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JP2006512533A - 2つの同軸的な弁ニードルを備えた燃料噴射弁 - Google Patents

2つの同軸的な弁ニードルを備えた燃料噴射弁 Download PDF

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JP2006512533A
JP2006512533A JP2004567707A JP2004567707A JP2006512533A JP 2006512533 A JP2006512533 A JP 2006512533A JP 2004567707 A JP2004567707 A JP 2004567707A JP 2004567707 A JP2004567707 A JP 2004567707A JP 2006512533 A JP2006512533 A JP 2006512533A
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

本発明による、外側の弁ニードル(20)と、該外側の弁ニードル(20)内で案内された内側の弁ニードル(22)とを備えた、内燃機関のための燃料噴射弁では、外側の弁ニードル(20)と内側の弁ニードル(22)とが互いに依存せずに操作されることができるようになっている。特に有利な構成では、内側のノズルニードル(22)の噴射経過が、第3の流出絞り(77)により、広い範囲で形成されることができる。

Description

背景技術
本発明は、特許請求項1の上位概念部に記載された形式の、内燃機関のための燃料噴射弁から出発する。この種の燃料噴射弁は例えば同一出願人の未公開のDE10205970号明細書から公知である。
ハウジング内には、外側の弁ニードルと、外側の弁ニードル内で案内された内側の弁ニードルとが存在する。両弁ニードルはその燃焼室側の端部でもって弁座面と協働する。弁座面には2列の噴射開口が形成されている。ここでは、外側の噴射開口列は外側の弁ニードルにより制御され、内側の噴射開口列は相応に内側の弁ニードルにより制御される。ハウジング内に形成された高圧通路を通して噴射開口に高圧下で案内される燃料は、弁ニードルにより制御され、噴射開口を通して流出し、そこから内燃機関の燃焼室内に噴射される。その際、外側の弁ニードルの制御と内側の弁ニードルの制御とは互いに依存している。
発明の利点
これに対して、本発明による、特許請求項1の特徴部に記載された特徴を備えた燃料噴射弁は、内側の弁ニードルと外側の弁ニードルとが互いに完全にデカップリング(連結解除)されて起動制御されることができるという利点を有している。これにより、燃料噴射弁の運転特性を最適に、種々異なる内燃機関に適合させる可能性が得られる。その結果、運転中、内燃機関の改善された運転特性およびエミッション特性が達成される。
本発明による燃料噴射弁の特に有利な構成では、制御室が、無圧の漏れ油室に、第3の流出絞りにより接続可能であり、該第3の流出絞りが制御弁により閉鎖可能である。この手段により、内側の弁ニードルの噴射経過は広い範囲で形成されることができ、このことはやはり内燃機関の運転特性に対してポジティブに働く。最少のパイロット噴射量の調量もこれにより簡単化される。もちろん、内側の弁ニードルの代わりに、外側の弁ニードルが付加的な第3の流出絞りにより制御される、もしくは外側の弁ニードルの噴射経過が形成されることもできる。
この構成では、燃料噴射弁が4ポート3位置制御弁として形成されているとポジティブであることが判っている。
本発明の対象の別の有利な構成では、制御弁が、制御室に接続された弁室と、アクチュエータにより制御される弁部材とを有している。アクチュエータはここでは有利には電気的なアクチュエータ、ここでは特にピエゾアクチュエータとして形成されている。これにより、弁部材は精緻に制御され、弁部材は直接所望の位置に走行する。
別の有利な構成では、弁部材が第1の切換位置で第1の弁座と協働し、第2の切換位置で第2の弁座と協働し、弁室が第1の切換位置で漏れ油室に対して封止されており、第2の切換位置で漏れ油室に接続されている。この弁部材により、制御室内の圧力および制御圧室内の圧力は精緻に、かつ言及すべき程の時間的な遅延なしに制御される。
