JP2008304017A - ３方切替弁およびそれを用いた燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】弁体を付勢する流体が流入する背圧室の流体が低圧通路に流出することによるエネルギー損失の発生を抑制できる３方切替弁およびそれを用いた燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】３方切替弁５１は弁室６１を有し第１、第２弁体７、８を収容する。第１、第２弁体７、８は摺動自在に支持され、各弁体の他端部側には第１、第２背圧室６２、６３が形成される。第１弁体７は第１背圧室６２と弁室６１との圧力差にて動作し制御燃料供給通路９６を開閉する。第２弁体８は弁室６１と第２背圧室６３の圧力差にて動作し第２リターン通路９９を開閉する。第２弁体８は第２弁体８が第２リターン通路９９を閉塞しているとき、第２弁体８の第２摺動部８３と第２リターン通路９９との間に、弁室６１の下端面６１７に当接する内周側当接部８２１を有する。これにより、第２背圧室６３の高圧燃料が第２摺動部８３を介して第２リターン通路９９に流出するのを阻止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、３方切替弁およびそれを用いた燃料噴射装置に関する。

従来、コモンレール等の燃料供給源から高圧の燃料を受け入れ、受け入れた高圧の燃料をさらに増圧して気筒内に噴射する増圧型燃料噴射装置が知られている（特許文献１参照）。

この増圧型燃料噴射装置は、燃料を噴射するノズルと、ノズルに燃料を増圧して供給する増圧装置と、所定の電子制御装置（ＥＣＵ）からの指令に応じて開閉する電磁弁と、電磁弁の開閉に応じて、増圧装置を作動するための流路と増圧装置の作動を停止するための流路とを切り替える３方切替弁と、を備える。

３方切替弁は、コモンレールの高圧の燃料を増圧制御室に流入する状態と、増圧制御室の高圧の燃料を流出する状態とを切り替え、増圧装置を作動させて燃料を増圧したり、増圧装置の作動を停止させて燃料の増圧を停止したりする。

この３方切替弁は、独立して移動する２つの弁体と、２つの弁体の弁体部を収容する弁室が形成されるボデーとを備える。ボデーには、弁室に通じる３つの燃料通路が形成されている。一つ目の燃料通路は、コモンレールの高圧燃料が流通する高圧通路であり、二つ目の燃料通路は、低圧源（例えば、燃料タンク）に弁室の燃料を排出する低圧通路であり、三つ目の燃料通路は、弁室と増圧装置の増圧制御室とを連通する制御通路である。なお、増圧制御室は、燃料の流出入を通じて、燃料の増圧および増圧停止を行う。

２つの弁体は、ボデーにそれぞれ軸方向に摺動自在に支持されている。一方の弁体は、高圧通路を開閉し、他方の弁体は、低圧通路を開閉する。一方の弁体が高圧通路を開放し、他方の弁体が低圧通路を閉塞することで、コモンレールの高圧燃料を増圧制御室に供給する第１の状態とする。一方の弁体が高圧通路を閉塞し、他方の弁体が低圧通路を開放することで、増圧制御室の高圧燃料を低圧源に排出する第２の状態とする。

上記ボデーには、それぞれ弁体の弁室とは反対側の端部に、それぞれの弁体を弁室側に付勢する高圧燃料が流入する背圧室が形成されている。背圧室の圧力を調整することにより、それぞれの弁体に作用する圧力差を制御し、それぞれの弁体を独立して移動させる。この従来技術では、上記第１の状態から上記第２の状態に切り替える際に、一方の弁体が高圧通路を閉塞した後、他方の弁体が低圧通路を開放するように、それぞれの弁体に作用する圧力差を制御する。これにより、第１の状態から第２の状態に切り替える際、高圧通路と低圧通路とが連通する状態を経由することによる高圧源のエネルギー損失（例えば、燃料を高圧化するのに費やしたエネルギーの損失：以下、単にエネルギー損失という）の発生を抑制することができる。
特開２００６−１０４９７１号公報

ところが、上記従来技術の３方切替弁の他方の弁体は、弁室の内壁面に当接する当接部を有し、その内壁面に当接することで弁室に開口する低圧通路の開口部を閉塞する。これにより、弁室内の燃料が低圧通路に流出するのを防いでいる。他方の弁体は、他方の弁体の弁室とは反対側の端部側に形成された当該弁体の背圧室と低圧通路とを区画する壁に形成された貫通孔に摺動自在に支持されている。貫通孔は、弁室よりも外側に形成されているため、常に、貫通孔と弁体の側壁との摺動隙間を介して背圧室の高圧燃料が低圧通路に流出することとなり、エネルギー損失が発生するという問題がある。この燃料の流出は、第１の状態、第２の状態のとき常に発生している。

