特許 6462546 燃料噴射弁

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6462546

(24)【登録日】2019年1月11日

(45)【発行日】2019年1月30日

(54)【発明の名称】燃料噴射弁

(51)【国際特許分類】

   F02M 47/00 20060101AFI20190121BHJP

   F02M 51/06 20060101ALI20190121BHJP

【ＦＩ】

   F02M47/00 P

   F02M47/00 E

   F02M47/00 C

   F02M51/06 N

【請求項の数】4

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2015-196643(P2015-196643)

(22)【出願日】2015年10月2日

(65)【公開番号】特開2017-67052(P2017-67052A)

(43)【公開日】2017年4月6日

【審査請求日】2018年1月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】100080045

【弁理士】

【氏名又は名称】石黒 健二

(74)【代理人】

【識別番号】100124752

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷 真司

(72)【発明者】

【氏名】高木 二郎

(72)【発明者】

【氏名】有川 文明

(72)【発明者】

【氏名】菅原 里志

(72)【発明者】

【氏名】川村 淳

【審査官】 首藤 崇聡

(56)【参考文献】

【文献】 独国特許出願公開第１０３３３７５２（ＤＥ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−１５１０４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 独国特許発明第１０３３３５７３（ＤＥ，Ｂ３）

【文献】 特表２００７−５０２３８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／００９３４８２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｍ ４７／００

Ｆ０２Ｍ ５１／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

（ａ）先端側に噴孔（７）を有するハウジング（２）と、
（ｂ）このハウジング内に軸方向に移動可能に収容されるニードル（３）と、
（ｃ）電荷の充放電により伸縮するアクチュエータ（５）と、
（ｄ）燃料が充填される変位拡大室（１１、１４）、前記アクチュエータの伸長時に前記変位拡大室の圧力を上昇させる大径ピストン（１２、１５）、およびこの大径ピストンよりも受圧面積が小さく、前記変位拡大室の圧力変化に応じて軸方向に変位する小径ピストン（１３、１６）を有し、前記アクチュエータの伸縮に伴う変位を拡大して前記ニードルを駆動する変位拡大部（８、９）と
を備え、
前記アクチュエータの伸縮により前記変位拡大室の圧力を変化させて前記ニードルを軸方向に開閉作動させる燃料噴射弁（１）において、
前記変位拡大部は、前記ハウジングの軸方向に沿って上下２段に設置され、
上段に設置された変位拡大部を第１変位拡大部（８）、また、下段に設置された変位拡大部を第２変位拡大部（９）と定義した場合、
前記第１変位拡大部の小径ピストン（１３）と前記第２変位拡大部の大径ピストン（１５）とを連接していることを特徴とする燃料噴射弁。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料噴射弁において、
前記第１変位拡大部の小径ピストンを第１小径ピストン（１３）、前記第２変位拡大部の大径ピストンを第２大径ピストン（１５）と定義した場合、
前記第２大径ピストンは、前記第１小径ピストンと同一軸線上に設置されて、前記第１小径ピストンの端面に接触する当接部（８３）を有していることを特徴とする燃料噴射弁。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の燃料噴射弁において、
前記第１変位拡大部の変位拡大室を第１変位拡大室（１１）、前記第１変位拡大部の大径ピストンを第１大径ピストン（１２）、および前記第１変位拡大部の小径ピストンを第１小径ピストン（１３）と定義した場合、
前記第１変位拡大室は、前記第１大径ピストンの端面と対面する第１大径側油密室（５１）、前記第１小径ピストンの端面と対面する第１小径側油密室（５２）、および前記第１大径側油密室と前記第１小径側油密室とを連通する第１連通路（５３）を有していることを特徴とする燃料噴射弁。

【請求項4】

請求項１ないし請求項３のうちのいずれか１つに記載の燃料噴射弁において、
前記第２変位拡大部の変位拡大室を第２変位拡大室（１４）、前記第２変位拡大部の大径ピストンを第２大径ピストン（１５）、および前記第２変位拡大部の小径ピストンを第２小径ピストン（１６）と定義した場合、
前記第２変位拡大室は、前記第２大径ピストンの端面と対面する第２大径側油密室（７１）、前記第２小径ピストンの端面と対面する第２小径側油密室（７２）、および前記第２大径側油密室と前記第２小径側油密室とを連通する第２連通路（７３）を有していることを特徴とする燃料噴射弁。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エンジンの気筒に燃料を噴射する燃料噴射弁に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来より、ピエゾアクチュエータの伸長変位を油圧力に変換してニードルへ伝えることで、ニードルを開弁駆動する燃料噴射弁を、直動式と呼称している。
この直動式の燃料噴射弁において、ニードルがノズルボディの内壁から離座して軸方向後端側へ移動する際に、ピエゾアクチュエータの伸長変位を拡大する変位拡大機構を備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

ここで、変位拡大機構を備えた直動式の燃料噴射弁の一例を図８に示す。
燃料噴射弁１００は、ノズルボディ１０１の先端側に設けられた噴孔１０２を開閉するニードル１０３と、このニードル１０３と一体で軸方向に移動する拡張ニードル１０４およびバランスピストン１０５とを備えている。
ノズルボディ１０１の内部には、噴孔１０２を開閉するニードル１０３が収容されている。