別の有利な構成では、制御弁がその第2の切換位置で第3の流出絞りを閉鎖する一方、第1の流出絞りおよび第2の流出絞りは開放されている。付加的に、弁部材は第3の切換位置にももたらされる。この第3の切換位置で、3つのすべての流出絞りは開放されている。その結果、第3の流出絞りは必要な場合にのみ運転される。
別の有利な構成では、ハウジング内に、外側の押圧ピストンが配置されており、該外側の押圧ピストンが外側の弁ニードルに結合されており、外側の押圧ピストンの端面が制御室を画定する。こうして、液圧的な力が制御室内の圧力により外側の押圧ピストンの端面に生ぜしめられる。その結果、閉鎖力が外側の弁ニードルに及ぼされる。圧力負荷される受圧面の機能と弁ニードルの機能とを分割したことにより、両部分は互いに別個に最適化される。
別の有利な構成では、外側の押圧ピストンが、外側の弁ニードルの開放ストローク運動時に制御室の壁に当接し、その結果、制御室の、高圧通路への接続が遮断される。これにより、燃料噴射弁の開放時、燃料がもはや制御室内に流入しない。その結果、燃料噴射弁の漏れ油損失は最少化される。
別の有利な構成では、漏れ油室内に、噴射圧に対して明らかに低い圧力、有利には大気圧が支配する。漏れ油室内の圧力が低ければ低いほど、噴射圧に対する圧力差は拡大する。その結果、相応に内側の弁ニードルもしくは外側の弁ニードルに対するより大きな力が実現され、ひいてはより短い切換時間が実現される。
本発明の別の有利な構成では、内側の弁ニードルも、外側の弁ニードルも、唯一の制御弁を介して起動制御可能であるようになっている。ハウジング内に制御室が形成されている。制御室は高圧通路に、さらには制御圧室に接続されている。制御室内の圧力により、閉鎖力が外側の弁ニードルに少なくとも間接的に及ぼされる。ハウジング内には制御弁が形成されており、制御弁により、制御室が漏れ油室に接続可能である。その結果、制御室内の圧力と、制御室との接続のために制御圧室内の圧力とが制御弁を介して、噴射圧を明らかに下回る圧力に低下可能である。その結果、内側もしくは外側の弁ニードルに対する閉鎖力が制御される。制御弁の適当な切換特性と、制御室の流入部もしくは流出部および制御圧力室との接続部の適当な寸法設定とを介して、外側の弁ニードルの別個の起動制御または選択的に両弁ニードルの別個の起動制御が達成される。
本発明の対象の別の利点および有利な構成は図面および説明から見て取ることができる。
図面
図面には、本発明による燃料噴射弁の一実施例が示されている。
図1:本発明による燃料噴射弁の主要な領域の縦断面図である。
図2:図1にIIで示した抜粋領域、すなわち図1に示した噴射弁の、燃焼室側の端部の領域の拡大図である。
図3:図1にIIIで示した領域の拡大図である。
図4:内燃機関に設けられた、本発明による燃料噴射弁の概略図である。
実施例の説明
図1には、本発明による燃料噴射弁の縦断面図が示されている。燃料噴射弁はハウジング1を有している。ハウジング1は弁ボディ3、中間ボディ7、中間ディスク9、制御ボディ12および保持ボディ14を有している。これらの構成部分は列挙した順番にその都度互いに当て付けられている。ここでは、ハウジング1の、前記すべての部分は緊締ナット5によりそれぞれの当て付け面でもって互いに押し付けられる。ハウジング1内には高圧孔10が形成されている。高圧孔10は一端で、図示されていない燃料高圧源に接続されており、かつ保持ボディ14、制御ボディ12、中間ディスク9および中間ボディ7を通して弁ボディ3まで達している。弁ボディ3内で高圧孔10は圧力室26に開口する。圧力室26は、弁ボディ3内に形成された孔16の、半径方向の拡張部として構成されている。孔16はその燃焼室側の端部で座面24により閉鎖される。座面24には噴射開口30が形成されている。噴射開口30は孔16を内燃機関の燃焼室に接続する。孔16内には、ピストン状の外側の弁ニードル20が配置されている。外側の弁ニードル20は、孔16の、燃焼室とは反対側の区分内で密に案内されている。外側の弁ニードル20は、案内された区分を起点として燃焼室に向かって、受圧肩部27の形成下で先細り、その燃焼室側の端部で弁シール面32に移行する。弁シール面32でもって、外側の弁ニードル20は座面24に閉鎖位置で当接する。図2には、図1にIIで示した抜粋領域、すなわち座面24の領域の拡大図が示されている。
