JP2015230001A

JP2015230001A - 燃料噴射弁

Info

Publication number: JP2015230001A
Application number: JP2014118050A
Authority: JP
Inventors: 戸田　直樹; Naoki Toda; 直樹戸田; 伊藤　昌晴; Masaharu Ito; 昌晴伊藤; 雅里池本; Mari Ikemoto
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2015-12-21

Abstract

【課題】噴霧特性が改善された燃料噴射弁を提供する。
【解決手段】先端部に弁体部１７を有するニードル２と、ニードルを昇降可能に収容するとともに、先端部に弁体部が当接可能なシート部５を有するノズルボディ１と、を備え、ニードルのリフトに応じて燃料噴射を制御する燃料噴射弁において、ノズルボディの最先端部にサック室１３を設け、サック室を、内面半球形状の半球部１３ａと、シート部に接続される一端および半球部に接続される他端を有する管状部１３ｂとで構成し、ノズルボディに、半球部に連通する噴孔４を設け、ニードルには、弁体部の先端側に形成され、先端方向に向けて収束する截頭円錐形状を有する部分１７ｂを設ける。管状部の前記一端における直径Ｄ_ｓａｃを０．８ｍｍ以下とし、且つ弁体部とシート部との当接時における前記部分の截頭面９と前記半球部の最先端部１０との距離ｈを０．１５ｍｍ以下とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射装置に適用される燃料噴射弁に関するものである。

従来の燃料噴射弁としては、例えば特許文献１に開示されたものがある。燃料噴射弁のノズルボディにはニードルが昇降可能に収容され、それらの先端部にあるテーパ面同士の当接および離脱に応じて気筒内の燃焼室への燃料噴射を制御するよう構成されている。

特開平１１−０９３８０５号公報

従来の燃料噴射弁では、低リフト状態として微少噴射量を得る際には燃料噴射が低貫徹となって噴霧が広がる一方、高リフト状態として大噴射量を得る際には高貫徹の噴射が行われる。この噴霧特性により、噴射量を微少としたパイロット噴射時には、噴霧燃料が、燃焼室に連通する噴孔の出口近傍で燃焼する。すると、続くメイン噴射時には、噴霧燃料の着火が噴孔の出口近傍の位置で生じることでスモークが発生するとともに、高貫徹に噴射された大量の燃料の火炎が燃焼室壁面に衝突することで冷却され、熱損失が発生して燃費が低下してしまう。

よって本発明は、噴霧特性が改善された燃料噴射弁を提供することを目的とする。

そのために、本発明は、先端部に弁体部を有するニードルと、該ニードルを昇降可能に収容するとともに、先端部に前記弁体部が当接可能なシート部を有するノズルボディと、を備え、前記ニードルのリフトに応じて燃料噴射を制御する燃料噴射弁であって、
前記ノズルボディは、その最先端部に設けられたサック室を有し、該サック室は、半球形状の内面を有する半球部と、前記シート部に接続される一端および前記半球部に接続される他端を有する管状部とを有し、前記ノズルボディは、前記半球部に連通する噴孔を有し、
前記ニードルは、前記弁体部の先端側に形成され、先端方向に向けて収束する截頭円錐形状を有する部分を有し、
前記管状部の前記一端における直径を０．８ｍｍ以下とし、且つ前記弁体部と前記シート部との当接時における前記部分の截頭面と前記半球部の最先端部との距離を０．１５ｍｍ以下としたことを特徴とする。

本発明によれば、好ましい噴霧特性を有する燃料噴射弁、すなわちパイロット噴射にあたりニードルを低リフト状態として微少噴射量を得る際には高貫徹の噴射が行われ、メイン噴射にあたりニードルを高リフト状態として大噴射量を得る際には低貫徹の噴射が行われる燃料噴射弁を実現できる。

