０において、閉弁する時にバネ７１が第二制御室１９を押し開けるのと同様の効果を発揮し、第一制御室１８から第二制御室１９への連通孔５１を介した燃料移動を促進して両制御室１８、１９内の圧力の降下が迅速に行われるようにすると共に、制御室内圧力をｔ６付近で初期状態の圧力（コモンレールから供給される燃料圧力）より低くして両制御室１８、１９への燃料補給を容易にし、連続使用中の応答遅れが防止される。
【００５２】
尚、図９には、第二実施形態の燃料噴射弁２０と第三実施形態の燃料噴射弁３０の同一の噴射信号に対する各作動パラメータ（ピエゾアクチュエータ伸び量、制御室内圧力、ニードルリフト、バネ力）の変化について比較するために第二実施形態の燃料噴射弁２０に関する値が点線で示されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第一実施形態の燃料噴射弁を含む燃料噴射装置の全体構成図であり、燃料噴射弁は断面図で示されている。
【図２】図２は、本発明の第一実施形態の燃料噴射弁の作動を説明するためのタイムチャートであり、同一の噴射信号に対する各作動パラメータ（ピエゾアクチュエータ伸び量、制御室内圧力、ニードルリフト）の変化が、従来技術の燃料噴射弁と比較して示してある。
【図３】図３は、本発明の第一実施形態の燃料噴射弁の部分拡大断面図であり、図３（ａ）は制御室近傍の拡大断面図を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）中の線Ｂ−Ｂに沿った断面図を示している。
【図４】図４は、変位拡大ピストンの変形例を示している図３と同様の図であり、図４（ａ）は制御室近傍の拡大断面図を示し、図４（ｂ）は図４（ａ）中の線Ｂ−Ｂに沿った断面図を示している。
【図５】図５は、連通孔の総断面積と第二制御室の断面積との比（連通孔総断面積／第二制御室断面積）と開弁時間の関係について示した図である。
【図６】図６は、本発明の第二実施形態の燃料噴射弁を含む燃料噴射装置の全体構成図であり、燃料噴射弁は断面図で示されている。
【図７】図７は、本発明の第二実施形態の燃料噴射弁の作動を説明するためのタイムチャートであり、同一の噴射信号に対する各作動パラメータ（ピエゾアクチュエータ伸び量、制御室内圧力、ニードルリフト）の変化が、本発明の第一実施形態の燃料噴射弁と比較して示してある。
【図８】図８は、本発明の第三実施形態の燃料噴射弁を含む燃料噴射装置の全体構成図であり、燃料噴射弁は断面図で示されている。
【図９】図９は、本発明の第三実施形態の燃料噴射弁の作動を説明するためのタイムチャートであり、同一の噴射信号に対する各作動パラメータ（ピエゾアクチュエータ伸び量、制御室内圧力、ニードルリフト、バネ力）の変化が、本発明の第二実施形態の燃料噴射弁と比較して示してある。
【図１０】図１０は、従来技術の燃料噴射弁を含む燃料噴射装置の全体構成図であり、燃料噴射弁は断面図で示されている。
【図１１】図１１は、他の従来技術の燃料噴射弁を含む燃料噴射装置の全体構成図であり、燃料噴射弁は断面図で示されている。
【符号の説明】
１０、２０、３０…燃料噴射弁
１…ハウジングボディ
２…変位拡大ピストン
３…ニードル
４…ピエゾ駆動部
１１…蓄圧室
１２…スプリング受け
１３…スプリング
１５…ガイド小径穴
１６…ガイド大径穴
１８…第一制御室
１９…第二制御室
２２…逆止弁
２３…コネクタ
２５…小径部
２６…大径部
２７…ガイド中径穴
２８…中ピストン
３１…ノズルボディ
３２…ノズルリテーナ
３３…噴孔
３４…シート面
３５…ガイド部３５
３６、３７…ディスタンスピース
３９…燃料溜り
４１…ピエゾアクチュエータ
４２…ピエゾケース
４３…リテーナ
４４…ピストンホルダ
４５…ピエゾピストン
４８…リード線
５１…連通孔
６０…空間
６１…燃料インレット
６２…燃料通路
７１…バネ
７３…つば付中ピストン
７５…バネ
７７…つば
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のコモンレール燃料噴射システムに好適に用いられる燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コモンレール内の高圧燃料を内燃機関の各気筒に噴射供給するために用いられる従来技術の燃料噴射装置としては、特開平１１−２００９８１号公報に記載されているピエゾ駆動式の燃料噴射装置がある。図１０に示したこの装置は、燃料噴射弁１００のハウジング１３０の上半部内に収容したピエゾアクチュエータ１０２を伸縮させることで制御室１０１内の燃料を加圧し、これによってニードル１０３を駆動する構成を有している。制御室１０１はより詳細には、ピエゾピストン１２１の昇降によって容積が増減する制御室第一部分１２０とニードル１０３の昇降によって容積が増減する制御室第二部分１０１ｂとそれらを結ぶ連通孔で構成されており、レギュレータを介して高圧ポンプに接続され、ピエゾアクチュエータ１０２の収縮時にほぼコモンレール圧となるように制御されている。そして、ピエゾアクチュエータ１０２が収縮している時、ニードル１０３は下端部１０３ｃがシート面１１１に着座して、燃料溜り１０５と噴孔１１２の連通を遮断している。
【０００３】
ニードル１０３は、中間部１０３ｂがハウジング１３０の第１ガイド穴１０４内に摺動可能に保持され、大径の上端部１０３ａが第２ガイド穴１０６内に摺動可能に位置している。上端部１０３ａ上方のスプリング室１０７には、スプリング１０９が収容されて、ニードル１０３に閉弁方向の力を作用させている。一方、ニードル１０３には又、上端部１０３ａと中間部１０３ｂの段差面１１０に作用する制御室１０１内の燃料圧、中間部１０３ｂと下端部１０３ｃの段差面１０８に作用する燃料溜り１０５の燃料圧、及び下端部１０３ｃの直径とシール部の直径の差に相当する面積に作用する燃料溜り１０５の燃料圧等による開弁方向の力が作用しており、以下で説明するように、この開弁力がスプリング１０９の閉弁力を上回るとニードル１０３がリフトし、燃料噴射が開始される。
【０００４】
