JP4364864B2 - 可変噴孔インジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、噴孔の開閉数を可変することで噴射率を可変可能な可変噴孔インジェクタに関し、例えばピエゾアクチュエータの伸縮変化を油圧変化に変換して噴射制御を行うピエゾインジェクタに用いて好適な技術に関する。なお、以下では、閉弁方向を下、開弁方向を上として説明する。

（発明の背景）
近年では、エンジン振動およびエンジン騒音の防止、排気ガスの浄化、エンジン出力と燃費を高い次元で成立させる目的で、燃料の噴射率を可変することが求められている。具体的には、噴射前半は低い噴射率で燃料噴射を実行し、噴射後半に高い噴射率で燃料噴射を実行するインジェクタが求められている。
そこで、充電量に応じて伸縮量を可変できるピエゾアクチュエータを搭載したピエゾインジェクタを用いて、噴射前半はピエゾアクチュエータの充電量を第１充電値とし、噴射後半はピエゾアクチュエータの充電量を第１充電値より大きい第２充電値とすることで、噴射前半のニードルの上昇を小さくし、噴射後半のニードルの上昇を大きくすることができ、噴射率を可変することが可能になる。
しかし、ニードルの上昇が小さい時（小さい噴射率の時）は、ニードルのシート部絞りにより各噴孔に供給される燃料圧力が下がるとともに、全ての噴孔が同時に開口するため、各噴孔から低い燃料圧力の燃料が噴射される。この結果、圧力不足により噴霧径が大きくなり、エミッションの悪化を招いてしまう。

（従来技術）
上記の不具合を解決するために、噴孔の開閉数を可変することで噴射率を可変する可変噴孔インジェクタが求められる。可変噴孔インジェクタの従来技術として、例えば、特許文献１に開示される技術が知られている。
この特許文献１に開示される可変噴孔インジェクタは、図８に示すように、第１噴孔Ｊ１を開閉する第１ニードル（アウターニードル）Ｊ２と、この第１ニードルＪ２内に配置されて第２噴孔Ｊ３を開閉する第２ニードル（インナーニードル）Ｊ４とを備える。
第１ニードルＪ２の上側に第１ピストンＪ５が設けられ、第２ニードルＪ４の上側にも第２ピストンＪ６が設けられている。第１、第２ピストンＪ５、Ｊ６の上側には、高圧燃料通路Ｊ７に通じる高圧室Ｊ８が形成されている。
一方、第１、第２ピストンＪ５、Ｊ６の下側には、各部のクリアランスを介して高圧燃料が満たされる第１、第２制御室Ｊ９、Ｊ１０が形成されている。

閉弁している第１、第２ニードルＪ２、Ｊ４には「第１、第２スプリングＪ１１、Ｊ１２による下向きの付勢力α１、α２」と「高圧室Ｊ８の圧力による下向きの閉弁力β１、β２」が加えられている。
ピエゾアクチュエータＪ１３が充電されると、ピエゾアクチュエータＪ１３に連結されたピエゾピストンＪ１４が押し下げられるため、第１、第２制御室Ｊ９、Ｊ１０が加圧されて、第１、第２制御室Ｊ９、Ｊ１０の駆動油圧が上昇する。
第１制御室Ｊ９の駆動油圧が上昇して第１ニードルＪ２を押し上げるリフト力γ１が、第１ニードルＪ２を押し下げる閉弁力（第１スプリングＪ１１による下向きの付勢力α１＋高圧室Ｊ８の圧力による下向きの閉弁力β１）を上回った時点で、第１ニードルＪ２がリフトを開始して第１噴孔Ｊ１から高圧燃料が噴射される。
また、第２制御室Ｊ１０の駆動油圧が上昇して第２ニードルＪ４を押し上げるリフト力γ２が、第２ニードルＪ４を押し下げる閉弁力（第２スプリングＪ１２による下向きの付勢力α２＋高圧室Ｊ８の圧力による下向きの閉弁力β２）を上回った時点で、第２ニードルＪ４がリフトを開始して第２噴孔Ｊ３から高圧燃料が噴射される。

第１、第２ニードルＪ２、Ｊ４がリフトを開始すると、各ニードルＪ２、Ｊ４の下端のシート面に高圧が与えられるため、閉弁力β１、β２が喪失する。
次に、ピエゾアクチュエータＪ１３が放電されると、ピエゾスプリングＪ１５の作用でピエゾピストンＪ１４が押し上げられて、第１、第２制御室Ｊ９、Ｊ１０の駆動油圧が低下する。
第１、第２制御室Ｊ９、Ｊ１０の駆動油圧が低下して、第１、第２スプリングＪ１１、Ｊ１２による下向きの付勢力α１、α２が、第１、第２制御室Ｊ９、Ｊ１０の圧力による上向きのリフト力γ１、γ２を上回った時点で、第１、第２ニードルＪ２、Ｊ４が着座方向に移動を開始する。そして、第１、第２ニードルＪ２、Ｊ４が着座することで、第１、第２噴孔Ｊ１、Ｊ３による燃料噴射が停止する。

（従来技術の問題点）
上記の可変噴孔インジェクタは、第１、第２ピストンＪ５、Ｊ６の上側が共に高圧室Ｊ８に配置されている。このため、第１、第２ニードルＪ２、Ｊ４を押し上げるためには、第１、第２制御室Ｊ９、Ｊ１０において高圧室Ｊ８より高い圧力の駆動油圧を発生させる必要があり、第１制御室Ｊ９には高圧燃料が満たされる。
この第１制御室Ｊ９の高圧は、ピエゾピストンＪ１４を介してピエゾアクチュエータＪ１３に作用するため、ピエゾアクチュエータＪ１３が高圧に耐えきれず、圧縮破壊する可能性がある。このため、ピエゾアクチュエータＪ１３の強度を高めることでピエゾアクチュエータＪ１３が大型化する不具合がある。

