(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を噴射する噴孔を備えた本体、前記本体内の中空部内を昇降し且つ一端で前記噴孔を開閉する針弁、前記針弁の昇降を制御するため燃料圧力の受圧面となる前記針弁の他端が露出している圧力制御室、前記圧力制御室に燃料を供給する供給路、前記圧力制御室内の燃料圧力を解放する排出路、前記排出路を開閉するための開閉弁、及び前記開閉弁を作動させるアクチュエータを具備し、前記圧力制御室は、前記供給路と前記排出路に接続する第１容積部と、前記針弁の前記他端が露出しており且つ前記第１容積部と連通孔を通じて連通する第２容積部とから成り、前記開閉弁は、前記針弁を多段階でリフト可能とするため、前記アクチュエータの作動に基づいて前記排出路を開いた状態で前記連通孔を開閉可能であることから成るインジェクタ。
【請求項２】
前記開閉弁は、前記アクチュエータに連結され且つ前記排出路内を前記第１容積部に延びる弁ステム、及び前記弁ステムの先端に取り付けられ且つ前記第１容積部内に配置された弁体から成り、前記弁体は、前記弁体がリフトした第１位置において前記排出路の前記第１容積部側開口部に形成された弁シートに当接可能な第１弁フェースと、前記弁体が降下した第２位置において前記連通孔の前記第１容積部側開口部を開閉する第２弁フェースとを有し、前記１位置では前記第１容積部内の燃料圧力によって前記排出路をセルフシールし、前記第１位置と前記第２位置との間の中間位置において前記第２容積部内の燃料を前記連通路、前記第１容積部及び前記排出路を通じて排出することから成る請求項１に記載のインジェクタ。
【請求項３】
前記アクチュエータは圧電素子から構成されており、前記開閉弁の作動位置は前記圧電素子への電圧によって制御されることから成る請求項１又は２に記載のインジェクタ。
【請求項４】
前記インジェクタは、燃料サプライポンプから圧送された燃料を蓄圧状態に貯留するコモンレール、前記コモンレールの燃料圧力を含むエンジンの運転状態を検出する検出手段、及び前記コモンレールから供給された燃料を前記インジェクタから噴射すべき燃料噴射条件を前記検出手段からの検出信号に応じて決定し、前記燃料噴射条件に基づいて前記燃料サプライポンプからの燃料圧送と前記インジェクタからの燃料噴射とを制御するコントローラを具備するコモンレール式燃料噴射システムに適用され、前記圧力制御室には前記コモンレールから送られる燃料の一部が供給され、前記インジェクタの前記アクチュエータは前記コントローラからの制御信号によって制御されることから成る請求項１〜３のいずれか１項に記載のインジェクタ。
【請求項５】
前記コントローラは、前記検出手段からの前記検出信号に基づいて燃料噴射率を多段に変更する必要があると判断したときには、前記アクチュエータを制御し、前記開閉弁によって前記排出路と前記連通孔とを開いて前記第２容積部内の燃料を排出することと、前記針弁がフルリフト量に達する前に前記開閉弁によって前記連通孔を閉じて前記第２容積部を密封状態にすることとを繰り返すことにより、前記針弁のリフト量を前記フルリフト量以下のリフト量で段階的に停止し、燃料噴射期間の終了時には前記開閉弁によって前記排出路を閉じると共に前記連通孔を開いて、前記第２容積部に高圧燃料を導入することにより前記針弁のリフトを終了させることから成る請求項４に記載のインジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧力制御室内に導入された流体圧力に基づいて針弁がリフトすることにより噴孔から燃料を噴射するインジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、エンジンの燃料噴射制御に関して、噴射圧力の高圧化を図り、且つ燃料の噴射タイミング及び噴射量等の噴射条件をエンジンの運転状態に応じて最適に制御するシステムとして、コモンレール式燃料噴射システムが知られている。コモンレール式燃料噴射システムは、燃料サプライポンプによって所定圧力に加圧された燃料噴射制御用の作動流体をコモンレール内に蓄圧状態に貯留し、作動流体圧力を利用して各気筒にそれぞれ配置されたインジェクタを作動させて、インジェクタから対応する燃焼室内に燃料を噴射するシステムである。燃料が各インジェクタからエンジンの運転状態に対して最適な噴射条件で噴射されるように、コントローラが各インジェクタに設けられた制御弁を制御している。