本発明は、弁体を付勢するための高圧流体が流入する背圧室の高圧流体が低圧通路に流出することによるエネルギーの損失の発生を抑制できる３方切替弁およびそれを用いた燃料噴射装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明によれば、高圧源の高圧流体を流体装置の制御室へ供給する第１の状態と、制御室の高圧流体を低圧源に排出する第２の状態を切り替える３方切替弁において、
高圧源と連通する高圧通路、制御室と連通する制御通路、および低圧源と連通する低圧通路が開口する弁室を有するボデーと、高圧通路の開口部を開閉する第１弁体であって、一端部が弁室に収容され、他端部が、一端部側に付勢する高圧源の高圧流体が流入するボデーに形成された第１背圧室に収容され、一端部と他端部との間の側壁がボデーに摺動自在に支持され、第１背圧室の流体の圧力が所定値から低下すると、第１背圧室側に移動し、高圧通路の開口部を閉塞する第１弁体と、低圧通路の開口部を開閉する第２弁体であって、一端部が弁室に収容され、他端部が一端部側に付勢する高圧源の高圧流体が流入するボデーに形成された第２背圧室に収容され、一端部と他端部との間の側壁がボデーに摺動自在に支持され、弁室の流体の圧力が所定値から低下すると、弁室側に移動し、低圧通路の開口部を開放する第２弁体と、を備え、
第１の状態から第２の状態に切り替わる過渡期において、第１背圧室および弁室の流体の圧力を調整させることにより、第２弁体は、第１弁体が高圧通路の開口部を閉塞した後、低圧通路の開口部を開放する３方切替弁であって、
第２弁体は、第２弁体が低圧通路の開口部を閉塞するとき、第２弁体とボデーとの摺動部と、低圧通路の開口部との間に、第２弁体の軸方向移動に伴って弁室の内壁に当接し、摺動部から低圧通路の開口部への流体の流れを阻止する第１当接部を有することを特徴としている。

この構成によれば、高圧通路を開閉する第１弁体、および低圧通路を開閉する第２弁体のそれぞれの一端部を弁室に収容させ、それぞれの弁体の他端部を、高圧源の高圧流体が流入する第１、第２背圧室に収容させている。これにより、第１弁体は、第１背圧室と弁室との圧力差によって移動し、第２弁体は、第２背圧室と弁室との圧力差によって移動する。

さらに、第１弁体は、第１背圧室の流体圧力が所定値から低下すると高圧通路の開口部を閉塞する。第２弁体は、弁室の流体圧力が所定値から低下すると低圧通路の開口部を開放する。第１の状態から第２の状態に切り替わる過渡期において、第１背圧室および弁室の流体圧力を調整することにより、第２弁体は、第１弁体が高圧通路の開口部を閉塞した後、低圧通路の開口部を開放する。その結果、当該過渡期において、高圧通路の開口部と低圧通路の開口部が弁室を介して連通する状態を回避することができる。

さらに、第２弁体は、第２弁体が低圧通路の開口部を閉塞するとき、第２弁体とボデーとの摺動部と、低圧通路の開口部との間に弁室の内壁に当接し、摺動部から低圧通路の開口部への流体の流れを阻止する第１当接部を有しているので、第２背圧室の高圧流体が当該摺動部を介して低圧通路に流出することによるエネルギー損失の発生を抑制できる。

請求項２に記載の発明によれば、第１弁体および第２弁体は、第１弁体および第２弁体のそれぞれの中心軸線がほぼ一致するようにボデーに配置されており、第２の状態にあるとき、第１弁体が、第２弁体を、第１当接部が弁室の内壁に押し付けられる方向に押し付けることを特徴としている。

この構成によれば、第２弁体には、弁室の流体圧力による付勢力だけでなく、第１弁体からの付勢力も加勢されるため、第１当接部が弁室の内壁に当接する際の密着度をさらに強くさせることができる。

請求項３に記載の発明によれば、第２弁体は、弁室に収容される弁体部と、弁体部よりも径が小さく、ボデーに摺動自在に支持される摺動部を有し、第１当接部は、弁体部の摺動部側の端面に低圧通路の開口部が形成される弁室の内壁に向かって突出するように、かつ、当該端面を第２弁体の軸方向から見たとき、摺動部を囲むように形成され、さらに、弁体部の端面には、第１当接部よりも外周側であって、低圧通路の開口部と制御通路の開口部との間の弁室の内壁に当接する第２当接部が、弁室の内壁に向かって突出するように形成されていることを特徴としている。

この構成によれば、弁室および第２背圧室の流体圧力がほぼ同じであれば、第２当接部が弁室の内壁に当接しているとき、第２当接部よりも内周側には弁室の流体圧力が作用しない。その結果、第２弁体に働く付勢力は、第２弁体を第２背圧室側に移動させる付勢力の方が強くなる。このため、第２弁体によって低圧通路の開口部の閉塞を維持させることができる。

そして、第１当接部および第２当接部は、第２弁体の弁体部の端面から弁室の内壁に向かって突出するように形成されているので、第２弁体が第２背圧室側へ移動するだけで、第２背圧室の高圧流体が摺動部を介して低圧通路へ流出するのを抑制すると同時に、弁室の流体が低圧通路に流出するのも抑制できる。

請求項４に記載の発明によれば、第１弁体には、第１背圧室と弁室とを連通する連通路が形成されることを特徴としている。この構成によれば、第１背圧室の流体を排出させるだけで、弁室の流体も同時に排出させることができる。つまり、１箇所の空間の圧力を調整するだけで、他の空間の圧力も調整することができ、圧力を制御する装置を個別に設ける必要がなくなる。

