(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴孔を開閉するノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御室と、開閉駆動されて上記制御室の圧力を増減させる制御弁を備え、上記制御室の圧力の低下に伴い上記ノズルニードルが開弁する燃料噴射装置において、
上記制御弁が、エネルギーを供給されることにより開弁して上記制御室をドレーン通路と連通させるものであり、
上記制御弁の開閉動作を繰り返すことにより上記制御室の圧力を上記ノズルニードルがフルリフトする圧力より高く保ち、噴射期間における上記ノズルニードルのリフト位置を、フルリフト位置より低い所定の位置に制御する制御部を設け、
上記制御部は、上記制御弁が所定の周期で所定の時間の開弁を繰り返すようにエネルギーを供給することを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項２】
噴孔を開閉するノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御室と、開閉駆動されて上記制御室の圧力を増減させる制御弁を備え、上記制御室の圧力の低下に伴い上記ノズルニードルが開弁する燃料噴射装置において、
上記制御弁が、エネルギーを供給されることにより開弁して上記制御室をドレーン通路と連通させるものであり、
上記制御弁の開閉動作を繰り返すことにより上記制御室の圧力を上記ノズルニードルがフルリフトする圧力より高く保ち、噴射期間における上記ノズルニードルのリフト位置を、フルリフト位置より低い所定の位置に制御する制御部を設け、
上記制御部が、初回の開弁時間がそれ以降の開弁時間より長くなるように、上記制御弁を繰り返し開閉動作させることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項３】
噴孔を開閉するノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御室と、開閉駆動されて上記制御室の圧力を増減させる制御弁を備え、上記制御室の圧力の低下に伴い上記ノズルニードルが開弁する燃料噴射装置において、
上記制御弁の開閉を制御することにより上記制御室の圧力を上記ノズルニードルがフルリフトする圧力より高く保ち、噴射期間における上記ノズルニードルのリフト位置を、フルリフト位置より低い所定の位置に制御する制御部を設け、
上記ノズルニードルのリフト量を直接または間接的に検出するリフト量検出手段を有し、上記制御部が、上記リフト量検出手段からの検出信号に基づいて上記制御弁を開閉動作させることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項４】
噴孔を開閉するノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御室と、開閉駆動されて上記制御室の圧力を増減させる制御弁を備え、上記制御室の圧力の低下に伴い上記ノズルニードルが開弁する燃料噴射装置において、
上記制御弁の開閉を制御することにより上記制御室の圧力を上記ノズルニードルがフルリフトする圧力より高く保ち、噴射期間における上記ノズルニードルのリフト位置を、フルリフト位置より低い所定の位置に制御する制御部を設け、
上記制御部は、内燃機関の燃料噴射時期が圧縮の上死点から大きく外れる時に、上記ノズルニードルを予め定めたハーフリフト位置に制御するハーフリフト制御を行うことを特徴とする燃料噴射装置。請求項２または３記載の燃料噴射装置。
【請求項５】
噴孔を開閉するノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御室と、開閉駆動されて上記制御室の圧力を増減させる制御弁を備え、上記制御室の圧力の低下に伴い上記ノズルニードルが開弁する燃料噴射装置において、
上記制御弁の開閉を制御することにより上記制御室の圧力を上記ノズルニードルがフルリフトする圧力より高く保ち、噴射期間における上記ノズルニードルのリフト位置を、フルリフト位置より低い所定の位置に制御する制御部を設け、
上記噴孔の総開口面積が上記ノズルニードルのリフト位置によって変化することを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項６】
噴孔を開閉するノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御室と、開閉駆動されて上記制御室の圧力を増減させる制御弁を備え、上記制御室の圧力の低下に伴い上記ノズルニードルが開弁する燃料噴射装置において、
上記制御弁の開閉を制御することにより上記制御室の圧力を上記ノズルニードルがフルリフトする圧力より高く保ち、噴射期間における上記ノズルニードルのリフト位置を、フルリフト位置より低い所定の位置に制御する制御部を設け、
