JP2008309015A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制御室から燃料タンクへの燃料の排出を制御する第１、第２の制御弁を順に開弁させることでニードル弁上昇速度を２段階に切り替え可能な燃料噴射制御装置であって、第２の制御弁の開弁に必要なアクチュエータ駆動力を低減すること。
【解決手段】インジェクタ背面に位置する制御室から燃料を排出させる流路として２つの系統が設けられ、各系統に第１、第２制御弁４３，４４がそれぞれ介装される。第１制御弁４３の第１弁体４３ａはアクチュエータ４３ｂで駆動され、第２制御弁４４の第２弁体４４ａは、ピストン４４ｂを介して第１弁体４３ａの押圧により駆動される。第１弁体４３ａが「開」で第２弁体４４ａが「閉」の状態では、オリフィスＺ１の作用により、第１背圧室Ｒ４と連通する圧力導入室Ｒ７内の圧力が制御室内の圧力まで上昇する。この圧力により、ピストン４４ｂはアクチュエータ発生力を助勢する方向の力を受ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

従来より、図１７に示すように、内燃機関（特に、ディーゼル機関）の燃焼室に燃料を噴射する噴孔１１０を開閉するニードル弁１２０と、内部の燃料の圧力である噴射圧Pcによりニードル弁１２０の一端側（図１７において下端側）が開弁方向（図１７において上方向）の力を受けるとともにニードル弁１２０の開弁状態において内部の燃料が噴孔１１０から燃焼室に向けて噴射されるノズル室１３０と、内部の燃料の圧力である制御圧Pcntlによりニードル弁１２０の他端側（図１７において上端側）が閉弁方向（図１７において下方向）の力を受ける制御室１４０と、高圧発生部（図示しない液圧ポンプ＋コモンレール）が発生する高圧燃料をノズル室１３０に供給する燃料供給路１５０と、燃料供給路１５０から制御室１４０に燃料を流入させる流入オリフィス１６０が介装された燃料流入路１７０と、制御室１４０から燃料を燃料タンク（図示せず）へ排出させる排出オリフィス１８０が介装された燃料排出路１９０と、燃料排出路１９０に介装されて燃料排出路１９０を連通・遮断する制御弁２１０とを備えた燃料噴射制御装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００５−３２０８７０号公報

この装置では、閉弁状態にあるニードル弁１２０を開弁させる場合（閉弁状態（リフト量＝０）から開弁状態（リフト量＞０）へと変更させる場合）、制御弁２１０が開弁させられる（閉弁状態から開弁状態へと変更される）。これにより、燃料排出路１９０を通して制御室１４０から燃料が排出されて制御圧Pcntlが噴射圧Pcから低下し、これに伴って燃料流入路１７０を通して制御室１４０に燃料供給路１５０から燃料が流入する。この結果、制御圧Pcntlは、排出オリフィス１８０を通過する燃料の流出流量Qoutと流入オリフィス１６０を通過する燃料の流入流量Qinの差（＝Qout−Qin）に応じた速度をもって噴射圧Pcから低下していく。

このように低下していく制御圧Pcntlが「ニードル弁開弁圧」（ニードル弁１２０が閉弁状態から開弁状態へ移行する時点での制御圧Pcntl）まで達すると、ニードル弁１２０が開弁し（図１７において上方へ移動し）、この結果、燃料噴射が開始される。その後、ニードル弁１２０は、制御室１４０内の燃料の体積の減少速度（即ち、上記流出流量Qoutと上記流入流量Qinの差（＝Qout−Qin））に応じた速度をもって上昇していく（図１７において上方へ移動していく）。即ち、ニードル弁１２０のリフト量が増大していく。この間、燃料噴射は継続される。以下、このようにニードル弁１２０が上昇する際のニードル弁１２０の上昇速度（リフト量の増大速度）を「ニードル弁上昇速度」と称呼する。

一方、このように上昇していく（開弁状態にある）ニードル弁１２０を閉弁させる場合（開弁状態から閉弁状態へと変更させる場合）、制御弁２１０が閉弁させられる（開弁状態から閉弁状態へと変更される）。これにより、燃料排出路１９０を通した制御室１４０からの燃料の排出が中止される一方、燃料流入路１７０を通した制御室１４０への燃料の流入は継続される。この結果、ニードル弁１２０は、制御室１４０内の燃料の体積の増大速度（即ち、上記流入流量Qin）に応じた速度をもって下降していく（図１７において下方へ移動していく）。即ち、ニードル弁１２０のリフト量が減少していく。以下、このようにニードル弁１２０が下降する際のニードル弁１２０の下降速度（リフト量の減少速度）を「ニードル弁下降速度」と称呼する。そして、ニードル弁１２０のリフト量が「０」に達すると、ニードル弁１２０が閉弁し、燃料噴射が終了する。このように、制御弁２１０を制御して制御圧Pcntlを制御することでニードル弁１２０の位置（リフト量）が調整されて燃料の噴射制御が行われる。

ところで、上記ニードル弁上昇速度を２段階に切り替え可能にしたいという要求がある。この理由の一つとして以下のものが挙げられる。即ち、ディーゼル機関において、燃料噴射開始後着火開始までの期間（所謂、着火遅れ時間）内に噴射された燃料の大部分は、所謂拡散燃焼（ディーゼル燃焼）に代えて所謂予混合燃焼（燃焼室内において比較的均一に拡散した状態にて略同時に着火する燃焼）を行う傾向がある。この予混合燃焼では燃料が略同時に着火するため、燃焼室内圧力が急激に上昇して騒音が大きくなるという問題がある。この騒音を小さくするためには、着火遅れ時間中に噴射される燃料の総量を小さくすればよい。このためには、燃料噴射開始後の極短期間だけ噴射率（単位時間当たりに噴射される燃料噴射量）を小さめに設定すればよい。ここで、噴射率は、燃料噴射開始後ニードル弁リフト量の増大に応じて増大していく。以上より、燃料噴射開始後の極短期間だけニードル弁上昇速度（従って、ニードル弁リフト量）を小さめに設定し、その後、ニードル弁上昇速度を大きい値に切り替えると（即ち、ニードル弁上昇速度を「小」から「大」へと２段階に切り替えると）、上記予混合燃焼に伴う騒音を小さくすることができる。

上述のように、ニードル弁上昇速度は上記流量差（＝Qout−Qin））に基づく。従って、ニードル弁上昇速度を「小」から「大」へと２段階に切り替えるためには、例えば、ニードル弁上昇中における所定時期にて上記流出流量Qoutをステップ的に大きくすればよい。このためには、例えば、図１７に示した装置において、制御室１４０からの燃料の排出系統を図１８に示したように構成すればよい。図１８において、図１７に示した部材と同じ或いは等価な部材には図１７と同じ符号が付されている。

即ち、図１８に示した燃料排出系統では、第１排出オリフィス２２０が介装された流路２３０を介して制御室１４０に接続された第１弁体収容室２４０内に第１弁体２５０が収容されている。第１弁体２５０は第１弁体収容室２４０内にて開弁・閉弁方向（図１８において上下方向）に移動可能であって、第１弁体収容室２４０と、燃料タンクに接続された第１背圧室２６０とを連通・遮断するようになっている。

また、第２排出オリフィス２７０が介装された流路２８０を介して制御室１４０に接続された第２弁体収容室２９０内に第２弁体３１０が収容されている。第２弁体３１０は第２弁体収容室２９０内にて第１弁体２５０と同軸的に開弁・閉弁方向（図１８において上下方向）に移動可能であって、第２弁体収容室２９０と第１弁体収容室２４０とを連通・遮断するようになっている。

アクチュエータ３２０（例えば、ピエゾ素子（圧電／電歪素子）から構成される）は、第１弁体２５０の第１背圧室２６０側部分を開弁方向に押圧する駆動力を発生し、第１弁体リフト量（図１８に示した位置から下方への移動量）を調整可能となっている。

第１弁体２５０のリフト量が所定量（図１８に示した距離ｚ）に達すると、第１弁体２５０の下端が第２弁体３１０の第１弁体収容室２４０側部分と接触し、第１弁体２５０のリフト量の増大に応じて第２弁体３１０が第１弁体２５０に押圧されながら閉弁位置から開弁方向（図１８に示す位置から下方）に移動可能（即ち、第２弁体リフト量（図１８に示した位置から下方への移動量）が増大可能）となっている。このように、第１弁体２５０はアクチュエータ３２０で駆動され、第２弁体３１０は開弁状態にある第１弁体２５０の押圧により駆動される。

以上の構成により、第１弁体リフト量＝０の場合、第２弁体リフト量＝０となる（即ち、図１８に示す状態）。この場合、第１、第２弁体２５０，３１０が共に閉弁状態にあり、第１、第２排出オリフィス２２０，２７０を通過する燃料の流出流量Qout1,Qout2＝０となる。従って、制御室１４０から燃料が流出しない。

