JP2005291092A - コモンレール式燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 主噴射およびパイロット噴射のいずれにも適した噴射パターンで燃料を噴射するコモンレール式燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】 本発明の燃料噴射装置は、高圧燃料を保持するコモンレールから燃料が供給されると共に機関燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備する。燃料噴射弁は、コモンレールから供給される燃料の圧力が一定である場合に、噴射率が燃料噴射開始から第一上昇率で上昇（ａ）した後に降下（ｂ）し、その後零になる前に第一上昇率よりも低い第二上昇率で上昇（ｃ）するような噴射パターンで燃料を噴射する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、コモンレール式燃料噴射装置に関する。

従来から、燃料の噴射を燃料の加圧・圧送に依存させないことで噴射制御の自由度を高めることを目的として、コモンレールに蓄圧した高圧燃料を機関燃焼室に噴射供給するコモンレール式燃料噴射装置が知られている。コモンレール式燃料噴射装置の多くは、１サイクルにおいて、圧縮上死点付近で主噴射（メイン噴射）を行う他、この主噴射よりも先に副噴射（例えば、パイロット噴射）を行い、主噴射によって噴射される燃料を安定して燃焼させるようにしている。

コモンレール式燃料噴射装置では、使用されるインジェクタによってインジェクタからの燃料の噴射特性が異なる。このような噴射特性の一つにインジェクタからの燃料の噴射率の推移（噴射パターン）が挙げられる。主噴射については、噴射開始直後から噴射率が高いと燃焼室内で燃料が一気に燃え広がり、よって燃焼騒音が大きくなってしまい、また、窒素酸化物（ＮＯ_X）が発生し易い。このため、主噴射については、燃焼騒音低減およびＮＯ_X発生の抑制の観点から、噴射開始から噴射率が徐々に上昇していくのが好ましい。

このように、噴射開始から噴射率が徐々に上昇していくようにしているコモンレール式燃料噴射装置が特許文献１に開示されている。特許文献１のコモンレール式燃料噴射装置では、ニードルが所定変位量だけ開弁方向に上昇してからは、ニードルと一体的なピストンが受けるニードル閉弁方向の圧力の降下速度を低下させ、これによりニードルの開弁方向への変位速度を低く抑え、その結果、噴射開始から噴射率が徐々に上昇していくようにしている。

特開平１１−１７３２３４号公報 特開２００１−２４８４８３号公報 特開２００３−２６２１５２号公報 特開平５−７１４３８号公報 特開平６−２４１１３６号公報

ところが、パイロット噴射においては、スモーク発生低減の観点から、噴射開始直後の噴射率が高い方が好ましい。すなわち、噴射率が高いほどインジェクタから遠くに、すなわちシリンダボア外周近傍に燃料を飛散させることができる。パイロット噴射された燃料は主噴射における着火源となるため、主噴射の燃料はシリンダボア外周近傍で着火する。このため、燃焼室内を広く使って燃焼が行われるため、スモークが発生しにくい。

したがって、主噴射に関しては、燃焼騒音低減、ＮＯ_X発生抑制の観点から噴射開始から噴射率が徐々に上昇していくのが好ましく、一方、パイロット噴射に関しては、噴射開始直後の噴射率が高いことが好ましい。特許文献１に記載の燃料噴射装置では、使用しているインジェクタの噴射開始直後の噴射率が低いため、同一のインジェクタを用いて主噴射とパイロット噴射とを行おうとすると、パイロット噴射を最適に行うことができない。すなわち、特許文献１に記載の燃料噴射装置における燃料の噴射パターンは、主噴射には適しているがパイロット噴射には適しておらず、その結果燃焼騒音低減やＮＯ_X発生抑制等の効果は低いものとなっていた。

そこで、本発明の目的は、主噴射およびパイロット噴射のいずれにも適した噴射パターンで燃料を噴射するコモンレール式燃料噴射装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、高圧燃料を保持するコモンレールから燃料が供給されると共に機関燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、上記燃料噴射弁は、コモンレールから供給される燃料の圧力が一定である場合に、噴射率が燃料噴射開始から第一上昇率で上昇した後に降下し、その後零になる前に第一上昇率よりも低い第二上昇率で上昇するような噴射パターンで燃料を噴射する。
第１の発明によれば、噴射率がまず燃料噴射開始から比較的高い第一上昇率で上昇するため、噴射開始直後の噴射率を比較的高いものとすることができる。その後、噴射率は降下してから比較的低い第二上昇率で上昇するため、噴射開始直後に一時的に高い噴射率となるものの噴射パターン全体としては噴射開始から噴射率が徐々に上昇していくことになる。すなわち、第１の発明の燃料噴射装置では、噴射開始直後の噴射率を比較的高いものとしつつ、噴射開始から噴射率が徐々に上昇していくような噴射パターンで燃料が噴射される。

