JP2004522058A - 直接作動噴射弁 - Google Patents

Abstract

直接作動噴射弁（１００）は、中空の弁ハウジング（１０２）と、中空な内部に配置された弁部材（１１４）と、付勢機構（１１６）と、アクチュエータ組立体（１３０）と、水圧リンク組立体（１６０）とを備える。弁部材（１１４）は閉じた位置と開いた位置との間で動くことができ、内燃機関の燃焼室内への燃料の流れを支配する。付勢機構（１１６）は好ましくはばねであり、弁部材を閉じた位置に付勢する。アクチュエータ組立体（１３０）は、弁ばね（１１６）に対して作用する開弁力を発生させて弁を開ける。水圧リンク組立体（１６０）は、弁部材と、弁ばねと、アクチュエータ組立体との間に配置される。水圧リンク組立体（１６０）は、それぞれ閉弁力および開弁力を弁部材に伝達させる。水圧リンクは好ましくは、作動流体で充填されるシリンダ内に配置されたピストンを含む。開弁力および閉弁力は、ピストンの平面状の表面と、水圧シリンダ（１６０）のヘッドおよびベースとの間に閉じ込められた作動流体の厚みを通じて伝達される。

Description

【技術分野】
【０００１】
発明の分野
この発明は一般的に、内燃機関用の高圧燃料噴射弁または噴射機に関し、より特定的に、位置作動材料（たとえば圧電材料または磁気歪み材料など）により直接制御可能であり、かつ受動的水圧リンクを含む噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
内燃機関の燃焼室内に気体燃料を直接噴射することは、さまざまな理由から望ましい。たとえば直接噴射は装入成層（charge stratification）を可能にし、均質なチャージエンジンと関連した絞り損失をなくす。これに加え、圧縮行程の終わりごろに直接噴射すれば、高い圧縮比を維持し効率を維持することができる。さらに、直接噴射する燃料が天然ガス、プロパンまたは水素を含む場合、ＮＯ_Xおよび粒子状物質（ＰＭ）の放出が大幅に削減される。直接噴射される気体燃料の点火は、グロープラグ、スパークプラグ、パイロットディーゼル燃料またはその他任意のエネルギー源によって行なわれ得る。圧縮行程の終わりでは燃焼室圧は高く、これを克服するために気体燃料は高い圧力で噴射される必要がある。噴射圧は、噴射される燃料と燃焼室の空気との良好な混合を促進するのに十分高いことが好ましい。
【０００３】
高圧の直接噴射においてはいくつかの困難に直面する。高圧燃料を直接噴射に用いる結果として、噴射弁または噴射機内に存在する燃料圧は高くなる。その結果として典型的に、噴射弁を閉じる際、噴射事象間に燃料が燃焼室内に漏れるのを防ぐために噴射弁を強固に着座させる必要がある。弁がニードル弁の場合、弁を着座させるには、弁座および可動の弁ニードルの封止表面が流体に対し密閉するよう互いに接触する。弁座は一般的に弁ハウジングまたは本体の一部である。ポペット弁など外側へ開いている弁の場合、弁を閉じるには、弁部材が弁本体内に引込められて弁部材の封止表面が弁座に対して押圧され、流体に対し密閉する封止を形成する。ここで「外側へ」開いている構成を有する燃料噴射弁とは、開いた位置となるためにエンジン燃焼室の方向に動き、および閉じた位置となるのに逆方向に動くことができる弁部材を採用した、内燃機関用の噴射弁であると定義する。このような弁部材を記述するのに用いられる用語には、たとえばピントルシャフト、弁棒および弁シャフトなどが含まれる。外側へ開いている噴射弁は典型的に円形の弁ヘッドを含み、このヘッドは、弁本体と関連付けられた噛み合い円形弁座へ向かって、およびここから離れて軸方向に動くよう、弁部材上で軸に直交するように設けられる。
【０００４】
さらに、低圧システムと比較すると噴射弁を開閉するのに大きな力が必要である。たとえば、内側に開いている弁ニードルを用いたニードル弁の場合、ニードルは開いた位置にあるときには加圧燃料から大きな力に晒されることがある。逆に、外側に開いている噴射弁の場合、噴射弁本体内の高い燃料圧に対して弁を閉じたままに保つのに大きな力が必要となる。
【０００５】
これに加え、燃料を噴射できる期間はごく僅かである。たとえば４５００毎分回転数（ＲＰＭ）で全負荷の場合、好ましくはすべての燃料を２〜３ミリ秒未満で噴射する。
【０００６】
