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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024119343
(43)【公開日】2024-09-03
(54)【発明の名称】気体燃料インジェクタ
(51)【国際特許分類】
F02M 61/20 20060101AFI20240827BHJP
F02M 21/02 20060101ALI20240827BHJP
F02D 19/02 20060101ALI20240827BHJP
F02M 61/04 20060101ALI20240827BHJP
F02M 61/10 20060101ALI20240827BHJP
F02M 61/08 20060101ALI20240827BHJP
【ＦＩ】
F02M61/20 P
F02M21/02 S
F02D19/02 D
F02M61/04 G
F02M61/10 D
F02M61/08 M
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023026164
(22)【出願日】2023-02-22
(71)【出願人】
【識別番号】503108687
【氏名又は名称】ニコ精密機器株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100067323
【弁理士】
【氏名又は名称】西村 教光
(74)【代理人】
【識別番号】100124268
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 典行
(72)【発明者】
【氏名】狩野 寿
(72)【発明者】
【氏名】齊藤 俊之
【テーマコード（参考）】
3G066
3G092
【Ｆターム（参考）】
3G066AA02
3G066AB05
3G066BA06
3G066CC08T
3G066CC14
3G066CC40
3G066CE12
3G092AA06
3G092AB06
3G092BB11
3G092DE03S
3G092FA12
(57)【要約】
【課題】油圧で弁体を押し出して開弁し、気体燃料を噴射する気体燃料インジェクタを提供する。
【解決手段】気体燃料インジェクタ１は、開口部３を有するインジェクタボディ２と、棒状部５と第１大径部６と封止弁部７を有する制御ピストン４と、開口部と連続する気体燃料室８と、棒状部と第１大径部の先端側とに面してインジェクタボディ内に設けられた第１制御油室９と、制御ピストンの後端に区画された第２制御油室１０を備える。ソレノイド１６が流路１５を開放すると第１制御室の油圧が解放され、第２制御室の油圧が制御ピストンを先端方向に移動させて開弁を行う。所定圧力の制御油がインジェクタの外部から供給されていれば内部機構により確実かつ速やかに、良好な応答性で開弁できる。
【選択図】図３
【解決手段】気体燃料インジェクタ１は、開口部３を有するインジェクタボディ２と、棒状部５と第１大径部６と封止弁部７を有する制御ピストン４と、開口部と連続する気体燃料室８と、棒状部と第１大径部の先端側とに面してインジェクタボディ内に設けられた第１制御油室９と、制御ピストンの後端に区画された第２制御油室１０を備える。ソレノイド１６が流路１５を開放すると第１制御室の油圧が解放され、第２制御室の油圧が制御ピストンを先端方向に移動させて開弁を行う。所定圧力の制御油がインジェクタの外部から供給されていれば内部機構により確実かつ速やかに、良好な応答性で開弁できる。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
レシプロエンジンのシリンダ内に気体燃料を噴射するための気体燃料インジェクタであって、
気体燃料をシリンダ内に噴射する開口部が先端に設けられたインジェクタボディと、
前記インジェクタボディの内部で移動可能に支持される棒状部と、前記棒状部に設けられた第１大径部と、前記棒状部の先端に設けられて前記開口部を外側から開閉する封止弁部を有する制御ピストンと、
前記インジェクタボディの先端の内部に前記開口部と連続するように前記棒状部及び前記封止弁部に面して設けられ、気体燃料が外部から供給される気体燃料室と、
前記棒状部と前記第１大径部の先端側とに面して前記インジェクタボディの内部に設けられた第１制御油室と、
前記制御ピストンの後端により区画されて前記インジェクタボディの内部に設けられた第２制御油室と、を備え、
前記第１制御室の制御油の油圧を解放することで前記第２制御室の制御油の油圧により前記制御ピストンを先端方向に移動させて開弁を行う気体燃料インジェクタ。
気体燃料をシリンダ内に噴射する開口部が先端に設けられたインジェクタボディと、
前記インジェクタボディの内部で移動可能に支持される棒状部と、前記棒状部に設けられた第１大径部と、前記棒状部の先端に設けられて前記開口部を外側から開閉する封止弁部を有する制御ピストンと、
前記インジェクタボディの先端の内部に前記開口部と連続するように前記棒状部及び前記封止弁部に面して設けられ、気体燃料が外部から供給される気体燃料室と、
前記棒状部と前記第１大径部の先端側とに面して前記インジェクタボディの内部に設けられた第１制御油室と、
前記制御ピストンの後端により区画されて前記インジェクタボディの内部に設けられた第２制御油室と、を備え、
前記第１制御室の制御油の油圧を解放することで前記第２制御室の制御油の油圧により前記制御ピストンを先端方向に移動させて開弁を行う気体燃料インジェクタ。
【請求項2】
前記インジェクタボディの内部に、前記インジェクタボディの後端に向けて前記制御ピストンを押圧するスプリングを備えた請求項１に記載の気体燃料インジェクタ。
【請求項3】
前記インジェクタボディの内部に、前記第１大径部と前記第２制御油室の間に設けられて前記制御ピストンを囲む低圧エリアを備えた請求項２に記載の気体燃料インジェクタ。
【請求項4】
前記制御ピストンは、前記気体燃料室と前記第１制御油室との間に設けられ、その先端側が前記気体燃料室に面し、その後端側が前記第１制御油室に面する第２大径部を有する請求項３に記載の気体燃料インジェクタ。
【請求項5】
前記第１制御油室からの制御油を外部に導く流路を開閉するソレノイド弁を備える請求項１～４のいずれか１項に記載の気体燃料インジェクタ。
【請求項6】
前記インジェクタボディに設けられて外部から供給される制御油を前記第２制御油室に供給する第１制御油供給ラインと、
前記制御ピストン又は前記インジェクタボディに設けられて前記第２制御室から前記第１制御油室に制御油を供給する第２制御油供給ラインと、
を備える請求項１～４のいずれか１項に記載の気体燃料インジェクタ。
前記制御ピストン又は前記インジェクタボディに設けられて前記第２制御室から前記第１制御油室に制御油を供給する第２制御油供給ラインと、
を備える請求項１～４のいずれか１項に記載の気体燃料インジェクタ。
【請求項7】
前記第１大径部は、その内側に前記棒状部との隙間をシールする内側シールと、その外側に前記インジェクタボディとの隙間をシールする外側シールを有するとともに、軸方向に変位しないように前記棒状部に取り付けられた円筒状部材である請求項１～４のいずれか１項に記載の気体燃料インジェクタ。
【請求項8】
前記第１大径部の後端側において前記棒状部と前記インジェクタボディの隙間をシールする後端側シールと、
前記第２大径部と前記インジェクタボディの隙間をシールする先端側シールを備える請求項４に記載の気体燃料インジェクタ。
前記第２大径部と前記インジェクタボディの隙間をシールする先端側シールを備える請求項４に記載の気体燃料インジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レシプロエンジンのシリンダ内部に気体燃料を噴射するための気体燃料インジェクタに係り、特に、油圧による弁体の開放動作機構をインジェクタ外部に設けることなく、インジェクタ内部に設けた機構により油圧で弁体を外側に押し出して開口部を開放し、良好な応答性をもって気体燃料の噴射を確実に行なうことができる気体燃料インジェクタに関するものである。