【0004】

また、燃料噴射弁１００は、ピエゾ素子積層体を主体とするアクチュエータ１０６と、このアクチュエータ１０６の伸縮に伴う変位を拡大してニードル１０３を駆動する変位拡大機構とを備えている。
変位拡大機構は、変位拡大室１０７、大径ピストン１０８および小径ピストン１０９等を備えている。
拡張ニードル１０４は、小径ピストン１０９の変位をニードル１０３に伝える。
変位拡大室１０７は、第１油密室１１１、第２油密室１１２および連通孔１１３を備え、内部に低圧燃料が充填されている。

【0005】

また、小径ピストン１０９の外周には、軸方向に変位した時に変位拡大率を変更する変位拡大率切替リング（以下切替リング）１１４が嵌め合わされている。この切替リング１１４には、スプリング１１５の付勢力が作用している。
この構成により、アクチュエータ１０６の伸長変位とともに、先ず切替リング１１４が、小径ピストン１０９の拡径部１１６を引っ掛けながら小径ピストン１０９と一体となって軸方向後端側へ変位する。さらに軸方向後端側への変位が進むと、切替リング１１４がボディ１１７の段差１１８に接触し、切替リング１１４のそれ以上の変位が妨げられ、それ以降は小径ピストン１０９のみが単独で変位を続ける。

【0006】

以上によって、ニードル１０３の開弁初期には、変位拡大室１０７の油圧力を受けて小径ピストン１０９と切替リング１１４がともに変位する。これにより、変位拡大率は小さく、ニードル１０３を開弁方向に付勢する力が大きく作用し、ニードル１０３が開弁し易くなる。
一方、ニードル１０３が開弁後ある程度ニードルリフト量が増加した後は、切替リング１１４が段差１１８に係止されるため、小径ピストン１０９のみが単独で変位する。これにより、変位拡大率は大きく、大きなニードルリフト量を確保できる。

【0007】

ところで、エンジンのシリンダヘッドには、燃料噴射弁１００が隙間嵌めで挿入される取付け孔が設けられている。この取付け孔には、燃料噴射弁１００の先端側の段差１１９が当接する環状の段差が設けられている。
また、燃料噴射弁１００は、リテーナ１２０の図示上端よりも先端側の細径部位１２１がシリンダヘッドの取付け孔内に挿入される。
そして、近年、エンジンの出力向上、並びにエンジンから排出されるＮＯｘ等の低減を図るという目的で、エンジンの燃焼室内に噴射する燃料の噴射圧の更なる高圧化が要求されている。

【0008】

しかるに、燃料の噴射圧を大幅に高圧化する場合には、アクチュエータ１０６の駆動負荷が増加するため、アクチュエータ１０６の直径を増加させる必要がある。これに伴って、アクチュエータ１０６の周囲を取り囲むボディ１２２の直径も増加させる必要があり、ボディ１２２の周囲を取り囲むリテーナ１２０の直径も増加させる必要がある。
これにより、燃料噴射弁１００の細径部位１２１の軸方向長さが短くなるので、シリンダヘッドの取付け孔に挿入し難くなり、ノズルボディ１０１の先端部がエンジンの燃焼室内に突き出さなくなる恐れがある。
したがって、アクチュエータ１０６の直径を増加させると取付け孔内に挿入し難くなるので、エンジンに対する燃料噴射弁１００の搭載性、つまり燃料噴射弁１００のエンジン搭載性が悪化するという問題がある。

【0009】

また、燃料の噴射圧を大幅に高圧化する場合でも、燃料噴射弁１００のエンジン搭載性の面から細径部位１２１の軸方向長さを確保する必要がある。
ここで、細径部位１２１の軸方向長さを大きくするには、拡張ニードル１０４の軸方向長さを、図８のものよりも大きくする必要がある。あるいは変位拡大室１０７の連通孔１１３の軸方向長さを、図８のものよりも大きくする必要がある。
仮に拡張ニードル１０４の軸方向長さを大きくした場合には、ニードル１０３と一体で軸方向に移動する移動部材（拡張ニードル１０４、バランスピストン１０５、小径ピストン１０９）の質量が大きくなり、重量増加を要因としてニードル１０３の開弁応答性が悪化するという問題がある。
また、変位拡大室１０７の連通孔１１３の軸方向長さを大きくした場合には、変位拡大室１０７で生じる燃料の圧力脈動が大きくなり、燃料の噴射量の制御性が悪化するという問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２００８−１５１０４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

本発明は、上記問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、燃料の噴射圧を更に高圧化するためにアクチュエータの直径を増加した場合でも、エンジン搭載性を向上させることのできる燃料噴射弁を提供することにある。また、燃料の噴射量の制御性およびニードルの開弁応答性を向上させることのできる燃料噴射弁を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