外側の弁ニードル20と孔16の壁との間にはリング通路28が形成されている。リング通路28は圧力室26を座面24に接続する。その際、受圧肩部27は圧力室26の高さに配置されている。閉鎖位置で、外側の弁ニードル20は噴射開口30をリング通路28内の燃料に対して閉鎖する。その結果、座面24から外側の弁ニードル20が持ち上げられた場合にのみ、燃料は噴射開口30に向かって流動することができる。
外側の弁ニードル20は中空ニードルとして構成されており、長手方向孔21を有している。長手方向孔21内には、内側の弁ニードル22が長手方向摺動可能に配置されている。内側の弁ニードル22はその燃焼室側の端部でもってやはり座面24に閉鎖位置で当接する。
座面24に設けられた噴射開口30は外側の噴射開口列130と内側の噴射開口列230とにグループ分けされている。外側の弁ニードル20はその燃焼室側の端部に円錐形の弁シール面32を有している。弁シール面32は、やはり円錐形に形成された座面24よりも大きな広がり角を有している。これにより、シール面32の外側の縁部にはシール縁部34が形成されている。シール縁部34は外側の弁ニードル20の閉鎖位置で座面24に当接する。ここでは、シール縁部34は外側の噴射開口列130の上流に配置されている。その結果、シール縁部34が座面24に当接すると、外側の噴射開口列130の噴射開口はリング通路28に対して封止される。内側の弁ニードル22の、燃焼室側の端部には、円錐形の受圧面36が形成されている。受圧面36自体は、やはり円錐形をした円錐面38に隣接する。円錐面38は内側の弁ニードル22の端部を形成する。受圧面36から円錐面38への移行部にはシール縁部37が形成されている。シール縁部37は内側の弁ニードル22の閉鎖位置で座面24に当接する。ここでは、シール縁部37の当接は、外側の噴射開口列130と内側の噴射開口列230との間で行われる。その結果、内側の弁ニードル22が座面24に当接すると、内側の噴射開口列230だけがリング室28に対して封止され、外側の噴射開口列130は封止されない。
図3には、図1にIIIで示した抜粋領域、つまり中間ボディ7、中間ディスク9および制御ボディ12の領域の拡大図が示されている。中間ボディ7内にはピストン孔45が形成されている。ピストン孔45内には押圧ピストン40が配置されている。押圧ピストン40はその燃焼室側の端部でもって外側の弁ニードル20に当接している(図1参照)。ピストン孔45の、半径方向の拡張部により、ばね室43が形成されている。ばね室43内には、ばね室43の当て付け面41と、外側の押圧ピストン40のリング面39との間に、閉鎖ばね44が圧縮プリロード(予圧)下で配置されている。閉鎖ばね44は外側の押圧ピストン40をその長さの一部で包囲する。閉鎖ばね44のプリロードにより、外側の押圧ピストン40は弁ボディ3の方向で押圧され、ひいては外側の弁ニードル20も座面24の方向で押圧される。外側の押圧ピストン40内には案内孔47が長手方向で形成されている。案内孔47内には、内側の押圧ピストン42が案内されている。内側の押圧ピストン42はその燃焼室側の端部でもって内側の弁ニードル22に当接している。内側の押圧ピストン42は外側の押圧ピストン40内で長手方向摺動可能であり、内側の弁ニードル22と同期的に運動する。択一的には、内側の押圧ピストン42と内側の弁ニードル22とを一体的に構成することもできる。
ピストン孔45と、外側の押圧ピストン40の、燃焼室とは反対側の端面51と、中間ディスク9とは、制御室50を画定する。制御室50は第1の流入絞り70を介して高圧孔10に接続されており、第1の流出絞り72を介して、制御ボディ12内に形成された弁室68に接続されている。
外側の押圧ピストン40内には制御圧室52が形成されている。制御圧室52は案内孔47と、内側の押圧ピストン42の、燃焼室とは反対側の端面53とにより画定される。制御圧室52は第2の流入絞り73を介して高圧通路10に接続されており、第2の流出絞り74を介して弁室68に接続されている。図3に示した構成では、第2の流入絞り73と第2の流出絞り74とが外側の押圧ピストン40内に形成されている。第2の流入絞り73と高圧孔10との間の接続は、中間ボディ7内に設けられた第1の接続孔75を通して形成される。第2の流出絞り74と弁室68との間の接続は、中間ボディ7および中間ディスク9内に設けられた第2の接続孔76を通して形成される。