請求項４に記載の構成によれば、第１弁体には上記連通路が形成されているので、第１背圧室の流体を排出されるとともに弁室の流体も第１背圧室を経由して排出される。さらに、第２弁体が低圧通路の開口部を開放すると、弁室の流体は低圧通路からも排出される。したがって、弁室の流体は、２箇所の通路から排出されることとなり、弁室の流体圧力の低下スピードは、１箇所の通路（低圧通路のみ）から排出される場合に比べ速くなる。

請求項５に記載の発明によれば、連通路は、第１の状態から第２の状態に切り替わる過渡期において、弁室の流体の圧力が所定値から低下して、第２弁体が低圧通路の開口部を開放した後、第２弁体によって閉塞されることを特徴としており、制御室の流体圧力の低下スピードの上昇を抑制できる。

請求項６に記載の発明によれば、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の３方切替弁を備える燃料噴射装置であって、先端に噴孔を有し、当該噴孔から燃料を噴射するノズルと、ノズルに供給する燃料が流入する増圧室、増圧室の燃料の圧力を増圧させ、ノズルに供給する増圧ピストン、増圧ピストンの動作を制御する流体が流出入する制御室を有する増圧装置と、を備え、
３方切替弁の制御通路は、増圧装置の制御室に連通しており、３方切替弁が、第１の状態および第２の状態を切り替えることにより、高圧源の高圧流体としての高圧燃料を制御室に供給したり、制御室の高圧燃料を低圧源に排出したりし、増圧装置を駆動したり、停止させたりすることを特徴としている。

請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の３方切替弁によれば、第１の状態から第２の状態に切り替える際、および第１の状態にあるときのエネルギー損失の発生を抑制することができるので、それを燃料噴射装置の増圧装置を駆動する弁として利用することにより、燃料噴射装置のエネルギー損失の発生を抑制できる。その結果、その燃料噴射装置が搭載される内燃機関の燃料消費量の増大を抑制できる。

以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の３方切替弁を用いた燃料噴射装置の構成図である。燃料噴射装置１は、例えばディーゼルエンジン（図示せず：以下、エンジンという）の各気筒の燃焼室内に燃料を供給する。燃料噴射装置１は、高圧燃料供給通路９を介して、高圧燃料を蓄圧するコモンレール２に接続される。コモンレール２には、吐出量の可変機構を備え、低圧源としての燃料タンク２２の燃料を加圧し、コモンレール２に圧送するサプライポンプ２１が接続されている。

燃料噴射装置１は、コモンレール２の燃料を増圧する増圧装置４、および増圧装置４にて増圧された燃料を燃焼室内に噴射するノズル３、および、増圧装置４とノズル３を制御する制御部５を有する。増圧装置４およびノズル３は、コモンレール２から供給される高圧燃料の圧力を利用して作動する。制御部５は、増圧装置４およびノズル３に供給される高圧燃料の流れを制御することにより、増圧装置４およびノズル３の動作を制御する。制御部５は、高圧燃料の圧力で作動する３方切替弁５１、および、３方切替弁５１の切替動作を制御する電磁弁５２を有する。３方切替弁５１の詳細については後述する。なお、請求項に記載の流体装置は、増圧装置４に相当する。

ノズル３は、噴孔３１を開閉するニードル３２を有し、ニードル３２に対し噴孔３１を閉塞する方向（閉弁方向）に圧力を及ぼす燃料が流出入する噴射制御室３３、噴孔３１を開放する方向（開弁方向）に圧力を及ぼす燃料が流出入する燃料溜り室３４を形成する。また、ノズル３は、ニードル３２を閉弁方向に付勢するスプリング３５を、噴射制御室３３に収容する。つまり、ニードル３２は、噴射制御室３３の燃料圧力およびスプリング３５により閉弁方向に付勢されるとともに、燃料溜り室３４の燃料の圧力により開弁方向に付勢されている。

燃料溜り室３４は、燃料供給通路９３により増圧装置４の増圧室４４と連通する。増圧室４４は、増圧装置４において燃料が増圧される空間であり、増圧装置４は、燃料の噴射制御室３３の燃料圧力よりも高圧に増圧して燃料溜り室３４に供給する。

噴射制御室３３には、コモンレール２と高圧室４３とを連通する高圧燃料供給通路９から分岐する噴射制御通路９１が接続し、さらに噴射制御通路９１から分岐する燃料通路９２が噴射制御通路９１とは別に接続する。

噴射制御通路９１には、噴射制御室３３への燃料の流出入流量を規制するオリフィス９１１が設けられ、燃料通路９２には、噴射制御室３３への燃料の流入のみを許容する逆止弁９２１がオリフィス９１１と並列に設けられている。高圧燃料供給通路９、噴射制御通路９１、燃料通路９２およびオリフィス９１１を介してコモンレール２から噴射制御室３３に燃料が流入するとともに、噴射制御通路９１およびオリフィス９１１を通じて噴射制御室３３から燃料が流出する。

以上の構成により、ノズル３は、増圧装置４の作動に応じて、気筒の燃焼室内に燃料を噴射する。すなわち、増圧装置４により燃料が増圧されると、増圧された燃料が燃料供給通路９３を通じて燃料溜り室３４に流入する。これにより、燃料溜り室３４の圧力による付勢力が、噴射制御室３３の圧力による付勢力とスプリング３５による付勢力との合力よりも強くなるので、ニードル３２が開弁方向に変位し噴孔３１が開放される。このため、燃料が噴孔３１から噴射され、同時に、噴射制御通路９１およびオリフィス９１１を通じて噴射制御室３３から燃料が流出する。

