JP4306144B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼル機関のコモンレールシステムに用いられる燃料噴射弁に関し、詳しくはノズルニードルの可変リフトが可能な燃料噴射弁に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、ディーゼル機関の燃料噴射システムとして、各気筒に共通のコモンレールに高圧燃料を蓄圧するコモンレールシステムが知られている。コモンレールシステムで用いられる燃料噴射弁では、噴孔を開閉するノズルニードルをアクチュエータで駆動することにより燃料噴射を制御しており、アクチュエータとして、応答性に優れる圧電アクチュエータが着目されている。
【0003】
近年、ディーゼル機関の燃料噴射システムにおいて、燃料噴射の制御性をより向上させて、騒音や排ガス等を低減することが要求されている。このため、ノズルニードルのリフト量を可変制御することが検討されており、例えば、米国特許第5803370号には、圧電アクチュエータと一体のロッドでノズルニードルを駆動する方式の燃料噴射弁において、圧電アクチュエータの印加電圧を制御することにより、ノズルニードルの任意のリフト位置に制御することが提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この方式の燃料噴射弁では、圧電アクチュエータに印加する電圧によってノズルニードルのリフト位置を変化させ、例えば、フルリフト位置とシート位置の中間位置に保持することはできるが、その位置を正確に制御することは難しい。これは、圧電アクチュエータの圧電特性が温度依存性を有し、また、個体間でもばらつきがあって、印加電圧を一定としても圧電アクチュエータのストローク量が必ずしも同じにならないためで、個体間や噴射サイクル間の再現性が保証できない、という問題があった。
【0005】
リフト量を常に一定とするには、例えば、ノズルニードルのリフトをストッパで規制することが考えられるが、フルリフト位置と中間位置の2段に制御する場合には、ストッパの位置を可変にする必要があり、構成が複雑になりやすい。また、ストッパの位置を可変にするための駆動手段が必要となって、燃料噴射弁が大型化する問題が生じる。
【0006】
そこで、本発明の目的は、個体間のばらつきや温度特性の影響を受けることなく、ノズルニードルのリフト位置を可変制御するストッパ構造を、比較的簡単な構成で実現し、小型で正確な可変リフト制御が可能な燃焼噴射弁を実現することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1の燃料噴射弁は、噴孔を開閉するノズルニードルを有し、上記ノズルニードルのリフトをアクチュエータで制御している。さらに、上記ノズルニードルに当接してそのリフト量を規制するとともに上記ノズルニードルのリフト方向に移動可能な可動ストッパを設け、該可動ストッパの背面の油圧を高圧または低圧のいずれかに切り替えることにより上記可動ストッパを第1の位置または第2の位置に移動させ、上記可動ストッパが第1の位置にある時に上記ノズルニードルを最大リフト量よりも小さい第1のリフト量に制限し、上記可動ストッパが第2の位置にある時に上記ノズルニードルを上記最大リフト量である第2のリフト量に制限する油圧制御弁を設けている。
そして上記油圧室が、上記アクチュエータに第1のエネルギーを供給した時に第1の油圧を発生して上記ノズルニードルのみを駆動するとともに、上記第1の位置にある上記可動ストッパにて制限される上記第1のリフト量までリフトさせ、上記アクチュエータに第1のエネルギーより大きい第2のエネルギーを供給した時に第1の油圧より大きい第2の油圧を発生して上記ノズルニードルと上記油圧制御弁の両方を駆動するとともに、上記可動ストッパを上記第2の位置に移動して上記ノズルニードルを上記第2のリフト量までリフトさせる。
【0008】
