JP6508146B2 - 燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室へ向けて噴孔から燃料を噴射する燃料噴射装置に関する。

従来、例えば特許文献１に開示されているように、燃料を噴射させるためのニードル開弁速度を可変にしている。ニードル開弁速度を可変にする具体的な機構として、ソレノイドを２個設置し、ソレノイドをそれぞれ独立して作動させることで、制御室から流出する燃料の排出速度を２段階に制御にしている。

米国特許出願公開第２０１３／０２３３９４１号明細書

前述の従来技術では、ソレノイドを２個搭載して排出速度を可変しているので、ソレノイドが１個の構成に比べて燃料噴射装置が大形化するという問題がある。

そこで、本発明は前述の問題点を鑑みてなされたものであり、大形化を抑制しつつ、燃料の排出速度を可変に制御することができる燃料噴射装置を提供することを目的とする。

本発明は前述の目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。

本発明は、燃焼室（２２）へ向けて噴孔（３０）から燃料を噴射する燃料噴射装置（１００）であって、噴孔、供給流路（４０）、圧力制御室（４３）および流出流路（４２）が形成された弁ボデー（３１）と、噴孔を開閉させる弁部材（３２）と、第１弁体（３８）および第２弁体（３７）を有し、流出流路の流路面積を切り替える切替弁機構（３６）と、第１弁体のリフト量を第１リフト量または第２リフト量に制御する駆動部（３３）と、切替室（４４，４５）と連通通路（５７）が形成されており、第１弁体のリフト量に応じて連通通路を開閉する第３弁体（３５）と、を含み、切替弁機構は、第１弁体がリフトしていない場合には第１絞り状態に制限し、第１弁体が第２リフト量に位置にある場合には第２絞り状態に制限し、第３弁体は、第１弁体がリフトしていない場合には、第１弁体と離座して連通通路を開放し、第１弁体が第１リフト量の位置または第２リフト量の位置にある場合には、第１弁体と接触して連通通路を閉鎖する燃料噴射装置である。

このような本発明に従えば、第１弁体が第１リフト量の位置にあり、流出流路が第１絞り状態にある場合では、弁ボデーから離座した第１弁体は、第２弁体を離座させないように、第３弁体の第１当接部に当接した状態とされる。これによって第３弁体の第１当接部との当接によって第１弁体の位置が保持されるので、第１絞り状態における流出流路の流路面積、ひいては圧力制御室からの燃料の流出量は、安定的となる。

また第１弁体が第２リフト量に位置にあり、流出流路が第２絞り状態にある場合では、第１弁体による第１当接部の押圧で第３弁体を変位させて、第１弁体による第２弁体の第２当接部への押圧によって第２弁体を弁ボデーから離座させた状態とされる。このように、第１弁体の押圧によって第２弁体の位置が保持されるので、第２絞り状態における流出流路の流路面積、ひいては圧力制御室からの燃料の排出量も安定的となる。

このように切替弁機構は、第１弁体のリフト量を調整することによって、流出流路の流路面積を切り替えることができる。そして第１弁体のリフト量は、１つの駆動部によって制御することができる。したがって駆動部は、１つの第１弁体のリフト量を制御する構成であればよいので、駆動部が大形化を抑制することができる。

さらに第３弁体は、第１弁体が第１リフト量の位置または第２リフト量の位置にある場合には、第１弁体と接触して連通通路を閉鎖している。そして第３弁体は、第１弁体がリフトしていない場合には、第１弁体と離座して連通通路を開放するので、第１弁体が弁ボデーに離座している状態から着座すると、切替室に供給流路からの燃料を直ちに流入させることができる。したがって第１弁体が弁ボデーから離座することで低圧側に流出した燃料を、第３弁体の連通通路から供給される高圧燃料で短時間で満たすことができる。これによって第１弁体が弁ボデーに着座してから、弁部材が閉弁するまでの時間を短くすることができる。

燃料供給システムの全体構成を示す図。 燃料噴射装置を示す縦断面図。 三方弁およびバイパスバルブの近傍を拡大して示す縦断面図。 三方弁の作動を示す図。 三方弁とノズルニードルの変位などの相関を示すタイムチャート。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に関して、図１〜図５を用いて説明する。図１に示す燃料供給システム１０には、第１実施形態による燃料噴射装置１００が用いられている。燃料供給システム１０は、内燃機関であるディーゼル機関２０の各燃焼室２２に、燃料噴射装置１００によって燃料を供給する。燃料供給システム１０は、フィードポンプ１２、サプライポンプ１３、コモンレール１４、機関制御装置１７、および複数の燃料噴射装置１００等から構成されている。

フィードポンプ１２は、サプライポンプ１３に内蔵された例えばトロコイド式のポンプである。フィードポンプ１２は、燃料タンク内に貯留された燃料としての軽油をサプライポンプ１３に圧送する。フィードポンプ１２は、サプライポンプ１３と別体であってもよい。

サプライポンプ１３は、ディーゼル機関２０の出力軸によって駆動される例えばプランジャ式のポンプである。サプライポンプ１３は、燃料配管１３ａによってコモンレール１４と接続されている。サプライポンプ１３は、フィードポンプ１２から供給された燃料をさらに昇圧し、コモンレール１４に供給する。

コモンレール１４は、高圧燃料配管１４ａを介して各燃料噴射装置１００と接続されている。コモンレール１４は、サプライポンプ１３から供給される高圧の燃料を一時的に蓄え、圧力を保持したまま各燃料噴射装置１００に分配する。コモンレール１４には、減圧弁１４ｂが設けられている。減圧弁１４ｂは、コモンレール１４において余剰となった燃料を、燃料タンクに繋がっている余剰燃料配管へ排出する。

