(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプから圧送された燃料を蓄えるコモンレールにより燃料の供給を受けるインジェクタであって、コモンレールから供給された燃料を噴射する噴孔が形成され、該噴孔の開閉がニードルにより切り換え自在なノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源との間を連通と遮断とのいずれかの状態に切り換える背圧制御部と、該背圧制御部を駆動する駆動部とを有し、
前記背圧制御部が、前記背圧室と低圧源との間に介設された弁室と、前記低圧源と連通し前記弁室の天井面に開口する低圧ポートと、コモンレールと連通し前記低圧ポートの直下で前記弁室の底面に開口する高圧ポートと、前記弁室内に配設され前記低圧ポートまたは前記高圧ポートを閉鎖する弁体とを有し、
前記駆動部が、前記弁室の上方で上下方向に形成されたシリンダ内に配設され、ピン状の下端部が前記低圧ポートから前記弁室内に突出し前記弁体を押圧自在なピストンと、該ピストンに対する上下方向の駆動力を発生するアクチュエータとを有し、
前記駆動部による駆動で前記弁体が下方変位して前記弁室が前記低圧ポートを介して前記低圧源と連通するように構成されたインジェクタにおいて、
前記弁体を常時、上方に付勢する付勢力を発生する付勢手段を具備せしめ、
前記弁体は、前記低圧ポートに対向する上側部分の少なくとも前記ピストンとの当接部が平坦面となっており、かつ外周には径方向外方に突出するスプリング座を設けて、該スプリング座と前記弁室の底面との間に前記付勢手段となるスプリングを介設し、
該付勢手段の付勢力を、前記コモンレールの燃料圧力が常圧で前記駆動部が前記ピストンを非駆動状態のときに、前記弁体が下向きの押圧力に抗して前記低圧ポートを閉鎖可能な力に設定したことを特徴とするインジェクタ。
【請求項２】
請求項１記載のインジェクタにおいて、前記背圧制御部を、  前記弁室が前記背圧室と連通し、前記高圧ポートには略コモンレール内燃料圧力の燃料が常時導入され、前記弁体が下方変位時には高圧ポートを閉鎖する三方弁構造としたインジェクタ。
【請求項３】
ポンプから圧送された燃料を蓄えるコモンレールにより燃料の供給を受けるインジェクタであって、コモンレールから供給された燃料を噴射する噴孔が形成され、該噴孔の開閉がニードルにより切り換え自在なノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源との間を連通と遮断とのいずれかの状態に切り換える背圧制御部と、該背圧制御部を駆動する駆動部とを有し、
前記背圧制御部が、前記背圧室と低圧源との間に介設された弁室と、前記低圧源と連通し前記弁室の天井面に開口する低圧ポートと、コモンレールと連通し前記低圧ポートの直下で前記弁室の底面に開口する高圧ポートと、前記弁室内に配設され前記低圧ポートまたは前記高圧ポートを閉鎖する弁体とを有し、
前記駆動部が、前記弁室の上方で上下方向に形成されたシリンダ内に配設され、ピン状の下端部が前記低圧ポートから前記弁室内に突出し前記弁体を押圧自在なピストンと、該ピストンに対する上下方向の駆動力を発生するアクチュエータとを有し、
前記駆動部による駆動で前記弁体が下方変位して前記弁室が前記低圧ポートを介して前記低圧源と連通するように構成されたインジェクタにおいて、
前記弁体を常時、上方に付勢する付勢力を発生する付勢手段を具備せしめ、
前記弁体を、シート径と摺動部径が略同径のバランスピストン弁として、前記低圧ポートに対向する上側部分の少なくとも前記ピストンとの当接部を平坦面とし、
前記摺動部を前記高圧ポートの下方に配置するとともに、前記摺動部下方にスプリング室を設けて、前記付勢手段としてのスプリングを収容し、
該付勢手段の付勢力を、前記コモンレールの燃料圧力が常圧で前記駆動部が前記ピストンを非駆動状態のときに、前記弁体が下向きの押圧力に抗して前記低圧ポートを閉鎖可能な力に設定したことを特徴とするインジェクタ。
【請求項４】
請求項１または２いずれか記載のインジェクタにおいて、前記弁体が、略球状のボール弁であり、前記スプリング座として、前記弁体の最大径よりも小さな内径を持つ環状部材を弁体下方から設置したことを特徴とするインジェクタ。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載のインジェクタにおいて、前記ピストンにはこれを下方に付勢する別の付勢手段の座とならしめるための環状突起部を設け、かつ、前記ピストンが上方に自由に移動するのを抑制すべく、前記シリンダが形成された本体部に、前記環状突起部の上方で該環状突起部を受ける面を形成したインジェクタ。
【請求項６】