請求項１に記載の発明によれば、変位拡大室、大径ピストンおよび小径ピストンを有し、アクチュエータの伸縮に伴う変位を拡大してニードルを駆動する変位拡大部を備えている。
変位拡大部は、ハウジングの軸方向に沿って上下２段に設置されている。
上段に配置された変位拡大部を第１変位拡大部、また、下段に配置された変位拡大部を第２変位拡大部と定義する。この場合、第１変位拡大部の小径ピストンと第２変位拡大部の大径ピストンとを連接する。
ここで、第１変位拡大部の小径ピストンと第２変位拡大部の大径ピストンとを連接するとは、第１変位拡大部の小径ピストンと第２変位拡大部の大径ピストンとを一体移動可能に連結していることを指す。

【0013】

これによって、燃料の噴射圧を大幅に高圧化するため、アクチュエータの直径を増加した場合でも、燃料噴射弁の直径を小さく設定可能な細径部位の軸方向長さを２倍以上の長さに拡大することができる。これにより、燃料噴射弁のエンジン搭載性を向上することができる。
また、２つの第１、第２変位拡大部をハウジングの軸方向に沿って上下２段に設置しているので、変位拡大部に設けられる変位拡大室の軸方向長さを２倍以上の長さに拡大することができる。これにより、変位拡大室で生じる燃料の圧力脈動が大きくならず、燃料の噴射量の制御性を向上することができる。
また、２つの第１、第２変位拡大部をハウジングの軸方向に沿って上下２段に設置しているので、ニードルおよびニードルと一体で移動する連接部材の軸方向長さを長くする必要がなく、ニードルおよび連接部材の重量が重くなることがなくなる。これにより、ニードルの開弁応答性を向上することができる。
したがって、燃料の噴射圧を更に高圧化するためにアクチュエータの直径を増加した場合でも、エンジン搭載性を向上することができる。また、燃料の噴射量の制御性およびニードルの開弁応答性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】燃料噴射弁の全体構成を示した断面図である（実施形態１）。

【図2】第１、第２変位拡大部の主要構成を示した断面図である（実施形態１）。

【図3】燃料噴射弁の細径部位を示した断面図である（実施形態１）。

【図4】燃料噴射弁の全体構成を示した断面図である（実施形態２）。

【図5】アクチュエータと第１変位拡大部を示した断面図である（実施形態２）。

【図6】第１、第２変位拡大部の主要構成を示した断面図である（実施形態３）。

【図7】第１、第２変位拡大部の主要構成を示した断面図である（実施形態４）。

【図8】燃料噴射弁の全体構成を示した断面図である（従来の技術）。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照しながら、発明を実施するための形態を説明する。

【0016】

［実施形態１の構成］
図１ないし図３は、本発明を適用した実施形態１を示したものである。

【0017】

本実施形態の燃料噴射弁１は、エンジンのシリンダヘッドに取り付けられるハウジング２を備えている。このハウジング２の内部には、ニードル３、ニードルスプリング（以下スプリング）４、アクチュエータ５および複数の変位拡大部が収容されている。
ハウジング２は、ニードル３を軸方向に往復移動可能に収容する筒状のノズルボディ６を含んでいる。このノズルボディ６の先端側には、エンジンの燃焼室内に燃料を直接噴射する複数の噴孔７が形成されている。

【0018】

複数の変位拡大部は、変位拡大室、大径ピストンおよび小径ピストンをそれぞれ有し、アクチュエータ５の伸縮に伴う変位を拡大してニードルを駆動する機構である。これらの変位拡大部は、ハウジング２の軸方向に沿って上下２段に設置されている。
ここで、ハウジング２の軸方向を上下方向とみなし、上段に設置された変位拡大部を第１変位拡大部８、また、下段に設置された変位拡大部を第２変位拡大部９と定義する。この第２変位拡大部９には、ニードル３がノズルボディ６の内壁から離座して軸方向後端側へ移動する途中で、アクチュエータ５の変位拡大率を切り替える拡大率切替部１０が設けられている。

【0019】

そして、第１変位拡大部８の変位拡大室を第１変位拡大室１１、第１変位拡大部８の大径ピストンを第１大径ピストン１２、および第１変位拡大部８の小径ピストンを第１小径ピストン１３と定義する。
また、第２変位拡大部９の変位拡大室を第２変位拡大室１４、第２変位拡大部９の大径ピストンを第２大径ピストン１５、および第２変位拡大部９の小径ピストンを第２小径ピストン１６と定義する。

【0020】

また、第１変位拡大部８は、第１変位拡大室１１、第１大径ピストン１２および第１小径ピストン１３の他に、第１大径ピストンスプリング（以下第１スプリング）１７を備えている。
また、第２変位拡大部９は、第２変位拡大室１４、第２大径ピストン１５および第２小径ピストン１６の他に、第２大径ピストンスプリング（以下第２スプリング）１８、変位拡大率切替リング（以下切替リング）１９および変位拡大率切替リングスプリング（以下スプリング）２０を備えている。
なお、アクチュエータ５、第１、第２変位拡大部８、９および拡大率切替部１０の詳細は、後述する。