また、増圧装置４による燃料の増圧が停止されると、増圧された燃料が燃料溜り室３４に流入しなくなる。これにより、燃料溜り室３４の圧力による付勢力が、噴射制御室３３の圧力による付勢力とスプリング３５による付勢力との合力よりも弱くなるので、ニードル３２が閉弁方向に変位し、同時に、逆止弁９２１が開弁して高圧燃料供給通路９、噴射制御通路９１および燃料通路９２を通じて噴射制御室３３に燃料が流入する。このため、噴孔３１が閉塞され燃料の噴射が停止する。

増圧装置４は、パスカルの原理に基づき燃料を増圧するものであり、軸方向一端側に向かい大小２段に径が変化する増圧ピストン４１を有する。増圧装置４は、大径の高圧面４１２で燃料の圧力を受けるとともに、この圧力に基づく付勢力を、小径の増圧面４１４を介して燃料に加えることで燃料を増圧する。

増圧ピストン４１は、一端側の小径ピストン部４１３と、他端側の大径ピストン部４１１とからなり、小径ピストン部４１３の一端面が増圧面４１４をなすとともに大径ピストン部４１１の他端面が高圧面４１２をなす。そして、増圧ピストン４１は、軸方向一端側に向かい大小２段に径が変化するシリンダ４２に収容され、シリンダ４２内を軸方向に往復移動する。シリンダ４２は、小径ピストン部４１３の側壁が摺動する小径シリンダ部４２２と、大径ピストン部４１１の側壁が摺動する大径シリンダ部４２１を有する。

また、小径ピストン部４１３が小径シリンダ部４２２に摺動し、大径ピストン部４１１が大径シリンダ部４２１に摺動するように、増圧ピストン４１をシリンダ４２に収容させると、大径ピストン部４１１の高圧面４１２側には、高圧室４３が形成され、小径ピストン部４１３の増圧面４１４側には増圧室４４が形成される。増圧ピストン４１には、一方が高圧面４１２に開口し、他方が増圧面４１４に開口する連通路４１５が形成されている。連通路４１５の途中には、高圧面４１２から増圧面４１４に向かう流れのみを許容する逆止弁４１６が設けられている。

高圧室４３は、高圧燃料供給通路９によりコモンレール２と連通し、コモンレール２に蓄圧された高圧燃料が流入する。さらに、高圧室４３は、第２制御圧供給通路９７により３方切替弁５１と連通している。

増圧室４４は、連通路４１５により高圧室４３と連通し、高圧室４３の高圧燃料が流入する。さらに、増圧室４４は、燃料供給通路９３によりノズル３と連通し、増圧室４４にて増圧された燃料がノズル３に供給される。

高圧室４３と増圧室４４との間には、大径ピストン部４１１の一端側端面、大径シリンダ部４２１の一端側端面、大径シリンダ部４２１の側壁面、および小径ピストン部４１３の側壁面にて区画される請求項に記載の制御室としての増圧制御室４５が形成される。増圧制御室４５には、大径ピストン部４１１を他端側に付勢するスプリング４５１が収容されている。増圧制御室４５は、請求項に記載の制御通路としての増圧制御通路９４により３方切替弁５１と連通している。

以上の構成により、増圧装置４は、増圧制御室４５への燃料の流出入を通じて、燃料の増圧および増圧停止を行う。すなわち、増圧制御室４５から燃料が流出すると、高圧室４３に燃料が流入して増圧ピストン４１が一方に変位し、増圧室４４の燃料が増圧されて燃料溜り室３４に供給される。増圧制御室４５に燃料が流入すると、増圧ピストン４１が他方に変位して逆止弁４１６が開弁し、高圧室４３の燃料が増圧室４４に流入するとともに増圧室４４の燃料の増圧が停止され、燃料が燃料溜り室３４に供給されなくなる。

電磁弁５２は、低圧源である燃料タンク２２と３方切替弁５１の第１背圧室６２とを連通する第１リターン通路９８に設けられ、第１背圧室６２からの燃料の流出入を操作するものである。電磁弁５２は、ＥＣＵ（図示せず）からの指令に応じて開閉する２方弁である。

３方切替弁５１は、コモンレール２に蓄圧された高圧燃料を増圧装置４の増圧制御室４５に供給する第１の状態と、増圧制御室４５に供給された高圧燃料を燃料タンク２２に排出する第２の状態とを切り替える弁である。図２に図示する状態は、第１の状態を示している。

図２は、３方切替弁５１の断面図である。図２に示すように、３方切替弁５１は、ボデー６に形成された弁室６１に第１弁体７および第２弁体８の一部を収容して構成される。第１弁体７および第２弁体８は、それぞれの中心軸線がほぼ一致するように並んで配置されている。弁室６１は、図２中の下方に向かうほど内径が大きくなっている。