【０００３】
作動流体として燃料をコモンレールに貯留するコモンレール式燃料噴射システムでは、コモンレールから燃料供給管を通じて各インジェクタの先端に至る燃料流路内には、常時、噴射圧力相当の燃料圧、即ち、コモンレール圧力が作用しており、各インジェクタに備わるアクチュエータによって制御弁としての開閉弁を開閉駆動して燃料供給管を通じて供給される燃料を通過又は遮断し、開弁時に、燃料をコモンレール圧力相当の噴射圧力でインジェクタの先端に形成された噴孔から噴射している。コントローラは、加圧燃料が各インジェクタにおいてエンジンの運転状態に対して最適な噴射条件で噴射されるように、コモンレールの圧力と各インジェクタのアクチュエータとを制御する。また、作動流体としてエンジンオイルをコモンレールに貯留し、コモンレールからインジェクタの圧力室に供給したオイル圧力でインジェクタ内の増圧室内に供給されている燃料を所定の圧力まで増圧する型式のコモンレール式燃料噴射システムも提案されている。
【０００４】
燃料を作動流体とする従来のコモンレール燃料噴射システムの概略が、図７に示されている。燃料タンク７の燃料は、フィードポンプ６によって吸い上げられて燃料サプライポンプ１に送られる。燃料サプライポンプ１は、例えばエンジンによって駆動されるプランジャ式の可変容量式高圧ポンプであり、燃料を燃料吐出路１４を通じてコモンレール２に圧送する。圧送された燃料は蓄圧状態にコモンレール２に貯留され、コモンレール２から燃料供給管２３を通じてインジェクタ３に供給される。インジェクタ３は、一つしか図示されていないが、４気筒や６気筒のようにエンジンの型式に応じて気筒毎に設けられており、コモンレール２から供給された燃料を各対応する燃焼室内に噴射する。燃料サプライポンプ１は、図示の例では単一のプランジャ１１が示されているが、エンジンの型式に応じて複数のプランジャを有するロータリ型又は列型のポンプとしてよい。
【０００５】
燃料サプライポンプ１は、エンジンの出力によって駆動されるポンプ駆動カム１０と、ポンプ駆動カム１０に当接して往復動するプランジャ１１とを備えており、プランジャ１１の頂面がポンプ室１２の壁面の一部を形成している。フィードポンプ６が送り出した燃料は燃料通路１３を通じてポンプ室１２に流入する。燃料サプライポンプ１による燃料圧送量は、ポンプ室１２と燃料通路１３との間に配設されているインレットバルブ１５の開閉を制御するプリストローク制御（詳細は後述）により変更できる。ポンプ室１２の吐出側、即ち、ポンプ室１２とコモンレール２との間を繋ぐ燃料吐出路１４には逆止弁１７が設けられている。
【０００６】
コモンレール２には、コモンレール圧力がシステム異常等に起因して異常上昇するのを防ぐため、所定の設定圧力よりも高くなると開弁してコモンレール２内の燃料を排出路２１を通じて燃料タンク７へ放出してコモンレール圧力を低下させる常閉型のリリーフ弁２０が備えられている。また、コモンレール２に設けられた圧力センサ２２が検出したコモンレール圧力Ｐｒは、エンジンの電子制御モジュール（ＥＣＭ）であるコントローラ８に入力される。
【０００７】
インジェクタ３は、図示が省略されたシリンダヘッド等のベースに設けられた穴部にシール部材によって密封状態に取付けられる。インジェクタ３はインジェクタ本体内を往復動可能な針弁３１と、針弁３１がリフトしたときに開口して燃料を燃焼室（図示せず）に噴射する噴孔３２を備えている。針弁３１の頂面３３は、燃料供給管２３からの燃料圧が供給される圧力制御室３０の壁面の一部を形成している。燃料供給管２３に接続する燃料通路３４は、針弁３１の周囲に形成された燃料溜まり３５に連通している。燃料溜まり３５に臨む針弁３１の第１テーパ面３６には燃料圧力が作用して、針弁３１にリフト力を与える。一方、針弁３１には、圧力制御室３０内の燃料圧力に基づく押し下げ力と、リターンスプリング５９の戻し力とが作用する。リフト力、押し下げ力及び戻し力のバランスによって針弁３１のリフトが制御される。
【０００８】
コモンレール２内の高圧燃料は、燃料流路の一部を構成する燃料供給管２３、燃料供給管２３から分岐した供給路３８を通じて圧力制御室３０に供給され、圧力制御室３０内の燃料は排出路４０を通じて排出される。供給路３８及び排出路４０には、それぞれ、オリフィス３９，４１が設けられており、排出路４０には、排出路４０を燃料戻し管４６に開放するための開閉弁４４が設けられている。