【0021】

ハウジング２は、ノズルボディ６の他に、アクチュエータ５を伸縮可能に収容するボディ２１、および第１大径ピストン１２が軸方向に貫通する環状のプレート２２を備えている。このハウジング２は、ボディ２３〜２７およびリテーナ２８、２９を備えている。
ノズルボディ６は、ボディ２７の軸方向先端側にリテーナ２８によって締結されている。これにより、ノズルボディ６およびボディ２４〜２７が接続される。

【0022】

ここで、ボディ２１は、プレート２２の軸方向後端側にリテーナ２９によって締結されている。これにより、ボディ２１、プレート２２、ボディ２３、２４およびリテーナ２９が接続される。
なお、エンジンのシリンダヘッドには、燃料噴射弁１が隙間嵌めで挿入される取付け孔が設けられている。この取付け孔には、燃料噴射弁１の先端側の段差３０が当接する環状の段差が設けられている。
ここで、ノズルボディ６には、噴孔７に連通するノズル室３１が形成されている。また、ハウジング２には、ノズル室３１を介して噴孔７に高圧燃料を供給する高圧燃料通路３２が形成されている。また、ボディ２６には、高圧燃料通路３２に連通する圧力室３３が形成されている。
高圧燃料通路３２の上流端には、燃料噴射弁１の燃料入口３４が開口している。この高圧燃料通路３２内には、エンジンの運転が開始されると、サプライポンプやコモンレール等の燃料系の高圧部から燃料配管を介して高圧燃料が導入される。

【0023】

次に、ニードル３の詳細を、図１ないし図３に基づいて説明する。
ニードル３は、ノズルボディ６のニードル収容孔内を軸方向に往復移動する。このニードル３は、ノズルボディ６の内壁に対し離着座して噴孔７を開閉する。ニードル３の先端は、スプリング４の付勢力によってノズルボディ６の内壁に突き当てられている。
ニードル３と第２小径ピストン１６との間には、第２小径ピストン１６の変位をニードル３に伝える拡張ニードル３５が連接されている。この拡張ニードル３５は、ニードル３の軸方向後端部の外周に嵌合している。また、拡張ニードル３５は、第２小径ピストン１６の軸方向先端面に当接して設けられている。
ここで、本実施形態の燃料噴射弁１では、第２小径ピストン１６、拡張ニードル３５およびバランスピストン３６によって、ニードル３と一体で移動する連接部材が構成される。

【0024】

拡張ニードル３５の軸方向後端面には、第２小径ピストン１６を介してバランスピストン３６が連接されている。このバランスピストン３６は、第２小径ピストン１６の軸方向孔３８の底面に当接して設けられている。
スプリング４は、その上端がスプリングシート３９を介して、ハウジング２のボディ２６に位置決めされ、また、下端が第２小径ピストン１６に保持されている。このスプリング４は、第２小径ピストン１６および拡張ニードル３５を介して、ニードル３を軸方向先端側に付勢している。

【0025】

拡張ニードル３５は、ノズル室３１の燃料圧力がニードル３を軸方向後端側へ付勢する方向に作用するニードル受圧面４１を有している。
バランスピストン３６は、圧力室３３の燃料圧力がニードル３を軸方向先端側へ付勢する方向に作用するピストン受圧面４２を有している。
ここで、ニードル受圧面４１とピストン受圧面４２の面積とを同一に設定すると、ニードル３が軸方向後端側に十分リフトした状態で、ニードル３に作用する燃料圧力の力をバランスさせることができる。これにより、アクチュエータ５の電荷を放電した際に、スプリング４の付勢力でニードル３をノズルボディ６の内壁に着座させることができる。

【0026】

次に、アクチュエータ５の詳細を、図１ないし図３に基づいて説明する。
アクチュエータ５は、ボディ２１のピエゾ収容孔内に収容されている。このアクチュエータ５は、電荷の充放電により軸方向に伸縮するピエゾ素子をその軸方向に多数積層して構成されるピエゾ素子積層体を備えている。このピエゾ素子積層体は、一対のピエゾリード端子間に、制御部（以下ＥＣＵ）からピエゾ充電電圧がそれぞれ印加される。
アクチュエータ５の先端側は、Ｏリング４３で燃料リークを防止したピストン４４、自動調芯リング４５を介して、第１大径ピストン１２の軸方向後端面に接合している。
また、アクチュエータ５の後端側は、自動調芯リング４６、ケーブルガイド４７を介して、ボディ６６に位置決めされている。
ボディ６６は、ボディ２１の軸方向後端側にリテーナ６７によって締結されている。
一対のピエゾリード端子は、ケーブル６８およびコネクタ６９を介して外部回路（ＥＣＵや電源）に接続されている。

【0027】

［実施形態１の特徴］
次に、第１、第２変位拡大部８、９の詳細を、図１ないし図３に基づいて説明する。
第１変位拡大部８は、燃料が充填される第１変位拡大室１１、アクチュエータ５の伸長時に第１変位拡大室１１の油圧力を上昇させる第１大径ピストン１２、および第１変位拡大室１１の油圧力の変化に応じて軸方向に変位する第１小径ピストン１３を有している。 第１変位拡大部８は、第１大径ピストン１２の変位方向と第１小径ピストン１３の変位方向が同じ向きである。