上記油圧制御弁によって上記可動ストッパを第1の位置に移動させると、上記ノズルニードルのリフトは第1のリフト量に制限され、第2の位置に移動させると、上記ノズルニードルのリフトは第2のリフト量に制限される。本発明では、上記ノズルニードルのリフトを上記可動ストッパで規制するので、個体間のばらつきや温度特性の影響を受けることなく、リフト量を正確に制御でき、また、上記可動ストッパの位置を上記油圧制御弁で切り替えることで、リフトを2段に制御できる。また、上記可動ストッパは、背面の油圧の増減によって容易にその位置を切り替えられるので、比較的構成が簡単であり、小型で正確な可変リフト制御が可能な燃焼噴射弁を容易に実現できる。
【0009】
具体的には、上記油圧制御弁は、上記可動ストッパの背面の油圧を高圧または低圧のいずれかに切り替えることにより上記可動ストッパを上記第1の位置または第2の位置に移動させる。例えば、上記可動ストッパがシリンダの下端位置にある時を第1の位置、上端位置にある時を第2の位置として上記可動ストッパの上面(背面)に高圧の油圧を作用させると、上記可動ストッパは下端の第1の位置に移動して停止する。一方、上記油圧制御弁を低圧側に切り替えると、上記可動ストッパは上端の第2の位置に移動して停止するので、上記可動ストッパの位置の切り替えが容易にできる。
上記構成において、上記油圧室に第1の油圧が発生した時には、上記油圧制御弁は駆動されないので、この時、上記可動ストッパの背面の油圧が高圧で第1の位置にあるようにすれば、上記ノズルニードルのリフトは第1のリフト量に規制される。次に、上記油圧室に第2の油圧を発生させて、上記油圧制御弁を駆動すると、上記可動ストッパの背面の油圧は低圧になり、第2の位置に移動するために、上記ノズルニードルは第2のリフト量までリフトすることができる。従って、上記アクチュエータに供給するエネルギーを2段階に制御することにより、上記ノズルニードルのリフト時における上記可動ストッパの位置の切り替えが容易にできる。
【0010】
請求項2のように、上記油圧制御弁の切り替えが、圧電または磁歪アクチュエータによって行われる。具体的には、圧電または磁歪アクチュエータを用いると、応答性、制御性が良好であり、好ましい。
【0011】
請求項3のように、好適には、上記ノズルニードルをリフトさせる上記アクチュエータとして、圧電または磁歪アクチュエータを使用することができる。この時、上記油圧制御弁の切り替えを行う上記圧電または磁歪アクチュエータと同じものを使用し、アクチュエータを兼用とすれば、構成部材を増加させることがなく、小型化に有利である上、エネルギー効率に優れる。
【0014】
請求項4のように、より具体的には、上記油圧制御弁を2方弁とし、駆動されることにより上記可動ストッパの背面の油圧を低圧にリリーフする構成とする。この構成では、上記油圧制御弁が駆動されない時、上記可動ストッパの背面の油圧が高圧となるので、上記油圧制御弁の駆動を制御することで、上記可動ストッパの背面の油圧を高低に切り替え、上記可動ストッパの位置の切り替えを容易に行うことができる、
【0015】
請求項5のように、上記油圧制御弁を3方弁とし、駆動されることにより上記可動ストッパの背面の油圧を高圧源への導通から低圧源への導通に切り替えるようにすることもでき、同様の効果が得られる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した第1の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、ハウジングHの下端部内にノズルニードル1を摺動自在に収容するとともに、上端部内に圧電アクチュエータ2を収容してなる。圧電アクチュエータ2は、ノズルニードル1を駆動するアクチュエータと、可動ストッパ4の背圧を制御する油圧制御弁3を駆動するアクチュエータとを兼ねている。可動ストッパ4および油圧制御弁3の詳細は後述する。ハウジングHの右側壁には、図略のコモンレールに連通する高圧通路51が開口し、ハウジングH内を上下方向に延びて、ノズルニードル1の先端部周りに形成される燃料溜まり52に連通している。また、ハウジングHの左側壁には、図略の燃料タンクに連通する低圧通路53が開口している。
【0017】