初期状態においては、ピエゾアクチュエータ１０２は収縮しており、スプリング１０９による閉弁方向の力が開弁方向に作用する力の総和より大きく、ニードル１０３はシート面１１１に押圧されて閉弁している。又、制御室１０１及び燃料溜り１０５内はコモンレール圧に保たれている。この状態において駆動回路から電圧が印加されると、ピエゾアクチュエータ１０２が伸長を始め、制御室第一部分１２０の容積が減少する。制御室第一部分１２０の燃料は連通孔を通って制御室第二部分１０１ｂに供給されると共に圧力が上昇し、段差面１１０に作用する開弁方向の力が増加する。開弁方向の力の総和が閉弁方向の力より大きくなると、ニードル１０３がシート面１１１から離れてリフトし始め、燃料の噴射が開始される。
【０００５】
一方、閉弁する時には、駆動回路からの電圧の印加が停止され、ピエゾアクチュエータ１０２が収縮して、制御室第一部分１２０の容積が増大する。これにより制御室第一部分１２０内の圧力が低下し、制御室第二部分１０１ｂから連通孔を通って制御室第一部分１２０へ燃料が移動して制御室第二部分１０１ｂの圧力が下がり、段差面１１０に作用する開弁方向の力が減少する。開弁方向の力の総和が閉弁方向の力を下回ると、ニードル１０３は下降し始める。
【０００６】
近年、排気対策等のためにニードルを応答性良く制御して開閉弁することが望まれているが、図１０に示された装置においては、上述のように、ニードル１０３の昇降、即ち開閉弁は、ピエゾアクチュエータ１０２の伸縮に伴う制御室第一部分１２０と制御室第二部分１０１ｂとの間の燃料の移動により行われるので、開閉弁速度は細く長い連通孔を通る燃料移動速度により律速される。即ち、図１０に示した従来構造においては、ピエゾアクチュエータ１０２を高応答で伸縮させても、細く長い連通孔を介して燃料を移動するため、ニードル１０３を昇降させて開閉弁させるまでに応答遅れを生じてしまうという問題がある。
【０００７】
又、図１０に示した従来構造では、燃料噴射弁１００を誤開弁せずに閉弁状態に保つために、ピエゾアクチュエータ１０２が収縮している閉弁状態の時にはスプリング１０９による閉弁方向の力がニードル１０３に作用する燃料圧による開弁方向の力よりも常に大きい必要がある。このため、閉弁状態において燃料圧（コモンレール圧）が最高となる時点における開弁力よりも大きい閉弁力を有するスプリング１０９を取付ける必要が生じると共に、開弁する時にはその大きな閉弁力に抗して開弁する開弁力を発生するためのピエゾアクチュエータを含む駆動部が必要となり、装置が大型化すると共に多くの駆動エネルギを必要とするという問題があった。この問題に対処するためには、特願２０００−１８７４６６において、図１１に示された装置が提案されている。
【０００８】
この装置は、基本構成においては図１０に示された装置と同様であって、燃料噴射弁２００の上部に取付けられたピエゾアクチュエータ２４１を伸縮させることで制御室２１０内の燃料を加圧し、これによって変位拡大ピストン２０２を駆動してそれに連結されているニードル２０３を昇降する構成を有している。制御室２１０は、ピエゾピストン２４５の昇降によって容積が増減する制御室第一部分２４６と変位拡大ピストン２０２の昇降によって容積が増減する制御室第二部分２０５とそれらを結ぶ連通孔で構成されている。
【０００９】
特徴は、変位拡大ピストン２０２の大径部の上端面２０２Ｃに接する空間２０６に燃料が導入されていて変位拡大ピストン２０２に閉弁方向にも燃料圧が作用することであり、これによって開閉弁方向の作用力がバランスし、コモンレール圧を変えても、燃料圧による作用力が変わらないことである。
【００１０】
このため、コモンレール圧の最高時に対応して設定していた閉弁用スプリング２１３の閉弁方向の作用力を小さく設定することが可能となり、噴射弁の小型簡素化に有効である。しかしながら、この構造においても、二つの離れた制御室第一部分２４６と制御室第二部分２０５とを細く長い連通孔で繋いでいる構造のために、応答性の改良が望まれる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、燃料の圧力変化を受けて開閉弁する燃料噴射弁において、応答性を改善した燃料噴射弁を提供することを目的とする。
【００１２】
又、本発明の他の目的は、燃料の圧力変化を受けて開閉弁する燃料噴射弁において、応答性の改善と共に、小型化及び駆動エネルギの低減を図った燃料噴射弁を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載された燃料噴射弁を提供する。
【００１４】
請求項１のような構成とすることで、相互の圧力伝達及び燃料移動により弁の開閉力を生ずる二つの制御室が近くに配設され、両制御室を連結する連通孔の距離を短くすることが出来るので、相互の燃料移動が速やかに行われ、燃料噴射弁の応答性を改善するという効果が得られる。
【００１５】
又、請求項２のような構成とすることでも、請求項１に記載の構成と同様に、相互の圧力伝達及び燃料移動により弁の開閉力を生ずる二つの制御室が近くに配設され、両制御室を連結する連通孔の距離を短くすることが出来るので、相互の燃料移動が速やかに行われ、燃料噴射弁の応答性を改善するという効果が得られる。更に、請求項２のような構成とすれば、中ピストンが第二制御室と中ピストンの第二制御室の反対側に面する空間との圧力差によりピエゾアクチュエータ側に付勢されるので、中ピストンをピエゾアクチュエータ側に付勢するためのバネ部材等が必要ない。
【００１６】
請求項３のような構成とすることによっても、二つの制御室を近くに配設し、両制御室を連結する連通孔の距離を短くすることで相互の燃料移動を速やかに行うようにして、燃料噴射弁の応答性を改善するという効果が得られるが、請求項３のような構成とすると更に、中ピストンの第二制御室の反対側に面する空間と燃料通路とが連通され、燃料圧力による中ピストンへの作用力がバランスさせられると共に、変位拡大ピストンへの作用力をもバランスさせられるので、必要な閉弁力が小さくなり、閉弁力を作用させるためのスプリング部材等の小型化が可能となる。又、閉弁力が小さくなるために必要な開弁力も小さくなるので、制御室内の小さな圧力変化で変位拡大ピストン及びそれに連結したニードルを応答性良く作動させることが可能となると共に、ピエゾアクチュエータの小型化、投入エネルギの省電力化（即ち、駆動エネルギの低減）という効果もある。更に、第二制御室内に配置されたバネ部材が、閉弁する時に変位拡大ピストンを下向きに付勢し、中ピストンを上向きに付勢してこれらの間を押し開けるように作用し、連通孔を介した燃料移動を促進して両制御室内の圧力の降下が迅速に行われるようにすると共に、両制御室への燃料補給を容易にし、連続使用中の応答遅れが防止されるようにする効果もある。