第２の発明では、第１の発明において、上記燃料噴射弁は、燃焼室内に燃料を噴射する噴孔を先端に有するノズルと、該噴孔を開閉するニードルと、上記コモンレールから燃料が供給される圧力制御室とを有し、上記ニードルの開閉は上記圧力制御室内の燃料圧力によって制御され、該圧力制御室内の燃料圧力はアクチュエータによって作動される制御弁を開閉することによって調整せしめられ、該制御弁を開くだけで上記噴射パターンの噴射が実行されるように燃料の噴射を制御する噴射制御手段を更に具備する。
第２の発明では、制御弁を開くだけで上記第１の発明の噴射パターンの噴射が実行される。したがって、上記噴射パターンを実現するために必要なアクチュエータは制御弁用のもののみである。また、制御弁の作動に用いられるアクチュエータは、制御弁の開閉のみを行うことができればよく、すなわち全開と全閉との間のオンオフさえ行うことができればよいため、アクチュエータ自体にも高い性能が要求されない。したがって、第２の発明によれば、非常に低いコストで上記噴射パターンの噴射を実現することができる。

第３の発明では、第２の発明において、上記ノズルの内面とニードルの外面との間に燃料流路が形成され、上記噴射制御手段は、上記燃料流路上に上記ニードルのリフトに伴って開口面積が変化し且つ該ニードルがリフトしていない時でも開口している絞りを具備し、上記燃料流路は、該絞りよりもノズル後端側において上記コモンレールに接続され、且つ上記絞りよりもノズル先端側に、上記第二上昇率で噴射率が上昇する前に噴射すべき目標燃料量に応じた体積の燃料保持空間を具備する。
第３の発明によれば、噴射制御手段として、燃料流路上に絞りおよび燃料保持空間を設ければよいだけであるため、非常に容易に噴射制御手段を形成することができる。

第４の発明では、第２の発明において、上記噴射制御手段は上記圧力制御室であり、該圧力制御室はピストンによって上記ニードルに隣接する第一圧力制御室と該ニードルから離間された第二圧力制御室とに分けられ、上記第一圧力制御室および第二圧力制御室は、上記制御弁を開弁したときにこれら圧力制御室内の燃料圧力が低下すると共に上記第一圧力制御室内の燃料圧力の低下速度が第二圧力制御室内の燃料圧力の低下速度よりも速く、これにより上記ニードルと上記ピストンとが互いに向かって移動して当接して一体となるように形成され、この当接により上記ニードルが受ける閉弁方向の力の少なくとも一部が上記第一圧力制御室内の燃料によってニードルが受ける力から上記第二圧力制御室内の燃料によってピストンが受ける力へと変更されると共にこの変更により上記ニードルが受ける閉弁方向の力が大きくなり、ニードルが受ける閉弁方向の力の大きさとニードルが受ける開弁方向の力の大きさとが反転する。

第５の発明では、第１〜第４のいずれか一つの発明において、圧縮上死点付近で行われる主噴射の前に行われると共に該主噴射における噴射量よりも噴射量が少ない副噴射では、上記第二上昇率で噴射率が上昇する前に燃料噴射弁からの燃料の噴射を中止する。
副噴射では、主に比較的高い第一上昇率で噴射率が上昇する間の噴射率で燃料が噴射されることになる。このため、高い噴射率で短期間に副噴射を行うことができる。

本発明によれば、噴射開始直後の噴射率を比較的高いものとしながらも噴射開始から噴射率が徐々に上昇していくような噴射パターンで燃料が噴射される。このため、噴射開始直後から噴射率が高いのが好ましい噴射（例えば副噴射）と、噴射開始から噴射率が徐々に上昇していくのが好ましい噴射（例えば主副射）とのいずれの噴射にも適した噴射パターンが実現される。

以下、図１〜図３を参照して本発明の第一実施形態のコモンレール式燃料噴射装置について説明する。図１は、第一実施形態の燃料噴射装置の概略断面図であり、図２は、第一実施形態の燃料噴射装置の作動工程を示す図であり、図３はニードルのリフト開始からの噴射率およびリフト量の時間推移を表す図である。

本実施形態の燃料噴射装置は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）によって制御される高圧ポンプと、この高圧ポンプから高圧燃料が供給されるコモンレールと、コモンレールから高圧燃料が供給され且つ機関燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁（以下、「インジェクタ」と称す）１とを備える。高圧ポンプは、燃料タンクから燃料を汲み上げるフィードポンプと、このフィードポンプによって汲み上げた燃料を高圧にしてコモンレールに吐出するサプライポンプとから構成される。また、コモンレールは、比較的高い圧力（例えば、８０ＭＰａ〜１４０ＭＰａ）の高圧燃料を蓄える。

