JP3932688B2 - 内燃機関用燃料噴射装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特にコモンレールと呼ばれる一種のサージタンクに高圧燃料を蓄圧し、この蓄圧した高圧燃料を内燃機関に噴射供給する内燃機関用燃料噴射装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関より排出される排気ガスのエミッションの低減や運転フィーリングの向上を図るために、内燃機関への燃料噴射を電子制御する電子制御燃料噴射システムの開発が盛んに行われている。その一例を図１０に示す。この電子制御燃料噴射システムによれば、電子制御されるフィードポンプ１０１ａにより燃料タンク１０２から燃料を汲み上げて高圧ポンプ１０１により高圧にして、コモンレール１０３に送り込む。
【０００３】
例えばコモンレール圧力は圧力センサ１０４により検出し、この値がエンジン回転数や冷却水温度センサ１０５の検出値、アクセル開度センサ１０６の検出値等により定められる値となるよう電磁弁１０７で制御して所定量を送り込むようにしている。そして、コモンレール１０３からはエンジン１０８の各気筒に設置された、電子制御される燃料噴射ノズル（インジェクタ）１０９に燃料配管１１０を介して燃料が供給される。これらの制御は全てＥＣＵ１１１により行われる。
【０００４】
次に、このような電子制御燃料噴射システムの燃料噴射時の作動を図１１に基づいて説明する。
図１１に示した燃料噴射ノズルは二方電磁弁方式のインジェクタ１２０で、無噴射時には、二方電磁弁のバルブ１２１が閉じているため、コモンレールの高圧燃料が制御室１２２に満たされている。この結果、コマンドピストン１２４を下向きに押さえる力が大きく、ノズルニードル１２５がシート部に押さえ付けられて燃料が噴射されない。
【０００５】
噴射時には、ＥＣＵ１１１からの信号を受けてドライブ回路等からなるＥＤＵ１１２から二方電磁弁のコイル１２６に電流が流れ、バルブ１２１を図示上方に引き上げる。すると、制御室１２２の高圧燃料は絞り部１２８を通ってリークされるため、制御室圧力は低下する。この時、高圧燃料が絞り部１２７を介して制御室１２２に供給されるため制御室１２２の圧力低下速度は絞り部１２７、１２８の選択により任意に変えることができる。圧力低下速度はともかく、制御室圧力は確実に低下するため、コマンドピストン１２４を図示下方に押す力が減り、図示上向きの力が打ち勝ってノズルニードル１２５が図示上方に上がり、噴孔１２９から高圧燃料が噴射される。ここで、１２３は燃料溜り室である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のような電子制御燃料噴射システムにおいては、噴射初期から高圧の燃料噴射が可能であり、噴射終了時の噴射切れも速いために、パティキュレートの排出を大幅に抑えることができる反面、特に高負荷時には初期噴射率が大きいために窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出が大となるという問題が生じている。
【０００７】
したがって、この対策のためには高負荷時の初期噴射率を下げることが望ましく、その噴射率パターンの例を図１２（ａ）、（ｂ）に示す。図１２（ａ）は徐々に噴射率を高めるタイプで、図１２（ｂ）は２段階（または多段階）に噴射率を高める（初期低噴射率、その後に緩やかに高噴射率になる）タイプである。
【０００８】
先ず、図１２（ａ）のタイプは、図１１に示す絞り部１２７、１２８の絞り量の調整により実現が可能である。しかしながら、これらの絞り部１２７、１２８は、他の性能、例えば噴射終了時の噴射切れや、主噴射に先立って少量の噴射を行うパイロット噴射の噴射間隔等にも影響を及ぼすため、絞り部１２７、１２８の絞り量を自由に変更できるわけではない。
【０００９】
一方、図１２（ｂ）のタイプは、例えば特開平７−３３２１９９号公報に示されるようなインジェクタ１４０で実現可能である。このインジェクタ１４０は、図１３に示したように、ノズルニードル１４１の先端部に突起部１４２を設け、ノズルボデー１４３の先端部に内部で突起部１４２が摺動する筒状の摺動部１４４を設け、その摺動部１４４にノズルニードル１４１の上昇量（リフト量）に応じて開放される第１、第２噴孔１４５、１４６を設けている。そして、突起部１４２には、インジェクタ１４０の開弁時に、ノズルニードル１４１のシート部１４７よりも上流側の燃料溜り室と摺動部１４４の先端側のサック室１４８とを連通する連通路１４９が形成されている。
【００１０】
このインジェクタ１４０によれば、ノズルニードル１４１のリフトが低い時には、ノズルニードル１４１の突起部１４２内に設けた連通路１４９を介して高圧燃料がサック室１４８内に流入して先端側（図示下方側）の第１噴孔１４５のみから燃料噴射が行われる。また、ノズルニードル１４１のリフトが高くなると、第１噴孔１４５だけでなく、その第１噴孔１４５よりも後端側（図示上方側）の第２噴孔１４６からも燃料噴射が行われる。したがって、この種のインジェクタ１４０は、ノズルニードル１４１のリフト量に応じて噴孔面積を変えることができるので、一般に「可変噴孔ノズル」と呼ばれる。可変噴孔ノズルでは、さらに低負荷時に小噴孔からのみ噴射することでエミッション（特にＨＣ、スモーク）を低減し、高負荷時には、全噴孔から噴射することで、噴射期間短縮による、燃費、スモークの低減が可能となる。
【００１１】
