JP4877248B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、液化気体燃料を内燃機関に噴射する燃料噴射弁に関する。

近年、自動車用エンジン等の内燃機関の燃焼排気中に含まれる、ＮＯ_Ｘ（窒素酸化物）、ＰＭ（粒子状物質）、ＣＯ_２といった環境負荷物質の低減を図る有効な手段として、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）やＬＰＧ（液化石油ガス）等の気体燃料を代替燃料として利用することが注目されている。特に、ＤＭＥはセタン価が高く、ＤＭＥを用いたディーゼル燃焼機関の実用化が望まれている。しかし、気体燃料は密度が低く、気体のまま内燃機関内に噴射しても十分な燃焼出力が得られないが、気体燃料を高圧下で液化した液化気体燃料（ＬＧＦ、Ｌｉｑｕｉｆｉｅｄ Ｇａｓｅｏｕｓ Ｆｕｅｌｓ）として使用することにより、適切な燃焼出力を得るために必要な燃料噴射量の確保が可能となる。

一方、従来、内燃機関に軽油やガソリン等の液体燃料を供給する装置として、図１０に示すような、燃料タンク４０内の燃料をフィードポンプ４１０によって高圧ポンプ４２０に供給し、高圧ポンプ４２０によって高圧に加圧した燃料をコモンレール２０内に蓄圧し、コモンレール２０内の高圧燃料を燃料噴射弁１０ｚの燃料貯留室１０５ｚに供給し、燃料貯留室１０５の先端に設けられた噴孔１０６を開閉するニードル弁体１３２の開弁方向に燃料貯留室１０５内の高圧燃料の圧力を作用させるとともに、ニードル弁体１３２の閉弁方向の圧力を作用させる制御室１０３に供給し、電子制御装置ＥＣＵ３０からの噴射指令に従って、駆動制御装置ＥＤＵ３１によってアクチュエータ１２０を駆動し、制御室１０３と低圧流路１４１ｚとの連通を開閉して制御室１０３内の圧力を増減する油圧サーボ機構を用いて、燃料の噴射と停止とを切り換えるコモンレール式の燃料噴射装置１ｚが広く用いられている（例えば、特許文献１など）。

このような燃料噴射装置１ｚにおいては、燃料噴射弁１０ｚ内に導入された高圧燃料の一部を、ニードル弁体１３５の駆動を制御する圧力伝達媒体として利用するとともに摺動部や着座部を潤滑する潤滑媒体として利用している。また、制御室１０３内の圧力を減少するために制御室１０３内から低圧流路１４１ｚへ放出された燃料と、アクチュエータ１２０によって駆動される油圧サーボ機構を安定すべくカウンタバランスとして低圧流路１４２ｚに導入された燃料と、燃料噴射弁１０内の摺動部から低圧流路１４３ｚに漏れ出た燃料とは、低圧流路１４０ｚに集合され、低圧流路１４０ｚから燃料タンク４０ｚに環流される構成となっている。一般に、従来のガソリンや軽油等の液体燃料を用いた燃料噴射装置においては、燃料タンク内の圧力は低圧流路の開放流路として大気圧下に置かれている。

ところが、ＤＭＥ等のＬＧＦは、蒸気圧が低く、常温・常圧下では容易に気化してしまう。したがって、従来のコモンレール式の燃料噴射装置１ｚを利用してＬＧＦの噴射と停止を行うためには、低圧流路１４０ｚ〜１４３ｚ内でも常に液体の状態を維持する必要があり、低圧流路１４０ｚ〜１４３ｚ内の圧力Ｐ_Ｂを液化気体燃料の蒸気圧以上の圧力に維持する必要がある。

一方、燃料タンク４０内の圧力Ｐ_Ｔは、貯留されるＬＧＦの飽和蒸気圧となっており、周囲温度に応じて変化する。さらに、燃料タンク４０には、燃料噴射弁２０から排出される低圧燃料のみならず、高圧ポンプ４２０及びコモンレール２０からの漏れ燃料も環流しており、燃料タンク４０内の圧力Ｐ_Ｔは、容易に変動する。低圧流路１４０ｚは、燃料タンク４０に連通しているので燃料タンク４０内の圧力Ｐ_Ｔの変動によって、低圧流路１４０ｚ〜１４３ｚ内の圧力Ｐ_Ｂも変化する。低圧流路１４２ｚ内の圧力Ｐ_Ｂはニードル弁体１３０ｚを駆動するアクチュエータ１２０の駆動を安定させるためのカウンタバランス圧力として作用しているので、低圧流路１４０ｚ〜１４３ｚ内の圧力Ｐ_Ｂの変動は、燃料噴射弁の開閉駆動に影響を与え、燃料噴射弁１０ｚの燃料噴射精度が不安定になる虞がある。

このような課題に対して、特許文献２には、燃料タンクからフィードパイプを経由して供給された液化ガス燃料を、所定のタイミングで所定の量だけディーゼルエンジンの燃料噴射ノズルに連通しているインジェクションパイプへ送出するインジェクションポンプと、前期燃料噴射ノズルからオーバーフローした前記液化ガス燃料を前記燃料タンクへ戻すノズルリターンパイプと、該ノズルリターンパイプ内の圧力を所定の範囲内の圧力に規制するノズルリターンパイプ内圧力規制手段とを備えて、ノズルリターンパイプ内の圧力の変動によって受けるノズル開弁圧に及ぼす影響を少なくしたディーゼルエンジンの液化ガス燃料供給装置が開示されている。