【背景技術】
【0002】
気体燃料インジェクタの従来技術としては、下記特許文献１乃至４に記載された発明を挙げることができる。
【0003】
特許文献１には、混焼ディーゼル機関等に使用されるガス噴射弁の発明が記載されている。このガス噴射弁は、押棒と針弁からなる分割構造の弁体を備えており、押棒に設けた受圧ピストン部に作動油の圧力を与えて持ち上げるとともに、針弁をガスの力で持ち上げることで噴口を開放し、蓄圧部から導入されたガスを所定時期あるいは所定時間噴射することができる。
【0004】
特許文献２には、従来の化石液体燃料に代わり、天然ガス、石油ガスといった化石気体燃料や水素ガスなどの気体燃料を噴射する内燃機関のインジェクタの発明が記載されている。このインジェクタは、気体燃料を噴射する噴口を、分割構造の弁体の下方部分であるニードルで開閉する。ニードルによる噴口の閉弁駆動は、制御室の作動油の圧力が、分割構造の弁体の上方部分である制御ピストンを介してニードルを下向きに押圧することで行なう。またニードルの開弁駆動は、ノズルチャンバ内に供給される高圧気体燃料の圧力によって行なわれる。なお、作動油が気体燃料とともに噴射されるのを防止するために、ニードル周りにはリングシールが設けられる。
【0005】
特許文献３には、内燃機関にガス燃料を噴射するガス噴射弁が記載されている。このガス噴射弁によれば、分割構造の弁体の下方部分であるニードル弁により、ノズル本体の端に設けられた噴射孔を開閉してガス燃料の噴射を断続する。ニードル弁は作動流体により噴射孔を閉じる方向に押圧され、作動流体によるニードル弁の押圧は電磁弁により切り替えられる。また、ニードル弁は噴射孔を開放する方向にガス燃料の圧力を受ける。なお、ニードル弁の外周にはガス燃料と作動流体の混合を阻止するＯリングが設けられる。
【0006】
特許文献４には、ディーゼル機関用燃料ガス噴射弁の発明が記載されている。このガス噴射弁は、外側方向に開くきのこ弁１３を備えており、きのこ弁１３の先端側には燃料ガス噴射孔１４を有するアトマイザチップ１５が取り付けられている。コントロール油圧室１０に油圧を付加することでスピンドル２をボディの先端側に押し、きのこ弁１３を開弁させて燃料ガス噴射孔１４から燃料ガスを噴射させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】実開昭６３－４３６５号公報
【特許文献2】特開２００９－２８１２９８号公報
【特許文献3】特開２０１２－３１８２５号公報
【特許文献4】実開昭５９－２４９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
一般的に、気体の燃料は液体の燃料と比較して、燃料の単位体積当たりの発熱量が小さい性質がある。そのため、シリンダ内部に気体燃料を噴射するインジェクタは、液体燃料を噴射するインジェクタと比較して、単位時間あたりに噴射する燃料の体積がより大きいことが必要となる。
【0009】
上述した特許文献１乃至３に開示された気体燃料を噴射する従来の噴射弁又はインジェクタの発明には、単位時間あたりにシリンダ内に噴射できる気体燃料の体積を十分に大きくするという課題の認識がなく、従って係る課題を解決する手段についての開示もなかった。
【0010】
また、上述した特許文献４に開示されたディーゼル機関用燃料ガス噴射弁は、きのこ弁１３を外側方向に移動させて開弁する構造を有しており、より多くの体積の気体燃料をシリンダ内部に噴射することについての配慮が見られる。しかしながら、このガス噴射弁は、外部から供給されるコントロール油による加圧又は解放によって、開弁又は閉弁を行うものであり、コントロール油の加圧、解放を切り替える機構を燃料ガス噴射弁の外部に別途設ける必要があるため機構が複雑化し、また、開弁、閉弁の切り換え動作における応答性が充分ではなかった。
【0011】
本発明は、以上説明した従来の技術と、その課題に鑑みてなされたものであり、油圧による弁体の開放動作機構をインジェクタの外部に設けることなく、インジェクタの内部に設けた機構によって油圧で弁体を外側に押し出して開口部を開放し、良好な応答性をもって気体燃料の噴射を確実に行なうことができる気体燃料インジェクタを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0012】
請求項１に記載された気体燃料インジェクタは、
レシプロエンジンのシリンダ内に気体燃料を噴射するための気体燃料インジェクタであって、
気体燃料をシリンダ内に噴射する開口部が先端に設けられたインジェクタボディと、
前記インジェクタボディの内部で移動可能に支持される棒状部と、前記棒状部に設けられた第１大径部と、前記棒状部の先端に設けられて前記開口部を外側から開閉する封止弁部を有する制御ピストンと、
前記インジェクタボディの先端の内部に前記開口部と連続するように前記棒状部及び前記封止弁部に面して設けられ、気体燃料が外部から供給される気体燃料室と、
前記棒状部と前記第１大径部の先端側とに面して前記インジェクタボディの内部に設けられた第１制御油室と、
前記制御ピストンの後端により区画されて前記インジェクタボディの内部に設けられた第２制御油室と、を備え、
前記第１制御室の制御油の油圧を解放することで前記第２制御室の制御油の油圧により前記制御ピストンを先端方向に移動させて開弁を行うことを特徴としている。
レシプロエンジンのシリンダ内に気体燃料を噴射するための気体燃料インジェクタであって、
気体燃料をシリンダ内に噴射する開口部が先端に設けられたインジェクタボディと、
前記インジェクタボディの内部で移動可能に支持される棒状部と、前記棒状部に設けられた第１大径部と、前記棒状部の先端に設けられて前記開口部を外側から開閉する封止弁部を有する制御ピストンと、
前記インジェクタボディの先端の内部に前記開口部と連続するように前記棒状部及び前記封止弁部に面して設けられ、気体燃料が外部から供給される気体燃料室と、
前記棒状部と前記第１大径部の先端側とに面して前記インジェクタボディの内部に設けられた第１制御油室と、
前記制御ピストンの後端により区画されて前記インジェクタボディの内部に設けられた第２制御油室と、を備え、
前記第１制御室の制御油の油圧を解放することで前記第２制御室の制御油の油圧により前記制御ピストンを先端方向に移動させて開弁を行うことを特徴としている。
【0013】
請求項２に記載された気体燃料インジェクタは、請求項１に記載の気体燃料インジェクタにおいて
前記インジェクタボディの内部に、前記インジェクタボディの後端に向けて前記制御ピストンを押圧するスプリングを備えたことを特徴としている。
前記インジェクタボディの内部に、前記インジェクタボディの後端に向けて前記制御ピストンを押圧するスプリングを備えたことを特徴としている。
【0014】
請求項３に記載された気体燃料インジェクタは、請求項２に記載の気体燃料インジェクタにおいて、
前記インジェクタボディの内部に、前記第１大径部と前記第２制御油室の間に設けられて前記制御ピストンを囲む低圧エリアを備えたことを特徴としている。
前記インジェクタボディの内部に、前記第１大径部と前記第２制御油室の間に設けられて前記制御ピストンを囲む低圧エリアを備えたことを特徴としている。
【0015】
請求項４に記載された気体燃料インジェクタは、請求項３に記載の気体燃料インジェクタにおいて、
前記制御ピストンは、前記気体燃料室と前記第１制御油室との間に設けられ、その先端側が前記気体燃料室に面し、その後端側が前記第１制御油室に面する第２大径部を有することを特徴としている。
前記制御ピストンは、前記気体燃料室と前記第１制御油室との間に設けられ、その先端側が前記気体燃料室に面し、その後端側が前記第１制御油室に面する第２大径部を有することを特徴としている。
【0016】