ところが、上記のインジェクタ１４０のような可変噴孔ノズル構造では、ノズルニードル１４１の突起部１４２とノズルボデー１４３とがクリアランスシールであるため、ノズルニードル１４１が小リフトした時に、本来燃料噴射を行うべき、図示下方の第１噴孔１４５のみだけでなく、突起部１４２とノズルボデー１４３とのクリアランスを通って、燃料噴射をしてはいけない第２噴孔１４６からも燃料が噴出してしまう。この時、クリアランスを介して燃料が噴射されるために噴射圧力がかなり低く、微粒化の劣った噴霧となり、燃焼が悪化するため、排出される排気ガス中の黒煙（スモーク）や炭化水素（ＨＣ）等が多く、エミッションの悪化を招くという問題が生じる。
【００１２】
また、独国公開公報第ＤＥ１９６３７１８６Ａ１号に見られるコモンレールと可変噴孔ノズルとの組み合わせで、通常のインジェクタでは油溜り室に常に高圧燃料が供給されるため、外側のピースは開いてしまうので、油溜り室に加わる圧力を何らかの手段（公開公報には図示されていない）で制御する必要があり、電磁弁等の制御部品が余分に必要となり、部品点数が増加し、且つ製品コストを上昇させてしまうという問題が生じる。
【００１３】
【発明の目的】
本発明の目的は、比較的に簡単な構造で、しかも初期噴射率を小さくすることにより窒素酸化物の排出を抑えることのできる内燃機関用燃料噴射装置を提供することにある。また、初期噴射率の低減効果を持つ可変噴孔ノズルで、リフト時に、クリアランスシールを持たないノズルニードルのリフト量に応じて噴射、非噴射を確実に制御することのできる内燃機関用燃料噴射装置を提供することにある。さらに、多段階噴射を実現すると共に、高噴射率から急激に噴射を終了するシャープカットを実現することのできる内燃機関用燃料噴射装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、無噴射時には、電磁弁が閉弁しているため、コモンレールの高圧燃料が第１燃料通路を通って第１制御室内に満たされ、更に第２燃料通路を通って第２制御室内に満たされる。これにより、第２制御室圧力が高いので、弁体がリフトせず高圧燃料が噴射されない。
【００１５】
噴射時には、電磁弁が開弁することにより第２制御室より第３燃料通路を通って高圧燃料が低圧通路に排出される。これにより、第２制御室圧力が低下するので、弁体および第２ピストンがリフトし、噴孔から高圧燃料が噴射される。そして、弁体がプレリフト量だけリフトすると、第２ピストンが第１ピストンに当接する。
【００１６】
ここで、第１制御室内の高圧燃料も第２燃料通路、第２制御室および第３燃料通路を通って低圧通路に排出されるが、第２燃料通路の途中に第２絞り部を設けているので、第２制御室圧力の低下速度に対して第１制御室圧力の低下速度が遅い。これにより、弁体がプレリフト量だけリフトすると、一旦そのリフト量で弁体が保持されるので、初期噴射率を少なくすることができる。したがって、比較的に簡単な構造で、窒素酸化物の排出を抑えることができる。
【００１７】
請求項２に記載の発明によれば、電磁弁が開弁することにより第２制御室圧力が低下する。これにより、弁体および第２ピストンがリフトして弁体がプレリフト量だけ変位すると、第２ピストンが、第１ピストンの閉塞部分の、第２ピストンが当接する端面に設けられた第１弁座に当接する。その後に、第１制御室圧力が低下するまでそのリフト量で弁体が保持される。そして、第１制御室圧力が低下することにより、弁体、第１ピストンおよび第２ピストンがリフトして弁体がフルリフト量だけ変位する。すると、弁体が、シリンダに連結されたインジェクタ本体の、弁体が当接する端面に設けられた第２弁座に当接するので、弁体のリフトが終了する。
【００１８】
請求項３に記載の発明によれば、第２燃料通路と第３燃料通路とを連通する連通路を第１ピストンまたは第２ピストンに設けることにより、弁体がプレリフト量だけ変位した際に第２ピストンが第１ピストンに当接した場合でも、第１制御室内の高圧燃料が第２燃料通路、連通路および第３燃料通路を通って低圧通路に排出される。これにより、第１制御室圧力を低下させることができ、弁体、第１ピストンおよび第２ピストンをプレリフト量からフルリフト量まで変位させることができる。
【００１９】
請求項４に記載の発明によれば、噴射時に第１弁体のリフト量が少ない場合には、第２噴孔の第２弁体による閉塞状態が継続されるが、第１噴孔のみが第１弁体から開放されることにより、燃料溜り部内の高圧燃料が第１弁体に形成された連通路を通って第１噴孔の入口に至り、第１噴孔のみから高圧燃料が内燃機関に噴射される。
【００２０】
また、第１弁体が所定のリフト量以上リフトすると、第２弁体も第１弁体と一緒にリフトするようになる。それによって、第１弁体および第２弁体の両方がリフトすることで、第１噴孔および第２噴孔の両方が開放されることにより、燃料溜り部内の高圧燃料が連通路を通って第１噴孔の入口および第２噴孔の入口に至り、第１噴孔および第２噴孔の両方から高圧燃料が内燃機関に噴射される。
【００２１】
ここで、内燃機関の軽負荷時、すなわち、燃料噴射量が少ない時には、第１噴孔のみから高圧燃料を噴射することになるため、噴射率を低く抑えることができるので、内燃機関の予混合燃焼が抑えられ、窒素酸化物の排出および騒音の発生を抑制することができる。
【００２２】
請求項６に記載の発明によれば、弁体がプレリフト量だけ変位した際に、第２ピストンが第１弁座に当接して、第２燃料通路の開口面積を減少させることにより、弁体がプレリフト量だけ変位してからは、第２制御室圧力の低下速度に対して第１制御室圧力の低下速度が遅くなる。すなわち、弁体がプレリフト量だけリフトすると、一旦そのリフト量で弁体が保持されるので、初期噴射率を少なくすることができる。
【００２３】