比較例に係る燃料噴射弁の主要部を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る燃料噴射弁の主要部を示す断面図である。（ａ）および（ｂ）は図２の燃料噴射弁の動作を説明するための断面図である。（ａ）および（ｂ）は燃料噴射弁の主要部の好ましい寸法設定を説明するための断面図である。いくつかの燃料噴射弁の、噴射開始からの時間に対する貫徹力の変化を示したグラフである。本発明の規定に従って構成した燃料噴射弁の特性を示す図である。リフト量が過大である場合に生じる問題を説明するための断面図である。本発明の一実施形態に従ったパイロット噴射およびメイン噴射の概念を説明するためのタイミングチャートである。本発明を適用可能なディーゼルエンジンおよびその制御系の概略構成を示す説明図である。図２に示した主要部を適用可能な燃料噴射弁の全体的な構成を示す断面図である。本発明に係る燃料噴射弁を制御するための制御手順の一例を示すフローチャートである。最大リフト量を制限する構成を説明するための断面図である。図２に示した燃料噴射弁の主要部の変形例を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

（比較例）
まず図１を用い、本発明の前提となった、比較例に係る燃料噴射弁の主要部を説明する。ノズルボディ１の先端部（図中下方を先端側とする）には、先端方向に向って収束するテーパ面を有するシート部５と、シート部５の先端側に接続された半球状のサック室３と、サック室３から燃焼室への燃料噴射通路をなす噴孔４と、が設けられている。一方、ニードル２の先端部には、シート部５のテーパ角度より僅かに小さい収束角を有するテーパ面が形成されたテーパ部分７ａと、僅かに大きい収束角を有して先端側に位置するテーパ面が形成されたテーパ部分７ｂと、サック室３内に突入できるよう円錐形状を有して最先端部に形成された逃し部８と、を有する弁体部７が設けられている。

ノズルボディ１の内周面とニードル２の外周面との間隙部は、例えば、不図示の燃料供給ポンプから圧送されてくる燃料を高圧状態で蓄えるコモンレールに接続されている。燃料噴射を行わない場合にはニードル２は最下降位置にあり、このときテーパ部分７ａおよび７ｂの接続部７ｃがシート部５に当接することで封止線が形成されて、サック室３への燃料の流入が阻止される。その状態からニードル２が上昇（リフト）すると、接続部７ｃがシート部５から離脱することで封止状態が解かれ、サック室３への燃料の流入ひいては噴孔４を介した燃焼室内への燃料噴射が行われる。また、燃料噴射量は、ニードル２のリフト量を調節し、ノズルボディ１の内周面とニードル２の外周面との間隙部がなす燃料流路の断面積を拡大／縮小することによって制御が可能であり、例えばパイロット噴射を行う場合にはリフト量を相対的に小（低リフト状態）とし、メイン噴射を行う場合にはリフト量を相対的に大（高リフト状態）とすることができる。

しかしながら、図１に示すような構造では、低リフト状態として微少噴射量を得る場合であっても、円錐形状の逃し部８がサック室３内に突入しており、当該突入部分を囲むサック室３の空間が大きい。このため当該突入部分の側面から剥離した流れによって噴孔４の入り口近傍に渦が発生し、サック室に連通する噴孔４にこの渦が流れ込むことによって燃料の流速が低下してしまう。従って、低リフト状態では燃焼室内への燃料噴霧が低貫徹となり、噴霧が広がることになる。一方、高リフト状態（図１に示すような状態）として大噴射量を得る際には渦が発生しないか、または噴孔４から離れた位置で発生するため、噴孔４を通る燃料の流速は低下せず、従って高貫徹の噴射が行われる。この噴霧特性により、噴射量を微少としたパイロット噴射時には、噴霧燃料が噴孔４の出口近傍で燃焼する。すると、続くメイン噴射時には、噴霧燃料の着火が噴孔４の出口近傍の位置で生じることでスモークが発生するとともに、高貫徹に噴射された大量の燃料の火炎が燃焼室壁面に衝突することで冷却され、熱損失が発生して燃費が低下してしまう。