一方、第１、第２ニードルＪ２、Ｊ４が着座している状態では、閉弁力β１、β２は喪失していない。
このため、閉弁している第１、第２ニードルＪ２、Ｊ４を開弁させるには、「第１、第２スプリングＪ１１、Ｊ１２による下向きの付勢力α１、α２」と「高圧室Ｊ８の圧力による下向きの閉弁力β１、β２」の「合算力」を上回る『大きな押し上げ力』をピエゾアクチュエータＪ１３によって発生させる必要がある。このため、ピエゾアクチュエータＪ１３が大型化する不具合がある。
なお、ピエゾピストンＪ１４の断面積（受圧面積）を大きくしたり、第１、第２制御室Ｊ９、Ｊ１０の断面積（第１、第２ピストンＪ５、Ｊ６の受圧面積）を大きくすることで、ピエゾアクチュエータＪ１３の発生力に対して大きな油圧を発生させる対処を行っても、ピエゾアクチュエータＪ１３のストロークに対して、第１、第２ニードルＪ２、Ｊ４のリフト量が低下することになるため、やはりピエゾアクチュエータＪ１３が大型化してしまう。
国際公開第２００５／０１４９９５号パンフレット

上記に示すように、噴孔の開閉数を可変可能な従来の可変噴孔インジェクタは、油圧発生手段に用いられるアクチュエータの大型化に伴ってインジェクタの体格が大きくなる問題があった。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、可変噴孔インジェクタに搭載される油圧発生手段を小型化して、インジェクタの体格を小さくすることにある。

（請求項１の発明）
請求項１の発明を採用する可変噴孔インジェクタは、第１中間ピストンの上側の第１低圧室に低圧が導かれる。このため、第１中間ピストンの下側の第１制御室の圧力も低圧にでき、油圧発生手段に係る初期荷重を小さくできる。
このように、初期荷重を下げることができるため、油圧発生手段を小型化することができ、可変噴孔インジェクタの体格を小さくすることができる。

（請求項２の発明）
請求項２の発明を採用する可変噴孔インジェクタは、第１中間ピストンの上側の第１低圧室に低圧が導かれる。このため、第１中間ピストンの下側の第１制御室の圧力も低圧にでき、油圧発生手段に係る初期荷重を小さくできる。
また、高圧が作用する第１、第２上側ピストンの合計断面積（合計受圧面積）を、第１、第２ニードルの合計断面積（合計受圧面積）と同等以下に設けることにより、閉弁時に第１、第２弁ユニットに作用する閉弁力を低減できる。これにより、第１、第２ニードルをリフトするのに必要な駆動油圧（加圧力）を下げることができる。
このように、駆動油圧を下げることができるため、油圧発生手段を小型化することができ、可変噴孔インジェクタの体格を小さくすることができる。

（請求項３の発明）
請求項３の発明を採用する可変噴孔インジェクタは、第１中間ピストンのリフトに伴って第１上側ピストンのリフト量が第１リフト量に達した際に、第１上側ピストンと第２上側ピストンとが当接する上側ピストン当接部を備える。
これによって、第１中間ピストンおよび第１上側ピストンの上昇途中において、第１上側ピストンが第２上側ピストンに当接して、第２上側ピストンをリフトするため、上側ピストン当接部の間隔によって、第１弁ユニットのリフトによる噴射と、第２弁ユニットのリフトによる噴射との噴射タイミングを設定することができ、１度の噴射において噴射率を可変することができる。

（請求項４の発明）
請求項４の発明を採用する可変噴孔インジェクタは、第１中間ピストンのリフト量が第１リフト量に達した際に、第１中間ピストンと第２中間ピストンとが当接する中間ピストン当接部を備える。
これによって、第１中間ピストンの上昇途中において、第１中間ピストンが第２中間ピストンに当接して、第２中間ピストンをリフトするため、中間ピストン当接部の間隔によって、第１弁ユニットのリフトによる噴射と、第２弁ユニットのリフトによる噴射との噴射タイミングを設定することができ、１度の噴射において噴射率を可変することができる。

（請求項５の発明）
請求項５の発明を採用する可変噴孔インジェクタは、第２中間ピストンを収容する第２シリンダ室の下側の第２制御室に第１制御室の駆動油圧を導く第２駆動油圧導入手段と、第２シリンダ室の上側の第２低圧室に第１低圧室の低圧を導く第２低圧導入手段とを備える。
これによって、第１中間ピストンの上向きの受圧面積と第１スプリングのセット荷重により、第１弁ユニットのリフト開始（即ち、第１噴孔の噴射）を設定できるとともに、第２中間ピストンの上向きの受圧面積と第２スプリングのセット荷重により、第２弁ユニットのリフト開始（即ち、第２噴孔の噴射）を設定できる。即ち、第１弁ユニットのリフト後に第２弁ユニットをリフトさせたり、逆に第２弁ユニットのリフト後に第１弁ユニットをリフトさせたりでき、１度の噴射において噴射率を可変することができる。

（請求項６の発明）
請求項６の発明を採用する可変噴孔インジェクタは、油圧発生手段の油圧発生室とボディ内に形成される低圧空間とを連通する連通路と、この連通路に設けられ、油圧発生室の油圧が低圧空間へ流出することを防止する逆止弁とを備える。
インジェクタ内に設けられる油圧発生室は、作動油である燃料が満たされるが、その油圧発生室の燃料の一部が、インジェクタの構成部品（例えば、ピエゾピストンとボディの摺動部）からリークする可能性がある。そこで、油圧発生室と低圧空間を連通する連通路に逆止弁を設けることにより、油圧発生室の燃料がリークした場合に、逆止弁が開いて低圧空間から油圧発生室に燃料が補充される。

（請求項７の発明）
請求項７の発明を採用する可変噴孔インジェクタの第２弁ユニットは、第１弁ユニットの内側で往復動可能に支持される。

（請求項８の発明）
請求項８の発明を採用する可変噴孔インジェクタの油圧発生手段は、複数段階に駆動油圧を上昇可能な多段油圧発生手段である。
この多段油圧発生手段によって、第１弁ユニットのリフト制御と、第２弁ユニットのリフト制御とを行うことができ、第１噴孔のみによる噴射と、第１、第２噴孔の両方からの噴射とを切替えることができる。