インジェクタ１は、図１に示したように、筒状のノズルボディ２と、このノズルボディ２と同軸に配置されたニードル３と、ニードル３のリフトを制御する制御弁４とを具備する。ノズルボディ２は、その内部に中空空間を有し、この中空空間内にニードル３が収容される。ニードル３の外周面とノズルボディ２の内面との間には、インジェクタ１から噴射すべき燃料が流れる燃料流路５が形成される。この燃料流路５は、コモンレールに通じる燃料供給通路６と連通していると共にノズルボディ２の先端部７に設けられた複数の噴孔８と連通する。なお、本明細書においては、図１の下側、すなわちノズルボディ２に噴孔８が設けられている側を先端側、図１の上側、すなわち先端側とは反対側を後端側として説明する。

ニードル３はその軸線方向に摺動可能であり、これにより噴孔８が開閉される。ニードル３が後端側へ摺動（リフト）せしめられると噴孔８と燃料流路５とが通じ、噴孔８から燃料が噴射せしめられる。一方、ニードル３が後端側へ摺動しておらず（リフトしておらず）、ニードル３の先端部がノズルボディ２の先端部７の内壁面に形成されたシート上に載置されている場合には噴孔８は閉じられており、噴孔８からの燃料の噴射が停止せしめられる。

ニードル３の後端側には、ニードル３の後端面とノズルボディ２の内面との間に制御室９が画成される。この制御室９内にはニードル３の後端面とノズルボディ２との間にバネ１０が配置され、このバネ１０はニードル３をノズルボディ２の先端部７に向かって付勢する。したがって、ニードル３は、制御室９内の燃料圧力が燃料流路５内の燃料圧力と同一であるかそれよりも高い場合、すなわち制御室９内の燃料圧力によりニードル３が受ける先端向きの力（ニードル３が受ける閉弁方向の力）が燃料流路５内の燃料圧力によりニードル３が受ける後端向きの力（ニードル３が受ける開弁方向の力）と同一であるかまたはそれよりも大きい場合、バネ１０の付勢力によりニードル３は噴孔８を閉じる。

逆に、制御室９内の燃料圧力によりニードル３が受ける先端向きの力とバネの付勢力とを合わせた力が、燃料流路５内の燃料圧力によりニードル３が受ける後端向きの力よりも小さくなると、ニードル３はリフトし始め、噴孔８が開かれ、よって噴孔８から燃料が噴射せしめられる。

制御室９は、オリフィス１１を介してコモンレールに通じる燃料供給通路６と連通しており、また制御弁４を介して排出通路１２と連通している。排出通路１２は、燃料を燃料タンクへ戻すリターン通路へと連通している。このため、制御弁４が閉弁せしめられると制御室９には燃料供給通路６およびオリフィス１１を介して燃料が供給され、制御室９内の燃料圧力はコモンレールにおける高い燃料圧力とほぼ同一の圧力にまで上昇せしめられる。

一方、制御弁４が開弁せしめられると制御室９内の燃料が排出通路１２を介して排出される。燃料供給通路６と制御室９との間にはオリフィス１１が設けられているため、制御弁４が開弁している場合、燃料供給通路６から制御室９に流入する燃料の流量は制御室９から排出通路１２へと流出する燃料の流量よりも少ない。したがって、制御室９内の燃料圧力は徐々に低下し、やがてニードル３がリフトせしめられる。

なお、制御弁４はＥＣＵによって制御されるアクチュエータ１３によって開閉せしめられる。本実施形態では、アクチュエータ１３としてピエゾ素子を用いているが、ソレノイド等ほかの開閉手段を用いてもよい。

ところで、本実施形態のインジェクタ１では、ニードル３はその軸線方向中央部に、ニードル３の全周に亘って径方向に突出する外側突出部２０を具備する。外側突出部２０の先端側表面２１は円錐状である。同様に、ノズルボディ２の内面も部分的に内側に向かって突出した内側突出部２２を具備し、内側突出部２２の後端側表面２３は円錐状であって上記外側突出部２０の先端側表面２１と対面するように配置される。これら外側突出部２０と内側突出部２２とは、ニードル３がリフトされていない場合に、その表面２１、２３間が僅かに離間されるように相補的な形状となっている。そしてこれら突出部２０、２２の表面２１、２３間の距離はニードルのリフト量に応じて変わる。したがって、これら突出部２０、２２間にはニードル３のリフト量に応じて開口面積が変化する燃料流路５の絞り２４が形成される。そしてこの絞り２４の開口面積は、ニードル３のリフト量が零である場合には突出部２０、２２の表面２１、２３間の距離が短いため非常に小さいものとなり、ニードル３のリフト量が最大である場合には突出部２０、２２の表面２１、２３間の距離が長いため大きいものとなる。