本発明者は、以上のような知見を得て本発明をするに至ったものである。

（基本構成）
図２は、本発明の一実施形態に係る燃料噴射弁の主要部を示す断面図であり、図１に示したものと同等の機能を果たす各部には対応箇所に同一符号を付してある。

本実施形態が図１の構成と異なるのは、まずニードル２に関しては、円錐形状の逃し部８ではなく、テーパ部分７ａから先端側に一様な収束角θ_ｎｄｌを有して延在する截頭円錐形状のテーパ部分１７ｂが形成され、その截頭面９がニードル２の終端となる弁体部１７を採用した点である。また、本実施形態のノズルボディ１に関しては、その最先端部にサック室１３が設けられ、サック室１３は、半球形状の内面を有する半球部１３ａと、一端でシート部５に接続されるとともに他端で半球部１３ａに接続され、一定半径の円筒形状内面を有する管状部１３ｂとを備える。ここでいう「半球形状」とは必ずしも完全な半球形状のみをいうのではなく、完全な半球形状と、これに類似する形状とを含めて「半球形状」という。すなわち「半球形状」とは略半球形状の意である。同様に「半球部」も、必ずしも完全な半球形状を有するものではなく、その意味で略半球部と言い換えることもできる。ここで、ニードル２のテーパ部分７ａはシート部５の収束角より微小角度小さい収束角を有しているとともに、テーパ部分１７ｂの収束角θ_ｎｄｌはノズルボディ１のシート部５の収束角θ_ｎｚｌより大きく設定されている（例えばθ_ｎｄｌ＝６０゜、θ_ｎｚｌ＝５９゜）。従って、図２において二点鎖線で示すように、ニードル２が最下降位置にある閉弁時には、弁体部１７のテーパ部分７ａとテーパ部分１７ｂとの接続部１７ｃがテーパ部５に当接することによって封止線が形成されるとともに、テーパ部分１７ｂの截頭部付近がサック室１３に突入した状態となる。

図３は、本実施形態の燃料噴射弁の動作を説明するための断面図であり、主要部をニードル中心軸Ｃｎｄｌに沿って破断した状態で示している。最下降位置にある閉弁時の状態からニードル２が上昇すると、弁体部１７とシート部５との間の流路が形成され、すなわちノズルボディ１の内周面とニードル２の外周面との間隙部が形成され、この間隙部からサック室１３への燃料の流入、ひいては噴孔４を介した燃焼室内への燃料噴射が行われる。この際、サック室１３の入り口ではテーパ部分１７ｂに沿った流れが生じ、その後剥離して噴孔４に流れ込む。

微小噴射量を得る低リフト時には、図３（ａ）に示すように、截頭面９と半球状半球部１３ａの最先端部１０との間隙が狭くテーパ部分７ｂを囲むサック室１３の空間が小さいため、剥離した流れによって渦が形成されにくくなるので、噴孔４内の燃料の流れは比較的乱れが少ない。従って噴霧Ｓの貫徹力は高く、噴霧Ｓは広がりが小さいものとなる。これに対し、リフトの増加に伴って截頭面９と半球部最先端部１０との間の空間が拡張すると、図３（ｂ）に示すように、ニードル２のテーパ部分１７ｂから剥離した流れにより、截頭面９とテーパ部分１７ｂとの稜線の近傍に渦が発生する。リフト量がある量に達すると渦中心Ｅｃが噴孔４の入り口中心Ｎｃに近い位置で発生し、この渦が噴孔内に流れ込むことで、噴孔４内には強い旋回流が発生する。これにより、噴孔４を出た噴霧Ｓは径方向の速度を持つために大きく広がり、貫徹力の増大が抑制される。