（請求項９の発明）
請求項９の発明を採用する可変噴孔インジェクタの多段油圧発生手段は、ピエゾ素子を多数積層してなるピエゾアクチュエータと、このピエゾアクチュエータの伸縮変化を油圧変化に変換する油圧変換部とを備える。
油圧発生手段のアクチュエータにピエゾアクチュエータを用いることにより、制御信号に対して応答性に優れた可変噴孔インジェクタを提供できる。また、アクチュエータにピエゾアクチュエータを用いることにより、充電量に応じた伸縮量が得られるため、１つのピエゾアクチュエータで駆動油圧を複数段階に上昇させることができる。さらに、請求項１の発明で記載したように、油圧発生手段の駆動油圧を下げることができるため、インジェクタを小型化することができ、ピエゾアクチュエータを搭載した可変噴孔インジェクタの体格を小さくできる。

最良の形態１の可変噴孔インジェクタは、
（ａ）高圧燃料を噴射するための第１、第２噴孔を有するボディと、
（ｂ）このボディ内に往復動可能に支持され、
第１、第２噴孔を開閉する第１、第２ニードル、高圧燃料を受圧して第１、第２ニードルに下向きの付勢力（β１、β２）を発生させる第１、第２上側ピストン、第１、第２ニードルと第１、第２上側ピストンの間に配された第１、第２中間ピストンを備え、
第１、第２上側ピストンの合計断面積が、第１、第２ニードルの合計断面積より小さく設けられた第１、第２弁ユニットと、
（ｃ）この第１、第２弁ユニットに下向きの付勢力（α１、α２）を与える第１、第２スプリングと、
（ｄ）第１中間ピストンを収容する第１シリンダ室の下側の第１制御室に駆動油圧を発生させ、第１中間ピストンに上向きのリフト力（γ１）を与える油圧発生手段と、
（ｅ）第１シリンダ室の上側の第１低圧室に低圧を導く第１低圧導入手段と、
を具備する。

実施例１では、コモンレール式燃料噴射装置に用いられるインジェクタに、本発明を適用した例を図１〜図４を参照して説明する。
（コモンレール式燃料噴射装置の概略説明）
コモンレール式燃料噴射装置は、エンジン（例えば、ディーゼルエンジン）の各気筒に燃料噴射を行うシステムであり、コモンレール１、インジェクタ２、サプライポンプ３、制御装置４等によって構成される。なお、制御装置４は、ＥＣＵ（エンジン制御ユニット）４ａとＥＤＵ（駆動ユニット）４ｂで構成されるものであり、ＥＤＵ４ｂはＥＣＵ４ａのケース内に内蔵されるものであっても良い。

コモンレール１は、インジェクタ２に供給する高圧燃料を蓄圧する蓄圧容器であり、燃料噴射圧に相当するコモンレール圧が蓄圧されるように高圧ポンプ配管５を介して高圧燃料を圧送するサプライポンプ３に接続されるとともに、各インジェクタ２へ高圧燃料を供給する複数のインジェクタ配管６が接続されている。

インジェクタ２は、エンジンの各気筒毎に搭載されて燃料を各気筒内に噴射供給するものであり、コモンレール１より分岐する複数のインジェクタ配管６の下流端に接続されて、コモンレール１に蓄圧された高圧燃料を各気筒内に噴射供給する。また、インジェクタ２のリーク燃料は、リリーフ配管７を経て燃料タンク８に戻される。

サプライポンプ３は、燃料タンク８内の燃料を吸引するフィードポンプ（図示しない）と、このフィードポンプが吸引した燃料を圧縮してコモンレール１へ吐出する高圧ポンプとを搭載している。フィードポンプおよび高圧ポンプは、エンジンによって駆動される共通のカムシャフトによって回転する。

制御装置４は、上述したように、ＥＣＵ４ａとＥＤＵ４ｂより構成される。
ＥＣＵ４ａは、制御処理、演算処理を行うＣＰＵ、各種プログラムおよびデータを保存する記憶装置（ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＳＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ等のメモリ）、入力回路、出力回路、電源回路を含んで構成される周知構造のコンピュータよりなる。
ＥＣＵ４ａは、読み込まれたセンサ類の信号（エンジンパラメータ：乗員の操作状態、エンジンの運転状態に応じた信号）に基づいて各種の演算処理を行う。なお、ＥＣＵ４ａには、エンジンパラメータを検出するセンサ類として、アクセル開度を検出するアクセルセンサ、エンジン回転数やクランク角を検出する回転数センサ、エンジンの冷却水温度を検出する水温センサ、コモンレール圧を検出するレール圧センサなど、各種のセンサが接続されている。

ＥＣＵ４ａには、インジェクタ２の噴射制御を行うための「充放電制御機能」が搭載されている。この充放電制御機能は、現在の運転状態に応じたタイミングでインジェクタ２に搭載されたピエゾスタック（後述する）の充放電を制御する機能であり、予め搭載されたプログラムと、ＥＣＵ４ａに読み込まれた各種センサ信号（エンジンパラメータ）とに基づいて、各噴射毎の「噴射開始時期」、各噴射毎の「噴射期間（噴射量）」等を算出し、噴射開始時期、噴射期間等に基づいて、ピエゾスタックの充電時期・量と放電時期・量を制御する。
また、ＥＤＵ４ｂは、ＥＣＵ４ａの指令に基づいてピエゾスタックの充電と放電を実行する周知の駆動回路である。

（インジェクタ２の説明）
インジェクタ２の具体的な構成を説明する。
インジェクタ２は、ボディの内部に往復動可能に収容される第１、第２弁ユニットを有する。なお、ボディは、下側から上に、第１、第２噴孔１１、１２が形成されたノズルボディ１３、下側中間ボディ１４、上側中間ボディ１５、ピエゾボディ１６の４部品に分割して設けられ、全体がリテーニングナット１７によって固定されている。

第１弁ユニットは、下側から上に、第１ニードル（インナーニードル）２１、第１中間ピストン（インナーストッパ）２３、第１上側ピストン（インナーバランスピストン）２５の３部品によって構成され、この３部品が上下方向に当接した状態で一体に可動する。 第２弁ユニットは、第１弁ユニットとは独立して可動できるものであり、下側から上に、第２ニードル（アウターニードル）２２、第２中間ピストン（アウターストッパ）２４、第２上側ピストン（アウターバランスピストン）２６の３部品によって構成され、この３部品が上下方向に当接した状態で一体に可動する。