もちろん、第2の流入絞り73および第2の流出絞り74は、必ず外側の押圧ピストン40内に配置されていなければならないというわけではなく、第1の接続孔75または第2の接続孔76内に配置されていることができる。重要なのは、高圧孔10および弁室68と、圧力制御室52との間の液圧式の接続が、外側の押圧ピストン40の位置に依存しない点にある。このことは、適当に選択された孔直径により保証されることができる。
第1の流出絞り72に対して並列に、中間ディスク9内には第3の流出絞り77が設けられている。第3の流出絞り77はやはり制御室50と弁室68との間の液圧式の接続を形成する。
弁室68内には弁部材60が配置されている。弁部材60は実質的に半球形に形成されており、制御弁58を形成する。弁部材60の平坦な面が中間ディスク9に面しているのに対し、半球状の面は押圧部材48に結合されている。押圧部材48は、保持ボディ14内に配置された収容ボディ13内で案内されている。ここでは、押圧部材48はアクチュエータ46により長手方向摺動可能であり、これにより弁部材60も弁室68内で運動する。ここでは、アクチュエータは例えばピエゾアクチュエータとして形成されている。押圧部材48は漏れ油室78により包囲される。漏れ油室78は、図示されていない漏れ油系に接続されているために、常に低い圧力を有している。弁室68内には、中間ディスク9とは反対の側に第1の弁座62が形成されている。第1の弁座62には、弁部材60がその球状の弁シール面66でもって当接することができる。第1の弁座62に対向して位置して、弁室68内には第2の弁座64が形成されている。第2の弁座64には、弁部材60が平坦な面でもって当接することができる。弁部材60が第2の弁座64に当接することにより、第3の流出絞り77は閉鎖される。
燃料噴射弁の機能は次の通りである。
噴射サイクルの開始時、燃料噴射弁は閉鎖位置にある。すなわち、外側の弁ニードル20も、内側の弁ニードル22も座面24に当接しており、内側の噴射開口列230も、外側の噴射開口列130も閉鎖されている(図1参照)。弁部材60が第1の弁座62に当接しているので、制御室50は第1の流入絞り70を介して、かつ制御圧室52は第2の流入絞り73を介して高圧孔10に接続されている。その結果、制御室50内にも、制御圧室52内にも、高圧通路10の高い燃料圧が支配する。この燃料圧は噴射圧に相当する。
外側の押圧ピストン40の端面51は、外側の弁ニードル20の受圧肩部27よりも大きな液圧的に有効な面積を有している。その結果、外側の弁ニードル20は閉鎖位置にとどまる。ここでは、閉鎖ばね44の力は副次的な役割を果たすにすぎない。閉鎖ばね44は主に、内燃機関が作動していないときに、外側の弁ニードル20を閉鎖位置に保持するために役立つ。弁室68内にも、第1の流出絞り72、第2の流出絞り74および第3の流出絞り77を介して、高圧孔10内と同じ圧力が支配する。これに対して、漏れ油室78内には低い圧力が支配する。この低い圧力は一般にほぼ大気圧に相当する。
噴射が行われるべき場合、アクチュエータ46が操作され、弁部材60が押圧部材48と共に第1の弁座62から離間して第2の弁座64に向かって運動する。これにより、弁室68が漏れ油室78に接続される。その結果、弁室68ならびに制御室50は第1の流出絞り72を介して、かつ制御圧室52は第2の流出絞り74を介して放圧される。弁部材60が第2の弁座64に当接することにより、第3の流出絞り77は閉鎖される。
その際、第1の流入絞り70および第1の流出絞り72は、制御室50内の圧力が降下するように、ただし漏れ油室78のレベルまでは降下しないように寸法設定されている。制御室50内の圧力が降下することにより、外側の押圧ピストン40の端面51に作用する液圧的な力は低下する。その結果、今度は受圧肩部27に作用する液圧的な力が打ち勝つ。それに基づいて、外側の弁ニードル20は座面24から持ち上がり、燃料はリング室28から外側の噴射開口列130に向かって流動し、そこから内燃機関の燃焼室内に噴射される。外側の弁ニードル20もしくは外側の押圧ピストン40は、外側の押圧ピストン40の端面51が中間ディスク9に当接するまで燃焼室から離間運動する。