ノズルニードル1の上端には、これより大径のノズルピストン12が一体に設けられ、ノズルピストン12は、ハウジングHに設けたノズルピストンシリンダ13内に摺動自在に嵌挿されている。ノズルニードル1は、ノズルピストン12の上端面に当接するスプリング61と閉弁ピストン62によって下方に付勢され、ノズルニードル1下端の円錐部11が、ハウジングH先端部に形成される円錐状のノズルシート54に着座して、噴孔55と燃料溜まり52の間を遮断している。ノズルニードル1がリフトすると、噴孔55が燃料溜まり52と導通して燃料が噴射される。閉弁ピストン62は、ノズルピストン12よりも小径で、これと同軸に設けられ、下半部がスプリング61が収容されるスプリング室63に位置している。スプリング室63は低圧通路53に連通している。
【0018】
圧電アクチュエータ2は、多数の圧電板を積層した公知の構成を有し、印加電圧に応じて伸縮して変位を発生する。ピストンとしてのピエゾピストン21は、圧電アクチュエータ2の下端部外周に油密かつ摺動自在に覆着されており、圧電アクチュエータ2の伸縮に伴うピエゾピストン21の進退によって、下方に設けた油圧室としてのピエゾ油圧室22がその容積を縮小または拡大し、室内の油圧を増減させる。ピエゾピストン21は、ピエゾ油圧室22に配した皿バネ23によりピエゾ油圧室22の容積が拡大する方向に付勢されており、この皿バネ23に抗して圧電アクチュエータ2が伸長すると、ピエゾ油圧室22の容積が縮小して油圧が増加する。
【0019】
ピエゾ油圧室22は、一部図示を省略するリフト制御油圧通路64によって、ノズルニードル1の上端部周りに形成されるリフト制御油圧室6に連通している。リフト制御油圧室6は、ノズルピストン12の下面外周の段差面に、ノズルニードル1のリフト方向の油圧力を作用させており、圧電アクチュエータ2が伸長して、ピエゾ油圧室22とともにリフト制御油圧室6の油圧が増加し、所定圧を越えるとノズルニードル1がリフトする。
【0020】
ノズルピストンシリンダ13の上方には、可動ストッパ4が摺動自在に嵌挿されるストッパシリンダ14が同軸的に設けられており、ノズルピストンシリンダ13とストッパシリンダ14の間は、縮径部15にて連結されている。可動ストッパ4内には、下端面中央から上方に延びる閉弁ピストンシリンダ41が形成され、閉弁ピストン62の上半部が摺動自在に嵌挿されている。閉弁ピストンシリンダ41の上端部と閉弁ピストン62の上端面で囲まれる空間42は、小径の流路43によって、可動ストッパ4の上端面に接して設けたストッパ制御油圧室44に連通し、ストッパ制御油圧室44は、オリフィス45を介して高圧流路51と連通している。
【0021】
従って、可動ストッパ4の上端面には、オリフィス45を介してストッパ制御油圧室44に導入される高圧流路51の高圧燃料の油圧が作用しており、可動ストッパ4は下方に付勢されて、ストッパシリンダ14の底面に当接している(第1の位置)。ストッパ制御油圧室44の油圧が低下すると、可動ストッパ4は上方に移動して、ストッパシリンダ14の頂面に当接する(第2の位置)。また、高圧流路51の高圧燃料の油圧は、さらに流路43を介して空間42に導入され、閉弁ピストン62の上端面に作用して、ノズルニードル1を下方に付勢している。ここで、閉弁ピストン62の上端面と空間42の頂面の間には、ノズルニードル1が閉弁している状態において、ギャップAが設けられるようにしてあり、このギャップAがノズルニードル1の第1リフト量に対応している。また、可動ストッパ4の上端面とストッパ制御油圧室44と空間42の頂面の間には、ギャップBが設けてあり、ギャップA+ギャップBがノズルニードル1の第2リフト量に対応している。
【0022】
ストッパ制御油圧室44の油圧は、制御手段としての油圧制御弁3を開閉して低圧通路53への導通、遮断を制御することによって増減する。油圧制御弁3は2方弁で、上面中央に円錐状の低圧シート31を有する弁室33内に、球状の弁体34を収容してなり、低圧シート31の上方には低圧通路53に連通するスピル室32が設けてある。弁室33の底面中央にはストッパ制御油圧室44に連通する通路46が開口し、この通路46の途中にオリフィス45を有する通路が接続している。弁体34は球状の外開弁であって、弁体34に当接するロッド16を同軸上に有するプランジャ17で駆動される。弁体34の低圧シート31への着座力は、弁スプリング35と弁室33の油圧によって得られる。