第１ニードル２１は、ノズルボディ１３の内部に形成されたガイド孔３１の内部で上下方向に摺動自在に支持され、ガイド孔３１の下端に形成された第１噴孔１１を開閉する部品であり、大径部２１ａと小径部２１ｂとを有する段付き状に設けられている。
第２ニードル２２は、第１ニードル２１の中心部に貫通形成された摺動孔の内部で上下方向に摺動自在に支持され、第１噴孔１１の内径側に形成された第２噴孔１２を開閉する部品であり、上下方向に伸びる棒状に設けられている。

ノズルボディ１３には、上記ガイド孔３１および第１、第２噴孔１１、１２の他に、第１ニードル２１の段差部の周囲に拡径して形成された燃料溜３２と、この燃料溜３２に高圧燃料を導く高圧燃料通路３３等が形成されている。
ガイド孔３１は、ノズルボディ１３の上端面から下端部付近まで穿設されたものであり、第１ニードル２１は、燃料溜３２より上側のガイド孔３１内において大径部２１ａが上下方向に摺動自在に保持され、燃料溜３２より下側のガイド孔３１と小径部２１ｂとの間に環状燃料通路３４が形成される。

第１、第２噴孔１１、１２は、図３に示すように、ガイド孔３１の下端の円錐シート面から外面に伸びる貫通孔である。
第１噴孔１１は、第１ニードル２１が円錐シート面から離座することで、環状燃料通路３４と連通して高圧燃料を外部（燃焼室内）へ噴射し、第１ニードル２１が円錐シート面に着座することで、環状燃料通路３４と遮断されて燃料噴射を停止する。
第２噴孔１２は、第１噴孔１１の内径側に形成されており、第１ニードル２１が円錐シート面から離座し、且つ第２ニードル２２も円錐シート面から離座することで、環状燃料通路３４と連通して高圧燃料を外部（燃焼室内）へ噴射し、第１ニードル２１または第２ニードル２２の少なくとも一方が円錐シート面に着座することで、環状燃料通路３４と遮断されて燃料噴射を停止する。

第１中間ピストン２３は、下側中間ボディ１４の下側内部に形成された第１シリンダ室３５の内部において上下方向に摺動自在に支持され、第１ニードル２１の上端と当接して第１ニードル２１と一体に摺動する。この第１中間ピストン２３は、第１ニードル２１より大径の円柱形状を呈し、第１中間ピストン２３の下側の第１シリンダ室３５内には第１制御室（下部室）３６が形成され、第１中間ピストン２３の上側の第１シリンダ室３５内には第１低圧室（上部室）３７が形成される。
この第１低圧室３７には、第１低圧導入手段３８を介して低圧燃料が導かれる。この第１低圧導入手段３８は、ピエゾアクチュエータ（後述する）５１を収容するピエゾボディ１６内の低圧空間３９と、第１低圧室３７とを連通する低圧通路である。また、この第１低圧室３７には、第１中間ピストン２３を下方へ付勢することで、第１ニードル２１に下向きの付勢力α１を与える第１スプリング４１が配置されている。
一方、第１制御室３６に制御油圧を発生する油圧発生手段は後述する。

第２中間ピストン２４は、第１中間ピストン２３の中心部に貫通形成された摺動孔の内部で上下方向に摺動自在に支持された棒状呈し、第２ニードル２２の上端と当接して第２ニードル２２と一体に摺動する。

第１上側ピストン２５は、第１中間ピストン２３より小径で、且つ第１ニードル２１の外径寸法と同じ、または小径の棒状を呈し、下側中間ボディ１４の上側内部に形成された摺動孔の内部において上下方向に摺動自在に支持され、第１中間ピストン２３の上端と当接して、第１中間ピストン２３および第１ニードル２１と一体に摺動する。
第１上側ピストン２５の上側の摺動孔内には、高圧室（バランス室）４２が形成されている。この高圧室４２は、インジェクタ配管６から高圧燃料を受ける高圧通路４３に連通路４４を介して連通しており、高圧室４２には噴射圧力に比例した高圧燃料が導入される。このため、高圧室４２に導入された高圧燃料の圧力が第１上側ピストン２５の上端面に作用して、第１上側ピストン２５を押し下げる力、即ち第１ニードル２１に下向きの閉弁力β１が発生する。

第２上側ピストン２６は、第１上側ピストン２５の中心部に貫通形成された摺動孔の内部で上下方向に摺動自在に支持され、第２ニードル２２の外径寸法と同じか小径の棒状を呈し、第２中間ピストン２４の上端と当接して、第２中間ピストン２４および第２ニードル２２と一体に摺動する。
第２上側ピストン２６の上端は、第１上側ピストン２５と同様、高圧室４２に配されており、高圧室４２に導入された高圧燃料の圧力により、第２上側ピストン２６を押し下げる力、即ち第２ニードル２２に下向きの閉弁力β２が発生する。

ここで、第１、第２上側ピストン２５、２６の合計断面積（高圧室４２における下向きの受圧面積の和）は、第１、第２ニードル２１、２２の合計断面積（ガイド孔３１における上向きの受圧面積の和）と同じ、または第１、第２ニードル２１、２２の合計断面積より小さく設けられている。
即ち、「ノズルボディ１３のガイド孔３１の内径寸法≧下側中間ボディ１４の上側の摺動孔の内径寸法」に設けられている。
具体的には、上述したように、第１上側ピストン２５は第１ニードル２１の外径寸法と同じか小径であり、第２上側ピストン２６は第２ニードル２２の外径寸法と同じか小径に設けられている。なお、第１、第２ニードル２１、２２をリフトするのに必要な駆動油圧を下げるためには、第１、第２ニードル２１、２２の断面積に対する第１、第２上側ピストン２５、２６の断面積は、アウター側およびインナー側ともに小さくすることが望ましいが、どちらか一方であっても良い。

