(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，前記本体の中空部内を往復動して一端で前記噴孔を開閉し且つ前記噴孔を開く方向に燃料圧を受ける針弁，前記針弁のリフト量を制御するため燃料圧の受圧面となる前記針弁の他端が露呈しているバランスチャンバ，前記バランスチャンバに燃料圧を供給する供給路，前記バランスチャンバ内の燃料圧を解放する排出路，前記排出路を開閉するための開閉弁，及び前記開閉弁を開閉作動するアクチュエータから成り，前記開閉弁は，前記排出路を貫通して前記バランスチャンバ内に延びた弁ステム部及び前記弁ステム部の先端に設けられ且つ閉弁状態で前記排出路の入口側開口部に形成された弁シートに対して接触する弁フェースを有する弁傘から成り，前記アクチュエータは圧電素子から構成され，負荷等のエンジンの運転状態に応じて前記圧電素子への給電の強さを制御することによって燃料噴射率を制御することを特徴とするエンジンの燃料噴射装置。
【請求項２】
前記バランスチャンバは，前記本体の一部を構成するコントロール部材の中空穴と前記針弁の前記他端とによって形成されており，且つ前記排出路は前記コントロール部材に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃料噴射装置。
【請求項３】
前記噴孔を閉じる方向に前記針弁を付勢するための戻しばねが前記バランスチャンバに収容されていることを特徴とする請求項２に記載のエンジンの燃料噴射装置。
【請求項４】
前記戻しばねは皿ばね又はコイルばねであることを特徴とする請求項３に記載のエンジンの燃料噴射装置。
【請求項５】
前記噴孔を備え且つ前記針弁を往復動可能に収容しているノズル本体が，前記コントロール部材に対して結合されて前記本体の一部を構成しており，前記供給路は前記ノズル本体と前記コントロール部材との結合によって生じる当接面間に形成されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のエンジンの燃料噴射装置。
【請求項６】
前記開閉弁は前記弁フェースを凸状のテーパ面としたポペット弁から構成されており，前記凸状のテーパ面は前記開閉弁の閉弁時に前記弁シートの凹状のテーパ面に対して密嵌合することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のエンジンの燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，ディーゼルエンジン或いは直噴式ガソリンエンジン等のエンジンに適用される燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，ディーゼル機関等のエンジンにおいて，燃焼室への燃料の噴射制御を行う燃料噴射装置として，例えば，特開平３−９６５号公報や特開平４−１７１２６６号公報に開示されたものがある。これらの燃料噴射装置は，噴射ノズルの先端に形成された噴孔を開閉する針弁を有しており，噴射ノズル先端側において噴孔を開放する方向に作用する燃料圧を受けて針弁を開く方向に作用する力と，バランスチャンバ内の燃料圧に基づいて針弁を閉じる方向に作用する力とのバランスによって燃料噴射を制御するものである。
【０００３】
特開平４−１７１２６６号公報に開示されている形式の燃料噴射装置は，バランスチャンバ内の燃料圧の解放ために排出路を開閉する弁を，三方弁としたものである。図８及び図９において要部を示すように，この形式の燃料噴射装置における三方弁５４は，バランスチャンバ（図示せず。）に連通する通路５１と，コモンレールを介して燃料供給ポンプと接続した供給路５２と，リザーバに至る排出路５３とをコントロールユニットからの制御信号により電磁的に切り換えて，燃料噴射の開始と終了とを制御している。今，図８に示すように，三方弁５４が供給路５２と通路５１とを連通して排出路５３を閉鎖すると，バランスチャンバ内に高い燃料圧が回復するので，針弁は下降して燃料の噴射を停止している。そして，図９に示すように，三方弁５４が作動し，通路５１を介してバランスチャンバを排出路５３に連通すると同時に供給路５２を閉鎖すると，バランスチャンバ内の高圧燃料が通路５１から排出路５３にリークされてバランスチャンバ内の燃料圧が下がるので，バランスチャンバ内に端面が露呈した針弁がリフトして開いた噴孔から燃料が噴射される。そして，供給路５２の閉鎖によってバランスチャンバへの高圧燃料の流入の防止が図られている。