請求項１ないし４いずれか記載のインジェクタにおいて、前記ピストンにはこれを下方に付勢する別の付勢手段の座とならしめるための環状突起部を設け、該環状突起部の上方で前記付勢手段を格納する、前記ピストンの外周の環状空間を、前記ピストンが上昇する時にその上昇速度を緩和するダンパ室としたインジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料噴射装置を構成するインジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンの燃料噴射装置として、筒内への燃料噴射用のインジェクタが、ポンプから圧送された燃料を蓄えるコモンレールから燃料の供給を受けるようにしたものがあり、コモンレール式として知られている。インジェクタは、先端に噴孔が形成されたノズル部に、噴孔を開閉するニードルがその後端部で摺動自在に保持され、前記コモンレールからの燃料がニードルの先端部の外周に形成された油溜まり室に導入される。この導入燃料は噴射燃料として供されるとともに、ニードルを離座方向に作用する付勢力を発生する制御油として供される。前記コモンレールからの燃料はまた、ニードルの後端面を室壁面とする背圧室に導入され、ニードルの着座方向に作用する付勢力を発生する制御油として供される。ニードルは背圧室の燃料圧力が低下してニードルに対する離座方向の付勢力が優勢となると離座し、その状態から背圧室の燃料圧力が上昇して着座方向の付勢力が優勢となると着座する。
【０００３】
図６はインジェクタ内部の、背圧室の燃料圧力を切り換える背圧制御部を中心とする構造を示すもので、背圧制御部は、前記背圧室と常時連通する弁室９０１を有しており、弁室９０１内にはボール９０２が配設されている。ボール９０２は、弁室９０１の天井面に開口する低圧ポート９０３または弁室９０１の底面に開口する高圧ポート９０４を閉鎖可能である。低圧ポート９０３は低圧の燃料タンクと連通している。高圧ポート９０４はコモンレールと連通しており、エンジンの運転中は高圧である。弁室９０１の上方にはシリンダ９０５が上下方向に形成され、シリンダ９０５内には、摺動径の異なる２つのピストン９０６，９０７が配設されている。下側のピストン９０６は、ピン状の下端部９０６１が低圧ポート９０３から弁室９０１内に突出し弁体９０２を押圧自在であり、上側のピストン９０７は上方から図示しないアクチュエータにより押圧駆動される。両ピストン９０６，９０７の間は燃料が導入され油圧室９０８となっている。
【０００４】
ボール９０２が下方変位して低圧ポート９０３を開き高圧ポート９０４を閉じている状態では、前記背圧室と低圧の燃料タンクとは連通し、背圧室の燃料圧力が略コモンレール内の燃料圧力（以下、適宜、コモンレール圧力という）の圧力値から低下して、ニードルは離座する。一方、低圧ポート９０３を閉じ高圧ポート９０４を開いている状態では、前記背圧室と低圧の燃料タンクとは遮断され、背圧室の燃料圧力が略コモンレール圧力の圧力値となり、ニードルは着座する。高圧ポート９０４を閉鎖状態のボール９０２を上昇せしめる力は、高圧ポート９０４からの高圧燃料により与えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図示の状態はエンジン停止状態のものである。したがって、上側ピストン９０７に対する下向きの駆動力は解除されているが、コモンレール圧力も略０（常圧）になっているので低圧ポート９０３を閉鎖状態に保つ力がボール９０２に作用しない。このため、エンジンの停止状態の期間の長さによっては、図示のように、上側ピストン９０７が下方変位していないにもかかわらず、ボール９０２や下側ピストン９０６はニードルの開弁時と同様に最下位置に降下してしまっており、低圧ポート９０３が開いた状態となっている。イグニッションスイッチがオンすると、この状態からポンプのコモンレールへの燃料圧送が開始されることになる。このとき、ボール９０２を低圧ポート９０３側に変位せしめて通常のニードル閉弁状態と同じ状態にするのは、ポンプの作動開始によりコモンレールを経て高圧ポート９０４からボール９０２に向けて噴出する燃料の動圧である。
【０００６】
しかしながら、低圧ポート９０３が開放しているので、コモンレールからの燃料は低圧ポート９０３から燃料タンクへとリークしている。このため、高圧ポート９０４からの燃料によりボール９０２に作用する上向きの付勢力は、ボール９０１や下側ピストン９０６の自重、スプリング９１０のばね力、さらにはエンジン停止中の下側ピストン９０６の低下に伴ってピストン９０６，９０７の摺動部等から油圧室９０８内に流入した燃料の圧縮反力に打ち勝つことができず、ボール９０２の上昇に失敗する。結局、コモンレール圧力が必要な圧力値まで上昇せず、エンジンの始動に失敗することになる。
【０００７】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、ポンプ作動開始時にコモンレール圧力がスムーズに上昇して良好な始動性が得られる燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、ポンプから圧送された燃料を蓄えるコモンレールにより燃料の供給を受けるインジェクタであって、コモンレールから供給された燃料を噴射する噴孔が形成され、該噴孔の開閉がニードルにより切り換え自在なノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源との間を連通と遮断とのいずれかの状態に切り換える背圧制御部と、該背圧制御部を駆動する駆動部とを有し、