請求項５に記載された気体燃料インジェクタは、請求項１～４のいずれか１項に記載の気体燃料インジェクタにおいて、
前記第１制御油室からの制御油を外部に導く流路を開閉するソレノイド弁を備えることを特徴としている。
前記第１制御油室からの制御油を外部に導く流路を開閉するソレノイド弁を備えることを特徴としている。
【0017】
請求項６に記載された気体燃料インジェクタは、請求項１～４のいずれか１項に記載の気体燃料インジェクタにおいて、
前記制御ピストン又は前記インジェクタボディに設けられて外部から供給される制御油を前記第２制御油室に供給する第１制御油供給ラインと、
前記インジェクタボディに設けられて前記第２制御室から前記第１制御油室に制御油を供給する第２制御油供給ラインと、
を備えることを特徴としている。
前記制御ピストン又は前記インジェクタボディに設けられて外部から供給される制御油を前記第２制御油室に供給する第１制御油供給ラインと、
前記インジェクタボディに設けられて前記第２制御室から前記第１制御油室に制御油を供給する第２制御油供給ラインと、
を備えることを特徴としている。
【0018】
請求項７に記載された気体燃料インジェクタは、請求項１～４のいずれか１項に記載の気体燃料インジェクタにおいて、
前記第１大径部は、その内側に前記棒状部との隙間をシールする内側シールと、その外側に前記インジェクタボディとの隙間をシールする外側シールを有するとともに、軸方向に変位しないように前記棒状部に取り付けられた円筒状部材であることを特徴としている。
前記第１大径部は、その内側に前記棒状部との隙間をシールする内側シールと、その外側に前記インジェクタボディとの隙間をシールする外側シールを有するとともに、軸方向に変位しないように前記棒状部に取り付けられた円筒状部材であることを特徴としている。
【0019】
請求項８に記載された気体燃料インジェクタは、請求項４に記載の気体燃料インジェクタにおいて、
前記第１大径部の後端側において前記棒状部と前記インジェクタボディの隙間をシールする後端側シールと、
前記第２大径部と前記インジェクタボディの隙間をシールする先端側シールを備えることを特徴としている。
前記第１大径部の後端側において前記棒状部と前記インジェクタボディの隙間をシールする後端側シールと、
前記第２大径部と前記インジェクタボディの隙間をシールする先端側シールを備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【0020】
請求項１に記載された気体燃料インジェクタによれば、制御油の油圧により開弁、閉弁の動作が行われる気体燃料インジェクタにおいて、封止弁部を外側に押し出すことで開弁の動作が実現できる。この開弁の動作は、気体燃料インジェクタの内部において第１制御室の制御油の油圧を解放することにより、第２制御室の制御油の油圧によって制御ピストンを先端方向に移動させることで行われる。このため、所定圧力の制御油がインジェクタの外部から内部に供給されていれば、開弁の動作を確実かつ速やかに行なうことができる。従って、制御油の加圧、解放の動作を行うための機構をインジェクタの外部に別途設ける必要がなく、開弁、閉弁の動作における応答性が良好となる。
【0021】
請求項２に記載された気体燃料インジェクタによれば、制御ピストンが後端方向に押圧されることにより開口部が封止弁部で封止される閉弁動作が確実に行われる。閉弁力の付加を油圧に加えてスプリングによっても行うことで、万一、制御油圧の供給に問題が生じた場合であっても気体燃料インジェクタは閉弁状態を維持できるため、エンジンのシリンダ内に気体燃料が過剰に供給される事態を防止できる。
【0022】
請求項３に記載された気体燃料インジェクタによれば、第１大径部と第２制御油室の間に低圧エリアを設けたことにより、第１制御油室の油圧の解放に伴う第２制御室の油圧による開弁の動作が一層容易となる。
第１制御油室と第２制御油室には、制御ピストンを油圧で動作させるために所定の圧力の制御油が供給される。ここで、第１制御油室には、制御ピストンの第１大径部が面しており、第２制御油室には、第１大径部より外径の小さい制御ピストンの棒状部が面している。従って、第１制御油室と第２制御油室との間には、制御ピストンの相対的に太い部分と細い部分の境界となる段差が存在することとなる。従って、制御ピストンが移動して前記段差が位置を変えると、第１大径部と第２制御油室の間において制御油を保持できる空間の体積には変化が生じるが、第１大径部と第２制御油室との間の空間は低圧エリアであるため、この体積の変化によって特に問題が生じることはない。例えば、この低圧エリアを、外気圧のドレンラインに連通させることによって第１制御油室と第２制御油室に対して圧力差が生じるようにしておけば、制御ピストンの移動に伴って低圧エリアに体積変化が生じても低圧エリア内に顕著な圧力の変化は生じず、低圧エリアの体積変化が制御ピストンの移動に影響を与えることはなく、開弁の動作は円滑である。
第１制御油室と第２制御油室には、制御ピストンを油圧で動作させるために所定の圧力の制御油が供給される。ここで、第１制御油室には、制御ピストンの第１大径部が面しており、第２制御油室には、第１大径部より外径の小さい制御ピストンの棒状部が面している。従って、第１制御油室と第２制御油室との間には、制御ピストンの相対的に太い部分と細い部分の境界となる段差が存在することとなる。従って、制御ピストンが移動して前記段差が位置を変えると、第１大径部と第２制御油室の間において制御油を保持できる空間の体積には変化が生じるが、第１大径部と第２制御油室との間の空間は低圧エリアであるため、この体積の変化によって特に問題が生じることはない。例えば、この低圧エリアを、外気圧のドレンラインに連通させることによって第１制御油室と第２制御油室に対して圧力差が生じるようにしておけば、制御ピストンの移動に伴って低圧エリアに体積変化が生じても低圧エリア内に顕著な圧力の変化は生じず、低圧エリアの体積変化が制御ピストンの移動に影響を与えることはなく、開弁の動作は円滑である。
【0023】
請求項４に記載された気体燃料インジェクタによれば、気体燃料インジェクタが閉弁状態にある場合に、制御ピストンの第１大径部と第２大径部が制御油圧から受ける力の大きさを適宜調整することにより、制御ピストンの動作を円滑化することができる。
まず制御ピストンは第１大径部を有しているため、第１大径部と棒状部の段差に第１制御油室の油圧が加わると、後端方向の力、すなわち閉弁方向の力を受ける。請求項３までの構成であれば、この力が大きすぎた場合、制御ピストンを第２制御油室の油圧によって先端方向に動かす動作、すなわち開弁方向の動作の実現は難しくなる可能性がある。ところが、請求項４の構成、すなわち第１制御油室と気体燃料室の間に第２大径部を設けた構成によれば、第１制御油室の制御油の油圧は、第２大径部と棒状部の段差に加わり、制御ピストンを先端方向（開弁方向）に動かす力を発生させるので、第１大径部に加わる後端方向（閉弁方向）への力をこの力で相殺することができる。従って、制御ピストンの第１大径部と第２大径部が制御油圧から受ける力の大きさを適宜に設定すれば、特に閉弁時に制御ピストンに加わる力を適切な範囲で小さくしておけば、開弁時における制御ピストンの動作を円滑化することができる。例えば、第２制御油室に面する制御ピストンの小径部の面積＝第１大径部の断面積－第２大径部の断面積とすれば、閉弁状態において制御油圧により制御ピストンに加わる力の影響をゼロにできる。また、第２大径部の気体燃料室側の段差には燃料ガスの圧力によって後端方向（閉弁方向）に押す力が働くため、燃料ガスの圧力が封止弁部の段差を先端（開弁）方向に押す力を相殺でき、燃料ガス圧力に対抗して閉弁状態に保つために設けているスプリングは、押圧力の小さいもので用が足りる。