上記制御部が、上記制御弁を繰り返し開閉動作させて上記ノズルニードルを予め定めたハーフリフト位置に制御するものであり、上記一連の開閉動作のうち、閉弁動作時に、上記制御弁が完全には弁座に着座しないように制御することを特徴とする燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の燃料噴射装置に関し、詳しくは、リフト量の可変制御が可能な燃料噴射装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン等に高圧燃料を噴射するために、従来より、コモンレール式の燃料噴射装置が用いられている。この装置では、共通のコモンレールから各気筒の燃料噴射弁に燃料を供給しており、燃料噴射弁には、一般に、ソレノイド駆動式のものが広く用いられている。また、近年、印加電圧に応じて伸縮するピエゾアクチュエータを利用したピエゾ駆動式の燃料噴射弁が提案されている。これは、ピエゾアクチュエータの変位を直接あるいは油圧を介してノズルニードルに伝達するもので、応答性に優れる利点がある。
【０００３】
これら従来の燃料噴射装置において、燃料噴射量はノズルニードルの開弁時間によって制御されるが、ノズルニードルの開弁動作および閉弁動作に一定の時間を必要とするため、燃料噴射量が少量である時（あるいは燃料噴射期間が短い時）には、ノズルニードルの挙動が不安定となり燃料噴射量の安定した制御が難しい。そこで、ノズルニードルのリフト量を可変制御して、少量の燃料噴射を制御性よく行うことが検討されている。ピエゾ駆動式の燃料噴射弁を用いて可変制御を行うものは、例えば、米国特許第５８０３３７０号公報によって知られており、ピエゾアクチュエータの印加電圧を制御することにより、ピエゾアクチュエータと一体のロッドで駆動されるノズルニードルのリフト量を変化させて、ノズルニードルをバルブシート当接位置からフルリフトに至るまでの中間の位置（ハーフリフト位置）に保持することが記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記米国特許第５８０３３７０号公報の装置は、ピエゾアクチュエータと一体のロッドがノズルニードルを直接駆動する構成であり、ピエゾアクチュエータには、ノズルニードルの変位に対応する変位と発生力が要求される。このため、ピエゾアクチュエータの体格が大きくならざるを得ず、駆動に要するエネルギーも大きくなるという問題があった。また、ノズルニードルを所定のハーフリフト位置に停止させるために、ダンパ部材を設ける必要があり、具体的には、ノズルニードルを駆動するロッド周りにダンパピストンを摺動自在に設けるとともに、その上方にダンパ室を配置している。さらに、ピエゾアクチュエータ収縮中のロッドおよびノズルニードルの上昇を妨げないように、ダンパピストンの下方にはダンパ室に連通する燃料室を設けており、構造が複雑となっている。
【０００５】
一方、ノズルニードルの背圧をピエゾアクチュエータで駆動される油圧制御弁によって制御する燃料噴射装置がある。油圧制御弁は、ノズルニードルに背圧を与える制御室とドレーン通路の間を開閉するように構成され、ドレーン通路の開閉により制御室の圧力が増減するのに従って、ノズルニードルを昇降させる。この装置では、ピエゾアクチュエータは油圧制御弁の駆動に必要な変位を発生すればよいので、小型化が可能であるが、ハーフリフト制御に関しては、これまで検討がなされていない。
【０００６】
そこで、本発明は、ノズルニードルの背圧を油圧制御弁を制御する方式において、ノズルニードルのハーフリフト制御を可能にし、小型で制御性に優れる燃料噴射装置を実現することを目的とする。また、ピエゾアクチュエータをより小さいエネルギーでハーフリフト制御可能とし、さらなる省力化を図ることを他の目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の燃料噴射装置は、噴孔を開閉するノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御室と、開閉駆動されて上記制御室の圧力を増減させる制御弁を備え、上記制御室の圧力の低下に伴い上記ノズルニードルが開弁するように構成してある。そして、上記制御弁の開閉を制御することにより上記制御室の圧力を上記ノズルニードルがフルリフトする圧力より高く保ち、噴射期間における上記ノズルニードルのリフト位置を、フルリフト位置より低い所定の位置に制御する制御部を設けたことを特徴とする。
【０００８】
ノズルニードルに背圧を与える制御室の圧力を制御弁で制御する上記構成の装置では、例えば、上記制御弁の開閉を繰り返し行うことにより、上記制御室の圧力を所定の範囲に保持することが可能である。従って、上記制御室の圧力を制御して、上記ノズルニードルをフルリフト位置に至らない任意の位置、例えばハーフリフト位置に制御することが可能である。従って、装置の大型化や構造の複雑化をまねくことなく、燃料噴射の制御性を向上させることができ、小型で制御性に優れる燃料噴射装置を実現することができる。