【0028】

第１変位拡大室１１は、第１大径側油密室（以下第１油密室）５１、第１小径側油密室（以下第１油密室）５２および第１連通路（以下第１連通孔）５３を備え、内部に低圧燃料が充填されている。
第１油密室５１は、第１大径ピストン１２の軸方向先端面と対面している。この第１油密室５１は、第１大径ピストン１２とストッパプレート５４との間に形成されている。
第１油密室５２は、第１小径ピストン１３の軸方向後端面と対面している。この第１油密室５２は、第１小径ピストン１３とストッパプレート５４との間に形成されている。

【0029】

第１連通孔５３は、第１油密室５１と第１油密室５２とを繋ぐ燃料通路である。この第１連通孔５３は、ストッパプレート５４の軸方向両端面を連通するようにストッパプレート５４を軸方向に貫通している。
第１油密室５１と第１油密室５２とは、第１連通孔５３を介して連通し、一体の燃料空間として機能する。
なお、ストッパプレート５４は、ボディ２４の軸方向後端側の内周に固定されている。

【0030】

第１大径ピストン１２は、ボディ２３の第１大径シリンダ孔内に移動可能に収容されている。すなわち、ボディ２３の内壁は、第１大径ピストン１２の摺動部を往復摺動可能に支持する円筒状の第１大径シリンダを構成する。
第１大径ピストン１２は、アクチュエータ５の伸縮に伴う変位を受けて一体移動して第１変位拡大室１１の圧力を増減する。また、第１大径ピストン１２は、軸方向先端側が軸方向後端側よりも外径が大きくなっている。また、第１大径ピストン１２は、ボディ２４の軸方向後端面に当接すると、第１大径ピストン１２の軸方向後端側へのこれ以上の移動が規制される。
第１大径ピストン１２の軸方向後端側は、第１スプリング１７を収容するスプリング収容室５５内に位置している。また、第１大径ピストン１２の内部には、軸方向に延びる燃料通路５６が形成されている。

【0031】

燃料通路５６は、径方向に延びる燃料通路５７を介して、スプリング収容室５５に連通している。このスプリング収容室５５は、低圧燃料通路（図示せず）を介して、燃料噴射弁１の燃料出口（図示せず）に連通している。
燃料通路５６の第１油密室側の出口には、軸方向に往復移動可能な球面体形状のチェック弁５８、およびこのチェック弁５８が着座可能なチェック弁プレート５９が設けられている。
チェック弁プレート５９には、複数の連通孔６０が形成されている。これにより、チェック弁５８が開弁してチェック弁プレート５９に当接すると、第１変位拡大室１１内に低圧燃料が供給される。
第１大径ピストン１２の軸方向後端部には、Ｅリング６１によってスプリングシート６２が固定されている。この第１大径ピストン１２は、スプリングシート６２を介して、第１スプリング１７の付勢力によって軸方向後端側へ付勢されている。第１スプリング１７の軸方向先端部は、プレート２２により位置決めされている。

【0032】

第１小径ピストン１３は、ボディ２４の第１小径シリンダ孔内に移動可能に収容されている。すなわち、ボディ２３の内壁は、第１小径ピストン１３の摺動部を往復摺動可能に支持する円筒状の第１小径シリンダを構成する。
第１小径ピストン１３の軸方向先端面には、自動調芯プレート６３を介して、第２大径ピストン１５の軸方向後端面に接触する第１当接部６４が設けられている。
第１小径ピストン１３は、第１大径ピストン１２との間に第１変位拡大室１１を介して対向し、第１変位拡大室１１の圧力増加に伴って軸方向先端側に下降する。
第１小径ピストン１３は、自動調芯プレート６３を挟んで第２大径ピストン１５により軸方向後端側へ付勢されている。この第１小径ピストン１３は、ストッパプレート５４に当接すると、第１小径ピストン１３の軸方向後端側へのこれ以上の移動が規制される。
第１スプリング１７は、第１大径ピストン１２の周囲を取り囲むように配置されたコイルスプリングである。この第１スプリング１７は、ボディ２１のスプリング収容室５５内に収容されている。

【0033】

第２変位拡大部９は、第１変位拡大部８と同様に、第２変位拡大室１４、第２大径ピストン１５および第２小径ピストン１６を有している。
第２変位拡大部９は、第２大径ピストン１５の変位方向と第２小径ピストン１６の変位方向が逆向きである。
第２変位拡大室１４は、第１変位拡大室１１と同様に、第２大径側油密室（以下第２油密室）７１、第２小径側油密室（以下第２油密室）７２および第２連通路（以下第２連通孔）７３を備え、内部に低圧燃料が充填されている。
第２油密室７１は、第２大径ピストン１５および切替リング１９の軸方向先端面と対面している。この第２油密室７１は、第２大径ピストン１５および切替リング１９とボディ２５との間に形成されている。