機関制御装置１７は、プロセッサ、ＲＡＭ、および書き換え可能な不揮発性の記憶媒体を含むマイクロコンピュータまたはマイクロコントローラを主体に構成された演算回路と、各燃料噴射装置１００を駆動する駆動回路とを含む構成である。機関制御装置１７は、図１にて破線で示すように、各燃料噴射装置１００と電気的に接続されている。機関制御装置１７は、ディーゼル機関２０の稼動状態に応じて各燃料噴射装置１００の作動を制御する。

燃料噴射装置１００には、燃焼室２２を形成するヘッド部材２１の挿入孔に挿入された状態で、ヘッド部材２１に取り付けられている。燃料噴射装置１００は、高圧燃料配管１４ａを通じて供給される燃料を、複数の噴孔３０から燃焼室２２へ向けて直接的に噴射する。燃料噴射装置１００は、噴孔３０からの燃料の噴射を制御する弁機構を備えている。燃料噴射装置１００は、高圧燃料配管１４ａを通じて供給される燃料の一部を、噴孔３０の開閉に使用する。

次に、燃料噴射装置１００に関して、図２および図３を用いて説明する。燃料噴射装置１００は、図２に示すように、弁ボデー３１、ノズルニードル３２、駆動部３３、高圧バルブ３４、インオリフィスボデー３５および切替弁機構３６を含んで構成される。切替弁機構３６は、バイパスバルブ３７および三方弁３８を有する。

弁ボデー３１は、金属材料よって形成されたシリンダ等の複数の部材を組み合わせることによって構成されている。弁ボデー３１には、噴孔３０、シート部３９、高圧流路４０、流入流路４１、低圧流路４２、圧力制御室４３、バイパスバルブ室４４、三方弁室４５、駆動部収容室４６およびオリフィス室４７が形成されている。

噴孔３０は、燃焼室２２へ挿入される弁ボデー３１において、挿入方向の先端部に形成されている。先端部は、円錐状または半球状に形成されている。噴孔３０は、弁ボデー３１の内側から外側に向けて放射状に複数設けられている。高圧の燃料は、各噴孔３０から燃焼室２２へ向けて噴射される。高圧の燃料は、噴孔３０を通過することによって霧化され、空気と混合し易い状態となる。シート部３９は、弁ボデー３１の先端部の内側に、円錐状に形成されている。シート部３９は、噴孔３０の上流側において高圧流路４０に臨んでいる。

高圧流路４０は、図１に示す高圧燃料配管１４ａを通じてコモンレール１４から供給される高圧の燃料を、噴孔３０に供給する。流入流路４１は、高圧流路４０と圧力制御室４３とを連通させている。流入流路４１は、高圧流路４０を流通する燃料の一部を圧力制御室４３に流入させる。流入流路４１には、流入オリフィスとして第２インオリフィス４８が設けられている。第２インオリフィス４８は、高圧流路４０から圧力制御室４３に流れる燃料の流量を制限する。

低圧流路４２は、弁ボデー３１内を高圧流路４０に沿って延伸している。低圧流路４２は、圧力制御室４３の燃料（リーク燃料）を、燃料噴射装置１００の外部の低圧側である余剰燃料配管に流出させる流出流路の一部である。流出流路は、低圧流路４２、バイパスバルブ室４４および三方弁室４５と、後述する上流側連通路５１、中間連通路５２、および下流側連通路５３等とによって構成されている。低圧流路４２を流通する燃料の圧力は、圧力制御室４３の燃料の圧力よりも低くなっている。

圧力制御室４３は、弁ボデー３１の内部において、ノズルニードル３２を挟んで噴孔３０の反対側に設けられている。圧力制御室４３は、高圧バルブ３４、シリンダ４９、およびノズルニードル３２によって区画された円柱状の空間である。圧力制御室４３には、流入流路４１を通じて高圧の燃料が流入する。圧力制御室４３の燃料圧力は、流入流路４１からの高圧の燃料の流入と、バイパスバルブ室４４への燃料の流出とにより変動する。圧力制御室４３における燃料圧力の変動によってノズルニードル３２が往復変位する。

バイパスバルブ室４４は、バイパスバルブ３７を収容する円柱状の空間である。バイパスバルブ室４４の軸方向は、圧力制御室４３およびシリンダ４９の軸方向に沿っている。バイパスバルブ室４４と圧力制御室４３との間には、上流側連通路５１が形成されている。バイパスバルブ室４４には、上流側連通路５１を通じて、圧力制御室４３から排出された燃料が流入する。上流側連通路５１の燃料圧力は、バイパスバルブ室４４の燃料圧力と実質的に同一となる。加えて、バイパスバルブ室４４と三方弁室４５との間には、円筒孔状の中間連通路５２が形成されている。バイパスバルブ室４４の燃料は、中間連通路５２を通じて、三方弁室４５に排出される。

バイパスバルブ室４４を区画する区画壁には、第２シート部５０が形成されている。第２シート部５０は、バイパスバルブ室４４の区画壁のうちで、中間連通路５２の開口周囲を囲む円環状の領域である。第２シート部５０は、バイパスバルブ３７を着座させる領域となる。

三方弁室４５は、三方弁３８を収容する円柱状の空間である。三方弁室４５は、バイパスバルブ室４４と駆動部収容室４６との間に位置している。三方弁室４５の軸方向は、バイパスバルブ室４４の軸方向に沿っている。三方弁室４５、バイパスバルブ室４４、および中間連通路５２は、互いに同軸となるように形成されている。三方弁室４５の容積は、バイパスバルブ室４４の容積よりも大きい。三方弁室４５と駆動部収容室４６との間には、下流側連通路５３が形成されている。下流側連通路５３は、三方弁室４５から排出された燃料を主に低圧流路４２に流通させる。