制御圧室52内でも、制御弁58の開放により圧力が低下する。同時に、外側の弁ニードル20が持ち上がることにより、今度は内側の弁ニードル22の受圧面36も燃料で負荷される。受圧面36に作用する液圧的な力が、内側の押圧ピストン42の端面53に作用する力よりも大きくなるとすぐに、内側の弁ニードル22は座面から持ち上がり、内側の噴射開口列230を開放する。
一方では第1の流入絞り70と第1の流出絞り72とを、他方では第2の流入絞り73と第2の流出絞り74とを適当に調整することにより、外側の弁ニードル20と内側の弁ニードル22とが時間的にずらされて開くことが達成される。
例えばパイロット噴射のために、外側の噴射開口列130だけを通して燃料を内燃機関の燃焼室内に噴射したい場合、弁部材60はアクチュエータ46により改めて運動させられなければならない。その結果、弁室68の、漏れ油室78への接続は、内側の弁ニードル22が開く前に遮断される。制御弁58の閉鎖により、制御室50および制御圧室52内には改めて高い燃料圧レベルが形成される。この高い燃料圧レベルは外側の押圧ピストン40、ひいては外側の弁ニードル20を再度閉鎖位置へ押し戻す。このことは例えばパイロット噴射において有意義である。
これに対して、制御室50内の特に迅速な減圧、ひいては外側の弁ニードル20の特に迅速な開放が所望される場合、弁部材60は第3の切換位置にもたらされる。第3の切換位置では、弁部材60は第1の弁座62にも、第2の弁座64にも当接していない。その結果、第3の流出絞り77も、制御室50内の減圧に寄与する。それにより、第3の流出絞り77を選択的に使用することにより、噴射経過形成が行われることができる。このことは内燃機関の運転特性に対してポジティブに働く。
アクチュエータ46はこの実施例では有利にはピエゾアクチュエータである。弁室68内の弁部材60はその機能のために僅かなストロークを必要とするにすぎない。この僅かなストロークは一般にピエゾアクチュエータにより加えられることができる。必要とあれば、より大きなストロークを実現することができ、背景技術から長らく公知である液圧式の変位拡大器が設けられることができる。さらに、ピエゾアクチュエータは、極めて迅速に切り換わることができるという利点を提供する。それにより、何の問題もなく上記の形式で、外側の噴射開口列130だけによる精緻なパイロット噴射を実施することが可能である。
図4には、燃料系102が示されている。この燃料系は燃料容器104を有している。燃料容器104から、燃料106が電気的な燃料ポンプ108により圧送される。高圧燃料ポンプ110から、燃料106はコモンレール114を介して本発明による燃料弁116に達する。燃料弁116は燃料106を上記の形式で内燃機関の燃焼室118内に噴射する。
本発明による燃料噴射弁の主要な領域の縦断面図である。 図1にIIで示した抜粋領域、すなわち図1に示した噴射弁の、燃焼室側の端部の領域の拡大図である。 図1にIIIで示した領域の拡大図である。 内燃機関に設けられた、本発明による燃料噴射弁の概略図である。

Claims (15)

  1. 外側の弁ニードル(20)と、該外側の弁ニードル(20)内で案内された内側の弁ニードル(22)とを備えた、内燃機関のための燃料噴射弁であって、燃料で満たされた制御圧室(52)が設けられており、該制御圧室(52)の圧力が制御可能であり、この圧力により、少なくとも間接的に閉鎖力が内側の弁ニードル(22)に及ぼされるようになっており、ハウジング(1)内には、燃料で満たされた制御室(50)が形成されており、該制御室(50)の圧力により、少なくとも間接的に閉鎖力が外側の弁ニードル(20)に及ぼされるようになっており、さらに第1の流入絞り(70)が設けられており、該第1の流入絞り(70)を通して、制御室(50)が高圧通路(10)に接続されており、第1の流出絞り(72)が設けられており、該第1の流出絞り(72)を介して、制御室(50)が、無圧の漏れ油室(78)に接続可能であり、第1の流出絞り(72)が制御弁(58)により閉鎖可能である形式のものにおいて、制御圧室(52)と高圧通路(10)との間に、第2の流入絞り(73)が配置されており、制御圧室(52)が、無圧の漏れ油室(78)に、第2の流出絞り(74)により接続可能であり、該第2の流出絞り(74)が制御弁(58)により閉鎖可能であることを特徴とする、2つの同軸的な弁ニードルを備えた燃料噴射弁。