一方、図１９に示すように、０＜第１弁体リフト量≦ｚの場合（図１９では、第１弁体リフト量＝ｚ）、第１弁体２５０のみが開弁状態となり、流出流量Qout2＝０である一方で流出流量Qout1＞０となる。この場合、ニードル弁１２０は、流量差（＝Qout1−Qin）に応じたニードル弁上昇速度（＝第１上昇速度）で上昇していく。

更に、図２０に示すように、ｚ＜第１弁体リフト量の場合（図２０では、第１弁体リフト量＝最大値max）、第１、第２弁体２５０，３１０が共に開弁状態となり、流出流量Qout1,Qout2＞０となる。この場合、ニードル弁１２０は、流量差（＝Qout1＋Qout2−Qin）に応じたニードル弁上昇速度（＝第２上昇速度＞第１上昇速度）で上昇していく。

このように、図１９に示す状態（第１弁体が開弁、第２弁体が閉弁）にてニードル弁１２０の上昇中において、アクチュエータ３２０の駆動力を増大させて図２０に示す状態に変更する（第１、第２弁体が共に開弁）ことで、ニードル弁上昇速度を「小」から「大」へと２段階に切り替えることができる。

以下、特に、上記アクチュエータ３２０がピエゾ素子からなる場合について説明する。この場合、アクチュエータ３２０は、駆動電圧の付与により図１８における上下方向に自身が伸長しようとすることで第１弁体２５０を開弁方向に押圧する駆動力を発生する。

図２１は、アクチュエータ３２０がピエゾ素子からなる場合について、駆動電圧と、アクチュエータ３２０の駆動力（以下、「アクチュエータ発生力」とも称呼する。）と、アクチュエータ３２０の伸長量（＝第１弁体リフト量、以下、「アクチュエータリフト量」とも称呼する。）と関係を示している。このように、駆動電圧が一定の場合、アクチュエータリフト量の増大に応じてアクチュエータ発生量が小さくなる。アクチュエータリフト量が一定でアクチュエータ発生力を増大させるには、駆動電圧を増大させる必要がある。

図２２は、アクチュエータ３２０がピエゾ素子からなる場合について、ニードル弁上昇速度を「小」から「大」へと２段階に切り替えるために、第１、第２弁体２５０，３１０の状態が図１８に示す状態（第１、第２弁体が共に閉弁）、図１９に示す状態（第１弁体が開弁、第２弁体が閉弁）、及び図２０に示す状態（第１、第２弁体が共に開弁）に順に変更されていく場合における、駆動電圧、アクチュエータ発生力、並びにアクチュエータリフト量の関係の推移を示している。

図２２の点ｏに示すように、駆動電圧が「０」の場合、アクチュエータ発生量、アクチュエータリフト量が共に「０」になるから、第１、第２弁体２５０，３１０の状態は、図１８に示す状態（第１、第２弁体が共に閉弁）に維持される。

この状態にて、点ａに示すように、駆動電圧を「０」から、アクチュエータリフト量＝０の状態にてアクチュエータ発生力を第１弁体２５０の開弁に必要な力とするために必要な値Ｖ１にステップ的に増大すると、第１弁体２５０が開弁する（即ち、アクチュエータリフト量が「０」から増大する）。この結果、流出流量Qout1（＞０）の発生に起因して第１排出オリフィス２２０の両側間にて大きい差圧が発生して第１弁体収容室２４０内の圧力が制御圧Pcntlから大きく低下する。これにより、第１弁体２５０が閉弁方向に受ける力が減少するから第１弁体リフト量（＝アクチュエータリフト量）が更に増大していき、これに伴ってアクチュエータ発生力が減少していく。そして、点ｂに示すように、アクチュエータリフト量が値ｚに達すると、第１弁体２５０が第２弁体３１０に接触してアクチュエータリフト量の増大が停止する。この結果、第１、第２弁体２５０，３１０の状態は、図１９に示す状態（第１弁体が開弁、第２弁体が閉弁）に維持される。

続いて、この状態にて、点ｃに示すように、駆動電圧を値Ｖ１から、アクチュエータリフト量＝ｚの状態にてアクチュエータ発生力を第２弁体３１０の開弁に必要な力とするために必要な値Ｖ２にステップ的に増大すると、第２弁体３１０が開弁する（即ち、アクチュエータリフト量が値ｚから増大する）。この結果、流出流量Qout2（＞０）の発生に起因して第２排出オリフィス２７０の両側間にて大きい差圧が発生して第２弁体収容室２９０内の圧力が制御圧Pcntlから大きく低下する。これにより、第２弁体３１０が閉弁方向に受ける力が減少するからアクチュエータリフト量が更に増大していき、これに伴ってアクチュエータ発生力が減少していく。そして、点ｄに示すように、アクチュエータリフト量が最大値maxに達すると、アクチュエータリフト量の増大が停止する。この結果、第１、第２弁体２５０，３１０の状態は、図２０に示す状態（第１、第２弁体が共に開弁）に維持される。

ここで、上述したように、図１９に示した状態（図２２の点ｂに対応する）では、第１弁体収容室２４０内の圧力が制御圧Pcntlより大きく低下している。一方、第２弁体収容室２９０内の圧力は制御圧Pcntlに維持されている。この結果、第２弁体３１０には、この差圧により閉弁方向に大きな力が作用している。従って、図１９に示した状態（図２２の点ｂに対応する）にて、第２弁体３１０の開弁に必要なアクチュエータ発生力の増大量Ｆ（図２２を参照）は、非常に大きい値となる。この結果、第２弁体３１０の開弁に必要な駆動電圧の値Ｖ２が非常に大きくなる。このことは、アクチュエータ３２０の体格の大型化に繋がる。以上、アクチュエータ３２０がピエゾ素子からなる場合について説明したが、アクチュエータ３２０がその他のタイプの場合であっても同様に、第２弁体３１０の開弁に必要なアクチュエータ発生力が大きいことに起因してアクチュエータ３２０の体格の大型化の問題が発生し得る。

本発明の目的は、制御室から燃料タンクへの燃料の排出を制御する第１、第２の制御弁を備えニードル弁上昇速度を２段階に切り替え可能な燃料噴射制御装置であって第１制御弁の第１弁体をアクチュエータで駆動し第２制御弁の第２弁体を開弁状態にある第１弁体の押圧により駆動するタイプのものにおいて、第２弁体の開弁に必要なアクチュエータ駆動力を低減してアクチュエータの体格の大型化を抑制し得るものを提供することにある。

本発明に係る燃料噴射制御装置は、制御室からの燃料の排出系統以外については、上述した図１７に示した装置と同じ構成を有する。制御室からの燃料の排出系統について、発明に係る燃料噴射制御装置は、大略的には、前記制御室から燃料タンクへ燃料を排出させる第１燃料排出路と、前記第１燃料排出路に介装されて前記第１燃料排出路を連通・遮断する第１制御弁と、前記制御室から燃料タンクへ燃料を排出させる第２燃料排出路と、前記第２燃料排出路に介装されて前記第２燃料排出路を連通・遮断する第２制御弁とを備える。そして、前記第１、第２制御弁を制御して制御室内の制御圧を制御することでニードル弁の位置を調整して燃料の噴射制御が行われる。

前記第１制御弁は、前記制御室と連通する第１弁体収容室と、前記燃料タンクと連通する第１背圧室と、前記第１弁体収容室内に移動可能に収容されて前記第１弁体収容室と前記第１背圧室とを連通・遮断する第１弁体と、前記第１弁体の前記第１背圧室側部分を開弁方向に押圧する駆動力を発生して前記第１弁体の閉弁状態からの開弁方向へのリフト量を調整可能なアクチュエータとを備える。ここにおいて、前記第１弁体収容室と前記第１背圧室とは前記第１燃料排出路の一部を構成している。

前記第２制御弁は、前記制御室と連通する第２弁体収容室と、前記燃料タンクと連通する第２背圧室と、前記第２弁体収容室内に移動可能に収容されて前記第２弁体収容室と前記第２背圧室とを連通・遮断する第２弁体と、前記第１背圧室と連通する圧力導入室と、
前記第２背圧室と前記圧力導入室とを区画するピストンとを備える。ここにおいて、前記第２弁体収容室と前記第２背圧室とは前記第２燃料排出路の一部を構成している。

前記ピストンは、その一端側が前記第２背圧室に臨むとともにその他端側が前記圧力導入室に臨んで前記圧力導入室内の圧力により前記他端側から前記一端側の方向の力を受け、前記第１弁体のリフト量が所定量以上の場合に前記他端側が前記第１弁体と接触して前記第１弁体のリフト量の増大に応じて前記第１弁体に押圧されながら前記他端側から前記一端側の方向に移動可能に、且つ、前記一端側が前記第２弁体の前記第２背圧室側部分と接触して前記第２弁体を開弁方向に押圧するように配置・構成される。ここにおいて、前記第１弁体、前記ピストン、及び前記第２弁体は、同軸的に配置されることが好ましい。