また、特許文献３には、エンジンの回転数により燃料吐出量が変化する燃料供給ポンプを有し、高圧側の燃料ギャラリと低圧側の燃料タンクとの間に調圧弁が介装され、該調圧弁は、調圧弁本体内を摺動動作するピストンを有し、調圧弁本体には燃料ギャラリと燃料タンクとの間を連通する本体孔が形成され、燃料ギャラリ圧力が所定圧力以下の場合にはピストンが本体孔を閉じ、該ピストンには燃料ギャラリ圧力が所定圧力以上になるまでの範囲内で、エンジン回転数が低回転であるときには開き、エンジン回転数が高回転であるときには閉じる圧力逃がし孔を有することを特徴とする燃料噴射装置が開示されている。

特開２００４−２５１２０５号公報 特開２００４−１９５７４号公報 特開２００３−６５１８６号公報

ところが、特許文献２のノズルリターンパイプ内圧力規制手段は、いずれも構成が複雑であり、ＬＧＦを用いた噴射装置の大型化及び製造コストの増大を招く虞がある。加えて、特許文献２のノズルリターンパイプ内圧力規制手段は、燃料タンクから燃料噴射ノズルに至るノズルリターンパイプの途中に設けられているので、圧力調整されたＬＧＦが、燃料噴射ノズルに到達するまでに、エンジン温等の外的要因によって再び変動する虞がある。

また、図１０（ａ）に示すように、特許文献３にあるような調圧弁１５０ｚを燃料噴射弁１０ｚの低圧流路１４０ｚと燃料タンク４０の間に設けて、ＬＧＦ用の燃料噴射装置１ｚとした場合、機関の運転状況によって変化する低圧流路１４０ｚ内の圧力変化に対して、機関の回転数が高いときには排出量を多くし、回転数が低いときには排出量を少なくし、低圧流路内１４０ｚの圧力Ｐ_Ｂを、調圧弁１５０ｚのキャビテーションエロージョンを回避しつつ速やかに一定にすることができると考えられる。
ところが、調圧弁１５０ｚの構造では、図１０（ｂ）に示すように、低圧流路内１４０ｚの圧力Ｐ_Ｂを閉弁方向に作用させているので、低圧流路１４０ｚ内の圧力Ｐ_Ｂの上昇に伴い、開弁力Ｆも高くなるので、低圧流路１４０ｚ内の圧力Ｐ_Ｂが所望の圧力より高い圧力に維持されることになる。低圧流路１４１ｚ、１４２ｚ内の圧力はアクチュエータの駆動を安定化させるためのカウンタバランスとして作用するので、低圧流路１４１ｚ、１４２ｚ内ののり、アクチュエータ１２０の駆動が緩慢になり、燃料噴射量の増大を招く虞がある。

さらに、低圧流路１４０ｚと燃料タンク４０との連通を開閉する弁体の開弁圧をバネによって一定圧力に設定した一般的な調圧逆止弁を設けた場合、燃料タンク４０内の圧力Ｐ_Ｔは調圧逆止弁の開弁方向に作用する。燃料タンク４０内の圧力Ｐ_Ｔの変動に伴い、調圧逆止弁の開弁圧も変動し、低圧流路１４０ｚ〜１４３ｚ内の圧力ＰＢの変動を阻止できない虞がある。

そこで、本願発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、内燃機関に高圧の液化気体燃料を噴射する燃料噴射弁において、簡易な構成により、燃料タンク内の圧力の変動による燃料噴射弁内に設けられた低圧流路内の圧力の変動を防止して、安定した燃料噴射特性を有する燃料噴射弁を提供することを目的とするものである。

請求項１の発明では、高圧燃料の導入される高圧流路と燃料タンクに接続される低圧流路とを具備し、噴孔を開閉するニードル弁体に上記高圧流路内の圧力を閉弁方向と開弁方向とに作用させ、上記高圧流路と上記低圧流路と連通の開閉により、上記ニードル弁体に作用させた閉弁圧力を増減して高圧燃料の噴射と停止を行う燃料噴射弁において、上記低圧流路と上記燃料タンクとの連通を所定の開弁圧で開閉する調圧弁を具備し、該調圧弁は、上記低圧流路に接続される低圧導入流路と、上記燃料タンクとに接続される低圧燃料排出流路との連通を開閉する背圧弁と、上記背圧弁の開弁圧を調整する背圧調整弁と、上記背圧弁と上記背圧調整弁との間に介装され、上記背圧弁を閉弁方向に押圧し、上記背圧調整弁を開弁方向に押圧する第１のバネと、上記背圧調整弁を閉弁方向に押圧する第２のバネと、を有し、上記排出流路は、上記調圧弁開口部を閉弁する上記背圧弁の閉弁方向に対して略直交する側面方向に設け、上記背圧弁と上記背圧調整弁との間に上記燃料タンクに接続されるタンク圧導入流路を設ける。

請求項１の発明によれば、上記高圧流路から上記低圧流路への上記高圧燃料の放出に伴い低圧流路内の圧力が上昇し、所定の開弁圧以上になった場合には、上記調圧弁が開弁して、上記低圧流路と上記燃料タンクとが連通して、上記低圧流路内の燃料が燃料タンクに還流するので、上記低圧流路内の圧力の上昇が抑制され、かつ、上記低圧流路内が所定の開弁圧以下となった場合には、上記調圧弁が閉弁して、上記低圧流路内を所定の圧力以上に保持することができる。
さらに、上記燃料タンク内の圧力が変化しても、上記背圧弁と上記背圧調整弁との間に導入されたタンク圧に応じて、上記背圧調整弁が上記第１のバネの伸長方向に押圧され、上記第１のバネが上記背圧弁を閉弁方向に押圧する荷重の減少と、上記タンク圧によって作用する上記背圧弁の閉弁方向の圧力の上昇とが相殺され、上記調圧弁の開弁圧が常に一定に保持される。
従って、上記低圧流路内の圧力を一定の範囲に維持することができるので、上記燃料噴射弁を開閉するニードル弁体の駆動が安定し、簡易な構成により、極めて噴射精度の高い燃料噴射弁が実現できる。