【０００９】
具体的には、請求項１、２の発明では、上記制御弁を、エネルギーを供給されることにより開弁して上記制御室をドレーン通路と連通させる構成とし、上記制御部は、上記制御弁の開閉動作を繰り返すことにより上記制御室の圧力を制御するものとする。つまり、上記制御弁は、通常状態では閉弁して上記制御室を高圧に保持し、上記制御部により開弁駆動されて上記制御室を圧力を低下させるので、開閉動作を繰り返すことにより、上記制御室の圧力を増減し、ノズルニードルが所望のリフト位置を保持するように制御することができる。
【００１０】
この構成において、請求項１の発明における上記制御部は、上記制御弁が所定の周期で所定の時間の開弁を繰り返すようにエネルギーを供給する。この時、上記制御弁が一定の開弁動作を繰り返すことにより、上記制御室の圧力が一定の範囲で増減を繰り返すので、これに伴い上記ノズルニードルのリフト位置が一定の範囲を保持するよう制御することができる。
【００１１】
あるいは請求項２の発明において、上記制御部は、上記制御弁が所定の周期で開弁を繰り返す際に、初回の開弁時間がそれ以降の開弁時間より長くなるように、上記制御弁を繰り返し開閉動作させる。上記ノズルニードルをリフトさせる場合、最初にノズルシートからリフトさせるのに大きな力を必要とすることから、上記制御弁の初回の開弁動作を長くして、上記制御室の圧力をより大きく降下させるとよい。
【００１２】
請求項３の発明では、噴孔を開閉するノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御室と、開閉駆動されて上記制御室の圧力を増減させる制御弁を備え、上記制御室の圧力の低下に伴い上記ノズルニードルが開弁する燃料噴射装置において、上記制御弁の開閉を制御することにより上記制御室の圧力を上記ノズルニードルがフルリフトする圧力より高く保ち、噴射期間における上記ノズルニードルのリフト位置を、フルリフト位置より低い所定の位置に制御する制御部を設ける。また、上記ノズルニードルのリフト量を直接または間接的に検出するリフト量検出手段を設ける。上記制御部は、上記リフト量検出手段からの検出信号に基づいて上記制御弁を開閉動作するものとし、例えば、上記ノズルニードルのリフト量が所定値を超えたら、上記制御弁を閉弁して上記制御室の圧力を上昇させ、逆に、リフト量が所定値を下回ったら、上記制御弁を開弁して上記制御室の圧力を低下させる制御を行う。このようにして、上記ノズルニードルをより制御性よく所定のリフト範囲に保持することができる。
【００１４】
請求項４の発明において、噴孔を開閉するノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御室と、開閉駆動されて上記制御室の圧力を増減させる制御弁を備え、上記制御室の圧力の低下に伴い上記ノズルニードルが開弁する燃料噴射装置において、上記制御弁の開閉を制御することにより上記制御室の圧力を上記ノズルニードルがフルリフトする圧力より高く保ち、噴射期間における上記ノズルニードルのリフト位置を、フルリフト位置より低い所定の位置に制御する制御部を設ける。また、上記制御部は、内燃機関の燃料噴射時期が圧縮の上死点から大きく外れる時に、上記ノズルニードルを予め定めたハーフリフト位置に制御するハーフリフト制御を行う。シリンダ内圧力が十分高くない圧縮の上死点から外れた時点での噴射は、シリンダ壁面に衝突して潤滑性を損なうことを防止する為に噴射率を低くする必要があり、また、メイン噴射の前にパイロット噴射を行う場合のように、微量の燃料噴射が要求されることが多い。このような時に、本発明のハーフリフト制御が有効で、燃料噴射の制御性が大きく向上する。
【００１５】
請求項５の発明では、噴孔を開閉するノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御室と、開閉駆動されて上記制御室の圧力を増減させる制御弁を備え、上記制御室の圧力の低下に伴い上記ノズルニードルが開弁する燃料噴射装置において、上記制御弁の開閉を制御することにより上記制御室の圧力を上記ノズルニードルがフルリフトする圧力より高く保ち、噴射期間における上記ノズルニードルのリフト位置を、フルリフト位置より低い所定の位置に制御する制御部を設ける。また、上記噴孔の総開口面積を上記ノズルニードルのリフト位置によって変化させる。例えば、上記噴孔を複数設けて、上記ノズルニードルのリフト位置をフルリフトさせた場合と、ハーフリフトさせた場合とで開放される上記噴孔数を変化させるようにすれば、リフト位置の変更による噴射量の調整が容易になり燃料噴射の制御性がさらに向上する。
【００１７】