上記構成によれば、第１制御弁の第１弁体はアクチュエータにより開弁方向に駆動され、第１弁体のリフト量は、アクチュエータの駆動力の調整により調整され得る。第２制御弁の第２弁体は、開弁状態にある第１弁体の押圧によりピストンを介して開弁方向に駆動される。以下、弁体の開弁状態、閉弁状態をそれぞれ、「開」、「閉」と称呼するものとする。

ここで、ピストンは、その他端側が圧力導入室に臨むことで圧力導入室内の圧力によりピストンの他端側から一端側の方向の力（即ち、第２弁体の開弁方向の力）を受ける。圧力導入室は第１背圧室と連通している。ここで、第１制御弁の第１弁体が「開」の場合、第１背圧室内の圧力（従って、圧力導入室内の圧力）は、第１燃料排出路内の燃料の流れの存在により、燃料タンク内の圧力（即ち、大気圧）よりも高い圧力となり得る。また、第２制御弁の第２弁体が「閉」の場合、第２燃料排出路内の燃料の流れが存在しないからピストンの一端側が臨む第２背圧室内の圧力は大気圧と同等となる。

従って、第１弁体が「開」で第２弁体が「閉」の場合、圧力導入室内の圧力＞第２背圧室内の圧力（≒大気圧）となり、ピストンは、圧力導入室内の圧力により第２弁体の開弁方向の力（以下、「第２弁体開弁助勢力」と称呼する。）を受ける。この第２弁体開弁助勢力は、第２弁体の開弁に必要なアクチュエータの駆動力を助勢する方向に働く。以上より、第１弁体が「開」で第２弁体が「閉」の場合において、この第２弁体開弁助勢力が発生することで、第２弁体の開弁に必要なアクチュエータ駆動力を低減してアクチュエータの体格の大型化を抑制することができる。

この場合、前記第１燃料排出路における、前記第１燃料排出路と前記圧力導入室とを連通する流路と前記第１燃料排出路との合流部よりも下流において、第１流路絞り部を設けることが好適である。これによれば、第１制御弁の第１弁体が「開」の場合、第１燃料排出路内の燃料の流れの存在により第１流路絞り部の両側間に大きな差圧が発生し得る。これにより、第１背圧室内の圧力（≒圧力導入室内の圧力）を、制御室内の圧力（制御圧）近傍まで高めることができる。この結果、上記第２弁体開弁助勢力が十分に大きくなり、第２弁体の開弁に必要なアクチュエータ駆動力をより一層低減することができる。

このように第１流路絞り部が設けられている場合、前記ピストンの外径と前記第２弁体の弁座径とを等しくすることが好ましい。上述したように、第１弁体が「開」で第２弁体が「閉」の場合において、圧力導入室内の圧力≒制御室内の圧力＝第２弁体収容室内の圧力が成立する。従って、上記構成のように、ピストンの外径と第２弁体の弁座径とが等しいと、第２弁体が圧力導入室内の圧力により受ける開弁方向の力（＝上記第２弁体開弁助勢力）と、第２弁体が第２弁体収容室内の圧力により受ける閉弁方向の力とを略等しくすることができる。この結果、第２弁体の開弁に必要なアクチュエータ駆動力を大幅に低減することができる。

また、上記本発明に係る燃料噴射制御装置においては、前記第２燃料排出路における前記制御室と前記第２弁体収容室との間において、第２流路絞り部を設けることが好適である。これによれば、第２制御弁の第２弁体が「開」の場合、第２燃料排出路内の燃料の流れの存在により第２流路絞り部の両側間に大きな差圧が発生し得る。これにより、第２弁体収容室内の圧力を、略大気圧近傍まで下げることができる。

即ち、第２制御弁の第２弁体の開弁後、第２弁体が第２弁体収容室内の圧力により受ける閉弁方向の力の大きさが減少していく一方で、上記第２弁体開弁助勢力の大きさは維持される。この結果、アクチュエータによる押圧力による助勢なしで上記第２弁体開弁助勢力により、第２弁体のリフト量を最大値まで増大させることができる。

以下、本発明による内燃機関の燃料噴射制御装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施形態による内燃機関（ディーゼル機関）の燃料噴射制御装置１０の全体の概略構成を示している。この燃料噴射制御装置１０は、燃料タンクＴに貯留されている燃料を吸入・吐出する燃料ポンプ２０と、燃料ポンプ２０により吐出された高圧燃料が供給されるコモンレール３０と、コモンレール３０から燃料供給路Ｃ１を通して高圧燃料が供給されて内燃機関の燃焼室（図示せず）に燃料を噴射するインジェクタ４０と、燃料ポンプ２０及びインジェクタ４０を制御するＥＣＵ５０とを備える。燃料ポンプ２０とコモンレール３０は、前記「高圧発生部」に対応している。

なお、図１では、コモンレール３０から１本の燃料供給路Ｃ１を通して高圧燃料が供給される１つのインジェクタ４０が記載されているが、実際には、インジェクタ４０及び燃料供給路Ｃ１は内燃機関の複数の燃焼室の各々に対してそれぞれ設けられていて、各インジェクタ４０は対応する燃料供給路Ｃ１を通してコモンレール３０と個別に接続されている。燃料供給路Ｃ１内の燃料の圧力（以下、「噴射圧Pc」と呼ぶ。）は、コモンレール３０内の燃料の圧力（＝前記高圧燃料の圧力）と略等しい。以下、説明の便宜上、各図における紙面上の上・下を単に、「上」、「下」と称呼することもある。

燃料ポンプ２０は、ＥＣＵ５０からの指示により燃料の吸入流量を調整可能に構成されている。これにより、燃料の吐出圧（従って、噴射圧Pc）が調整できるようになっている。

インジェクタ４０は、主として、ボディ４１と、ボディ４１の内部の第１所定空間においてその軸線方向に摺動可能に収容された段付円柱状のニードル弁４２と、ボディ４１の内部の第２所定空間に配設された第１、第２制御弁４３、４４とを備えている。

ニードル弁４２は、上記第１所定空間を、ノズル室Ｒ１と、制御室Ｒ２とに区画している。ノズル室Ｒ１は燃料供給路Ｃ１と連通していて、ノズル室Ｒ１内の燃料圧力は上記噴射圧Pcと等しい。ノズル室Ｒ１は、ボディ４１の下端部に設けられて燃焼室に臨む複数の噴孔４１ａとも連通している。

ニードル弁４２の下端側の先端部には先端に近づくほど縮径するテーパー部（円錐形状部）４２ａが同軸的に形成されている。ニードル弁４２が上記第１所定空間内にて下降してテーパー部４２ａが噴孔４１ａ近傍に形成されたボディ４１の円形弁座部４１ｂに当接した状態（図１に示す状態）にて、噴孔４１ａがノズル室Ｒ１から遮断されるようになっている。この状態では、燃料が噴射されない。

以下、この状態を、ニードル弁４２の閉弁状態とも称呼する。また、ニードル弁４２のリフト量（ニードル弁リフト量Ln）は、この状態からのニードル弁４２の上方への移動量（上昇量）を意味するものとする。即ち、図１に示したニードル弁４２の閉弁状態では、ニードル弁リフト量Lnは「０」である。

一方、ニードル弁４２が閉弁状態から上方へ移動（上昇）してテーパー部４２ａが円形弁座部４１ｂから離間すると、噴孔４１ａがノズル室Ｒ１と連通するようになっている。この状態（即ち、ニードル弁リフト量Ln＞０）では、燃料が噴射圧Pcをもって噴射される。以下、この状態を、ニードル弁４２の開弁状態とも称呼する。また、以下において、弁の種類にかかわらず、開弁状態を「開」、閉弁状態を「閉」と称呼し、「開」から「閉」に移行することを「閉弁」と呼び、「閉」から「開」に移行することを「開弁」と称呼することもある。

ニードル弁４２の下端側は、ノズル室Ｒ１内の圧力（＝噴射圧Pc）により開弁方向（上方向）の力F1を受ける。ここで、ニードル弁４２におけるノズル室Ｒ１と制御室Ｒ２とを区画する摺動部４２ｂの外径をD1、円形弁座部４１ｂの弁座径（シート径）をD2とすると、ニードル弁４２の閉弁状態では、この開弁方向の力F1についてのニードル弁４２の下端側の受圧面積は(π/4)・(D1²−D2²)となる。従って、ニードル弁４２の閉弁状態では、この開弁方向の力F1は、下記(1)式にて表すことができる。

F1＝(π/4)・(D1²−D2²)・Pc …(1)

なお、ニードル弁４２が開弁すると、テーパー部４２ａにおける円形弁座部４１ｂと当接する部位よりも先端側の部分も噴射圧Pcをもった燃料にさらされることになる。従って、ニードル弁４２の開弁状態では、この開弁方向の力F1についてのニードル弁４２の下端側の受圧面積が(π/4)・D2²だけ増大して(π/4)・D1²となる。従って、ニードル弁４２の開弁状態では、この開弁方向の力F1は、下記(2)式にて表すことができる。