前記背圧制御部が、前記背圧室と低圧源との間に介設された弁室と、前記低圧源と連通し前記弁室の天井面に開口する低圧ポートと、コモンレールと連通し前記低圧ポートの直下で前記弁室の底面に開口する高圧ポートと、前記弁室内に配設され前記低圧ポートまたは前記高圧ポートを閉鎖する弁体とを有し、
前記駆動部が、前記弁室の上方で上下方向に形成されたシリンダ内に配設され、ピン状の下端部が前記低圧ポートから前記弁室内に突出し前記弁体を押圧自在なピストンと、該ピストンに対する上下方向の駆動力を発生するアクチュエータとを有し、
前記駆動部による駆動で前記弁体が下方変位して前記弁室が前記低圧ポートを介して前記低圧源と連通するように構成されたインジェクタにおいて、
前記弁体を常時、上方に付勢する付勢力を発生する付勢手段を具備せしめ、
前記弁体は、前記低圧ポートに対向する上側部分の少なくとも前記ピストンとの当接部が平坦面となっており、かつ外周には径方向外方に突出するスプリング座を設けて、該スプリング座と前記弁室の底面との間に前記付勢手段となるスプリングを介設し、
該付勢手段の付勢力を、前記コモンレールの燃料圧力が常圧で前記駆動部が前記ピストンを非駆動状態のときに、前記弁体が下向きの押圧力に抗して前記低圧ポートを閉鎖可能な力に設定する。
【０００９】
エンジン停止状態であっても、弁体は付勢手段の上向き付勢力により低圧ポートの閉鎖状態が維持されるから、エンジン始動時には背圧室の燃料圧力はコモンレールの燃料圧力とともに速やかに上昇する。これにより、始動性が向上する。  また、前記付勢手段を、弁体と弁室底面間に介設したスプリングにより構成することで、簡単に弁体への上向きの付勢力を発生することができ、しかも、自身の弾発力により弁室内に保持されるから、構成が簡単である。
【００１０】
請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記背圧制御部を、前記弁室が前記背圧室と連通し、前記高圧ポートには略コモンレール内燃料圧力の燃料が常時導入され、前記弁体が下方変位時には高圧ポートを閉鎖する三方弁構造とする。
【００１１】
駆動部による駆動で弁体が低圧ポートを開くときには弁体が弁室の底面に達して固定されるから、付勢手段の付勢力がさ程強いものでなくとも弁体が振動するようなことはない。これにより、弁室内を背圧室から低圧ポートへと向かう燃料流れが弁体の振動で不安定になるのを防止することができる。
【００１２】
また、付勢手段の付勢力がさ程強いものでなくともよいから、弁体の下方変位時に駆動部が出力することを要求される駆動エネルギーも小さなものでよく、エネルギー消費を抑制することができる。
【００１３】
また、弁体の振動が回避されることで、弁体やピストンが磨耗することもないし、長寿命である。
【００１４】
請求項３記載の発明は、本発明の課題を解決するための他の構成であり、前記のように構成されたインジェクタにおいて、
前記弁体を常時、上方に付勢する付勢力を発生する付勢手段を具備せしめ、
前記弁体を、シート径と摺動部径が略同径のバランスピストン弁として、前記低圧ポートに対向する上側部分の少なくとも前記ピストンとの当接部を平坦面とし、前記摺動部を前記高圧ポートの下方に配置するとともに、前記摺動部下方にスプリング室を設けて、前記付勢手段としてのスプリングを収容したものである。
【００１５】
この構成においても同様の効果が得られ、圧力バランスされたバランスピストン弁を用いると、開弁のための力をほぼゼロにできるので、駆動エネルギーの低減効果が大きい。
【００１６】
請求項４記載の発明では、請求項１または２いずれか記載の構成において、前記弁体が、略球状のボール弁であり、前記スプリング座として、前記弁体の最大径よりも小さな内径を持つ環状部材を弁体下方から設置する。
【００１７】
略球状のボール弁とすることで、前記弁室内に配設されて背圧制御を行う前記弁体構成を容易に実現できる。ボール状の弁体に対して付勢手段から弁体に安定的に付勢力を印加させ得る。付勢手段として、弁体の最大径に左右されずに比較的大径のスプリングを選択することができ、設計の自由度が広くなる。
【００１８】
請求項５記載の発明では、請求項１ないし４の発明の構成において、前記ピストンにはこれを下方に付勢する別の付勢手段の座とならしめるための環状突起部を設け、かつ、前記ピストンが上方に自由に移動するのを抑制すべく、前記シリンダが形成された本体部に、前記環状突起部の上方で該環状突起部を受ける面を形成する。
【００１９】
環状突起部が前記面と当接する位置が、ピストンの移動範囲の機械的な上限となり、ピストンを駆動するアクチュエータ等に不測の衝撃が印加されるのを防止することができるとともに、弁体が低圧ポートを閉鎖状態においてピストンの下端部が弁体から離れることがあってもその間隙を微小量に抑えることができる。
【００２０】