【0034】

第２油密室７２は、第２小径ピストン１６の軸方向先端面と対面している。この第２油密室７２は、第２小径ピストン１６とボディ２７との間に形成されている。
第２連通孔７３は、第２油密室７１と第２油密室７２とを繋ぐ燃料通路である。この第２連通孔７３は、ボディ２５、２６の軸方向両端面を連通するようにボディ２５、２６を軸方向に貫通している。
第２油密室７１と第２油密室７２とは、第２連通孔７３を介して連通し、一体の燃料空間として機能する。このように一体の燃料空間として機能させるには、第２連通孔７３の通路長を２０〜３０ｍｍ以内に設定することが望ましい。
また、第２油密室７１には、第１油密室５１と同様に、図示しないチェック弁が設けられ、低圧燃料通路から必要な燃料が供給される。

【0035】

第２大径ピストン１５は、ボディ２４の第２大径シリンダ孔内に移動可能に収容されている。すなわち、ボディ２４の内壁は、第２大径ピストン１５の摺動部を往復摺動可能に支持する円筒状の第２大径シリンダを構成する。
第２大径ピストン１５は、第１小径ピストン１３の変位を受けて一体移動して第２変位拡大室１４の圧力を増減する。また、第２大径ピストン１５は、ボディ２５に当接すると、第１小径ピストン１３と第２大径ピストン１５の軸方向先端側へのこれ以上の移動が規制される。なお、第２大径ピストン１５の詳細は、後述する。

【0036】

第２小径ピストン１６は、ボディ２６の第２小径シリンダ孔内に移動可能に収容されている。すなわち、ボディ２６の内壁は、第２小径ピストン１６の摺動部を往復摺動可能に支持する円筒状の第２小径シリンダを構成する。
第２小径ピストン１６は、第２大径ピストン１５との間に第２変位拡大室１４が存在し、第２変位拡大室１４の圧力増加に伴って軸方向後端側に上昇してニードル３を開弁駆動する。
第２小径ピストン１６は、拡張ニードル３５の軸方向後端面とバランスピストン３６の軸方向先端面との間に挟み込まれた状態で、ニードル３と一体移動可能に連結されている。これにより、第２小径ピストン１６は、拡張ニードル３５およびバランスピストン３６とともに、ニードル３と一体で移動する連接部材を構成する。
第２スプリング１８は、第２小径ピストン１６の周囲を取り囲むように配置されたコイルスプリングである。この第２スプリング１８は、ボディ２４のスプリング収容室７４内に収容されている。

【0037】

拡大率切替部１０は、ニードル３がノズルボディ６の内壁から離座して軸方向後端側へ移動する途中で、アクチュエータ５の変位拡大率を切り替える機構である。この拡大率切替部１０は、第２大径ピストン１５、切替リング１９およびスプリング２０等によって構成されている。
拡大率切替部１０は、第２大径ピストン１５の外周に往復摺動可能に嵌合する円筒状の切替リング１９、およびこの切替リング１９をボディ２４のストッパ７５に押し当てる側に付勢するスプリング２０を有している。
第２大径ピストン１５および切替リング１９は、ニードル３がノズルボディ６の内壁から離座して軸方向後端側へ移動する途中で、互いに係合する係合部、被係合部を有している。

【0038】

ボディ２４の内壁には、切替リング１９の摺動部７６が往復摺動可能に嵌合している。また、切替リング１９の内周には、第２大径ピストン１５の摺動部７７が往復摺動可能に嵌合している。ここで、第２大径ピストン１５には、摺動部７７よりも径方向外側に拡径した拡径部７８が設けられている。この拡径部７８は、切替リング１９に係合可能な係合部に相当する。
切替リング１９の軸方向後端面の外周部には、拡径部７８と係合可能な円環状の周縁部７９が設けられている。この周縁部７９は、拡径部７８に係合される被係合部に相当する。
ストッパ７５は、切替リング１９を第２変位拡大室１４の油圧力を弱める側への移動を規制する段差である。このストッパ７５は、ボディ２４の内壁に一体に設けられている。

【0039】

第２大径ピストン１５が軸方向後端側に変位する側を上側、第２大径ピストン１５が軸方向先端側に変位する側を下側と定義する。
この場合、第２大径ピストン１５は、その移動範囲における最上点から下側へ向けて変位する途中で、拡径部７８と周縁部７９との係合によって切替リング１９を係合して、スプリング２０の付勢力に抗して切替リング１９を引き下げるように構成されている。
具体的には、第２大径ピストン１５が最上点から下側へ所定の軸方向距離（例えば０．１ｍｍ）移動すると、拡径部７８と周縁部７９とが接触し、それ以降は、第２大径ピストン１５と切替リング１９とが一体で下側に移動する。
なお、第２大径ピストン１５の移動範囲における最上点とは、アクチュエータ５の電荷を放電することで収縮している時の第２大径ピストン１５の静止位置のことである。

【0040】

第２大径ピストン１５の軸方向後端側は、第２スプリング１８を収容するスプリング収容室７４内に位置している。また、第２大径ピストン１５の軸方向後端側には、Ｅリング８１によってスプリングシート８２が固定されている。この第２大径ピストン１５は、スプリングシート８２を介して、第２スプリング１８の付勢力によって軸方向後端側へ付勢されている。第２スプリング１８の軸方向先端部は、ボディ２４の段差により位置決めされている。