【0023】
プランジャ17は弁駆動シリンダ18に摺動自在に嵌挿されており、弁駆動シリンダ18の上端部に形成される弁制御油圧室19の油圧によって下方に付勢されている。ピエゾ油圧室22は、リフト制御油圧室6に連通すると同時に、この弁制御油圧室19にも連通しており、ピエゾ油圧室22の油圧の増加に伴ってプランジャ17が下降し、弁体34を開弁駆動する。
【0024】
可動ストッパ4は、圧電アクチュエータ2でピエゾ油圧室22および弁制御油圧室19の油圧を増減し、油圧制御弁3を開閉することによって、上下動する。すなわち、油圧制御弁3が閉鎖されストッパ制御油圧室44が高圧である時には、ストッパシリンダ14の下端面に当接する第1の位置にあり、一方、油圧制御弁3が開放されストッパ制御油圧室44が低圧である時には、ストッパシリンダ14の上端面に当接する第2の位置まで移動する。このように、可動ストッパ4は、ストッパ制御油圧室44の油圧を高低に切り替えることによって、第1の位置と第2の位置のいずれかを選択的に取ることができる。そして、第1の位置にある時には、ノズルニードル1のリフト量が、第1リフト量(ギャップA)に、第2の位置にある時には、ノズルニードル1のリフト量が、第2リフト量(ギャップA+ギャップB)に切り替わる。
【0025】
以下、上記構成の燃料噴射弁の作動を図2のタイムチャートにより説明する。圧電アクチュエータ2に通電しない初期状態において(図2の時間t1 以前)、圧電アクチュエータ2は収縮しており、ノズルニードル1はスプリング61および閉弁ピストン62によって下方に付勢されて円錐部11がノズルシート54に当接している。また、プランジャ17は初期位置にあり、油圧制御弁3の弁体34は、弁スプリング35の付勢力と弁室33に導入される高圧燃料の油圧力で低圧ポート31に押圧されている。可動ストッパ4は、ストッパ制御油圧室44の油圧力で下方の第1の位置にあり、閉弁ピストン62の上端面は、空間42の頂面とギャップAをおいて対向している。
【0026】
図2の時間t1 において、圧電アクチュエータ2に第1のエネルギーを注入するためにV1 の電圧を印加すると、圧電アクチュエータ2が伸長してピエゾピストン21が下降する。これに伴い、ピエゾ油圧室22およびノズルニードル1に上向きに作用するリフト制御油圧室6の油圧が上昇し、ピエゾ油圧室22が第1の油圧P1 に達すると(時間t2 )、スプリング61と閉弁ピストン62の付勢力に抗してノズルニードル1がリフトする(第1のリフト)。ここで、第1の油圧P1 では、制御弁3が開弁しないように、プランジャ17の径、制御弁3の低圧シート31の径、弁スプリング35の付勢力が設定されているので、可動ストッパ4は、ストッパ制御油圧室44に導入される高圧通路51の油圧力を受けて第1の位置を維持し、この位置でノズルニードル1のリフトを制限する。従って、時間t3でノズルニードル1のリフトが停止した時のノズルニードル1のリフト量(第1のリフト量)は、閉弁ピストン62の上端面と空間42の頂面のギャップAに等しい。
【0027】
次に、図2の時間t4 において、圧電アクチュエータ2に第1のエネルギーより大きい第2のエネルギーを注入するためにV2 の電圧を印加すると、ピエゾ油圧室22の油圧は、まず油圧P1 に達して(時間t5 )、ノズルニードル1のリフトを開始させ、第1のリフト位置まで到達するとここで一時停止させる。圧電アクチュエータ2がさらに伸長してピエゾ油圧室22の油圧が第2の油圧P2 に達すると(時間t6 )、プランジャ17が下降して制御弁3の弁体34を駆動し、ストッパ制御油圧室44を低圧通路53に導通させてその油圧を低下させる。その間に、ピエゾ油圧室22の油圧は、さらに上昇して油圧P3 に達し(時間t7 )、ノズルニードル1は、閉弁ピストン62上端面が可動ストッパ4の空間42の頂面に当接した状態を保持したまま、可動ストッパ4とともに次のリフトを開始する(第2のリフト)。そして、可動ストッパ4がストッパ制御油圧室44の頂面に当接して停止するまでリフトを続ける(時間t8 )。この時のリフト量(第2のリフト量)は、ギャップAとギャップBの和に等しい。