請求項６記載の発明では、請求項１ないし４の発明の構成において、前記ピストンにはこれを下方に付勢する別の付勢手段の座とならしめるための環状突起部を設け、該環状突起部の上方で前記付勢手段を格納する、前記ピストンの外周の環状空間を、前記ピストンが上昇する時にその上昇速度を緩和するダンパ室とする。
【００２１】
前記環状空間は、ピストンの上昇時に燃料等の排出が抑制されて、好適にピストンの上昇速度を抑制し、適正な速度に制御することができる。これにより、ピストンの動きがスムーズになる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の第１実施形態を説明する。図１、図２、図３に本発明を適用したディーゼルエンジンのコモンレール式の燃料噴射装置を示す。燃料噴射装置の全体構成を示す図３において、ディーゼルエンジンの気筒数分のインジェクタ１０が各気筒に対応して設けられ（図例ではインジェクタ１０は１つのみ図示）、供給ライン１５を介して連通する共通のコモンレール１４から燃料の供給を受けるようになっている。コモンレール１４には燃料タンク１１の燃料がポンプである高圧サプライポンプ１３により圧送されて高圧で蓄えられる。
【００２５】
インジェクタ１０は、ＥＣＵ１７、駆動回路１８、さらに圧力センサ１９等により制御される。駆動回路１８はＥＣＵ１７の指令信号を受けてインジェクタ１０の後述するピエゾスタック７１を充放電し、例えば必要な時期に必要な時間だけインジェクタ１０から各気筒の燃焼室内に略コモンレール圧力に等しい噴射圧力で燃料を噴射するようになっている。
【００２６】
圧力センサ１９はコモンレール１４に設けられてコモンレール圧力を検出し、その検出結果に基づいてＥＣＵ１７が高圧サプライポンプ１３を制御してコモンレール１４への燃料の圧送量を調整し、コモンレール圧力を他のセンサ入力等により知られる運転条件に応じた適正な噴射圧となるように制御する。
【００２７】
また、コモンレール１４からインジェクタ１０に供給された燃料は、上記燃焼室への噴射用の他、インジェクタ１０の制御油圧等としても用いられ、インジェクタ１０から低圧のドレーンライン１６を経て燃料タンク１１に還流するようになっている。
【００２８】
インジェクタ１０はエンジンの図略の燃焼室壁を貫通し図１中下端部が燃焼室内に突出するように取り付けられ、下端部から順にノズル部１０１、背圧制御部１０２、駆動部１０３が構成される。インジェクタ１０は棒状体２を有し、上記各部１０１〜１０３を構成する各部品を格納する穴や燃料が流通する通路が形成される。
【００２９】
ノズル部１０１は、棒状体２の下端部２ａにサック部４２が形成され、サック部４２形成壁を貫通して燃料噴射用の噴孔４３が形成される。棒状体２の下端部２ａはまた、サック部４２の上方に、供給ライン１５に通じる高圧通路３１とつながる縦穴２１が連なって形成されている。
【００３０】
縦穴２１の上側部分には段付きのノズルニードル６１が先端を下側に向けて配設され、後端部であるその上側大径部６１２で摺動自在に保持されている。ノズルニードル６１の先端部である下側小径部６１１の外周には環状の油溜まり室４１が形成され、油溜まり室４１は常時高圧通路３１と連通しコモンレール１４からの高圧燃料が供給されている。
【００３１】
ノズルニードル６１は下降状態では円錐形の下端部がサック部４２の上端の縦穴２１との境界の段部４３ａをシート部として着座してサック部４２を閉じ、噴孔４３からの燃料噴射を禁止し、燃料を噴射する時は上昇してサック部４２の前記段部４３ａから離座してサック部４２を開くようになっている。
【００３２】
油溜まり室４１の高圧燃料はノズルニードル６１の段面６１ａおよび円錐状の先端面６１ｂに上向きに作用しノズルニードル６１を離座方向に付勢する。
【００３３】
ノズルニードル６１の上方でその後端面６１ｃおよび縦穴２１の壁面により画成される空間５３は、高圧通路３１から制御油としての燃料が導入されており、ノズルニードル６１の背圧を発生する背圧室５３としてある。この背圧はノズルニードル６１に下向きに作用し、背圧室５３内に収納されたスプリング６２とともにノズルニードル６１を着座方向に付勢する。
【００３４】
背圧室５３はアウトオリフィス５４を介して常時、弁室５５と連通している。弁室５５は天井面が円錐状に形成されており、天井面の最上部には低圧ポート２２が開口している。低圧ポート２２は後述する縦穴２３を介してドレーンライン１６に通じる低圧通路３２とつながっており、縦穴２３に配設される後述する小径ピストン６４の外周に形成される空間５６を介して低圧通路３２と常時連通している。
【００３５】
低圧ポート２２の直下位置で弁室５５の底面には、高圧通路３１と連通する高圧制御通路５２の先端部が開口しており、高圧ポート５２１としてある。
【００３６】
弁室５５内には、略球状のボール弁として上側部分および下側部分を水平にカットしたバルブ６３が配設されている。バルブ６３は上下動可能な弁体である。上昇時には、弁座としての、前記天井面の低圧ポート２２の外周部（以下、低圧側シートという）５５１に着座し低圧ポート２２を閉じて弁室５５を前記低圧通路３２と遮断する。これにより、背圧室５３がアウトオリフィス５４、弁室５５、高圧制御通路５２を介して高圧通路３１と連通し、ノズルニードル６１の背圧が上昇してノズルニードル６１が着座する。