【0041】

以上のように、本実施形態の第１、第２変位拡大部８、９は、ハウジング２の軸方向に沿って上下２段に設置されている。そして、燃料噴射弁１は、第１変位拡大部８の第１小径ピストン１３と第２変位拡大部９の第２大径ピストン１５とを連接している。
第２大径ピストン１５は、第１小径ピストン１３と同一軸線上に設置されている。この第２大径ピストン１５は、第１小径ピストン１３の第１当接部６４に接触する第２当接部８３を有している。
この構成によって、燃料噴射弁１の直径を小さく設定できる部位は、ニードル３、第１小径ピストン１３、第２大径ピストン１５、拡張ニードル３５およびバランスピストン３６を取り囲む細径部位８４となる。
細径部位８４とは、アクチュエータ５の外径を拡径した場合でも燃料噴射弁１の外径を細くすることができる部位のことであり、リテーナ２９の軸方向先端面からノズルボディ６の先端までの間の燃料噴射弁１の先端部分のことである。

【0042】

本実施形態の燃料噴射弁１の作用を説明する。
アクチュエータ５に電荷が供給されていない状態では、第１大径ピストン１２は、第１スプリング１７の付勢力によって軸方向後端側に付勢され、静止する。
また、第１小径ピストン１３および第２大径ピストン１５は、第２スプリング１８の付勢力によって軸方向後端側に付勢され、静止する。
このとき、第１変位拡大室１１には、チェック弁５８を介して低圧燃料が供給されるため、第１変位拡大室１１が低圧燃料で満たされる。
また、ニードル３、第２小径ピストン１６および拡張ニードル３５は、圧力室３３の燃料圧力によって軸方向先端側へ付勢され、静止する。これにより、ニードル３の先端がノズルボディ６の内壁に着座して閉弁状態が維持される。
また、第２変位拡大室１４には、図示しないチェック弁を介して低圧燃料が供給されるため、第２変位拡大室１４が低圧燃料で満たされる。

【0043】

次に、アクチュエータ５に電荷が供給されると、アクチュエータ５が伸長し、第１大径ピストン１２は、軸方向先端側へ移動し、第１変位拡大室１１の油圧力は上昇する。これに伴って、第１小径ピストン１３および第２大径ピストン１５は軸方向先端側へ移動する。
このとき、チェック弁５８は閉じ、第１変位拡大室１１内の燃料は閉じ込められる。
第２大径ピストン１５の軸方向先端側への移動に伴い、第２変位拡大室１４の油圧力は上昇し、第２小径ピストン１６には軸方向後端側への力が作用する。
さらに、アクチュエータ５に電荷が供給されると、第２小径ピストン１６に作用する軸方向後端側への力が増加し、ついにはニードル３、第２小径ピストン１６、拡張ニードル３５、バランスピストン３６全体に作用する力の総和が軸方向後端側にプラスになると、ニードル３はノズルボディ６の内壁から離座してリフトを開始し、噴孔７から燃料の噴射が開始される。

【0044】

さらに、アクチュエータ５に電荷が供給すると、ニードル３はリフト量を増加する。このとき、第１大径ピストン１２の面積が第１小径ピストン１３の面積のａ倍（第１変位拡大率）とし、第２大径ピストン１５の面積が第２小径ピストン１６と拡張ニードル３５との面積差のｂ１倍（拡大率切替前の第２変位拡大率）であるとすると、アクチュエータ５の伸び量は、ａ×ｂ１倍に拡大され、ニードル３をリフトさせる。
さらに、アクチュエータ５に電荷が供給すると、第２大径ピストン１５の変位が拡大し、切替リング１９と接触し、一体で移動するようになる。
このとき、第２大径ピストン１５と切替リング１９との面積の和が第２小径ピストン１６と拡張ニードル３５との面積差のｂ２倍（拡大率切替後の第２変位拡大率）であるとすると、アクチュエータ５の伸び量は、ａ×ｂ２倍に拡大され、ニードル３をリフトさせる。 ａ×ｂ１＜ａ×ｂ２のため、開弁初期は変位拡大率が小さく、ニードル３を軸方向後端側に付勢する力が大きく作用するため、ニードル３が開弁し易くなる。
一方、ニードル３が開弁後ある程度リフト量が増加した後は変位拡大率が大きくなり、大きなリフト量を確保できる。

【0045】

［実施形態１の効果］
本実施形態の燃料噴射弁１においては、ニードル３とアクチュエータ５との間に、ハウジング２の軸方向に沿って上下２段に第１、第２変位拡大部８、９を設置している。
また、燃料噴射弁１は、ボディ２４の内部において、第１小径ピストン１３と第２大径ピストン１５とを同一軸線上に設置している。
また、第２大径ピストン１５は、第１小径ピストン１３の第１当接部６４に接触する第２当接部８３を有し、第１小径ピストン１３に連接している。
以上のように、上下２段の第１、第２変位拡大部８、９によって、アクチュエータ５の変位を拡大する機構を構成しているので、燃料の噴射圧を更に高圧化するためにアクチュエータ５の直径を増加した場合でも、燃料噴射弁１の細径部位８４の長さを２倍以上の軸方向長さに拡大することができる。