燃料流路５は、絞り２４よりも先端側に位置する先端側流路（燃料保持空間）２５と、絞り２４よりも後端側に位置する後端側流路２６との二つの流路に分けられる。後端側流路２６は燃料供給通路６と連通しており、したがって後端側流路２６には常にコモンレール内の高圧燃料が流入する。一方、先端側流路２５は噴孔８と連通しており、したがってニードル３がリフトされると先端側流路２５内の燃料が噴孔８から噴射せしめられる。

図２および図３を参照して、本実施形態のインジェクタを用いた場合におけるニードル３のリフトに伴うインジェクタからの燃料噴射率の推移、すなわち本実施形態のインジェクタの噴射パターンについて説明する。まず、ニードル３のリフト量が零である場合、図２（ａ）に示したように、突出部２０、２２の表面２１、２３間には僅かに隙間が開いており、絞り２４の開口面積は非常に小さいながらも零ではない。このため、高圧燃料が供給される後端側流路２６から先端側流路２５内へと燃料が流れ、よって先端側流路２５内の燃料圧力は高いものとなっている。

次に、図２（ｂ）に示したように、制御弁４を開弁することでニードル３がリフトを開始してニードル３が僅かにリフトすると、それに伴ってニードル３の外側突出部２０が後端側に移動するため、突出部２０、２２同士も僅かに離間せしめられる。この場合、ニードル３のリフト量が零である場合に比べて絞り２４の開口面積は大きくなっているものの、それでもなお比較的小さいままである。したがって、後端側流路２６から先端側流路２５へと流れる燃料の流量は制限される。一方、この場合、ニードル３がリフトすることにより先端側流路２５から噴孔８を介して燃料が噴射せしめられる。このとき、先端側流路２５内の燃料圧力は高いものとなっているため、この高圧燃料が噴孔８を介して噴射される。したがって、ニードル３のリフト開始時、すなわち噴射開始時において噴孔８から噴射される燃料の噴射率は図３の期間ａに示したように急激に上昇する。

しかし、ニードル３のリフト量が小さいときは、絞り２４の開口面積が小さいことにより後端側流路２６から先端側流路２５へと流れる燃料の流量が制限されているため、先端側流路２５から噴孔８を介して噴射される燃料流量に比べて後端側流路２６から先端側流路２５へと流れる燃料流量の方が少ない。よって、先端側流路２５内の燃料圧力は噴射開始から徐々に低下する。これに伴って、先端側流路２５から噴孔８を介して噴射される燃料の噴射率も上記期間ａの経過後に低下し始める（図３の期間ｂ）。ただし、この間も図３に示したようにニードル３のリフト量は増大している。

先端側流路２５内の燃料圧力の低下は、絞り２４を通過する燃料流量と噴孔８を通過する燃料流量とがほぼ等しくなるような低い圧力になるまで続く。すなわち、ニードル３のリフト開始前に先端側流路２５内に蓄えられていた高圧燃料は期間ａ、ｂを経過する間に上記低い圧力になるまで噴孔８を介して噴射される。期間ａ、ｂ経過後は、絞り２４の開口面積によって先端側流路２５内の燃料圧力が定まるため、絞り２４が噴孔８からの燃料噴射量を調整することとなる。したがって、図３の期間ｃにおいてはニードル３の上昇に伴って、すなわちリフト開始からの時間経過に伴って、燃料の噴射率が上昇する。この場合、噴射率は徐々に上昇し、噴射率の上昇度合は、期間ａにおける噴射率の上昇度合よりも低い。

期間ｃにおいては、ニードル３のリフト量増大に伴って絞り２４の開口面積が広くなり、よって噴射率が上昇するが、期間ｃ経過後にはニードル３のリフト量が増大しているにも関わらず噴射率が上昇しなくなる。これは、図２（ｃ）に示したように、絞り２４の開口面積が十分広くなり、先端側流路２５内の燃料圧力がコモンレール内の燃料圧力とほぼ等しくなっていてそれ以上上昇しなくなり、よって噴孔８からの燃料噴射量も上昇しなくなったためである。

そして、期間ｄの途中で制御弁４を閉じることにより、若干のタイムラグを伴ってニードル３が下降し始める。或る程度ニードル３が下降した時点から噴孔８からの燃料噴射量が減少し始め、噴射率が低下する。ニードル３が完全に閉じると燃料噴射量も零となり一回の噴射が終了せしめられる。