【０００９】
排出路４０に設けられている開閉弁４４をコントローラ８からの制御電流の供給を受けて作動する電磁ソレノイド４５の制御によって開弁させると、オリフィス３９は、オリフィス４１よりも有効通路断面積が狭く、燃料の流れをより強く制限するので、圧力制御室３０内の燃料圧が低下する。針弁３１を持ち上げるリフト力が、圧力制御室３０内の燃料圧に基づく押下げ力及びリターンスプリング５９のばね力との合力を上回ると、針弁３１がリフトする。針弁３１がリフトすると噴孔３２が開口するので、コモンレール２から燃料供給管２３及び燃料通路３４を通じてインジェクタ３に導かれた燃料は、針弁３１の周囲の通路を通じてノズルの先端に形成された噴孔３２から燃焼室（図示せず）内へと噴射される。開閉弁４４を閉じて圧力制御室３０内の燃料圧を回復させると、針弁３１の先端に形成された第２テーパ面３７がインジェクタ本体のテーパ状弁シートと着座して針弁３１が閉弁して、噴孔３２が閉じられる。圧力制御室３０から排出路４０を通じて流出し燃焼室内への噴射に費やされなかった燃料は、燃料戻り管４６を経て燃料タンク７に回収される。
【００１０】
コントローラ８には、エンジン回転数Ｎｅを検出するエンジン回転数センサ、アクセルペダルの踏込み量Ａｃを検出するためのアクセル踏込み量センサ等の検出手段としての各種センサ９からの検出信号が入力される。コントローラ８には、コモンレール圧力センサ２２が検出したコモンレール圧力Ｐｒが入力される。その他、コントローラ８への入力信号としては、冷却水温センサ、エンジン気筒判別センサ、上死点検出センサ、大気温度センサ、大気圧センサ、吸気管内圧力センサ等のエンジンの運転状態を検出するための各種センサからの信号がある。
【００１１】
コントローラ８は、上記各センサ９からの検出信号と予め求められている噴射特性マップとに基づいて設定された目標噴射条件に従ってコマンドパルス信号を出力し、コマンドパルス信号に対応して、開閉弁４４を開閉して針弁３１をリフト制御するための駆動電流を電磁ソレノイド４５に供給する。目標噴射条件は、例えば、エンジン出力がエンジンの運転状態に即した最適出力になるような、目標コモンレール圧力、目標燃料噴射時期（噴射開始時期と噴射期間）及び目標噴射量である。燃料噴射量は噴射圧力と燃料噴射期間、即ち、コモンレール圧力と針弁３１のリフト（リフト量、リフト期間）で定まるので、燃料噴射時期及び燃料噴射量は、結局、インレットバルブ１５を制御することによる燃料サプライポンプ１のコモンレール２への燃料圧送量と、コントローラ８が出力する前記コマンドパルス信号のパルス時期及びパルス幅によって決定される。
【００１２】
基本燃料噴射量Ｑｔやコモンレール圧力Ｐｒは、エンジンの運転状態、即ち、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセルペダル踏込み量Ａｃを変数とした基本特性マップとして予め与えられている。また、インジェクタ３の燃料噴射量とコントローラ８が出力するコマンドパルス信号のパルス幅との関係が、コモンレール圧力Ｐｒ（コモンレール２内の燃料圧力）をパラメータとしたマップによって定められている。燃料噴射は、コマンドパルス信号がオン又はオフとなる時刻に対して時間遅れを伴って開始又は停止されるので、コマンドパルスがオン又はオフとなる時期を制御することによって燃料噴射時期及び期間を制御することが可能である。コントローラ８は各気筒に対応して配置されているインジェクタ３毎に燃料噴射制御を行う。
【００１３】
インジェクタ３からの燃料噴射の圧力はコモンレール２に貯留されている燃料の圧力に略等しいので、コモンレール圧力Ｐｒを制御することで噴射圧力が制御される。一方、インジェクタ３からの燃料噴射によってコモンレール２内の燃料が消費されると、コモンレール圧力Ｐｒが低下する。コントローラ８は、燃料サプライポンプ１の燃料圧送量を制御することにより、エンジンの運転状態が一定であればその状態に対応した一定圧力を保持するように、又はエンジンの運転状態が変更されれば、その変更に対応してエンジンの運転状態に最適となるようにコモンレール圧力Ｐｒを増圧又は減圧制御する。詳細には、コモンレール圧力の制御は、エンジンの運転状態に応じて決定された目標燃料噴射量とエンジン回転数とに応じて目標コモンレール圧力を決定し、圧力センサ２２によって検出された実際のコモンレール圧力が目標コモンレール圧力に一致するように、燃料サプライポンプ１の燃料圧送量をフィードバック制御することによって行われる。