内燃機関におけるほとんどすべての公知の直接燃料噴射システムは水圧式に作動させられる。これらのシステムは、噴射弁（または、エンジンが複数の燃焼室を含む場合には複数の弁）を開けるのに必要な力をもたらすために作動流体に依存している。したがって典型的なエンジン動作速度において、水圧式に作動させられる噴射機は、噴射弁を開閉するために作動流体圧の急速な変化に依存する。典型的に、噴射弁を開けるには作動流体圧を増加させ、閉じるには、作動流体圧を減少させて噴射弁にかかる開弁力を減少させ弁を閉じさせる。しかし従来の気体噴射弁に関連して、水圧式動作には以下のものを含むいくつかの欠点がある。
【０００７】
・追加的な水力機材、たとえば作動流体用の水圧ポンプ、弁および貯蔵器などに対する必要性、
・可変圧作動流体と高圧気体燃料との間の封止を確立する必要性、
・追加的な機材要件による噴射弁組立体の嵩の増加、および
・作動流体の力学的流れと、電子水圧弁機器の作動と、噴射弁からのガスの流れを制御するニードルの動きとに関連した時間遅延の引起こす、システム反応の遅延。
【０００８】
さらに、直接制御可能である供給源でなく加圧流体によって起動力がもたらされる場合、噴射弁の動きの制御性の程度は低い。この点においてリフトを制御することは困難であり、その結果、二重ばね構成を有する水圧式作動噴射弁を用いた場合、リフト制御能力は限定的なものとなる。したがって特に高速エンジンの場合、気体燃料噴射機を動作させるための水力学系の使用を避けるのが望ましい。ここで、噴射弁に関連する「リフト」とは、弁ニードルまたは弁部材による、その閉じた／着座した位置から開いた位置への変位として定義する。
【０００９】
米国特許第５，７７９，１４９号には、アクチュエータの動きを増幅させるのに用いる水圧式増幅器を媒介として水圧式制御弁に対し作用する圧電アクチュエータを用いた噴射機が記載されている。この水圧式制御弁によって、主噴射弁は噴射される燃料の量を計りながら供給するように開閉できる。
【００１０】
制御弁を動作させるために圧電または磁気歪みアクチュエータを採用し、この制御弁に作動流体の流れを制御させて噴射弁を動作させることに関する問題として、この構成が作動流体の媒介作用を必要とすることがある。作動流体の変位により引起こされる遅延はいずれも噴射機の作動における遅延を引起こす。したがって、作動力を発生させる媒介としての能動的な水圧式動作体なしに、アクチュエータにより直接作動させられる噴射機が必要とされている。能動的な、水圧式に動作させられるシステムのもう１つの欠点は、作動流体を水圧シリンダに供給しかつここから抜き取る必要があることである。エンジンの用いる主な燃料がディーゼル燃料である場合、ディーゼル燃料が作動流体として用いられ得る。しかしながら、気体燃料がエンジンの主な燃料である場合、水圧式の作動に依存する噴射機を動作させるには別個の作動流体システムが必要となる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
発明の概要
噴射弁は内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する。この噴射弁は以下のものを含む。（ａ）弁ハウジングは、燃料引込ポートと、燃料引込ポートに流体連通可能に接続された内室と、弁部材と協働して、噴射弁が閉じているときに燃焼室から内室を封止するための弁座とを含む。（ｂ）弁部材は、弁ハウジング内に配置された一端と、弁座から燃焼室へ延びることができる反対端とを有し、ここで弁部材は封止表面を含み、この封止表面は、噴射弁が閉じているときに弁座に対して流体封止し、かつ噴射弁が開いているときに弁座から離れてリフトでき、ここで弁リフトは、封止表面が弁座から離れて移動する距離に等しい。（ｃ）弁部材と関連付けられた付勢機構は、弁部材が閉じた位置にあるときに弁部材に閉弁力を加える。（ｄ）弁部材と関連付けられたアクチュエータ組立体は、閉弁力よりも強い開弁力を弁部材に加えて弁部材を開いた位置に動かすように作動させられ得る。（ｅ）水圧リンク組立体は、開弁力および閉弁力が伝達される作動流体の厚みを有する受動的水圧リンクを含み、ここで作動流体は実質的に固体として働き、その厚みは、アクチュエータ組立体が作動させられている間実質的に一定であり、水圧リンクの厚みは、アクチュエータ組立体が作動させられていない間、噴射弁の構成要素間の寸法関係の変化に応答して調節可能であり、こうしてアクチュエータ組立体の作動の際に所望の弁リフトを維持する。