このように、本実施形態の燃料噴射装置によれば、制御弁４の開度を細かく調整せずに開閉するだけで、図３に示したような噴射率の噴射パターンを実現することができる。したがって、制御弁４の精密な操作は必要なく、事実上絞り２４と先端側流路２５とを適切に設けるだけで上記噴射パターンを実現でき、燃料噴射装置の製造も容易であり、また製造コストを安く抑えることが可能である。なお、制御弁４の閉弁タイミングを調整すれば、期間ａ、ｂのみまたは期間ａ、ｂ、ｃのみの噴射を実行することができ、また、期間ｄの長さを調整することで一回の噴射における燃料噴射量を調整することも可能である。

次に、本実施形態の燃料噴射装置の使用例について説明する。多くの圧縮自着火式内燃機関では、圧縮上死点（ＴＤＣ）付近で行われる主噴射の着火遅れ期間を短縮して主噴射による燃焼騒音の低減やＮＯ_X生成の抑制を図るために、同一サイクル内において主噴射よりも早い時期に主噴射よりも少量の燃料噴射（以下、「パイロット噴射」と称す）を行うようにしている。このパイロット噴射で機関燃焼室内に噴射された燃料（以下、「噴射燃料」と称す）は主噴射の着火源となり、この着火源は機関燃焼室の中心寄りの領域ではなく、機関燃焼室の外周領域に存在することが好ましい。これは、着火源が燃焼室の外側領域に存在すると、主噴射についての燃焼が燃焼室内で広く最適に行われ、その結果、機関燃焼室内での燃焼によるスモークの発生を低減させることができるようになるためである。

このように、着火源、すなわちパイロット噴射による噴射燃料を燃焼室の外側領域にまで到達させるためには、噴射開始からインジェクタの噴射率を高いものとする必要がある。すなわち、パイロット噴射に関しては、噴射開始直後の噴射率が高くなっている噴射パターンをもった燃料噴射装置が必要とされている。一方、主噴射については、噴射開始直後から噴射率を高いものとすると、燃焼室内の噴射燃料はまとまっているため噴射燃料の燃焼が一気に進み、燃焼騒音が大きなものとなってしまう。したがって、主噴射に関しては、噴射開始から徐々に噴射率が上昇していくような噴射パターンをもった燃料噴射装置が必要とされている。

そこで、本実施形態では、パイロット噴射を図３の期間ａ、ｂの間だけ行うように制御弁４を開閉し、主噴射を図３の期間ａ〜ｄの間行うように制御弁４を開閉することによって行うようにしている（図４参照）。したがって、パイロット噴射については、噴射開始直後の噴射率が高い噴射が行われ、主噴射については期間ａ、ｂにおいて噴射率が高くなっているものの、噴射期間全体に亘って見ると噴射開始時から徐々に噴射率が上昇していくような噴射パターンで噴射が行われる。よって、本実施形態の燃料噴射装置を用いることにより、パイロット噴射および主噴射共に適切な噴射パターンで噴射を行うことができ、よって燃焼騒音の低減やＮＯ_X生成の抑制、スモークの発生の低減を図ることができる。

この場合、先端側流路２５の体積は噴射すべきパイロット噴射量に応じて設定される。すなわち、先端側流路２５の体積を増大させると、期間ａ、ｂにおいて噴射される燃料量、すなわちパイロット噴射量が増大し、逆に、先端側流路２５の体積を減少させると、パイロット噴射量が減少する。したがって、本実施形態では、期間ａ、ｂにおいて噴射される燃料量がパイロット噴射に最適な量となるように先端側流路２５の体積が定められる。

なお、パイロット噴射後の主噴射開始までに先端側流路２５内の燃料圧力が、コモンレールの燃料圧力にまで到達しないように、ニードル３閉弁時の絞り２４の開口面積を非常に小さくしておいてもよい。このようにニードル３閉弁時の絞り２４の開口面積を非常に小さくすることで、主噴射開始時に先端側流路２５内に燃料が少量しか存在せず、期間ａ、ｂにおける噴射率を比較的小さいものとすることができるようになる。ただし、この場合でも、ニードル３閉弁時の絞り２４の開口面積は、主噴射終了から次回のサイクルのパイロット噴射開始時までに先端側流路２５内の燃料圧力がコモンレールの燃料圧量にまで到達しているような大きさとしなければならない。

また、上記説明においては、パイロット噴射についてのみ説明したが、同一サイクルにおいて主噴射の後に主噴射よりも少量の燃料を噴射するポスト噴射等においても、本実施形態におけるパイロット噴射と同様な噴射形態で噴射を行うようにしてもよい。この場合、高噴射率で噴射が行われることにより燃料の微粒化が促進され、噴射された燃料が燃焼し易くなる。