請求項６の発明では、噴孔を開閉するノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御室と、開閉駆動されて上記制御室の圧力を増減させる制御弁を備え、上記制御室の圧力の低下に伴い上記ノズルニードルが開弁する燃料噴射装置において、上記制御弁の開閉を制御することにより上記制御室の圧力を上記ノズルニードルがフルリフトする圧力より高く保ち、噴射期間における上記ノズルニードルのリフト位置を、フルリフト位置より低い所定の位置に制御する制御部を設ける。また、上記制御部が、上記制御弁を繰り返し開閉動作させて上記ノズルニードルを予め定めたハーフリフト位置に制御するものとし、かつその一連の開閉動作のうち、閉弁動作させる際に、上記制御弁が完全には弁座に着座しないように制御する。上記制御弁が開弁している状態から閉弁させる場合、完全には弁座に着座させず、弁座から僅かにリフトした状態としても、上記制御室の圧力変化は完全に着座した場合とほとんど変わらず、しかも僅かにリフトした状態とするためのエネルギーは、完全に着座させるためのエネルギーに対してはるかに小さい。よって、噴射性能を変えずに必要エネルギーを大きく低減することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した一実施の形態を図面に従って説明する。図１は、本発明の燃料噴射装置の主要部をなす燃料噴射弁の概略構成図で、例えば、ディーゼルエンジンのコモンレール噴射システムに好適に使用される。燃料噴射弁は、上端部をピエゾ駆動部１、下端部を噴射ノズル部１０としており、これらの間にピエゾ駆動部１により駆動される制御弁としての３方弁５と、３方弁５の駆動に伴い圧力を増減させる制御室４を備えている。噴射ノズル部１０のノズルニードル１２は、制御室４の圧力に応じて上下動し、ノズルボディＢ１先端の噴孔１１を開閉して燃料の噴射を開始ないし停止する。噴孔１１は、ノズルニードル１２が上端位置にある時に全開となり、高圧通路３に続く燃料溜まり３１からノズルニードル１２周りの空隙を介して燃料が供給される。一方、ノズルニードル１２が下端位置にある時は全閉となり、燃料溜まり３１との導通が遮断されて燃料の供給が停止される。ノズルニードル１２の下端位置は、ノズルニードル１２が着座するノズルシート１３によって決定され、上端位置はノズルボディＢ１上方のオリフィスプレートＰ１によって決定される。
【００１９】
ここで、噴射ノズル部１０としては、上記図１に示す汎用の形式の他、図２に示すような可変噴孔形式の噴射ノズル部１０を用いてもよい。図２の噴射ノズル部１０では、ノズルボディＢ１先端に、軸方向に高さを違えて、それぞれ複数の噴孔１１ａ、１１ｂを並設している。ノズルニードル１２は中空とした内部を燃料溜まり３１に連通する高圧通路３４としており、ノズルニードル１２のリフトにより高圧通路３４を経て噴孔１１ａ、１１ｂに燃料が供給されるようにしている。このようにすると、ノズルニードル１２のリフト位置に応じて開放される噴孔数（すなわち噴孔の総開口面積）が変化するので、本発明の特徴であるハーフリフト制御（詳細は後述する）をより効果的に行うことができる。
【００２０】
ノズルボディＢ１は、ピエゾ駆動部１のハウジングＨの下端にオリフィスプレートＰ１、Ｐ２を介して配設され、筒状のノズルホルダＢ２にて油密に固定される。高圧通路３は、燃料溜まり３１から上方へ延び、オリフィスプレートＰ１、Ｐ２およびハウジングＨ内を経て外部のコモンレール（図略）に連通している。ハウジングＨ内には、また、外部の燃料タンク（図略）に連通する燃料戻し用のドレーン通路２が形成されている。ノズルニードル１２の上端部とオリフィスプレートＰ１の間には、制御室４が形成され、ノズルニードル１２は、制御室４内に配したスプリング４１のばね力と制御室４の油圧によって常に閉方向（下方）へ付勢されている。
【００２１】
制御室４の油圧は、制御弁としての３方弁５によって制御される。３方弁５は、ハウジングＨの下端に形成した略円錐形の弁室５１と略球形の弁体５２からなり、弁室５１はオリフィスプレートＰ１、Ｐ２を貫通する通路とその下端に設けたメインオリフィス４２を介して制御室４と常に連通している。弁室５１は、ドレーンポート２１と高圧ポート３２の２つのポートを有し、弁室５１内の弁体５２が上方または下方に移動して上記２つのポートの一方を閉塞すると、他方が開放されて制御室４と導通する。ドレーンポート２１は弁室５１上方に設けたスピル室２２を介してドレーン通路２に連通し、オリフィスプレートＰ２を上下に貫通する高圧ポート３２は、オリフィスプレートＰ２下端面に径方向に設けた溝３３を介して高圧通路３に連通している。
【００２２】