三方弁室４５を区画する区画壁には、第１シート部５４および第１載置部５５が形成されている。第１シート部５４は、三方弁室４５の区画壁のうちで、下流側連通路５３の開口周囲を囲む円環状の領域である。第１シート部５４は、三方弁３８を着座させる領域となる。第１載置部５５は、三方弁室４５の区画壁のうちで、中間連通路５２の開口周囲を囲む領域である。第１載置部５５には、後述する三方弁用スプリング５６の下端が載置されている。

オリフィス室４７は、インオリフィスボデー３５を収容する円柱状の空間である。オリフィス室４７の軸方向は、圧力制御室４３およびシリンダ４９の軸方向に沿っている。オリフィス室４７と高圧流路４０との間には、インオリフィス用通路５７が形成されている。オリフィス室４７には、インオリフィス用通路５７を通じて、高圧流路４０から供給された燃料が流入する。オリフィス室４７の燃料圧力は、高圧流路４０の燃料圧力と実質的に同一となる。

オリフィス室４７を区画する区画壁には、第２載置部５８が形成されている。第２載置部５８は、オリフィス室４７の区画壁のうちで、インオリフィス用通路５７の開口周囲を囲む領域である。第２載置部５８には、後述するオリフィス用スプリング５９の下端が載置されている。

駆動部収容室４６は、駆動部３３を収容する円柱状の空間である。駆動部収容室４６は、三方弁室４５から排出された燃料の一部によって満たされている。駆動部収容室４６の軸方向は、バイパスバルブ室４４および三方弁室４５の各軸方向に沿っている。駆動部収容室４６、三方弁室４５、およびバイパスバルブ室４４は、互いに同軸となるように設けられている。

ノズルニードル３２は、金属材料によって全体として円柱状に形成されている。ノズルニードル３２は、弁ボデー３１に収容されている。ノズルニードル３２は、金属製の線材を螺旋状に巻設したコイル状のノズルスプリング６０により、噴孔３０側へ向けて付勢されている。ノズルニードル３２は、弁受圧面６１およびフェース部６２を有している。ノズルニードル３２は、圧力制御室４３の燃料圧力を弁受圧面６１に受けることで、円筒状に形成されたシリンダ４９の内周壁面に沿って、軸方向に往復変位する。ノズルニードル３２は、弁ボデー３１に対して相対変位することにより、フェース部６２をシート部３９に離着座させる。フェース部６２は、噴孔３０を開閉する主弁部を、シート部３９と共に形成している。

駆動部３３は、駆動部収容室４６に収容されている。駆動部３３は、切替弁機構３６の三方弁３８およびバイパスバルブ３７を駆動するための駆動力を発生させることで、圧力制御室４３と低圧流路４２との間を遮断状態から連通状態へと切り替える。駆動部３３は、機関制御装置１７から出力された駆動信号に基づき、発生させる駆動力の大きさを変更可能であり、後述する第１駆動力または第２駆動力を発生させることができる。第２駆動力は、第１駆動力よりも大きい力である。

駆動部３３は、圧電素子積層体６３および伝達機構６４等によって構成されている。圧電素子積層体６３は、例えばＰＺＴ（ＰｂＺｒＴｉＯ３）と呼ばれる層と薄い電極層が交互に積まれた積層体である。圧電素子積層体６３には、機関制御装置１７から出力された入力駆動信号が入力される。圧電素子積層体６３は、駆動信号に応じた電圧（以下、「駆動電圧」）に従って、ピエゾ素子の特性である逆圧電効果により、駆動部収容室４６の軸方向に沿って伸縮する。

伝達機構６４は、圧電素子積層体６３の伸縮を伝達する機構である。伝達機構６４は、ピストン６５、緩衝シリンダ６６およびピストンスプリング６７を有している。ピストン６５は、円柱状に形成されている。ピストン６５は、圧電素子積層体６３と接している。ピストン６５には、伸縮する圧電素子積層体６３の動きが入力される。ピストン６５には、三方弁室４５へ向かって円柱状に突出する第１駆動伝達ピン６８が形成されている。第１駆動伝達ピン６８は、下流側連通路５３に挿通されている。第１駆動伝達ピン６８の先端面は、三方弁３８に接触している。

緩衝シリンダ６６は、円筒状に形成されており、ピストン６５に外嵌されている。ピストンスプリング６７は、軸方向に弾性力を発生させる金属ばねである。ピストンスプリング６７は、緩衝シリンダ６６に対してピストン６５を三方弁３８へ向けて付勢している。

このように駆動部３３は、圧電素子積層体６３の伸縮を伝達機構６４によって軸方向に沿って伝達することで、第１駆動伝達ピン６８を軸方向に往復変位させる。駆動部３３に入力される駆動電圧が高くなるほど、第１駆動伝達ピン６８から三方弁３８に入力される駆動力、ひいては第１駆動伝達ピン６８および三方弁３８のリフト量が大きくなる。