請求項７に記載の発明によれば、無噴射時に第１ピストンの筒状部分が第３弁座に着座すると、第１ピストンがドレーン通路の開口を閉塞することにより、無噴射時にドレーン室とドレーン通路との連通状態を確実に遮断することができる。したがって、無噴射時、つまり燃料噴射の停止期間中にドレーン室への第１制御室および第２制御室からのリークを防止できるので、エネルギー損失を低減することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。
〔第１実施例の構成〕
図１および図２は本発明の第１実施例を示したもので、図１は電子制御燃料噴射システムの主要構造を示した図である。
【００２５】
本実施例の電子制御燃料噴射システム１は、本発明の内燃機関用燃料噴射装置に相当するもので、図示しない制御装置（以下ＥＣＵと呼ぶ）により電子制御される高圧ポンプ２と、この高圧ポンプ２から高圧燃料が供給されるコモンレール３と、ＥＣＵにより電子制御される燃料噴射ノズル（以下インジェクタと呼ぶ）４とを備える。
【００２６】
なお、高圧ポンプ２は、燃料タンク５から燃料を汲み上げて高圧にしてコモンレール３に送る。また、コモンレール３は、本発明の燃料蓄圧部に相当するもので、比較的に高い圧力（コモンレール圧力：例えば２０ＭＰａ〜１２０ＭＰａ）の高圧燃料を蓄えるサージタンクの一種で、燃料通路６、７を介してインジェクタ４と連結されている。
【００２７】
インジェクタ４は、内燃機関（例えばディーゼルエンジン）の各気筒に取り付けられたノズルボディ１１、このノズルボディ１１内を摺動するノズルニードル１２、ノズルボディ１１の後端側にインジェクタ本体１３を介して連結されたシリンダ１４、およびこのシリンダ１４内を摺動する２個の第１、第２ピストン１５、１６等から構成されている。
【００２８】
ノズルボディ１１は、内周でノズルニードル１２を摺動自在に保持し、先端部に高圧燃料を内燃機関の各気筒内に噴射する複数の噴孔２０を形成している。このノズルボディ１１のノズルニードル１２の周囲には、常に高圧燃料が供給される燃料溜り室２１が形成されている。
【００２９】
ノズルニードル１２は、本発明の弁体に相当するもので、先端部にノズルボディ１１の弁座（シート部）２２に着座するようにテーパ形状のシート部２３が形成されている。また、ノズルニードル１２の後端部（ジャーナル部）は、プレッシャピン２４を介して丸棒形状のプッシュロッド２５の先端部に連結されている。なお、プレッシャピン２４とインジェクタ本体１３との間には、ノズルニードル１２を弁座２２に着座する側に付勢する付勢手段としてのコイルスプリング２６が保持されている。
【００３０】
シリンダ１４の内周には、ノズルニードル１２が弁座２２に着座している時に第１ピストン１５の先端面が着座する円環形状の座部３０が形成されている。シリンダ１４の内部空間は、第１ピストン１５によって第１制御室３１と第２制御室３２とに区画されている。第１制御室３１は、第１ピストン１５の円環状部分の後端面とシリンダ１４の後端側の内周面とに囲まれたノズルニードル１２の背圧室で、燃料入口が燃料通路７に連通している。
【００３１】
また、第２制御室３２は、第１ピストン１５の円環状部分の前端面と円筒状部分の内周面と第２ピストン１６の後端面とに囲まれたノズルニードル１２の背圧室で、第１制御室３１よりもノズルニードル１２に近い側に形成されている。そして、第２制御室３２の燃料出口は、ドレーン通路９に連通している。
【００３２】
第１ピストン１５は、ノズルニードル１２側に対して逆側の後端部が閉塞された円筒状に形成され、シリンダ１４の内周に摺動自在に保持された大径ピストンである。この第１ピストン１５は、円環状部分（閉塞部分）と円筒状部分とからなる。また、第１ピストン１５の円環状部分の中心部には、燃料通路８が形成されている。なお、第１ピストン１５の円筒状部分の一部には、その円筒状部分の内周面と外周面、つまり第２制御室３２とドレーン通路９とを連通する連通穴（本発明の連通路に相当する）３４が形成されている。
【００３３】
第２ピストン１６は、第１ピストン１５の円筒状部分の内周、つまり第２制御室３２内に摺動自在に保持されたコマンドピストンである。この第２ピストン１６の外径は、シリンダ１４の座部３０の内径よりも小さく作られている。また、第２ピストン１６のノズル側端面は、プッシュロッド２５の後端部に連結されている。これにより、第２ピストン１６は、ノズルニードル１２、プレッシャピン２４およびプッシュロッド２５と共に常に連動してシリンダ１４内を往復変位する。なお、シリンダ１４の中央部分には、ドレーン通路９と連通穴３４とを連通するように連通溝（本発明の連通路に相当する）３５が形成されている。
【００３４】
ここで、第１ピストン１５の円環状部分の前端面は、ノズルニードル１２がプレリフト｛プレリフト量（Ｌ1 ）だけリフト｝した際に第２ピストン１６の後端面が着座する第１弁座を構成する。また、インジェクタ本体１３の先端面は、ノズルニードル１２がフルリフト｛フルリフト量（Ｌ2 ）だけリフト｝した際にノズルニードル１２の後端面が着座する第２弁座を構成する。
【００３５】
そして、燃料通路６は、コモンレール３の高圧燃料をノズルニードル１２の先端部の周囲、つまりノズルボディ１１の燃料溜り室２１内に常に導入する第１導入通路である。この燃料通路６は、コモンレール３と燃料溜り室２１とを連通するようにインジェクタ本体１３およびノズルボディ１１内に形成されている。
【００３６】
燃料通路７は、本発明の第１燃料通路に相当する通路で、コモンレール３の高圧燃料をシリンダ１４内に導入する第２導入通路である。この燃料通路７は、コモンレール３と第１制御室３１の燃料入口とを連通するようにインジェクタ本体１３およびシリンダ１４内に形成されている。そして、燃料通路７の途中、つまり燃料通路６から分岐した下流側の通路途中には、通路断面積を絞る絞り部（本発明の第１絞り部に相当する）４１が設けられている。このため、燃料通路７は、第１制御室３１のインオリフィスとして機能する。