F1＝(π/4)・D1²・Pc …(2)

ニードル弁４２の上端側は、制御室Ｒ２内の圧力（以下、「制御圧Pcntl」と称呼する。）により閉弁方向（下方向）の力F2を受ける。この閉弁方向の力F2についてのニードル弁４２の上端側の受圧面積は(π/4)・D1²である。従って、この閉弁方向の力F2は、下記(3)式にて表すことができる。

F2＝(π/4)・D1²・Pcntl …(3)

加えて、制御室Ｒ２内には、ニードル弁４２を閉弁方向へ常時付勢するコイルスプリング４５が配設されている。このコイルスプリング４５の付勢力（閉弁方向の力）をF3とすると、ニードル弁４２の上端側は、全体として閉弁方向の力（F2+F3）を受ける。なお、コイルスプリング４５は、燃料ポンプ２０の非作動中など噴射圧Pcが低い場合等において、ニードル弁４２が開弁して燃料が燃焼室へ流出する事態等の発生を防止するために設けられている。

後述するように、制御圧Pcntlは、第１、第２制御弁４３、４４の開閉制御により噴射圧Pc以下の範囲内で変化し得るようになっている。制御圧Pcntlを噴射圧Pcよりも小さい或る圧力（以下、「ニードル弁開弁圧Py」と称呼する。）まで噴射圧Pcから低下させると、ニードル弁４２が開弁する。

このニードル弁開弁圧Py（＜Pc）は、上記(1)式、(3)式を考慮すると、下記(4)式にて表すことができる。このように、ニードル弁開弁圧Pyは噴射圧Pcに依存する。以上のように、制御圧Pcntlの制御によりニードル弁リフト量Lnが調整されて、噴孔４１ａが開閉されるようになっている。

Py＝{1/((π/4)・D1²)}・{(π/4)・(D1²−D2²)・Pc−F3} …(4)

以下、第１、第２制御弁４３、４４の拡大図である図２をも参照しながら第１、第２制御弁４３、４４について説明する。先ず、第１制御弁４３について説明する。

第１制御弁４３は、上記第２所定空間を第１弁体収容室Ｒ３と第１背圧室Ｒ４とに区画する半球状の第１弁体４３ａと、第１弁体４３ａを開弁方向（図２において下方向）に駆動するアクチュエータ４３ｂとを備えている。第１弁体４３ａ、及びアクチュエータ４３ｂは上記第２所定空間の軸線方向に対して同軸的に配置されている。

第１弁体収容室Ｒ３は流路Ｃ２を通して制御室Ｒ２と連通していて、第１弁体収容室Ｒ３内の圧力は上記制御圧Pcntlと常時等しい。第１背圧室Ｒ４は第１排出オリフィスＺ１（開口面積一定）が介装された流路Ｃ３を通して燃料タンクＴと連通している。ここで、流路Ｃ２、第１弁体収容室Ｒ３、第１背圧室Ｒ４、及び流路Ｃ３は、制御室Ｒ２から燃料を排出させる前記「第１燃料排出路」に対応している。

第１弁体４３ａは、第１弁体収容室Ｒ３内において移動可能に収容されていて、第１弁体４３ａの位置（上下方向の位置）は、アクチュエータ４３ｂの駆動力に応じて調整されるようになっている。第１弁体４３ａ（の球面部）が第１弁体収容室Ｒ３の上端側に形成されたボディ４１の弁座部（円錐形状部）４１ｃに当接した状態（閉弁状態、図１，２に示す状態）にて、第１弁体収容室Ｒ３と第１背圧室Ｒ４とが遮断されて「第１燃料排出路」が遮断されるようになっている。この閉弁状態では、第１燃料排出路を介して燃料が制御室Ｒ２から排出されない。第１弁体４３ａのリフト量（第１弁体リフト量Lv1）は、この状態からの第１弁体４３ａの下方への移動量（下降量）を意味するものとする。

一方、第１弁体４３ａが閉弁状態から下方へ移動（下降）して弁座部４１ｃから離間すると、第１弁体収容室Ｒ３と第１背圧室Ｒ４とが連通して「第１燃料排出路」が開通するようになっている。この状態（開弁状態、第１弁体リフト量Lv1＞０）では、「第１燃料排出路」を通して制御室Ｒ２から燃料タンクＴへ燃料が排出されるようになっている。即ち、排出オリフィスＺ１を通過する流量を「第１流出流量Qout1」と称呼するものとすると、第１弁体４３ａが「閉」では第１流出流量Qout1＝０となり、第１弁体４３ａが「開」では第１流出流量Qout1＞０となる。

アクチュエータ４３ｂは、本例では、ピエゾ素子（圧電／電歪素子）から構成されていて、ＥＣＵ５０からの指示により調整・供給される駆動電圧Ｖに応じて上下方向に伸長しようとすることでロッド４３ｃを介して第１弁体４３ａを開弁方向（下方向へ）押圧するようになっている。このアクチュエータ４３ｂについて、駆動電圧Ｖと、アクチュエータ４３ｂの駆動力（以下、「アクチュエータ発生力」とも称呼する。）と、アクチュエータ４３ｂの伸長量（図１，２に示す状態からの上下方向への伸び量、即ち、第１弁体リフト量Lv1と等しい。以下、「アクチュエータリフト量」とも称呼する。）と関係は、上述した図２１に示したとおりである。即ち、駆動電圧Ｖが一定の場合、アクチュエータリフト量の増大に応じてアクチュエータ発生量が小さくなる。アクチュエータリフト量が一定でアクチュエータ発生力を増大させるには、駆動電圧Ｖを増大させる必要がある。

加えて、第１弁体収容室Ｒ３内には、第１弁体４３ａを閉弁方向へ常時付勢するコイルスプリング４３ｄが配設されている。このコイルスプリング４３ｄの付勢力は、本例では値F4（一定）とする。なお、コイルスプリング４３ｄは、アクチュエータ４３ｂの非作動時（駆動電圧Ｖ＝０）にて第１弁体４３ａを確実に「閉」とするためにのみ設けられている。従って、付勢力F4は微小である。

第１弁体４３ａが「閉」のとき、第１流出流量Qout1＝０であって第１背圧室Ｒ４内の圧力が大気圧と等しい一方で、第１弁体収容室Ｒ３内の圧力は制御圧Pcntlと等しい。従って、弁座部４１ｃの弁座径（シート径）をD3とすると、第１弁体４３ａの開弁に必要な力F5は、下記(5)式にて表すことができる。即ち、上記アクチュエータ発生力が値F5を超えると第１弁体４３ａが開弁する。

F5＝(π/4)・D3²・Pcntl＋F4 …(5)

次に、第２制御弁４４について説明する。第２制御弁４４は、上記第２所定空間を第２弁体収容室Ｒ５と第２背圧室Ｒ６とに区画する半球状の第２弁体４４ａと、上記第２所定空間を第２背圧室Ｒ６と圧力導入室Ｒ７とに区画するピストン４４ｂとを備えている。第２弁体４４ａ、及びピストン４４ｂは、上記第２所定空間の軸線方向に対して（即ち、第１弁体４３ａ、及びアクチュエータ４３ｂと）同軸的に配置されている。

第２弁体収容室Ｒ５は、第２排出オリフィスＺ２（開口面積一定）が介装された流路Ｃ４を通して制御室Ｒ２と連通している。第２背圧室Ｒ６は、流路Ｃ５を通して第１排出オリフィスＺ１よりも下流の流路Ｃ３と（従って、燃料タンクＴと）連通している。従って、第２背圧室Ｒ６内の圧力は大気圧と常時略等しい。圧力導入室Ｒ７は、流路Ｃ６を通して第１背圧室Ｒ４と連通している。従って、圧力導入室Ｒ７内の圧力は第１背圧室Ｒ４の圧力と常時等しい。ここで、流路Ｃ４、第２弁体収容室Ｒ５、第２背圧室Ｒ６、流路Ｃ５、及び流路Ｃ３は、制御室Ｒ２から燃料を排出させる前記「第２燃料排出路」に対応している。

ピストン４４ｂは、互いに同軸的に配置された大径部４４ｂ１、小径部４４ｂ２、及び小径部４４ｂ３から構成されている。大径部４４ｂ１は、第２背圧室Ｒ６と圧力導入室Ｒ７とを区画する。小径部４４ｂ２は、圧力導入室Ｒ７と第１弁体収容室Ｒ３とを区画し、その先端部（上端部）は、第１弁体収容室Ｒ３内に露呈して第１弁体４３ａ（の平面部）と当接可能に対向している。小径部４４ｂ３の先端部（下端部）は、第２弁体４４ａ（の球面部）に常時当接している。