【００１２】
好ましい実施例では、水圧リンクの厚みは、示差熱膨張および／または噴射弁の構成要素に対する摩損により引起こされる寸法関係の変化に応答して自動調節可能である。水圧リンク組立体は、内室から流体封止された流体封止水圧シリンダを含むことが好ましい。水圧リンク組立体は、水圧シリンダ内に配置されたピストンおよび作動流体を含む。作動流体はたとえばモータオイルまたはグリースなどの液体であることが好ましい。ピストンは一体的な弁部材の一部であり得る。
【００１３】
好ましい噴射弁でアクチュエータ組立体は寸法反応部材を含む。寸法反応部材は磁気歪み材料から形成され得る。好ましい磁気歪み材料は、テルビウム、ジスプロシウムおよび鉄を含む合金を含む。好ましいアクチュエータ組立体はさらに、寸法反応部材のまわりの環状の空間に配置された電気コイルと、電気コイルのまわりの環状の空間に配置された磁束管とを含む。アクチュエータ組立体は内室の中に配置されることが好ましい。寸法反応部材は圧電材料から形成してもよい。好ましい噴射弁はさらに、圧縮力を寸法反応部材にかけるための圧縮ばね部材を含む。
【００１４】
一実施例では、燃料が弁ハウジングに入り、それから内室にあるアクチュエータおよび水圧リンク組立体を通過するように、燃料引込口を位置づける。この実施例では、これら組立体にわたる燃料の流れは、アクチュエータの活性化で生じた熱を除去する助けとなり、噴射弁内の示差温度の影響を減少させる。別の実施例では、噴射弁を通って流れる燃料がアクチュエータ組立体と接触しないように、燃料引込口を弁先端近くに位置づける。この実施例ではアクチュエータおよび水圧リンク組立体の構成が簡単になるが、それは燃料が弁先端へ流れるための流体通路を設ける必要がないからである。好ましい噴射弁では、寸法反応部材に加えられる電流、電圧および磁界のうち少なくとも１つを変化させることでリフトを制御できる。弁部材は好ましくは、開いた位置と閉じた位置との間を約２００マイクロ秒未満で弁部材が動くように制御され得る。
【００１５】
噴射弁は好ましくはさらに、寸法反応部材に圧縮力を加えるための付勢機構を含む。付勢機構は好ましくはばねを含む。ばねは好ましくは少なくとも１つの皿ばねを含む。
【００１６】
好ましい噴射弁では、燃料は気体であり作動流体は液体である。好ましい作動流体は、モータオイルおよびグリースからなる群から選択された液体である。
【００１７】
この噴射弁は特に気体燃料の噴射に好適であるが、それは、弁部材の動きを調整する能力を用いれば、弁部材の閉弁動作を遅くして閉弁時の衝撃を減少させるという利益が得られるからである。液体燃料を噴射する場合、閉弁時の衝撃は、気体燃料よりもはるかに高密度である液体燃料の薄層の変位によって抑制される。燃料は、気体燃料であれば約２０００ｐｓｉ（約１３．８ＭＰａ）よりも大きい圧力で燃焼室内に噴射され得る。
【００１８】
この噴射弁における水圧リンクは、弁の構成要素間の寸法関係の変化、たとえば示差熱膨張により引起こされる変化などを補償するように設計されているが、水圧リンクに対する需要は、類似の熱膨張係数を有する弁構成要素の材料の選択により減少され得る。これに関連して、弁ハウジング、弁部材およびアクチュエータ組立体は好ましくは、温度変化が引起こす構成要素間の寸法関係の変化を減少させるのに十分適合した熱膨張係数を有する材料から選択される。
【００１９】
この噴射弁で用いるのに好適な磁気歪み材料は、エトリーマ・プロダクツ・インコーポレイテッド（Etrema Products Inc.）から入手可能なETREMA Terfenol-D（Ｒ）磁気歪み合金として知られる材料を含む。ETREMA Terfenol-D（Ｒ）磁気歪み合金は、テルビウム、ジスプロシウムおよび鉄からなる合金である。
【００２０】
好ましい実施例では、寸法反応部材を含むアクチュエータ組立体により作動させられる弁部材は、閉じた位置と開いた位置との間を約２００マイクロ秒未満で動くように制御可能である。
【００２１】
寸法反応部材の所与の長さについての弁リフトの範囲を向上させるために、圧縮力が寸法反応部材に対して加えられ得る。寸法反応部材に予め負荷をかけることで、（磁気歪み材料から形成された寸法反応部材の場合は）印加された磁界、または（圧電材料から形成された寸法反応部材の場合は）印加された電圧のそれぞれの単位ごとの正味の変位が増加させられ得る。これに従い、寸法反応部材に予め負荷をかけるための圧縮力を加えるのに付勢機構を用いることができる。付勢機構は好ましくは少なくとも１つのばねを含み、最も好ましくは少なくとも１つの皿ばね（ベルビルばねまたはベルビルワッシャーとしても知られる）を含む。