【０００４】
一方，特開平３−９６５号公報に開示されている形式の燃料噴射装置は，バランスチャンバ内の燃料圧を解放するために排出路を開閉する弁を二方弁としたものである。図１０は，上記の従来の二方弁を用いた圧力バランス型燃料噴射装置における燃料噴射を制御するためのバランスチャンバ付近の要部を示す図である。針弁（図示せず。）に連結されたコントロールピストン６０の上部における燃料噴射装置本体６１（又はプラグ等の当該本体と一体的な部品）内にはバランスチャンバ６２が形成されている。バランスチャンバ６２には，図示しない燃料供給源から燃料を供給する供給路６３が連通しており，その途中に絞り６４が設けられている。バランスチャンバ６２から燃料を排出する排出路６５は，燃料路６６及びオリフィス６７からなり，オリフィス６７は，図示しないコントロールユニットからの制御信号によって動作する電磁弁６８によって開閉制御される。即ち，電磁弁６８によってオリフィス６７を開くと排出路６５から燃料は排出されるが，供給路６３からの燃料の供給は絞り６４によって制限されているので，バランスチャンバ６２内の燃料圧は低下し，コントロールピストン６０即ち針弁がリフトされて燃料の噴射が行われる。一方，電磁弁６８によってオリフィス６７を閉じると，排出路６５からの燃料の排出は停止される。絞り６４を介して供給路６３から燃料が供給されるので，バランスチャンバ６２内の燃料圧は回復し，コントロールピストン６０即ち針弁が下降されて燃料の噴射は停止される。
【０００５】
更に，バランスチャンバ内の燃料圧を解放するための排出路を開閉する弁を，排出路を挿通する弁ステムを有するボール弁とした燃料噴射装置が，特開昭６１−２４４８６４号公報に開示されている。図１１は，かかるボール弁を用いた燃料噴射装置の概略説明図である。この燃料噴射装置においては，バランスチャンバ７０内の燃料圧を解放するための排出路７１の開閉は，排出路７１を挿通する弁ステム７２の先端に設けたボール弁７３によって行われる。この例では，ボール弁７３は，燃料路７６，７７及び排出路７１に対する開閉を開口７８，７９の開閉で行う三方弁としての働きをしている。図１１は，電磁弁のアクチュエータ７４を駆動して弁ステム７２を押し出し，高圧燃料供給源からの燃料路７５から分岐した燃料路７６を閉じている状態を示している。ボール弁７３が燃料路７６の開口７９を閉じているときには，針弁８０の端面が露呈するバランスチャンバ７０は排出路７１と連通する。バランスチャンバ７０内の燃料圧は排出路７１に解放され，受圧面８２で受ける燃料圧は針弁８０をリフトし，燃料が噴孔８１から噴射される。一方，アクチュエータ７４の付勢を解除してボール弁７３が排出路７１の開口７８を閉じているときには，燃料路７６の圧力が燃料路７７からバランスチャンバ７０に至り，針弁８０を押し下げて噴孔８１からの燃料の噴射を停止している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，上記特開平４−１７１２６６号公報に開示されている形式の燃料噴射装置は，排出路を開閉する三方弁がバランスチャンバに連通する供給路を閉鎖しているから，燃費を悪化させることがないようでも，実際には三方弁における摺動間隙から高圧燃料がリークし，二方弁以上に燃費が悪化してしまうことが分かっている。即ち，図８に要部を示すように，電磁弁のソレノイド弁体５６が弁軸５５に対して相対的に下降して，バランスチャンバに連通する通路５１が，解放されたシール部５８を介して供給路５２に連通され，リザーバに至る排出路５３がシール部５７によって通路５１と供給路５２とに対して閉鎖されているとき，或いは，図９に示すように，ソレノイド弁体５６が上昇し，その結果解放されたシール部５７を介してバランスチャンバに連通する通路５１が排出路５３に連通され，供給路５２が弁軸５５との間でシール部５８によって閉鎖されているときにも，供給路５２からの高圧燃料は，ソレノイド弁体５６と燃料噴射装置本体との間の摺動間隙５９からリークすることが分かっている。
【０００７】
