JP2002257002A

JP2002257002A - 油圧制御弁および燃料噴射弁

Info

Publication number: JP2002257002A
Application number: JP2001272970A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Ito; 猪頭　　敏彦; Tetsushi Hayashi; 哲史林
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2002-09-11
Anticipated expiration: 2021-09-10
Also published as: JP4304895B2

Abstract

(57)【要約】【課題】弁体の開弁時にピエゾアクチュエータに最大
の発生力が要求され、その後は発生力が減じられつつ弁
体のリフト量が大きくなる構造の油圧制御弁において、
当初に印加される電圧を許容範囲に抑えつつ、最大のリ
フトを可能にする。【解決手段】油圧制御弁１は、ピエゾアクチュエータ
１４の変位を大径ピストン１７、変位拡大室６、小径ピ
ストン１８を介して拡大し、弁体５２を駆動して高圧通
路３に連通する高圧ポート３２とドレーン通路２に連通
する低圧ポート２１のいずれか一方を選択的に閉鎖し、
ノズルニードル１２に背圧を作用させる制御室４の油圧
を制御する。弁体５２を開弁させる時にピエゾアクチュ
エータ１４に必要とされる発生力を、使用最大電圧にお
ける最大発生力の１／４以上であり、かつ１／２を下回
るようにして、投入されるエネルギーに対して最大のリ
フトを得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ピエゾアクチュエ
ータを駆動源とする油圧制御弁、およびこの油圧制御弁
を用いた内燃機関の燃料噴射弁に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンのコモンレール式燃
料噴射システムでは、各気筒に共通のコモンレール（蓄
圧室）を設けて、高圧ポンプから圧送される高圧燃料を
蓄圧し、所定の噴射時期に各気筒に燃料を噴射してい
る。その燃料噴射弁に、近年、応答性の良好なピエゾア
クチュエータを駆動源とし、油圧を介して弁体を駆動す
る油圧制御弁を用いることが提案されている。かかる油
圧制御弁は、例えば、ピエゾアクチュエータの伸縮に伴
って変位する大径ピストンと小径ピストンの間に作動油
を充填した変位拡大室を備え、油圧のてこによって変位
を拡大して弁体に伝達する。変位拡大率は、大径ピスト
ンの受圧面積Ｓ（ｍｍ）と小径ピストンの受圧面積（ｍ
ｍ）の比（Ｓ／ｓ）で表される。

【０００３】弁体は、ドレーン通路に連通する低圧ポー
トと、コモンレールに連通する高圧ポートのいずれか一
方を選択的に閉鎖して、燃料噴射弁のノズルニードルに
背圧を与える制御室の圧力を制御するように構成され
る。すなわち、弁体が低圧ポートを開いて制御室とドレ
ーン通路を導通させ、さらに高圧ポートを閉じると、制
御室の圧力が低下してノズルニードルが上昇し、噴孔か
ら燃料が噴射される。次に、弁体が高圧ポートを開いて
制御室とコモンレールを導通させ、さらに低圧ポートを
閉じると、制御室の圧力が再び上昇してノズルニードル
が下降し、燃料噴射が停止される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ピエゾ素子
をアクチュエータとして使用する場合、一般に、電圧一
定の条件下（ここでは許容電圧）での変位と発生力の関
係は、図３上段に示すようになる。許容電圧は、外部か
らのエネルギー投入経路となる電気回路やピエゾ素子自
身が壊れないための許容可能な最高電圧で（例えば１５
０Ｖ）、ピエゾアクチュエータの変位は、電圧一定であ
れば発生力に反比例し、ある発生力（最大発生力）で変
位がゼロとなる。また、ピエゾアクチュエータの仕事量
は、投入エネルギーに比例するとともに発生力とも相関
し、ピエゾアクチュエータの最大仕事量と最大負荷時の
発生力の関係は、図３下段のようになる。このピエゾ特
性から、一般に、最大負荷時の発生力が、最大発生力の
１／２となるように設計するのがエネルギー効率の点で
優れている、すなわち、同じ供給エネルギーで最大の仕
事を取り出すことができると考えられている。