よって、弁室５１がドレーンポート２１に連通すると、制御室４は低圧となり、ノズルニードル１２がノズルシート１３から離れて上昇する。一方、弁室５１が高圧ポート３２に連通すると、制御室４は高圧となり、ノズルニードル１２が下降してノズルシート１３に着座する。ここで、制御室４は、高圧ポート３２の下端に連通させてオリフィスプレートＰ１に設けたサブオリフィス４３によって、３方弁５を介さずに高圧通路３と常に連通している。このサブオリフィス４３は、高圧通路３からサブオリフィス４３を経て制御室４に燃料を流入させることによって、噴射開始時には制御室４の圧力低下を緩和してノズルニードル７を緩やかに開弁させ、噴射終了時には圧力上昇を促進してノズルニードル７を迅速に閉弁させる作用がある。
【００２３】
なお、ドレーンポート２１の弁室５１への開口部は、円錐形状の弁座としてのドレーンシート５３を形成しており、高圧ポート３２の弁室５１への開口部は、フラット形状の高圧シート５４を形成している。このように一方をフラット形状とするのは、弁体５２の軸ずれを許容するためである。弁体５２は、いずれかのシート５３、５４に着座することにより対応するポートを閉塞するが、弁室５１の圧力は常にドレーンポート２１の圧力より高いため、弁体５２はドレーンシート５３に着座しているのが常態である。高圧シート５４への着座力は、ピエゾ駆動部１の小径ピストン１８によって与えられる。次に、ピエゾ駆動部１の詳細について説明する。
【００２４】
ピエゾ駆動部１は、ハウジングＨの上端部内に収容されるピエゾアクチュエータ１４と、その下端に接して一体に変位するピエゾピストン１５を有し、ピエゾアクチュエータ１４の変位を、大径ピストン１７および変位拡大室６を介して小径ピストン１８に伝達する。ピエゾアクチュエータ１４は公知の構成で、電荷の注入によって伸長し、電荷の放出によって収縮する圧電体を積層してなり、印加電圧に応じて伸縮してピエゾピストン１５を駆動する。ピエゾアクチュエータ１４への電圧の印加は、制御手段であるＥＣＵ９によって制御される。ピエゾピストン１５は、ピエゾシリンダＨ１内に摺動自在に配設され、細径のロッド１６によって大径ピストン１７に連結されている。大径ピストン１７および小径ピストン１８は、シリンダ形成部材Ｈ２に同軸的に形成した大径シリンダＨ３、小径シリンダＨ４内にそれぞれ摺動自在に配設され、ロッド１６は大径ピストン１７の上面より上方に延びて、ピエゾピストン１５の下面に打ち込み固定される。
【００２５】
ピエゾピストン１５下方の、ロッド１６周りに形成される空間は、ドレーン通路２に連通する油溜まり室７となしてあり、スプリング７１が収容されてピエゾピストン１５を上方に付勢している。同時に、ピエゾピストン１５と一体に連結される大径ピストン１７もスプリング７１によって上方に付勢される。これにより、ピエゾピストン１５および大径ピストン１７は、ピエゾアクチュエータ１４の伸縮に応じて一体に上下動する。なお、ピエゾピストン１５の外周には、油溜まり室６２内の作動油がピエゾアクチュエータ１４を汚染するのを防止するためにＯリング７３が設けられる。また、油溜まり室７をドレーン通路２に連通させるための通路は、ハウジングＨ側壁から径方向に油溜まり室７に貫通穴を形成した後、盲栓７４で閉鎖することにより形成される。
【００２６】
シリンダ形成部材Ｈ２は、小径ピストン１８の上部に縮径部を有し、小径ピストン１８の上方への移動を規制するストッパ６１を形成している。大小シリンダＨ３、Ｈ４は、この縮径部を介して連通しており、縮径部と小径ピストン１８の間に形成される油圧室、および大径ピストン１７との間に形成される油圧室によって変位拡大室６が形成される。変位拡大室６は、ピエゾアクチュエータ１４の変位を油圧変換し、大小ピストン１７、１８の径差に応じて増幅して（例えば、大径ピストン１７の変位の２〜３倍）、小径ピストン１８に伝達する。小径ピストン１８の下端部は、シリンダ形成部材Ｈ２の下方に形成されるスピル室２２内に位置し、細径の先端部がドレーンポート２１内に挿通されて弁体５２に当接している。
【００２７】
大径ピストン１８内には、軸方向に通路７２が設けられ、通路７２の上端はロッド１６の基端部内に延びてＴ字形に分岐し、油溜まり室７に開口している。通路７２の下端は、大径ピストン１８の下端面に開口し、大径ピストン１８の下端に装着した逆止弁８を介して変位拡大室６に連通するようになっている。逆止弁８は、変位拡大室６の燃料がリーク等により減少した時に、油溜まり室７から変位拡大室６へ燃料を補充するためのもので、通路７２の下端開口を閉鎖するフラット弁８１と、フラット弁８１を上方に付勢する皿バネ８２からなる。フラット弁８１は、円盤状の薄板（厚さ：０．１〜０．２ｍｍ）よりなり、中心にピンホール８４（直径：０．０２〜０．５ｍｍ）を有している。
【００２８】
皿バネ８２は、極薄のリング形状で（厚さ：０．０１〜０．０５ｍｍ）、付勢力も０．５〜２Ｎと小さくしてある。これらフラット弁８１と皿バネ８２とを収納保持するホルダ８３は有底筒状で、大径ピストン１８の下端部外周に打ち込み固定される。燃料リーク等により、変位拡大室６内の圧力が低下すると、皿バネ８２の付勢力に抗してフラット弁８１が下降し、通路７２から燃料が流入する。ホルダ８３は、底面にピンホール８４に比べて十分大きい貫通穴８５を有し、ホルダ８３内空間と変位拡大室６の間で燃料を自由に流通させるので、速やかに変位拡大室６へ燃料が補充される。