高圧バルブ３４は、金属材料によって円盤状に形成されている。高圧バルブ３４は、弁ボデー３１の軸方向に沿って往復変位可能な状態で、シリンダ４９の内周側に配置されている。高圧バルブ３４と弁受圧面６１との間の空間が、実質的に圧力制御室４３となる。高圧バルブ３４は、高圧バルブ用スプリング６９により、シリンダ４９に対して上流側連通路５１へ向けて付勢されている。高圧バルブ３４には、第１アウトオリフィス７０が形成されている。第１アウトオリフィス７０は、高圧バルブ３４を板厚方向に貫通する貫通孔に形成されている。第１アウトオリフィス７０は、高圧バルブ３４が流入流路４１の第２インオリフィス４８を塞いでいる状態において、圧力制御室４３から上流側連通路５１およびバイパスバルブ室４４へと流通する燃料の流量を制限する。

切替弁機構３６は、バイパスバルブ３７および三方弁３８の開閉によって流出流路の流路面積を切り替える機構である。駆動部３３が第１駆動力および第２駆動力のいずれも発生させていない場合には、切替弁機構３６は、流出流路を閉鎖させる。一方、駆動部３３が第１駆動力を発生させている場合には、切替弁機構３６は、流出流路を第１絞り状態に制限する。さらに、駆動部３３が第２駆動力を発生させている場合には、切替弁機構３６は、流出流路を第２絞り状態に制限する。

バイパスバルブ３７は、金属材料等によって円盤状に形成されている。バイパスバルブ３７は、バイパスバルブ室４４に配置されており、バイパスバルブ室４４内を軸方向に沿って変位可能である。バイパスバルブ３７の径方向の中央には、バイパスバルブ３７を軸方向に貫通する貫通孔７１が形成されている。バイパスバルブ３７の貫通孔７１には、三方弁３８の小径円柱部７２が挿通されており、貫通孔７１の内壁に沿って三方弁３８の小径円柱部７２を軸方向に案内する。

バイパスバルブ３７には、上端側当接部７３、下端側当接部７４および第２アウトオリフィス７５が設けられている。上端側当接部７３は、中間連通路５２と対向するバイパスバルブ３７の上端面に形成されている。上端側当接部７３は、平坦な円環状に形成されている。上端側当接部７３は、オリフィス用スプリング５９の弾性力により、第２シート部５０に接触する。上端側当接部７３の第２シート部５０への着座により、バイパスバルブ３７は閉弁状態となる。

下端側当接部７４は、バイパスバルブ３７の軸方向の両端面のうちで、上流側連通路５１の開口と対向する他方の端面に形成されている。下端側当接部７４は、インオリフィスボデー３５の先端部がオリフィス用スプリング５９の弾性力により接触する。三方弁３８が閉弁時は、インオリフィスボデー３５と下端側当接部７４とが接触している。

第２アウトオリフィス７５は、バイパスバルブ室４４から中間連通路５２に至る流路面積を絞る構成である。第２アウトオリフィス７５は、バイパスバルブ３７が閉弁状態である場合に、バイパスバルブ室４４から中間連通路５２へ流出する燃料の流量を制限することで、後述する第１絞り状態において流出流路の流路面積を規定する。第２アウトオリフィス７５によって絞られた流路面積（以下、「絞り面積」）は、第１アウトオリフィス７０よりも狭く規定されている。即ち、第２アウトオリフィス７５は、第１アウトオリフィス７０よりも小径のオリフィスである。

三方弁３８は、金属材料等により、バイパスバルブ３７よりも小径の三段円柱状に形成されている。三方弁３８およびバイパスバルブ３７は、流出流路内に直列に配置されている。三方弁３８は、大径円盤部７６、中径円柱部７７および小径円柱部７２を有している。大径円盤部７６は、中間連通路５２よりも大径に形成されている。一方、中径円柱部７７および小径円柱部７２は、中間連通路５２よりも小径に形成されている。中径円柱部７７は、大径円盤部７６から軸方向に沿って円柱状に突出している。小径円柱部７２は、中径円柱部７７から軸方向に沿って円柱状に突出している。

中径円柱部７７の軸方向の長さは、中間連通路５２の軸方向の長さよりも長い。小径円柱部７２の軸方向の長さは、バイパスバルブ３７の貫通孔７１の長さよりも長い。中径円柱部７７の直径は、バイパスバルブ３７の貫通孔７１の直径よりも大きい。したがって中径円柱部７７と小径円柱部７２との段差が、バイパスバルブ３７と接触する部分となる。

中径円柱部７７は、外周部の一部が径内方向に凹となるように、軸方向を含む平面部７７ａが形成されている。平面部７７ａは、中間連通路５２における流路面積を確保するために形成されている。平面部７７ａは、バイパスバルブ３７の第２アウトオリフィス７５から流出する燃料を遮らないように位置および大きさが設定されている。

三方弁３８は、三方弁室４５に配置されている。三方弁３８は、三方弁室４５内を軸方向に沿って変位可能である。三方弁３８は、コイルばね状に形成された三方弁用スプリング５６により、第１載置部５５に対して、駆動部収容室４６へ向けて付勢されている。

三方弁３８には、パイロットフェース部７８が形成されている。パイロットフェース部７８は、下流側連通路５３と対向する三方弁３８の上端面に形成されている。パイロットフェース部７８は、平坦な円環状に形成されている。パイロットフェース部７８は、三方弁用スプリング５６の弾性力により、第１シート部５４と接触する。三方弁用スプリング５６の付勢力と、三方弁室４５および低圧流路４２間における燃料圧力差とにより、パイロットフェース部７８は、第１シート部５４に押し付けられる。パイロットフェース部７８の第１シート部５４への着座により、三方弁３８は、閉弁状態となる。

三方弁３８は、駆動部３３が第１駆動力を発生させた場合に軸方向に変位する距離を第１リフト量とし、駆動部３３が第２駆動力を発生させた場合に軸方向に変位する距離を第２リフト量とする。第１リフト量は、第２リフト量よりも長い。