高圧室４２には、第２上側ピストン２６を下方へ付勢することで、第２ニードル２２に下向きの付勢力α２を与える第２スプリング４５が配置されており、第２スプリング４５による下向きの付勢力α２が第２上側ピストン２６の上部に固定されたバネ座４６を介して第２上側ピストン２６に与えられる。
バネ座４６は、第１上側ピストン２５の上端面より上側に伸びた第２上側ピストン２６に設けられており、第１中間ピストン２３のリフトに伴って第１上側ピストン２５のリフト量が第１リフト量に達した際に、第１上側ピストン２５の上端面と、第２上側ピストン２６に設けられたバネ座４６とが上下方向で当接する。この当接により、第１上側ピストン２５の上昇力が第２上側ピストン２６に伝えられて、第２弁ユニットがリフトする。
即ち、第１上側ピストン２５の上端面と、第２上側ピストン２６に設けられたバネ座４６とにより、上側ピストン当接部４７が構成される。

なお、第１、第２ニードル２１、２２が閉弁する状態における第１上側ピストン２５の上端と、バネ座４６の下面の距離Ｌ１により、第１ニードル２１のみの開弁が行われる第１リフト量が設定される。
また、第２上側ピストン２６の上端がボディ（具体的には上側中間ボディ１５の下面）に当接することで、第１、第２ニードル２１、２２が最大リフトに達する。即ち、第２ニードル２２が閉弁する状態における第２上側ピストン２６の上端と、上側中間ボディ１５の下面の距離Ｌ２により、第１、第２ニードル２１、２２の最大リフト量が設定される。

（油圧発生手段の説明）
第１シリンダ室３５の下側の第１制御室３６に駆動油圧を発生させる油圧発生手段は、充放電により伸縮するピエゾアクチュエータ５１と、このピエゾアクチュエータ５１の伸縮変化を油圧変化に変換する油圧変換部５２とを備え、ピエゾアクチュエータ５１は制御装置４（ＥＣＵ４ａとＥＤＵ４ｂ）によって、１回の噴射中に１段階あるいは複数段階に充放電制御される。

ピエゾアクチュエータ５１は、ピエゾボディ１６の下端から上方に向けて穿設された低圧空間３９内に配置されるものであり、充電により板厚方向に膨張する板状のピエゾ素子を多数積層してなるピエゾスタック５３と、このピエゾスタック５３を収容し、低圧空間３９内の燃料がピエゾスタック５３に接触するのを防ぐハウジング５４とを備える。なお、ピエゾボディ１６には、燃料タンク８に通じるリリーフ配管７と、低圧空間３９とを連通するリリーフ通路５５が形成されている。

ピエゾスタック５３を構成する各ピエゾ素子は、略円板形状を呈する圧電体、この圧電体の両面に形成された内部電極からなり、多数のピエゾ素子を板厚方向に積層することでピエゾスタック５３が構成される。ピエゾスタック５３の側面には、２つの側面電極が設けられている。一方の側面電極は圧電体の一方の内部電極と電気的に接続され、他方の側面電極は圧電体の他方の内部電極と電気的に接続されている。２つの側面電極は、インジェクタ２の外部に露出する外部コネクタに接続される。この外部コネクタは、制御装置４（具体的にはＥＤＵ４ｂ）に接続され、制御装置４から外部コネクタを介してピエゾスタック５３の充放電制御が実施される。

油圧変換部５２は、上側中間ボディ１５に形成されたピストン室５６において上下方向に摺動自在に支持されたピエゾピストン５７を備える。
ピストン室５６には、ピエゾピストン５７の下側に油圧発生室（ピエゾ加圧室）５８が形成され、この油圧発生室５８は制御燃料通路５９を介して第１制御室３６に連通している。油圧発生室５８と第１制御室３６および制御燃料通路５９は、閉ざされた閉空間を形成しており、その閉空間に作動油である低圧燃料が満たされる。
ピエゾピストン５７は、油圧発生室５８に配置される皿バネ６１によって上方へ付勢され、ピエゾアクチュエータ５１の下端に押圧されている。

ピエゾピストン５７には、油圧発生室５８と低圧空間３９とを連通する連通路６２が形成されると共に、この連通路６２を開閉できる逆止弁６３が組み込まれている。この逆止弁６３は、油圧発生室５８を含む閉空間に燃料を補充する際に開弁する。即ち、上記閉空間には燃料が満たされているが、例えば、油圧発生室５８の燃料がピエゾピストン５７によって加圧された際に、第１中間ピストン２３の内外周の摺動隙間等から次第に燃料がリークする。このため、閉空間に燃料を補充する必要が生じる。そこで、燃料のリークによって油圧発生室５８の圧力が低圧空間３９の圧力（大気圧）より低くなった時に、逆止弁６３が開弁することで、低圧空間３９から油圧発生室５８に燃料が自動的に補充される。

ここで、制御装置４のＥＣＵ４ａの「充放電制御機能」には、エンジン振動およびエンジン騒音の防止、排気ガスの浄化、エンジン出力と燃費を高い次元で成立させる目的で、１回の噴射中の噴射前半は第１噴孔１１だけを開弁して低い噴射率で燃料噴射を実行し、１回の噴射中の噴射後半に第１、第２噴孔１１、１２を同時に開弁して高い噴射率で燃料の噴射を実行する「可変噴孔機能」が搭載されている。
この可変噴孔機能は、図４に示すように、燃料噴射時にピエゾスタック５３の充電を第１充電と第２充電の２段階に分けて充電するものであり、ピエゾアクチュエータ５１の伸び量を２段階に制御することで、第１制御室３６の駆動油圧を２段階で上昇させるものである。

ここで、閉弁している第１、第２ニードル２１、２２には「第１、第２スプリング４１、４５による下向きの付勢力α１、α２」と「高圧室４２の圧力による下向きの閉弁力β１、β２」が加えられている。
一方、第１制御室３６に発生する油圧によって第１中間ピストン２３には、第１、第２弁ユニットを上昇させるリフト力γ１、γ２が発生する。なお、閉弁している第１ニードル２１の段差等にかかるリフト力は、リフト力γ１に含まれるものとして説明する。
ここで、この実施例１は、第１中間ピストン２３の上昇途中で第２弁ユニットが当接して上昇するタイプであるため、第１弁ユニットが第１リフト量に達するまでは、第１中間ピストン２３にはリフト力γ１のみが発生し、第１弁ユニットが第１リフト量に達して上側ピストン当接部４７（第１上側ピストン２５の上端面と、第２上側ピストン２６に設けられたバネ座４６）が当接した後は、第１中間ピストン２３にはリフト力γ１の他に第２弁ユニットを上昇させるためのリフト力γ２が発生するものである。