【０００５】しかしながら、この知見に基づいて上記構
成の燃料噴射弁の設計を行ったところ、以下の問題が発
生した。油圧のてこによって変位を拡大する上記構成の
燃料噴射弁では、通常、弁体が低圧ポートを開く時に負
荷が最大となる。低圧ポートの開弁時に必要な発生力Ｆ
は、Ｆ＝Ｓ_L・Ｐ・（Ｓ／ｓ）；〔式中、Ｓ_L：低圧ポ
ートのシート面積（ｍｍ²）、Ｐ：コモンレール圧力Ｐ
（Ｋｇ／ｍｍ²）、Ｓ／ｓ：変位拡大率〕で表されるた
め、これが最大発生力の１／２となるように変位拡大率
（Ｓ／ｓ）を設定すればよいことになる。ところが、こ
のように変位拡大率（Ｓ／ｓ）を選択したにもかかわら
ず、弁体のリフト量が上記図３から予測されるリフト量
に達しない不具合が生じた。高圧ポートを閉弁するため
に必要な発生力（この発生力は、通常、低圧ポートの開
弁時に必要な発生力よりも小さい）が最大発生力の１／
２となるように変位拡大率（Ｓ／ｓ）を選択した場合も
同様で、いずれも予期した弁体リフトを得ることができ
なかった。

【０００６】この問題について解析を行った結果、予期
した弁体リフトが得られない理由は、油圧のてこによっ
て変位を拡大する上記燃料噴射弁の構成にあることが判
明した。上記構成では、ピエゾアクチュエータにエネル
ギーを投入すると、大径ピストンを介して変位拡大室の
油圧が上昇し、その油圧が小径ピストンに作用する力
が、弁体が高圧ポートから受ける燃料圧の作用力を上回
った時に、弁体がリフトを開始する。そこで、この時の
ピエゾ電圧が上記許容電圧となるように、投入エネルギ
ーが制御されるが、開弁時にはピエゾ素子内部に発生力
に比例した電荷が生じており、そのエネルギー分だけ、
外部から投入できるエネルギーが減少している。リフト
とともに発生力が低下すると、上記電荷が消滅していく
ため、ピエゾ電圧が低下する。この電圧の変化が、許容
電圧から見込まれる弁体リフトが得られない原因となっ
ている。

【０００７】本発明は、弁体の開弁時にピエゾアクチュ
エータに最大の発生力が要求され、その後は発生力が減
じられつつ弁体のリフト量が大きくなる構造の油圧制御
弁において、当初に印加される電圧を許容範囲に抑えつ
つ、最大のリフトを可能にすることを第１の目的とす
る。さらに、そのための変位拡大率の最適な範囲を見出
し、コンパクトかつ高性能な燃料噴射弁の実現を第２の
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の油圧制御弁
は、ピエゾアクチュエータの変位を油圧に変換し、該油
圧を増減させることによって弁体を駆動するとともに、
該弁体の開弁時に上記ピエゾアクチュエータに最大の発
生力が要求され、開弁後は上記ピエゾアクチュエータの
発生力が減じられつつ上記弁体のリフト量が大きくなる
構造の油圧制御弁において、上記弁体を開弁させる時に
上記ピエゾアクチュエータに必要とされる発生力を、使
用最大電圧における最大発生力の１／２を下回らせたこ
とを特徴とする油圧制御弁。

【０００９】油圧を介して上記弁体を駆動する構成で
は、上記弁体の開弁時に、上記ピエゾアクチュエータ内
部に発生力に比例した電荷が発生するため、その分のエ
ネルギーを外部から注入できなくなってしまう。よっ
て、開弁時に必要とされる発生力を大きくすると、それ
だけ外部から注入できるエネルギーが減少して、開弁後
に十分な弁体リフトが得られない。これを回避するに
は、開弁時に必要とされる発生力を使用最大電圧（許容
電圧）での最大発生力の１／２を下回らせるのがよく、
注入したエネルギーで最大のリフトを可能にする。ま
た、発生力は変位拡大率に比例するため、変位拡大率の
設定によって、この発生力を最適に選ぶことが可能であ
る。

【００１０】請求項２のように、具体的には、上記ピエ
ゾアクチュエータの変位を大径ピストンによって油圧に
変換し、該油圧を小径ピストンに作用させることによっ
て上記弁体を駆動する構成とすることができる。そし
て、上記弁体を開弁させる時に上記ピエゾアクチュエー
タに必要とされる発生力が使用最大電圧における最大発
生力の１／２を下回らせるように、上記大径ピストンと
上記小径ピストンの径の比すなわち変位拡大率を設定す
ることで、上記効果が容易に得られる。