また，特開平３−９６５号公報に開示されているような，図１０に示されている形式の燃料噴射装置においては，二方弁としての電磁弁６８によるバランスチャンバ６２からの排出路６５の開閉構造は，バランスチャンバ６２内の燃料を排出路の外側から電磁弁６８で押さえ込む構造であり，電磁弁６８には常に燃料圧が開弁方向に働いている。そのため，燃料を高圧で噴射しようとすると，燃料圧によって電磁弁６８が開弁されてしまうので，燃料非噴射時にも高圧燃料が電磁弁を通ってリークする。燃料がリークすることは，燃料噴射用ポンプの無駄な仕事，即ち，エンジンの燃費を悪化させる要因となることを意味している。
【０００８】
燃料圧による電磁弁の開弁を抑え込むには，電磁弁に具備される戻しばねを強力にする必要があるが，そうすると，ばね力に抗して電磁弁を開くためのアクチュエータ（ソレノイド）を大型化せざるを得ず，その結果，製造コストが上昇するばかりでなく，強力なばね力に抗して電磁弁を駆動するためにアクチュエータのソレノイドへの供給電力が増加し，更に燃料噴射装置自体が大型化する等の問題を生じる。また，電磁弁の弁シート部が排出路の排出開口の周りに形成されているため，弁シート部の面積が小さく，その結果，強力なばね力のため，閉弁時に弁シート部には電磁弁の弁体の衝撃によって高い面圧が作用する。したがって，弁シート部に摩耗が生じ易く，摩耗部分から燃料のリークが生じて，燃料リーク量が増大するという問題もある。
【０００９】
更に，特開昭６１−２４４８６４号公報に開示されているような図１１に示す燃料噴射装置においては，排出路を開閉する弁体がボール弁７３であるため，ボール弁７３が排出路７１を閉じるシール部が線接触となり，シール部に作用する圧力が非常に高い値となる。したがって，シール部に摩耗が生じるのを避けることができず，この摩耗部分を通る燃料のリークが生じる。更に，弁体の作動時にボール弁７３の周囲における燃料の乱流によってボール弁が振動を起こすという暴れ現象が発生し，弁体のリフト量調節ができず，燃料噴射率制御が不可能になるという問題もある。
【００１０】
したがって，従来のエンジンの燃料噴射装置においては，バランスチャンバ内の燃料圧を解放する排出路を開閉する三方弁又は二方弁では，いずれも，これらの弁を通しての燃料のリークを回避することができず，燃料用ポンプに無駄な仕事の負担がかかり，エンジンの燃費が悪化しているという状況にあり，このような状況を背景として，燃料のリークを防止する排出路の開閉弁を得るという技術的な課題が存在している。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は，上記課題を解決することであり，バランスチャンバに供給路を介して供給された燃料圧を，開閉弁で排出路を開くことによって解放し，バランスチャンバに受圧面を露呈させた針弁のリフト量を制御して，針弁のリフト時に噴孔から燃料を噴射するエンジンの燃料噴射装置において，開閉弁の閉弁時にバランスチャンバ内の燃料圧を閉弁力に利用することにより，開閉弁を通しての燃料のリークを防止することができるエンジンの燃料噴射装置を提供することである。
【００１２】
この発明は，燃料を噴射する噴孔を備えた本体，前記本体の中空部内を往復動して一端で前記噴孔を開閉し且つ前記噴孔を開く方向に燃料圧を受ける針弁，前記針弁のリフト量を制御するため燃料圧の受圧面となる前記針弁の他端が露呈しているバランスチャンバ，前記バランスチャンバに燃料圧を供給する供給路，前記バランスチャンバ内の燃料圧を解放する排出路，前記排出路を開閉するための開閉弁，及び前記開閉弁を開閉作動するアクチュエータから成り，前記開閉弁は，前記排出路を貫通して前記バランスチャンバ内に延びた弁ステム部及び前記弁ステム部の先端に設けられ且つ閉弁状態で前記排出路の入口側開口部に形成された弁シートに対して接触する弁フェースを有する弁傘から成り，前記アクチュエータは圧電素子から構成され，負荷等のエンジンの運転状態に応じて前記圧電素子への給電の強さを制御することによって燃料噴射率を制御することを特徴とするエンジンの燃料噴射装置に関する。
【００１３】