第２弁体４４ａは、第２弁体収容室Ｒ４内において移動可能に収容されている。第２弁体４４ａの位置（上下方向の位置）は、後述するように、開弁状態にある第１弁体４３ａによりピストン４４ｂを介して開弁方向に押圧されることで調整されるようになっている。第２弁体４４ａ（の球面部）が第２弁体収容室Ｒ５の上端側に形成されたボディ４１の弁座部（円錐形状部）４１ｄに当接した状態（閉弁状態、図１，２に示す状態）にて、第２弁体収容室Ｒ５と第１背圧室Ｒ６とが遮断されて「第２燃料排出路」が遮断されるようになっている。この閉弁状態では、第２燃料排出路を介して燃料が制御室Ｒ２から排出されない。第２弁体４４ａのリフト量（第２弁体リフト量Lv2）は、この状態からの第２弁体４４ａの下方への移動量（下降量）を意味するものとする。

一方、第２弁体４４ａが閉弁状態から下方へ移動（下降）して弁座部４１ｄから離間すると、第２弁体収容室Ｒ５と第２背圧室Ｒ６とが連通して「第２燃料排出路」が開通するようになっている。この状態（開弁状態、第２弁体リフト量Lv2＞０）では、「第２燃料排出路」を通して制御室Ｒ２から燃料タンクＴへ燃料が排出されるようになっている。即ち、排出オリフィスＺ２を通過する流量を「第２流出流量Qout2」と称呼するものとすると、第２弁体４４ａが「閉」では第２流出流量Qout2＝０となり、第２弁体４４ａが「開」では第２流出流量Qout2＞０となる。

加えて、第２弁体収容室Ｒ４内には、第２弁体４４ａを閉弁方向へ常時付勢するコイルスプリング４４ｃが配設されている。このコイルスプリング４４ｃの付勢力は、本例では値F6（一定）とする。なお、コイルスプリング４４ｃは、アクチュエータ４３ｂの非作動時（駆動電圧Ｖ＝０）にて第２弁体４４ａを確実に「閉」とするためにのみ設けられている。従って、付勢力F4と同様、付勢力F6も微小である。

図２に示すように、第１、第２弁体４３ａ、４４ａが共に「閉」のとき、ピストン４４ｂの小径部４４ｂ２の先端部と第１弁体４３ａ（の平面部）とは、上下方向において距離ｚだけ離間している。従って、第１弁体リフト量Lv1が値ｚに達すると、第１弁体４３ａ（の平面部）が小径部４４ｂ２の先端部と接触する。そして、第１弁体リフト量Lv1が更に増大すると、第２弁体４４ａがピストン４４ｂ（即ち、第１弁体４３ａ）に押圧されることで開弁する。このように、第１弁体４３ａはアクチュエータ４３ｂで駆動され、第２弁体４４ａは開弁状態にある第１弁体４３ａの押圧により駆動される。

第２弁体４４ａが「閉」のとき、第２流出流量Qout2＝０であって第２弁体収容室Ｒ５内の圧力が制御圧Pcntlと等しい一方で、第２背圧室Ｒ６内の圧力は大気圧と等しい。従って、弁座部４１ｄの弁座径（シート径）をD4とすると、第２弁体４４ａの開弁に必要な力F7は、下記(6)式にて表すことができる。即ち、ピストン４４ｂの第２弁体４４ａに対する押圧力が値F7を超えると第２弁体４４ａが開弁する。なお、本例では、弁座径D4は、ピストン４４ｂの大径部４４ｂ１の外径D5と等しい。

F7＝(π/4)・D4²・Pcntl＋F6 …(6)

また、制御室Ｒ２は、流入オリフィスＺ３（開口面積一定）が介装された燃料流入路Ｃ７を通して燃料供給路Ｃ１と連通している。従って、流入オリフィスＺ３の両側間の差圧（従って、噴射圧Pcと制御圧Pcntlとの差圧）に応じて燃料流入路Ｃ７を通して制御室Ｒ２に燃料供給路Ｃ１から燃料が流入するようになっている。以下、流入オリフィスＺ３を通過する流量を「流入流量Qin」と称呼する。

以上の構成により、アクチュエータ４３ｂに供給される駆動電圧Ｖを制御することで、第１、第２制御弁４３、４４の開閉（具体的には、第１、第２弁体４３ａ、４４ａの開閉）が制御され、これにより、第１、第２流出流量Qout1,Qout2、及び流量流量Qinが調整されて、制御圧Pcntlが調整されるようになっている。

次に、図３、並びに図４〜図８を参照しながら、駆動電圧Ｖ、アクチュエータ発生力、アクチュエータリフト量、並びに、第１、第２弁体４３ａ、４４ａの開閉状態の関係について説明する。図３は、発明の開示の欄で説明した図２２に対応する図であり、図３の破線ｏ−ａ−ｂ−ｃ’−ｄ’は、図２２の実線ｏ−ａ−ｂ−ｃ−ｄ（即ち、図１８等に示した従来の装置が適用された場合）に対応していて、図３の実線は本例が適用された場合に対応している。また、図４〜図８に示した各室に関して、「白抜き」は内部の圧力が大気圧と等しいことを示し、「微細なドット」は内部の圧力が制御圧Pcntlと等しいことを示している。

先ず、図３の点ｏに示すように、駆動電圧Ｖ＝０の場合、アクチュエータ発生量、アクチュエータリフト量が共に「０」となるから、図４に示すように、第１、第２弁体４３ａ、４４ａは共に「閉」に維持される。従って、この場合、第１、第２流出流量Qout1,Qout2＝０となる。従って、制御室Ｒ２から燃料が流出しない。この図４に示す状態では、第１、第２弁体収容室Ｒ３，Ｒ５内の圧力は制御圧Pcntlに等しく、第１、第２背圧室Ｒ４，Ｒ６内の圧力は大気圧に等しい。

この状態にて、図３の点ａに示すように、駆動電圧Ｖを「０」から、アクチュエータリフト量＝０の状態にてアクチュエータ発生力を第１弁体４３ａの開弁に必要な力F5（上記(5)式を参照）とするために必要な値Ｖ１にステップ的に増大すると、図５に示すように、第１弁体４３ａが開弁する（即ち、アクチュエータリフト量が「０」から増大する）。この結果、第１流出流量Qout1（＞０）の発生に起因して第１排出オリフィスＺ１の両側間にて差圧が発生し、図６に示すように、第１背圧室Ｒ４内の圧力、及び圧力導入室Ｒ７内の圧力が大気圧から制御圧Pcntl（近傍）まで増大する。

これにより、第１弁体４３ａが第１背圧室Ｒ４内の圧力により開弁方向に受ける力が増大するから、第１弁体リフト量Lv1（＝アクチュエータリフト量）が「０」から増大していき、これに伴ってアクチュエータ発生力が減少していく。そして、図３の点ｂに示すようにアクチュエータリフト量が値ｚに達すると、第１弁体４３ａがピストン４４ｂ（の小径部ｂ２）に接触してアクチュエータリフト量の増大が停止する。この結果、図６に示すように、第１弁体４３ａが「開」、第２弁体４４ａが「閉」に維持される。

即ち、この図６に示す状態では、第１流出流量Qout1＞０,第２流出流量Qout2＝０となり、「第１燃料排出路」を通して制御室Ｒ２から燃料が流出する。この状態では、第１、第２弁体収容室Ｒ３，Ｒ５内の圧力、並びに第１背圧室Ｒ４及び圧力導入室Ｒ７内の圧力が制御圧Pcntlに等しく、第２背圧室Ｒ６内の圧力は大気圧に等しい。

このように、第１弁体４３ａの開弁後は、第１排出オリフィスＺ１の作用により第１背圧室Ｒ４内の圧力が制御圧Pcntlまで増大することで、駆動電圧ＶをＶ１から増加させることなく第１弁体リフト量Lv1（＝アクチュエータリフト量）を値ｚまで増大させることができる。

続いて、この状態にて、図３の点ｃに示すように、駆動電圧を値Ｖ１から、アクチュエータリフト量＝ｚの状態にてアクチュエータ発生力を第２弁体４４ａの開弁に必要な力F8とするために必要な値Ｖ２にステップ的に増大すると、図７に示すように、第２弁体４４ａが開弁する（即ち、アクチュエータリフト量が値ｚから増大する）。

ここで、この力F8について説明する。図６に示すように、第１弁体４３ａが「開」、第２弁体４４ａが「閉」の状態では、第１弁体収容室Ｒ３内の圧力、及び圧力導入室Ｒ７内の圧力は制御圧Pcntlになっている。一方、第２背圧室Ｒ６内の圧力は大気圧に維持されている。従って、ピストン４４ｂには、下記(7)式にて表される力F9（＝上記「第２弁体開弁助勢力」）が、第２弁体４４ｂの開弁方向（下方向）に作用している。

F9＝(π/4)・D5²・Pcntl …(7)