【００１１】請求項３の発明は、請求項１または２に記
載の油圧制御弁を備え、上記弁体の駆動によって燃料噴
射の開始および停止を制御する燃料噴射弁である。例え
ば、上記弁体を噴孔を開閉するノズルニードルとするこ
ともでき、コンパクトな構成で、エネルギー効率の良好
な燃料噴射弁が得られる。

【００１２】請求項４の発明は、請求項１または２に記
載の油圧制御弁を備える燃料噴射弁であり、ノズルニー
ドルに閉弁または開弁方向の油圧を作用させる制御室を
低圧通路に導通させる導通路を、上記弁体で開閉するこ
とにより、上記ノズルニードルを昇降させて噴孔を開閉
する構成を有する。

【００１３】このように、上記油圧制御弁を適用するこ
とによって、駆動部の体格を大きくすることなく、エネ
ルギー効率の良好な燃料噴射弁が得られる。

【００１４】請求項５のように、より具体的には、上記
アクチュエータの変位によって油圧を増減させる油圧室
を設けて、該油圧室の油圧を受けて上記弁体が駆動され
るようにする。そして、上記ノズルニードルに背圧を与
える上記制御室を、上記弁体の開弁によって上記低圧通
路に導通させて減圧することにより、上記噴孔を開放す
る構成とすることができる。

【００１５】請求項６の発明では、上記弁体を開弁させ
る時に上記ピエゾアクチュエータに必要とされる上記発
生力を、使用最大電圧における最大発生力の１／４以上
とする。開弁時に上記ピエゾアクチュエータに必要とさ
れる上記発生力があまり小さいと、（すなわち、変位拡
大率を小さくし過ぎると、）上記ピエゾアクチュエータ
が変位しても上記弁体のリフトを大きくすることができ
ない。よって、好ましくは、上記発生力の下限を、使用
最大電圧における最大発生力の１／４とし、効率よくエ
ネルギーをリフトに変換することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
面に従って説明する。図１は、本発明を適用した油圧制
御弁１を備える燃料噴射弁Ｖの構成を示す図で、例え
ば、ディーゼルエンジンのコモンレール噴射システムに
好適に使用される。燃料噴射弁Ｖは、ノズルボディＢ１
の先端に設けた噴孔１１をノズルニードル１２の上下動
により開閉して、燃料の噴射を開始ないし停止する。噴
孔１１は、ノズルニードル１２が上端位置にある時に開
となり、高圧通路３に続く燃料溜まり３１と導通して燃
料が供給される一方、ノズルニードル１２が下端位置に
ある時は閉となり、燃料溜まり３１との導通が遮断され
て燃料の供給が停止される。ノズルニードル１２の下端
位置は、ノズルニードル１２が着座するノズルシート１
３によって決定され、上端位置はノズルボディＢ１上方
のオリフィスプレートＰ１によって決定される。

【００１７】ノズルボディＢ１は、バルブ駆動装置１の
ハウジングＨの下端にオリフィスプレートＰ１、Ｐ２を
介して配設され、筒状のノズルホルダＢ２にて油密に固
定される。高圧通路３は、燃料溜まり３１から上方へ延
び、オリフィスプレートＰ１、Ｐ２およびハウジングＨ
内を経て外部のコモンレール（図略）に連通している。
ハウジングＨ内には、また、外部の燃料タンク（図略）
に連通する燃料戻し用の低圧通路としてのドレーン通路
２が形成されている。ノズルニードル１２の上端部とオ
リフィスプレートＰ１の間には、制御室４が形成され、
ノズルニードル１２は、制御室４内に配したスプリング
４１のばね力と制御室４の油圧によって常に閉方向（下
方）へ付勢されている。