【0028】
噴射終了時には、圧電アクチュエータ2の電荷を放出すると、ピエゾ油圧室22の油圧が初期の低い油圧に復帰し(時間t9 )、制御弁3の弁体34がストッパ制御油圧室44と低圧通路53の導通を遮断する。高圧通路51から導入される高圧燃料により、ストッパ制御油圧室44の油圧が上昇し、この油圧の作用により、可動ストッパ4が下降して第1の位置に復帰する。同時に、ノズルニードル1もリフト力を失い、閉弁ピストン62とスプリング61に付勢されてノズルニードル1が降下しノズルシート54に着座して、噴射を停止する。
【0029】
以上の作動に明らかなように、圧電アクチュエータ2に印加する電圧に応じて、ノズルニードル1のリフトは、第1のリフト(ハーフリフト)と第2のリフト(フルリフト)のいずれかを選択的に取ることができる。しかもそのリフト量は、ギャップAとギャップBによって決まるので、圧電アクチュエータ2の個体間差や温度特性によるばらつきを生じることなく、正確なリフト量制御が可能である。さらに、圧電アクチュエータ2の電圧を2段に上昇させるような制御をすれば、1回の噴射中に最初はハーフリフト、途中からフルリフトとすることもでき、任意のリフト制御が可能である。
【0030】
従って、この燃料噴射弁をディーゼルエンジンの燃料噴射弁として使用すれば、ノズルニードル1のリフトを、ハーフリフトまたはフルリフト、またはハーフリフトに連続するフルリフト等、任意に選択可能で、そのリフトパターンに応じた燃料噴射率とすることができる。ディーゼルエンジンでは、低速低負荷では騒音の低減、NOxの低減のために低噴射率が望まれるが、これをハーフリフトで実現できる。また、高速高負荷ではスモークの低減のために高噴射率が望まれるが、これをフルリフトで実現できる。また、中速中負荷ではハーフリフトに続くフルリフトにより最適な噴射率が実現できる。
【0031】
そして、従来は、これらのリフトが圧電アクチュエータの個体間差や温度特性によってばらつくと、噴射率にばらつきを生じて所望の噴射率が実現できなくなってしまうと同時に、噴射量も所望の値から外れることになる問題があったが、本発明ではこのリフトを可動ストッパ4によって制限するために、このばらつきをなくすことができ、最適な噴射率、噴射量を確実に実現できるという効果を奏する。しかも、リフト量を可変とするための圧電アクチュエータを複数設ける必要がなく、簡易な構成で、制御性の高い燃料噴射弁が実現できる。
【0032】
図4は、本発明の第2の実施の形態である。本実施の形態では、ストッパ制御油圧室44の油圧を制御するための油圧制御弁3を3方弁とする。油圧制御弁3は、弁室33内に半球状の弁体34を収容してなり、弁室33は、上面中央に円錐状の低圧シート31に連続する低圧ポート36が、底面中央に高圧ポート37が開口しており、低圧ポート36はスピル室32を介して低圧通路53に、高圧ポート37は高圧通路51に連通している。弁体34は、球状部が低圧シート31に着座して、弁室33と低圧通路53の間の連通を、底面フラット部が弁室33と高圧通路51の間の連通を遮断するようになっている。
【0033】
弁室33は、側部に開口する通路64によってストッパ制御油圧室44と常時連通しており、高圧通路51の高圧燃料は、高圧ポート37から弁室33、通路64を経てストッパ制御油圧室44に導入される。その他の構成は、上記第1の実施の形態と同様で、弁体34は、弁体34に当接するロッド16を同軸上に有するプランジャ17で駆動され、低圧ポート36または高圧ポート37を選択的に閉鎖してストッパ制御油圧室44の油圧を増減する。
【0034】
ロッド16を有するプランジャ17にピエゾ油圧室22の油圧が作用していない時(圧電アクチュエータ2にエネルギーが与えられていない時、または第1のエネルギーが与えられている時)には、弁体34は低圧シート31に着座しており、ストッパ制御油圧室44は低圧通路53の連通が遮断され、高圧通路51と導通している。よって、可動ストッパ4は高圧通路51の油圧の作用により、第1の位置(ストッパシリンダ13の下端に当接する位置)をとる。
【0035】