まず制御ピストンは第１大径部を有しているため、第１大径部と棒状部の段差に第１制御油室の油圧が加わると、後端方向の力、すなわち閉弁方向の力を受ける。請求項３までの構成であれば、この力が大きすぎた場合、制御ピストンを第２制御油室の油圧によって先端方向に動かす動作、すなわち開弁方向の動作の実現は難しくなる可能性がある。ところが、請求項４の構成、すなわち第１制御油室と気体燃料室の間に第２大径部を設けた構成によれば、第１制御油室の制御油の油圧は、第２大径部と棒状部の段差に加わり、制御ピストンを先端方向（開弁方向）に動かす力を発生させるので、第１大径部に加わる後端方向（閉弁方向）への力をこの力で相殺することができる。従って、制御ピストンの第１大径部と第２大径部が制御油圧から受ける力の大きさを適宜に設定すれば、特に閉弁時に制御ピストンに加わる力を適切な範囲で小さくしておけば、開弁時における制御ピストンの動作を円滑化することができる。例えば、第２制御油室に面する制御ピストンの小径部の面積＝第１大径部の断面積－第２大径部の断面積とすれば、閉弁状態において制御油圧により制御ピストンに加わる力の影響をゼロにできる。また、第２大径部の気体燃料室側の段差には燃料ガスの圧力によって後端方向（閉弁方向）に押す力が働くため、燃料ガスの圧力が封止弁部の段差を先端（開弁）方向に押す力を相殺でき、燃料ガス圧力に対抗して閉弁状態に保つために設けているスプリングは、押圧力の小さいもので用が足りる。
【0024】
請求項５に記載された気体燃料インジェクタによれば、第１制御室の制御油の油圧を解放する動作を電気的に行うソレノイド弁を有しているため、気体燃料インジェクタの開弁、閉弁の機械的な動作をインジェクタ内で完結できる。なお、ソレノイド弁と、これによって流路を開閉するアーマチェアを、制御ピストンの後端側の軸線上において、第２制御室の後端側に配置すれば、気体燃料インジェクタの全体を細長いコンパクトな形態とすることができる。
【0025】
請求項６に記載された気体燃料インジェクタによれば、第１制御油室と第２制御油室は制御油の供給方向について直列となるため、第１制御油室と第２制御油室に対する制御油の供給ラインは製造しやすい単純化した構成とすることができ、このような構成のために制御油の流通は円滑となり、制御油の制御による気体燃料インジェクタの開弁動作を確実に行なうことができる。なお、例えば第２制御油室を直列の上流側とし、外部から供給される制御油を最初に第２制御油室に供給する構成とした場合、開弁のために下流側の第１制御室の制御油の油圧を解放しても第２制御油室の油圧は確保されるため、開弁動作は確実に行われる。また実施形態に記載したように、第１制御油室と第２制御油室を連通する第２制御油供給ラインを制御ピストンの軸心上に設ければ、気体燃料インジェクタを全体として細くコンパクトにすることに寄与する。
【0026】
請求項７に記載された気体燃料インジェクタによれば、制御ピストンが、先端方向（開弁方向）及び後端方向（閉弁方向）に円滑に摺動することができる。すなわち、封止弁部による開口部の開閉が円滑になる。
インジェクタボディの内部において、制御ピストンは、少なくとも略中間の第１大径部と、後端側の第２制御室付近において、それぞれ摺動的に支持されている。ここで各支持部の軸心にわずかなずれがある場合にはスムーズな摺動が得られない恐れがある。そこで、略中間に位置する第１大径部を構成する円筒状部材をフローティング構造で支持するものとした。すなわち、第１大径部の円筒状部材は、制御ピストンの一部として移動することにより、制御ピストンの軸心と平行な方向については制御油による押圧力を棒状部に伝達するが、軸心と垂直な方向については変位を許容する構造とされている。このため、前述した軸心のずれは吸収されるので、制御ピストンは、軸心と平行な方向については円滑に摺動することができる。また、円筒状部材とインジェクタボディの隙間に制御油が入り込むのを防止できるので、この隙間に入り込んだ制御油が摺動時のせん断により発熱するのを抑えることができる。また、制御油の漏れの抑制は、高圧で送油が必要な制御油の流量の低下につながり、その結果、制御油を吐出するポンプのサイズを小さくでき、その吐出に必要な動力を小さくできる効果をもたらす。
インジェクタボディの内部において、制御ピストンは、少なくとも略中間の第１大径部と、後端側の第２制御室付近において、それぞれ摺動的に支持されている。ここで各支持部の軸心にわずかなずれがある場合にはスムーズな摺動が得られない恐れがある。そこで、略中間に位置する第１大径部を構成する円筒状部材をフローティング構造で支持するものとした。すなわち、第１大径部の円筒状部材は、制御ピストンの一部として移動することにより、制御ピストンの軸心と平行な方向については制御油による押圧力を棒状部に伝達するが、軸心と垂直な方向については変位を許容する構造とされている。このため、前述した軸心のずれは吸収されるので、制御ピストンは、軸心と平行な方向については円滑に摺動することができる。また、円筒状部材とインジェクタボディの隙間に制御油が入り込むのを防止できるので、この隙間に入り込んだ制御油が摺動時のせん断により発熱するのを抑えることができる。また、制御油の漏れの抑制は、高圧で送油が必要な制御油の流量の低下につながり、その結果、制御油を吐出するポンプのサイズを小さくでき、その吐出に必要な動力を小さくできる効果をもたらす。
【0027】
請求項８に記載された気体燃料インジェクタによれば、ピストンの摺動に伴う制御油の低圧側への漏れ、燃料ガス側への漏れを抑制でき、また摺動部分に入り込んだ制御油が摺動に伴うせん断により発熱する不都合な現象を抑えることができる。また、制御油の漏れの抑制は、高圧で送油が必要な制御油の流量の低下につながり、その結果、制御油を吐出するポンプのサイズを小さくでき、その吐出に必要な動力を小さくできる効果をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】分図（ａ）は、無噴射状態にある実施形態の気体燃料インジェクタの先端部を模式的に示した断面図であり、分図（ｂ）は、噴射状態にある実施形態の気体燃料インジェクタの先端部を模式的に示した断面図である。
【図2】分図（ａ）は、無噴射状態にある実施形態の気体燃料インジェクタの後端部を模式的に示した断面図であり、分図（ｂ）は、噴射状態にある実施形態の気体燃料インジェクタの後端部を模式的に示した断面図である。
【図3】分図（ａ）は、無噴射状態にある実施形態の気体燃料インジェクタを模式的に示した断面図であり、分図（ｂ）は、噴射状態にある実施形態の気体燃料インジェクタを模式的に示した断面図である。分図（ｃ）は、実施形態の気体燃料インジェクタにおける設計諸元と、各設計諸元を表す符号を示す表図である。
【図4】実施形態の気体燃料インジェクタを示す図であって、分図（ａ）は分図（ｂ）中のＡ－Ａ切断線における縦断面図であり、分図（ｂ）は平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0029】
【0030】
図１～図３を参照して、本発明の実施形態である気体燃料インジェクタ１の基本的な構成を説明する。
この気体燃料インジェクタ１は、図示しないレシプロエンジンのシリンダ内に気体燃料を噴射するための装置であり、気体燃料をシリンダ内に噴射する開口部３が先端に設けられたインジェクタボディ２を本体としている。インジェクタボディ２の内部には、制御ピストン４が上下方向に移動自在となるように設けられている。制御ピストン４は、インジェクタボディ２の内部に移動可能に支持された細径の棒状部５と、棒状部５の中央部よりも後端（図示上端）側に設けられた第１大径部６と、棒状部５の先端（図示下端）に設けられて開口部３を外側から開閉する封止弁部７と、第１大径部６と封止弁部７の間に設けられた第２大径部１２を有している。この制御ピストン４は、封止弁部７と棒状部５と第１大径部６と第２大径部１２が力学的に一体となった構造で製造されている。すなわち、各部が同一材質の一の素材から一体的に作り出された構造でもよいし、全部又は一部の部品が別部品として製造されたが、別部品どうしが締結又は固定されて一体化しており、軸方向の力を時間的遅れなく直接伝達できるような構造であってもよい。棒状部５は、封止弁部７と第２大径部１２の間の部分（先端部）、第２大径部１２と第１大径部の間の部分（中央部）、第１大径部より後端側の部分（後端部）を含み、各部分の太さは同一とは限らないものである。