【００３７】
燃料通路８は、本発明の第２燃料通路に相当する通路で、第１ピストン１５の円環状部分の両端面、つまり第１制御室３１と第２制御室３２とを連通するようにその円環状部分の中心に形成された連通通路である。この燃料通路８の途中には、燃料通路７と同様にして、通路断面積を絞る絞り部（本発明の第２絞り部に相当する）４２が設けられている。ここで、絞り部４１、４２には、例えばオリフィス等の固定絞りが使用されている。なお、燃料通路８の入口から出口に至るまでの通路全体に絞り部４２を形成しても良い。このため、燃料通路８は、第１制御室３１のアウトオリフィスとして機能し、第２制御室３２のインオリフィスとして機能する。
【００３８】
ドレーン通路９は、本発明の第３燃料通路に相当する通路で、制御室３１、３２内の高圧燃料をリーク通路（本発明の低圧通路に相当する）４３に排出する排出通路である。このドレーン通路９は、第２制御室３２とリーク通路４３とを連通するようにシリンダ１４およびリーク配管内に形成されている。そして、ドレーン通路９の途中には、通路を開閉する電磁弁１０が設けられている。そして、第２ピストン１６の頂部には、第２ピストン１６が第１ピストン１５に当接した際に燃料通路８を塞がないよう逃がし溝４４が形成されている。
【００３９】
電磁弁１０は、最適な時期にドレーン通路９を開閉するようにＥＣＵにより電子制御される開閉弁である。この電磁弁１０は、具体的には、ドレーン通路９を開閉するバルブ、通電されるとバルブを開弁させる電磁コイル、およびこの電磁コイルへの通電が停止された際にバルブを閉弁させるためのリターンスプリング（いずれも図示せず）等よりなる周知の構造を有している。
【００４０】
〔第１実施例の作動〕
次に、本実施例の電子制御燃料噴射システム１の作動を図１および図２に基づいて簡単に説明する。
【００４１】
１）無噴射時
電磁弁１０はドレーン通路９を閉じているため、コモンレール３から高圧燃料が燃料通路７の絞り部４１を通って第１制御室３１内に満たされ、更に燃料通路８の絞り部４２を通って第２制御室３２内に満たされている。
【００４２】
このため、第１、第２ピストン１５、１６が共に図示下方に押し付けられた状態となると共に、コイルスプリング２６の図示下方への付勢力により、第２ピストン１６にプッシュロッド２５およびプレッシャピン２４を介して連結するノズルニードル１２がノズルボディ１１の弁座２２に着座する。これにより、ノズルニードル１２はリフトせず、高圧燃料は噴射されない。
【００４３】
２）噴射時
電磁弁１０がＥＣＵからの指令により開弁するため、ドレーン通路９が開かれる。このため、先ず絞り部を介さない連通穴３４およびドレーン通路９を通って第２制御室３２内の高圧燃料がリーク通路４３に排出されて低圧にリークし、第２制御室３２の内部圧力（第２制御室圧力）が一気に低圧となる。すると、ノズルニードル１２は、燃料通路６を通って燃料溜り室２１に導入される高圧燃料により図中上向きの力を受けて、図２のタイムチャートに示したように、第２ピストン１６の後端面が第１ピストン１５の円環状部分の前端面（第１弁座）に当接するプレリフト量Ｌ1 だけ図示上方にリフトする。
【００４４】
さらに、電磁弁１０の電磁コイルへの通電が続くと、第１制御室３１内の高圧燃料は、第１ピストン１５の円環状部分に設けた燃料通路８（絞り部４２）および第１ピストン１５の側面に形成した連通穴３４を介してリーク通路４３に排出されて低圧にリークし、第１制御室３１の内部圧力（第１制御室圧力）が徐々に低下する。これにより、図中上向きの力が勝って図２のタイムチャートに示したように、ノズルニードル１２は図示上方にリフトし、ノズルニードル１２がインジェクタ本体１３に当接するフルリフト量Ｌ2 まで動く。
【００４５】
３）噴射終了時
電磁弁１０がＥＣＵからの指令により閉弁すると、先ず第１制御室３１の内部圧力が回復し、続いて第２制御室３２の内部圧力が回復する。このため、第１、第２ピストン１５、１６が共に図示下方に押し付けられ、ノズルニードル１２がノズルボディ１１の弁座２２に着座して噴射が終了する。
【００４６】
〔第１実施例の効果〕
以上のように、本実施例の電子制御燃料噴射システム１は、ノズルニードル１２の作動を２段階になるように制御することで、図２のタイムチャートに示したようなノズルニードルリフト波形が得られるため、噴射初期には燃料噴射量を少なくすることができる。これにより、当初の目的である初期噴射率の低減化を図ることができるので、内燃機関より排出される排気ガスのエミッション、特に、窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減および運転フィーリングの向上を図ることができる。
【００４７】
また、ノズルニードル１２のリフト量を制御するためのピストンの構造を第１、第２ピストン１５、１６による大小２段構造とすることで、ピストンの構造が簡単でコンパクトな構造となるので、その大小２段構造のピストン構造を小型エンジン用のインジェクタに搭載することもできる。
【００４８】
〔第２実施例の構成〕
図３ないし図５は本発明の第２実施例を示したもので、図３は電子制御燃料噴射システムに組み込まれるインジェクタの主要構造を示した図、図４および図５はノズル先端部形状を示した図である。
【００４９】