【００１７】
又、請求項４のような構成にすることによっても、上述した請求項３の構成により得られる作用効果と同様の作用効果が得られる。そして、請求項４に記載の構成によれば、請求項３の構成によるよりも更に、請求項３の構成において第二制御室内に配設されたバネ部材が開弁した際に発生する閉弁方向の力の分だけ開弁力が小さくて済むので、更なる応答性の向上、ピエゾアクチュエータの小型化、並びに投入エネルギの省電力化等が可能となる。
【００１８】
更に、請求項５及び６のような構成とすることにより、二つの制御室間における相互の燃料移動がより速やかに行われるようになり、燃料噴射弁の応答性を更に改善するという効果が得られる。
【００１９】
又、請求項７のような構成とすることにより、応答性に関する連通孔総断面積の適正化が図られ、応答性の良い燃料噴射弁が得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
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。尚、図面において、同一又は類似の構成要素には共通の参照番号を付す。
【００２１】
図１は本発明の第一実施形態の燃料噴射弁１０を含む燃料噴射装置の全体構成図であり、燃料噴射弁は断面図で示されている。本構成は、高圧ポンプで所定圧に昇圧した燃料をコモンレールを介してエンジン各気筒に装着した噴射弁に供給する構成である。
【００２２】
噴射弁１０は、変位拡大ピストン２を摺動自在に装着したハウジングボディ１を有しており、ハウジングボディ１の下端にはニードル３を収容するノズルボディ３１がノズルリテーナ３２によって取付けられている。又、ハウジングボディ１の上端にはピエゾ駆動部４を構成するピエゾアクチュエータ４１を収容するピエゾケース４２がリテーナ４３によって取付けられている。
【００２３】
ピエゾ駆動部４は、ハウジングボディ１の上端面に密着させられるピストンホルダ４４と、ピストンホルダ４４内に収容されるピエゾピストン４５と、ピエゾアクチュエータ４１と、ピエゾアクチュエータ４１を収容したピエゾケース４２とを含み、リテーナ４３によって、ハウジングボディ１の上端面とピストンホルダ４４の下端面、並びにピストンホルダ４４の上端面とピエゾケース４２の下端面がそれぞれ密着するように取付けられている。ピエゾピストン４５は同軸の大径部と小径部とを有し、その小径部の外周とピストンホルダ４４の内径部とは、わずかなクリアランスを有して摺動可能である。ピエゾピストン４５の大径部の下端側には皿バネ４７が配設されており、ピエゾピストン４５とピエゾアクチュエータ４１とを上方に付勢してピエゾケース４２の内部上面４６に押圧し、プリセット荷重をかけている。尚、ピエゾケース４２とピストンホルダ４４とはノックピン（図示無し）にて周り止めをしてある。又、ピエゾケース４２の上面よりリード線４８が取り出され、外部の駆動回路と接続されている。この駆動回路は更にエンジンＥＣＵ(Electronic Control Unit)に接続されており、エンジンＥＣＵからの噴射信号に従ってピエゾアクチュエータ４１に通電し、伸縮させるようにする。
【００２４】
以上のような構成により、ピエゾアクチュエータ４１は、エンジンＥＣＵからの噴射信号に従って、ピエゾアクチュエータ４１がピエゾケース４２の内部上面４６に常に当接した状態で、ピエゾピストン４５を昇降させる。
【００２５】
ノズルボディ３１は、その下方先端部に噴孔３３を有し、ニードル３がシート面３４に着座することで、噴孔３３と上流の燃料通路（より詳細には、燃料溜り３９）とが遮断される。ニードル３のガイド部３５は３つの面取り部を有し、ニードル３の軸線とノズルボディ３１との軸線を合わせるガイドの機能と、面取り部によって燃料流路を形成する機能とを果たしている。
【００２６】
ニードル３の上端部３８と変位拡大ピストン２の下端部２１はコネクタ２３によって密着するように連結されている。ノズルボディ３１とハウジングボディ１との間には、ディスタンスピース３６、３７が配設され、ノックピン（図示無し）にて周り止めされていて、リテーナ３２によって各部材の上下端面が密着するようにして取付けられている。ディスタンスピース３６の中央にはニードル３のガイド部３５の寸法より小さい径の穴があいており、ニードルがリフトした時にガイド部３５の肩部がディスタンスピース３６に当接することでニードルリフト量を制限するようになっている。
【００２７】
ハウジングボディ１内には、蓄圧室１１が設けてあり、そこにはスプリング受け１２が配設されている。スプリング１３は変位拡大ピストン２の下方端近傍部分を包囲して、スプリング受け１２とコネクタ２３との間に配設され、変位拡大ピストン２及びそれに連結したニードル３を下向き（閉弁方向）に付勢している。尚、スプリング受け１２及びディスタンスピース３６には複数の通路が設けてあり、蓄圧室１１を、シート面３４上流側でニードル３とノズルボディ３１との間に形成される燃料溜り３９と連通している。
【００２８】
変位拡大ピストン２の上側部分は、大径部２６と小径部２５がハウジングボディ１のガイド大径穴１６及びガイド小径穴１５内に、わずかなクリアランスを有して、上下摺動可能に保持されている。更に変位拡大ピストン２の大径部２６には筒状のガイド中径穴２７が設けられ、そのガイド中径穴２７内に中ピストン２８がその外径とガイド中径穴２７との間にわずかなクリアランスを有して摺動可能に保持されている。そして、変位拡大ピストン２の大径部２６の底面と小径部２５の側面及びハウジングボディ１のガイド大径穴１６で区画形成される第一制御室１８と中ピストン２８の底面と変位拡大ピストン２の大径部２６の内側に設けた筒状のガイド中径穴２７とによって区画形成される第二制御室１９とは、変位拡大ピストン２の両制御室１８、１９を仕切っている部分に設けられた大きくて短い流路、即ち連通孔５１で連通している。両制御室１８、１９への燃料の供給は、制御室が加圧された時に閉鎖する向きに配設した逆止弁２２を介して行われる。尚、本実施形態では逆止弁を使用しているが、代用として絞り部を設けても良い。又、この変更は後述する第二、第三の実施形態の燃料噴射弁においても行うことが可能である。