そして、第１充電は、第１弁ユニットだけをリフトさせる駆動油圧を第１制御室３６に発生させるための充電量であり、第２充電は、第１弁ユニットと第２弁ユニットの両方をリフトさせる駆動油圧を第１制御室３６に発生させる充電量である。

（インジェクタ２の作動説明）
次に、以下の符号を用いて作動を説明する。
α１、α２：第１、第２スプリング４１、４５によって第１、第２弁ユニットに与えられる下向きの付勢力
β１、β２：高圧室４２の圧力によって第１、第２弁ユニットに与えられる下向きの閉弁力
γ１、γ２：油圧発生室５８の発生した作動圧力および第１ニードル２１の段差部によって第１、第２弁ユニットに与えられる上向きのリフト力

制御装置４の作動によりピエゾアクチュエータ５１が第１充電されると（図４中ａ１参照）、ピエゾアクチュエータ５１がハーフ伸張（一段目伸張）する（図４中ａ２参照）。すると、ピエゾピストン５７が押し下げられて、油圧発生室５８の燃料が加圧される。油圧発生室５８は、制御燃料通路５９を介して第１制御室３６に連通しているため、油圧発生室５８の燃料が加圧されることで第１制御室３６の駆動油圧が上昇して、第１弁ユニットにリフト力γ１が発生する。第１弁ユニットを閉弁方向へ付勢している「付勢力α１＋閉弁力β１」の合算力より、リフト力γ１が上回ると、第１ニードル２１がリフトし（図４中ａ３参照）、その結果、第１噴孔１１のみから高圧燃料が噴射される（図４中ａ４参照）。なお、第１ニードル２１がリフトすることで、閉弁力β１は喪失される。
ここで、第１充電により上側ピストン当接部４７が当接しても、第１充電で発生する駆動油圧では第２弁ユニットは上昇しない。

第１噴孔１１からの燃料噴射を実行した後、制御装置４によってピエゾアクチュエータ５１が第２充電されると（図４中ｂ１参照）、ピエゾアクチュエータ５１が全伸張（二段目伸張）する（図４中ｂ２参照）。すると、ピエゾピストン５７が更に押し下げられて、油圧発生室５８の燃料が更に加圧され、第１制御室３６の駆動油圧が更に上昇する。上側ピストン当接部４７が当接することで、第２弁ユニットにリフト力γ２が与えられる。第２弁ユニットを閉弁方向へ付勢している「付勢力α２＋閉弁力β２」の合算力より、リフト力γ２が上回ると、第２ニードル２２がリフトし（図４中ｂ３参照）、その結果、第２噴孔１２からも高圧燃料が噴射される（図４中ｂ４参照）。なお、第２ニードル２２がリフトすることで、閉弁力β２も喪失される。

制御装置４によってピエゾアクチュエータ５１が放電されると、ピエゾアクチュエータ５１が収縮することにより、ピエゾピストン５７を押し下げる力が解除される。皿バネ６１の反力でピエゾピストン５７が押し上げられると、油圧発生室５８の圧力が低下するため、それに伴って第１制御室３６の駆動油圧も低下する。
第１制御室３６の駆動油圧が低下すると、リフト力γ１、γ２が低下する。付勢力α２がリフト力γ２を上回った時点で、第２弁ユニットが着座方向に移動を開始する。そして、第２ニードル２２が着座することで、第２噴孔１２による燃料噴射が停止する。なお、第２ニードル２２が着座することで、閉弁力β２が発生して、第２ニードル２２が強く着座して第２噴孔１２の閉弁が保たれる。

また、第１制御室３６の駆動油圧の低下により、付勢力α１がリフト力γ１を上回った時点で、第１弁ユニットが着座方向に移動を開始する。そして、第１ニードル２１が着座することで、第１噴孔１１による燃料噴射が停止する。なお、第１ニードル２１が着座することで、閉弁力β１が発生して、第１ニードル２１が強く着座して第１噴孔１１の閉弁が保たれる。
実際は、制御装置４によってピエゾアクチュエータ５１が放電されると、第１制御室３６の駆動油圧が急激に低下するため、第１、第２ニードル２１、２２はほぼ同時に着座方向へ移動する。

（実施例１の効果）
実施例１に記載したインジェクタ２は、第１中間ピストン２３の上側の第１低圧室３７に低圧が導かれる。このため、第１中間ピストン２３の下側の第１制御室３６を低圧にできる。この結果、ピエゾアクチュエータ５１に係る初期荷重を小さくできる。このように、ピエゾアクチュエータ５１の荷重負担を減らすことができるため、ピエゾアクチュエータ５１を小型化できる。

また、高圧が作用する第１、第２上側ピストン２５、２６の合計断面積は、第１、第２ニードル２１、２２の合計断面積より小さく設定することで、閉弁時に第１、第２弁ユニットに作用する閉弁力β１、β２の和が引用文献１の技術よりも小さく抑えられる。これにより、第１、第２ニードル２１、２２をリフトするのに必要な駆動油圧（加圧力）を下げることができる。このように、駆動油圧を下げることができるため、ピエゾアクチュエータ５１を小型化できる。
上記のように、ピエゾアクチュエータ５１を小型化できるため、インジェクタ２の体格を小さくできる。