このように、本実施形態では、燃料噴射弁の構造、特にノズルボディおよびニードルの先端部の構造を適切に定めることで、サック室１３内の渦形成を制御することが可能となり、所期の噴霧特性を実現することができる。すなわち、パイロット噴射のために微小噴射量を実現する低リフト時には、渦が発生し難く、噴孔内の流れの乱れが少ないので高貫徹の噴射が行われ、噴霧燃料は噴孔４の出口から離れた位置で燃焼する。一方、メイン噴射のために大噴射量を実現する高リフト時には、渦が発生するとともに、これが噴孔４内に導入されることで貫徹力の増大が抑制されるので、噴霧燃料の着火が噴孔４の出口から離れた位置で生じ、また火炎の燃焼室壁面への衝突が緩和される。これにより、噴霧特性を改善してスモークの発生や熱損失を抑制することができ、ひいては燃費低減の効果が得られる。

上述の噴霧特性が得られるよう、本発明では、図２に示すように、シート部５と接続されるサック室１３の一端の直径Ｄ_ｓａｃ（以下、サック径と称する。本実施形態の場合、管状部１３ｂの内面の当該一端の径に等しい。）を０．８ｍｍ以下と規定し、ニードル２が最下降位置にあるときのニードル２の最先端部（すなわち截頭面９）からサック室１３の最先端部１０（すなわち半球部１３ａの半球状内面とニードル中心軸線との交点）までの距離すなわちクリアランスｈを０．１５ｍｍ以下と規定している。以下では、寸法をその規定に従って定めた理由について説明する。

図４（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、サック径Ｄ_ｓａｃが好ましく（すなわち０．８ｍｍ以下に）定められた構造および過大である（すなわち０．８ｍｍより大である）構造について、高リフト時における燃料の流れを示している。まず、図４（ａ）の構造では、テーパ部分１７ｂの内面とサック室１３の内面との距離が比較的小さく、ノズルボディ１の内周面とニードル２の外周面との間隙部で形成される流路からサック室１３に繋がる入り口での流路の断面積の変化が小さい。このため、サック室１３に流入する燃料の速度の顕著な低下が生じない。従って、ニードル２のテーパ部分１７ｂから剥離した流れにより発生する渦の旋回速度は大きくなり、この渦が噴孔４内に導入されることから貫徹力の増大を好ましく抑制することができる。これに対し、図４（ｂ）の状態では、サック室１３の入り口で流路断面積が大きく拡大され、流入速度の低下が生じる。従ってニードル２のテーパ部分１７ｂから剥離した流れにより発生する渦の旋回速度が小さくなるため、この渦が噴孔４内に導入されても十分な旋回流を得ることができなくなり、貫徹力の増大を効果的に抑制することができなくなる。

図５は、サック径Ｄ_ｓａｃおよびクリアランスｈを異ならせた先端部構造を有するいくつかの燃料噴射弁を用い、リフト量ゼロ（閉弁状態）から一定速度でニードル２をリフトさせたときの時間（すなわち噴射開始からの時間）に対する貫徹力の変化を示したグラフである。図５では、本発明の規定に従った燃料噴射弁、すなわち（ｉ）Ｄ_ｓａｃ＝０．７０ｍｍとｈ＝０．０４ｍｍの組み合わせ、（ｉｉ）Ｄ_ｓａｃ＝０．７５ｍｍとｈ＝０．０４ｍｍの組み合わせ、および（ｉｉｉ）Ｄ_ｓａｃ＝０．７０ｍｍとｈ＝０．１１ｍｍの組み合わせをそれぞれ有する３つの燃料噴射弁と、本発明の規定から外れた燃料噴射弁、すなわち（ｉｖ）Ｄ_ｓａｃ＝１．０ｍｍとｈ＝０．３ｍｍの組み合わせを有する１つの燃料噴射弁の貫徹力の変化曲線を例示している。図５から明らかなように、噴射開始からの経過時間が０．２ｍｓまでの短い期間（微小噴射量に相当する）では、（ｉ）〜（ｉｖ）のいずれの場合も概ね一様に貫徹力が増大して行く。しかしその期間を過ぎると、（ｉ）〜（ｉｉｉ）の場合はいずれも（ｉｖ）の場合よりも貫徹力の増加率が小さくなり、（ｉｖ）の場合に比べて相対的に貫徹力が低くなることがわかる。従って、大噴射量となる例えば０．５ｍｓ以上の時間では、（ｉ）〜（ｉｉｉ）の場合は（ｉｖ）の場合よりも貫徹力を低減したメイン噴射を行うことができる。