この燃料噴射装置は，上記のように構成されているので，開閉弁によって排出路を閉じる場合には，開閉弁の弁傘は，排出路を貫通してバランスチャンバ内に延びている弁ステム部とともに，排出路の出口方向に移動し，ポペット弁の弁フェースは弁シートに対して圧接されて排出路を閉じる。弁フェースの弁シートに対する接触は，面接触である。このとき，バランスチャンバ内の燃料圧は，弁傘に働いて開閉弁を閉鎖するように働き，バランスチャンバ内の燃料圧が高ければ高い程，開閉弁を閉じるように作用する力が大きくなる。したがって，開閉弁を弁シートに対して閉鎖させる力が十分に得られるので，開閉弁を通しての燃料のリークが防止される。しかも，前記アクチュエータは，圧電素子から構成されているので，電圧の印加，解除と歪みの発生，消滅との応答性が良好であり，エンジンが高速回転するのに対応して非常に短くなる燃料噴射サイクルにおいても，燃料噴射の開始と停止とを，応答遅れが少なく且つ素早い動作を得ることができる。
【００１４】
また，弁フェースは弁シートに対して面接触しているので，弁シートに対する面圧を適正な値に設定することができる。したがって，従来の燃料噴射装置において弁シートに対する弁部の圧接が線接触である場合のように弁シートの狭い領域に過剰に高い面圧が作用することによって生じていた弁シートの摩耗を回避することができる。
【００１５】
バランスチャンバを，本体の一部を構成するコントロール部材の中空穴と針弁の前記他端とによって形成し，且つ排出路をコントロール部材に形成することができる。このように構成すると，針弁の駆動を制御するための燃料圧の受入れ及び排出を，コントロールブロックに集中させることができ，燃料噴射装置の部品としての構造及び製造及び組立に関して好都合となる。
【００１６】
更に，噴孔を閉じる方向に針弁を付勢するための戻しばねは，バランスチャンバに収容される。戻しばねは，一側においてコントロール部材の中空穴に係合し，他側において針弁の前記他端に係合することになる。このように構成すると，バランスチャンバ内の容積を戻しばねのために利用することができ，燃料噴射装置のコンパクト化に寄与することができる。また，戻しばねの形態は，皿ばね又はコイルばねとすることができる。
【００１７】
噴孔を備え且つ針弁を往復動可能に収容している部分をノズル本体とし，コントロール部材に対して結合すると，コントロール部材とノズル本体とは，共に本体の一部として構成される。コントロール部材とノズル本体との結合によって生じる互いの当接面間において，例えばコントロール部材側の当接面に燃料路と前記中空穴に繋がる溝等を切削等の手段で形成しておけば，燃料噴射装置の本体を組み立てる時に，接合面の相手側を利用して供給路を形成することができる。
【００１８】
開閉弁は，弁フェースを凸状のテーパ面としたポペット弁から構成し，開閉弁の閉弁時に前記凸状のテーパ面を弁シートの凹状のテーパ面に対して密嵌合するように構成すると，弁フェースのテーパ状の凸面が弁シートのテーパ状の凹面に案内されて密嵌合して座着するので，開閉弁の作動が安定し，確実に閉弁させることができる。開閉弁の開閉動作時に燃料の乱流流れが生じても，このような弁部の案内作用によりスムーズで速やかな弁作動を得ることができる。また，開閉弁は，閉弁状態ではテーパ面の嵌合であるので，弁フェースと弁シートの間に必要な密着面積と接触圧力とが設定でき，十分なシールを得ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下，添付図面を参照しつつ，この発明の実施例を説明する。図１はこの発明によるエンジンの燃料噴射装置の一実施例を示す全体断面図，図２はその要部拡大断面図，図３はこの発明によるエンジンの燃料噴射装置の別の実施例であってその要部を拡大した図２と同様の拡大断面図，図４は図３に示す実施例において開閉弁が開いた状態を示す図，図５はこの発明による燃料噴射装置における燃料噴射期間中の時間と燃料噴射率との関係を示すグラフ，図６はコモンレール圧力と静的リーク量との関係を表すグラフ，図７は燃料噴射に必要なコモンレール圧力をパラメータとしたエンジン回転数と負荷との関係を表すグラフである。
【００２０】
この燃料噴射装置は，コモンレール噴射システム，或いはアキュムレータ噴射システム（図示せず。）に適用される。燃料噴射ポンプから燃料が供給される共通の通路や蓄圧室（以下，「コモンレール」という。）を通じて供給された燃料は，エンジンに設けた各燃焼室に噴射される。先ず，図１を参照すると，この燃料噴射装置における本体１はシリンダヘッド等のベースに設けた穴部（図示せず。）にシール部材を介して密封状態に取り付けられる。本体１の下端には，ノズルが密封状態に形成されている。