請求項２の発明では、上記調圧弁は、上記燃料噴射弁と別体に設けられ上記低圧流路の出口に配設した。

請求項２の発明によれば、上記低圧流路の可及的近傍に調圧弁を設置できるので、上記燃料タンクと上記燃料噴射弁とを接続する経路途中で周囲温度等の影響によって該経路内の圧力が変動しても、これに影響されることなく、上記低圧流路内の圧力を一定にできる。加えて、既存の燃料噴射弁に本発明の調圧弁を装着することができる。従って、簡易な構成により、極めて噴射精度の高い燃料噴射弁が実現できる。

請求項３の発明では、上記調圧弁は、上記燃料噴射弁の基体の一部を上記調圧弁の基体とし、上記低圧流路の一部を上記背圧弁と上記背圧調整弁と上記第１のバネと上記第２のバネとを収納する収納部として、一体に形成した。

請求項３の発明によれば、上記ニードル弁体の極近傍で上記低圧流路内の圧力を一定圧力に調整できるので、更に、燃料噴射精度を向上されることができる。加えて、上記燃料噴射弁の体格を増加することなく、低圧流路内の圧力を一定にする上記調圧弁を設置できる。

請求項４の発明では、上記第１のバネのバネ定数をＫ_１とし、上記第２のバネのバネ定数をＫ_２とし、上記低圧導入路の開口面積をＡ_０とし、上記背圧調整弁の受圧面積をＡ_２としたときに、（Ａ_２＋Ａ_０）・Ｋ_１＝Ａ_０・Ｋ_２の関係を満たす範囲で該Ｋ_１、Ｋ_２、Ａ_０、Ａ_２を設定する。

請求項４の発明によれば、上記タンク圧が如何に変動しようとも、上記調圧弁の開弁圧を一定にできる。したがって、上記調圧弁を備えた極めて噴射精度の高い燃料噴射弁が実現可能となる。

請求項５の発明では、上記高圧燃料は、液化気体燃料とする。

請求項５の発明によれば、上記低圧流路内を上記液化気体燃料の蒸気圧以上に保持して、上記低圧流路内の上記液化気体燃料の気化を防ぎ、つつ、上記低圧流路内の過剰な圧力上昇を抑制して、上記液化気体燃料用の応答性の高い燃料噴射弁が実現できる。

本発明の第１の実施形態における燃料噴射弁１０を用いた燃料噴射装置１について図を参照して説明する。図１は、本実施形態における燃料噴射装置１の概要を示す全体構成図である。燃料噴射装置１は、例えば、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、液化石油ガス（ＬＰＧ）、液化天然ガス（ＬＮＧ）等の液化気体燃料（ＬＧＦ、Ｌｉｑｕｉｆｉｅｄ Ｇａｓｅｏｕｓ Ｆｕｅｌｓ）を、ディーゼルエンジン等の内燃機関内に高圧で噴射する装置として用いられる。

燃料噴射装置１は、図略の内燃機関の各気筒に配設され、内燃機関内に高圧のＬＧＦを噴射する燃料噴射弁１０と、燃料噴射弁１０に高圧に蓄圧されたＬＧＦを供給するコモンレール２０と、コモンレール２０内にＬＧＦを高圧に蓄圧する高圧ポンプ４２０と、燃料タンク４０内に貯留されたＬＧＦの液体状態を維持して高圧ポンプ４２０に供給するフィードポンプ４１０と、これらを駆動制御する電子制御装置ＥＣＵ３０及び駆動制御装置ＥＤＵ３１と、燃料タンク４０から燃料噴射弁１０までを繋ぎ、高圧のＬＧＦを燃料噴射弁１０に供給する高圧燃料供給流路２００、２０１、２０２と、各装置から漏れ出た低圧のＬＧＦを回収する低圧燃料回収流路流路２１０、２１１、２１２とによって構成されている。

本発明の要部である、燃料噴射弁１０は、コモンレール２０から高圧燃料供給流路２００を介して導入された高圧のＬＧＦを圧力伝達媒体としてニードル弁体１３０の開弁方向と閉弁方向とに作用させ、ＥＤＵ３１を介してＥＣＵ３０によって制御されるアクチュエータ１２０の駆動により、開弁方向と閉弁方向とのいずれか一方の圧力を増減してニードル弁体１３０を昇降せしめ、先端に設けられた噴孔１０６を開閉して、高圧のＬＧＦの噴射と停止とを制御している。
燃料噴射弁１０には、後述する調圧弁１５０が設けられており、燃料噴射弁１０内に形成された低圧流路１４０と燃料タンク４０との連通を開閉して、低圧流路１４０〜１４３内の過剰な圧力を燃料タンク４０に開放しつつ、低圧流路１４０〜１４３内を一定圧力範囲内に調圧することにより、燃料噴射精度の向上を図っている。

本実施形態においては、ニードル弁体１３０の背面側に制御室１０３が形成され、高圧燃料導入路１０１、１０２を介して、制御室１０３に導入された高圧ＬＧＦの圧力は、ニードル弁体１３０の閉弁方向に作用し、噴射弁１０先端側に設けられたノズル部１１０に燃料貯留室１０５が形成され、高圧流路１０１、１０３、１０４を介して燃料貯留室１０５内に導入された高圧ＬＧＦの圧力は、ニードル弁体１３０の開弁方向に作用し、バネ室１４４内に収納され、ニードル弁体１３０を閉弁方向に付勢する閉弁バネ１２４の圧力によって、ニードル弁体１３０のシート部１３２が燃料貯留室１０５の内壁のシート面に着座し、燃料貯留室１０５の先端に設けた噴孔１０６を閉弁している。
制御室１０３と低圧流路１４１との連通路をアクチュエータ１２０の駆動によって開閉し、制御室１０３内の高圧ＬＧＦを低圧流路１４１への放出と停止とによって、制御室１０３内の圧力を増減している。