他方、上述したように、D4＝D5である。以上より、力F8＝F7−F9＝コイルスプリング４４ｃの付勢力F6（＝微小）が成立する。従って、第２弁体４４ａの開弁に必要なアクチュエータ発生力の増大量ｆ（図３を参照）も微小となる。この増大量ｆは、図１８等に示す従来の装置が適用された場合において第２弁体４４ａの開弁に必要なアクチュエータ発生力の増大量Ｆ（図３を参照）よりも十分に小さい。

これは、第１排出オリフィスＺ１の作用により第１弁体４３ａが「開」のときに圧力導入室Ｒ７内の圧力が制御圧Pcntlまで上昇すること、圧力導入室Ｒ７内の圧力（＝制御圧Pcntl）によりピストン４４ｂが受ける力F9（(7)式を参照）が第２弁体４４ａの開弁に必要なアクチュエータ発生力を助勢する方向に働くこと、に基づく。この結果、第２弁体４４ａの開弁に必要なアクチュエータ４３ｂの負荷が上記従来の装置が適用される場合に比して大幅に低減され得、駆動電圧Ｖ２を上記従来の装置が適用された場合における駆動電圧Ｖ２’（図３を参照）よりも十分に小さくすることができる。

第２弁体４４ａが開弁すると、第２流出流量Qout2（＞０）の発生に起因して第２排出オリフィスＺ２の両側間にて差圧が発生し、図８に示すように、第２弁体収容室Ｒ５内の圧力が制御圧Pcntlから大気圧まで低下する。

これにより、第２弁体４４ａが第２弁体収容室Ｒ５内の圧力により閉弁方向に受ける力が減少するから、第２弁体リフト量Lv2が「０」から増大していき（即ち、アクチュエータリフト量が値ｚから増大していき）、これに伴ってアクチュエータ発生力が減少していく。そして、図３の点ｄに示すように、アクチュエータリフト量（＝第１弁体リフト量Lv1）が最大値に達すると、アクチュエータリフト量の増大が停止する。

他方、上記力F9を受けてピストン４４ｂ及び第２弁体４４ａはなおも下降を続け（即ち、小径部４４ｂ２の先端部が第１弁体４３ａから離間し）、第２弁体リフト量が最大値に達すると、ピストン４４ｂ及び第２弁体４４ａの下降が停止する。この結果、図８に示すように、第１、第２弁体４３ａ、４３ｂは共に「開」に維持される。なお、本例では、アクチュエータリフト量（＝第１弁体リフト量Lv1）の最大値はコイルスプリング４３ｄが密着する状態に対応し、第２弁体リフト量の最大値はコイルスプリング４４ｃが密着する状態に対応する。

即ち、この図８に示す状態では、第１流出流量Qout1＞０,第２流出流量Qout2＞０となり、「第１燃料排出路」及び「第２燃料排出路」を通して制御室Ｒ２から燃料が流出する。この状態では、第１弁体収容室Ｒ３内の圧力、並びに第１背圧室Ｒ４及び圧力導入室Ｒ７内の圧力が制御圧Pcntlに等しく、第２弁体収容室Ｒ５及び第２背圧室Ｒ６内の圧力は大気圧に等しい。

このように、第２弁体４４ａの開弁後は、第２排出オリフィスＺ２の作用により第２弁体収容室Ｒ５内の圧力が大気圧まで低下することで、駆動電圧ＶをＶ２から増加させることなく、上記力F9により第２弁体リフト量Lv2を最大値まで増大させることができる。

そして、図８に示した状態（図３の点ｄに対応）にて、駆動電圧Ｖを値Ｖ２から「０」にステップ的に変更すると、アクチュエータ発生量が「０」となる。従って、コイルスプリング４３ｄ、４４ｃの付勢力F4，F6により、第１、第２弁体４３ａ、４４ａが閉弁する。この結果、第１、第２排出流量Qout1，Qout2が「０」になることで、第１背圧室Ｒ４内の圧力が制御圧Pcntlから大気圧に低下するとともに、第２弁体収容室Ｒ５内の圧力が大気圧から制御圧Pcntlまで増大する。即ち、図４に示すように、第１、第２弁体４３ａ、４４ａが再び「閉」に維持される。

次に、図９を参照しながら、この燃料噴射制御装置１０の作動の一例について説明する。時刻ｔ１以前では、駆動電圧Ｖ＝０である。これにより、図４に示すように、第１、第２弁体リフト量Lv1，Lv2＝０であり、「第１燃料排出路」及び「第２燃料排出路」が遮断されている。即ち、第１、第２流出流量Qout1，Qout2＝０である。また、制御圧Pcntlが噴射圧Pcと等しい圧力に維持されている（即ち、流入流量Qin＝０）。この結果、制御圧Pcntlは上記(4)式にて表されるニードル弁開弁圧Pyよりも大きい。従って、ニードル弁４２は「閉」に維持されている。即ち、ニードル弁リフト量Ln＝０であり、燃料が噴射されていない。従って、燃料の噴射率も「０」である。

時刻ｔ１にてＥＣＵ５０からの指示により駆動電圧Ｖが「０」から上述した値Ｖ１にステップ的に変更されると、時刻ｔ１（直後）にて第１弁体４３ａが開弁して「第１燃料排出路」が開通し（図５を参照）、時刻ｔ１以降、「第１燃料排出路」のみを通して制御室Ｒ２から燃料が排出されていき（Qout1＞０）、制御圧Pcntlが噴射圧Pcから低下していく（図６を参照）。これに伴って、燃料流入路Ｃ７を通して制御室Ｒ２に燃料供給路Ｃ１から燃料が流入する（Qin＞０）。この結果、制御圧Pcntlは、第１流出流量Qout1と流入流量Qinの差（＝Qout1−Qin）に応じた速度をもって噴射圧Pcから低下していく。

時刻ｔ１以降において低下していく制御圧Pcntlが時刻ｔ２にて、上記(4)式にて表されるニードル弁開弁圧Pyまで達すると、ニードル弁４２が開弁し、この結果、燃料噴射が開始されて、噴射率が「０」から増大していく。

ニードル弁４２が開弁する時刻ｔ２以降、ニードル弁４２は、制御室Ｒ２内の燃料の体積の減少速度（＝Qout1−Qin）に応じた比較的小さいニードル弁上昇速度（以下、「第１上昇速度」と呼ぶ。）をもって上昇していく（時刻ｔ２〜ｔ４を参照）。この間、燃料噴射は継続される。ニードル弁上昇速度（＝第１上昇速度）が比較的小さいことからニードル弁リフト量Lnが比較的小さい値に維持されて、噴射率は、大幅に増大していかずに比較的小さい値に維持される。

ニードル弁４２が開弁する時刻ｔ２以降、噴射圧Pcは、燃料が噴射開始されたことに起因して極短期間だけ減少した後、燃料供給路Ｃ１内の圧力脈動に起因して直ちに上昇していく。

また、ニードル弁４２が開弁すると、上述したように、テーパー部４２ａにおける円形弁座部４１ｂと当接する部位よりも先端側の部分も噴射圧Pcをもった燃料にさらされるから、上記開弁方向の力F1についてのニードル弁４２の下端側の受圧面積と上記閉弁方向の力F2についてのニードル弁４２の下端側の受圧面積とが等しくなる（上記(2)式、(3)式を参照。受圧面積＝(π/4)・D1²）。

このことに起因して、ニードル弁４２が開弁する時刻ｔ２以降、制御圧Pcntlは、ノズル室Ｒ１内の圧力（＝噴射圧Pc）から、コイルスプリング４５の付勢力F3に相当する制御室Ｒ２内の圧力分（＝F3/((π/4)・D1²)、以下、「バネ力相当圧力分Px」と称呼する。）を減じて得られる圧力（Pc−Px）まで迅速に上昇していき、時刻ｔ３にて、制御圧Pcntlは、圧力（Pc−Px）に達する。時刻ｔ３以降、制御圧Pcntlは、圧力（Pc−Px）で推移していく。なお、本例では、コイルスプリング４５のスプリング定数が非常に小さいため、コイルスプリング４５の付勢力F3（従って、バネ力相当圧力分Px）は、ニードル弁リフト量に依存することなく一定として扱う。

時刻ｔ４にてＥＣＵ５０からの指示により駆動電圧Ｖが値V1から上述した値Ｖ２にステップ的に変更されると、時刻ｔ４（直後）にて第２弁体４４ａが開弁して「第１燃料排出路」に加えて「第２燃料排出路」も開通し（図７を参照）、時刻ｔ４以降、「第１燃料排出路」及び「第２燃料排出路」を通して制御室Ｒ２から燃料が排出されていき（Qout1＞０、Qout2＞０）、制御圧Pcntlが噴射圧Pcから低下していく（図８を参照）。これに伴って、燃料流入路Ｃ７を通して制御室Ｒ２に燃料供給路Ｃ１から燃料が流入する（Qin＞０）。