弁室６１の小径部側の側面には、請求項に記載の高圧通路の開口部としての高圧ポート６１１が開口しており、この高圧ポート６１１には、高圧燃料供給通路９から分岐する制御燃料供給通路９６が接続されている。弁室６１の下端面６１７（大径部側）には、請求項に記載の低圧通路の開口部としての低圧ポート６１２が開口しており、この低圧ポート６１２には、燃料タンク２２に通じる請求項に記載の低圧通路としての第２リターン通路９９が接続されている。さらに、弁室６１の大径部側の側面には、制御ポート６１３が開口しており、増圧制御室４５に通じる増圧制御通路９４が接続されている。

弁室６１の小径部側の上端面には、図２中上方に延びる第１シリンダ部６１４が形成されている。第１シリンダ部６１４の上端面には、オリフィス６２１が形成されている。そのオリフィス６２１は、電磁弁５２によって開閉される。

弁室６１の下端面６１７には、図２中下方に延びる第２シリンダ部６１５が形成されている。第２シリンダ部６１５の下端面には、高圧室４３に通じる第２制御圧供給通路９７が接続されている。なお、低圧ポート６１２は、図４に示すように、第２シリンダ部６１５の周囲に複数個、環状に配置されている。

第１弁体７は、弁室６１に収容される第１弁体部７１と、第１弁体部７１よりも外径が小さく、第１シリンダ部６１４に軸方向に摺動自在な第１摺動部７２を有する。第１弁体部７１の外径は弁室６１の小径部側の内径よりも大きいため、第１弁体７が上方に移動すると、第１弁体部７１の上端面が弁室６１の小径部と大径部との間に形成される第１弁座部６１６に当接する。

高圧ポート６１１は、この第１弁座部６１６よりも上方に開口しているため、第１弁体部７１が第１弁座部６１６に当接すると、高圧ポート６１１が閉鎖され、コモンレール２の高圧燃料の弁室６１への流入が阻止される。第１弁体７が下方に移動すると、第１弁体部７１が第１弁座部６１６から離れるため、高圧ポート６１１から弁室６１に高圧燃料が流入する。

第１摺動部７２が第１シリンダ部６１４に摺動自在に収容されると、第１摺動部７２の上端面と第１シリンダ部６１４の内壁にて形成される第１背圧室６２が形成される。第１背圧室６２の側面には、高圧燃料供給通路９から分岐される第１制御圧供給通路９５が接続されている。第１制御圧供給通路９５には、オリフィス９５１が形成され、第１背圧室６２に流入するコモンレール２の高圧燃料の量を制限している。

上述したようにオリフィス６２１は電磁弁５２にて開閉制御されている。電磁弁５２がオリフィス６２１を開放することにより、第１背圧室６２の高圧燃料は、オリフィス６２１を介して第１リターン通路９８に排出され、第１背圧室６２の圧力は低下する（図１参照）。なお、オリフィス６２１の径は、電磁弁５２がオリフィス６２１を開放したとき、第１背圧室６２の圧力が低下するような径に設定されている。また、第１背圧室６２には、第１弁体７を下方に付勢するスプリング６２３が収容されている。

また、第１弁体７には、第１弁体７の中心軸にそって連通路７３が形成されている。連通路７３は、弁室６１と第１背圧室６２とを連通する通路であり、途中にオリフィス７４を有する。

第１弁体７は、第１背圧室６２の燃料圧力およびスプリング６２３により、高圧ポート６１１を開放する方向に付勢されるとともに、弁室６１の燃料圧力により、高圧ポート６１１を閉塞する方向に付勢されている。

図２に示すように、電磁弁５２がオリフィス６２１を閉塞している状態では、第１背圧室６２の燃料圧力による付勢力とスプリング６２３による付勢力との合力は、弁室６１の燃料圧力による付勢力よりも強くなるので、第１弁体７は、高圧ポート６１１を開放する方向に移動し、高圧ポート６１１から弁室６１に高圧燃料が供給される。

電磁弁５２がオリフィス６２１を開放すると、第１背圧室６２の燃料圧力は低下する。その燃料圧力が所定値から低下すると、第１背圧室６２の燃料圧力による付勢力とスプリング６２３による付勢力との合力は、弁室６１の燃料圧力による付勢力よりも相対的に弱くなるので、第１弁体７は、高圧ポート６１１を閉塞する方向に移動し、高圧ポート６１１を閉塞し、弁室６１への高圧燃料の供給が停止する。

電磁弁５２がオリフィス６２１を開放した後、第一弁体７が第一背圧室６２側に移動すると同時に、弁室６１の燃料は連通路７３を介して、第１背圧室６２に流入する。さらに、その燃料は、オリフィス６２１を介して第１リターン通路９８に排出される。つまり、電磁弁５２がオリフィス６２１を開放すると、第１背圧室６２のみならず、弁室６１の燃料圧力も低下する。１つの電磁弁５２にてオリフィス６２１の開閉を制御するだけで、第１背圧室６２の燃料圧力だけでなく、弁室６１の燃料圧力も制御することができる。弁室６１の燃料圧力を制御する装置を別に用意する必要がなくなり、燃料噴射装置１を簡素化させることができる。

連通路７３には、オリフィス７４が設けられているため、第１背圧室６２と弁室６１の燃料圧力の低下スピードは異なる。具体的には、弁室６１の燃料圧力の低下スピードは、第１背圧室６２の燃料圧力の低下スピードよりも遅い。