【００２１】
本体１の上方肩部には燃料入口部２が形成されており，本体１の中央本体３には軸心に沿って中空部４が形成されている。また，中空部４には，後述する排出路の開閉を行う開閉弁５が配置されており，開閉弁５は，中央本体３の上部に位置するアクチュエータ６によって駆動される。アクチュエータ６は圧電素子７から構成されており，圧電素子７は固定キャップ８を中央本体３にねじ込むことにより本体１内に収納されている。圧電素子７は，コントロールユニット９からの制御信号を受けて作動し，開閉弁５を開く方向に駆動する。アクチュエータ６の出力軸１０は，圧電素子７から中空部４に延びており，且つ中央本体３に縮径して形成されたガイド部１１と，ガイド部１１よりもノズル先端側において中空部４に設けられたガイド片１２とに対して，摺動可能に案内されている。出力軸１０は，アクチュエータ６の圧電素子７の作動により，高速で軸方向の往復動を繰り返すことができる。
【００２２】
コントロール部材１３は中央部分３とノズル本体１４との間に挟み付けられるように配置されており，ノズル本体１４に係合する固定キャップ１５を中央部分３のねじ部にねじ込むことにより，コントロール部材１３とノズル本体１４は，ともに中央部分３に対して結合されて本体１の一部を構成している。ノズル本体１４には中空穴１６が形成されており，針弁１７が，中空穴１６内に隙間１８を残す状態で摺動可能に挿通されていて，針弁１７の回りに形成される隙間１８は高圧燃料の通路を形成している。ノズル本体１４の先端には燃料を内燃機関の燃焼室に噴射する噴孔１９が形成されている。針弁１７の先端はテーパ面となっており，針弁１７が軸方向に移動することにより，ノズル本体１４の中空穴１６の先端に形成されたテーパ面２０と座着又は離間して，噴孔１９から燃料の噴射のための燃料の流れを遮断又は許容する。また，針弁１７の中段に形成されたテーパ面２１は，針弁１７が噴孔１９を開く方向に燃料圧を受ける受圧部を形成している。針弁１７がリフトしてテーパ面２０から離間すると，高圧燃料は噴孔１９から燃焼室に噴射され，針弁１７が下降してテーパ面２０と当接すると燃料の流れを遮断して噴射を停止させる。
【００２３】
高圧燃料供給源であるコモンレール（図示せず。）から燃料入口部２に供給された燃料は，本体１に形成された燃料路２２からコントロール部材１３に形成された燃料路２３を経て，更にノズル本体１４に形成された燃料路２４を経て，受圧部としてのテーパ面２１が露呈された燃料溜まり２５に至る。燃料溜まり２５に至った燃料は，針弁１７の回りに形成される隙間１８を経て，針弁１７が開弁したときに噴孔１９から噴射される。
【００２４】
また，図２の拡大図にも示されているように，コントロール部材１３には，中心軸からオフセットした位置において，本体１側に形成されたピン穴２６とコントロール部材１３側に設けられたピン穴２７との間にピン２８が嵌入しており，コントロール部材１３が中央本体３に対して位置ずれを生じるのを防止している。また，コントロール部材１３にはノズル本体１４側に開いた中空穴２９が形成されている。中空穴２９には，燃料圧を受ける受圧面３１として後述の針弁１７の端部が露呈しており，中空穴２９と受圧面３１とでバランスチャンバ３０が形成されている。コントロール部材１３のノズル本体１４側の端面３７ａにおいて，燃料路２３に連通し且つ径方向中心側に伸びる燃料の供給路３２が形成されている。供給路３２はバランスチャンバ３０に連通しており，バランスチャンバ３０内に高圧の燃料圧を供給する。更に，コントロール部材１３の中央位置には，軸線方向に貫通する排出路３３が形成されており，排出路３３は，一端でバランスチャンバ３０に開口し，他端で中央本体３の中空部４に開口している。
【００２５】
開閉弁５は，アクチュエータ６の出力軸１０と一体的に連結された弁ステム３４と，開閉弁５を閉じる方向に弁ステム３４を付勢する戻しばね３５とを具備している。弁ステム３４は，この発明の弁ステム部を構成している。戻しばね３５の一端は弁ステム３４に係止されたばね受け３６に係合しており，戻しばね３５の他端はコントロール部材１３の上端面３７に係合している。戻しばね３５は，圧縮状態で介装されているので，常に弁ステム３４に対して上方に付勢する力を与えている。