ただし、第１上側ピストン２５の断面積を小さくし過ぎると、第１弁ユニットの閉弁動作において、第１制御室３６の圧力が低圧室と同じレベルまで低下しても、第１ニードル２１に作用する上向きの燃料圧力が、第１弁ユニットに働く閉弁力β１を上回り、第１ニードル２１が閉弁しなくなる可能性がある。
同様に、第２上側ピストン２６の断面積を小さくし過ぎると、第２弁ユニットの閉弁動作において、第１制御室３６の圧力が低圧室と同じレベルまで低下しても、第２ニードル２２に作用する上向きの燃料圧力が、第２弁ユニットに働く閉弁力β２を上回り、第２ニードル２２が閉弁しなくなる可能性がある。
このため、第１、第２ニードル２１、２２が確実に閉弁できるように、第１、第２上側ピストン２５、２６の断面積および第１、第２スプリング４１、４５の荷重が設定されている。

（インジェクタ２の作動方法の変形例）
制御装置４によるインジェクタ制御の変形例（３段階充電例）を図５を参照して説明する。
インジェクタ２の噴射開始前に予めピエゾアクチュエータ５１を第１充電して（図５中ｃ１参照）、一段目の伸張を生じさせておき（図５中ｃ２参照）、この状態で油圧発生室５８および制御燃料通路５９、第１制御室３６内の燃料圧を初期化（逆止弁６３からの燃料補充）しておく。

燃料噴射にあたっては、ピエゾアクチュエータ５１の第２充電（図５中ａ１参照）での二段目伸張（図５中ａ２参照）、第３充電（図５中ｂ１参照）での三段目伸張（図５中ｂ２参照）させることにより、前述した作動原理より第１噴孔１１、および第２噴孔１２から燃料が噴射される。
燃料噴射を終了させる場合は、ピエゾアクチュエータ５１を完全に放電する（図５中ｄ１参照）ことで、燃料噴射開始前よりもさらにピエゾアクチュエータ５１を収縮させることになり（図５中ｄ２参照）、第１制御室３６内の燃料圧が燃料噴射開始前よりも減圧され、第１、第２ニードル２１、２２の着座速度が上述した実施例１よりも速くなり、速やかな噴射終了状態が得られる。

実施例２を図６を参照して説明する。なお、以下の各実施例において、実施例１と同一符号は、同一機能物を示すものである。
上記実施例１では、第１上側ピストン２５と第２上側ピストン２６に上下方向で当接可能な上側ピストン当接部４７を設けて、第１上側ピストン２５のリフト量が第１リフト量に達した際に、第１上側ピストン２５と第２上側ピストン２６とが当接することで、第２弁ユニットがリフトする例を示した。
これに対し、この実施例２では、第１中間ピストン２３と第２中間ピストン２４に上下方向で当接可能な中間ピストン当接部６４を設けて、第１中間ピストン２３のリフト量が第１リフト量に達した際に、第１中間ピストン２３と第２中間ピストン２４とが当接することで、第２弁ユニットがリフトするものである。

具体的に、実施例２の第２中間ピストン２４は、拡径部を備える。
一方、実施例２の第１中間ピストン２３は、第２中間ピストン２４の拡径部を上下方向に摺動自在に保持する第２シリンダ室６５を備えるとともに、第２シリンダ室６５の下側に縮径部が設けられており、第１中間ピストン２３のリフト量が第１リフト量に達した際に、第１中間ピストン２３の縮径部と第２中間ピストン２４の拡径部とが当接することで、第２弁ユニットがリフトするものである。

なお、第２中間ピストン２４を収容する第２シリンダ室６５の下側の第２制御室６６は、第２駆動油圧導入手段（第１中間ピストン２３の下部に形成された連通路）６７を介して第１制御室３６の駆動油圧が導かれるようになっており、第２シリンダ室６５の上側の第２低圧室６８には、第２低圧導入手段（第１上側ピストン２５の下部フランジに形成された連通路）６９を介して第１低圧室３７の低圧が導かれるようになっている。

実施例３を図６（実施例２と図面が共通）を参照して説明する。
上記実施例１、２では、第１弁ユニットのリフト量が第１リフト量に達して、第１弁ユニットが第２弁ユニットに当接することで、第２弁ユニットがリフトする例を示した。
これに対し、この実施例３は、第２制御室６６に発生する作動油圧により、第２弁ユニットをリフトさせるものである。
即ち、第１弁ユニットは、第１中間ピストン２３の上向きの受圧面積と第１スプリング４１のセット荷重により、リフト開始（即ち、第１噴孔１１の噴射）が設定される。
同様に、第２弁ユニットは、第２中間ピストン２４の上向きの受圧面積と第２スプリング４５のセット荷重により、リフト開始（即ち、第２噴孔１２の噴射）が設定される。
このように設けられることにより、第１弁ユニットのリフト後に第２弁ユニットをリフトさせたり、逆に第２弁ユニットのリフト後に第１弁ユニットをリフトさせたりできる。

実施例４を図７を参照して説明する。
この実施例４は、上述した実施例２の構成における具体的なノズルの一例を示すものである。
第１ニードル２１は、ガイド孔３１の下端に形成された第１、第２噴孔１１、１２を同時に開閉するように設けられている。また、第１ニードル２１の中心には、第１ニードル２１の上端面から下端部付近まで穿設された第２ガイド孔７１が形成されている。
第２ニードル２２は、第２ガイド孔７１の内部で上下方向に摺動自在に支持され、第２ガイド孔７１の下端に形成された第３噴孔７２を開閉するように設けられている。この第３噴孔７２は、第１噴孔１１に連通するように設けられている。

また、第２ニードル２２は、第１ニードル２１と同様、上側大径部と下側小径部とを有する段付き状に設けられており、下側小径部と第２ガイド孔７１の間に第２環状燃料通路７３が形成される。この第２環状燃料通路７３は、第１ニードル２１に形成された連通孔７４を介して環状燃料通路３４に通じており、環状燃料通路３４に導かれた高圧燃料が第２環状燃料通路７３に供給される構成になっている。

このため、実施例３の構成において、第２中間ピストン２４の上向きの受圧面積を大きくし、第１弁ユニットより先に第２弁ユニットをリフトするように設けることで、第２弁ユニットのみのリフトで第１噴孔１１のみの噴射を実施できる。即ち、先に第１噴孔１１が開口する２段噴射を実施できる。
なお、第３噴孔７２を第１噴孔１１ではなく、第２噴孔１２に連通するように構成することで、第２弁ユニットのみのリフトで第２噴孔１２のみの噴射を実施できる。即ち、先に第２噴孔１２が開口する２段噴射を実施できる。