【００２２】
噴射弁ハウジングは、互いに接合されて流体封止本体を形成する複数の部品を含み得る。たとえば弁ハウジングは、着脱可能な弁キャップを伴う中空の主ハウジングを含むことができ、これにより主ハウジング内に配置された弁構成要素に対する接近が許される。主ハウジングはさらに、別個であるため摩損時に取替え可能な弁先端を含み得る。さらに弁先端は、これが燃焼室の内部に直接晒される唯一の弁本体の部分となるように設計され得る。この場合弁先端は、燃焼室内で予想され得る条件下に直接晒されるとき、より大きな耐久性をもたらすであろう材料からなり得る。
【００２３】
内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための好ましい燃料噴射弁は以下のものを含む。（ａ）弁ハウジングは、燃料引込ポートと、燃料引込ポートに流体連通可能に接続された内室と、燃焼室に面するハウジングの端部に設けられた弁座とを含む。（ｂ）弁部材はシャフト部分を含み、シャフト部分は、円形のヘッドが軸に直交するように設けられた第１の端部を有し、ヘッドは弁座に面する環状の封止表面を形成し、シャフトの第２の端部はピストン部分と関連付けられ、弁部材は、封止表面が弁座と接触して燃焼室から内室を流体封止する、閉じた位置と、封止表面が弁座から隔てられて内室が燃焼室に流体連通可能に接続される、開いた位置との間で動くことができ、ここで弁のリフトは、封止表面が弁座から離れて移動する距離に等しい。（ｃ）弁部材のピストン部分と関連付けられた付勢機構は、弁部材が閉じた位置にあるときに弁部材に閉弁力を加える。（ｄ）アクチュエータ組立体は、閉弁力よりも強い開弁力を弁部材に加えて弁部材を開いた位置に動かし、アクチュエータ組立体は、電流、電圧および磁界のうち少なくとも１つが加えられることに対する寸法反応性を有する部材を含み、この寸法反応部材は、弁ハウジングに対して固定した位置に維持される固定極と滑動極との間に配置され、滑動極は寸法反応部材の膨張によって変位可能である。（ｅ）水圧リンク組立体は、弁部材のピストン部分のまわりに配置された流体封止水圧シリンダを含み、作動流体が水圧シリンダ内に配置され、弁部材に対して加えられる開弁力および閉弁力は作動流体の厚みを通じて伝達され、これにより作動流体は水圧リンクとして働き、その厚みは、噴射弁の構成要素間の寸法関係の変化に応答して自動的に調節可能であり、これによりアクチュエータ組立体の作動の際に所望の弁リフトを維持する。
【００２４】
形状付けられた波形を用い電流を制御して内燃機関用の噴射弁を作動させる方法は、磁気歪み材料および圧電材料のうち少なくとも１つを含む寸法反応アクチュエータ組立体と、内燃機関の動作範囲内におけるエンジン負荷需要について予め定められた値に従い弁リフトおよび持続時間を支配するためのコントローラとを用い、コントローラはアクチュエータ組立体に向けられる電流および電圧を制御する。この方法は噴射事象ごとに、（ａ）噴射事象を開始させるために、高周波電圧サイクルを印加し、かつ各サイクルにおいて正味の正の電圧を維持することによって、電流を、所望のリフトに対応すると知られている大きさにまで急速に増加させるステップと、（ｂ）コントローラにより予め定められた持続時間だけ所望のリフトを制御するように電流を維持するステップと、（ｃ）噴射事象を終わらせるために、高周波電圧サイクルを印加し、かつ各サイクルにおいて正味の負の電圧を維持することにより、電流を０アンペアに落ちるまで減少させるステップとを含む。
【００２５】
好ましい形状付けられた波形の方法では、噴射事象を開始させるステップはさらに、最初に電流を、所望のリフトについての値よりも高いスパイク値まで増加させて弁を急速に開け、それから所望のリフトを引起こす値まで電流を減少させるステップを含む。スパイク値は好ましくは、所望のリフトを引起こすのに必要な値よりも高い大きさのオーダ近くまでである。この好ましい方法はさらに、相殺する正の電圧と負の電圧との間で高周波電圧サイクルを印加することで、噴射事象の直前に０アンペアに近い電流を発生させるステップを含む。弁を閉じた位置から所望のリフトへと開ける時間は約１７５マイクロ秒未満、より好ましくは約１００マイクロ秒未満である。しかしより典型的には、弁部材を閉じた位置と所望の開いた位置との間で動かすのに必要な時間は僅かに約２５０マイクロ秒であろう。