【００２６】
弁ステム３４は，コントロール部材１３に形成されている排出路３３を僅かな間隙を残して挿通し，且つバランスチャンバ３０内に延びている。弁ステム３４の端部には排出路３３を開閉可能な弁傘３８が設けられている。図４に示す燃料噴射装置の要部の構造は，針弁１７を燃料噴射を停止する側に付勢する手段としてのばねの形態が相違する以外は，図２に示す燃料噴射装置の要部と同じであるので，開閉弁５の詳細を図４に基づいて説明する。弁傘３８は，円錐状からなるテーパ面である弁フェース３９を有している。弁フェース３９は，排出路３３のバランスチャンバ３０側の開口に形成された円錐状の凹面をなす弁シート４０に対して，丁度嵌まり合う形状を有している。圧電素子７が非駆動時には，開閉弁５は戻しばね３５が与えるばね力によって閉じる状態となり，この状態では，弁傘３８の弁フェース３９は，弁シート４０に対して面接触状態に座着して排出路３３を閉じている。圧電素子７に電流が供給されて駆動状態となると，開閉弁５の弁ステム３４は戻しばね３５のばね力に打ち勝って図において下方に押し下げられる。このとき，弁傘３８の弁フェース３９は弁シート４０から離れて排出路３３のバランスチャンバ３０側の開口を開くので，矢印で示す若干の燃料の流れがあり，バランスチャンバ３０内の燃料圧は排出路３３と弁ステム３４との間隙を通って中空部４に解放される。
【００２７】
中空穴２９の段部４１と針弁１７の軸端４４に取り付けられたばね受け４２との間には，リターンスプリングとしての皿ばね４３が圧縮状態で介装されている。皿ばね４３は，針弁１７に対して噴孔１９を通る燃料の流れを遮断する閉鎖方向に付勢している。供給路３２からの燃料圧がバランスチャンバ３０に達するように，ばね受け４２と皿ばね４３とには適宜の孔（図示せず。）が穿設されている。バランスチャンバ３０内の燃料圧が針弁１７の受圧面３１に作用することに基づく力は，受圧面である針弁１７のテーパ面２１に作用する燃料圧及び針弁１７に作用する皿ばね４３の戻し力とのバランスによって弁体のリフトを制御する。コントロール部材１３にばね受け４２を収容するように形成された段部４７には，針弁１７の弁閉鎖状態から針弁１７の開放状態に至る距離Ｈが設けられている。したがって，針弁１７は距離Ｈの範囲で弁の開閉方向に移動可能である。
【００２８】
開閉弁５による排出路３３の開放の際，弁傘３８の弁フェース３９が弁シート４０から離れることによる有効開口面積は，開放弁５の殆どの作動範囲において，排出路３３と弁ステム３４との間の間隙の通路断面積よりも小さくなるように設定されているので，開閉弁５の開度がバランスチャンバ３０内の燃料圧の低下の程度を定めることになる。
【００２９】
この実施例は，上記のように構成されており，次のように作動する。今，圧電素子７が駆動されていないときは，図２に示すように戻しばね３５はばね受け３６を介して弁ステム３４を図において上方に付勢しており，弁傘３８の弁フェース３９は弁シート４０に当接しているので，開放弁５は排出路３３を閉じている。この状態でコモンレールからの高圧燃料は燃料入口部２から燃料路２２，２３及び２４を通じて燃料溜まり２５に供給されている。燃料溜まり２５に供給された燃料は，針弁１７のテーパ面２１に作用して針弁１７をリフトする方向に付勢している。燃料は針弁１７の外周のノズル本体１４との間に形成される隙間１８にも至り，隙間１８は高圧燃料で満たされている。また，供給路３２を通じて燃料圧がバランスチャンバ３０内に供給されており，燃料圧は針弁１７の受圧面３１に作用している。このとき，受圧面３１に作用する燃料圧に基づいて針弁１７を閉じる側に付勢する力と皿ばね４３の戻し力との合力は，受圧面であるテーパ面２１に作用する燃料圧に基づいて針弁１７を開く方向に作用する力を上回っているので，針弁１７は閉じて噴孔１９からの燃料の噴射を停止している。
【００３０】