【００１４】
図７に示すコモンレール式燃料噴射システムでは、燃料サプライポンプ１の圧送量を制御する方法の一つとして、プリストローク制御が知られている。プリストローク制御は、プランジャ１１がリフト行程にあるときに、燃料通路１３に配置したインレットバルブ１５を開弁させることによってその開弁期間ではポンプ室１２内の燃料を燃料通路１３を通じて戻し、インレットバルブ１５を閉弁させた期間ではポンプ室１２内の燃料を吐出側に圧送することによって、圧送量を制御する方式である。コントローラ８が電磁ソレノイド１６の励磁時期を制御してインレットバルブ１５の弁開閉時期を制御し、インレットバルブ１５の閉弁時期からプランジャ１１の上死点到達時点までの燃料圧送期間を制御することで燃料サプライポンプ１の圧送量が制御され、その結果、コモンレール圧力Ｐｒ、即ち、噴射圧力が制御される。燃料通路１３での燃料圧（フィード圧）は、リリーフ弁１８により上限が制限されているので、フィードポンプ６が送る余剰の燃料はリリーフ弁１８及び戻し管１９を通じて燃料タンク７に戻される。
【００１５】
コモンレール式燃料噴射システムに適用され且つ圧力制御室を備えた電子制御式のインジェクタの一例が、特開昭６１−２４４８６４号公報に開示されている。燃料の供給管路から圧力制御室への高圧燃料の供給と圧力制御室からの燃料圧力の解放とが、電磁アクチュエータと、作動ステムを介して電磁アクチュエータに取り付けられたボールとを備えた電磁弁によって切り換えられる。電磁弁のボールは前記電磁アクチュエータの作動によって一つのバルブチャンバ内を変位し、圧力制御室への高圧燃料の供給時には、高い燃料圧力を受けて、ばねの力に依存することなく、圧力制御室の燃料圧力を解放する低圧路をセルフシールしている。また、同様の圧力制御室を備えたコモンレール式燃料噴射システムに適用されて、バルブチャンバ内を変位するボールを変位させる電気的手段として圧電アクチュエータを用い、構造がコンパクトでシンプルであり且つ安価に製造可能なインジェクタが提案されている（特開平９−１８４４６３号公報）。
【００１６】
コモンレール式燃料噴射システムに適用され且つ圧力制御室を備えた燃料噴射率を変化させることができるインジェクタが提案されている（特開平１１−２２５８０号公報）。制御室内に導入された高圧燃料が排出される排出路に形成された圧力室に燃料圧力が蓄圧され続ける間では、弁体のリフト速度が緩慢になり燃料噴射率が抑えられ、圧力室内の圧力が所定圧力まで上昇したときに圧力解放弁が圧力室内の圧力を解放し、弁体のリフト速度を上げて燃料噴射率を高めている。燃料噴射初期の噴射率を抑えて、騒音や排気ガス性能の向上を図っている。
【００１７】
このように、ディーゼルエンジンの燃焼においては、燃料噴射率を、燃料噴射が開始される初期では低く抑え燃料噴射期間の後半に高める、所謂ブーツ型に変化させると、燃焼騒音や排気ガス中のＮＯｘを低減しエンジン性能を向上させるのに有効であることが分かっている。上記の外にも、インジェクタの先端部に形成されている噴孔のうち実際に燃料噴射を行う噴孔数を調整したり、複数の針弁を設けることによる初期燃料噴射率の可変制御も試みられている。また、圧力制御室内の燃料リーク量を可変にすることにより、初期燃料噴射率を可変にすることも提案されている。圧力制御室からのリーク路の開口面積をアクチュエータに印加する電圧で可変制御するのは非常に難しく、特に、温度が大幅に変化するエンジンにおいてはインジェクタの構成部品の熱膨張や収縮があるので、リーク路の開口面積の正確な制御が困難であると共に、アクチュエータへの制御電圧が安定しない等の問題もある。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、インジェクタからの燃料噴射中に、圧力制御室内の燃料量を段階的に減少させることができれば、その燃料量に応じて針弁のリフトが段階的に増加し、圧力制御室の燃料を排出する開閉弁の開弁時の開口面積を一定としていても、構造が簡単であり且つ燃料噴射率を多段に変更することが可能なインジェクタを得ることができる。