【００３７】
バルブ６３の下降時には、前記カット面で、弁座としての、前記底面の高圧ポート５２１の外周部（以下、高圧側シートという）５５２に着座し弁室５５を高圧ポート５２１と遮断し、これにより、背圧室５３がアウトオリフィス５４、弁室５５、低圧ポート２２を介して低圧通路３２と連通し、ノズルニードル６１の背圧が低下してノズルニードル６１が離座する。
【００３８】
バルブ６３の外周には座であるスプリング座６６が設けてある。スプリング座６６は、内径がバルブ６３の最大径である直径よりもやや小さめの環状に成形した板状部材であり、バルブ６３にその下側から嵌めてある。スプリング座６６と弁室５５の底面との間にはスプリング座６６と略同径の付勢手段であるバルブスプリング６７が介設され、スプリング座６６を介してバルブ６３を上方へ付勢している。スプリング座６６を設けることで、バルブ６３に対してバルブスプリング６７から安定的に付勢力を印加させ得るから、バルブスプリング６７として、バルブ６３の直径に左右されずに比較的大径のものを選択することができ、設計の自由度が広くなる。バルブスプリング６７は、高圧側シート５５２の外周で弁室５５の底面に形成された環状凹部５５３により位置決めされている。また、スプリング座６６は弁室５５内の燃料の流れを阻害しないように外径等の形状を決定しておく。バルブスプリング６７のばね力は後述する。
【００３９】
背圧制御部１０２はバルブ６３が駆動部１０３により押圧駆動されることで、作動状態が切り換わるようになっている。駆動部１０３は、弁室５５の上方に上下方向に形成されたシリンダである前記縦穴２３を有し、縦穴２３に、これと同軸に下側から、下側のピストンである小径ピストン６４、スプリング６８、皿ばね６９、大径ピストン６５、ピエゾスタック７１が配設されてなる。縦穴２３は下端面に前記低圧ポート２２の上端が開口している。
【００４０】
小径ピストン６４は縦穴２３の壁面と摺接する等径部６４４の下方が環状突起部である鍔部６４３となっており、さらにその下は下側ほど縮径する円錐部６４２となっている。さらにその下は低圧ポート２２を貫通してバルブ６３と対向し、バルブ６３を押圧するプレッシャピン６４１としてある。プレッシャピン６４１は低圧ポート２２よりも小径に形成される。
【００４１】
小径ピストン６４の非摺動部の外周の空間５６のうち、空間５６の上端を規定するインジェクタ１０の本体部である棒状体２の下向き環状段面２３１と、小径ピストン鍔部６４３とで画される環状空間５８に、別の付勢手段であるスプリング６８が小径ピストン６４と同軸に配設されている。スプリング６８は、小径ピストン６４を下方に付勢し、バルブ６３とプレッシャピン６４１との当接性を高めている。
【００４２】
また、棒状体２には、環状段面２３１よりも下方に面である別の環状段面２３２が形成され、縦穴２３が環状段面２３２よりも下方で拡径せしめてある。環状段面２３２は小径ピストン鍔部６４３とその上方で上下方向に対向している。鍔部６４３が環状段面２３２と当接する位置が、小径ピストン６４の移動範囲の上限となる。
【００４３】
大径ピストン６５は小径ピストン６４よりも大径の円形部材で、縦穴２３に摺動自在に保持されている。
【００４４】
ピエゾスタック７１はＰＺＴ等の圧電セラミック層と電極層とが交互に積層してコンデンサ構造を有する一般的なもので、積層方向すなわち伸縮方向を縦穴２３の形成方向として、縦穴２３の最上部に配設されている。ピエゾスタック７１には、大径ピストン６５の下方に設けられた皿ばね６９により、大径ピストン６５を介して一定の初期荷重が印加されるようになっている。
【００４５】
小径ピストン６４と大径ピストン６５との間は燃料が充填されて油圧室５７としてあり、ピエゾスタック７１が伸長して大径ピストン６５を押圧すると、その押圧力が油圧室５７の燃料を介して小径ピストン６４に伝えられる。ここで、小径ピストン６４は大径ピストン６５よりも小径としているので、ピエゾスタック７１の伸長量が拡大されて小径ピストン６４の上下方向の変位に変換される（以下、適宜、油圧室を変位拡大室という）。変位拡大室５７は常時十分な燃料が満たされるようにチェック弁１０４を介して低圧通路３２と接続されている。チェック弁１０４は低圧通路３２から変位拡大室５７に向かう方向を順方向として設けられており、ピエゾスタック７１の伸長により大径ピストン６５が押圧された時には閉じて燃料を変位拡大室５７に閉じ込めるようになっている。
【００４６】
前記バルブスプリング６７のばね力について説明する。バルブスプリング６７の弾発力は、コモンレール圧力が０でピエゾスタック７１が放電状態すなわち駆動部１０３が非駆動状態のときに、バルブ６３や小径ピストン６４の自重、スプリング６８等の下向きの付勢力に抗して、バルブ６３が低圧ポート２２を閉鎖し得るばね力に設定されている。ここでコモンレール圧力が０のときとしているのは、バルブ６３が低圧ポート２２を閉鎖した状態においては、弁室５５内が高圧のときに前記のごとく低圧側シート５５１のシート径で規定される上向きの付勢力が発生するが、これを除外しても、すなわち、エンジン停止状態においても、バルブ６３に対する上向きの付勢力が下向きの付勢力よりも優勢となるようにするためである。