インオリフィスボデー３５は、金属材料等によって円柱状に形成されている。インオリフィスボデー３５は、オリフィス室４７に配置されており、オリフィス室４７内を軸方向に沿って変位可能である。インオリフィスボデー３５の径方向の中央には、インオリフィスボデー３５を軸方向に貫通する貫通孔３５ａが形成されている。インオリフィスボデー３５は、コイルばね状に形成されたオリフィス用スプリング５９により、第２載置部５８に対して、バイパスバルブ室４４へ向けて付勢されている。

インオリフィスボデー３５には、凹部７９および第１インオリフィス８０が形成されている。凹部７９は、インオリフィスボデー３５の上端側から凹となるように形成されている。凹部７９の底には、貫通孔３５ａの開口が形成されている。凹部７９の側壁には、複数の挿通孔８１が形成されている。

凹部７９の先端は、オリフィス用スプリング５９の弾性力によってバイパスバルブ３７に接触する。また凹部７９の内径は、三方弁３８の小径円柱部７２の直径よりも大きい。したがって三方弁３８の小径円柱部７２の先端は、凹部７９の底に接触して貫通孔３５ａを閉弁することができる。

第１インオリフィス８０は、インオリフィスボデー３５の貫通孔３５ａの流路面積を絞る構成である。第１インオリフィス８０は、三方弁３８が閉弁状態である場合に、高圧流路４０からバイパスバルブ室４４へ流出する燃料の流量を制限する。

バイパスバルブ３７および三方弁３８では、軸方向に沿ってバイパスバルブ室４４から駆動部収容室４６へ向かう方向が閉弁方向となり、軸方向に沿って駆動部収容室４６からバイパスバルブ室４４へ向かう方向が開弁方向となる。駆動部３３が駆動力を発生させていない場合には、三方弁３８およびバイパスバルブ３７の弁ボデー３１への着座により、流出流路は閉鎖された状態となる。また、閉弁位置にある三方弁３８と閉弁位置にあるインオリフィスボデー３５との間には、開弁ギャップ８２が形成されている。開弁ギャップ８２は、三方弁３８のみでの開弁方向への変位を許容する空間として機能する。

次に、燃料噴射装置１００の噴射作動の詳細を、図３〜図５を用いて説明する。図３に示すように、噴射開始前では、機関制御装置１７から駆動部３３への駆動電圧の印加は中断されている。故に、駆動部３３は、第１駆動力および第２駆動力といった力を実質的に発生させていない。そのため、三方弁３８およびバイパスバルブ３７は、共にパイロットフェース部７８および上端側当接部７３を第１シート部５４および第２シート部５０に当接させた閉弁位置にて静止している。また三方弁３８とインオリフィスボデー３５との間には、開弁ギャップ８２が形成されている。三方弁３８およびバイパスバルブ３７が共に閉弁状態にあることで、三方弁室４５およびバイパスバルブ室４４の各燃料圧力は、実質的に圧力制御室４３の燃料圧力と同程度まで上昇している。以上の状態では、高圧バルブ３４は、高圧バルブ用スプリング６９の弾性力により、流入流路４１の開口周囲の壁面に押し当てられている。また、ノズルニードル３２は、フェース部６２をシート部３９に当接させた閉弁位置にて静止している。

まず低速開弁時に関して説明する。図４および図５に示すように、低速開弁時では、機関制御装置１７から駆動部３３への駆動電圧の印加が開始される。これにより駆動部３３は、第１駆動力を発生させる。機関制御装置１７は、三方弁３８の開弁力よりも大きく、かつ、インオリフィスボデー３５を変位させないような第１駆動力が三方弁３８に作用するよう、駆動部３３に印加する駆動電圧を制御する。

駆動部３３が第１駆動力を発生させている場合、第１駆動伝達ピン６８が第１リフト量にわたって変位する。第１駆動伝達ピン６８によって押し下げられた三方弁３８は、第１リフト量にわたる開弁方向への変位により、パイロットフェース部７８を第１シート部５４から離座させる。そうしたうえで、三方弁３８は、バイパスバルブ３７を弁ボデー３１から離座させないように、インオリフィスボデー３５に小径円柱部７２の先端を当接させる。こうした三方弁３８の開弁方向への変位により、開弁ギャップ８２は消失する。

以上の三方弁３８の開弁により、図３の第１リフト時に示すように、圧力制御室４３と低圧流路４２との間は、遮断状態から連通状態へと切り替わる。その結果、圧力制御室４３の高圧燃料は、高圧バルブ３４の第１アウトオリフィス７０、上流側連通路５１、第２アウトオリフィス７５、中間連通路５２、三方弁室４５を順に流通し、低圧流路４２へ排出される。

このとき、第１アウトオリフィス７０の絞り面積および三方弁３８のパイロット開口面積よりも狭い第２アウトオリフィス７５の絞り面積により、流出流路の流路面積が規定される。故に、流出流路は、圧力制御室４３から低圧流路４２への燃料の流出流量が第２アウトオリフィス７５によって制限された第１絞り状態となる。

パイロット開口面積は、第１シート部５４およびパイロットフェース部７８の間の流路面積である。第２アウトオリフィス７５による流量制御を可能にするため、開弁ギャップ８２は、パイロット開口面積が第２アウトオリフィス７５の絞り面積よりも大きくなるように予め規定されている。