本発明者はこれらの場合を含む種々の組み合わせに対する検証を経て、本発明の規定、すなわちサック径Ｄ_ｓａｃを０．８ｍｍ以下且つクリアランスｈを０．１５ｍｍ以下とする規定に従って燃料噴射弁を構成すれば、所期の噴霧特性を実現することができることを確認した。

（リフト量の設定）
さて、図５の横軸は、閉弁状態から一定速度でニードル２をリフトさせたときの時間（噴射開始からの時間）を示しているので、その横軸は実質的にリフト量を表し、従って図５はリフト量に対する貫徹力の変化を表わしている。そして、サック径とクリアランスの組み合わせを有する（ｉ）〜（ｉｉｉ）に着目すれば、本発明の規定に従った場合は、概して図６のような噴霧特性が得られる。ここで、図６の上側部分は噴射開始からの時間に対するリフト量の変化を示し、下側部分は噴射開始からの時間に対する貫徹力の変化を示している。図６の上側部分から分かるように、ニードル２は一定速度でリフトされている。従って、図６に示すような特性に基づき、パイロット噴射時とメイン噴射時とのそれぞれにおいて、好ましいリフト量の設定を行うことができる。

具体的には、噴射開始からの時間が０．２ｍｓ以下である場合に相当するリフト量を微少噴射量に対して設定すれば、所要の貫徹力が得られる。また、大噴射量に対しては、噴射開始からの時間が０．５ｍｓ以上である場合に相当するリフト量を設定することができる。

しかしながら、リフト量が過大となると、貫徹力が再び大きく増大し始めることが確認された。その理由は、図７に示すように、リフト量が大きくなるに従い、截頭面９と噴孔４の入口とのニードル中心軸Ｃｎｄｌの方向の位置ずれが大きくなり、渦中心Ｅｃが噴孔入口中心Ｎｃから遠ざかることで渦が噴孔内に流れ込みにくくなるため、噴孔４内の旋回流が弱化し、噴霧の径方向の速度が小さくなるからである。よって、図６に示すような特性に基づき、噴射開始からの時間が０．５〜１．１ｍｓである場合に相当するリフト量を大噴射量に対して設定すれば、噴孔４内の旋回流を維持し、貫徹力の増加を抑制することができる。なお、噴射開始からの時間が１．１ｍｓ超となる場合に相当するリフト量は設定しないこと、すなわち噴射開始からの時間が１．１ｍｓである場合に相当するリフト量が最大リフト量Ｌｍａｘとなるようにすることが好ましい。この点については後述する。

図８に示すように、例えば噴射開始から０．１ｍｓ経過時点に相当するリフト量Ｌｐを定めてパイロット噴射Ｐを開始（燃料噴射弁をオン）し（時点ｔｐ_ｏｎ）、閉弁を指示する時点（燃料噴射弁をオフする時点、時点ｔｐ_ｏｆｆ）までリフト量Ｌｐを維持することができる。また、例えば噴射開始から０．７５ｍｓ経過時点に相当するリフト量Ｌｍを定めてメイン噴射Ｍを開始（燃料噴射弁をオン）し（時点ｔｍ_ｏｎ）、閉弁を指示する時点（燃料噴射弁をオフする時点、時点ｔｍ_ｏｆｆ）までリフト量Ｌｍを維持することができる。なお、パイロット噴射をオンとする期間（時点ｔｐ_ｏｎから時点ｔｐ_ｏｆｆまで）およびメイン噴射をオンとする期間（時点ｔｍ_ｏｎからｔｍ_ｏｆｆまでの時間）は、いずれも所要の燃料噴射量および噴射の立ち上り／立ち下がり時間を考慮して設定することが好ましい。