第２弁体８は、弁室６１に収容される第２弁体部８１と、第２弁体部８１よりも外径が小さく、第２シリンダ部６１５に軸方向に摺動自在な第２摺動部８３を有する。第２弁体部８１の外径は、弁室６１の大径部側の内径よりも小さい。また、第２弁体部８１の外径は、第２弁体８が下方に移動し、弁室６１の下端面６１７に当接したとき、当該下端面６１７に形成された低圧ポート６１２が覆われる程度の大きさとなっている。

第２弁体部８１の下端面８２には、弁室６１の下端面６１７に向かって突出する内周側当接部８２１と、外周側当接部８２２が形成されている。内周側当接部８２１が請求項に記載の第１当接部に相当し、外周側当接部８２２が請求項に記載の第２当接部に相当する。これらの当接部８２１、８２２は、第２弁体部８１の下端面８２を軸方向から見たとき、環状に形成されている（図３参照）。弁室６１の下端面６１７が第２弁体部８１の弁座部として機能する。

内周側当接部８２１は、第２弁体部８１が下端面６１７に当接するとき、第２摺動部８３よりも外周側で、かつ低圧ポート６１２よりも内周側の下端面６１７に当接するような位置に形成される。外周側当接部８２２は、低圧ポート６１２よりも外周側で、かつ、制御ポート６１３よりも内周側の下端面６１７に当接するような位置に形成される。

図４は、弁室６１の下端面６１７を示している。図４に図示する２つの破線の内、内周側の破線は、内周側当接部８２１が当接する位置を示し、外周側の破線は、外周側当接部８２２が当接する位置を示す。

第２摺動部８３が第２シリンダ部６１５に摺動自在に収容されると、第２摺動部８３の下端面と第２シリンダ部６１５の内壁にて形成される第２背圧室６３が形成される。第２背圧室６３は、高圧室４３に通じる第２制御圧供給通路９７が接続されているため、コモンレール２の高圧燃料が供給される。

第２弁体８は、第２背圧室６３の燃料圧力により、低圧ポート６１２を開放する方向に付勢されるとともに、弁室６１の燃料圧力および第１弁体７に発生する高圧ポート６１１を開放する方向の付勢力により、低圧ポート６１２を閉塞する方向に付勢されている。

図２に示すように、電磁弁５２がオリフィス６２１を閉塞している状態では、上述したように高圧ポート６１１が開放されているので、弁室６１の燃料圧力は、ほぼコモンレール２の高圧燃料と同じ圧力である。したがって、弁室６１の燃料圧力は、第２背圧室６３の燃料圧力とほぼ同じ圧力となる。

第２弁体８は、この圧力状態において、低圧ポート６１２を閉塞する方向の付勢力が開放する方向の付勢力よりも強くなるように大きさが設定されている。つまり、外周側当接部８２２の径を第２摺動部８３の径よりも大きくしている。その結果、弁室６１の燃料圧力が第２背圧室６３の燃料圧力とほぼ同じ圧力である状態のとき、第２弁体８は、低圧ポート６１２の閉塞を維持することができる。

図２に示す状態では、第１弁体７が第２弁体８を低圧ポート６１２を閉塞する方向に押し付けているので、第２弁体８の内周側、外周側当接部８２１、８２２は、強く下端面６１７に密着する。

上述したように、電磁弁５２がオリフィス６２１を開放し、第１弁体７が高圧ポート６１１を閉塞する方向（上方）に移動すると、弁室６１の燃料は、連通路７３を通じて第１リターン通路９８へ排出され、弁室６１の燃料圧力が徐々に低下し始める。この燃料圧力が所定値から低下すると、弁室６１の燃料圧力による付勢力は、第２背圧室６３の燃料圧力による付勢力よりも相対的に弱くなるので、第２弁体８は、低圧ポート６１２を開放する方向に移動し、低圧ポート６１２を開放し、弁室６１の燃料が第２リターン通路９９に排出される。

本実施形態の燃料噴射装置１の作動を、３方切替弁５１の作動を中心に図５に基づき説明する。

３方切替弁５１の第１の状態、すなわち高圧ポート６１１が開放され、低圧ポート６１２が閉塞されている状態を図５（ａ）に示す。この状態では、コモンレール２と増圧制御室４５とが連通し、増圧装置４は作動しておらず燃料の増圧は行われていない（図１参照）。

図５（ｂ）に示すように、電磁弁５２が作動してオリフィス６２１を開放すると、第１背圧室６２の燃料が第１リターン通路９８に流出し、第１背圧室６２の燃料圧力が低下する。この燃料圧力が所定値から低下すると、第１弁体７は上方に移動し、高圧ポート６１１を閉塞する。第１弁体７が上方に移動を開始すると同時に、弁室６１の燃料が連通路７３を介して第１リターン通路９８に排出され、弁室６１の燃料圧力が遅れて低下する。

図５（ｃ）に示すように、弁室６１の燃料圧力が所定値から低下すると、第２弁体８は、上方に移動し、低圧ポート６１２を開放する。その結果、増圧制御室４５の燃料が弁室６１を介して第２リターン通路９９に排出され、増圧装置４が増圧室４４の燃料の増圧を開始する。増圧された燃料はノズル３に供給され、噴孔３１から燃料が噴射される。