以上の第１絞り状態において、オリフィス用スプリング５９は、三方弁３８へ向けてインオリフィスボデー３５およびバイパスバルブ３７を閉弁方向に付勢することにより、このバイパスバルブ３７を弁ボデー３１から離座させないようにしている。その結果、三方弁３８の小径円柱部７２は、インオリフィスボデー３５の凹部７９の底に押し当てられて、第１駆動伝達ピン６８とインオリフィスボデー３５とに間に挟持された状態で静止可能となる。加えて、駆動部３３の発生させている駆動力が概ね第１駆動力に保たれることにより、第１絞り状態におけるバイパスバルブ３７の閉弁状態は維持される。

第１絞り状態の流出流路を通じた燃料の流出により、バイパスバルブ室４４および圧力制御室４３の燃料圧力は、徐々に低下する。その結果、ノズルニードル３２は、フェース部６２に作用する高圧燃料の圧力により、圧力制御室４３へ向けて徐々に加速しつつ開弁方向に変位する。以上による主弁部の開弁により、噴孔３０からの燃料噴射が開始される。

次に、高速開弁時に関して説明する。高速開弁時では、機関制御装置１７から駆動部３３に印加される駆動電圧が引き上げられる。これにより駆動部３３は、バイパスバルブ３７の開弁力を上回る第２駆動力を発生させる。機関制御装置１７は、バイパスバルブ３７の開弁力よりも大きい第２駆動力の発生が維持されるように、駆動部３３に印加する駆動電圧を制御する。

駆動部３３が第２駆動力を発生させている場合、第１駆動伝達ピン６８が第２リフト量にわたって変位する。第１駆動伝達ピン６８によって押し下げられた三方弁３８は、第２リフト量にわたる開弁方向への変位により、パイロットフェース部７８を第１シート部５４から離座させる。さらに三方弁３８の変位により、バイパスバルブ３７は、三方弁３８の段差によって上端側当接部７３を押されて開弁方向に変位し、第２シート部５０から上端側当接部７３を離座させる。

以上のバイパスバルブ３７の開弁により、図３の第２リフト時のように、圧力制御室４３の燃料は、第１アウトオリフィス７０、上流側連通路５１、バイパスバルブ室４４内の第２シート部５０と上端側当接部７３との間のバイパス通路、中間連通路５２、三方弁室４５を順に流通する。その結果、流出流路の流路面積を規定し、かつ、燃料の流出流量を制限する構成は、第２アウトオリフィス７５から第１アウトオリフィス７０へと切り替えられる。第２アウトオリフィス７５よりも第１アウトオリフィス７０の方が絞り面積が大きいため、第２絞り状態における流出流路の流路面積は、第１絞り状態よりも大きくなる。その結果、第２絞り状態にて圧力制御室４３から流出する燃料の流出流量は、第１絞り状態よりも増加する。

バイパス通路の開口面積および三方弁３８のパイロット開口面積は共に、第１アウトオリフィス７０の絞り面積よりも大きくされている。第１アウトオリフィス７０による流量制御を可能にするため、第２リフト量は、これらの開口面積が第１アウトオリフィス７０の絞り面積よりも大きくなるように予め規定されている。

第１アウトオリフィス７０によって流量を制御された燃料の流出により、バイパスバルブ室４４および圧力制御室４３の各燃料圧力は、顕著に降下する。その結果、ノズルニードル３２は、開弁方向へと加速し、シート部３９とフェース部６２との間隙を急速に拡大させる。このようにして、噴孔３０へ繋がる高圧流路４０の流路面積が拡大することで、噴孔３０から噴射される燃料噴射量が増加する。その結果、単位時間当たりに噴孔３０から噴射される燃料の噴射量（噴射率）の特性に明確な変化が生じる。

次に、閉弁動作時に関して説明する。閉弁動作時では、機関制御装置１７から駆動部３３への駆動電圧の印加が中断される。すると、駆動部３３の駆動力は、三方弁３８およびバイパスバルブ３７の各開弁力を下回り、やがて消失する。以上により、三方弁３８およびバイパスバルブ３７は、三方弁用スプリング５６またはオリフィス用スプリング５９の各弾性力と燃料圧力とによって閉弁方向へ向けて変位する。これによってパイロットフェース部７８および上端側当接部７３を第１シート部５４および第２シート部５０に当接させた閉弁状態に戻る。その結果、圧力制御室４３と低圧流路４２との間が連通状態から遮断状態へと切り替えられ、流出流路は、閉鎖された状態に戻る。

一方、高圧バルブ３４は、流入流路４１から流入する高圧燃料の燃料圧力によって押し下げられる。そして三方弁３８が閉弁方向に変位して、インオリフィスボデー３５と離間すると、インオリフィスボデー３５の第１インオリフィス８０が開放される。その結果、圧力制御室４３の高圧燃料は、インオリフィス用通路５７、第１インオリフィス８０、バイパスバルブ室４４、第２アウトオリフィス７５、中間連通路５２、三方弁室４５を順に流通する。

これにより、三方弁室４５、バイパスバルブ室４４、および圧力制御室４３の各燃料圧力は、一体的に回復する。その結果、ノズルニードル３２は、圧力制御室４３の燃料圧力によって押し下げられて、閉弁位置にてフェース部６２をシート部３９に当接させた状態に戻る。以上の主弁部の閉弁により、噴孔３０からの燃料噴射は中断される。

ここまで説明した第１実施形態では、第１駆動力から第２駆動力への駆動部３３の発生駆動力の増加により、切替弁機構３６によって流出流路の流路面積が切り替えられる。以上により、圧力制御室４３の圧力降下の態様を変化させることで、ノズルニードル３２の変位速度は、明確に変化する。故に、噴孔３０に供給される高圧燃料を通過させるフェース部６２およびシート部３９の間のオリフィス部分について、流路面積の拡大が急速に生じる。その結果、単位時間あたりに噴孔３０から噴射される噴射量も、駆動部３３による駆動力の切り替えの前後で、明確に変化する。したがって、燃料噴射装置１００は、一つの駆動部３３によって発生させる駆動力の制御により、燃料噴射の噴射率特性を変化させることが可能になる。