本実施例のノズルボディ（本発明の摺動部に相当する）１１のシート部（弁座部）２２を形成するテーパ形状の側壁には、２個以上の第１噴孔５１、およびこの第１噴孔５１よりも後端側に２個以上の第２噴孔５２が設けられている。そして、コモンレール３で蓄圧された高圧燃料は、燃料通路６を介してノズルボディ１１内に形成された燃料溜り室２１に供給されるように構成されている。
【００５０】
そして、本実施例では、第１実施例のインジェクタ４のノズル先端部形状を図３に示すような形状に変更している。すなわち、インジェクタ４のノズルニードルの先端部を径方向に、つまり丸棒形状の第１ノズルピース５３と円筒形状の第２ノズルピース５４とに２分割している。
【００５１】
第１ノズルピース５３は、本発明の第１弁体に相当するもので、先端部が第２ノズルピース５４の内周に摺動自在に保持されている。そして、第１ノズルピース５３の内部には、燃料溜り室２１と第１、第２噴孔５１、５２とを連通する連通路としての略Ｔ字型のフィード孔５５が形成されている。また、第１ノズルピース５３の先端に設けられた略円錐台形状の突起部５６の先端面には、ノズルボディ１１の弁座２２に着座するテーパ形状のシート部（シート面）５７が形成されている。
【００５２】
第２ノズルピース５４は、本発明の第２弁体に相当するもので、円環状部分と円筒状部分とからなり、先端側に対して逆側の後端部が縮径された円筒形状に形成され、ノズルボディ１１の内周に摺動自在に保持されている。また、第２ノズルピース５４の先端に設けられた略円錐台形状の突起部５８の先端面には、ノズルボディ１１の弁座２２に着座するテーパ形状のシート部（シート面）５９が形成されている。なお、第１、第２ノズルピース５３、５４によってノズルニードルを構成する。
【００５３】
さらに、プレッシャピン２４の後端面とインジェクタ本体１３の内壁面との間には、第１ノズルピース５３を閉弁方向に付勢する第１付勢手段としてのコイルスプリング６１が保持されている。また、第２ノズルピース５４の後端面とノズルボディ１１の内壁面との間には、第２ノズルピース５４を閉弁方向に付勢する第２付勢手段としてのコイルスプリング６２が保持されている。ここで、ノズルボディ１１の内周面（摺動面）と第２ノズルピース５４の外周面（摺動面）との間からスプリング室６３内に漏洩した燃料は、燃料通路６４を経てリーク通路４３に排出される。
【００５４】
〔第２実施例の作動〕
次に、本実施例の電子制御燃料噴射システム１の作動を図３ないし図５に基づいて簡単に説明する。
【００５５】
１）無噴射時
電磁弁１０はドレーン通路９を閉じているため、コモンレール３で蓄圧された高圧燃料が燃料通路７の絞り部４１を通って第１制御室３１内に満たされ、更に燃料通路８の絞り部４２を通って第２制御室３２内に満たされている。それによって、第２ピストン（コマンドピストン）１６は図３において図示下方の力を受けて第１、第２ノズルピース５３、５４が共に図示下方に押し付けられて高圧燃料の噴射は成されない。
【００５６】
２）噴射時
電磁弁１０がドレーン通路９を開くと、第２制御室３２が低圧となり、第１ノズルピース５３の下端面の燃料圧で生じる図示上向きの力が、コイルスプリング６１の図示下方の付勢力に打ち勝ち、第２ピストン１６がプレリフト量（Ｌ1 ）だけ図示上方に押し上げられたところで第２ピストン１６のリフトが第１ピストン１５の円環状部分に規制される。これにより、第１ノズルピース５３が、図４に示した低リフト状態となるので、第１噴孔５１のみから高圧燃料の噴射が成される。
【００５７】
その後に、第１制御室３１の高圧燃料は第１ピストン１５に設けた燃料通路８（絞り部４２）および第２ピストン１６に設けた連通溝３５を介して徐々にリーク通路４３に排出され、ある程度、第１制御室３１の内部圧力が下がったところで第１ノズルピース５３の下端面に加わる圧力で生じる上向きの力が第１ピストン１５に加わる下向きの力を上回った時に第１、第２ピストン１５、１６が一体となって上昇する。
【００５８】
それによって、第１ノズルピース５３が更に所定のリフト量（Ｌ3 ）以上リフトすると、第２ノズルピース５４を引っ掛ける形で上昇し、第１、第２ノズルピース５３、５４が、図５に示した高リフト状態となり、第１噴孔５１および第２噴孔５２の両方から高圧燃料の噴射が成される。
【００５９】
〔第２実施例の効果〕
以上のように、本実施例の電子制御燃料噴射システム１は、燃料噴射ノズルとしてインジェクタ（噴孔面積を変更可能な可変噴孔ノズル）４を使用し、ノズルニードルを径方向に２分割した第１、第２ノズルピース５３、５４を時間差を持って作動（リフト）させることにより、噴射初期は第１噴孔５１のみから燃料噴射を行うことができるため、初期噴射率を低減することが可能となると共に、２段階に噴射率を高めることができる。これにより、当初の目的である排気ガスの低減時に窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を抑えることができる。
【００６０】
以上は、内燃機関の高負荷時、燃料噴射量が多い時の効果であるが、内燃機関の軽負荷時、燃料噴射量が少ない時には、第１噴孔５１のみから確実に燃料噴射することになるため、噴射率を低くすることができる。したがって、内燃機関の予混合燃焼を抑えることができるので、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出および騒音の発生を抑制することができる。
【００６１】
〔第３実施例の構成〕
図６および図７は本発明の第３実施例を示したもので、図６はインジェクタの全体構成を示した図である。
【００６２】