この気体燃料インジェクタ１は、図示しないレシプロエンジンのシリンダ内に気体燃料を噴射するための装置であり、気体燃料をシリンダ内に噴射する開口部３が先端に設けられたインジェクタボディ２を本体としている。インジェクタボディ２の内部には、制御ピストン４が上下方向に移動自在となるように設けられている。制御ピストン４は、インジェクタボディ２の内部に移動可能に支持された細径の棒状部５と、棒状部５の中央部よりも後端（図示上端）側に設けられた第１大径部６と、棒状部５の先端（図示下端）に設けられて開口部３を外側から開閉する封止弁部７と、第１大径部６と封止弁部７の間に設けられた第２大径部１２を有している。この制御ピストン４は、封止弁部７と棒状部５と第１大径部６と第２大径部１２が力学的に一体となった構造で製造されている。すなわち、各部が同一材質の一の素材から一体的に作り出された構造でもよいし、全部又は一部の部品が別部品として製造されたが、別部品どうしが締結又は固定されて一体化しており、軸方向の力を時間的遅れなく直接伝達できるような構造であってもよい。棒状部５は、封止弁部７と第２大径部１２の間の部分（先端部）、第２大径部１２と第１大径部の間の部分（中央部）、第１大径部より後端側の部分（後端部）を含み、各部分の太さは同一とは限らないものである。
【0031】
インジェクタボディ２の先端の内部には気体燃料室８が設けられている。気体燃料室８は、封止弁部７が開口部３を閉止した閉弁状態では、棒状部５と封止弁部７と第２大径部１２によって区画された空間であり、インジェクタボディ２の外部から供給される所定圧力の気体燃料を保持している。封止弁部７が開口部３から離れた開弁状態では、気体燃料室８は開口部３を介してシリンダに連通するので、気体燃料室８内の気体燃料は開口部３を経てシリンダ内に噴射される。
【0032】
インジェクタボディ２の内部には第１制御油室９が設けられている。第１制御油室９は、制御ピストン４の第１大径部６から第２大径部１２の後端に相当する位置に設けられた空間であり、第１大径部６と、第１大径部６から先端に向けて突出した棒状部５を囲んでいる。第１制御油室９には、後述する第２制御油室１０から、第２制御油供給ライン２２を介して所定の圧力の制御油が常時供給される。第２制御油供給ライン２２は、その大部分が、制御ピストン４の中心を軸線に平行に形成された孔路である。第１制御油室９にある制御油の圧力は、第１大径部６に対しては、後端に向けた閉弁方向の力を発生させ、また第２大径部１２に対しては、先端に向けた開弁方向の力を発生させる。なお第２制御油供給ラインは制御ピストン４以外の場所に設けることも可能であり、例えばインジェクタボディ２に孔路を形成して第１制御油室と第２制御油室を連通するような制御油供給ラインを設けることもできる。
【0033】
インジェクタボディ２の後端には、内部の空洞を閉止する円板型のオリフィスプレート１３が取りつけられている。このオリフィスプレート１３には、制御油を後端側（図示上端側）の面の中心に導く斜めの流路１５が設けられている。この流路１５にはオリフィスが設けられている。インジェクタボディ２には、第１制御油室９にある制御油をインジェクタボディ２の後端側に向けて導く導油路１４が形成されている。導油路１４は、斜めの流路１５に連通している。この流路１５の出口はソレノイド弁１６によって開閉することができる。従って、ソレノイド弁１６が流路１５を開放すると第１制御油室９にある制御油は導油路１４から流路１５を経てインジェクタボディ２の外部に排出される。
【0034】
インジェクタボディ２の内部には第２制御油室１０が設けられている。第２制御油室１０は、制御ピストン４の後端側の棒状部５と、棒状部５を内挿するシリンダ１９と、オリフィスプレート１３とによって、インジェクタボディ２の内部に区画されている。模式図である図１～図３には示していないが、インジェクタボディ２には、制御油を外部から第２制御油室１０に供給する第１制御油供給ライン２１（図６参照）が設けられている。
【0035】
インジェクタボディ２の内部において、第１制御油室９の内部には、インジェクタボディ２の後端に向けて制御ピストン４を押圧するスプリング１７が設けられている。
なお、図２および図３では、インジェクタボディ２の内部において、第２制御油室１０の内部には、シリンダ１９を先端方向に押圧して固定するためのつるまきバネのスプリングが図示されているが、これは皿バネでもよく、また省略も可能である。
なお、図２および図３では、インジェクタボディ２の内部において、第２制御油室１０の内部には、シリンダ１９を先端方向に押圧して固定するためのつるまきバネのスプリングが図示されているが、これは皿バネでもよく、また省略も可能である。
【0036】
インジェクタボディ２の内部において、第１大径部６と第２制御油室１０の間には、制御ピストン４を囲むように低圧エリア２０が設けられている。この低圧エリア２０は、インジェクタボディ２の内部に形成されたドレン路２７（図１～図３には不図示、図７参照）を経てインジェクタボディ２の外部に連通している。従って、低圧エリア２０には制御油が存在しない場合もあるが、第１制御油室６と第２制御油室１０にある所定圧力の制御油が低圧エリア２０に漏れる場合もあり、その場合には、漏れた制御油はドレン路２７から外部に排出されるので、低圧エリア２０に制御油が溜まって制御ピストン４を先端に向けて押圧することはなく、閉弁状態とすべき時期に開弁状態となってしまうような不具合が生じることはない。
【0037】
以上の構成において、ソレノイド弁１６が流路１５を閉止し、第１制御油室９と第２制御油室１０に所定圧力の制御油が存在している状態では、第１制御油室９の制御油は、制御ピストン４を後端側に押して閉弁させる方向の力を制御ピストン４に発生させ、第２制御油室１０の制御油は、制御ピストン４を先端側に押して開弁させる方向の力を制御ピストン４に発生させるが、この気体燃料インジェクタ１においては、逆方向であるこれら２つの力の大きさは同一となり、制御油が制御ピストン４に与える力による影響がゼロとなるように構成されている。従って、ソレノイド弁１６が流路１５を閉止している時は、制御ピストン４はスプリング１７の押圧力によって後端の側に押され、インジェクタボディ２の開口部３を封止弁部７により外側から閉止して気体燃料の噴射は阻止される。
【0038】
ソレノイド弁１６を作動させて流路１５を開放すると、第１制御油室９の制御油は、導油路１４及び流路１５を経て外部に逃げるため、第１制御油室９の制御油の油圧は急激に低下する。第１制御油室９と第２制御油室１０は第２制御油供給ライン２２によって連通してはいるが、第２制御油室１０には継続して制御油が供給されているため、第１制御油室９の減圧に連動して第２制御油室１０の制御油の圧力が短時間で低減することはなく、第２制御油室１０の制御油は所定の圧力を維持することができる。このため、制御ピストン４に加わる制御油による軸方向の押圧力は先端に向き、封止弁部７はインジェクタボディ２の開口部３から離れて開口部３は開放され、気体燃料が噴射される。
【0039】
図１～図３を参照して、実施形態の気体燃料インジェクタにおいて、気体燃料を噴射する開弁の動作を確実に行うための条件について説明する。
図１は、気体燃料インジェクタ１の先端側（下端側）の構造を示している。図１（ａ）は、制御ピストン４が上がって開口部３を閉じ、気体燃料が噴射されない無噴射状態を示しており、図１（ｂ）は、制御ピストン４が下がって開口部３が開き、気体燃料が噴射される噴射状態を示している。気体燃料室８にある気体燃料の圧力ＰFGは、第２大径部１２の直径ＤFPの面積と、封止弁部７の直径ＤFVの面積の差分に、力として作用する。