【００１８】制御室４の油圧は、油圧制御弁１の一部を
なす３方弁５によって制御される。３方弁５は、ハウジ
ングＨの下端に形成した略円錐形の弁室５１と略球形の
弁体５２からなり、弁室５１はオリフィスプレートＰ
１、Ｐ２を貫通する通路とその下端に設けたメインオリ
フィス４２を介して制御室４と常に連通している。弁室
５１は、低圧通路への導通路となるドレーンポート２１
と高圧ポート３２の２つのポートを有し、弁室５１内の
弁体５２が上方または下方に移動して上記２つのポート
の一方を選択的に閉塞すると、他方が開放されて制御室
４と導通する。ドレーンポート２１は弁室５１上方に設
けたスピル室２２を介してドレーン通路２に連通し、オ
リフィスプレートＰ２を上下に貫通する高圧ポート３２
は、オリフィスプレートＰ２下端面に径方向に設けた溝
３３を介して高圧通路３に連通している。

【００１９】よって、弁体５２がドレーンポート２１を
開いて高圧ポート３２を閉じると、制御室４の燃料が弁
室５１からドレーンポート２１を経て流出する。これに
より、制御室４の圧力が低下してノズルニードル１２の
開弁圧以下となると、ノズルニードル１２がノズルシー
ト１３から離れて燃料が噴射される。一方、弁体５２が
高圧ポート３２を開いてドレーンポート２１を閉じる
と、高圧ポート３２から流入する燃料で制御室４の圧力
が上昇し、ノズルニードル１２が下降してノズルシート
１３に着座する。

【００２０】なお、制御室４は、高圧ポート３２の下端
に連通させてオリフィスプレートＰ１に設けたサブオリ
フィス４３によって、３方弁５を介さずに高圧通路３と
常に連通している。このサブオリフィス４３は、高圧通
路３からサブオリフィス４３を経て制御室４に燃料を流
入させることによって、噴射開始時には制御室４の圧力
低下を緩和してノズルニードル１２を緩やかに開弁さ
せ、噴射終了時には圧力上昇を促進してノズルニードル
１２を迅速に閉弁させる作用がある。

【００２１】ここで、ドレーンポート２１の弁室５１へ
の開口部は、円錐形状のドレーンシート５３を形成して
おり、高圧ポート３２の弁室５１への開口部は、フラッ
ト形状の高圧シート５４を形成している。このように一
方をフラット形状とするのは、弁体５２の軸ずれを許容
するためである。弁体５２は、いずれかのシート５３、
５４に着座することにより対応するポートを閉塞する
が、弁室５１の圧力は常にドレーンポート２１の圧力よ
り高いため、弁体５２はドレーンシート５３に着座して
いるのが常態である。高圧シート５４への着座力は、油
圧制御弁１の小径ピストン１８によって与えられる。次
に、油圧制御弁１の詳細について説明する。

【００２２】油圧制御弁１は、ハウジングＨの上端部内
に収容されるピエゾアクチュエータ１４を駆動源として
有している。ピエゾアクチュエータ１４の変位は、その
下端に接して一体に設けたピエゾピストン１５に伝達さ
れ、さらに大径ピストン１７および油圧室である変位拡
大室６を介してピストン部材である小径ピストン１８に
伝達される。ピエゾアクチュエータ１４は公知の構成
で、ＰＺＴ等の圧電体を積層したピエゾスタックからな
り、外部からエネルギーを供給することによって伸長
し、注入されたエネルギーを放出することによって収縮
して、ピエゾピストン１５を駆動する。ピエゾピストン
１５は、ピエゾシリンダＨ１内に摺動自在に配設され、
細径のロッド１６によって大径ピストン１７に連結され
ている。大径ピストン１７および小径ピストン１８は、
シリンダ形成部材Ｈ２に同軸的に形成した大径シリンダ
Ｈ３、小径シリンダＨ４内にそれぞれ摺動自在に配設さ
れ、ロッド１６は大径ピストン１７の上面より上方に延
びて、ピエゾピストン１５の下面に圧入固定される。

【００２３】ピエゾピストン１５下方の、ロッド１６周
りに形成される空間は、ドレーン通路２に連通する油溜
まり室７となしてあり、スプリング７１が収容されてピ
エゾピストン１５を上方に付勢している。同時に、ピエ
ゾピストン１５と一体に連結される大径ピストン１７も
スプリング７１によって上方に付勢される。これによ
り、ピエゾピストン１５および大径ピストン１７は、ピ
エゾアクチュエータ１４の伸縮に応じて一体に上下動す
る。なお、ピエゾピストン１５の外周には、油溜まり室
６２内の作動油がピエゾアクチュエータ１４を汚染する
のを防止するためにＯリング７３が設けられる。また、
油溜まり室７をドレーン通路２に連通させるための通路
は、ハウジングＨ側壁から径方向に油溜まり室７に貫通
穴を形成した後、盲栓７４で閉鎖することにより形成さ
れる。