本実施例の電子制御燃料噴射システム１は、高圧ポンプおよびコモンレールを含む高圧源６５と、本発明の低圧通路に相当する低圧源６６と、最適な時期にドレーン通路９を開閉するようにＥＣＵにより電子制御される電磁弁１０を備えたインジェクタ４とを備えている。インジェクタ４は、ノズルボディ１１内を摺動するノズルニードル１２、ノズルボディ１１の後端側に連結されたシリンダ１４、およびこのシリンダ１４内を摺動する２個の第１、第２ピストン１５、１６等から構成されている。
【００６３】
ノズルボディ１１とシリンダ１４との間のインジェクタ本体１３には、ノズルニードル１２をシート部２２に着座する側に付勢するコイルスプリング６７を収容するスプリング室６８が設けられている。このスプリング室６８は、噴孔２０付近のサック室６９と同一圧力となる構造にするために、燃料通路６を介して高圧源６５から高圧燃料が供給される燃料通路を形成している。
【００６４】
シリンダ１４の中央部分には、ドレーン通路９と第２制御室３２とを連通するように環状溝（本発明の連通路に相当する）７０が形成されている。シリンダ１４の図示下側には、ドレーン通路７１およびドレーン通路９を介して低圧源６６と連通する円環状のドレーン室７２が設けられている。なお、ドレーン通路７１は、ドレーン室７２とドレーン通路９とを連通する通路である。
【００６５】
第１ピストン１５の円筒状部分には、第２制御室３２とドレーン通路９とを連通する連通穴（本発明の連通路に相当する）３４が形成されている。また、第１ピストン（大ピストン）１５の円環状部分の前端面は、ノズルニードル１２がプレリフト量だけ変位した際に第２ピストン１６の後端面（図示上端部）が当接する第１弁座を構成する。また、第１ピストン１５の円環状部分には、第１制御室３１と第２制御室３２とを連通する複数本（本例では２本）の燃料通路（オリフィス通路）８ａ、８ｂが形成されている。
【００６６】
これらの燃料通路８ａ、８ｂは、第１ピストン１５の円環状部分の前端面（第１弁座）に開口を有し、第１制御室３１のインオリフィスとして機能し、第２制御室３２のアウトオリフィスとして機能する。複数本の燃料通路８ａ、８ｂの途中（本例では図示上端部）には、通路断面積を絞る絞り部（本発明の第２絞り部に相当する）４２ａ、４２ｂが設けられている。ここで、絞り部４２ａ、４２ｂは、例えばオリフィス等の固定絞りが使用されている。
【００６７】
第２ピストン１６は、第１ピストン１５の円筒状部分の内周、つまり第２制御室３２内に摺動自在に保持されたコマンドピストンである。この第２ピストン（小ピストン）１６は、第１弁座に当接した際に、複数本の燃料通路８ａ、８ｂの開口面積を減少させるように、複数本の燃料通路８ａ、８ｂの開口のうち燃料通路８ａの開口のみを閉塞（シール）する。
【００６８】
〔第３実施例の作動〕
次に、本実施例の電子制御燃料噴射システム１の作動を図６および図７に基づいて簡単に説明する。ここで、図７は電磁弁の通電状態、電磁弁のバルブ開度、第１制御室の内部圧力、第２制御室の内部圧力、第１ピストンのリフト量および第２ピストンのリフト量を示したタイムチャートである。
【００６９】
１）無噴射時
電磁弁１０はドレーン通路９を閉じているため、高圧源６５から高圧燃料が燃料通路７の絞り部４１を通って第１制御室３１内に満たされ、更に燃料通路８の絞り部４２を通って第２制御室３２内に満たされている。
【００７０】
このため、第１、第２ピストン１５、１６が共に図示下方に押し付けられた状態となると共に、コイルスプリング２６の図示下方への付勢力により、第２ピストン１６に連結するノズルニードル１２がノズルボディ１１の弁座２２に着座する。これにより、ノズルニードル１２はリフトせず、高圧燃料は噴射されない。
【００７１】
２）噴射時
図７（ａ）に示したように電磁弁１０を通電（ＯＮ）すると、図７（ｂ）に示したように電磁弁１０がドレーン通路９と環状溝７０とを連通させる（ｔ1 時刻→ｔ2 時刻）。すると、第２制御室３２の内部圧力は、図７（ｄ）に示したように、低圧源６６に開放されて降下し、ノズルニードル１２がリフトして、噴射初期から高圧の燃料噴射が成される。
【００７２】
そして、ノズルニードル１２に連結する第２ピストン１６は、図７（ｅ）に示したように、第１ピストン１５の第１弁座に当接して一旦停止するため、ノズルニードル１２のリフトも止まり、初期噴射率が低減される（ｔ3 時刻）。このとき、第２ピストン１６は、第１ピストン１５の第１弁座に当接した際に、燃料通路８ａの開口のみを閉塞（シール）する。
【００７３】
その後に、１本の燃料通路８ｂを利用して、第１制御室３１内の高圧燃料の排出が行われる。これにより、ノズルニードル１２の第２ピストン１６は、図７（ｃ）に示したような第１制御室３１の内部圧力の低下に従って、図７（ｅ）、（ｆ）に示したように、第１ピストン１５と一体になって緩やかにリフトして、噴孔２０からの高噴射率の燃料噴射が成される（ｔ4 時刻→ｔ5 時刻）。
【００７４】
３）噴射終了時
図７（ａ）に示したように電磁弁１０への通電を停止（ＯＦＦ）すると、図７（ｂ）に示したようにドレーン通路９と環状溝７０との連通状態を遮断する（ｔ5 時刻→ｔ6 時刻）。すると、図７（ｃ）、（ｆ）に示したように、第１制御室３１の内部圧力が高圧となり、第２ピストン１６とノズルニードル１２とは一体となって降下する（ｔ6 時刻→ｔ7 時刻）。
【００７５】
第１ピストン１５がシリンダ１４の座部３０に当接すると、ノズルニードル１２は単独で下降するが、このとき、第２制御室３２へは第１制御室３１内の高圧燃料が燃料通路８ａ、８ｂを介して流入する。このため、ノズルニードル１２は十分な下降速度で下降を継続できる。そして、ノズルニードル１２が弁座２２に着座して燃料噴射が終了する（ｔ7 時刻→ｔ8 時刻）。このときの噴射パターンは、図７（ｆ）に示したように、第２ピストン１６のリフトから推定できるようにブーツ噴射（２段階噴射）となる。