そこで，コントロールユニット９からの制御により圧電素子７を駆動すると，弁ステム３４は戻しばね３５の圧縮ばね力に抗して図において下方に付勢されて，弁傘３８の弁フェース３９が弁シート４０から離れるので，開放弁５は排出路３３を開放することになる。供給路３２は絞りとして機能しており，供給路３２を流れる燃料よりも排出路３３から流れ出る燃料の方が多いので，排出路３３が開放されると，バランスチャンバ３０内の燃料圧が中空部４に解放される。バランスチャンバ３０内の燃料圧が解放されると，テーパ面２１に作用する燃料圧に基づいて針弁１７を開く方向に付勢する力が，針弁１７の上面即ち受圧面３１に作用する燃料圧に基づいて針弁１７を閉じる方向に付勢する力と皿ばね４３による戻し力との合力に打ち勝つので，針弁１７がリフトされ，噴孔１９から燃焼室への燃料噴射が行われる。開閉弁５が開く排出路３３の有効開口面積は，燃料圧のバランスチャンバ３０以降の排出経路中の他のどの通路断面積よりも小であるので，開閉弁５の開口度がバランスチャンバ３０内の燃料圧の大きさを定めている。
【００３１】
コントロールユニット９から圧電素子７への電流の供給が絶たれると，戻しばね３５が弁ステム３４を引き上げるので，開閉弁４は閉じられる。バランスチャンバ３０内の燃料圧は供給路３２からの供給により回復し，針弁１７は燃料の噴射を停止する。回復した燃料圧は，弁傘３８に作用して，戻しばね３５の作用に加えて弁フェース３９を弁シート４０に押し当てる方向に付勢する。したがって，バランスチャンバ３０内の燃料圧が高ければ高いほど開閉弁５の閉弁力が大きくなり，開閉弁５を通っての燃料のリークを阻止することができる。
【００３２】
図３及び図４に示す実施例は，開閉弁５の閉鎖方向に作用する戻しばねとして，皿ばねの代わりにコイルばね４６とした例である。図３に示す実施例においては，図２に示した実施例における構成要素と同一の要素には同じ符号を付してあるので，再度の詳細な説明を省略する。図３に示す実施例では，コイルばね４６は，一端がばね受け４２に当接し且つ他端が中空穴２９の上底面に当接した状態で，バランスチャンバ３０に圧縮状態で収容されている。戻しばね機能としては，コイルばね４６は皿ばね４３と変わるところがない。コイルばね４６の係止用に中空穴２９の上底面をそのまま利用できるので，図１及び図２に示した実施例における皿ばね４３のように，中空穴２９に皿ばね４３を係止するための段部４１を形成する必要がないという利点がある。
【００３３】
図５には公知の噴射率計を用いて計測した燃料噴射サイクルにおける燃料噴射率が示されている。曲線ｆ1 は，圧電素子７に供給する電圧を高い電圧としたときの燃料噴射サイクルにおける針弁１７の燃料噴射率の変化を示しており，燃料噴射率は給電とともに急速に上昇していることが分かる。一方，圧電素子７に供給する電圧を低い電圧としたときは，曲線ｆ2 に示すように，燃料噴射率は圧電素子７への給電とともに緩やかに上昇していることが分かる。なお，曲線ｆ2 の場合に特に示すが，圧電素子７への給電を短時間で停止すると，曲線ｆ3 に示すように低噴射率のままで燃料噴射を停止することができる。即ち，負荷等のエンジンの運転状態に応じて圧電素子７への給電の時期，間隔，強さ等を制御することで，燃料噴射率を容易に制御することができる。
【００３４】
図６には，この発明による燃料噴射装置におけるコモンレール圧力が変化するときに静的な燃料のリーク量が，バランスチャンバから燃料圧を解放する他の方式の開閉弁の場合との比較とともに示されている。バランスチャンバからの燃料圧を解放するための制御弁として二方弁を用いる形式の燃料噴射装置の場合は曲線ｇ2 に，三方弁を用いる形式の燃料噴射装置の場合は曲線ｇ3 に示されているように，コモンレール圧力が高くなるほど静的な燃料のリーク量が増大しているが，この発明による燃料噴射装置によれば，開閉弁５の閉弁時にはバランスチャンバ３０内の燃料圧が閉弁力となる方向に作用するので，高圧時にも排出路３３から燃料はリークせず，線ｇ1 に示すように，コモンレール圧力が２００ＭＰａに至るまで静的燃料リーク量がゼロに抑えることができることが分かった。
【００３５】
この発明による燃料噴射装置によれば，バランスチャンバ３０内の圧力は開閉弁５を閉弁方向に作用しているから，高圧噴射を行う場合には，開閉弁５を開くときに作動するアクチュエータ６の消費動力（圧電素子の場合には消費電力）が大きくなるが，燃料の高圧噴射が要求されるようなエンジンの運転状況とは，図７において（Ｃ）や（Ｄ）の場合に示されるように，エンジンが高回転数且つ高負荷で運転される場合である。そのような運転領域ではエンジンが発電する発電量も大きく，バッテリー寿命を縮めることにはならない。
【００３６】
【発明の効果】