（内燃機関とその制御系の構成）
図９は、本発明を適用可能な内燃機関の一例としてのディーゼルエンジンと、その制御系の概略構成を示す説明図である。但し本発明はここで述べる以外の内燃機関や制御系にも適用可能である。エンジン１０１は、複数の気筒１１８を有するシリンダブロック１１９と、シリンダヘッド１０３とを備えて構成される。各気筒１１８内にはピストン１０２が収容され、各ピストン１０２はコネクティングロッド１３０を介しエンジンの出力軸であるクランクシャフト（不図示）に連結される。エンジン１０１には、気筒毎に燃焼室１２０が設けられている。各燃焼室１２０には吸気通路１０８および排気通路１０９が接続され、ＥＧＲ弁１２２が介挿されたＥＧＲ通路１２３がそれらの通路を接続している。

シリンダヘッド１０３には、各気筒１１８の燃焼室１２０に燃料を噴射する燃料噴射弁１１０が取り付けられる。この燃料噴射弁１１０は、図２に示した主要部を備えるものであり、上述のようにニードル２のリフト量を変更することでパイロット噴射およびメイン噴射のオン／オフを行うことが可能なものである。気筒１１８ごとに設けられた燃料噴射弁１１０は、共通の蓄圧配管であるコモンレール１１１に接続され、コモンレール１１１がさらに供給配管を介してサプライポンプ（不図示）に接続されていることで、気筒１１８内への燃料の供給が可能である。一方、吸気通路１０８からは、スロットル弁１２１を介して空気が気筒１１８内に導入可能である。

制御ユニットをなす電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）１０６に対しては、コモンレール１１１内の燃料圧力を検出するレール圧センサ１１２、吸入する空気の温度を検出する吸気温センサ１１３、冷却水の温度を検出する水温センサ１１４、アクセルの開度を検出するアクセル開度センサ１１５、吸入空気量を検出する吸入空気量センサ１１６、クランク角を検出するクランク角センサ１１７、およびインテークマニフォールドの内圧を検出する吸気圧センサ１２８が接続され、それらの検出信号に基づいてエンジン１０１の運転が制御される。

図１０は、図２に示した主要部を適用可能な燃料噴射弁１１０の全体的な構成を示す断面図である。なお、本発明の規定に従う構造および寸法を有する主要部は、図１０に示した燃料噴射弁１１０をはじめとして、種々公知の構成を有する燃料噴射弁に適用が可能である。

図１０の構成では、ノズルボディ１は締結部材２０２によってバルブボディ２０１に連結されている。バルブボディ２０１内には、上述したニードル２に対し、ニードルストッパ２３およびバランスピストン２４が順次基端側（図中上側を基端側とする）に連結された状態で収納され、これらは油密状態で摺動可能となっている。そして、バランスピストン２４の上端面には、高圧通路２８を介してコモンレール１１１から高圧燃料が供給される。また、ノズルボディ１の内周面とニードル２の外周面とによって形成される間隙には、高圧通路２８に連通する高圧室２０４を介して高圧燃料が供給される。図に示すように、ニードル２はその基端側を拡径する段差部２０３を有しており、その段差部２０３が高圧室２０４に位置するようにノズルボディ１に収容されている。従って、ニードル２には、先端側にある弁体部１７（特に部分７ａ）と高圧室２０４内に位置する段差部２０３とに作用する高圧によって、ニードル２を押し上げる押上力が作用している。一方、ニードルストッパ２３の下方に隣接するニードルストッパ下部室３１には、ピエゾアクチュエータ２５に連結されてバルブボディ２０１内で油密状態で摺動可能なピエゾピストン２６により加圧された燃料が供給される。