この結果、制御圧Pcntlは、第１、第２流出流量Qout1，Qout2の和と流入流量Qinの差（＝Qout1＋Qout2−Qin）に応じた速度をもって噴射圧Pcから低下していく。即ち、前記第１上昇速度よりも大きいニードル弁上昇速度（以下、「第２上昇速度」と呼ぶ。）をもって上昇していく（時刻ｔ４〜ｔ５を参照）。この間、燃料噴射は継続される。ニードル弁上昇速度（＝第２上昇速度）が大きいことからニードル弁リフト量Lnも大幅に増大していき、噴射率は大幅に増大していく。

時刻ｔ５にてＥＣＵ５０からの指示により駆動電圧Ｖが値Ｖ２から「０」にステップ的に変更されると、時刻ｔ５以降、第１、第２弁体リフト量Lv1，Lv2は「０」に戻る。即ち、「第１燃料排出路」及び「第２燃料排出路」が共に遮断され（Qout1，Qout2＝０）、制御室Ｒ２からの燃料の排出が中止される。一方、燃料流入路Ｃ７を通した制御室Ｒ２への燃料の流入はなおも継続される（Qin＞０）。この結果、時刻ｔ５以降、ニードル弁４２は、制御室Ｒ２内の燃料の体積の増大速度（＝Qin）に応じた速度をもって下降していく（時刻ｔ５〜ｔ６を参照）。この間、燃料噴射は継続される。

そして、ニードル弁リフト量Lnが「０」に達する時刻ｔ６になると、ニードル弁４２が閉弁し、燃料噴射が終了する。時刻ｔ６以降、燃料流入路Ｃ７を通して燃料供給路Ｃ１から制御室Ｒ２内に燃料が供給されることで（Qin＞０）、制御圧Pcntlは噴射圧Pcに近づく。制御圧Pcntlが噴射圧Pcに一致した後は（Qin＝０）、時刻ｔ１以前と同様、制御圧Pcntlは、噴射圧Pcと等しい圧力に維持される。

以上、説明したように、本発明による燃料噴射制御装置の実施形態によれば、インジェクタ４０の背面に位置する制御室Ｒ２から燃料を排出させる流路として第１、第２燃料排出路が設けられ、第１、第２燃料排出路に第１、第２制御弁４３，４４がそれぞれ介装される。第１制御弁４３の第１弁体４３ａは、アクチュエータ４３ｂで駆動され、第２制御弁４４の第２弁体４４ａは、「開」にある第１弁体４３ａの押圧（即ち、ピストン４４ｂの押圧）により駆動される。

アクチュエータ４３ｂの駆動電圧ＶをＶ１に調整して第１弁体４３ａを開弁させ、ニードル弁４２の上昇中において、駆動電圧ＶをＶ１からＶ２（＞Ｖ１）へ切り替えることで、第２弁体４４ａをも開弁させる。これにより、ニードル弁上昇速度を比較的小さい第１上昇速度から第２上昇速度（＞第１上昇速度）へと２段階に切り替えることができる。

これにより、ニードル弁上昇速度が第１上昇速度に維持される期間を前記着火遅れ時間に合わすことにより、着火遅れ時間中に噴射される燃料の総量を小さくすることができる。この結果、着火遅れ時間内に噴射された燃料の予混合燃焼に伴う騒音を小さくすることができる。

また、第１弁体４３ａが「開」、第２弁体４４ａが「閉」の状態では、第１排出オリフィスＺ１の作用により圧力導入室Ｒ７内の圧力が制御圧Pcntlまで上昇すること、圧力導入室Ｒ７内の圧力（＝制御圧Pcntl）によりピストン４４ｂが受ける力F9（(7)式を参照）が第２弁体４４ａの開弁に必要なアクチュエータ発生力を助勢する方向に働くこと、並びに、ピストン４４ｂの大径部４４ｂ２の外径D5が第２弁体４４ａの弁座径D4と等しいこと、に起因して、第２弁体４４ａの開弁に必要なアクチュエータの駆動力をコイルスプリング４４ｃの付勢力F6（＝微小）と等しくすることができる。

この結果、駆動電圧Ｖ２も上記従来の装置が適用された場合における駆動電圧Ｖ２’（図３を参照）よりも十分に小さくすることができる。即ち、上記従来の装置に比して、第２弁体４４ａの開弁に必要なアクチュエータ駆動力を低減してアクチュエータ４３ｂの体格の大型化を抑制することができる。

加えて、第２弁体４４ａの開弁後は、第２排出オリフィスＺ２の作用により第２弁体収容室Ｒ５内の圧力が大気圧まで低下することで、駆動電圧ＶをＶ２から増加させることなく、上記力F9により第２弁体リフト量Lv2を最大値まで増大させることができる。

本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態においては、図９の例に示すように、駆動電圧ＶをＶ１に設定してニードル弁４２を開弁させ、ニードル弁４２の上昇中において駆動電圧ＶをＶ１からＶ２に切り替えることで、ニードル弁上昇速度を第１上昇速度から第２上昇速度（＞第１上昇速度）へと２段階に切り替えているが、図１０に示すように、駆動電圧ＶをＶ１に設定してニードル弁４２を開弁させ、その後も駆動電圧ＶをＶ１に維持することで、ニードル弁上昇中に亘ってニードル弁上昇速度を第１上昇速度に維持してもよい。

同様に、図１１に示すように、駆動電圧ＶをＶ２に設定してニードル弁４２を開弁させ、その後も駆動電圧ＶをＶ２に維持することで、ニードル弁上昇中に亘ってニードル弁上昇速度を第２上昇速度に維持してもよい。

また、一般に、噴射圧Pcは、運転状態に応じて変更される。他方、上記(5)式にて表される第１弁体４３ａの開弁に必要な力F5は、制御圧Pcntl（＝噴射圧Pc）に依存し、噴射圧Pcが大きいほど大きくなる。従って、一般には、噴射圧Pcが大きいほど駆動電圧Ｖ１、Ｖ２をより大きい値に設定することが好ましい。

即ち、この場合、図１２に示すように、噴射圧Pcが高圧の場合、駆動電圧Ｖ１、Ｖ２が高圧用の大きめの値にそれぞれ設定される（図１２を参照）。これにより、駆動電圧Ｖを「０」→Ｖ１→Ｖ２と変更すると、アクチュエータ発生力とアクチュエータリフト量との関係は、実線ｏ−ａ−ｂ−ｃで示すように推移する。点ａ，ｃはそれぞれ、第１、第２弁体４３ａ、４４ａの開弁に対応する。値ｆは、図３と同様、コイルスプリング４４ｃの付勢力F6と等しい。

一方、噴射圧Pcが低圧の場合、駆動電圧Ｖ１、Ｖ２が低圧用の小さめの値にそれぞれ設定される（図示せず）。これにより、駆動電圧Ｖを「０」→Ｖ１→Ｖ２と変更すると、アクチュエータ発生力とアクチュエータリフト量との関係は、破線ｏ−ａ’−ｂ’−ｃ’で示すように推移する。点ａ’，ｃ’はそれぞれ、第１、第２弁体４３ａ、４４ａの開弁に対応する。

他方、噴射圧Pcに依存することなく駆動電圧Ｖ１、Ｖ２を一定とする場合を考える。この場合、噴射圧Pcが高圧の場合でも第１弁体４３ａが開弁し得るように、図１２に示すように、駆動電圧Ｖ１、Ｖ２を高圧用の大きめの値にそれぞれ設定する必要がある。しかしながら、この場合、図１２において、点ｃ’が駆動電圧Ｖ１に対応する点ａ，ｂを通る直線よりも左下の領域内に位置している。これは、噴射圧Pcが低圧の場合、駆動電圧ＶをＶ１に設定すると、第１弁体４３ａのみならず第２弁体４４ａをも開弁してしまうことを意味する。

係る問題を解決するためには、図１２において、点ｃ’を駆動電圧Ｖ１に対応する点ａ，ｂを通る直線よりも右上の領域内に移動させればよい。このための手法の１つとしては、図１３に示すように、点ｂ’（従って、点ｃ’）を右へシフトすることが挙げられる。

点ｂ’を右へシフトするためには、例えば、第１弁体４３ａが「開」で第２弁体４４ａが「閉」の場合において、噴射圧Pcの変化に対する、アクチュエータ４３ｂに作用する上向きの力（＝アクチュエータ発生力）の変化量を小さくすればよい。ここで、図１４に示すように、第１弁体４３ａが「開」で第２弁体４４ａが「閉」の場合においてアクチュエータ４３ｂに作用する上向きの力は、油圧による上向きの力（＝制御圧Pcntl×「ロッド４３ｃの下面の受圧面積」、白矢印を参照）と、コイルスプリング４３ｄによる上向きの力F4（一定、黒矢印を参照）との和である。従って、噴射圧Pcの変化に対する、アクチュエータ４３ｂに作用する上向きの力の変化量を小さくするためには、ロッド４３ｃの外径を小さくすることが考えられる。