したがって、圧力制御室の燃料を排出する開閉弁の開弁時の開口面積が一定であるにもかかわらず、燃料噴射率を多段に変更することが可能なインジェクタを得る点で解決すべき課題がある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は、開閉弁の開弁時の開口面積が一定であるが、圧力制御室の燃料を排出可能な開閉弁の作動位置では針弁のリフトを可能にすると共に、圧力制御室からの燃料の排出を停止させる開閉弁の作動位置では針弁のリフトをそのリフト状態で停止可能とすることによって、燃料噴射が開始される初期の燃料噴射率を低く抑えると共に燃料噴射期間の後半に燃料噴射率を高めるというような、燃料噴射率を多段に制御して、燃焼騒音や排気ガス中のＮＯｘの低減やエンジン性能を向上させることを可能にするインジェクタを提供することである。
【００２０】
この発明は、燃料を噴射する噴孔を備えた本体、前記本体内の中空部内を昇降し且つ一端で前記噴孔を開閉する針弁、前記針弁の昇降を制御するため燃料圧力の受圧面となる前記針弁の他端が露出している圧力制御室、前記圧力制御室に燃料を供給する供給路、前記圧力制御室内の燃料圧力を解放する排出路、前記排出路を開閉するための開閉弁、及び前記開閉弁を作動させるアクチュエータを具備し、前記圧力制御室は、前記供給路と前記排出路に接続する第１容積部と、前記針弁の前記他端が露出しており且つ前記第１容積部と連通孔を通じて連通する第２容積部とから成り、前記開閉弁は、前記針弁を多段階でリフト可能とするため、前記アクチュエータの作動に基づいて前記排出路を開いた状態で前記連通孔を開閉可能であることから成るインジェクタに関する。
【００２１】
この発明によるインジェクタによれば、アクチュエータによって開閉弁を作動させるときの作動量によって、針弁のリフトを行う位置と針弁のリフトを途上で停止させる位置との二つに位置を取る。即ち、排出路を開放して第１容積部内の高圧燃料及び第１容積部と連通孔を通じて連通する第２容積部内の高圧燃料を解放する位置では針弁のリフトが行われ、第１容積部と第２容積部とを連通させる連通孔を閉じる位置では針弁のリフトが途上で一時停止される。第２容積部内の燃料を順次、排出と排出停止とを繰り返すことで、排出していく燃料量に応じて針弁のリフトを段階的に増加することが可能になる。開閉弁の作動位置は、二つに位置を管理するだけでよく、作動位置の細かな制御が不要である。
【００２２】
このインジェクタにおいて、前記開閉弁は、前記アクチュエータに連結され且つ前記排出路内を前記第１容積部に延びる弁ステム、及び前記弁ステムの先端に取り付けられ且つ前記第１容積部内に配置された弁体から成り、前記弁体は、前記弁体が上昇変位した第１位置において前記排出路の前記第１容積部側開口部に形成された弁シートに当接可能な第１弁フェースと、前記弁体が降下した第２位置において前記連通孔の前記第１容積部側開口部を開閉する第２弁フェースとを有し、前記１位置では前記第１容積部内の燃料圧力によって前記排出路をセルフシールし、前記第１位置と前記第２位置との間の中間位置において前記第２容積部内の燃料を前記連通路、前記第１容積部及び前記排出路を通じて排出する。アクチュエータの出力は、排出路内を延びる弁ステムに伝達され、第１容積部に配置された弁体を変位させる。第１弁フェースは、弁体が変位して第１位置を占めるときには排出路の第１容積部側開口部に形成された弁シートに当接して排出路を閉じ、弁体が降下して中間位置にあるときには弁シートから離間して排出路を開くと共に連通孔をも開くので、第２容積部内の燃料は連通孔、第１容積部及び排出路を通じて排出される。更に弁体が降下して第２位置を占めるとき、第２弁フェースは連通孔の第１容積部側開口部を閉じ、第２容積部を密閉状態にする。
【００２３】
また、このインジェクタにおいて、前記アクチュエータは圧電素子から構成されており、前記開閉弁の作動位置は前記圧電素子への電圧によって制御される。
【００２４】