【００２４】シリンダ形成部材Ｈ２は、小径ピストン１
８の上部に縮径部を有し、小径ピストン１８の上方への
移動を規制するストッパ６１を形成している。大小シリ
ンダＨ３、Ｈ４は、この縮径部を介して連通しており、
縮径部と小径ピストン１８の間に形成される油圧室Ａ、
および大径ピストン１７との間に形成される油圧室Ｂに
よって変位拡大室６が形成される。変位拡大室６は、ピ
エゾアクチュエータ１４の変位を油圧変換し、大小ピス
トン１７、１８の径差に応じた変位拡大率で増幅して、
小径ピストン１８に伝達する。小径ピストン１８の下端
部は、シリンダ形成部材Ｈ２の下方に形成されるスピル
室２２内に位置し、細径の先端部がドレーンポート２１
内に挿通されて弁体５２に当接している。

【００２５】大径ピストン１８内には、軸方向に通路７
２が設けられ、通路７２の上端はロッド１６の基端部内
に延びてＴ字形に分岐し、油溜まり室７に開口してい
る。通路７２の下端は、大径ピストン１８の下端面に開
口し、大径ピストン１８の下端に装着した逆止弁８を介
して変位拡大室６に連通するようになっている。逆止弁
８は、変位拡大室６の燃料がリーク等により減少した時
に、油溜まり室７から変位拡大室６へ燃料を補充するた
めのもので、通路７２の下端開口を閉鎖するフラット弁
８１と、フラット弁８１を上方に付勢する皿バネ８２か
らなる。これらフラット弁８１と皿バネ８２は、大径ピ
ストン１８の下端部外周に圧入固定される有底筒状のホ
ルダ８３内に収納保持される。ホルダ８３底面には貫通
穴８５が設けられ、ホルダ８３内空間と変位拡大室６の
間で燃料は自由に流通する。

【００２６】フラット弁８１は、円盤状の薄板（厚さ：
０．１〜０．２ｍｍ）の上下２箇所を平行に切り欠いた
もので、中心にピンホール８４（直径：０．０２〜０．
５ｍｍ）を設けている。このピンホール８４により、燃
料噴射中に通電回路に異常が発生しても変位拡大室６の
燃料を油溜まり室７へリークさせることができるため、
燃料噴射を停止することができる。また、燃料噴射弁Ｖ
の組み立て後に、ピンホール８４を介して変位拡大室６
を容易に真空にし、燃料を充填することができるので、
空気が残って不具合を生じることがない。

【００２７】上記構成の燃料噴射弁の作動を説明する。
燃料噴射の開始に当たって、ピエゾアクチュエータ１４
には、ドレーンポート２１を開とするために十分な電圧
（例えば１００〜１５０Ｖ）が印加される。ピエゾアク
チュエータ１４は電圧に比例した変位（例えば４０μ
ｍ）を生じて、ピエゾピストン１５、大径ピストン１７
を同じ変位量だけ下方に移動させ、変位拡大室６の油圧
を上昇させる。この変位拡大室６の油圧上昇により小径
ピストン１８が下降し、弁体５２をドレーンシート５３
から押し下げてリフトさせ、高圧シート５４に着座させ
る。この時、弁体５２のリフトは、ピエゾアクチュエー
タ１４の変位に対して、予め設定された変位拡大率（大
径ピストン１７と小径ピストン１８の受圧面積比）で拡
大される。この変位拡大率の最適範囲については後述す
る。

【００２８】弁体５２のリフトに伴ってドレーンポート
２１が開き、次いで高圧ポート３２が閉じるために、弁
室５１の圧力が低下する。弁室５１と連通する制御室４
の圧力が低下し、ノズルニードル１２に上向きに作用す
る燃料溜まり３１の油圧力が、制御室４の油圧力および
スプリング４１のバネ力に勝ると、ノズルニードル１２
がノズルシート１３からリフトし、燃料の噴射が開始さ
れる。