本実施形態では、上述したように電磁弁５２にてオリフィス６２１を開放したとき、弁室６１の燃料圧力の低下スピードを、第１背圧室６２の燃料圧力の低下スピードよりも遅らせることができる。これにより、第１弁体７が高圧ポート６１１を閉塞する時期と、第２弁体８が低圧ポート６１２を開放する時期をずらすことができる。具体的には、３方切替弁５１が第１の状態から第２の状態に切り替わる過渡期において、最初に第１弁体７が高圧ポート６１１を閉塞し、その後、第２弁体８が低圧ポート６１２を開放する。

これにより、上記過渡期において、高圧ポート６１１と低圧ポート６１２との両方のポートが開放されている期間を廃止することができ、コモンレール２の高圧燃料が燃料タンク２２に排出されることによるエネルギー損失の発生を抑制できる。

第２弁体８がさらに上方に移動すると、第１弁体７の連通路７３を閉塞し、これ以上、弁室６１の燃料を連通路７３を介して第１リターン通路９８に排出することを抑制できる。このことにより、弁室６１の燃料は、第２リターン通路９９のみから排出されることとなり、増圧制御室４５の燃料の燃料タンク２２への排出量を制限することができる。その結果、増圧装置４が増圧する燃料圧力の勾配が大きくなりすぎ、噴射初期の燃料噴射率が増大することによる、排ガス性能の悪化を抑制できる。

図５（ｄ）に示すように、ノズル３からの燃料噴射を停止すべく、電磁弁５２にてオリフィス６２１を閉塞すると、コモンレール２から第１背圧室６２に高圧燃料が流入し、第１背圧室６２の燃料圧力が再び上昇する。第１弁体７は、下方に移動し始め、高圧ポート６１１を再び開放する。それと同時に、第２弁体８も第１弁体７に押され、下方に移動し始める。そして、第２弁体８が低圧ポート６１２を閉塞する。その結果、コモンレール２から増圧制御室４５に燃料が再び流入し、増圧装置４による燃料の増圧が停止するとともに燃料の噴射が停止する。

本実施形態では、第２弁体８の第２弁体部８１に、弁室６１の下端面６１７のうち、第２シリンダ部６１５よりも外周側、かつ低圧ポート６１２よりも内周側に当接する内周側当接部８２１が形成されている。これにより、図５（ａ）、図５（ｂ）、および図５（ｄ）の状態のときに、第２摺動部８３と第２シリンダ部６１５との摺動隙間を介して第２背圧室６３の高圧燃料が第２リターン通路９９に流出することを抑制でき、第２弁体８が第２リターン通路９９を閉塞しているときのエネルギー損失の発生を抑制できる。

また、内周側、外周側当接部８２１、８２２は、ともに第２弁体部８１の下端面６１７から同一方向に向かって突出するように形成しているので、第２弁体８が下方に移動するだけで、第２背圧室６３の高圧燃料が上記摺動隙間を介して第２リターン通路９９に流出することを抑制できると同時に、弁室６１の燃料が第２リターン通路９９に流出することも抑制できる。

本実施形態では、第２弁体８が第２リターン通路９９を閉塞しているときのエネルギー損失の発生を抑制できる３方切替弁５１を燃料噴射装置１の増圧装置４を駆動させる弁として利用した。これにより、燃料噴射装置１のエネルギー損失の発生を抑制することができた。その結果、この燃料噴射装置１を搭載されるエンジンの燃料消費量の増大を抑制できる。

一般的に、増圧装置４が作動していない状態の時間は、増圧装置４が作動している時間に比べ非常に長い。本実施形態では、３方切替弁５１が第１の状態となっているときに、増圧装置４が燃料の増圧を停止するようになっている。このため、３方切替弁５１のエネルギー損失の発生の抑制効果を長い時間に亘って発揮させることができる。

（他の実施形態）
図６は、本実施形態による３方切替弁５１の他の実施形態を示している。なお、上記施形態と実質的に同一の構成部分には同一符号を付す。

この他の実施形態では、第２弁体８に形成された内周側、外周側当接部８２１ａ、８２２ａが当接する面である弁室６１の下端面６１７ａが、第２シリンダ部６１５の中心に向かって傾斜する面となっている。それに伴い、第２弁体部８１ａの下端面８２ａも上記傾斜面に倣って傾斜している。

本発明の一実施形態による３方切替弁を用いた燃料噴射装置の全体構成を示す図である。 本発明の一実施形態による３方切替弁の断面図である。 図２中のＩＩＩ‐ＩＩＩ線の断面図である。 図２中のＩＶ‐ＩＶ線の断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態による３方切替弁の動作を説明する図である。 一実施形態の他の実施形態による３方切替弁の断面図である。