【００２９】
変位拡大ピストン２の大径部２６、中ピストン２８、ハウジングボディ１上端部、及びピストンホルダ４４にて区画形成される空間６０はドレン（図示無し）と連通しており低圧に保たれている。従って、第二制御室１９に燃料が供給されると、中ピストン２８には上向きの燃料圧が作用し、ピエゾアクチュエータ４１と密着しているピエゾピストン４５と当接可能となる。
【００３０】
燃料は、外部のコモンレール（図示無し）が燃料インレット６１へ噴射鋼管などで連結されており、燃料インレット６１から蓄圧室１１には通路６２を通って、制御室１８、１９へは逆止弁２２を通って供給される。
【００３１】
初期状態において、高圧燃料が燃料インレット６１より蓄圧室１１及び両制御室１８、１９に供給される。ここで変位拡大ピストン２に作用する力は、上向き（開弁方向）については、変位拡大ピストン２の大径部２６の直径をＤ26、その大径部２６に設けた筒状のガイド中径穴２７の直径をＤ27、変位拡大ピストン２の小径部２５の直径をＤ25とすると、蓄圧室１１及び両制御室１８、１９の燃料圧は等しいので、ドレン圧の空間６０に露出される変位拡大ピストン２の部分の断面積分の力、即ち（（π／４）・（Ｄ26 2 −Ｄ27 2 ））×（燃料圧−ドレン圧）が作用し、下向き（閉弁方向）については、閉弁用スプリング１３による力が作用する。ここでは上記上向きの作用力＜上記下向きの作用力になるように閉弁用スプリング力を設定してあるので、通常時は閉弁されている。
【００３２】
図２に示したように、ｔ１の時点でエンジンＥＣＵからの噴射信号に従い駆動回路にて所定の電圧をピエゾアクチュエータ４１に印加して伸長させると、ピエゾピストン４５が下方に押し下げられ当接している中ピストン２８が押し下げられる。第二制御室１９の容積は減少し、燃料は昇圧され、連通する第一制御室１８内も速やかに昇圧される。ここで、変位拡大ピストン２について両制御室１８、１９内の上昇した圧力が上下方向に作用する部分の面積の関係は、先に定義した直径で表現すると、（π／４）・（Ｄ26 2 −Ｄ25 2 ）＞（π／４）・（Ｄ27 2 ）なる関係にあり、両制御室１８、１９の圧力が上昇すると、変位拡大ピストン２に上向き（開弁方向）の力が加わる。更に制御室１８、１９の圧力が上昇し、閉弁用のスプリング１３の閉弁力を上回ると（ｔ２の時点）、変位拡大ピストン２が上昇を開始する。この時、燃料は速やかに連通孔５１を介して第二制御室１９から第一制御室１８に移動する。変位拡大ピストン２の上昇に伴い、コネクタ２３によって連結されたニードル３も上昇してシート面３４から離座し、燃料溜り３９と噴孔３３が連通されて噴孔３３からエンジンシリンダ内への燃料噴射が開始される。その後、離座したニードル３は、ガイド部３５の上端がディスタンスピース３６に当接して上昇が止まり（ｔ３の時点）、その後は一定リフトで噴射を継続する。
【００３３】
所定量の燃料を噴射させた後、ｔ４の時点でエンジンＥＣＵからの信号に従い駆動回路による電圧印加を停止すると、ピエゾアクチュエータ４１は収縮し、ピエゾピストン４５及びそれに燃料の圧力で当接している中ピストン２８は上昇する。これにより第二制御室１９の容積が増大し、その内部の圧力が低下する。燃料が連通孔５１を通って第一制御室１８から第二制御室１９に移動するため、第一制御室１８の圧力も低下し、変位拡大ピストン２に作用する上向きの力が減少する。この結果、変位拡大ピストン２に作用する上向きの力が閉弁用スプリング１３の力よりも小さくなるため変位拡大ピストン２は下降し始め（ｔ５の時点）、同時にコネクタ２３で連結されたニードル３も下降して、ｔ６の時点でシート面３４に着座し、噴孔３３と燃料溜り３９が遮断されて噴射が終了する。
【００３４】
以下同様に、エンジンＥＣＵからの噴射信号に従って、繰り返し駆動回路によりピエゾアクチュエータ４１を伸縮させることでニードル３を昇降させ、噴射タイミング、噴射量を制御する。
【００３５】
近年では、排気対策のために多重噴射（エンジン一行程中に複数回に分けて噴射すること）が望まれており、燃料噴射弁を応答性良く開閉する必要がある。本発明のような制御室の容積変化に応じた圧力変化を受けて開閉弁する燃料噴射弁では、開閉弁する際に二つの制御室（又は制御室第一部分と制御室第二部分）の間を連通孔を通って燃料が移動するので、応答性向上のためにはこの燃料の移動を速やかに行わせる必要がある。このため本実施形態では、この連通孔５１が従来技術のものに比べ大きくて短くなるような構成とし、燃料の移動が速やかに行われるようにして応答性を向上させている。図２には、応答性の比較のために従来技術の燃料噴射弁１００に関する値が点線で示されている。
【００３６】
又、更なる応答性の向上を図るために、連通孔５１は複数設けられ、リング状に等間隔で配置されていることが好ましい。即ち、第二制御室１９が円柱状である一方、第一制御室１８は中央に変位拡大ピストン２の小径部２５を有しているために円筒状であるので、連通孔５１を１つとするよりも、例えば図３に示したように円筒状の第一制御室１８の形状に合わせて第二制御室１９の底面に円を成すように複数の連通孔５１を均等に配置した方が開閉弁する時の燃料の移動を速やかに行うことが可能となる。又、同様の目的で、図４に示したように、連通孔５１が第二制御室１９の中央に向かって傾斜して設けられると共に連通孔５１の第二制御室１９側入口のある変位拡大ピストン２の大径部２６に設けられたガイド中径穴２７底部中央部に座繰（すり鉢状の凹み）５２を設けることも有効である。このような変位拡大ピストン２の構成は、第二制御室１９内から連通孔５１内への燃料の移動及び連通孔５１から第二制御室１９内への燃料の移動を容易にする。尚、上述したような複数の連通孔５１を有する変位拡大ピストンの構成は、後述する本発明の第二、第三の実施形態の燃料噴射弁においても採用可能である。
【００３７】