  2. 制御室(50)が、無圧の漏れ油室(78)に、第3の流出絞り(77)により接続可能であり、該第3の流出絞り(77)が制御弁(58)により閉鎖可能である、請求項1記載の燃料噴射弁。
  3. 制御弁(58)が4ポート3位置制御弁として形成されている、請求項2記載の燃料噴射弁。
  4. 制御弁(58)が、制御室(50)に接続された弁室(68)と、アクチュエータ(46)により制御可能な弁部材(60)とを有している、請求項1から3までのいずれか1項記載の燃料噴射弁。
  5. 制御弁(58)の弁部材(60)が、電気的なアクチュエータ(46)により運動させられる、請求項5記載の燃料噴射弁。
  6. 電気的なアクチュエータ(46)がピエゾアクチュエータである、請求項5記載の燃料噴射弁。
  7. 弁部材(60)が第1の切換位置で第1の弁座(62)と協働し、第2の切換位置で第2の弁座(64)と協働し、弁室(68)が第1の切換位置で漏れ油室(78)に対して封止されており、第2の切換位置で漏れ油室(78)に接続されている、請求項1から6までのいずれか1項記載の燃料噴射弁。
  8. 弁部材(60)が、第2の弁座(64)への当接時、第3の流出絞り(77)を閉鎖する一方、第1の流出絞り(72)および第2の流出絞り(74)は開放されている、請求項2から7までのいずれか記載の燃料噴射弁。
  9. 弁部材(60)が中央位置にもたらされ、その結果、弁部材(60)が第1の弁座(62)にも第2の弁座(64)にも当接しない、請求項1から8までのいずれか1項記載の燃料噴射弁。
  10. ハウジング(1)内に、外側の押圧ピストン(40)が配置されており、該外側の押圧ピストン(40)が外側の弁ニードル(20)に結合されており、外側の押圧ピストン(40)の端面(51)が制御室(50)を画定し、その結果、この端面(51)に作用する液圧的な力により、閉鎖力が外側の弁ニードル(20)に及ぼされる、請求項1から9までのいずれか1項記載の燃料噴射弁。
  11. 外側の押圧ピストン(40)が、外側の弁ニードル(10)の開放運動時、制御室(50)の壁に当接し、これにより、制御室(50)を高圧通路(10)に接続する第1の流入絞り(70)を遮断する、請求項8記載の燃料噴射弁。
  12. 制御圧室(52)が外側の押圧ピストン(40)内に形成されている、請求項8記載の燃料噴射弁。
  13. 漏れ油室(78)内に常に、噴射圧に対して明らかに低い圧力、有利には大気圧が支配する、請求項1から12までのいずれか1項記載の燃料噴射弁。
  14. 外側の弁ニードル(20)がハウジング(1)の孔(16)内で案内されており、内側の弁ニードル(22)が外側の弁ニードル(20)内で案内され、外側の弁ニードル(20)が閉鎖位置で、ハウジング(1)の、燃焼室側の端部に配置された弁座(24)に当接し、かつ開放方向での長手方向運動により、外側の噴射開口列(130)を開放制御し、内側の弁ニードル(22)がやはり弁座(24)に閉鎖位置で当接し、かつ開放方向での長手方向運動により内側の噴射開口列(230)を開放制御し、噴射開口列(130;230)に向かって、弁ニードル(20,22)の、開放制御された状態で、燃料が圧力下で、ハウジング(1)内に形成された圧力室(26)から流動し、そこから内燃機関の燃焼室内に噴射される、請求項1から13までのいずれか1項記載の燃料噴射弁。
  15. 外側の弁ニードル(20)に受圧肩部(27)が形成されており、該受圧肩部(27)が圧力室(26)内の燃料圧により負荷され、それにより、外側の弁ニードル(20)に対して開放方向で作用する力が生ぜしめられ、かつ内側の弁ニードル(22)に受圧面(36)が設けられており、外側の弁ニードル(20)が弁座(24)から持ち上げられると、受圧面(36)が燃料圧により開放方向で負荷される、請求項14記載の燃料噴射弁。
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