【００２９】燃料噴射の停止に当たっては、ピエゾアク
チュエータ１４の電荷を放出させることによってその電
圧をゼロにする。この間に、ピエゾアクチュエータ１４
は、電圧印加時の変位量だけ収縮して元の長さに戻り、
ピエゾピストン１５がスプリング７１に付勢されて上昇
する。ロッド１６によりピエゾピストン１５と連結され
ている大径ピストン１７もピエゾピストン１５とともに
上昇し、変位拡大室６の油圧を低下させる。変位拡大室
６の油圧低下により小径ピストン１８は、弁体５２を高
圧ポート３２の高圧に逆らって高圧シート５４に押し付
ける力を失い、弁体５２とともに上昇する。

【００３０】弁体５２が再びドレーンシート５３に着座
し、そのリフト位置が初期状態に戻ると、高圧ポート３
２が開き、次いで、ドレーンポート２１が閉じるため
に、弁室５１および制御室４の圧力が回復する。制御室
４の圧力が上昇し、ノズルニードル１２に下向きに作用
する力が、燃料溜まり３１の油圧力に勝ると、ノズルニ
ードル１２が降下して再びノズルシート１３に着座し、
燃料噴射を停止する。

【００３１】ここで、本発明では、弁体５２がドレーン
ポート２１を開弁するためにピエゾアクチュエータ１４
に必要な発生力Ｆが、使用最大電圧における最大発生力
の１／２以下となるように、変位拡大率を選択する。好
適には、開弁時のピエゾ発生力Ｆが、使用最大電圧にお
ける最大発生力の１／４以上であり、かつ１／２を下回
るようにする。使用最大電圧は、電圧印加によるピエゾ
アクチュエータ１４や電気回路の破損を防止するために
設定される許容可能な最大電圧を表す。また、ドレーン
ポート２１の開弁時に必要な発生力Ｆは、下記式（１）
で表される。（１）Ｆ＝Ｓ_L・Ｐ・（Ｓ／ｓ）ここで、Ｓ_Lはドレーンポート２１のシート面積（ｍｍ
²）、Ｐは高圧通路３の圧力（＝コモンレールの圧力；
Ｋｇ／ｍｍ²）、Ｓは大径ピストン１７の受圧面積（ｍ
ｍ²）、ｓは小径ピストン１８の受圧面積（ｍｍ²）で
あり、（Ｓ／ｓ）は変位拡大率を表す。

【００３２】つまり、ドレーンポート２１の開弁時の発
生力Ｆは、変位拡大率（Ｓ／ｓ）に比例するので、
Ｓ_L、Ｐが一定値である時、変位拡大率（Ｓ／ｓ）を適
切に設定すれば、開弁時の発生力Ｆが上記所定範囲とな
る。このようにすることで、ピエゾアクチュエータ１４
や電気回路の許容電圧の範囲内で、投入されたエネルギ
ーを効率よく弁体５２のリフトに変換することができ
る。この詳細を以下に説明する。

【００３３】ピエゾアクチュエータ１４にエネルギーを
投入すると、ピエゾアクチュエータ１４に変位が生じ、
大径ピストン１７を介して変位拡大室６の油圧が上昇し
て、ｐ・ｓ＝Ｓ_L・Ｐ（ｐ：変位拡大室６圧力）となっ
た時に、弁体５２がリフトを開始する。一方、図２
（ａ）のように、仮にピエゾアクチュエータ１４への投
入エネルギーを一定（大、小）（なお小は開弁に必要な
最小エネルギである。）としたとする時、ピエゾスタッ
クの端子電圧（ピエゾ電圧Ｖ）は、発生力の増加ととも
に急激に高くなる。これは、ピエゾスタック内部に発生
力に比例した電荷が発生して、外部からエネルギーとし
て注入された電荷に加算されるためである。

【００３４】従って、負荷が最大となる開弁時のピエゾ
電圧が上記許容電圧となるように、投入エネルギーＥを
制御した場合、「供給したエネルギーが一定のままでピ
エゾアクチュエータ１４の発生力が低下するとピエゾ電
圧も低下する」ことになる。上記構成で言えば、弁体５
２がリフトを開始して弁室５１の油圧が低下すると、開
弁を維持するためにピエゾアクチュエータ１４に要求さ
れる発生力が減少するので、これに伴いピエゾ電圧も低
下することになる。この現象を逆に言うと、許容電圧が
決まっている場合、開弁時の発生力を高く設定するほ
ど、ピエゾアクチュエータ１４に供給可能なエネルギー
は小さくなってしまう。これを図２（ｂ）に示す。