【0046】

したがって、第１油密室５１と第１油密室５２とを連通する第１連通孔５３、および第２油密室７１と第２油密室７２とを連通する第２連通孔７３を軸方向に長くする必要はない。このため、第１、第２変位拡大室１１、１４で生じる燃料の圧力脈動が大きくならないので、燃料の噴射量の制御性を悪化させることはない。
また、ニードル３と一体で移動する連接部材（ニードル３、第２小径ピストン１６、拡張ニードル３５、バランスピストン３６）の軸方向長を長くする必要はない。このため、連接部材の質量が大きくならないので、ニードル３の開弁応答性および閉弁応答性を悪化させることはない。

【0047】

また、第１小径ピストン１３と第２大径ピストン１５の設置により燃料噴射弁１の外径の小さい先端部の長さを２倍以上の長さに拡大することができ、燃料噴射弁１のエンジン搭載自由度を増加することができる。
したがって、燃料の噴射圧を更に高圧化するためにアクチュータ５の直径を増加した場合でも、第１、第２変位拡大室１１、１４の軸方向長さを長くする必要はなく、また、ニードル３と一体で移動する連接部材の重量の増加もなく、燃料噴射弁１の外径の小さい細径部位８４の軸方向長さを確保できる。このため、エンジン搭載性と燃料の噴射量の制御性、ニードル３の開弁応答性および閉弁応答性との両立を図ることができる。

【0048】

［実施形態２の構成］
図４および図５は、本発明を適用した実施形態２を示したものである。
ここで、実施形態１と同じ符号は、同一の構成または機能を示すものであって、説明を省略する。

【0049】

本実施形態の燃料噴射弁１は、図１のアクチュエータ５よりも直径の小さい３本のアクチュエータ５を備えている。
この場合、ストッパプレート５４が不要となるので、第１変位拡大室１１は３本の第１大径ピストン１２の軸方向先端面と１本の第１小径ピストン１３の軸方向後端面とが対向する１つの燃料空間で形成される。すなわち、第１変位拡大室１１は、第１油密室５１、５２によってのみ構成されている。
以上のように、本実施形態の燃料噴射弁１においては、実施形態１と同様な効果を奏する。

【0050】

［実施形態３の構成］
図６は、本発明を適用した実施形態３を示したものである。
ここで、実施形態１及び２と同じ符号は、同一の構成または機能を示すものであって、説明を省略する。

【0051】

本実施形態の燃料噴射弁１は、ストッパプレート５４に替えて、第１小径ピストン１３の軸方向後端側へのこれ以上の移動が規制するストッパブロック９１を設けている。
ストッパブロック９１には、第１油密室５１と第１油密室５２とを繋ぐ第１連通孔５３が形成されている。この第１連通孔５３は、ストッパブロック９１の軸方向両端面を連通するようにストッパブロック９１を軸方向に貫通している。
ここで、第１連通孔５３の軸方向長さを２０〜３０ｍｍ以内に抑えることにより、燃料の圧力脈動を要因とする噴射量の制御性を悪化することなく、燃料噴射弁１の外径の小さい細径部位８４の軸方向長さを実施形態１よりも大きく設定することができる。
以上のように、本実施形態の燃料噴射弁１においては、実施形態１及び２と同様な効果を奏する。

【0052】

［実施形態４の構成］
図７は、本発明を適用した実施形態４を示したものである。
ここで、実施形態１〜３と同じ符号は、同一の構成または機能を示すものであって、説明を省略する。

【0053】

本実施形態の燃料噴射弁１は、第２大径ピストン１５の外周に切替リング１９が設けられておらず、アクチュエータ５の変位拡大率を第１、第２変位拡大部８、９間で一定としている。
本実施形態の燃料噴射弁１では、切替リング１９だけでなく、スプリング２０およびボディ２５を廃止できるので、実施形態１〜４よりも部品点数を減らすことができる。
以上のように、本実施形態の燃料噴射弁１においては、実施形態１〜３と同様な効果を奏する。

【0054】

［変形例］
本実施形態では、本発明の燃料噴射弁として、ハウジング２のノズルボディ６内に往復移動可能に収容される１つのニードル３によって複数の噴孔７を開閉するタイプの燃料噴射弁（インジェクタ）を採用しているが、本発明の燃料噴射弁として、ノズルボディ６内に往復移動可能に収容される２つのニードルによって複数の第１、第２噴孔を段階的に開閉する可変噴孔タイプの燃料噴射弁を採用しても良い。
また、エンジンとして、ディーゼルエンジンの代わりに、ガソリンエンジン等の内燃機関を用いても良い。
本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

【符号の説明】

【0055】

１ 燃料噴射弁
２ ハウジング
３ ニードル
５ アクチュエータ
８ 第１変位拡大部
９ 第２変位拡大部
１１ 第１変位拡大室
１３ 第１小径ピストン（第１変位拡大部の小径ピストン）
１４ 第２変位拡大室
１５ 第２大径ピストン（第２変位拡大部の大径ピストン）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】