制御室１０３から低圧流路１４１に高圧ＬＧＦが放出されると、低圧流路１４０〜１４３内の圧力が徐々に上昇する。低圧流路１４０〜１４３内の圧力が所定の圧力以上に上昇すると、本発明の要部である調圧弁１５０が開弁し、低圧流路１４０と燃料タンク４０とが環流路２１２を介して連通され、低圧流路１４０〜１４３内のＬＧＦが燃料タンク４０へ環流される。調圧弁１５０の開弁によって、低圧流路１４０〜１４３内の圧力が所定の圧力まで下がると、調圧弁１５０が閉弁し、低圧流路１４０と燃料タンク４０との連通が遮断される。
調圧弁１５０は、後述する圧力調整機構によって、燃料タンク４０内の圧力変動によらず、一定の開弁圧を維持し、低圧流路１４０〜１４３内の圧力を一定に維持できる。

コモンレール２０は、高圧ポンプ４２０で数十ＭＰａに加圧されたＬＧＦを蓄圧し、機関の気筒毎に設けられた燃料噴射弁１０と高圧燃料供給流路２００を介して接続されている。コモンレール２０は、調圧弁２２を介して低圧流路２１０によって燃料タンク４０に接続され、コモンレール２０からの漏れ燃料は燃料タンク４０に環流する。
さらに、コモンレール２０には、圧力センサ２１が設けられ、ＥＣＵ３０に、コモンレール２０の圧力情報が伝達されている。

燃料タンク４０は、例えば、ＤＭＥの蒸気圧は、８０℃で３ＭＰａの高圧に達するため、このような高圧に耐える高圧容器構造をしている。燃料タンク４０内の圧力はＬＧＦの飽和蒸気圧Ｐ_Ｔとなっており、外部の温度変化や、回収されたＬＧＦの圧力、温度によって、変動している。

フィードポンプ４１０は、燃料タンク内のＬＧＦの液体状態を維持すべく３ＭＰａの高圧に加圧して高圧燃料供給流路２０２を介して高圧ポンプ４２０に供給している。
高圧ポンプ４２０は、フィードポンプ４１０によって供給された高圧のＬＧＦをさらに高圧の数十ＭＰａに加圧し、高圧燃料流路２０１を介して、コモンレール２０に供給している。

ＥＣＵ３０は、圧力センサ２１を含む各種センサからの情報が取り込まれ、ＥＤＵ３１を介して、機関の運転状況に応じた圧力の燃料を供給すべく、ＥＤＵ３１を制御している。

ＥＤＵ３１は、ＥＣＵ３０からの指令に従って、フィードポンプ４１０、高圧ポンプ４２０への通電を制御し、燃料噴射弁１０に供給するＬＧＦの圧力を制御するとともに、運転状況に応じた最適の噴射量と噴射時間を制御すべく、燃料噴射弁１０に設けられたアクチュエータ１２０への通電を制御し、燃料噴射弁１０からの高圧のＬＧＦの噴射と停止を行っている。

燃料噴射弁１０は、内燃機関の気筒毎に設けられ、機関燃焼室内へ高圧のＬＧＦを噴射するため、比較的高温に晒されている。例えば、ＤＭＥの場合、低圧流路１４０〜１４３内が、８０℃以上の高温となっても気化しないように、低圧といえどもＤＭＥの８０℃における蒸気圧、即ち、３ＭＰａ以上の圧力に維持されている必要がある。
しかし、本発明の調圧弁１５０によって燃料タンク４０内の圧力変動によらず、一定の開弁圧を維持し、低圧流路１４０〜１４３内の圧力を一定に維持できる。

図２を参照して、本発明の要部である調圧弁１５０について詳述する。
調圧弁１５０は、調圧弁基体１５１と、背圧弁１６０と、背圧調整弁１７０と、第１のバネ１８０と、第２のバネ１８１と、排出流路１５８と、背圧流路１５９とによって構成されている。
調圧弁基体１５１は、略筒状で、一端に低圧流路１４０に接続され、背圧弁１６０によって開閉される開口部１５２が形成されている。
背圧弁１６０は、略柱状に形成され、調圧弁基体１５１内に摺動可能に保持されている。開口部１５２側のシート面１６１と調圧弁基体１５１の開口部１５２側の内壁１５３との離着座によって、開口部１５２が開閉される。
調圧弁基体１５１の内周壁には、環状溝１５７が形成され、さらに、環状溝１５７には、排出流路１５８が、開口部１５２の開口方向及び背圧弁１６０の摺動方向と略直交する方向に形成されている。排出流路１５８は、低圧燃料回収流路２１２を介して、燃料タンク４０と接続されている。
背圧弁１６０が開弁されると、開口部１５２と環状溝１５７及び排出流路１５８とが連通し、低圧流路１４０内のＬＧＦが、排出流路１５８から、低圧燃料回収流路２１２を介して、燃料タンク４０へ放出される。

第１のバネ１８０は、背圧弁１６０と背圧調整弁１７０との間に区画された第１の収納室１５５内に介装され、第１の収納室１５５側において、背圧弁１６０の側面１６２を閉弁方向、即ち、開口部１５２側に押圧し、第１の収納室１５５側において、背圧調整弁１７０の側面１７１を反対方向に押圧している。

第１の収納室１５５には、背圧弁１６０及び背圧調整弁１７０の摺動方向と略直交方向に、背圧調整流路１５９が穿設されている。背圧調整流路１５９は、タンク圧導入路２１３を介して、タンク圧燃料タンク４０に接続されている。
背圧調整弁１７０の他端には、第２の収納室１５６が区画され、第２の収納室１５６内には、第２のバネ１８１が配設され、第２の収納室１５６側の背圧調整弁１７０の側面１７２を閉弁方向に押圧している。