【００３５】図２（ｃ）は、電圧一定（許容電圧）の条
件での発生力とピエゾ変位δの関係を表すもので、発生
力が減少するとその分ピエゾ変位δが大きくなり、弁体
リフトが大きくなることが予測される。ところが、図２
（ｃ）の特性では、リフト後のピエゾ電圧の低下が考慮
されていないことから、開弁時のピエゾ発生力が大きく
なるように変位拡大率（Ｓ／ｓ）を選択すると、投入で
きるエネルギーが小さいため、図２（ａ）のように、リ
フト後の発生力の減少によってピエゾ電圧が低下する。
例えば、図２（ａ）の投入エネルギー（小）の場合のよ
うに、開弁時の発生力Ｆが大きい（変位拡大率（Ｓ／
ｓ）が大きい）と、実際の投入エネルギーが小さくなる
ために、開弁は可能であってもその後のリフトが小さ
く、高圧ポート３２に着座することができなくなる。

【００３６】それでは、開弁時の発生力Ｆを小さくする
ために変位拡大率（Ｓ／ｓ）を小さくすればよいかとい
うと、ピエゾアクチュエータ１４がいくら変位しても小
径ピストン１８はあまり変化しないということになり、
この場合も弁体５２のリフトを大きくすることはできな
い。弁体５２のリフトＬは、ピエゾ変位をδとすると、
Ｌ＝δ・（Ｓ／ｓ）＝δ・Ｆ／（Ｓ_L・Ｐ）となるた
め、これにより、開弁時の発生力Ｆを変化させた時の、
弁体５２の可能な最大リフトＬは、図２（ｄ）のように
なる。すなわち、最大リフトＬは、開弁時の発生力Ｆが
最大発生力の３／８付近にある時にピークを有し、最大
リフト量Ｌを大きくするには、最大発生力の１／４以上
であり、かつ１／２を下回る範囲とすると有利であるこ
とが分かる。

【００３７】以下に、具体的な実施例を示す。上記構成
の燃料噴射弁Ｖにおいて、例えば、ピエゾ発生力０の時
のピエゾ変位δ＝０．０４ｍｍ、ピエゾ発生力２００ｋ
ｇの時のピエゾ変位δ＝０ｍｍとすると、最大発生力は
２００ｋｇとなる。よって、最大発生力の１／４以上で
あり、かつ１／２を下回るピエゾ発生力、すなわち、５
０〜１００ｋｇの範囲で弁体５２が開弁してドレーンポ
ート２１を開くことが望ましい。ドレーンポート２１の
開弁時に必要な発生力Ｆの式：Ｆ＝Ｓ_L・Ｐ・（Ｓ／
ｓ）において、ドレーンシート５３の直径ｄ_L＝１．６
５（ｍｍ）から、ドレーンポート２１のシート面積Ｓ_L
＝２．１４（ｍｍ）、高圧通路３の圧力Ｐ（＝コモンレ
ールの圧力）＝２０ｋｇ／ｍｍ²とすると、５０ｋｇ≦４２．８（Ｓ／ｓ）ｋｇ＜１００ｋｇ５０／４２．８＜（Ｓ／ｓ）＜１００／４２．８から、変位拡大率（Ｓ／ｓ）の最適範囲は、１．１７≦（Ｓ／ｓ）＜２．３となる。

【００３８】変位拡大率（Ｓ／ｓ）を上記最適範囲の中
央値（Ｓ／ｓ）＝１．８とした時、開弁時のピエゾ発生
力は、７５ｋｇとなる。この時、１５０Ｖでピエゾアク
チュエータ１４に投入できるエネルギーは、図２（ｂ）
から開弁に必要なエネルギーの２．７倍であり、図２
（ｄ）のようにそのエネルギーをリフトに効率よく変換
することができる。なお、リフトが可能な最大リフトよ
り大きくない状態で、高圧ポート３２のシートに着座す
る場合であれば、その分のエネルギーはシート力に変換
されるので、確実なシールが可能になる効果がある。