図１は、気体燃料インジェクタ１の先端側（下端側）の構造を示している。図１（ａ）は、制御ピストン４が上がって開口部３を閉じ、気体燃料が噴射されない無噴射状態を示しており、図１（ｂ）は、制御ピストン４が下がって開口部３が開き、気体燃料が噴射される噴射状態を示している。気体燃料室８にある気体燃料の圧力ＰFGは、第２大径部１２の直径ＤFPの面積と、封止弁部７の直径ＤFVの面積の差分に、力として作用する。
【0040】
構造上、ＤFP＜ＤFVであるため、気体燃料の圧力による力、ＰFG（ＤFV
2 －ＤFP
2 ）π／４が図中下向きの開弁方向に作用する。気体燃料が噴射されるシリンダ内の圧力ＰCYは、封止弁部７の直径ＤFVの面積に図中上向きの開弁方向で作用するため、弁が閉じている図１（ａ）の状態では、制御ピストン４に作用する力は次式（１．９）で計算される。
ＰFG（ＤFV 2 －ＤFP 2 ）π／４－ＰCYＤFV 2 π／４
＝｛（ＰFG－ＰCY）ＤFV 2 －ＰFGＤFP 2 ｝π／４ …（１．９）
但し、下向き（開弁方向）が正（＋）
ＰFG（ＤFV 2 －ＤFP 2 ）π／４－ＰCYＤFV 2 π／４
＝｛（ＰFG－ＰCY）ＤFV 2 －ＰFGＤFP 2 ｝π／４ …（１．９）
但し、下向き（開弁方向）が正（＋）
【0041】
弁が開いている図１（ｂ）の状態では、弁径ＤFVである封止弁部７の上流側に気体燃料の圧力ＰFGが加わっており、同下流側にシリンダ内の圧力ＰCYが加わっていると仮定すると、制御ピストン４に作用する力は次式（１．１０）であり、式（１．９）と同じである。
｛（ＰFG－ＰCY）ＤFV 2 －ＰFGＤFP 2 ｝π／４ …（１．１０）
但し、下向き（開弁方向）が正（＋）
｛（ＰFG－ＰCY）ＤFV 2 －ＰFGＤFP 2 ｝π／４ …（１．１０）
但し、下向き（開弁方向）が正（＋）
【0042】
封止弁部７が開口部３を開く瞬間、直径がＤFVである封止弁部７の上流側には、気体燃料の高速の流れが発生し、圧力低下が生じて圧力が存在しないと仮定することができる。この場合、気体燃料の圧力が制御ピストン４に与える力は次式（１．１１）で計算される。本仮定は最も開弁条件成立が難しい状況を想定している。
－ＰCYＤFV 2 π／４ …（１．１１）
但し、下向き（開弁方向) が正（＋）
－ＰCYＤFV 2 π／４ …（１．１１）
但し、下向き（開弁方向) が正（＋）
【0043】
図２は、気体燃料インジェクタ１の後端側（上端側）の構造を示している。図２（ａ）は、制御ピストン４が上がって開口部３が閉じられ、気体燃料が噴射されない無噴射状態を示しており、図２（ｂ）は、制御ピストン４が下がって開口部３が開き、気体燃料が噴射される噴射状態を示している。
【0044】
図２に示すように、制御ピストン４の下側にある第１制御油室９と、制御ピストン４の上側にある第２制御油室１０には、圧力ＰCOの制御油が存在している。この圧力ＰCOは、上側の第２制御油室１０では、棒状部５の後端部における直径ＤPSの面積に対して作用し、下側の第１制御油室９では、第１大径部６の直径ＤPBの面積と、第２大径部１２の直径ＤFPの面積の差に対する力として作用する。また、第１制御油室９と第２制御油室１０の間であって、直径ＤPBである第１大径部６と、直径ＤPSである棒状部５を囲む位置には、第１制御油室９及び第２制御油室１０の油圧よりも圧力が低い低圧エリア２０が設けられている。このため、第１制御油室９の油圧と第２制御油室１０の油圧が互いに影響を及ぼすことはなく、制御ピストン４の後端側に作用する開弁方向の力と、先端側に作用する閉弁方向の力は、それぞれ独立して制御ピストン４に作用することとなる。
【0045】
第２制御油室１０に面している直径ＤPSの棒状部５は、インジェクタボディ２に固定されたシリンダ１９の内周面と微少な隙間をもって摺動し、また第１制御油室９に面している直径ＤPBの第１大径部６は、インジェクタボディ２の内周面と微少な隙間をもって摺動するように構成されているため、第１制御油室９の圧力を開放すれば、制御ピストン４の上端に面している第２制御油室１０よりも圧力を下げることが出来る。また第１制御油室９にはスプリング１７を設け、図中の上向き（閉弁方向）に制御ピストン４を押す力を発生させている。
【0046】
第１制御油室９と第２制御油室１０に制御油の圧力ＰCOが一様に存在している場合には、制御ピストン４の後端側、すなわち第２制御油室１０では、直径ＤPSである棒状部５の面積に対して開弁方向の力が作用しており、また制御ピストン４の先端側、すなわち第１制御油室９では、直径ＤPBである第１大径部６の面積と、直径ＤFPである第２大径部１２の面積の差に対して閉弁方向又は開弁方向の力が作用する。従って、弁が閉じている図２（ａ）の状態では、制御ピストン４に作用する力は次式（１．１２）で計算される。
ＰCOＤPS 2 π/4－ＰCO（ＤPB 2 －ＤFP 2)π/4－ＦSP
＝ＰCO（ＤPS 2 －ＤPB 2 ＋ＤFP 2)π/4－ＦSP …（１．１２）
但し、下向き（開弁方向) が正（＋）
ＰCOＤPS 2 π/4－ＰCO（ＤPB 2 －ＤFP 2)π/4－ＦSP
＝ＰCO（ＤPS 2 －ＤPB 2 ＋ＤFP 2)π/4－ＦSP …（１．１２）
但し、下向き（開弁方向) が正（＋）
【0047】
ピストン下側の第１制御油室９の圧力を開放した際には、直径ＤPBである第１大径部６の面積と、直径ＤFPである第２大径部１２の面積の差に対して作用する力が減少する。第１制御油室９の圧力開放に伴う制御油圧の圧力低下率ＰＤを０．５（５０％）とすると、封止弁部７が開口部３を開いている図２（ｂ）の状態では、制御ピストン４に作用する力は次式（１．１３）で計算される。
ＰCOＤPS 2 π/4－（１－０．５）ＰCO（ＤPB 2 －ＤFP 2)π/4－ＦSP
＝ＰCO｛ＤPS 2 －０．５（ＤPB 2 －ＤFP 2)｝π/4－ＦSP …（１．１３）
但し、下向き（開弁方向) が正（＋）
ＰCOＤPS 2 π/4－（１－０．５）ＰCO（ＤPB 2 －ＤFP 2)π/4－ＦSP
＝ＰCO｛ＤPS 2 －０．５（ＤPB 2 －ＤFP 2)｝π/4－ＦSP …（１．１３）
但し、下向き（開弁方向) が正（＋）
【0048】
図３は、図１及び図２に示す状態を統合した図であり、気体燃料インジェクタ１の全体としての構造を模式的に示している。図３（ａ）は、制御ピストン４が上がって開口部３が閉じられ、気体燃料が噴射されない無噴射状態を示しており、図３（ｂ）は、制御ピストン４が下がって開口部３が開き、気体燃料が噴射される噴射状態を示している。図３（ｃ）は、気体燃料インジェクタ１の設計諸元、すなわち気体燃料インジェクタ１の性能を規定する各部の寸法、圧力、力等を示す記号を一覧で示す表図である。
【0049】
図３（ｃ）に示した第１大径部６の直径ＤPB、棒状部５の後端部の直径ＤPS、第２大径部１２の直径ＤFP、封止弁部７のシール部の直径ＤFV、スプリング１７の押圧力ＦSP、制御油の圧力ＰCO、気体燃料の圧力ＰFG、シリンダ内の圧力ＰCY、および第１制御油室９の圧力開放時の圧力低下率ＰＤに関して、無噴射及び噴射が成り立つ条件を以下に式（１．１４）、（１．１５）、（１．１６）で示す。
【0050】
無噴射が成り立つ条件は、式（１．９）＋式（１．１２）によって得られる次式（１．１４）である。
｛（ＰFG－ＰCY）ＤFV 2 －ＰFGＤFP 2 ｝π／４＋ＰCO（ＤPS 2 －ＤPB 2 ＋ＤFP 2)π/4
－ＦSP
＝｛（ＰFG－ＰCY）ＤFV 2 －（ＰCO－ＰFG）ＤFP 2 ＋ＰCO（ＤPS 2 －ＤPB 2 ）｝π／４ －ＦSP ＜０ …（１．１４）
但し、下向き（開弁方向) が正（＋）
｛（ＰFG－ＰCY）ＤFV 2 －ＰFGＤFP 2 ｝π／４＋ＰCO（ＤPS 2 －ＤPB 2 ＋ＤFP 2)π/4
－ＦSP
＝｛（ＰFG－ＰCY）ＤFV 2 －（ＰCO－ＰFG）ＤFP 2 ＋ＰCO（ＤPS 2 －ＤPB 2 ）｝π／４ －ＦSP ＜０ …（１．１４）
但し、下向き（開弁方向) が正（＋）
【0051】