次に、図５および図６を参照して本発明の第二実施形態の燃料噴射装置について説明する。図５は、本発明の第二実施形態の燃料噴射装置の図１と同様な概略断面図であり、図６は、第二実施形態の燃料噴射装置の作動工程を示す図である。これら図において第一実施形態の燃料噴射装置と同様な構成要素については同一の参照番号を付し、その説明は両略する。

図５に示したように、第二実施形態のインジェクタ２９においては、ニードル３はその軸線方向であって後端に向かって延びるバー３０を備える。また、インジェクタ２９は、ピストン３１によって仕切られた二つの制御室３２、３３を備える。第一制御室３２は、ニードル３の後端面とピストン３１の先端面との間に画成され、第二制御室３３は、ピストン３１の後端面とノズルボディ２の壁面との間に画成される。第一制御室３２は、一方で第一オリフィス３４を介して燃料供給通路６に連通すると共に、他方で第二オリフィス３５を介して制御弁４が収納されたバルブ室３８に連通する。第二制御室３３は、一方で第三オリフィス３６を介して燃料供給通路６に連通すると共に、他方で第四オリフィス３７を介して制御弁４が収納されたバルブ室３８に連通する。

ピストン３１は、その軸線方向に移動可能であるが、後端方向への移動は停止部３９によって制限される。ピストン３１の軸線方向と垂直な断面積はニードル３の軸線方向と垂直な断面積よりも大きく、したがってピストン３１が制御室３２、３３内の燃料から圧力を受ける受圧面積は、ニードル３が燃料流路５内の燃料から圧力を受ける受圧面積よりも大きい。

図６および図３を参照して、本実施形態のインジェクタを用いた場合におけるニードル３のリフトに伴うインジェクタの噴射率の推移、すなわち本実施形態のインジェクタの噴射パターンについて説明する。まず、制御弁４が閉弁されていて、ニードル３のリフト量が零である場合、図６（ａ）に示したように、両制御室３２、３３内には燃料供給通路６から燃料が流入すると共に制御弁４が閉弁しているため燃料が流出せず、よって両制御室３２、３３内の燃料圧力は高く、コモンレールの燃料圧力とほぼ同一となっている。この場合、ニードル３はバネ９によりニードル先端側へと付勢されており、噴孔８は閉じられている。

制御弁４を開くと第二オリフィス３５、第四オリフィス３７を介して制御室３２、３３からそれぞれ燃料が流出せしめられる。同時に、制御室３２、３３には第一オリフィス３４、第三オリフィス３６を介して燃料供給通路６から燃料が供給されるが、制御室３２、３３からの燃料の流出速度の方が速いため、制御室３２、３３内の燃料圧力は徐々に低下する。また、オリフィス３４、３５、３６、３７は、第一制御室３２内の燃料圧力の低下速度が第二制御室３３内の燃料圧力の低下速度よりも速くなるように設定されている。したがって、制御弁４を開くと、第一制御室３２内の燃料圧力は第二制御室３３内の燃料圧力よりも低くなる。

一方、制御弁４が開いても燃料流路５内の燃料圧力はほとんど変わらず、よって第一制御室３２内の燃料圧力よりも高いため、ニードル３が燃料流路５内の燃料から受ける後端向きの力よりもニードル３が第一制御室３２内の燃料から受ける先端向きの力の方が小さくなる。そして、第一制御室３２内の燃料圧力の低下に伴ってこの力の差が大きくなり、この力の差がバネ９の付勢力を超えるとニードル３のリフトが開始される。一方、第二制御室３３内の燃料圧力が第一制御室３２内の燃料圧力よりも高いため、ピストン３１に加わる先端向きの力は後端向きの力よりも大きく、よってピストン３１は先端向きに移動する。

このとき、ニードル３のリフト量は増大していくため、噴孔８からの燃料の噴射率も増大していく。第一制御室３２内の燃料が急速に流出し、第一制御室３２内の燃料圧力が急速に低下するように第一オリフィス３４および第二オリフィス３５を設定することにより、噴射率の上昇率を高いものとすることができる。このような状態は、図３の期間ａに相当する。

ニードル３の後端向きの移動およびピストン３１の先端向きの移動が続くと、図６（ｃ）に示したようにニードル３のバー３０がピストン３１と当接する。第一制御室３２内の燃料圧力は制御弁４が開いている間、常に燃料流路５内の燃料圧力および第二制御室３３内の燃料圧力より低く保たれるため、一旦ニードル３のバー３０とピストン３１とが当接するとニードル３とピストン３１とは制御弁４が開いている間、一体となって移動するようになる。