前記インジェクタは、燃料サプライポンプから圧送された燃料を蓄圧状態に貯留するコモンレール、前記コモンレールの燃料圧力を含むエンジンの運転状態を検出する検出手段、及び前記コモンレールから供給された燃料を前記インジェクタから噴射すべき燃料噴射条件を前記検出手段からの検出信号に応じて決定し、前記燃料噴射条件に基づいて前記燃料サプライポンプからの燃料圧送と前記インジェクタからの燃料噴射とを制御するコントローラを具備するコモンレール式燃料噴射システムに適用される。このとき、前記圧力制御室には前記コモンレールから送られる燃料の一部が供給され、前記インジェクタの前記アクチュエータは前記コントローラからの制御信号によって制御される。
【００２５】
前記コントローラは、前記検出手段からの前記検出信号に基づいて燃料噴射率を多段に変更する必要があると判断したときには、前記アクチュエータを制御し、前記開閉弁によって前記排出路と前記連通孔とを開いて前記第２容積部内の燃料を排出することと、前記針弁がフルリフト量に達する前に前記開閉弁によって前記連通孔を閉じて前記第２容積部を密封状態にすることとを繰り返すことにより、前記針弁のリフト量を前記フルリフト量以下のリフト量で段階的に停止し、燃料噴射期間の終了時には前記開閉弁によって前記排出路を閉じると共に前記連通孔を開いて、前記第２容積部に高圧燃料を導入することにより前記針弁のリフトを終了させる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１〜図５は、この発明によるインジェクタによる燃料噴射の作動状態を順に示す図である。図１はこの発明によるインジェクタが燃料噴射を開始する直前の状態にあるインジェクタの一部を示す断面図、図２は図１に示すインジェクタが燃料噴射を開始した初期燃料噴射状態を示す断面図、図３は針弁のリフトが図２に示す初期燃料噴射状態のリフト位置で停止された状態を示す断面図、図４は図３に示す燃料噴射状態から更に針弁をリフトさせた燃料噴射状態を示す断面図、図５は図４に示す燃料噴射状態から針弁の閉弁移行状態を示す断面図である。更に、図６は、この発明によるインジェクタにおいて、コントローラが出力するコマンドパルス信号、コマンドパルス信号に対応してインジェクタの電磁アクチュエータに供給される電圧、及び電磁アクチュエータへの供給電圧によって作動する針弁のリフトを示すグラフである。このインジェクタの各構成要素について、図７に示すインジェクタに用いられている構成要素と同等の機能を奏するものについては、同じ符号を付すことにより、再度の詳細な説明を省略する。
【００２７】
図１に基づいて、この発明によるインジェクタの実施例の基本的な構造を説明する。インジェクタ５０の本体は、インジェクタ本体５１と、インジェクタ本体５１の先端側に取り付けられたノズル本体５２とからなる。インジェクタ本体５１とノズル本体５２とには、コモンレール２からの燃料が供給される燃料通路３４が形成されている。ノズル本体５２には、燃料通路３４に接続し且つ針弁３１の第１テーパ面３６に燃料圧力を作用させる高圧燃料が蓄えられる燃料溜まり３５、針弁の第２テーパ面３７に対向して形成されたテーパ状弁シート３７ａ、及び燃料を噴射する噴孔３２が形成されている。ノズル本体５２の中空部内には、針弁３１が昇降可能に収容されており、針弁３１の第２テーパ面３７がテーパ状弁シート３７ａから離間又は着座することによって、噴孔３２が開閉し、噴孔３２からの燃料の噴射又はその停止が行われる。噴孔３２には、燃料溜まり３５から針弁３１の周囲に形成される隙間を通じて燃料が供給される。
【００２８】
インジェクタ本体５１には、ノズル本体５２の大径部５３を収容する中空穴５５が形成されている。中空穴５５の穴底５６とノズル本体５２の大径部５３の頂面５４との間には、連通孔５８が形成された中間板５７が挟まれて取り付けられている。圧力制御室３０は、中間板５７を境に、インジェクタ本体５１内に形成されている上側の第１容積部６０と、大径部５３内に形成されている下側の第２容積部６１とから構成されており、第１容積部６０と第２容積部６１とは、連通孔５８を通じて連通している。第１容積部６０は、オリフィス３９が形成された供給路３８を通じて燃料通路３４と連通している。第２容積部６１には針弁３１の頂面５４が露出しており、頂面５４は、第２容積部６１内に作用している燃料圧力の受圧面となっている。
【００２９】