制御ピストン４がフルリフトした状態で噴射が成り立つ条件は、式（１．１０）＋式（１．１３）によって得られる次式（１．１５）である。
｛（ＰFG－ＰCY）ＤFV 2 －ＰFGＤFP 2 ｝π／４＋ＰCO｛ＤPS 2 －（ＰＤ）（ＤPB 2 －ＤFP 2)｝π/4－ＦSP
＝｛（ＰFG－ＰCY）ＤFV 2 ＋｛（ＰＤ）ＰCO－ＰFG｝ＤFP 2 ＋ＰCO｛ＤPS 2 －（ＰＤ）ＤPB 2 ｝｝π/4－ＦSP ＞０ …（１．１５）
但し、下向き（開弁方向) が正（＋）
｛（ＰFG－ＰCY）ＤFV 2 －ＰFGＤFP 2 ｝π／４＋ＰCO｛ＤPS 2 －（ＰＤ）（ＤPB 2 －ＤFP 2)｝π/4－ＦSP
＝｛（ＰFG－ＰCY）ＤFV 2 ＋｛（ＰＤ）ＰCO－ＰFG｝ＤFP 2 ＋ＰCO｛ＤPS 2 －（ＰＤ）ＤPB 2 ｝｝π/4－ＦSP ＞０ …（１．１５）
但し、下向き（開弁方向) が正（＋）
【0052】
開弁直後に噴射が成り立つ条件は、式（１．１１）＋式（１．１３）によって得られる次式（１．１６）である。
－ＰCYＤFV 2 π／４＋ＰCO｛ＤPS 2 －（ＰＤ）（ＤPB 2 －ＤFP 2)｝π/4－ＦSP
＝｛－ＰCYＤFV 2 ＋ＰCO｛ＤPS 2 －（ＰＤ）（ＤPB 2 －ＤFP 2)｝｝π/4－ＦSP＞０
…（１．１６）
但し、下向き（開弁方向) が正（＋）
－ＰCYＤFV 2 π／４＋ＰCO｛ＤPS 2 －（ＰＤ）（ＤPB 2 －ＤFP 2)｝π/4－ＦSP
＝｛－ＰCYＤFV 2 ＋ＰCO｛ＤPS 2 －（ＰＤ）（ＤPB 2 －ＤFP 2)｝｝π/4－ＦSP＞０
…（１．１６）
但し、下向き（開弁方向) が正（＋）
【0053】
以上説明した実施形態の気体燃料インジェクタ１において、
直径がＤPSである棒状部５の後端部の断面積＝( 直径がＤPBである第１大径部の断面積－直径がＤFPである第２大径部の断面積）、との関係が成立する場合、すなわち、次式（２．１）が成立するように構成した場合、
ＤPS 2 ＝ＤPB 2 －ＤFP 2 …（２．１）
閉弁状態において、制御油の油圧が制御ピストン４に与える開弁方向の力と閉弁方向の力が同一となり、制御ピストン４に加わる力をゼロとすることができる。
直径がＤPSである棒状部５の後端部の断面積＝( 直径がＤPBである第１大径部の断面積－直径がＤFPである第２大径部の断面積）、との関係が成立する場合、すなわち、次式（２．１）が成立するように構成した場合、
ＤPS 2 ＝ＤPB 2 －ＤFP 2 …（２．１）
閉弁状態において、制御油の油圧が制御ピストン４に与える開弁方向の力と閉弁方向の力が同一となり、制御ピストン４に加わる力をゼロとすることができる。
【0054】
実施形態の気体燃料インジェクタを、前記式（２．１）で設計した場合、開弁時における第１制御油室９の圧力低下率ＰＤを５０％とすると、開弁時には、第２制御油室１０において棒状部５の端面に加わる油圧力の５０％を、制御ピストン４を先端の方向に移動させて開口部を開く力として利用できる。
【0055】
前記式（２．１）に基づいて、第２制御油室１０の油圧力の５０％を開弁に利用できるような構成を実現できるのは、第１大径部６と第２制御油室１０の間に、制御ピストン４を囲むように、ドレン路２７（図１～図３には不図示、図７参照）が連通する低圧エリア２０を設けたことによる。すなわち、低圧エリア２０があれば、第１制御油室６と第２制御油室１０から制御油が低圧エリア２０に漏れたとしても、この制御油はドレン路２７から外部に排出されるので、低圧エリア２０に溜まった制御油が制御ピストン４を押圧して閉弁すべき時期に開弁してしまう不具合を避けることができる。
【0056】
また、実施形態の気体燃料インジェクタ１によれば、スプリング１７の押圧力ＦSPは、気体燃料の圧力ＰFGにより開弁しようとする力、すなわち( 封止弁部７の直径ＤFV－第２大径部１２の直径ＤFP) ×気体燃料の圧力ＰFGよりも大きくなるように設定する必要があるが、( 封止弁部７の直径ＤFV－第２大径部１２の直径ＤFP) を小さくする、すなわちＤFVにＤFPを近づけることによって、気体燃料の圧力ＰFGに対抗して閉弁状態を保つスプリング１７の押圧力ＦSPをなるべく小さく設計することができる。
【0057】
以上説明したように、本実施形態の気体燃料インジェクタ１によれば、常時与えられる制御油の圧力とスプリング１７の押圧力によって閉弁し、第１制御油室９の制御油の圧力を開放することで、制御ピストン４を先端側に移動させて開口部３を開放し、開弁して気体燃料を噴射することができる。そして、その際、図３（ｃ）に示した各諸元を、前記式（１．１６）を満たすように設定することにより、気体燃料を噴射する開弁の動作を確実に行うことができる。
【0058】
図４～図８を参照して、本発明の実施形態である気体燃料インジェクタ１の構成を説明する。
図４～図８は、本発明の実施形態である気体燃料インジェクタ１の構成を実機に基づいて断面で示した詳細図である。図１～図３に示した模式図と基本的な構成は共通しており、構成部材の参照符号は共通している。しかしながら、詳細図は、主要部材以外の構成部材を模式図よりも多く含んでおり、また各部材、部品等の寸法比についても模式図とは相違点がある。但し、基本的な構造、機能、作用、効果等は模式図の構造例と同様であるため、共通する構造等については図１～図３を参照して説明した内容を適宜援用するものとする。
図４～図８は、本発明の実施形態である気体燃料インジェクタ１の構成を実機に基づいて断面で示した詳細図である。図１～図３に示した模式図と基本的な構成は共通しており、構成部材の参照符号は共通している。しかしながら、詳細図は、主要部材以外の構成部材を模式図よりも多く含んでおり、また各部材、部品等の寸法比についても模式図とは相違点がある。但し、基本的な構造、機能、作用、効果等は模式図の構造例と同様であるため、共通する構造等については図１～図３を参照して説明した内容を適宜援用するものとする。
【0059】
図４に示すように、先細の円筒形とされたインジェクタボディ２の先端には、気体燃料を噴射するための開口部３が設けられている。またインジェクタボディ２の内部の空洞には、棒状の制御ピストン４が上下方向に移動自在となるように設けられている。制御ピストン４は、インジェクタボディ２の内部に移動可能に支持された細径の棒状部５と、棒状部５の中央部よりも後端（図示上端）側に設けられた第１大径部６と、棒状部５の先端（図示下端）に設けられて開口部３を外側から開閉する封止弁部７と、第１大径部６と封止弁部７の間に設けられた第２大径部１２を有している。この制御ピストン４は、封止弁部７と棒状部５と第１大径部６と第２大径部が力学的に一体となった構造で製造されている。
【0060】
第１大径部６は、棒状部５に外挿して設けられた円筒状部材２３によって構成されている。円筒状部材２３は、その外周面に、インジェクタボディ２の内周面との隙間をシールする外側シール２４が設けられている。また、円筒状部材２３の内周面には、棒状部５の外周面との隙間をシールする内側シール２５が設けられている。また円筒状部材２３は、制御ピストン４の軸心と平行な方向については位置がずれないように固定される。このように、第１大径部６である円筒状部材２３は、制御ピストン４の一部として移動することにより、制御ピストン４の軸心と平行な方向については制御油による押圧力を棒状部５に伝達するが、軸心と垂直な方向については変位を許容するフローティング構造によって支えられている。従って、制御ピストン４を構成する各部品の軸心にずれがあったとしても、これを吸収することができるので、制御ピストン４は、軸心と平行な方向については円滑に摺動することができる。また、円筒状部材２３とインジェクタボディ２の隙間に制御油が入り込むのを防止できるので、この隙間に入り込んだ制御油が摺動時のせん断により発熱するのを抑えることができる。また、制御油の漏れの抑制は、高圧で送油が必要な制御油の流量の低下につながり、その結果、制御油を吐出するポンプのサイズを小さくでき、その吐出に必要な動力を小さくできる効果が得られる。