図５は、連通孔５１の総断面積と第二制御室１９の断面積との比（連通孔５１総断面積／第二制御室１９断面積）と開弁時間の関係について示した図である。ここで、連通孔５１の総断面積とは、各連通孔５１を通る流れの方向に垂直な断面での各連通孔５１の断面積の総和であり、第二制御室１９の断面積とは、変位拡大ピストン２の長手方向軸線に垂直な断面での第二制御室１９の断面積である。又、開弁時間とは、ニードル３が上昇し始めてから所定の最大リフト量まで上昇するまでの時間を意味する。図５に示されたように、連通孔総断面積が小さい時（即ち、連通孔５１総断面積／第二制御室１９断面積が５％未満の場合）には、燃料の出入りが律速されるために応答が悪くなる。又、逆にこの比を大きくしていくと、制御室１８、１９の総容積が増加したことになり、中ピストンの昇降に伴う圧力変化が減少し開弁時間が遅くなることが考えられる。しかしながら、図５に示されたように、上記の比が２０％程度までは実用上問題のないことが確認された。
【００３８】
次に本発明の第二実施形態について説明する。図６は本発明の第二実施形態の燃料噴射弁２０を含む燃料噴射装置の全体構成図であり、燃料噴射弁２０は断面図で示されている。基本的な構成は図１で示した第一実施形態の燃料噴射弁１０を含む燃料噴射装置と同様であるので説明を省略するが、本実施形態の燃料噴射弁２０は、応答性を向上するために第二制御室１９内にバネ７１が配設されると共に、燃料インレット６１と蓄圧室１１とを結ぶ通路６２から空間６０へ接続される通路７２が設けられ、更に空間６０と連通していたドレンが廃止されたことを特徴とする。第二制御室１９内のバネ７１は例えばウェーブワッシャなどが用いられ、組付け時に、シート面３４に着座しているニードル３と連結した変位拡大ピストン２の大径部２６に設けられたガイド中径穴２７の底面を支持面とし、中ピストン２８をピエゾピストン４５に当接させている。
【００３９】
燃料を充填した初期状態において、本実施形態では、蓄圧室１１、両制御室１８、１９及び空間６０が全て同じ圧力になり、変位拡大ピストン２に関して燃料圧により作用する力は上下方向でバランスしている。それゆえ、変位拡大ピストン２は、閉弁用スプリング１３及び第二制御室１９内に設置したバネ７１の作用により下方に付勢され、変位拡大ピストン２に連結したニードル３はシート面３４に着座し、噴孔３３と燃料溜り３９を遮断している。この時、閉弁用スプリング１３及び第二制御室内のバネ７１による下向き（閉弁方向）の力は、ニードル先端部分に作用するシリンダ内圧力による力より大きければよく、燃料圧による上向き（開弁方向）の力をも補償する必要のある第一実施形態の場合に比べ、必要な閉弁力は小さくて済み、閉弁用スプリング１３の小型化が可能となる。閉弁力が小さいために必要な開弁力も小さくなり、制御室１８、１９内の小さな圧力変化で変位拡大ピストン２及びそれに連結したニードル３を応答性良く作動させることが可能となる（図７参照）。又、開弁力が小さく出来るために、ピエゾアクチュエータ４１の小型化、投入エネルギの省電力化にも有用である。更に、本実施形態の構成においては、燃料圧が変わっても閉弁方向の力は変わらないので、閉弁速度を一定に保つことが出来る。
【００４０】
図７に示したように、ｔ１の時点でエンジンＥＣＵからの噴射信号に従い、駆動回路にてピエゾアクチュエータ４１に電圧を印加すると、ピエゾアクチュエータ４１は下方に伸長し、ピエゾピストン４５を皿バネ４７に抗して下方に押し下げ、中ピストン２８をバネ７１に抗して押し下げる。第二制御室１９の容積は減少し、第二制御室１９内の燃料が昇圧される。連通する第一制御室１８内も同時に昇圧され、第一実施形態に関して前述した変位拡大ピストン２について両制御室１８、１９内の上昇した圧力が上下方向に作用する部分の面積の関係によって上向き（開弁方向）の力が発生する。この上向きの力がバネ７１及び閉弁用スプリング１３の下向きの力を上回る時点（ｔ２）において、変位拡大ピストン２が上昇を開始し、燃料が速やかに連通孔５１を介して第二制御室１９から第一制御室１８に移動する。変位拡大ピストン２の上昇に伴い、コネクタ２３によって連結されたニードル３も上昇してシート面３４から離座し、燃料溜り３９と噴孔３３が連通されて噴孔３３からエンジンシリンダ内への燃料噴射が開始される。その後、離座したニードル３は、ガイド部３５の上端がディスタンスピース３６に当接して上昇が止まり（ｔ３の時点）、その後は一定リフトで噴射を継続する。
【００４１】
所定量の燃料を噴射させた後、ｔ４の時点でエンジンＥＣＵからの信号に従い駆動回路による電圧印加を停止すると、ピエゾアクチュエータ４１が収縮し、これによって皿バネ４７の作用でピエゾピストン４５が上昇すると共に、ピエゾピストン４５に当接している中ピストン２８がバネ７１の作用で上昇する。これにより第二制御室１９の容積が増大し、その内部の圧力が低下する。燃料が連通孔５１を通って第一制御室１８から第二制御室１９に移動するため、第一制御室１８内の圧力も低下し、変位拡大ピストン２に作用する上向きの力が減少する。この結果、変位拡大ピストン２は閉弁用スプリング１３及び第二制御室１９内のバネ７１の作用により下降し始め（ｔ５の時点）、同時にコネクタ２３で連結されたニードル３も下降して、ｔ６の時点でシート面３４に着座し、噴孔３３と燃料溜り３９が遮断されて噴射が終了する。
【００４２】
本実施形態の構造によれば、上述したように、第一実施形態の構造に比べて必要な閉弁力及び開弁力を小さくすることが出来るので、ピエゾアクチュエータ４１の駆動エネルギを小さくすることが出来る（図７においてピエゾ伸び量が第一実施形態に比べ小さい）。又、燃料圧に依存せずに素早く閉弁することも可能となる。
【００４３】