ニードル３のバー３０とピストン３１とが当接したとき、一体となったニードル３とピストン３１（以下、「ニードル・ピストン連動体」と称す）には、燃料流路５内の燃料がニードル３に加える後端向きの力と第二制御室３３内の燃料がピストン３１に加える先端向きの力およびバネ９がニードル３に加える先端向きの力とが加わる。ここで、燃料流路５内の燃料圧力は第二制御室３３内の燃料圧力よりも高いが、ピストン３１の受圧面積はニードル３の受圧面積よりも大きいため、結果としてニードル・ピストン連動体３、３１に加わる力は後端向きの力よりも先端向きの力の方が大きい。換言すると、本実施形態では、ニードル３のバー３０とピストン３１とが当接するときに、ニードル・ピストン連動体３、３１に加わる先端向きの力が後端向きの力よりも大きくなるように、ニードル３およびピストン３１の断面積、およびオリフィス３４、３５、３６、３７を設定している。このとき、ニードル３のリフト量は減少していくため、噴孔８からの燃料の噴射率も低下していく。このような状態は、図３の期間ｂに相当する。

その後も第二制御室３３からは引き続き燃料が流出するため、第二制御室３３内の燃料圧力は徐々に低下する。一方、燃料流路５内の燃料圧力はほとんど変わらず高いまま維持される。このため、図６（ｄ）に示したように、時間の経過と共にニードル・ピストン連動体３、３１に加わる先端向きの力が小さくなっていき、遂には後端向きの力よりも小さくなりニードル・ピストン連動体３、３１の移動方向が反転し、先端向きから後端向きに変更される。このとき、第二制御室３３内の燃料圧力は第一制御室３２内の燃料圧力と同程度まで低下することはないため、ニードル３のバー３０とピストン３１とが離れてしまうことはない。また、第二制御室３３内の燃料圧力の低下速度は比較的遅くなるように第三オリフィス３６および第四オリフィス３７が設定されるため、ニードル・ピストン連動体３、３１の後端向きの移動速度は、図６（ｂ）に示した場合のニードル３の後端向きの移動速度よりも遅い。したがって、ニードル３のリフト量は徐々に増大することとなり、噴孔８からの燃料の噴射率も徐々に上昇していく。このような状態は、図３の期間ｃに相当する。

その後、第一実施形態の燃料噴射装置と同様に、ニードル３のリフト量が増大していくと、ニードル３のリフト量が増大しても噴孔８からの燃料の噴射量は増大せず一定のままとなる。そして、制御弁４を閉弁することによって、第一制御室３２および第二制御室３３内の燃料圧力が回復し、ニードル３が閉弁される。このとき、次回の噴射に備えてピストン３１を停止部３９に当接させておく必要があるため、第二制御室３３よりも第一制御室３２内の燃料圧力の方が早く回復するように、すなわち第一制御室３２への燃料流入速度が第二制御室３３への燃料流入速度よりも速くなるように、第一オリフィス３４および第三オリフィス３６を設定する必要がある。

なお、上記第二実施形態の燃料噴射装置においても上記第一実施形態の燃料噴射装置と同様に、パイロット噴射では図３の期間ａ、ｂに相当する期間だけ噴射を行い、主噴射では図３の全期間ａ〜ｄに相当する期間だけ噴射を行うように用いられる。また、パイロット噴射のみならず、ポスト噴射等において上記期間ａ、ｂに相当する期間だけの噴射を行うようにしてもよい。

また、ニードル３並びにピストン３１の断面積、およびオリフィスの位置並びに設定は以下の条件を満たせば如何なるものであってもよい。その条件とは、制御弁４を開弁したときに第一制御室３２および第二制御室３３内の燃料圧力が低下すると共に第一圧力制御室３２内の燃料圧力の低下速度が第二圧力制御室３３内の燃料圧力の低下速度よりも速いこと、このことにより制御弁４を開弁してから或る程度の期間経過後にニードル３とピストン３１とが当接して一体的となると共に、この当接時に第二制御室３３内の燃料によってピストン３１が受ける先端向き力の方が燃料流路５内の燃料によってニードル３が受ける後端向きの力よりも大きく、よって当接によりニードル３の移動方向が反転して先端向きに移動すること、およびこの当接後或る程度の期間経過後に第二制御室３３内の燃料圧力が低下して再びニードル３の移動方向が反転し、ニードル３が後端向きに移動するようになることである。

したがって、これら条件さえ満たせば、例えば、オリフィスは図７に示したように上記第二実施形態とは異なる位置に配置されてもよい。図７（ａ）においては、第二実施形態の第四オリフィス３７の代わりに第一制御室３２と第二制御室３３とを連通するオリフィス４０が設けられており、図７（ｂ）においては、燃料供給通路６と制御弁４とを連通する流路がさらに設けられると共にその流路にオリフィス４１が設けられている。この場合、制御弁４を閉弁後に制御室３２、３３の圧力回復を迅速化することができるため、ニードル３を迅速に閉弁させることができるようになる。