【００２９】
フラット弁８１のピンホール８４は、変位拡大室６の燃料を油溜まり室７へリークさせるためのもので、例えば、燃料噴射中に何らかの異常が生じて、ピエゾアクチュエータ１４の電荷を放出することができなくなっても、ピンホール８４を介して燃料をリーク可能であるため、変位拡大室６の圧力を低下させて燃料噴射を停止することができる。また、燃料噴射装置を組み立てた後、変位拡大室６に燃料を充填する際の真空引きを容易にし、速やかに燃料を充填するとともに、空気が残って不具合を生じるのを防止する。さらに、エンジンを停止して長時間放置した場合に、小径ピストン１８が自重で降下し逆止弁８を介して変位拡大室６に燃料が補充されてしまうことがあり得るが、燃料をピンホール８４からドレーン通路２へ排出可能であるため、小径ピストン１８および弁体５２の上昇が許容され、エンジンの始動に備えることができる。ピンホール８４の大きさは、燃料噴射特性に影響を与えない範囲でこれら作用が可能になるように適宜設定される。
【００３０】
次に、ＥＣＵ９による上記燃料噴射弁の制御方法を図３のタイムチャートを用いて説明する。図３の点線は、ノズルニードル１２をフルリフトさせる通常の制御を行う場合の各部の挙動を示すものである。フルリフト制御において、まず、燃料噴射の開始に当たっては（時間ｔ1 ）、ＥＣＵ９からの噴射信号に従いピエゾアクチュエータ１４に所定の高電圧（例えば１００Ｖ）を印加する。ピエゾアクチュエータ１４は印加電圧（ａ）に比例した変位を生じて、ピエゾピストン１５、大径ピストン１７を同じ変位量だけ下方に移動させ、変位拡大室６の油圧を上昇させる。この変位拡大室６の油圧上昇により小径ピストン１８が下降し、弁体５２がドレーンシート５３から押し下げられる。弁体５２のリフト（ｂ）は、印加電圧（ａ）の上昇とともに増加し（図１の下方への移動を正とする）、次いで、高圧シート５４に着座する。この時、弁体５２のリフト（ｂ）は、ピエゾアクチュエータ１４の変位に対して大径ピストン１７と小径ピストン１８の面積比（例えば２倍）だけ拡大される。
【００３１】
弁体５２のリフト（ｂ）に伴い、弁室５１とドレーンポート２１が導通し、次いで高圧ポート３２との導通が遮断されるために、弁室５１の圧力が低下し、弁室５１と連通する制御室４の油圧（ｃ）を低下させる。制御室４の油圧（ｃ）が低下し、ノズルニードル１２に上向きに作用する燃料溜まり３１の油圧力が、制御室４の油圧力およびスプリング４１のバネ力に勝ると、ノズルシート１３からのノズルニードル１２のリフト（ｄ）が開始し、噴孔１１から燃料の噴射が開始される（時間ｔ2 ）。時間ｔ2 以降も制御室４の油圧（ｃ）は低下し、ノズルニードル１２のリフト（ｄ）をフルリフト位置まで上昇させる。この状態を所定の噴射停止時期まで維持する。
【００３２】
燃料噴射の停止に当たっては、ピエゾアクチュエータ１４の電荷を放出させることによって印加電圧（ａ）をゼロにする（時間ｔ4 ）。この間に、ピエゾアクチュエータ１４は、電圧印加時の変位量だけ収縮して元の長さに戻り、ピエゾピストン１５がスプリング７１に付勢されて上昇する。ロッド１６によりピエゾピストン１５と連結されている大径ピストン１７もピエゾピストン１５とともに上昇し、変位拡大室６の油圧を低下させる。変位拡大室６の油圧低下により小径ピストン１８は、弁体５２を高圧ポート３２の高圧に逆らって高圧シート５４に押し付ける力を失い、弁体５２とともに上昇する。
【００３３】
弁体５２が再びドレーンシート５３に着座し、そのリフト位置（ｂ）が初期状態に戻ると、弁室５１が高圧ポート３２に導通し、ドレーンポート２１との導通が遮断されるために、弁室５１および制御室４の油圧（ｃ）が回復する。制御室４の油圧（ｃ）が上昇し、ノズルニードル１２に下向きに作用する力が、燃料溜まり３１の油圧力に勝ると、ノズルニードル１２がフルリフト位置から降下して再びノズルシート１３に着座し、燃料の噴射が停止される（時間ｔ6 ）。
【００３４】
上記フルリフト制御において、ＥＣＵ９は、目標とする燃料噴射量に応じて、ピエゾアクチュエータ１４への電圧印加開始時期および放電開始時期を制御する。燃料噴射量は、一般にノズルニードル１２の開弁期間（燃料噴射時間）に比例して増加するが、ノズルニードル１２がフルリフトするまでおよびフルリフト位置からノズルシート１３に着座するまでに一定の時間を要するために、目標とする燃料噴射量が少量であるとフルリフトする前に下降を開始する必要があるなど、噴射間でばらつきが生じやすくなり、正確な噴射量制御が難しい。
【００３５】