【００３９】上記実施の形態では、大小ピストンと変位
拡大室により３方弁の弁体を駆動する油圧制御弁を用い
た場合について説明したが、３方弁に限らず、２方弁等
を用いてもよい。また、３方弁等を介さず、ピエゾアク
チュエータ１４により、ノズルニードルを駆動する油圧
室の油圧を直接増減する構成（直動式）の燃料噴射弁に
適用することも可能で、同様の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料噴射弁
の全体構成を示す断面図である。

【図２】（ａ）〜（ｄ）は第１の実施の形態における燃
料噴射弁の作用効果を説明するためのピエゾアクチュエ
ータ特性図である。

【図３】ピエゾアクチュエータの一般的特性を示す図で
ある。

【符号の説明】ＨハウジングＢ１バルブボディ１油圧制御弁１１噴孔１２ノズルニードル１３ノズルシート１４ピエゾアクチュエータ１５ピエゾピストン１６ロッド１７大径ピストン１８小径ピストン２ドレーン通路（低圧通路）２１ドレーンポート（導通路）２２スピル室３高圧通路３１燃料溜まり３２高圧ポート４制御室５３方弁５１弁室５２弁体５３ドレーンシート５４高圧シート６変位拡大室（油圧室）７油溜まり室８逆止弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｍ 61/20 Ｆ０２Ｍ 61/20 ＮＦ１６Ｋ 31/02 Ｆ１６Ｋ 31/02 ＡＧ０５Ｄ 16/10 Ｇ０５Ｄ 16/10 ＺＨ０１Ｌ 41/09 Ｈ０１Ｌ 41/08 ＵＦターム(参考） 3G066 AA07 AB02 AC09 AD12 BA00 BA67 CC06T CC08T CC08U CC14 CC64T CC64U CC66 CC67 CC68T CC68U CC69 CC70 CD28 CD29 CD30 CE13 CE27 3H062 AA02 AA12 BB04 BB30 CC07 DD03 HH03 HH10 5H316 AA09 BB09 DD06 EE02 EE10 EE14 EE20 JJ03 JJ07 JJ13 KK02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ピエゾアクチュエータの変位を油圧に変
換し、該油圧を増減させることによって弁体を駆動する
とともに、該弁体の開弁時に上記ピエゾアクチュエータ
に最大の発生力が要求され、開弁後は上記ピエゾアクチ
ュエータの発生力が減じられつつ上記弁体のリフト量が
大きくなる構造の油圧制御弁において、上記弁体を開弁
させる時に上記ピエゾアクチュエータに必要とされる発
生力を、使用最大電圧における最大発生力の１／２を下
回らせたことを特徴とする油圧制御弁。
【請求項２】上記ピエゾアクチュエータの変位を大径
ピストンによって油圧に変換し、該油圧を小径ピストン
に作用させることによって上記弁体を駆動するととも
に、上記弁体を開弁させる時に上記ピエゾアクチュエー
タに必要とされる発生力が使用最大電圧における最大発
生力の１／２を下回らせるように、上記大径ピストンと
上記小径ピストンの径の比を設定する請求項１記載の油
圧制御弁。
【請求項３】請求項１または２記載の油圧制御弁を備
え、上記弁体の駆動によって燃料噴射の開始および停止
を制御することを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項４】請求項１または２記載の油圧制御弁を備
え、ノズルニードルに閉弁または開弁方向の油圧を作用
させる制御室を低圧通路に導通させる導通路を、上記弁
体で開閉することにより、上記ノズルニードルを昇降さ
せて噴孔を開閉することを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項５】上記アクチュエータの変位によって油圧
を増減させる油圧室を設けて、該油圧室の油圧を受けて
上記弁体が駆動されるようになし、上記ノズルニードル
に背圧を与える上記制御室を、上記弁体の開弁によって
上記低圧通路に導通させて減圧することにより、上記噴
孔を開放する請求項４記載の燃料噴射弁。
【請求項６】上記弁体を開弁させる時に上記ピエゾア
クチュエータに必要とされる上記発生力を、使用最大電
圧における最大発生力の１／４以上としたことを特徴と
する請求項１ないし５のいずれかに記載の油圧制御弁ま
たは燃料噴射弁。