ロッド16を有するプランジャ17にピエゾ油圧室22の油圧が作用している時(圧電アクチュエータ2に第2のエネルギーが与えられている時)には、弁体34はストッパ制御油圧室44と高圧通路51の連通を遮断し、ストッパ制御油圧室44と低圧通路53を導通させる。よって、可動ストッパ4はノズルニードル1のリフトに伴って第2の位置(ストッパシリンダ13の上端に当接する位置)をとることができる。
【0036】
上記構成によっても、上記第1の実施の形態と同様に作動させることができる。また、上記第1の実施の形態の構成と比べて、オリフィス45が不要になる点、フルリフトで噴射中に、ストッパ制御油圧室44からの高圧燃料のリークがなくせる点で、有利である。
【0037】
なお、上記各実施の形態では、アクチュエータとして圧電アクチュエータを用いたが、これに限らず、例えば、電歪アクチュエータを用いることもでき、同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の燃料噴射弁の全体断面図である。
【図2】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3】本発明の第2の実施の形態の燃料噴射弁の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
H ハウジング
1 ノズルニードル
11 円錐部
12 ノズルピストン
2 圧電アクチュエータ(アクチュエータ)
21 ピエゾピストン(ピストン)
22 ピエゾ油圧室(油圧室)
23 皿バネ
3 油圧制御弁(制御手段)
31 低圧シート
34 スピル室
33 弁室
34 弁体
4 可動ストッパ
41 ストッパシリンダ
42 空間
43 流路
44 ストッパ制御油圧室
45 オリフィス
51 高圧通路
52 燃料溜まり
53 低圧通路
6 リフト制御油圧室
61 スプリング
62 閉弁ピストン
63 スプリング室
Claims (5)
- 噴孔を開閉するノズルニードルと、上記ノズルニードルのリフトを制御するアクチュエータを備える燃料噴射弁において、上記ノズルニードルに当接してそのリフト量を規制するとともに上記ノズルニードルのリフト方向に移動可能な可動ストッパと、該可動ストッパの背面の油圧を高圧または低圧のいずれかに切り替えることにより上記可動ストッパを第1の位置または第2の位置に移動させ、上記可動ストッパが第1の位置にある時に上記ノズルニードルを最大リフト量よりも小さい第1のリフト量に制限し、上記可動ストッパが第2の位置にある時に上記ノズルニードルを上記最大リフト量である第2のリフト量に制限する油圧制御弁と、上記アクチュエータによって駆動されるピストンと、該ピストンの駆動に伴い油圧を発生する油圧室を設け、
上記油圧室が、上記アクチュエータに第1のエネルギーを供給した時に第1の油圧を発生して上記ノズルニードルのみを駆動し、上記第1の位置にある上記可動ストッパにて制限される上記第1のリフト量までリフトさせ、上記アクチュエータに第1のエネルギーより大きい第2のエネルギーを供給した時に第1の油圧より大きい第2の油圧を発生して上記ノズルニードルと上記油圧制御弁の両方を駆動するとともに、上記可動ストッパを上記第2の位置に移動して上記ノズルニードルを上記第2のリフト量までリフトさせることを特徴とする燃料噴射弁。 - 上記油圧制御弁の切り替えが、圧電または磁歪アクチュエータによって行われる請求項1記載の燃料噴射弁。
- 上記ノズルニードルをリフトさせる上記アクチュエータが圧電または磁歪アクチュエータであり、上記油圧制御弁の切り替えを行う上記圧電または磁歪アクチュエータと同じアクチュエータである請求項2記載の燃料噴射弁。
- 上記油圧制御弁が2方弁であり、駆動されることにより上記可動ストッパの背面の油圧を低圧にリリーフする請求項1ないし3のいずれか記載の燃料噴射弁。
- 上記油圧制御弁が3方弁であり、駆動されることにより上記可動ストッパの背面の油圧を高圧源への導通から低圧源への導通に切り替える請求項1ないし4のいずれか記載の燃料噴射弁。
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