そこで、本発明では、このような場合に、ノズルニードル１２の開弁時のリフト位置を、フルリフトよりリフト量の小さい任意位置、例えば、予め定めたハーフリフト位置に制御する。図３の実線は、ハーフリフト制御の一例（ハーフリフト制御▲１▼）を示すもので、燃料噴射の開始は上記フルリフト制御時と同様であり、ＥＣＵ９によりピエゾアクチュエータ１４に、フルリフト時の要求電圧と同じ所定の高電圧を印加する（時間ｔ1 ）。これにより、ピエゾアクチュエータ１４は印加電圧（ａ）に応じた変位を発生し、ピエゾピストン１５、大径ピストン１７、変位拡大室６および小径ピストン１８を介して弁体５２を駆動する。弁体５２のリフト（ｂ）に伴い、制御室４の油圧（ｃ）が所定圧まで低下するとノズルニードル１２のリフト（ｄ）が開始される（時間ｔ2 ）。
【００３６】
上記フルリフト制御時には、時間ｔ2 以降も時間ｔ4 まで印加電圧（ａ）を一定に保持したが、ここでは、ハーフリフト制御を行うために、ピエゾアクチュエータ１４への電圧の印加を、所定の高い正電圧（例えば１００Ｖ）と電位ゼロが交互になるように繰り返し行う。具体的には、ノズルニードル１２がリフトを開始した時間ｔ2 の直後に、ピエゾアクチュエータ１４の電荷を放出して印加電圧（ａ）をゼロにする（時間ｔ3 ）。上記フルリフト制御時には、印加電圧（ａ）が所定の高電圧に維持されたままとなるために、ノズルニードル１２がフルリフトするまでドレーンポート２１と導通する制御室４の油圧（ｃ）が低下したが、ハーフリフト制御では、印加電圧（ａ）がゼロになると、弁体５２が再びドレーンシート５３に着座し、制御室４の油圧（ｃ）がフルリフト時の最低圧（点線）に至らずに上昇に転ずる。ノズルニードル１２は、その後もしばらくリフトを続けるが上昇速度は遅くフルリフトに達することなく再び下降を始める。
【００３７】
そこで、再び所定の高電圧を印加し、次いで放電することを繰り返すと、弁体５２のリフト（ｂ）がドレーンシート５３に着座している状態と高圧シート５４に着座している状態を交互に繰り返す。これに応じて、制御室４の油圧（ｃ）が上下し、ノズルニードル１２は、ハーフリフト位置を挟む一定範囲での振動を繰り返す。ここでは、時間ｔ2 以降時間ｔ4 までに４回の高電圧印加（（２）〜（５））を一定の間隔で繰り返し行っており、（５）の後、電位がゼロのままになると、ノズルニードル１２がノズルシート１３に着座する位置まで下降して、燃料噴射が終了する（時間ｔ5 ）。この時、ノズルニードル１２はハーフリフト位置から下降するので、燃料噴射終了時間ｔ5 は、フルリフト時の燃料噴射終了時間ｔ6 よりも早くなる。
【００３８】
ここで、ハーフリフト制御する際には、図３のように、ピエゾアクチュエータ１４への初回（１）の高電圧印加の時間幅を、２回目以降（２）〜（５）よりも長くする。これはノズルニードル１２をリフトさせる時、圧力バランスの問題から、既にノズルシート１３からリフトしている場合よりも、ノズルシート１３に着座している状態からリフトさせる方が、大きな圧力降下を制御室４に与えなければならないからである。２回目以降（２）〜（５）は、制御室４の油圧（ｃ）が予め設定されたノズルニードル１２の下降リミットと上昇リミットに対応する圧力の範囲でほぼ推移するように、高電圧印加の時間幅および各回の間隔を設定すればよい。
【００３９】
あるいは、ノズルニードル１２を、所定のハーフリフト位置に保持するために、ノズルニードル１２のリフト量を直接または間接的に検出する手段を設け、その検出結果に基づいて、ノズルニードル１２のリフト量が所定範囲となるように３方弁５の開閉を制御することもできる。例えば、ノズルニードル１２の近傍に公知の容量式または渦電流式のギャップセンサを配置してノズルニードル１２のリフト量を直接検出するようにしたり、制御室４の圧力を検出する公知の圧力センサを設けて、制御室４の圧力からノズルニードル１２のリフト量を間接的に検出することができる。そして、ノズルニードル１２のリフト量が下降リミットを下回りまたは上昇リミットを超えないように、印加電圧（ａ）を制御してノズルニードル１２のリフト位置が一定の範囲内となるようにする。
【００４０】
このようにして、ノズルニードル１２を、所定のハーフリフト位置に制御性よく保持することができる。ハーフリフト制御では、ノズルニードル１２周りの開口面積がフルリフト時より小さく、噴射率（単位時間当たりの噴射量）が低くなるとともに、開閉に要する時間が短いので、少量の燃料噴射を安定して行うことができる。よって、目標とする燃料噴射量もしくは燃料噴射時間が所定値より小さい時に、このハーフリフト制御を行うことで、精度よい噴射量制御が可能である。特に、噴孔数が可変となる図２の噴射ノズル部１０を用い、ハーフリフト時に下側の噴孔１１ａのみが開放されてフルリフト時より噴孔の総開口面積が小さくなるようにすると、より効果的で、所望の噴射量が容易に実現できる。例えば、ディーゼルエンジンの騒音低減には、メイン噴射を行う一定期間前に微量の燃料を噴射するパイロット噴射を行うことが有効であるが、微量の燃料を正確に調量することは容易ではない。また、噴射時期が圧縮の上死点から大きく外れる時には、噴射率が大きいとシリンダ壁に衝突して潤滑油を稀釈してしまうおそれがある。このような時は、本発明のハーフリフト制御が有効で、安定した燃料噴射量制御を行うことにより、内燃機関の燃焼性能を大きく向上できる。また、噴射率を下げることでシリンタ壁面への衝突を防止することができる。