バネ７１は、閉弁する時に変位拡大ピストン２を下向きに付勢し、中ピストン２８を上向きに付勢してこれらの間を押し開ける作用を有している。閉弁する時に第二制御室１９を押し開けることで、第一制御室１８から第二制御室１９への連通孔５１を介した燃料移動を促進する効果があり、両制御室１８、１９内の圧力の降下が迅速に行われるようになる。又、制御室１８、１９内圧力をｔ６付近で初期状態の圧力（コモンレールから供給される燃料圧力）より低くして両制御室１８、１９への燃料補給を容易にし、連続使用中の応答遅れが防止されるようにする。つまり、開弁する時には、両制御室１８、１９内が加圧されるため、変位拡大ピストン２の各摺動部（即ち、大径部２６の外径部とボディ１のガイド大径穴１６、大径部２６に設けられたガイド中径穴２７と中ピストン２８の外径部、小径部２５の外径部とボディ１のガイド小径穴１５）から、制御室１８又は１９内の燃料がリークする。そのため、開弁後に変位拡大ピストン２が下降してニードル３が着座位置に戻ろうとする時には、両制御室１８、１９の燃料圧は空間６０の燃料圧より低くなり、中ピストン２８には、（中ピストン２８の断面積）×（上記燃料リークによる減圧分）の下向きの力が作用する。この結果、バネ７１が配設されていない場合には、変位拡大ピストン２及びそれに連結されているニードル３は速やかに初期状態の位置に戻らず、逆止弁２２を介してリーク分の燃料が補充されるまで、変位拡大ピストン２の下降が遅れ、ひいては連結するニードル３による閉弁が遅れることとなる。これに対し、本実施形態においては、バネ７１が第二制御室１９内に配設されているので、リーク分による両制御室１８、１９の圧力低下に抗して中ピストン２８を初期状態位置に戻すと共に変位拡大ピストン２を閉弁位置に押し下げることが可能であり、それによって、両制御室１８、１９内と燃料通路６２内とで圧力差を生じさせ、両制御室１８、１９内に速やかに燃料を補充することが可能となる。
【００４４】
バネ７１が第二制御室１９内に配設されていない場合には、上述したような燃料の補充が素早く且つ十分に行われないため、次の開弁時になっても、両制御室１８、１９の圧力が空間６０よりも低いままであり、両制御室１８、１９内の圧力を十分な開弁力を得るための所定圧まで上昇させるのに多くの変位及び時間を要することとなって、応答性が悪くなる。
【００４５】
以上のように、バネ７１を第二制御室１９内に配設することにより、次の開弁時までに速やかに十分な燃料の補給が行われ、応答性良く再び開弁させることが可能となる。つまり、本実施形態により、多重噴射時においても、応答性良くニードルを昇降させ燃料噴射弁を開閉させることが可能となる。
【００４６】
尚、図７には、第一実施形態の燃料噴射弁１０と第二実施形態の燃料噴射弁２０の同一の噴射信号に対する各作動パラメータ（ピエゾアクチュエータ伸び量、制御室内圧力、ニードルリフト）の変化について比較するために第一実施形態の燃料噴射弁１０に関する値が点線で示されている。
【００４７】
次に本発明の第三実施形態について説明する。図８は本発明の第三実施形態の燃料噴射弁３０を含む燃料噴射装置の全体構成図であり、燃料噴射弁３０は断面図で示されている。本実施形態の構成は、図６で示した第二実施形態の燃料噴射弁２０を含む燃料噴射装置に類似しており、同様の部分については説明を省略するが、本実施形態の燃料噴射弁３０においては、第二実施形態の燃料噴射弁２０において第二制御室１９内に配設されていたバネ７１が廃止されると共に、中ピストン７３の上部部分につば７７が設けられ、このつば７７とボディ１に設けられたバネ受け座７４との間にバネ７５が配設されている。このような構成とすることで、以下で説明するように、第二実施形態の燃料噴射弁２０に比べて更に小さなピエゾアクチュエータ４１の伸び量で開弁が可能となり、駆動エネルギの低減を図ることが出来る。即ち、第二実施形態の燃料噴射弁２０においては、開弁する時に、第二制御室１９内に配設されたバネ７１が変位拡大ピストン２の上昇により圧縮され、下向きの力が増加される。一方、本実施形態では、開弁する時に変位拡大ピストン２の上昇によるバネ７５の圧縮は発生しないため、下向きの力は増加せず、その分だけ両制御室１８、１９内を昇圧することによって発生させる開弁に必要な上向きの力は小さくて済むので、必要なピエゾアクチュエータ４１の伸び量も小さくなり、駆動エネルギの低減を図ることが出来る。
【００４８】
燃料を充填した初期状態においては、本実施形態の燃料噴射弁３０においても第二実施形態の燃料噴射弁２０と同様に、蓄圧室１１、両制御室１８、１９及び空間６０が全て同じ圧力になり、変位拡大ピストン２に関して燃料圧により作用する力は上下方向でバランスしている。従って、変位拡大ピストン２は、閉弁用スプリング１３の作用により下方に付勢され、変位拡大ピストン２に連結したニードル３はシート面３４に着座し、噴孔３３と燃料溜り３９を遮断している。この時、閉弁用スプリング１３による下向き（閉弁方向）の力は、ニードル先端部分に作用するシリンダ内圧力による力より大きければよく、燃料圧による上向き（開弁方向）の力をも補償する必要のある第一実施形態に比べ、第二実施形態の燃料噴射弁２０と同様、必要な閉弁力は小さくて済む。そのため、第二実施形態の燃料噴射弁２０について上述したように、閉弁用スプリング１３の小型化が可能となる。更に本実施形態では、上述したように第二実施形態の燃料噴射弁２０よりも必要な開弁力が小さいので、制御室１８、１９内の更に小さな圧力変化でのニードル３の応答性の良い作動、ピエゾアクチュエータ４１の更なる小型化、投入エネルギの更なる省電力化等が可能になる。又、第二実施形態の燃料噴射弁２０と同様に燃料圧が変わっても閉弁方向の力は変わらないので、閉弁速度を一定に保つことが出来る。
【００４９】
図９に示したように、ｔ１の時点でエンジンＥＣＵからの噴射信号に従い、駆動回路にてピエゾアクチュエータ４１に電圧を印加すると、ピエゾアクチュエータ４１は下方に伸長し、ピエゾピストン４５を皿バネ４７に抗して下方に押し下げ、中ピストン７３をバネ７５に抗して押し下げる。第二制御室１９の容積は減少し、第二制御室１９内の燃料が昇圧される。連通する第一制御室１８内も同時に昇圧され、第一実施形態に関して前述した変位拡大ピストン２について両制御室１８、１９内の上昇した圧力が上下方向に作用する部分の面積の関係によって上向き（開弁方向）の力が発生する。この上向きの力が閉弁用スプリング１３の下向きの力を上回る時点（ｔ２）において、変位拡大ピストン２が上昇を開始し、燃料が速やかに連通孔５１を介して第二制御室１９から第一制御室１８に移動する。変位拡大ピストン２の上昇に伴い、コネクタ２３によって連結されたニードル３も上昇してシート面３４から離座し、燃料溜り３９と噴孔３３が連通されて噴孔３３からエンジンシリンダ内への燃料噴射が開始される。その後、離座したニードル３は、ガイド部３５の上端がディスタンスピース３６に当接して上昇が止まり（ｔ３の時点）、その後は一定リフトで噴射を継続する。
【００５０】