この発明によるエンジンの燃料噴射装置は，上記のように構成されているので，バランスチャンバ内の燃料圧が高ければ高いほど強く開閉弁を閉じる閉弁力として利用され，その結果，開閉弁通しての燃料のリークを回避することができ，燃料用ポンプに無駄な仕事の負担をかけることがなくなり，エンジンの燃費を向上することができる。しかも，この燃料噴射装置は，開閉弁作動用のアクチュエータが圧電素子から構成されているので，周期が非常に短い燃料噴射サイクルにおいても，燃料噴射の開始と停止とを，応答遅れが少なく且つ素早い動作を得ることができる。そして，開閉弁によって開口する排出開口の開口有効面積は，排出路の最小通路断面積よりも小であるので，開閉弁の開度によって，バランスチャンバから解放される燃料圧の大きさを変えることができ，圧電素子に供給する電流の時期，期間及び大きさを変えることにより，開閉弁の作動態様が変更できるので，エンジンの運転状況に応じて針弁のリフト速度を変えて，様々な噴射率特性，特に初期噴射率特性を安定的に得ることができ，エンジンからのＮＯX の発生量や騒音レベルを低減することができる。
【００３７】
また，ポペット弁の弁フェースの弁シートに対する接触は面接触であるので，面圧を適正な値に設定することができ，弁シートの摩耗を回避することができる。開閉弁をポペット弁とし，弁シートをポペット弁の弁傘が当接するテーパ状凹面から構成すると，開閉弁は，燃料の乱流流れが生じても，テーパ面同士の嵌合により安定して速やかに作動するとともに，閉弁状態では弁フェースと弁シートの間に十分なシールを得て，燃料のリークを防止することができる。
【００３８】
また，バランスチャンバをコントロール部材の中空穴内に形成し且つ前記排出路を前記コントロール部材に形成すると，針弁の駆動を制御するための燃料圧の受入れ及び排出をコントロールブロックに集中させることができ，燃料噴射装置の部品としての構造及び製造及び組立に関して好都合となる。そして，供給路をコントロール部材と本体の一部を構成するノズル本体との当接面に形成すると，接合面の相手側を利用して供給路を形成することができ，加工性が向上する。更に，前記噴孔を閉じる方向に前記針弁を付勢するための戻しばねは前記バランスチャンバ内の空間を利用して収容されるので，燃料噴射装置をコンパクトにすることができる。このような構造を採用することにより，燃料噴射装置としての製造コストの低減に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明によるエンジンの燃料噴射装置の一実施例を示す断面図である。
【図２】  図１に示す燃料噴射装置の要部拡大断面図である。
【図３】  この発明によるエンジンの燃料噴射装置の別の実施例における要部拡大断面図である。
【図４】  図３に示す燃料噴射装置における開閉弁の開状態を示す図である。
【図５】  燃料噴射サイクルにおける針弁のリフト量を表すグラフである。
【図６】  コモンレール圧力に対する静的燃料リーク量を示すグラフである。
【図７】  エンジン回転数とエンジン負荷とで定まる領域に必要な燃料噴射圧力を示すグラフである。
【図８】  従来の燃料噴射装置の一作動状態を示す要部拡大図である。
【図９】  図８に示す燃料噴射装置の別の作動状態を示す要部拡大図である。
【図１０】  別の従来の燃料噴射装置の要部拡大図である。
【図１１】  更に別の従来の燃料噴射装置の概略説明図である。
【符号の説明】
１      本体
３      中央本体
４      中空部
５      開閉弁
６      アクチュエータ
７      圧電素子
１３    コントロール部材
１４    ノズル本体
１６    中空穴
１７    針弁
１９    噴孔
２０    テーパ面
２１    テーパ面
２９    中空穴
３０    バランスチャンバ
３１    受圧面
３２    供給路
３３    排出路
３４    弁ステム
３５    戻しばね
３６    ばね受け
３８    弁傘
３９    弁フェース
４０    弁シート
４３    皿ばね
４６    コイルばね
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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