【００４１】
図３の２点破線は、ハーフリフト制御する場合の、ピエゾアクチュエータ１４の印加電圧（ａ）制御の他の例を示すもので（ハーフリフト制御▲２▼）、初回（１）の高電圧印加（例えば１００Ｖ）の後、印加電圧（ａ）を電位ゼロまで降下させず、所定の低い正電圧を維持した後、再び高電圧を印加することを繰り返す。この時、所定の低い正電圧は、ドレーンポート５２に対して弁体５２が開弁を維持するための最低電圧（例えば６０Ｖ）とし、弁体５２のリフト量が、ドレーンシート５３に着座しない程度に小さくなるようにすればよい。これにより、弁体５２のリフト（ｂ）は、高圧シート５４に着座する状態と、ドレーンシート５３に完全に着座せずごく僅かにリフトする状態を交互に繰り返す。なお、制御室４の油圧の立ち上がりは、弁体５２が、上記ハーフリフト制御▲１▼のようにドレーンシート５３に着座しても、本例のようにドレーンシート５３から僅かにリフトしても、その領域では高圧ポート３２からの高圧燃料の流入が支配的であるため、ほとんど変わることはない。
【００４２】
従って、ノズルニードル１２のリフト（ｄ）も、上記ハーフリフト制御▲１▼の場合とほぼ同じになり、同様のハーフリフト制御が可能になる。このような制御が可能であるのは、３方弁５の弁体５２を高圧シート５４に着座させるためのピエゾアクチュエータの印加電圧（フルリフトの要求電圧）から、印加電圧を低くする際に、電圧をゼロまで下げなくとも、ドレーンシート５３にほぼ着座した状態（完全には着座せず僅かにリフトする）となることによる。
【００４３】
図４中、Ａ点はドレーンシート５３から弁体５２がリフトを開始するためのピエゾアクチュエータ１４の変位と発生力を示すもので、弁体５２には弁室５１内の高圧が閉弁方向に作用しているため、このＡ点は最もピエゾアクチュエータ１４への発生力の要求が高く、９０Ｖが必要である。一度、ドレーンシート５３からリフトすると弁室５１内の油圧が開弁方向にも作用するためにピエゾアクチュエータ１４への発生力の要求は減少し、弁体５２がフルリフトして高圧シート５４に着座するＢ点では、Ａ点より僅かに高い電圧１００Ｖが要求される。Ｂ点からリフト量を減少させる場合は、電圧を６０Ｖまで降下させるとドレーンシート５３にほぼ着座するＣ点に達し、制御室４の油圧は弁体５２が完全に着座した場合とほぼ同様に上昇する。
【００４４】
従って、Ｂ点からリフト量を減少させてドレーンシート５３に着座させまたフルリフトさせる動作を繰り返す場合、ドレーンシート５３に完全に着座させる必要はなく、Ｃ点とＢ点の間を往復すればよい。すなわち、１００Ｖから６０Ｖへ、６０Ｖから１００Ｖへと電圧印加を行うことによって同様のハーフリフト制御が達成される。このような制御により、１００Ｖ→０Ｖ→１００Ｖとする時に比べて、必要なエネルギーを６０％低減することができる。よって、より少ないエネルギーでハーフリフト制御を行うことができる。
【００４５】
上記実施の形態では、制御弁として３方弁を用いたが、３方弁の代わりに２方弁を用いる構成としてもよい。また、ノズルニードルの上端部に面して制御室を設けたが、上記ノズルニードルと連携して移動するピストン部材を設けて、このピストン部材に上記制御室を背圧として作用するように構成してももちろんよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料噴射装置の全体構成を示す断面図である。
【図２】噴孔形状の他の例を示す燃料噴射装置の部分断面図である。
【図３】本発明の作動を説明するためのタイムチャートである。
【図４】３方弁の開閉制御における発生力と変位の関係を示す図である。
【符号の説明】
Ｈ  ハウジング
Ｈ  ハウジング
Ｂ１  バルブボディ
１  ピエゾ駆動部
１０  噴射ノズル部
１１  噴孔
１２  ノズルニードル
１３  ノズルシート
１４  ピエゾアクチュエータ
１５  ピエゾピストン
１６  ロッド
１７  大径ピストン
１８  小径ピストン
２  ドレーン通路
２１  ドレーンポート
２２  スピル室
３  高圧通路
３１  燃料溜まり
３２  高圧ポート
４  制御室
５  ３方弁（制御弁）
５１  弁室
５２  弁体
５３  ドレーンシート（弁座）
５４  高圧シート
６  変位拡大室
７  油溜まり室
８  逆止弁
９  ＥＣＵ（制御部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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