第１容積部６０は、連通穴５８に対向した位置において、排出路６２を通じて低圧側通路６３に連通可能である。排出路６２は、開閉弁６５で開閉される。開閉弁６５は、アクチュエータとしての圧電素子６４によって作動されるが、圧電素子６４に連結され且つ排出路６２内を第１容積部６０に延びる弁ステム６６、及び弁ステム６６の先端に取り付けられ且つ第１容積部６０内に配置された弁体６７から成り、圧電素子６４の作動によってインジェクタ５０の長手方向軸線に沿う方向に開閉駆動される。排出路６２は、第１容積部６０側開口部においてテーパ状の弁シート６８が形成されており、弁ステム６６の周囲においてオリフィス３９よりも有効通路面積の狭いオリフィス４１を形成している。弁体６７は、弁体６７が上昇変位した第１位置において弁シート６８に当接して排出路６２を開閉する第１弁フェース７０と、弁体６７が降下した第２位置において中間板５７の上面６９に当接して連通孔５８の第１容積部６０側開口部を開閉する第２弁フェース７１とを備えている。第２容積部６１内には、針弁３１を閉弁方向に付勢するリターンスプリング５９が配設されている。
【００３０】
図１に示す状態では、弁体６７は上昇した第１位置にあり、第１弁フェース７０が弁シート６８に当接して排出路６２を閉じているが、第２弁フェース７１は、中間板５７の上面６９から離間して連通孔５８を開いている。燃料通路３４からオリフィス３９を通じて第１容積部６０に流入した高圧燃料は、連通孔５８を通じて第２容積部６１にも流入して針弁３１の頂面３３に作用し、リターンスプリング５９の戻し力と高圧燃料の圧力に基づく押し下げ力とで針弁３１を押し下げて、噴孔３２からの燃料の噴射を阻止している。なお、圧電素子６４のストローク量は、図１に示す状態において中間板５７の上面６９と第２弁フェース７１との間の距離に設定されている。
【００３１】
図６（ａ）に示すように、コントローラ８が時刻ｔ0 でコマンドパルス信号Ｓをオンに立ち上げる。同時に、圧電素子６４に電圧が印加され始め、電圧は図６（ｂ）に示すように時刻ｔ1 において電圧Ｖ１にまで上昇される。開閉弁６５は、電圧Ｖ１が印加された圧電素子６４の作動によって開弁を開始する。弁体６７が変位して、最大変位までの途中の中間位置（特定の位置とする必要はない）にあるときには、第１容積部６０内の高圧燃料は直接に、また第２容積部６１内の高圧燃料は、連通孔５８、第１容積部６０及び排出路６２を通じて低圧側通路６３に排出される。排出路６２に形成されるオリフィス４１よりも供給路３８に形成されるオリフィス３９の絞り作用が大きいので、圧力制御室３０からの燃料の排出が圧力制御室３０への燃料の供給よりも大きくなり圧力制御室３０の燃料圧力が低下する。リターンスプリング５９の戻し力と低下した圧力制御室３０の燃料の圧力に基づく押し下げ力よりも、燃料溜まり３５において第１テーパ面３６に作用する高圧燃料圧力に基づく押し上げ力が勝るので、針弁３１は、図６（ｃ）に示すように、リターンスプリング５９の戻し力に抗して時間遅れを伴って時刻ｔ2 にリフトを開始し、噴孔３２からの燃料噴射が開始される。針弁３１のリフトは、時刻ｔ3 にフルリフト量ＦＬ以下のリフト量、即ち、ハーフリフト量ＨＬとなる。なお、針弁３１のリフトは、必ずしも、ハーフリフト量ＨＬとする必要はなく、任意のリフト位置に停止させることもできる。
【００３２】
針弁３１がフルリフトする前の時刻ｔ4 において、圧電素子６４に印加する電圧をＶ２に上昇させると、図３に示すように、弁体６７が更に下方に変位して第２位置に至り、第２弁フェース７１が中間板５７の上面６９に当接して連絡孔５８を閉じる。第２容積部６１内の燃料は、連絡孔５８を通じてのリークが阻止されて第２容積部６１内に密閉されるので、第２容積部６１内の燃料は剛体化され、針弁３１のリフトはその位置で停止される。したがって、この状態では、燃料は、針弁３１のハーフリフト量ＨＬの位置に対応した燃料噴射率で噴射される。
【００３３】
図６（ｂ）に示すように、圧電素子６４に印加される電圧を時刻ｔ5 に再びＶ１に低下させると、図４に示すように、弁体６７が第１位置と第２位置との中間位置に上昇変位し、第２弁フェース７１が中間板５７の上面６９から離間して連絡孔５８を再び開く。第２容積部６１内の燃料は連絡孔５８を通じてリーク可能となり、針弁３１は、第１テーパ面３６に作用する燃料圧力に基づいて、図６（ｃ）に示すように時刻ｔ6 にリフトを再開し、時刻ｔ7 にフルリフト量ＦＬまでリフトする。図４に示す状態では、燃料はフルリフト量ＦＬの位置に対応した高い燃料噴射率で噴射される。
【００３４】