［変形例］
上記の実施例では、第１中間ピストン２３と第１上側ピストン２５を別体で設けた。このため、各部の加工精度を高めることができる。しかるに、第１中間ピストン２３と第１上側ピストン２５を一体に設けて、部品点数を削減しても良い。
同様に、上記の実施例では、第２中間ピストン２４と第２上側ピストン２６を別体で設けた。このため、各部の加工精度を高めることができる。しかるに、第２中間ピストン２４と第２上側ピストン２６を一体に設けて、部品点数を削減しても良い。

上記の実施例では、ディーゼルエンジンに燃料を噴射するインジェクタ２に本発明を適用する例を示したが、例えばガソリンエンジンに用いられるインジェクタ等に本発明を適用しても良い。
上記では、閉弁方向を下、開弁方向を上として説明したが、説明のための上下方向であって、車両に搭載されたインジェクタ２の天地方向とは異なるものである。

インジェクタの断面図である（実施例１）。 インジェクタの中間部分の断面図である（実施例１）。 インジェクタの先端部分の断面図である（実施例１）。 作動の一例を示すタイムチャートである（実施例１）。 作動の一例を示すタイムチャートである（実施例１の変形例）。 インジェクタの中間部分の断面図である（実施例２、３）。 インジェクタの先端部分の断面図である（実施例４）。 インジェクタの断面図である（従来技術）。

符号の説明

２ インジェクタ（可変噴孔タイプのピエゾインジェクタ）
４ 制御装置
１１ 第１噴孔
１２ 第２噴孔
２１ 第１ニードル
２２ 第２ニードル
２３ 第１中間ピストン
２４ 第２中間ピストン
２５ 第１上側ピストン
２６ 第２上側ピストン
３５ 第１シリンダ室
３６ 第１制御室
３７ 第１低圧室
３８ 第１低圧導入手段
３９ 低圧空間
４１ 第１スプリング
４５ 第２スプリング
４７ 上側ピストン当接部
５１ ピエゾアクチュエータ
５２ 油圧変換部
５８ 油圧発生室
６２ 油圧発生室と低圧空間を連通する連通路
６３ 逆止弁
６４ 中間ピストン当接部
６５ 第２シリンダ室
６６ 第２制御室
６７ 第２駆動油圧導入手段
６８ 第２低圧室
６９ 第２低圧導入手段

Claims (9)

1. （ａ）高圧燃料を噴射するための第１、第２噴孔を有するボディと、
   （ｂ）このボディ内に往復動可能に支持され、
   前記第１、第２噴孔を開閉する第１、第２ニードル、高圧燃料を受圧して前記第１、第２ニードルに閉弁方向の付勢力を発生させる第１、第２上側ピストン、前記第１、第２ニードルと前記第１、第２上側ピストンの間に配された第１、第２中間ピストンを備える第１、第２弁ユニットと、
   （ｃ）この第１、第２弁ユニットに閉弁方向の付勢力を与える第１、第２スプリングと、（ｄ）前記第１中間ピストンを収容する第１シリンダ室の閉弁方向の第１制御室に駆動油圧を発生させる油圧発生手段と、
   （ｅ）前記第１シリンダ室の開弁方向の第１低圧室に低圧を導く第１低圧導入手段と、
   を具備する可変噴孔インジェクタ。
2. 請求項１に記載の可変噴孔インジェクタにおいて、
   前記第１、第２上側ピストンの合計断面積は、前記第１、第２ニードルの合計断面積と同じか、あるいは前記第１、第２ニードルの合計断面積より小さく設けられたことを特徴とする可変噴孔インジェクタ。
3. 請求項１に記載の可変噴孔インジェクタにおいて、
   この可変噴孔インジェクタは、
   前記第１中間ピストンのリフトに伴って前記第１上側ピストンのリフト量が第１リフト量に達した際に、前記第１上側ピストンと前記第２上側ピストンとが当接する上側ピストン当接部を備えることを特徴とする可変噴孔インジェクタ。
4. 請求項１に記載の可変噴孔インジェクタにおいて、
   この可変噴孔インジェクタは、
   前記第１中間ピストンのリフト量が第１リフト量に達した際に、前記第１中間ピストンと前記第２中間ピストンとが当接する中間ピストン当接部を備えることを特徴とする可変噴孔インジェクタ。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の可変噴孔インジェクタにおいて、
   この可変噴孔インジェクタは、
   前記第２中間ピストンを収容する第２シリンダ室の閉弁方向の第２制御室に、前記第１制御室の駆動油圧を導く第２駆動油圧導入手段と、
   前記第２シリンダ室の開弁方向の第２低圧室に前記第１低圧室の低圧を導く第２低圧導入手段と、
   を備えることを特徴とする可変噴孔インジェクタ。
6. 請求項１〜請求項５のいずれかに記載の可変噴孔インジェクタにおいて、
   この可変噴孔インジェクタは、
   前記油圧発生手段の油圧発生室と前記ボディ内に形成される低圧空間とを連通する連通路と、
   この連通路に設けられ、前記油圧発生室の油圧が前記低圧空間へ流出することを防止する逆止弁とを備えることを特徴とする可変噴孔インジェクタ。
7. 請求項１〜請求項６のいずれかに記載の可変噴孔インジェクタにおいて、
   前記第２弁ユニットは、前記第１弁ユニットの内側で往復動可能に支持されることを特徴とする可変噴孔インジェクタ。
8. 請求項１〜請求項７のいずれかに記載の可変噴孔インジェクタにおいて、
   前記油圧発生手段は、複数段階に駆動油圧を上昇可能な多段油圧発生手段であることを特徴とする可変噴孔インジェクタ。
9. 請求項８に記載の可変噴孔インジェクタにおいて、
   前記多段油圧発生手段は、
   ピエゾ素子を多数積層してなるピエゾアクチュエータと、
   このピエゾアクチュエータの伸縮変化を油圧変化に変換する油圧変換部とを備えることを特徴とする可変噴孔インジェクタ。
   

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