所定量の燃料を噴射させた後、ｔ４の時点でエンジンＥＣＵからの信号に従い駆動回路による電圧印加を停止すると、ピエゾアクチュエータ４１が収縮し、これによって皿バネ４７の作用でピエゾピストン４５が上昇すると共に、ピエゾピストン４５に当接している中ピストン７３がバネ７５の作用で上昇する。これにより第二制御室１９の容積が増大し、その内部の圧力が低下する。燃料が連通孔５１を通って第一制御室１８から第二制御室１９に移動するため、第一制御室１８の圧力も低下し、変位拡大ピストン２に作用する上向きの力が減少する。この結果、変位拡大ピストン２は閉弁用スプリング１３の作用により下降し始め（ｔ５の時点）、同時にコネクタ２３で連結されたニードル３も下降して、ｔ６の時点でシート面３４に着座し、噴孔３３と燃料溜り３９が遮断されて噴射が終了する。
【００５１】
本実施形態の構造によれば、上述したように第二実施形態の構造に比べ、ピエゾアクチュエータ４１の駆動エネルギを更に小さくすることが出来る（図９においてピエゾアクチュエータ伸び量が第二実施形態に比べ小さい）。又、第二実施形態の燃料噴射弁２０と同様に燃料圧に依存せずに素早く閉弁することも可能となる。更に、バネ７５が閉弁する時に中ピストン７３を上向きに付勢して第二制御室１９を広げることにより、第二実施形態の燃料噴射弁２０において、閉弁する時にバネ７１が第二制御室１９を押し開けるのと同様の効果を発揮し、第一制御室１８から第二制御室１９への連通孔５１を介した燃料移動を促進して両制御室１８、１９内の圧力の降下が迅速に行われるようにすると共に、制御室内圧力をｔ６付近で初期状態の圧力（コモンレールから供給される燃料圧力）より低くして両制御室１８、１９への燃料補給を容易にし、連続使用中の応答遅れが防止される。
【００５２】
尚、図９には、第二実施形態の燃料噴射弁２０と第三実施形態の燃料噴射弁３０の同一の噴射信号に対する各作動パラメータ（ピエゾアクチュエータ伸び量、制御室内圧力、ニードルリフト、バネ力）の変化について比較するために第二実施形態の燃料噴射弁２０に関する値が点線で示されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第一実施形態の燃料噴射弁を含む燃料噴射装置の全体構成図であり、燃料噴射弁は断面図で示されている。
【図２】図２は、本発明の第一実施形態の燃料噴射弁の作動を説明するためのタイムチャートであり、同一の噴射信号に対する各作動パラメータ（ピエゾアクチュエータ伸び量、制御室内圧力、ニードルリフト）の変化が、従来技術の燃料噴射弁と比較して示してある。
【図３】図３は、本発明の第一実施形態の燃料噴射弁の部分拡大断面図であり、図３（ａ）は制御室近傍の拡大断面図を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）中の線Ｂ−Ｂに沿った断面図を示している。
【図４】図４は、変位拡大ピストンの変形例を示している図３と同様の図であり、図４（ａ）は制御室近傍の拡大断面図を示し、図４（ｂ）は図４（ａ）中の線Ｂ−Ｂに沿った断面図を示している。
【図５】図５は、連通孔の総断面積と第二制御室の断面積との比（連通孔総断面積／第二制御室断面積）と開弁時間の関係について示した図である。
【図６】図６は、本発明の第二実施形態の燃料噴射弁を含む燃料噴射装置の全体構成図であり、燃料噴射弁は断面図で示されている。
【図７】図７は、本発明の第二実施形態の燃料噴射弁の作動を説明するためのタイムチャートであり、同一の噴射信号に対する各作動パラメータ（ピエゾアクチュエータ伸び量、制御室内圧力、ニードルリフト）の変化が、本発明の第一実施形態の燃料噴射弁と比較して示してある。
【図８】図８は、本発明の第三実施形態の燃料噴射弁を含む燃料噴射装置の全体構成図であり、燃料噴射弁は断面図で示されている。
【図９】図９は、本発明の第三実施形態の燃料噴射弁の作動を説明するためのタイムチャートであり、同一の噴射信号に対する各作動パラメータ（ピエゾアクチュエータ伸び量、制御室内圧力、ニードルリフト、バネ力）の変化が、本発明の第二実施形態の燃料噴射弁と比較して示してある。
【図１０】図１０は、従来技術の燃料噴射弁を含む燃料噴射装置の全体構成図であり、燃料噴射弁は断面図で示されている。
【図１１】図１１は、他の従来技術の燃料噴射弁を含む燃料噴射装置の全体構成図であり、燃料噴射弁は断面図で示されている。
【符号の説明】
１０、２０、３０…燃料噴射弁
１…ハウジングボディ
２…変位拡大ピストン
３…ニードル
４…ピエゾ駆動部
１１…蓄圧室
１２…スプリング受け
１３…スプリング
１５…ガイド小径穴
１６…ガイド大径穴
１８…第一制御室
１９…第二制御室
２２…逆止弁
２３…コネクタ
２５…小径部
２６…大径部
２７…ガイド中径穴
２８…中ピストン
３１…ノズルボディ
３２…ノズルリテーナ
３３…噴孔
３４…シート面
３５…ガイド部３５
３６、３７…ディスタンスピース
３９…燃料溜り
４１…ピエゾアクチュエータ
４２…ピエゾケース
４３…リテーナ
４４…ピストンホルダ
４５…ピエゾピストン
４８…リード線
５１…連通孔
６０…空間
６１…燃料インレット
６２…燃料通路
７１…バネ
７３…つば付中ピストン
７５…バネ
７７…つば
Claims (8)
- 噴孔を開閉するニードルに閉弁方向の付勢力を作用させるスプリング部材を有する燃料噴射弁であって、
前記ニードルに連結されると共に、連通孔が設けられた拡大部を備えた変位拡大ピストンと、
前記変位拡大ピストンの拡大部の一側面に面して配設されると共に燃料が充填される第一制御室であって、前記変位拡大ピストンに所定の大きさの作用面積で燃料の圧力を開弁方向に作用させる第一制御室と、
前記変位拡大ピストンの拡大部の前記側面の反対側の側面に面して配設されると共に、前記第一制御室と前記拡大部に設けられた前記連通孔によって連結され且つ燃料が充填される第二制御室であって、前記変位拡大ピストンに前記第一制御室の作用面積よりも小さい作用面積で燃料の圧力を閉弁方向に作用させる第二制御室と、を有し、
一方の制御室容積を変化させることで二つの前記制御室内の燃料圧力を上昇させ、二つの前記制御室の作用面積の差のために発生する前記変位拡大ピストンを開弁方向に移動させる力によってニードルを移動して前記噴孔を開くことを特徴とする燃料噴射弁。 - ピエゾアクチュエータの伸縮に伴う制御室の容積変化に応じた圧力変化を受けて開閉弁する燃料噴射弁において、