【0061】
インジェクタボディ２の先端の内部には気体燃料室８が設けられている。気体燃料室８は、封止弁部７が開口部３を閉止した閉弁状態では、棒状部５と封止弁部７と第２大径部によって区画された空間である。インジェクタボディ２の外周面には、気体燃料供給孔３０が設けられている。インジェクタボディ２内には、気体燃料供給孔３０と気体燃料室８を連通させる気体燃料供給路３１が設けられており（図８も参照）、気体燃料は外部から気体燃料供給孔３０及び気体燃料供給路３１を経て気体燃料室８に供給される。気体燃料室８には所定圧力の気体燃料が常時供給されており、封止弁部７が開口部３から離れた開弁状態では、開口部３からシリンダ内に気体燃料が噴射される。
【0062】
インジェクタボディ２の内部には第１制御油室９が設けられている。第１制御油室９は、制御ピストン４の第１大径部６から第２大径部１２の後端に相当する位置に設けられた空間であり、第１大径部６の先端側の一部と、第１大径部６から先端に向けて突出した棒状部５の一部を囲んでいる。第１制御油室９には、後述する第２制御油室１０から、第２制御油供給ライン２２を介して所定の圧力の制御油が常時供給される。第２制御油供給ライン２２は、その大部分が、制御ピストン４の中心を軸線に平行に形成された孔路である。第１制御油室９にある制御油の圧力は、第１大径部６に対しては、後端に向けた閉弁方向の力を発生させ、また第２大径部に対しては、先端に向けた開弁方向の力を発生させる。
【0063】
インジェクタボディ２の後端には、内部の空洞を閉止する円板型のオリフィスプレート１３が取りつけられている。このオリフィスプレート１３には、その先端側（図示下端側）の面の外周付近に同心円状の周溝３２が形成されており、また周溝３２に供給された制御油を後端側（図示上端側）の面の中心に導く斜めの流路１５が設けられている。この流路１５にはオリフィスが設けられている。インジェクタボディ２には、第１制御油室９にある制御油をインジェクタボディ２の後端側に向けて導く導油路１４が形成されている。導油路１４は、オリフィスプレートの先端側（図示下端側）の面に形成された周溝３２を介して、斜めの流路１５に連通している。この流路１５の出口はソレノイド弁１６によって開閉することができる。従って、ソレノイド弁１６が流路１５を開放すると第１制御油室９にある制御油は導油路１４から流路１５を経てインジェクタボディ２の外部に排出される。
【0064】
インジェクタボディ２の内部には第２制御油室１０が設けられている。第２制御油室１０は、制御ピストン４の後端側の棒状部５と、棒状部５を内挿するシリンダ１９と、オリフィスプレート１３の先端側（図示下端側）の面とによって、インジェクタボディ２の内部の後端側に区画された比較的狭い空間であり、図４ではその空間の厚みが線の太さ程度に現わされる。制御油は、インジェクタボディ２の外部から供給され、第２制御油室１０に最初に供給される。具体的には図４に示すように、インジェクタボディ２の供給孔２６から供給された制御油は、図５及び図６に示すように、第１制御油供給ライン２１を経てシリンダ１９の外周から第２制御油室１０に供給される。
【0065】
図４に示すように、インジェクタボディ２の内部において、第１制御油室９の内部には、インジェクタボディ２の後端に向けて制御ピストン４を押圧するスプリング１７が設けられている。
【0066】
インジェクタボディ２の内部において、第１大径部６と第２制御油室１０の間には、制御ピストン４を囲むように低圧エリア２０が設けられている。図７に示すように、低圧エリア２０は、インジェクタボディ２の内部に形成されたドレン路２７を経てインジェクタボディ２の外部に連通している。従って、第１制御油室９と第２制御油室１０にある所定圧力の制御油が低圧エリア２０に漏れたとしても、この制御油はドレン路２７から外部に排出されるので、低圧エリア２０に所定圧力の制御油が溜まって制御ピストン４を先端に向けて押圧することはなく、閉弁状態とすべき時期に開弁状態となってしまうような不具合が生じることはない。
【0067】
図４（ａ）に示すように、第１大径部６の後端側において、棒状部５とインジェクタボディ２の間には、両部材の隙間をシールする後端側シール２８が設けられている。また、第２大径部１２とインジェクタボディ２の間には、両部材の隙間をシールする先端側シール２９が設けられている。後端側シール２８と先端側シール２９の構成は、前述した外側シール２４及び内側シール２５と同様である。
【0068】
制御ピストン４は、第１大径部６において外側シール２４及び内側シール２５で支えられているだけでなく、その後端側及び先端側においても、それぞれ後端側シール２８と先端側シール２９によって支えられている。従って、制御ピストン４が軸心と平行な方向について円滑に摺動する機能は、外側シール２４及び内側シール２５のみである場合に較べて一層確実である。また、制御ピストン４の摺動に伴う制御油の漏れを抑制してせん断による制御油の発熱を抑え、同時に制御油の流量を少なくできる効果は、外側シール２４及び内側シール２５について説明したのと同様である。
【0069】
以上の構成によれば、ソレノイド弁１６が流路１５を閉止し、第１制御油室９と第２制御油室１０に所定圧力の制御油が存在している状態では、第１制御油室９の制御油は、制御ピストン４を後端側に押して閉弁させる方向の力を制御ピストン４に発生させ、第２制御油室１０の制御油は、制御ピストン４を先端側に押して開弁させる方向の力を制御ピストン４に発生させるが、この気体燃料インジェクタ１においては、逆方向であるこれら２つの力の大きさを同一として制御ピストン４に与える力がゼロとなるように構成できる。その場合、制御ピストン４はスプリング１７の押圧力によって後端の側に押されるので、押圧力の弱い低コストのスプリング１７を採用したとしても、インジェクタボディ２の開口部３を封止弁部７によって外側から確実に閉止することができ、気体燃料の噴射を阻止することができる。
【0070】
ソレノイド弁１６を作動させて流路１５を開放すると、第１制御油室９の制御油は、導油路１４及び流路１５を経て外部に逃げるため、第１制御油室９の制御油の油圧は急激に低下する。第１制御油室９と第２制御油室１０は第２制御油供給ライン２２によって連通してはいるが、第２制御油室１０には制御油が継続して供給されており、第１制御油室９の減圧に連動して第２制御油室１０の制御油の圧力が短時間で低減することはなく、第２制御油室１０は所定の圧力を維持する。このため、第２制御油室１０の油圧によって制御ピストン４には軸方向について先端に向けた力が働くが、制御ピストン４の移動に伴って低圧エリア２０に体積変化が生じても、低圧エリア２０内に顕著な圧力の変化は生じないため、制御ピストン４は特に支障なく移動することができる。このため、封止弁部７が開口部３から外向きに離れる開弁の動作は円滑であり、必要なタイミングで安定した気体燃料の噴射が行なえる。
【0071】
１…気体燃料インジェクタ
２…インジェクタボディ
３…開口部
４…制御ピストン
５…棒状部
６…第１大径部
７…封止弁部
８…気体燃料室
９…第１制御油室
１０…第２制御油室
１２…第２大径部
１５…流路
１６…ソレノイド弁
１７…スプリング
２０…低圧エリア
２１…第１制御油供給ライン
２２…第２制御油供給ライン
２３…円筒状部材
２４…外側シール
２５…内側シール
２８…後端側シール
２９…先端側シール
２…インジェクタボディ
３…開口部
４…制御ピストン
５…棒状部
６…第１大径部
７…封止弁部
８…気体燃料室
９…第１制御油室
１０…第２制御油室
１２…第２大径部
１５…流路
１６…ソレノイド弁
１７…スプリング
２０…低圧エリア
２１…第１制御油供給ライン
２２…第２制御油供給ライン
２３…円筒状部材
２４…外側シール
２５…内側シール
２８…後端側シール
２９…先端側シール
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