符号の説明

１ 燃料噴射装置、２ コモンレール（高圧源）、２２ 燃料タンク（低圧源）、３ ノズル、３１ 噴孔、３２ ニードル、４ 増圧装置（流体装置）、４１ 増圧ピストン、４２ シリンダ、４３ 高圧室、４４ 増圧室、４５ 増圧制御室（制御室）、５ 制御部、５１ ３方切替弁、５２ 電磁弁、６ ボデー、６１ 弁室、６１１ 高圧ポート（高圧通路の開口部）、６１２ 低圧ポート（低圧通路の開口部）、６１３ 制御ポート、６１６ 第１弁座部、６１７ 下端面、６２ 第１背圧室、６３ 第２背圧室、７ 第１弁体、７１ 第１弁体部、７２ 第１摺動部、７３ 連通路、７４ オリフィス、８ 第２弁体、８１ 第２弁体部、８２ 下端面、８２１ 内周側当接部（第１当接部）、８２２ 外周側当接部（第２当接部）、８３ 第２摺動部、９ 高圧燃料供給通路、９１ 噴射制御通路、９３ 燃料供給通路、９４ 増圧制御通路（制御通路）、９５ 第１制御圧供給通路、９６ 制御燃料供給通路、９７ 第２制御圧供給通路、９８ 第１リターン通路、９９ 第２リターン通路（低圧通路）

Claims (6)

1. 高圧源の高圧流体を流体装置の制御室へ供給する第１の状態と、前記制御室の高圧流体を低圧源に排出する第２の状態を切り替える３方切替弁において、
   前記高圧源と連通する高圧通路、前記制御室と連通する制御通路、および前記低圧源と連通する低圧通路が開口する弁室を有するボデーと、
   前記高圧通路の開口部を開閉する第１弁体であって、一端部が前記弁室に収容され、他端部が、前記一端部側に付勢する前記高圧源の前記高圧流体が流入する前記ボデーに形成された第１背圧室に収容され、前記一端部と前記他端部との間の側壁が前記ボデーに摺動自在に支持され、前記第１背圧室の流体の圧力が所定値から低下すると、前記第１背圧室側に移動し、前記高圧通路の開口部を閉塞する第１弁体と、
   前記低圧通路の開口部を開閉する第２弁体であって、一端部が前記弁室に収容され、他端部が前記一端部側に付勢する前記高圧源の前記高圧流体が流入する前記ボデーに形成された第２背圧室に収容され、前記一端部と前記他端部との間の側壁が前記ボデーに摺動自在に支持され、前記弁室の流体の圧力が所定値から低下すると、前記弁室側に移動し、前記低圧通路の開口部を開放する第２弁体と、を備え、
   前記第１の状態から前記第２の状態に切り替わる過渡期において、前記第１背圧室および前記弁室の流体の圧力を調整させることにより、前記第２弁体は、前記第１弁体が前記高圧通路の開口部を閉塞した後、前記低圧通路の開口部を開放する３方切替弁であって、
   前記第２弁体は、前記第２弁体が前記低圧通路の開口部を閉塞するとき、前記第２弁体と前記ボデーとの摺動部と、前記低圧通路の開口部との間に、前記第２弁体の軸方向移動に伴って前記弁室の内壁に当接し、前記摺動部から前記低圧通路の開口部への流体の流れを阻止する第１当接部を有することを特徴とする３方切替弁。
2. 前記第１弁体および前記第２弁体は、前記第１弁体および前記第２弁体のそれぞれの中心軸線がほぼ一致するように前記ボデーに配置されており、
   前記第２の状態にあるとき、前記第１弁体が、前記第２弁体を、前記第１当接部が前記弁室の内壁に押し付けられる方向に押し付けることを特徴とする請求項１に記載の３方切替弁。
3. 前記第２弁体は、前記弁室に収容される弁体部と、前記弁体部よりも径が小さく、前記ボデーに摺動自在に支持される摺動部を有し、
   前記第１当接部は、前記弁体部の前記摺動部側の端面に前記低圧通路の開口部が形成される前記弁室の前記内壁に向かって突出するように、かつ、当該端面を前記第２弁体の軸方向から見たとき、前記摺動部を囲むように形成され、
   さらに、前記弁体部の前記端面には、前記第１当接部よりも外周側であって、前記低圧通路の開口部と前記制御通路の開口部との間の前記弁室の前記内壁に当接する第２当接部が、前記弁室の前記内壁に向かって突出するように形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の３方切替弁。
4. 前記第１弁体には、前記第１背圧室と前記弁室とを連通する連通路が形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の３方切替弁。
5. 前記連通路は、前記第１の状態から前記第２の状態に切り替わる過渡期において、前記弁室の流体の圧力が所定値から低下して、前記第２弁体が前記低圧通路の開口部を開放した後、前記第２弁体によって閉塞されることを特徴とする請求項４に記載の３方切替弁。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の３方切替弁を備える燃料噴射装置であって、
   先端に噴孔を有し、当該噴孔から燃料を噴射するノズルと、
   前記ノズルに供給する燃料が流入する増圧室、前記増圧室の燃料の圧力を増圧させ、前記ノズルに供給する増圧ピストン、前記増圧ピストンの動作を制御する流体が流出入する制御室を有する増圧装置と、を備え、
   前記３方切替弁の前記制御通路は、前記増圧装置の前記制御室に連通しており、前記３方切替弁が、前記第１の状態および前記第２の状態を切り替えることにより、前記高圧源の前記高圧流体としての高圧燃料を前記制御室に供給したり、前記制御室の前記高圧燃料を前記低圧源に排出したりし、前記増圧装置を駆動したり、停止させたりすることを特徴とする燃料噴射装置。

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