背圧調整弁１７０は、シールリング１８２によって、調圧弁基体１５１内に摺動可能に保持されている。シールリング１８２は背圧調整弁１７０の摺動部１７３と調圧弁基体１５１の円筒部１５４との間の気密と油密とを維持している。すなわち、シールリング１８２は、背圧調整弁１７０を摺動可能に保持しつつ、背圧弁１６０及び第１のバネ１８０と、背圧調整弁１７０の一部とが収納される第１の収納室１５５と、背圧調整弁１７０の一部と第２のバネ１８１とが収納される第２の収納室１５６との間のＬＧＦ及び大気の漏れを防止している。

第２の収納室１５６は、調圧弁基体１５１に設けた大気路１８３によって大気に開放されている。ただし、大気路１８３は、本発明の実現において必須の構成ではなく、大気路１８３を設けず第２のバネ室１５６内を一定の圧力で気密にした構造としても良い。

なお、上述の構成によれば、背圧弁１６０と背圧調整弁１７０とを略同径にできるので、調圧弁１５０の製造が容易であるのに加えて開弁圧の調整が容易である。

図３、図４を参照して、本発明の要部である調圧弁１５０の作動原理について詳述する。図３は、本発明の調圧弁１５０の作動原理を示す模式図。図４は、以下の式をまとめて本発明の効果を示す特性図である。
燃料噴射弁１０の制御室１０３からの高圧燃料の放出により、低圧流路１４０〜１４３内の圧力が一定の開弁圧Ｐ_Ｂ０以上となったときに背圧弁１６０が開弁するとともに、燃料タンク圧Ｐ_Ｔの変動によって開弁圧Ｐ_Ｂ０が変動しないように、調圧弁１５０は、以下のように仕様が設定されている。
なお、以下の説明において、第１のバネ１８０のばね定数をＫ_１、第２のバネ１８１のばね定数をＫ_２、背圧弁１６０の開口径１５２の面積をＡ_０（ｍｍ^２）、背圧弁１６０の受圧面積をＡ_１（ｍｍ^２）、背圧調整弁１７０の受圧断面積Ａ_２（ｍｍ^２）とする。

燃料タンク４０内の圧力Ｐ_Ｔが０（ＭＰａ）のとき、即ち、組み付け状態での第１のバネ１８０の自由長からの変位量をＸ_１（ｍｍ）、第２のバネ１８１の自由長から変位量をＸ_２（ｍｍ）とし、Ｐ_Ｔ＝０（ＭＰａ）における背圧弁１６０に加わる力をＦ_０（Ｎ）、第１のバネ１８０から受ける力Ｆ_１、第２のバネ１８１から受ける力Ｆ_２とすると、第１のバネ１８０と第２のバネ１８１は直列に配置されており、つり合いの関係から、下記式１の関係が成立する。
なお、以下の記載において、Ｘ、Ｘ_１、Ｘ_２は、背圧弁１６０の開弁方向を正とし、閉弁方向を負とするベクトル量で示す。
Ｆ_０＝Ｆ_１＝−Ｋ_１・Ｘ_１＝Ｆ_２＝−Ｋ_２・Ｘ_２・・・式１

タンク圧Ｐ_Ｔ＝０（ＭＰａ）における背圧弁１６０の開弁圧Ｐ_Ｂ０（ＭＰａ）は、式２で表される。
Ｐ_Ｂ０＝Ｆ_０／Ａ_０・・・式２

タンク圧Ｐ_Ｔ＝０（ＭＰａ）のときの背圧調整弁１８１の位置を原点（Ｘ＝０）とし、タンク圧Ｐ_Ｔによって変位する背圧調整弁１８１の位置をＸ（ｍｍ）で表すと、第１のバネ１８０から背圧弁１６０及び背圧調整弁１７０に作用する力Ｆ_１は、式３で表される。
Ｆ_１＝−Ｋ_１・（Ｘ_１＋Ｘ）・・・式３

タンク圧Ｐ_Ｔが変化したときに背圧弁１６０に加わる力Ｆ_１６０（Ｎ）は、タンク圧Ｐ_Ｔ（ＭＰａ）により開口断面積Ａ_０（ｍｍ^２）に作用する力Ｆ_Ｔ１６０（Ｎ）と、背圧調整弁１８１の位置Ｘ（ｍｍ）に対し、第１のバネ１８０から背圧弁１６０に作用する力Ｆ_１（Ｎ）との合力で表され、式４が成立する。
このときの背圧弁１６０の開弁圧Ｐ_Ｂ（ＭＰａ）は、式５の関係が成立する。
Ｆ_１６０＝Ａ_０・Ｐ_Ｂ＝Ｆ_Ｔ１６０＋Ｆ_１
＝Ａ_０・Ｐ_Ｔ−Ｋ_１・（Ｘ_１＋Ｘ）・・・式４
∴Ｐ_Ｂ＝Ｐ_Ｔ−Ｋ_１・（Ｘ_１＋Ｘ）／Ａ_０・・・式５

したがって、背圧弁１６０の開弁圧Ｐ_Ｂは、背圧調整弁１７０の位置Ｘの関数となる。なお、タンク圧Ｐ_Ｔは、背圧弁１６０の反シート面側において、側面１６２の全面に作用するが、背圧弁１６０の受圧面積Ａ_１（ｍｍ^２）と開口部面積Ａ_０（ｍｍ^２）との、間に作用する力、即ち（Ａ_１−Ａ_０）・Ｐ_Ｔは、調圧弁基体１５１のシート面１５３を押圧する力となるので、開弁圧Ｐ_Ｂに影響を及ぼさない。
背圧調整弁１７０に加わる力Ｆ_１７０（Ｎ）として、背圧調整弁１７０の第１のバネ室１５５側の表面１７１に作用する、断面積Ａ_２に加わるタンク圧Ｐ_Ｔと、第１のバネの力Ｆ_１との合力と、第２のバネ室１５６側の表面１７２に作用する、第２のバネの力Ｆ_２とがつり合っており、式６の関係が成り立つ。
Ｆ_２＝Ａ_２・Ｐ_Ｔ−Ｋ_１・（Ｘ_１＋Ｘ）＝−Ｋ_２・（Ｘ_２−Ｘ）・・・式６