図６（ａ）に示すように、燃料噴射期間Ｔに対応して時刻ｔ8 にコマンドパルス信号Ｓがオフとなると、図６（ｂ）に示すように、圧電素子６４に印加される電圧は時刻ｔ9 にゼロＶに低下し、図５に示すように、弁体６７が第１位置に上昇変位して開閉弁６５が閉弁する。燃料通路３４からの高圧燃料は、オリフィス３９が形成されている供給路４１を通じて第１容積部６０に流入し、更に連通路５８を通じて第２容積部６１に高い燃料圧力を作用させる。弁体６７の第１弁フェース７０は、圧力制御室３０内の燃料圧力が高くなればなるほど弁シート６８に強く当接されるので、開閉弁６５はセルフシールされる。リターンスプリング５９の戻し力と第２容積部６１内の燃料圧力に基づく押下げ力との合力が、燃料溜まり３５に晒される第１テーパ面３６に作用する燃料圧力に基づく押上げ力に勝るので、針弁３１は下降して、図６（ｃ）に示すように、時刻ｔ8 から時間遅れを伴って、時刻ｔ1 0 に噴孔３２からの燃料噴射が停止される。
【００３５】
【発明の効果】
この発明によるインジェクタは、上記のように構成されているので、圧力制御室の圧力を逃がすリリーフ弁である開閉弁の開放断面積については、可変とするものではなく、一定の断面積とすることができる。即ち、開閉弁の開放断面積を可変とする型式のものでは開閉弁の弁体変位量を厳密に制御する必要があったが、この発明では開閉弁の開放断面積は一定であるため、開閉弁の弁体変位量を厳密に管理する必要がなくなり、基本的には、圧力制御室と排出路とを遮断する第１位置と、第１容積部と第２容積部との連通を遮断して第２容積部内の燃料を密閉する第２位置との２つの変位位置を管理すればよい。また、開閉弁の開放断面積を可変とするものでは、開放時には針弁が常にリフトする傾向にあり、初期噴射率を抑えるのに限界があり、また開閉弁の開放断面積の僅かな変化が大きな針弁のリフト変化となって現れ、初期燃料噴射量のバラツキが大きいという問題があったが、この発明によるインジェクタでは、開閉弁によって連通孔を閉じたときには、第２容積部が密封状態となり第２容積部内の燃料が剛体状態となって、針弁のリフトを完全に停止させることができるため、燃料噴射率の変動が抑えられ、特に初期燃料噴射率のバラツキや変動を抑制することができる。
【００３６】
更に、このインジェクタによれば、第２容積部を密閉状態に閉じた状態では、針弁は事実上、リフトが停止されるので、燃料噴射が開始される初期の燃料噴射率を低く抑えるリフト位置で針弁を停止でき、その後、再度、針弁のリフトを開始して、燃料噴射期間の後半における燃料噴射率を高めるというような、燃料噴射率をクリアな多段に制御することができ、燃焼騒音や排気ガス中のＮＯｘの低減やエンジン性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるインジェクタが燃料噴射を開始する直前の状態にあるインジェクタの一部を示す断面図である。
【図２】図１に示すインジェクタが燃料噴射を開始した初期燃料噴射状態を示す断面図である。
【図３】針弁のリフトが図２に示す初期燃料噴射状態のリフト位置で停止された状態を示す断面図である。
【図４】図３に示す燃料噴射状態から更に針弁をリフトさせた燃料噴射状態を示す断面図である。
【図５】図４に示す燃料噴射状態から針弁の閉弁移行状態を示す断面図である。
【図６】この発明によるインジェクタにおいて、コントローラが出力するコマンドパルス信号、アクチュエータに供給される電圧、及び針弁のリフトに時間変化の概略を示すグラフである。
【図７】従来のコモンレール式燃料噴射システムを示す概略図である。
【符号の説明】
１    燃料サプライポンプ
２    コモンレール
８    コントローラ
９    センサ
３０  圧力制御室
３１  針弁
３２  噴孔
３４  燃料通路
３８  供給路
４０  排出路
５０  インジェクタ
５１  インジェクタ本体
５２  ノズル本体
５４  頂面
５８  連通孔
６０  第１容積部
６１  第２容積部
６２  排出路
６４  圧電素子
６５  開閉弁
６６  弁ステム
６７  弁体
６８  弁シート
６９  上面（５７の）
７０  第１弁フェース
７１  第２弁フェース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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