ニードルストッパ２３の上方に隣接する上部室３２はピエゾアクチュエータ２５が収納される低圧室５１に連通する。上部室３２内には、バランスピストン２４とともにニードルストッパ２３をニードル２の閉弁方向に付勢するばね４１が収納される。ピエゾピストン２６内には、その下方に隣接する下部室６１と低圧室５１とを連通する連通路が形成され、その連通路内には下部室６１から低圧室５１ヘの流れを遮断する逆止弁６２が配置される。また、ピエゾピストン２６はばね６３によりピエゾアクチュエータ２５に向けて付勢されている。

ピエゾアクチュエータ２５に通電されていない状態（開弁が指示されていない状態）では、上端面に常時高圧が作用しているバランスピストン２４とばね４１の付勢力との協働により、ニードル２が押下されて閉弁状態となっている。しかし開弁が指示されると、すなわちピエゾアクチュエータ２５への通電がなされると、ピエゾアクチュエータ２５が伸張してピエゾピストン２６を図中下方に移動させ、これに伴ってばね６３が圧縮される。ここで、ピエゾピストン２６内に配置された逆止弁６２により下部室６１から低圧室５１への燃料の流れは遮断されるため、ばね６３の圧縮に伴って下部室６１およびそれと連通したニードルストッパ下部室３１の内圧が上昇する。この内圧の上昇によりニードルストッパ２３が押し上げられ、ニードル２に作用している上述の押上力が押下力を超えた時にニードル２のリフトが開始されて開弁状態となり、上述したように噴孔４から燃焼室１２０へと燃料が噴射される。

以上の構成においては、ニードル２を押し下げて閉弁しようとする下向きの力（高圧燃料による圧力とばね４１の付勢力に由来する）と、ニードル２を押し上げて開弁しようとする上向きの力との均衡関係に応じてニードル２のリフトのオン／オフを制御するとともに、ピエゾ素子の伸張量に応じてニードル２のリフト量を制御することができる。

図１１は、図９に示した構成を用いて本発明に係る燃料噴射弁を制御するために、ＥＣＵ１０６によって実行される制御手順の一例を示すフローチャートである。本手順では、パイロット噴射およびメイン噴射のそれぞれについて、アクセル開度センサ１１５によるアクセル開度の検出値とクランク角センサ１１７の検出値に基づいて計算されたエンジン回転数とに基づき、適切な燃料噴射量の設定および燃料噴射時期（ニードル２のリフト開始タイミング）の設定が行われる（ステップＳ１およびＳ２）。次に、同様の方法で、パイロット噴射およびメイン噴射を行う際のコモンレール圧が設定されるが（ステップＳ３）、この際レール圧センサ１１２の検出信号を用いたフィードバック制御が行われるようにする。またパイロット噴射およびメイン噴射を行う際のコモンレール圧は同一であってもよいし、異なっていてもよい。なお、これらの設定は、関数演算により実施されるものでもよいし、ＥＣＵ１０６が有するＲＯＭに格納された所定のマップを参照することで実施されるものでもよい。

そして、ステップＳ４にて、ステップＳ１での設定に対応したピエゾアクチュエータ２５の操作量すなわち伸張量（ニードル２のリフト量に対応）と、ピエゾアクチュエータ２５のオン期間とを、パイロット噴射およびメイン噴射のそれぞれについて設定する。