【００７６】
〔第３実施例の効果〕
したがって、本実施例のインジェクタ４は、図１２（ｂ）に示したようなブーツ噴射（初期低噴射率、その後緩やかに高噴射率になる）を実現することができ、且つ最適な噴射切れ（高噴射率から急激に噴射を終了する）を実現することができる。また、初期噴射率を低くすることができるため、内燃機関の予混合燃焼を抑えることができ、低ＮＯｘおよび低騒音を実現することができる。
【００７７】
ここで、上記のような第３実施例のインジェクタ４において、燃料通路８ａを設けない構造の場合の第２ピストン１６のリフトは、図７（ｆ）の図示破線のようになるので、高噴射率から急激に噴射を終了するシャープカットを実現することはできない。
【００７８】
〔第４実施例〕
図８は本発明の第４実施例を示したもので、図８はインジェクタの主要構成を示した図である。
【００７９】
本実施例のインジェクタ４は、第１ピストン１５の円環状部分に、第１制御室３１と第２制御室３２とを連通する燃料通路（オリフィス通路）８が形成されている。そして、燃料通路８の途中（本例では図示上端部）には、通路断面積を絞る絞り部（本発明の第２絞り部に相当する）４２が設けられている。この燃料通路８は、第１ピストン１５の円環状部分の前端面（第１弁座）に開口を有している。
【００８０】
本実施例の第２ピストン１６は、第１弁座に当接した際に、燃料通路８の開口面積を減少させるように、燃料通路８の開口を閉塞（シール）する。そして、第２ピストン１６は、燃料通路８と第２制御室３２とを連通する燃料通路７４が形成されている。そして、燃料通路７４の途中（本例では図示上端部）には、通路断面積を絞る絞り部７５が設けられている。燃料通路７４の入口側の開口は、第２ピストン１６の後端面（図示上端面）に形成され、燃料通路７４の出口側の開口は、第２ピストン１６の外周面に形成されている。
【００８１】
〔第５実施例の構成〕
図９は本発明の第５実施例を示したもので、図９はインジェクタの全体構成を示した図である。
【００８２】
本実施例のシリンダ１４には、無噴射時に第１ピストン１５の筒状部分が着座する弁座（本発明の第３弁座に相当する）７６が設けられている。そして、シリンダ１４の弁座７６付近には、ドレーン通路９およびドレーン通路７１を介して低圧源６６と連通する円環状のドレーン室７２が設けられている。そして、ドレーン通路７１の入口側の開口は、シリンダ１４の弁座（ストッパ）７６に形成されている。
【００８３】
そして、第１ピストン１５は、所定量リフトすると、円筒状部分の内周面と外周面とを連通する連通穴３４とシリンダ１４の内周面に形成された環状溝７０との連通状態を遮断するように構成されている。また、第１ピストン１５は、無噴射時に筒状部分の先端面が弁座７６に着座すると、ドレーン通路７１の入口側の開口を閉塞（シール）する。
【００８４】
〔第５実施例の作動〕
次に、本実施例の電子制御燃料噴射システム１の作動を図９に基づいて簡単に説明する。
【００８５】
電磁弁１０が開くと、第２制御室３２の内部圧力が低圧となり、ノズルニードル１２および第２ピストン１６がリフトして燃料噴射を開始する。その後に、絞り部４２を介して第１制御室３２の圧力がドレーンされ、所定値まで降下すると、第１、第２ピストン１５、１６とは一体となってリフトし、連通穴３４と環状溝７０との連通面積が所定量まで下がった時にリフトを停止する。
【００８６】
電磁弁１０を閉じると、第１制御室３１の内部圧力は高圧となり、第１、第２ピストン１５、１６は一体となって降下し、第１ピストン１５の図示下端面が弁座７６に当接して停止し、同時にドレーン室７２とドレーン通路７１との連通状態が遮断される。その後に、第２ピストン１６のみが下降し、ノズルニードル１２が弁座２２に着座して燃料噴射を停止する。
以上の作動によりブーツ噴射を実現することができる。
【００８７】
〔第５実施例の効果〕
本実施例では、燃料噴射の停止期間中に、第１ピストン１５の円筒状部分の先端面でドレーン通路７１の入口側の開口を閉塞することにより、ドレーン室７２とドレーン通路７１との連通状態を遮断できるので、このドレーン室７２への第１、第２制御室３１、３２からの高圧燃料のリーク、およびスプリング室６８からの高圧燃料のリークを防止することができる。したがって、高圧燃料のエネルギー損失を低減することができる。
【００８８】
〔変形例〕
本実施例では、ドレーン通路（第３燃料通路）９の途中に設ける電磁弁として電磁弁１０を利用したが、燃料通路７およびドレーン通路９の途中に設ける電磁弁として三方電磁弁を利用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】電子制御燃料噴射システムの主要構造を示した概略図である（第１実施例）。
【図２】ノズルニードルのリフト量を示したタイムチャートである（第１実施例）。
【図３】電子制御燃料噴射システムの主要構造を示した概略図である（第２実施例）。
【図４】第１ノズルピースの低リフト状態を示した説明図である（第２実施例）。
【図５】第１、第２ノズルピースの高リフト状態を示した説明図である（第２実施例）。
【図６】インジェクタの全体構成を示した概略図である（第３実施例）。
【図７】電磁弁の通電状態、電磁弁のバルブ開度、第１制御室の内部圧力、第２制御室の内部圧力、第１ピストンのリフト量および第２ピストンのリフト量を示したタイムチャートである（第３実施例）。
【図８】インジェクタの主要構造を示した概略図である（第４実施例）。
【図９】インジェクタの全体構造を示した概略図である（第５実施例）。