式５と式６から、
Ｐ_Ｂ＝{Ｋ_１・（Ｘ_１＋Ｘ）−Ｋ_２・（Ｘ_２−Ｘ）}／Ａ_２−Ｋ_１・（Ｘ_１＋Ｘ）／Ａ_０
＝{（Ｋ_１＋Ｋ_２ ）／Ａ_２＋Ｋ_１／Ａ_０}Ｘ
＋（Ｋ_１・Ｘ_１−Ｋ_２・Ｘ_２）／Ａ_２−Ｋ_１・Ｘ_１／Ａ_０
＝{（Ｋ_１＋Ｋ_２）／Ａ_２−Ｋ_１／Ａ_０}Ｘ−Ｋ_１・Ｘ_１／Ａ_０
（∵−Ｋ_１Ｘ_１＝−Ｋ_２Ｘ_２）
Ｘにかかる項、即ち、（Ｋ_１＋Ｋ_２）／Ａ_２−Ｋ_１／Ａ_０が０となれば、Ｐ_ＢはＸ、即ち、Ｐ_Ｔによらず一定となる。
よって、式７の関係を満たすＡ_０、Ａ_２、Ｋ_１、Ｋ_２を選定すれば、開弁圧Ｐ_Ｂはタンク圧Ｐ_Ｔによらず、常に一定値Ｐ_Ｂ０＝−Ｋ_１Ｘ_１／Ａ_０とすることができる。
（Ｋ_１＋Ｋ_２ ）／Ａ_２＝Ｋ_１／Ａ_０
又は、Ａ_０・（Ｋ_１＋Ｋ_２）＝Ａ_２・Ｋ_２・・・式７
また、本発明の調圧弁が対応できるタンク圧Ｐ_Ｔは、Ｘ＝Ｘ_１のとき最大となり、式８を満たす。
Ａ_０・Ｐ_Ｔ（ｍａｘ）−Ｋ_１・（Ｘ_１−Ｘ_１）＝Ａ_０・Ｐ_Ｂ０
Ｐ_Ｔ（ｍａｘ）＝Ｐ_Ｂ０・・・式８
タンク圧Ｐ_Ｔが、低圧流路１４０〜１４３内の圧力Ｐ_Ｂを超えることはないので、本発明の調圧弁１５０は、いかなるタンク圧Ｐ_Ｔに対しても本発明の効果を発揮できる。

図５を参照して、本発明の第１の実施形態における燃料噴射弁１０のより具体的な構成について詳述する。
図５（ａ）は、本実施形態における燃料噴射弁１０の縦断面図、（ｂ）は、本図（ａ）中Ｃにおける矢視平面図である。
本実施形態においては、燃料噴射弁１０とは別体に形成された背圧弁１５０が低圧流路１４０の出口にネジ締め等により固定されている。また、本実施形態においては、アクチュエータ１２０として、通電により励磁するソレノイド１２１が用いられている。

図５に示すように、燃料噴射弁１０は、略筒状の噴射弁基体１００の内部には種々の凹所や孔が形成されて、各部構成部材が収容されるとともに、高圧流路１０１、１０２、１０４、制御室１０３、燃料貯留室１０５、低圧流路１４０、１４１、１４２、１４３が形成されている。

燃料噴射弁１０は、図中の下端部を、図略の内燃機関の燃焼室内に突出するノズル部１１０とする。ノズル部１１０を構成するノズル基体１１２には、基体の軸方向に縦孔１１３が形成され、これにニードル弁体１３０が摺動可能に収容されている。縦孔１１３の下端側底部はノズル基体先端部１１１に達し、該先端部１１１に形成した燃料貯留室１０５の室壁を貫通して噴孔１０６が穿設してある。燃料貯留室１０５には、ニードル弁体１３０の摺動部１３３よりも下端側で、噴射弁基体１００及びノズル基体１１２に形成された高圧流路１０１、１０４と連通している。燃料貯留室１０５内に導入された高圧のＬＧＦの圧力は、ニードル弁体１３０の開弁方向に作用している。

高圧流路１０４は、高圧燃料導入流路２００に接続され、ニードル弁体１３０がノズル基体１１１の内周壁面から離座したときにはコモンレール２０から燃料貯留室１０５に供給された高圧のＬＧＦが噴孔１０６から噴射される。

縦孔１１３の基端側には、高圧流路１０１から分岐した高圧流路１０２を経由して、ニードル弁体１３０の背面側に導入された高圧のＬＧＦの圧力をニードル弁体１３０の閉弁方向に作用させる制御室１０３が形成されている。
また、ニードル弁体１３０の外周に配設したコイルスプリング１２４が常時、ニードル弁体１３０を着座方向に付勢している。また、ニードル弁体１３０には高圧流路６１からの燃料の圧力が離座方向に作用している。

制御室１０３内の圧力が所定の開弁開始圧力以下になるとニードル弁体１３０の先端に設けた弁部１３２が燃料貯留室１０５の内周のシート面から離座して噴孔１０６が開放され、燃料が噴射される。制御室１０３内の圧力が所定の閉弁開始圧力以上になるとニードル弁体１３０の弁部１３２が燃料貯留室１０５の内周壁のシート面に着座して噴孔１０６が閉止され燃料噴射が停止するようになっている。

ニードル弁体１３０の背圧側に区画された制御室１０３内の圧力の増減は、アクチュエータ１２０によってなされている。
アクチュエータ１２０は、ソレノイド１２１に対向位置するアーマチャ１２２と、アーマチャ１２２をソレノイド１２１から離隔する方向に付勢するコイルスプリング１２３と、アーマチャ１２２と一体に変位する制御弁体１２４とによって構成されている。