また、上記第二実施形態では、ニードル３とピストン３１とが当接して一体的となるときに、第二制御室３３内の燃料によってピストン３１が受ける先端向き力の方が燃料流路５内の燃料によってニードル３が受ける後端向きの力よりも大きくなってニードル３が先端向きに移動するように、このときの第二制御室３３内の燃料圧力および燃料流路５内の燃料圧力と、ピストン３１の受圧面積およびニードル３の受圧面積とを設定するようにしている。これらに加えて、ニードル３とピストン３１とが当接したときの慣性力によっても当接後のニードル３の移動方向が変わるため、ニードル３およびピストン３１の質量の設定も考慮に入れる必要がある。

さらに、上記二つの実施形態においては、内開弁となっている燃料噴射弁について説明したが、外開弁となっている燃料噴射弁についても本発明を適用することができる。

本発明の第一実施形態の燃料噴射装置の概略断面図である。 第一実施形態の燃料噴射装置の作動工程を示す図である。 ニードルのリフト開始からの噴射率およびリフト量の時間推移を表す図である。 パイロット噴射と主噴射における噴射パターンを示す図である。 本発明の第二実施形態の燃料噴射装置の概略断面図である 第二実施形態の燃料噴射装置の作動工程を示す図である。 第二実施形態の変更例の燃料噴射装置を概略的に示す図である。

符号の説明

１…インジェクタ
２…ノズルボディ
３…ニードル
４…制御弁
５…燃料流路
６…燃料供給通路
８…噴孔
９…制御室
１０…バネ
２０…外側突出部
２２…内側突出部
２４…絞り

Claims (5)

1. 高圧燃料を保持するコモンレールから燃料が供給されると共に機関燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、
   上記燃料噴射弁は、コモンレールから供給される燃料の圧力が一定である場合に、噴射率が燃料噴射開始から第一上昇率で上昇した後に降下し、その後零になる前に第一上昇率よりも低い第二上昇率で上昇するような噴射パターンで燃料を噴射するコモンレール式燃料噴射装置。
2. 上記燃料噴射弁は、燃焼室内に燃料を噴射する噴孔を先端に有するノズルと、該噴孔を開閉するニードルと、上記コモンレールから燃料が供給される圧力制御室とを有し、上記ニードルの開閉は上記圧力制御室内の燃料圧力によって制御され、該圧力制御室内の燃料圧力はアクチュエータによって作動される制御弁を開閉することによって調整せしめられ、該制御弁を開くだけで上記噴射パターンの噴射が実行されるように燃料の噴射を制御する噴射制御手段を更に具備する請求項１に記載のコモンレール式燃料噴射装置。
3. 上記ノズルの内面とニードルの外面との間に燃料流路が形成され、上記噴射制御手段は、上記燃料流路上に上記ニードルのリフトに伴って開口面積が変化し且つ該ニードルがリフトしていない時でも開口している絞りを具備し、上記燃料流路は、該絞りよりもノズル後端側において上記コモンレールに接続され、且つ上記絞りよりもノズル先端側に、上記第二上昇率で噴射率が上昇する前に噴射すべき目標燃料量に応じた体積の燃料保持空間を具備する請求項２に記載のコモンレール式燃料噴射装置。
4. 上記噴射制御手段は上記圧力制御室であり、該圧力制御室はピストンによって上記ニードルに隣接する第一圧力制御室と該ニードルから離間された第二圧力制御室とに分けられ、上記第一圧力制御室および第二圧力制御室は、上記制御弁を開弁したときにこれら圧力制御室内の燃料圧力が低下すると共に上記第一圧力制御室内の燃料圧力の低下速度が第二圧力制御室内の燃料圧力の低下速度よりも速く、これにより上記ニードルと上記ピストンとが互いに向かって移動して当接して一体となるように形成され、この当接により上記ニードルが受ける閉弁方向の力の少なくとも一部が上記第一圧力制御室内の燃料によってニードルが受ける力から上記第二圧力制御室内の燃料によってピストンが受ける力へと変更されると共にこの変更により上記ニードルが受ける閉弁方向の力が大きくなり、ニードルが受ける閉弁方向の力の大きさとニードルが受ける開弁方向の力の大きさとが反転する請求項２に記載のコモンレール式燃料噴射装置。
5. 圧縮上死点付近で行われる主噴射の前に行われると共に該主噴射における噴射量よりも噴射量が少ない副噴射では、上記第二上昇率で噴射率が上昇する前に燃料噴射弁からの燃料の噴射を中止する請求項１〜４のいずれか１項に記載のコモンレール式燃料噴射装置。

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