【図１０】電子制御燃料噴射システムの全体構成を示した概略図である（従来の技術）。
【図１１】電子制御燃料噴射システムの主要構造を示した概略図である（従来の技術）。
【図１２】（ａ）、（ｂ）は噴射率を示したタイムチャートである（従来の技術）。
【図１３】インジェクタの主要構造を示した断面図である（従来の技術）。
【符号の説明】
１ 電子制御燃料噴射システム（内燃機関用燃料噴射装置）
３ コモンレール（燃料蓄圧部）
４ インジェクタ
６ 燃料通路
７ 燃料通路（第１燃料通路）
８ 燃料通路（第２燃料通路）
９ ドレーン通路（第３燃料通路）
１０ 電磁弁
１１ ノズルボディ（摺動部）
１２ ノズルニードル（弁体）
１４ シリンダ
１５ 第１ピストン
１６ 第２ピストン
２０ 噴孔
２１ 燃料溜り室（燃料溜り部）
３１ 第１制御室
３２ 第２制御室
３４ 連通穴（連通路）
３５ 連通溝（連通路）
４１ 絞り部（第１絞り部）
４２ 絞り部（第２絞り部）
４２ａ 絞り部（第２絞り部）
４２ｂ 絞り部（第２絞り部）
４３ リーク通路（低圧通路）
５１ 第１噴孔
５２ 第２噴孔
５３ 第１ノズルピース（第１弁体）
５４ 第２ノズルピース（第２弁体）
６１ コイルスプリング（第１付勢手段）
６２ コイルスプリング（第２付勢手段）
６６ 低圧源（低圧通路）
７０ 環状溝（連通路）

Claims (7)

1. （ａ）高圧燃料が導入および排出されるシリンダと、
   （ｂ）周囲に常に高圧燃料が導入され、前記シリンダ内より高圧燃料が排出されると噴孔を開く弁体と、
   （ｃ）前記シリンダの内周に摺動自在に設けられ、前記シリンダの内部空間を、前記弁体側に対して逆側の第１制御室と前記弁体側の第２制御室とに区画する閉塞部分、およびこの閉塞部分の外周端から前記弁体側に延びる筒状部分を有する第１ピストンと、
   （ｄ）この第１ピストンの筒状部分の内周に摺動自在に設けられ、前記弁体と連動して変位すると共に、前記弁体がプレリフト量だけ変位した際に前記第１ピストンと連動して変位する第２ピストンと、
   （ｅ）燃料蓄圧部と前記第１制御室とを連通するように設けられ、途中に第１絞り部を設けた第１燃料通路と、
   （ｆ）前記第１制御室と前記第２制御室とを連通するように設けられ、途中に第２絞り部を設けた第２燃料通路と、
   （ｇ）前記第２制御室と低圧通路とを連通するように設けられ、途中に電磁弁を設けた第３燃料通路と
   を備えた内燃機関用燃料噴射装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関用燃料噴射装置において、
   前記弁体がプレリフト量だけ変位した際に前記第２ピストンが当接する第１弁座と、前記弁体がフルリフト量だけ変位した際に前記弁体が当接する第２弁座とを備え、
   前記シリンダは、前記弁体を摺動自在に保持するノズルボディに、インジェクタ本体を介して連結されており、
   前記第１弁座は、前記第１ピストンの閉塞部分の、前記第２ピストンが当接する端面に設けられており、
   前記第２弁座は、前記インジェクタ本体の、前記弁体が当接する端面に設けられていることを特徴とする内燃機関用燃料噴射装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の内燃機関用燃料噴射装置において、
   前記第１ピストンまたは前記第２ピストンには、前記第２燃料通路と前記第３燃料通路とを連通する連通路が設けられたことを特徴とする内燃機関用燃料噴射装置。
4. 請求項１に記載の内燃機関用燃料噴射装置において、
   前記弁体は、前記第１ピストンと連動して変位する第１弁体、および内周で前記第１弁体を摺動自在に支持すると共に、前記第１弁体が所定リフト量以上変位すると前記第１弁体と連動して変位する第２弁体を有し、
   前記シリンダは、前記燃料蓄圧部で蓄圧された高圧燃料を燃料溜り部に供給するための燃料通路、および内周で前記第２弁体を摺動自在に支持する筒状の摺動部を有し、
   前記噴孔は、前記摺動部の一端側に設けられて、前記第１弁体が変位した際に開放される第１噴孔、およびこの第１噴孔よりも他端側の前記摺動部に設けられて、前記第２弁体が変位した際に開放される第２噴孔を有し、
   前記第１弁体は、この第１弁体に変位に応じて、前記燃料溜り部の出口と前記第１噴孔の入口および前記第２噴孔の入口とを連通する連通路を有することを特徴とする内燃機関用燃料噴射装置。
5. 請求項４に記載の内燃機関用燃料噴射装置において、
   前記第１弁体を閉弁方向に付勢する第１付勢手段と、
   前記第２弁体を閉弁方向に付勢する第２付勢手段と
   を備えたことを特徴とする内燃機関用燃料噴射装置。
6. 請求項１に記載の内燃機関用燃料噴射装置において、
   前記第１ピストンは、前記弁体がプレリフト量だけ変位した際に前記第２ピストンが当接する第１弁座を有し、
   前記第２燃料通路は、前記第１弁座に開口を有し、
   前記第２ピストンは、前記第１弁座に当接した際に、前記第２燃料通路の開口面積を減少させることを特徴とする内燃機関用燃料噴射装置。
7. 請求項１に記載の内燃機関用燃料噴射装置において、
   前記シリンダは、無噴射時に前記第１ピストンの筒状部分が着座する第３弁座、この第３弁座付近に設けられたドレーン室、およびこのドレーン室内の燃料を排出するためのドレーン通路を有し、
   前記ドレーン通路は、前記第３弁座に開口を有し、
   前記第１ピストンは、前記第３弁座に着座した際に、前記ドレーン通路の開口を閉塞することを特徴とする内燃機関用燃料噴射装置。

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