また第１実施形態では、三方弁３８が第１リフト量の位置にあり、流出流路が第１絞り状態にある場合では、弁ボデー３１から離座した三方弁３８は、バイパスバルブ３７を離座させないように、インオリフィスボデー３５の凹部７９に当接した状態とされる。これによってインオリフィスボデー３５の凹部７９との当接によって三方弁３８の位置が保持されるので、第１絞り状態における流出流路の流路面積、ひいては圧力制御室４３からの燃料の流出量は、安定的となる。

また三方弁３８が第２リフト量に位置にあり、流出流路が第２絞り状態にある場合では、三方弁３８による凹部７９の押圧でインオリフィスボデー３５を変位させる。そして三方弁３８によるバイパスバルブ３７の上端側当接部７３への押圧によってバイパスバルブ３７を弁ボデー３１から離座させた状態とされる。このように、三方弁３８の押圧によってバイパスバルブ３７の位置が保持されるので、第２絞り状態における流出流路の流路面積、ひいては圧力制御室４３からの燃料の排出量も安定的となる。

このように切替弁機構３６は、三方弁３８のリフト量を調整することによって、流出流路の流路面積を切り替えることができる。そして三方弁３８のリフト量は、１つの駆動部３３によって制御することができる。したがって駆動部３３は、１つの三方弁３８のリフト量を制御する構成であればよいので、駆動部３３が大形化を抑制することができる。

さらにインオリフィスボデー３５は、三方弁３８が第１リフト量の位置または第２リフト量の位置にある場合には、三方弁３８と接触してインオリフィス用通路５７を閉鎖している。そしてインオリフィスボデー３５は、三方弁３８がリフトしていない場合には、三方弁３８と離座してインオリフィス用通路５７を開放する。三方弁３８が弁ボデー３１に離座している状態から着座すると、バイパスバルブ室４４に高圧流路４０からの燃料を直ちに流入させることができる。したがって三方弁３８が弁ボデー３１から離座することで低圧側に流出した燃料を、インオリフィスボデー３５のインオリフィス用通路５７から供給される高圧燃料で短時間で満たすことができる。これによって三方弁３８が弁ボデー３１に着座してから、ノズルニードル３２が閉弁するまでの時間を短くすることができる。

さらに第１実施形態の駆動部３３は、第１駆動伝達ピン６８のリフト量によってではなく、駆動部３３の発生駆動力によって、流出流路の第１絞り状態と第２絞り状態とを切り替えている。以上の形態であれば、第１絞り状態および第２絞り状態にて駆動力がある程度変動しても、三方弁３８およびバイパスバルブ３７の位置は維持され得る。故に、第１駆動伝達ピン６８のリフト量の高精度な制御は、必ずしも必要とされないため、駆動部３３の制御が簡素化され得る。また、各部材に要求される寸法精度の緩和も可能となる。

加えて第１実施形態では、第１絞り状態および第２絞り状態のそれぞれにおいて、特定の部材に設けられた絞り孔である第１アウトオリフィス７０および第２アウトオリフィス７５が、流出流路の流路面積を規定している。このように、複数部材の隙間によって流路面積を規定しない構成であれば、各絞り状態にて流出流路を流通する燃料流量のばらつきは、さらに低減される。

さらに第１実施形態の切替弁機構３６には、三方弁３８の開弁方向へストロークを許容する空間として、開弁ギャップ８２が形成されている。故に、燃料噴射装置１００は、一つの駆動部３３の単純な直線状の作動により、三方弁３８およびバイパスバルブ３７を、異なるタイミングで開弁方向へ変位させることが可能になる。

加えて第１実施形態によれば、三方弁用スプリング５６の一方の端部は、第１載置部５５に載置されている。故に、三方弁用スプリング５６の弾性力は、バイパスバルブ３７を開弁方向に付勢しない。そのため、オリフィス用スプリング５９のばね定数を低く抑えても、バイパスバルブ３７は、低速開弁時において閉弁状態を維持し得る。以上によれば、バイパスバルブ３７の開弁のために駆動部３３の消費する駆動エネルギーが軽減され得る。

また第１実施形態では、三方弁３８がインオリフィスボデー３５と離座して、オリフィス用スプリング５９による押圧によって、インオリフィスボデー３５がバイパスバルブ３７の下端側当接部７４に当接してインオリフィス用通路５７を開放する。そして三方弁３８が第１リフト量の位置または第２リフト量の位置にある場合には、オリフィス用スプリング５９による押圧によって、三方弁３８がインオリフィスボデー３５の凹部７９に当接した状態が維持されてインオリフィス用通路５７を閉鎖する。オリフィス用スプリング５９によって三方弁３８と凹部７９との接触状態を維持して、閉鎖状態を維持することができる。

さらに第１実施形態では、第１インオリフィス８０の流路面積は、高圧流路４０から圧力制御室４３に流入する第２インオリフィス４８の流路面積よりも小さく設定されている。これによって閉弁時にバイパスバルブ室４４に流入する燃料を第１インオリフィス８０によって制限することができる。これによって閉弁速度の制御が容易となる。