また、点ｃ’を駆動電圧Ｖ１に対応する点ａ，ｂを通る直線よりも右上の領域内に移動させるための他の手法としては、図１５に示すように、値ｆ、即ち、コイルスプリング４４ｃの付勢力F6を大きくすることも考えられる。また、点ｃ’を駆動電圧Ｖ１に対応する点ａ，ｂを通る直線よりも右上の領域内に移動させるために、ロッド４３ｃの外径を小さくし、且つ、コイルスプリング４４ｃの付勢力F6を大きくしてもよい。

また、上記実施形態においては、第１弁体収容室Ｒ３と圧力導入室Ｒ７とを区画する部材（小径部４４ｂ２）がピストン４４ｂ側に一体に設けられているが（図２を参照）、図１６に示すように、第１弁体収容室Ｒ３と圧力導入室Ｒ７とを区画する部材（４３ａ２）を第１弁体４３ａ側に一体に設けてもよい。この場合、例えば、部材４３ａ２の外径を第１弁体４３ａの弁座径D3と等しくすることで、第１弁体４３ａの開弁に必要な力F5を、上記(5)式にて表される値に代えて、コイルスプリング４３ｄの付勢力F4（＝微小）と等しい値とすることができる。これにより、第１弁体４３ａの開弁に必要なアクチュエータ４３ｂの負荷を大幅に低減することができる。

また、上記実施形態においては、アクチュエータ４３ｂとしてピエゾ素子が使用されているが、その他のタイプのアクチュエータが使用されてもよい。

また、上記実施形態においては、ピストン４４ｂの大径部４４ｂ２の外径D5が第２弁体４４ａの弁座径D4と等しいが、外径D5が弁座径D4より小さくても大きくてもよい。

加えて、上記実施形態においては、第１、第２排出オリフィスＺ１、Ｚ２が設けられているが、何れか一方、或いは両方がなくてもよい。また、第１弁体４３ａ、ピストン４４ｂ、及び第２弁体４４ａが同軸的に配置されているが、これらが同軸的に配置されていなくてもよい。

本発明の実施形態に係る燃料噴射制御装置の全体の概略構成図である。 図１に示した第１、第２制御弁の拡大図である。 図１に示したアクチュエータにおける、駆動電圧と、アクチュエータ発生力と、アクチュエータリフト量との関係、及びその関係の推移の例を示したグラフである。 第１、第２弁体が共に「閉」の場合における、第１、第２制御弁の各室の圧力分布を示す図である。 第１弁体の開弁直後における、第１、第２制御弁の各室の圧力分布を示す図である。 第１弁体が「開」で第２弁体が「閉」の場合における、第１、第２制御弁の各室の圧力分布を示す図である。 第２弁体の開弁直後における、第１、第２制御弁の各室の圧力分布を示す図である。 第１、第２弁体が共に「開」の場合における、第１、第２制御弁の各室の圧力分布を示す図である。 図１に示した燃料噴射制御装置の作動中における各物理量の変化の一例を示したタイムチャートである。 図１に示した燃料噴射制御装置の作動中における各物理量の変化の他の例を示したタイムチャートである。 図１に示した燃料噴射制御装置の作動中における各物理量の変化の他の例を示したタイムチャートである。 噴射圧に応じて、駆動電圧と、アクチュエータ発生力と、アクチュエータリフト量との関係が変化することを説明するための図である。 ロッドの外径を小さくすることで点ｃ’を右へシフトした場合を示した図である。 第１弁体が「開」で第２弁体が「閉」の場合においてアクチュエータに作用する上向きの力を示した図である。 コイルスプリングの付勢力を大きくすることで点ｃ’を右へシフトした場合を示した図である。 本発明の実施形態の変形例に係る燃料噴射制御装置の第１、第２制御弁の拡大図である。 従来の燃料噴射制御装置の概略構成図である。 従来の燃料噴射制御装置において、第１、第２弁体が共に「閉」の場合における、第１、第２弁体周りの概略構成図である。 図１８に示した装置において、第１弁体が「開」で第２弁体が「閉」の場合における、第１、第２弁体周りの概略構成図である。 図１８に示した装置において、第１、第２弁体が共に「開」の場合における、第１、第２弁体周りの概略構成図である。 図１８に示したアクチュエータにおける、駆動電圧と、アクチュエータ発生力と、アクチュエータリフト量との関係を示したグラフである。 図１８に示したアクチュエータにおける、駆動電圧と、アクチュエータ発生力と、アクチュエータリフト量との関係の推移の例を示したグラフである。

符号の説明

２０…燃料ポンプ、３０…コモンレール、４０…インジェクタ、４１…ボディ、４１ａ…噴孔、４２…ニードル弁、４３…第１制御弁、４３ａ…第１弁体、４３ｂ…アクチュエータ、４３ｃ…ロッド、４３ｄ…コイルスプリング、４４…第２制御弁、４４ａ…第２弁体、４４ｂ…ピストン、４４ｂ１…大径部４３ｃ、４４ｂ２，４４ｂ３…小径部、４４ｃ…コイルスプリング、５０…ＥＣＵ、Ｃ１…燃料供給路、Ｃ７…燃料流入路、Ｚ１…第１排出オリフィス、Ｚ２…第２排出オリフィス、Ｚ３…流入オリフィス

Claims (5)

1. 内燃機関の燃焼室に燃料を噴射する噴孔を開閉するニードル弁と、
   内部の燃料の圧力である噴射圧により前記ニードル弁の一端側が開弁方向の力を受けるとともに前記ニードル弁の開弁状態において内部の燃料が前記噴孔から前記燃焼室に向けて噴射されるノズル室と、
   内部の燃料の圧力である制御圧により前記ニードル弁の他端側が閉弁方向の力を受ける制御室と、
   高圧の燃料を発生する高圧発生部と、
   前記高圧発生部が発生する前記高圧燃料を前記ノズル室に供給する燃料供給路と、
   前記燃料供給路から前記制御室に燃料を流入させる燃料流入路と、
   前記制御室から燃料タンクへ燃料を排出させる第１燃料排出路と、
   前記第１燃料排出路に介装されて前記第１燃料排出路を連通・遮断する第１制御弁と、
   前記制御室から燃料タンクへ燃料を排出させる第２燃料排出路と、
   前記第２燃料排出路に介装されて前記第２燃料排出路を連通・遮断する第２制御弁と、
   を備え、前記第１、第２制御弁を制御して前記制御圧を制御することで前記ニードル弁の位置を調整して燃料の噴射制御を行う燃料噴射制御装置であって、
   前記第１制御弁は、
   前記制御室と連通する第１弁体収容室と、
   前記燃料タンクと連通する第１背圧室と、
   前記第１弁体収容室内に移動可能に収容されて前記第１弁体収容室と前記第１背圧室とを連通・遮断する第１弁体と、
   前記第１弁体の前記第１背圧室側部分を開弁方向に押圧する駆動力を発生して前記第１弁体の閉弁状態からの開弁方向へのリフト量を調整可能なアクチュエータと、
   を備え、前記第１弁体収容室と前記第１背圧室とは前記第１燃料排出路の一部を構成していて、
   前記第２制御弁は、
   前記制御室と連通する第２弁体収容室と、
   前記燃料タンクと連通する第２背圧室と、
   前記第２弁体収容室内に移動可能に収容されて前記第２弁体収容室と前記第２背圧室とを連通・遮断する第２弁体と、
   前記第１背圧室と連通する圧力導入室と、
   前記第２背圧室と前記圧力導入室とを区画するピストンと、
   を備え、前記第２弁体収容室と前記第２背圧室とは前記第２燃料排出路の一部を構成していて、
   前記ピストンは、
   その一端側が前記第２背圧室に臨むとともにその他端側が前記圧力導入室に臨んで前記圧力導入室内の圧力により前記他端側から前記一端側の方向の力を受け、前記第１弁体のリフト量が所定量以上の場合に前記他端側が前記第１弁体と接触して前記第１弁体のリフト量の増大に応じて前記第１弁体に押圧されながら前記他端側から前記一端側の方向に移動可能に、且つ、前記一端側が前記第２弁体の前記第２背圧室側部分と接触して前記第２弁体を開弁方向に押圧するように配置・構成された、燃料噴射制御装置。
2. 請求項１に記載の燃料噴射制御装置において、
   前記第１燃料排出路における、前記第１燃料排出路と前記圧力導入室とを連通する流路と前記第１燃料排出路との合流部よりも下流において、第１流路絞り部が設けられた燃料噴射制御装置。
3. 請求項２に記載の燃料噴射制御装置において、
   前記ピストンの外径と前記第２弁体の弁座径とが等しい燃料噴射制御装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の燃料噴射制御装置において、
   前記第２燃料排出路における前記制御室と前記第２弁体収容室との間において、第２流路絞り部が設けられた燃料噴射制御装置。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の燃料噴射制御装置において、
   前記第１弁体、前記ピストン、及び前記第２弁体が同軸的に配置された燃料噴射制御装置。

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