ＥＣＵ３０からの指令に従って、ＥＤＵ３１によってソレノイド１２１が通電されると、ソレノイド１２１が励磁され、コイルスプリング１２３のバネ圧及び、低圧流路１４２内の圧力に抗して、アーマチャ１２２がソレノイド１２１に着座する。アーマチャ１２２の上昇とともに制御弁体１２４が引き上げられ、制御室１０３と低圧流路１４１とが連通し、制御室１０３内の高圧のＬＧＦが低圧流路１４１へ放出される。

低圧流路１４１内へ制御室１０３から高圧のＬＧＦが放出されると、低圧流路１４０〜１４３内の圧力が徐々に上昇する。低圧流路１４０の出口には、本発明の要部である調圧弁１５０が設けられており、低圧流路１４０内の圧力が所定の開弁圧に達すると背圧弁１６０が開弁し、低圧流路１４０が開口部１５２、環状溝１５７、排出流路１５８及び、低圧燃料回収流路２１２を介して燃料タンク４０と連通する。
制御室１０３から低圧流路１４１に高圧のＬＧＦが放出されながらも、低圧流路１４０〜１４３内のＬＧＦは、燃料タンク４０へ放出されるので、低圧流路１４０〜１４３内の圧力は所定の圧力以上に上昇しない。

ＥＣＵ３０の指令に従って、ソレノイド１２１への通電が停止されると、アーマチャ１２２は、コイルスプリング１２３によって、ソレノイド１２１から離隔する方向へ押し下げられ、制御弁体１２４が、制御室１０３と低圧流路１４１との連通を遮断する。
このとき、調圧弁１５０によって、低圧流路１４０〜１４３内の圧力は所定の圧力以下となっているので、アーマチャ１２２の閉弁方向への駆動を必要以上に抑制することがない。

制御室１０３と低圧流路１４１との連通が制御弁体１２４によって遮断されると、低圧流路１４０〜１４３内の圧力は徐々に低下し、ＬＧＦの蒸気圧以上で所定の圧力以下になると調圧弁１５０の背圧弁１６０が閉弁して、低圧流路１４０内のＬＧＦの燃料タンク４０への排出が停止する。したがって、低圧流路１４０〜１４３内の圧力はＬＧＦの蒸気圧力以上に維持されるために、低圧流路１４０〜１４３内で気化する虞がない。
燃料タンク４０内のタンク圧Ｐ_Ｔは、背圧弁１６０の背面側に作用するが、背圧調整弁１７０によって、タンク圧Ｐ_Ｔの変動が吸収され、第１のバネ１８０のバネ定数Ｋ_１と圧縮変位Ｘ_１とによって決まる一定の閉弁圧Ｐ_Ｂ０が維持されている。

一方、ソレノイド１２１への通電を停止すると、アーマチャ１２２及び制御弁体１２４が下方へ変位し、制御弁体１２４が制御室１０３と低圧流路１４１との連通を遮断する。これにより、高圧流路１０２から導入される高圧のＬＧＦにより、制御室１０３の圧力が上昇し、ニードル弁体１３０が押し下げられ、閉弁圧Ｐ_Ｂ０以上になると、ニードル弁体１３０が噴孔１０６を閉弁して燃料噴射を終了する。

本実施形態において燃料噴射弁１０は、低圧流路１４０に設けた調圧弁１５０によって、低圧流路１４０〜１４３内の圧力を、ＬＧＦの蒸気圧以上に維持しつつ、必要以上に高圧となるのを防止し、所定の範囲内に維持されるので、アーマチャ１２２の駆動を緩慢にすることなく、アーマチャ１２２のバウンスを抑制し、噴射を安定させることができる。

図６を参照して、本実施形態における本発明の効果を、比較例とともに説明する。比較例１は、図９に示した調圧弁１５０ｚを設けた場合における低圧流路１４０ｚ〜１４３ｚ内の圧力Ｐ_Ｂが変化したときの、同一噴射率、同一噴射時間における燃料噴射量の変化を示す。実施例１は、本発明の第１の実施形態において、調圧弁１５０によって、低圧流路１４０ｚ〜１４３ｚ内の圧力Ｐ_Ｂを一定範囲に調整したときの同一噴射率、同一噴射時間における燃料噴射量の変化を示す。

図６に示すように、従来の調圧弁１５０ｚを設けた燃料噴射弁１０ｚにおいては、燃料噴射弁１０ｚの開閉弁駆動によって低圧流路１４０ｚ〜１４３ｚ内の圧力Ｐ_Ｂも変動し、これに従って燃料噴射量Ｑも変動する。一方、本発明によれば、燃料噴射弁１０ｚの開閉弁駆動によって低圧流路１４０ｚ〜１４３ｚ内の圧力Ｐ_Ｂが変化したときに、調圧弁１５０が一定圧力Ｐ_Ｂ０で開閉弁するので、低圧流路１４０〜１４３内の圧力Ｐ_Ｂが一定範囲内に制御され、燃料噴射量Ｑが変化しない。

図７に、本発明の第２の実施形態における燃料噴射弁１０ａの概要を示す。本実施形態においては、調圧弁１５０ａを燃料噴射弁１０の噴射弁基体１００を調圧弁基体１５１ａとして一体的に形成し、低圧流路１４０ａの一部を、背圧弁１６０ａ、背圧調整弁１７０ａ、第１のバネ１８０ａ、第２のバネ１８１ａを収納する第１の収納室１５５ａ及び第２の収納室１５６ａとして利用した点が上記第１の実施形態と相違する。
このように構成することにより、燃料噴射弁１０の体格を増加することなく、調圧弁１５０ａにより、低圧流路１４０ａ〜１４３ａ内の圧力Ｐ_ＢをＬＧＦの蒸気圧以上に維持しつつ一定範囲内に制御して燃料噴射量Ｑを安定化した極めて信頼性の高い燃料噴射装置を実現できる。
加えて、調圧弁１５０ａとアクチュエータ１２０との距離を可及的に短くすることができるので、より速やかに低圧流路１４０ａ〜１４３ａ内の圧力を安定化し、低圧流路４０ａ〜１４３ａ内の圧力変動によるアクチュエータ１２０の応答性に与える影響をさらに小さくすることができる。