その後、図外の制御手順に従って、ステップＳ２で設定したパイロット噴射の時期が来たら、図８に示したように、例えば噴射開始から０．１ｍｓ経過時点に相当するリフト量をニードル２のリフト量として設定してピエゾアクチュエータ２５をオンとすることによりパイロット噴射Ｐを開始し（時点ｔｐ_ｏｎ）、所定時間が経過（時点ｔｐ_ｏｆｆ）したらピエゾアクチュエータ２５をオフとすることができる。そして、ステップＳ２で設定したメイン噴射の時期が来たら、図８に示したように、例えば噴射開始から０．７５ｍｓ経過時点に相当するリフト量をニードル２のリフト量として設定してピエゾアクチュエータ２５をオンとすることによりメイン噴射Ｍを開始し（時点ｔｍ_ｏｎ）、所定時間が経過（時点ｔｍ_ｏｆｆ）したらピエゾアクチュエータ２５をオフとすることができる。

（その他の実施形態）
なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形または変更が可能である。例えば、上述の実施形態では、パイロット噴射およびメイン噴射のそれぞれについて固定されたリフト量を用いるようにしたが、適宜変更されるようにしてもよい。そして、リフト量を固定する場合であっても、また変更可能とする場合であっても、図６から明らかなように、パイロット噴射に際しては０ｍｓ超で０．２ｍｓ以下の期間内のどの時間に対応したリフト量でも使用可能であり、メイン噴射に際しては０．５ｍｓ以上で１．１ｍｓ以下の期間内のどの時間に対応したリフト量でも使用可能である。

また、メイン噴射に対しては、噴孔４内の旋回流を維持できる最大のリフト量を、上述したように図６の特性を考慮して設定するようにしてもよい。この場合は、図１２に示すように、ニードル２が最大リフトしたときのニードル先端すなわち截頭面９の位置が、噴孔４の中心軸Ｃｎｚｌとニードル２の中心軸Ｃｎｄｌとの交点Ｃｐからリフト方向に噴孔４の半径ｄ／２だけ離れた位置となるように、最大リフト量を設定する構成を採用することができる。これによれば、テーパ部分１７ｂと截頭面９との稜部近傍で発生する渦の中心を、噴孔４の入り口の中心軸Ｃｎｚｌ方向の高さ範囲内にほぼ収める（オーバーラップさせる）ことで、渦を確実に噴孔に流れ込ませることができる。なお、図６に示すように、この最大リフト量Ｌｍａｘは、例えば噴射開始からの時間が１．１ｍｓである場合のリフト量に相当する。

さらに上述の実施形態においては、サック室１３の管状部１３ｂを半径一定の円筒形状の内面を有するものとした。しかし当該部分は、例えば図１３に示すように、シート部５と繋がる部分から半球部１３ａに向うにつれて収束するテーパ面を有する管状部１３ｂ’であってもよい。この場合も、サック径Ｄ_ｓａｃは、シート部５に接続される管状部１３ｂ’の一端における内径である。また、管状部１３ｂ’のテーパ面の収束角θｓａｃは、弁体部１７の截頭円錐形状のテーパ部分１７ｂの収束角θ_ｎｄｌ未満とすることができる。

１ノズルボディ
２ニードル
５シート部
１７弁体部
１３サック室
４噴孔
９截頭面
１０半球部最先端部
１３ａ半球部
１３ｂ、１３ｂ’ 管状部
１１０燃料噴射弁

Claims

先端部に弁体部を有するニードルと、該ニードルを昇降可能に収容するとともに、先端部に前記弁体部が当接可能なシート部を有するノズルボディと、を備え、前記ニードルのリフトに応じて燃料噴射を制御する燃料噴射弁であって、
前記ノズルボディは、その最先端部に設けられたサック室を有し、該サック室は、半球形状の内面を有する半球部と、前記シート部に接続される一端および前記半球部に接続される他端を有する管状部とを有し、前記ノズルボディは、前記半球部に連通する噴孔を有し、
前記ニードルは、前記弁体部の先端側に形成され、先端方向に向けて収束する截頭円錐形状を有する部分を有し、
前記管状部の前記一端における直径を０．８ｍｍ以下とし、且つ前記弁体部と前記シート部との当接時における前記部分の截頭面と前記半球部の最先端部との距離を０．１５ｍｍ以下としたことを特徴とする燃料噴射弁。