【００４７】
さて、燃料噴射が順次行われる通常運転時において、ピエゾスタック７１が放電状態で縮小しているときは、バルブ６３に対して下向きに、スプリング６８の弾発力、小径ピストン６４の自重等が作用しているが、低圧側シート５５１のシート径で規定されるバルブ６３の受圧面の大きさに応じて、弁室５５内の高圧燃料が上方に付勢しており、また、バルブスプリング６７の前記弾発力が上方に付勢している。したがって、バルブ６３が低圧側シート５５１に着座し低圧ポート２２を閉鎖している。
【００４８】
一方、ピエゾスタック７１が充電され伸長すると大径ピストン６５を押し下げる。ここで、ピエゾスタック７１および駆動回路１８は、ピエゾスタック７１の発生する駆動力が弁室５５内の燃料圧力やバルブスプリング６７の上向き付勢力に抗してバルブ６３を下方変位可能な駆動力となるように構成しておく。これにより、バルブ６３に対する下向きの付勢力が優勢となり、小径ピストン６４を押し下げ、バルブ６３が低圧側シート５５１から離座して高圧側シート５５２に着座する。
【００４９】
ピエゾスタック７１の充放電を行う駆動回路１８は公知の構成のもので、例えば車載のバッテリを電源として、ＤＣ−ＤＣ回路、ピエゾスタック７１への充放電電流を制限するインダクタ、ピエゾスタック７１における電荷の移動を制御するスイッチ回路等からなる。ピエゾスタック７１の充電保持期間の設定は、ＥＣＵ１７からの指令信号により前記スイッチ回路等の制御を行うことで可能としてある。
【００５０】
ＥＣＵ１７は例えばマイクロコンピュータ等で構成され、演算された燃料噴射時期および噴射量に応じて前記指令信号を出力する。
【００５１】
燃料噴射開始時には、先ず、ピエゾスタック７１が所定の電荷量まで充電されてピエゾスタック７１が伸長することにより、プレッシャピン６４１が下降してバルブ６３を押し下げる。これによりバルブ６３は低圧側シート５５１から離座するとともに高圧側シート５５２に着座して弁室５５の燃料圧が低下し、ニードル６１に離座方向に作用する力の方が着座方向に作用する力よりも優勢となって、ニードル６１が離座して燃料噴射が開始される。
【００５２】
噴射停止は反対にピエゾスタック７１の放電によりピエゾスタック７１を縮小してバルブ６３への押し下げ力を解除する。弁室５５内の燃料圧は低圧通路３２に通じる低圧ポート２２が開口する天井面側が低圧となっており、また、バルブ６３の底面には高圧ポート５２１から高圧の燃料圧力が作用しているから、バルブ６３には全体としては上向きの燃料圧が作用し、前記バルブ６３への押し下げ力の解除により、バルブ６３が高圧側シート５５２から離座するとともに再び低圧側シート５５１に着座して弁室５５の燃料圧力が上昇するため、ニードル６１が着座し噴射が停止する。したがって、ピエゾスタック７１の充電保持期間を設定することで、充電保持期間に対応した一定の期間、インジェクタ１０から燃料が噴射される。
【００５３】
スプリング６８によりバルブ６３とプレッシャピン６４１との当接性が十分であり、噴射開始の指令に対し、バルブ６３が低圧側シート５５１に着座状態のまま小径ピストン６４が変位することによるピエゾスタック７１における無駄なエネルギー消費がなくなる。また、小径ピストン６４が変位を開始してからバルブ６３と当接するまでのタイムラグがなくなり、燃料噴射の制御精度が向上する。
【００５４】
また、前記充電保持期間が終了しピエゾスタック７１の駆動力が解除されると、小径ピストン鍔部６４３が上昇して前記環状空間５８は容積が縮小する。このとき、環状空間５８の燃料の排出が、実質的に小径ピストン鍔部６４３の外周でのみなされるから、環状空間５８は、小径ピストン６４の上昇速度を緩和するダンパ室として機能し、小径ピストン６４が、適正な速度に制御される。小径ピストン６４の変位が滑らかなものとなる。
【００５５】
また、小径ピストン６４の変位の上限が鍔部６４３を受ける前記環状段面２３２で規定されているから、ピエゾスタック７１等に不測の衝撃が印加されるのを防止することができるとともに、バルブ６３が低圧側シート５５１に着座した状態において、万一、プレッシャピン６４１がバルブ６３から離れることがあっても、その間隙を微小量に抑え、小径ピストン６４によるバルブ６３の押圧開始時期への影響を抑制することができる。
【００５６】
さて、イグニッションスイッチがオンし、エンジンが始動するときの作動について説明する。エンジン停止状態が継続すると、コモンレール圧力は０であり、弁室５５内の燃料圧力も略０である。前記のごとくバルブスプリング６７は弾発力がエンジン停止状態のときに、バルブ６３や小径ピストン６４の自重、スプリング６８等の下向きの付勢力に抗し得る弾発力に設定されているから、バルブ６３が低圧側シート５５１から離座することはない。したがって、高圧サプライポンプ１３の運転開始時において背圧室５３と低圧ポート２２との遮断状態は保持されている。これにより、背圧室５３の燃料圧力、コモンレール圧力はともに速やかに上昇する。