内部に同軸のガイド大径穴及びガイド小径穴が設けられたハウジングボディと、前記各穴内で各々摺動可能な同軸の大径部と小径部とを有すると共に前記大径部にガイド中径穴が設けられた変位拡大ピストンと、前記変位拡大ピストンの大径部に設けられたガイド中径穴内で摺動可能な中ピストンとを有していて、
前記ハウジングボディのガイド大径穴と前記変位拡大ピストンの大径部及び小径部とで区画形成される第一制御室と、前記変位拡大ピストンの大径部に設けられたガイド中径穴と中ピストンにて区画形成される第二制御室とが、二つの前記制御室を仕切っている変位拡大ピストンの部分に連通孔を設けて連結され、
燃料通路と逆止弁、又は絞り部にて前記第一制御室に燃料を供給し、
前記中ピストンの前記第二制御室の反対側に面する空間をドレンと連通させて、該空間内圧力を前記第二制御室内圧力より低くし、前記中ピストンを前記ピエゾアクチュエータ側に付勢させ、前記ピエゾアクチュエータの伸縮を前記中ピストンに確実に伝達するようにし、
前記第二制御室の容積変化により発生させた圧力変化を、前記変位拡大ピストンの前記第一制御室に面する大径部断面積から小径部断面積を差し引いた面積と前記第二制御室に面するガイド中径穴底部面積とに作用させ、前記変位拡大ピストン及び該変位拡大ピストンに連結されているニードルを昇降させて開閉弁することを特徴とする燃料噴射弁。 - ピエゾアクチュエータの伸縮に伴う制御室の容積変化に応じた圧力変化を受けて開閉弁する燃料噴射弁において、
内部に同軸のガイド大径穴及びガイド小径穴が設けられたハウジングボディと、前記各穴内で各々摺動可能な同軸の大径部と小径部とを有すると共に前記大径部にガイド中径穴が設けられた変位拡大ピストンと、前記変位拡大ピストンの大径部に設けられたガイド中径穴内で摺動可能な中ピストンとを有していて、
前記ハウジングボディのガイド大径穴と前記変位拡大ピストンの大径部及び小径部とで区画形成される第一制御室と、前記変位拡大ピストンの大径部に設けられたガイド中径穴と中ピストンにて区画形成される第二制御室とが、二つの前記制御室を仕切っている変位拡大ピストンの部分に連通孔を設けて連結され、
燃料通路と逆止弁、又は絞り部にて前記第一制御室に燃料を供給し、
前記中ピストンの前記第二制御室の反対側に面する空間と燃料通路とを連通させ、前記中ピストンへの作用力をバランスさせると共に、前記変位拡大ピストンへの作用力をもバランスさせ、
前記第二制御室内に前記中ピストンと前記変位拡大ピストンとを隔離するように付勢するバネ部材を配設し、前記中ピストンを前記ピエゾアクチュエータ側に付勢させ、前記ピエゾアクチュエータの伸縮を前記中ピストンに確実に伝達するようにし、
前記第二制御室の容積変化により発生させた圧力変化を、前記変位拡大ピストンの前記第一制御室に面する大径部断面積から小径部断面積を差し引いた面積と前記第二制御室に面するガイド中径穴底部面積とに作用させ、前記変位拡大ピストン及び該変位拡大ピストンに連結されているニードルを昇降させて開閉弁することを特徴とする燃料噴射弁。 - ピエゾアクチュエータの伸縮に伴う制御室の容積変化に応じた圧力変化を受けて開閉弁する燃料噴射弁において、
内部に同軸のガイド大径穴及びガイド小径穴が設けられたハウジングボディと、前記各穴内で各々摺動可能な同軸の大径部と小径部とを有すると共に前記大径部にガイド中径穴が設けられた変位拡大ピストンと、前記変位拡大ピストンの大径部に設けられたガイド中径穴内で摺動可能な中ピストンであって、該中ピストンの摺動部よりアクチュエータ側の部位につばが設けられている中ピストンとを有していて、
前記ハウジングボディのガイド大径穴と前記変位拡大ピストンの大径部及び小径部とで区画形成される第一制御室と、前記変位拡大ピストンの大径部に設けられたガイド中径穴と中ピストンにて区画形成される第二制御室とが、二つの前記制御室を仕切っている変位拡大ピストンの部分に連通孔を設けて連結され、
燃料通路と逆止弁、又は絞り部にて前記第一制御室に燃料を供給し、
前記中ピストンの前記第二制御室の反対側に面する空間と燃料通路とを連通させ、前記中ピストンへの作用力をバランスさせると共に、前記変位拡大ピストンへの作用力をもバランスさせ、
前記中ピストンのつばと前記ハウジングボディのガイド大径穴より大径の、前記ハウジングボディに設けられたバネ部材受け座との間に、前記中ピストンを前記ピエゾアクチュエータ側に付勢するバネ部材を配設して、前記ピエゾアクチュエータの伸縮を前記中ピストンに確実に伝達するようにし、
前記第二制御室の容積変化により発生させた圧力変化を、前記変位拡大ピストンの前記第一制御室に面する大径部断面積から小径部断面積を差し引いた面積と前記第二制御室に面するガイド中径穴底部面積とに作用させ、前記変位拡大ピストン及び該変位拡大ピストンに連結されているニードルを昇降させて開閉弁することを特徴とする燃料噴射弁。 - ピエゾアクチュエータの伸縮に伴う制御室の容積変化に応じた圧力変化を受けて開閉弁する前記燃料噴射弁において、
前記連通孔を複数かつリング状に等間隔で配置したことを特徴とする請求項２から４の何れか一項に記載の燃料噴射弁。 - ピエゾアクチュエータの伸縮に伴う制御室の容積変化に応じた圧力変化を受けて開閉弁する前記燃料噴射弁において、
前記連通孔が前記第二制御室の中央に向かって傾斜して設けられると共に前記連通孔の前記第二制御室側入口のある前記変位拡大ピストンの大径部に設けられたガイド中径穴底部中央部に座繰を設けたことを特徴とする請求項２から５の何れか一項に記載の燃料噴射弁。 - ピエゾアクチュエータの伸縮に伴う制御室の容積変化に応じた圧力変化を受けて開閉弁する前記燃料噴射弁において、
前記連通孔の総断面積を前記第二制御室断面積の５％から２０％としたことを特徴とする請求項２から６の何れか一項に記載の燃料噴射弁。 - ピエゾアクチュエータの伸縮に伴う制御室の容積変化に応じた圧力変化を受けて開閉弁する前記燃料噴射弁において、
前記ピエゾアクチュエータと前記中ピストンとの間に、前記ピエゾアクチュエータの力を伝達する部材を有していることを特徴とする請求項２から７の何れか一項に記載の燃料噴射弁。
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