図８に、本発明の第３の実施形態における調圧弁１５０ｂの概要を示す。本実施形態においては、上記実施形態における調圧弁１５０に用いられたシールリング１８２に換えて、第１の収納室１５５と第２の収納室１５６とを隔壁するダイヤフラム１８２ｂによって構成した点が上記実施形態と相違する。
このような構成とすることで、上記実施形態と同様に、タンク圧Ｐ_Ｔ変動の開弁圧Ｐ_Ｂへの影響を排除する効果に加え、第１の収納部１５５ｂ内に導入されたＬＧＦが第２の収納部１５６ｂに漏れることがなく、噴射弁としての安全性、信頼性の向上が期待できる。

本発明は、上記実施形態に限定するものではなく、所定の圧力で開弁する調圧弁よって、低圧流路内の圧力をＬＧＦの蒸気圧以上の圧力を保持しつつ、低圧流路内のＬＧＦを燃料タンクへ還流する、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態においては、アクチュエータとして、電磁ソレノイドを用いた例について説明したが、低圧流路内の燃料を燃料タンクへ回収する構成であれば、圧電アクチュエータを用いた場合でも、同様の効果が期待できる。

本発明の第１の実施形態における燃料噴射装置の概要を示す全体構成図。 本発明の第１の実施形態における調圧弁の概要を示す断面図。 本発明の第１の実施形態における調圧弁の説明のための原理図。 本発明の効果を示す特性図。 本発明の第１の実施形態における燃料噴射弁の詳細を示し、（ａ）は噴射弁の縦断面図、（ｂ）は本図（ａ）におけるＣ方向の要部平面図。 は、比較例とともに本発明の噴射特性を示す特性図。 本発明の第２の実施形態における燃料噴射弁の詳細を示す縦断面図。 本発明の第３の実施形態における調圧弁の概要を示す断面図。 （ａ）は、従来の調圧弁を設けた燃料噴射弁の要部断面図、（ｂ）はその問題点を示す特性図。 従来の燃料噴射装置の概要を示す全体構成図。

符号の説明

１０ 燃料噴射弁
１００ 噴射弁基体
１０１、１０２、１０３、１０４ 高圧燃料流路
１０５ 燃料貯留室
１０６ 噴孔
１３２ ニードル弁体
１４０、１４１、１４２、１４３ 低圧流路
１５０ 調圧弁
１５１ 調圧弁基体
１５２ 調圧弁開口部
１５５ 第１の収納室
１５６ 第２の収納室
１５７ 環状溝
１５８ 排出流路
１５９ 背圧調整流路
１６０ 背圧弁
１６３ 背圧弁摺動面
１７０ 背圧調整弁
１８０ 第１のバネ
１８１ 第２のバネ
２１２ 低圧燃料回収流路
２１３ タンク圧導入流路
２０ コモンレール
４０ 燃料タンク
４２０ 高圧ポンプ
Ａ_０ 低圧導入流路開口面積
Ａ_２ 背圧調整弁受圧面積
Ｋ_１、Ｋ_２ バネ定数

Claims (5)

1. 高圧燃料の導入される高圧流路と燃料タンクに接続される低圧流路とを具備し、噴孔を開閉するニードル弁体に上記高圧流路内の圧力を閉弁方向と開弁方向とに作用させ、上記高圧流路と上記低圧流路と連通の開閉により、上記ニードル弁体に作用させた閉弁圧力を増減して高圧燃料の噴射と停止を行う燃料噴射弁において、
   上記低圧流路と上記燃料タンクとの連通を所定の開弁圧で開閉する調圧弁を具備し、
   該調圧弁は、上記低圧流路に接続される低圧導入流路と、上記燃料タンクとに接続される低圧燃料排出流路との連通を開閉する背圧弁と、
   上記背圧弁の開弁圧を調整する背圧調整弁と、
   上記背圧弁と上記背圧調整弁との間に介装され、
   上記背圧弁を閉弁方向に押圧し、上記背圧調整弁を開弁方向に押圧する第１のバネと、
   上記背圧調整弁を閉弁方向に押圧する第２のバネと、を有し、
   上記排出流路は、上記調圧弁開口部を閉弁する上記背圧弁の閉弁方向に対して略直交する側面方向に設け、
   上記背圧弁と上記背圧調整弁との間に上記燃料タンクに接続されるタンク圧導入流路を設けたことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 上記調圧弁は、上記燃料噴射弁と別体に設けられ上記低圧流路の出口に配設したことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 上記調圧弁は、上記燃料噴射弁の基体の一部を上記調圧弁の基体とし、上記低圧流路の一部を上記背圧弁と上記背圧調整弁と上記第１のバネと上記第２のバネとを収納する収納部として、一体に形成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
4. 上記第１のバネのバネ定数をＫ _１ とし、上記第２のバネのバネ定数をＫ _２ とし、上記低圧導入路の開口面積をＡ _０ とし、上記背圧調整弁の受圧面積をＡ _２ としたときに、
   （Ａ _２ ＋Ａ _０ ）・Ｋ _１ ＝Ａ _０ ・Ｋ _２ の関係を満たす範囲で該Ｋ _１ 、Ｋ _２ 、Ａ _０ 、Ａ _２ を設定したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
5. 上記高圧燃料は、液化気体燃料である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。

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