【００５７】
しかも、本実施形態では、背圧制御部１０２が、背圧室５３が低圧ポート２２または高圧ポート５２１のいずれかと連通する三方弁構造となっているから、通常運転時には、ピエゾスタック７１が充電されてバルブ６３が低圧ポート２２を開くときにはバルブ６３が弁室５５の底面に達して固定される。したがって、バルブスプリング６７の弾発力がさ程強いものでなくともバルブ６３がプレッシャピン６４１との間で振動するようなことはない。これにより、弁室５５内を背圧室５３から低圧ポート２２へと向かう燃料流れがバルブ６３の振動で不安定になるのを防止することができる。
【００５８】
また、バルブスプリング６７の弾発力がさ程強いものでなくともよいから、バルブ６３の下方変位時に駆動部１０３が出力することを要求される駆動エネルギーも小さなものでよく、エネルギー消費を抑制することができる。
【００５９】
また、バルブ６３の振動が回避されることで、バルブ６３や小径ピストン６４が磨耗することもないし、長寿命である。
【００６０】
また、本実施形態のように小径ピストンに対してスプリングから常時、下向きの付勢力が加えられている構成のものでは、バルブと小径ピストンとの当接性が向上する一方で、前掲図６のように、エンジン停止状態の間に小径ピストンである下側ピストンがスプリングにより押し下げられ、よりバルブの上方変位を妨げる方向に作用する。これに対して本実施形態では、バルブスプリングを設けたことで、バルブの上方変位が妨げられるのを回避することができるから、バルブと小径ピストンとの当接性の向上と、始動性の向上とを両立することができる。
【００６１】
また、小径ピストンを下方に付勢するスプリングが省略された構成のインジェクタにおいてもエンジン停止状態において小径ピストンが自重で降下しようとするから、バルブスプリングを設けることで、始動性の向上を図ることができる。この場合、バルブを下向きに付勢するスプリングがない分、バルブスプリングはばね力の小さなもので足りる。
【００６４】
また、本実施形態は、背圧制御部の弁体としてボール弁を用いたが、弁体構造はボール弁に限らず、他の構造とすることもできる。この実施形態を次に示す。
【００６５】
図４、図５により本発明の第２実施形態を説明する。図４のように、本実施形態のインジェクタおよびこれを適用した燃料噴射装置の基本構成は、第１実施形態と同じであり、以下、相違点を中心に説明する。第１実施形態では、背圧制御部１０２の弁体としてボール状のバルブ６３を用いたが、本実施形態では、シート径と摺動部径が略同径のバランスピストン弁であるバルブ７２を用いる。また、バルブ７２を収容するために、弁室５５底面の高圧ポート５２１に続く縦穴２４を有している。
【００６６】
図５において、バルブ７２はピストン状で、弁室５５内に配設される大径の弁部７２１の下方に、高圧ポート５２１を貫通する細径部７２２を有し、さらにその下方は、縦穴２４の壁面と摺接する摺動部としてのガイド部７２３となっている。弁室５５は、水平面とした天井面および底面の中央部に、縦穴２４径と略同じ径の低圧ポート２２および高圧ポート５２１がそれぞれ開口している。弁部７２１は、平らな頂面７２１ａが低圧ポート２２外周部の低圧側シート５５１に着座して、弁室５５と低圧通路３２とを遮断し、細径部７２２から上側へ向けて拡径する円錐部７２１ｂが、高圧ポート５２１外周部の高圧側シート５５２に着座し弁室５５を高圧ポート５２１と遮断する。
【００６７】
高圧ポート５２１直下の、バルブ７２の細径部７２２周りに形成される環状空間には、高圧通路３１と連通する高圧制御通路５２の先端部が開口しており、コモンレール１４から高圧燃料が供給されている。
【００６８】
バルブ７２のガイド部７２３下方の縦穴２４内は、バルブスプリング７３を収容するスプリング室７３１となっており、バルブ７２は、バルブスプリング７３によって上方に付勢されている。なお、スプリング室７３１は、密室となってダンパ力が生じないように、連通路７３２を介して低圧通路３２に通じている。これにより、バルブ７２の下方への移動が抑制されないので、噴射開始時に弁部７２１が低圧側シート５５１から速やかに離座する。
【００６９】
バルブスプリング７３のばね力について説明する。本実施形態においても、バルブスプリング７３の弾発力を、コモンレール圧力が０で駆動部１０３が非駆動状態のときに、バルブ７２が低圧ポート２２を閉鎖し得るばね力に設定されている。すなわち、ピエゾスタック７１が収縮しているときは、バルブ７２に対して下向きに、小径ピストン６４をバルブ７２に当接させるためのスプリング６８の弾発力や、小径ピストン６４の自重等が作用しているが、この下向きの付勢力よりもバルブスプリング７３のばね力を大きくすることで、エンジン停止状態であっても、弁部７２１を低圧側シート５５１に着座させ低圧ポート２２を閉鎖することが可能になる。
【００７０】