第１実施形態において、高圧流路４０が「供給流路」に相当し、第１載置部５５が「凹部」に相当し、ノズルニードル３２が「弁部材」に相当する。また、三方弁３８が「第１弁体」に相当し、バイパスバルブ３７が「第２弁体」に相当し、インオリフィスボデー３５が「第３弁体」に相当し、オリフィス用スプリング５９が「付勢部材」に相当する。さらに、凹部７９が「第１当接部」に相当し、上端側当接部７３が「第２当接部」に相当し、下端側当接部７４が「第３当接部」に相当する。さらにバイパスバルブ室４４および三方弁室４５が「切替室」に相当し、インオリフィス用通路５７が「連通通路」に相当する。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。

前述の実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。

前述の第１実施形態では、各絞り状態での流出流路の流路面積は、孔状に形成された各オリフィスによって規定されていた。しかし、各絞り状態での流出流路の流路面積は、二つの部材の間に設けられた隙間によって規定されてもよい。

前述の第１実施形態では、燃料として軽油を噴射する燃料噴射装置１００に適用してるが、軽油以外の燃料、例えばジメチルエーテル等の液化ガス燃料を噴射する燃料噴射装置にも適用可能である。

２２…燃焼室 ３０…噴孔 ３１…弁ボデー ３２…ノズルニードル（弁部材） ３３…駆動部 ３４…高圧バルブ ３５…インオリフィスボデー（第３弁体） ３６…切替弁機構 ３７…バイパスバルブ（第２弁体） ３８…三方弁（第１弁体） ４０…高圧流路（供給流路） ４１…流入流路 ４２…低圧流路（流出流路） ４３…圧力制御室 ４４…バイパスバルブ室（切替室） ４５…三方弁室（切替室） ４７…オリフィス室 ４８…第２インオリフィス ５６…三方弁用スプリング ５７…インオリフィス用通路（連通通路） ５９…インオリフィス用スプリング（付勢部材） ６０…ノズルスプリング ６８…第１駆動伝達ピン ６９…高圧バルブ用スプリング ７０…第１アウトオリフィス ７２…小径円柱部 ７３…上端側当接部（第２当接部） ７４…下端側当接部 ７５…第２アウトオリフィス ７９…凹部（第１当接部） ８０…第１インオリフィス １００…燃料噴射装置

Claims (4)

1. 燃焼室（２２）へ向けて噴孔（３０）から燃料を噴射する燃料噴射装置（１００）であって、
   前記噴孔、前記噴孔に燃料を供給する供給流路（４０）、前記供給流路を流通する燃料の一部が流入する圧力制御室（４３）、前記圧力制御室の燃料を低圧側に流出させる流出流路（４２）、が形成された弁ボデー（３１）と、
   前記圧力制御室の燃料圧力の変動により前記弁ボデーに対して相対変位することで、前記噴孔を開閉させる弁部材（３２）と、
   前記流出流路内に配置された第１弁体（３８）および第２弁体（３７）を有し、前記流出流路の流路面積を切り替える切替弁機構（３６）と、
   前記弁ボデーに収容され、前記切替弁機構によって流路面積を切り替えるために前記第１弁体に駆動力を与えて前記第１弁体をリフトし、前記第１弁体のリフト量を第１リフト量または前記第１リフト量よりも大きい第２リフト量に制御する駆動部（３３）と、
   前記第１弁体および前記第２弁体が収容されている切替室（４４，４５）と前記供給流路とを連通する連通通路（５７）が形成されており、前記第１弁体のリフト量に応じて前記連通通路を開閉する第３弁体（３５）と、を含み、
   前記切替弁機構は、
   前記第１弁体がリフトしていない場合には、前記第１弁体が前記弁ボデーに着座して前記流出流路を閉鎖し、
   前記第１弁体が前記第１リフト量の位置にある場合には、前記第１弁体が前記弁ボデーから離座し、前記第１弁体が前記第３弁体の第１当接部（７９）に当接し、前記弁ボデーから前記第２弁体が離座していない位置にあることで前記流出流路を第１絞り状態に制限し、
   前記第１弁体が前記第２リフト量に位置にある場合には、前記第１弁体が前記弁ボデーから離座し、前記第１弁体による前記第１当接部の押圧で前記第３弁体が変位し、前記第１弁体による前記第２弁体の第２当接部（７３）への押圧によって前記第２弁体を前記弁ボデーから離座した位置にあることで前記流出流路を前記第１絞り状態とは流路面積が異なる第２絞り状態に制限し、
   前記第３弁体は、
   前記第１弁体がリフトしていない場合には、前記第１弁体と離座して前記連通通路を開放し、
   前記第１弁体が前記第１リフト量の位置または前記第２リフト量の位置にある場合には、前記第１弁体と接触して前記連通通路を閉鎖する燃料噴射装置。
2. 前記第２絞り状態は、前記第１絞り状態よりも流路面積の大きい絞り状態である請求項１に記載の燃料噴射装置。
3. 前記連通通路の流路面積は、前記供給流路から前記圧力制御室に流入する際の流路面積よりも小さい請求項１または２に記載の燃料噴射装置。
4. 前記第３弁体を前記第１弁体へ向けて付勢する付勢部材（５９）をさらに含み、
   前記第１弁体がリフトしていない場合には、前記第１弁体が前記第３弁体と離座して、前記付勢部材による押圧によって、前記第３弁体が前記第２弁体の第３当接部に当接して前記連通通路を開放し、
   前記第１弁体が前記第１リフト量の位置または前記第２リフト量の位置にある場合には、前記付勢部材による押圧によって、前記第１弁体が前記第３弁体の前記第１当接部に当接した状態が維持されて前記連通通路を閉鎖する請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料噴射装置。

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