また、本実施形態では、弁室５５と低圧通路３２とを遮断する低圧側シート５５１の径（低圧シート径）と、弁室５５と高圧通路３１とを遮断する高圧側シート５５２の径（高圧シート径）と、バルブ７２のガイド部７２３が摺動する縦穴２４の径（ガイド径）が略同じ径となっているので、バルブ７２の弁部７２１が低圧ポート２２を閉鎖した状態において、弁室５５内の高圧燃料がバルブ７２の弁部７２１を上向きに付勢する力とガイド部７２３を下向きに付勢する力とが、ほぼ釣り合う。従って、燃料噴射時にバルブ７２の弁部７２１を押し下げて低圧側シート５５１から離座させるために必要な駆動力を小さくできる。
【００７１】
ただし、実際には、非噴射時に弁室５５と低圧通路３２の間を確実に遮断するために、低圧側シート５５１の径（低圧シート径）を、ガイド部７２３が摺動する縦穴２４の径（ガイド径）よりも僅かに大きくしておくのがよい。このとき、バルブ７２に作用する上向きの付勢力（＝(π／４)・｛（低圧シート径）２−（ガイド径）２｝×高圧燃料の圧力＋バルブスプリング７３の弾発力）が、小径ピストン６４のスプリング６８の弾発力等の下向きの付勢力よりも大きくなるので、弁部７２１が低圧側シート５５１に着座した状態を維持できる。
【００７２】
また、噴射終了時のバルブ７２の戻り力を確保するよう、高圧側シート５５２の径（高圧シート径）は、ガイド部７２３が摺動する縦穴２４の径（ガイド径）よりも若干大きくしてある。このとき、弁部７２１が高圧側シート５５２に着座した状態において、高圧ポート５２１の高圧燃料が弁部７２１を押し上げる力がガイド部７２３を押し下げる力に対して優勢となるので、バルブ７２が速やかに高圧側シート５５２から離座する。
【００７３】
本実施形態の作動は、第１実施形態と同様で、燃料噴射開始時には、ピエゾスタック７１が伸長して大径ピストン６５を押し下げることにより、変位拡大室５７の圧力が上昇し、小径ピストン６４がバルブ７２を押し下げる。すると、バルブ７２の弁部７２１が低圧側シート５５１から離座し、次いで高圧側シート５５２に着座して弁室５５の燃料圧が低下する。これにより、背圧室５３の燃料が、アウトオリフィス５４、弁室５５、低圧ポート２２を介して低圧通路３２に抜けるために、背圧が低下してノズルニードル６１が離座し、燃料噴射がなされる。
【００７４】
逆に、ピエゾスタック７１が収縮してバルブ７２への押し下げ力が解除されると、バルブスプリング７３の上向きの付勢力と、弁部７２１に上向きに作用する高圧ポート５２１の高圧の燃料圧力によって、弁部７２１が高圧側シート５５２から離座し、次いで低圧側シート５５１に着座する。これに伴い、アウトオリフィス５４を介して弁室５５よりの高圧燃料が背圧室５３に流入するとともに、インオリフィス５１を通じて高圧通路３１よりの高圧燃料が背圧室５３に流入し、背圧室５３の圧力が上昇するため、ニードル６１が着座し噴射が停止する。
【００７５】
本実施形態によっても、第１実施形態と同様に、バルブスプリング７３を設けたことで、高圧がかかっていない状態でもバルブ７２が低圧側シート５５１に着座するから、低圧ポート２２を閉鎖して、圧送された燃料が低圧側へリークするのを防ぐことができる。よって、バルブ７２と小径ピストン６４との当接性の向上と始動性の向上とを両立することができる。
【００７６】
また、本実施形態では、圧力バランスタイプの三方弁構造を採用し、低圧シート径と高圧シート径およびガイド径をほぼ同じとしたので、バルブ７２は圧力バランス状態となり、開弁に必要な力をほぼゼロにできる。従って、第１実施形態のようにボール弁を用いた構造と比べて、さらに駆動エネルギーの低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１実施形態のインジェクタの断面図である。
【図２】第１実施形態のインジェクタの拡大断面図である。
【図３】第１実施形態のインジェクタを含み構成された燃料噴射装置の構成図である。
【図４】本発明を適用した第２実施形態のインジェクタの断面図である。
【図５】第２実施形態のインジェクタの拡大断面図である。
【図６】従来のインジェクタの部分断面図である。
【符号の説明】
１０  インジェクタ
１０１  ノズル部
１０２  背圧制御部
１０３  ピエゾアクチュエータ（駆動部）
１１  燃料タンク（低圧源）
１３  高圧サプライポンプ（ポンプ）
１４  コモンレール
２２  低圧ポート
２３２  環状段面（面）
４１  油溜まり室
４３  噴孔
５２１  高圧ポート
５３  背圧室
５５  弁室
５８  環状空間
６１  ノズルニードル（ニードル）
６３  バルブ（弁体）
６４  小径ピストン（ピストン）
６４１  プレッシャピン（下端部）
６６  スプリング座（環状部材）
６７  バルブスプリング（付勢手段）
６８  スプリング（別の付勢手段）
７１  ピエゾスタック
７２  バルブ（弁体）
７２１  弁部
７２２  細径部
７２３  ガイド部（摺動部）
７３  バルブスプリング（付勢手段）
７３１  スプリング室
【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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