【００２６】
内燃機関用の燃料噴射弁を動作させる方法は以下のステップを含み、ここで噴射弁は長手方向の軸を有する。（ａ）磁気歪み材料および圧電材料のうち少なくとも１つを含む寸法反応部材を作動させ、寸法反応部材は、アクチュエータの作動の際に長手方向の軸の方向で長さにおいて拡張する。（ｂ）作動させられた寸法反応部材により引起こされた動きを受動的水圧リンクを通じて伝達させ、弁部材の対応する動きが弁を開けることを引起こすために、弁部材を弁座からリフトし、かつ弁を閉じた位置に付勢する付勢機構を圧縮し、受動的水圧リンクは、ピストンを収容し作動流体で充填される水圧シリンダを含み、ここで作動流体はピストンとシリンダヘッドとの間で層を形成し、弁が開いている持続時間が短いので作動流体はピストンにおける一方の側から他方の側へ流れる時間がなく、噴射弁が開いている間、作動流体の層は圧縮不可能な固体として働くため、寸法反応部材の作動により引起こされた動きは流体の層を通じて伝達される。（ｃ）寸法反応部材を停止させて寸法反応部材の長さを収縮させ、付勢機構から負荷をなくして、弁部材の対応する動きが弁を閉じることを引起こす。（ｄ）受動的水圧リンク内の作動流体のうち少なくともいくらかが、ピストンの一方の側からピストンの他方の側へ流れることができるのに十分な時間を、連続する開弁同士の間に設ける。
【００２７】
この噴射弁の１つの利点は、これを採用すれば燃料を内燃機関内へ、サイクルの終わりごろに高圧で直接噴射できることである。たとえばこの噴射弁を用いると、内燃機関の燃焼室内に気体燃料を約２０００〜５０００ｐｓｉ（約１３．８〜３４．５ＭＰａ）の圧力で噴射できる。この噴射弁を用いて、液体燃料を内燃機関内へさらに高い圧力で導入することもできる。
【００２８】
この噴射弁のさらなる利点は、噴射弁を作動させるための作動力を生成するための能動的な水圧動作体および関連の高圧水圧システムに対する必要性をなくした噴射弁を提供することである。従来の能動的な水圧動作体とこの発明の水圧リンクとは異なっており、この発明の水圧リンクは受動的水圧リンクとして記述され得るが、なぜなら水圧リンク組立体内に封止された作動流体は作動力を伝達するのみであって、弁を作動させるための作動力を生成するのに用いられるのではないからである。むしろこの水圧リンクの目的は、少なくとも１つのばね部材およびアクチュエータ組立体に由来する対抗する作動力のための負荷経路を提供することである。従来の能動的な水圧動作体の必要がなくなることの利益として、関連の能動的な水圧システムがなくなることがある。従来の能動的な水圧アクチュエータ、たとえば噴射弁を作動させるのに作動流体圧の急速な増加および減少を用いるアクチュエータは、高圧作動流体源と接続されており、さらに、能動的な水圧動作体内およびここから外への作動流体の流れを制御するための弁を有する。能動的な水圧アクチュエータは、水圧シリンダ内およびここから外へ動かされる作動流体を採用し、水圧シリンダが高圧作動流体源と流体連通可能に接続されると、水圧シリンダ内に流れ込む高圧作動流体は、弁部材を動かすのに用いられる作動力を発生させる。この作動力は、水圧シリンダが高圧作動流体源から切断されて作動流体が水圧シリンダから抜き取られると除去される。この種の能動的な水圧アクチュエータの欠点は、水圧シリンダ内およびここから外への作動流体の動きに関連した遅れ時間があることである。
【００２９】
この受動的水圧リンクのさらなる利点は、これを採用すれば、示差熱膨張、摩損および寸法変動を、許可された製造上および組立上の公差内に修正できることである。ここで開示される受動的水圧リンクは、水圧ピストンの対向する側部間における作動流体の動きを許すことによって、上記の影響に応答して自分自身を自動調節し、こうして上記の利点を達成する。このようにアクチュエータ組立体が自分自身を再びゼロにする（re-zero）ことで、所望の弁部材リフトが確実に維持されるようにする。
【００３０】
直接作動噴射弁を採用する利点は、形状付けられた制御パルスを用いて、弁部材が開いた位置と閉じた位置との間で動く際に弁部材の加速および減速を制御できることである。たとえば磁気歪みアクチュエータが採用される場合、電磁コイルに与えられる電流は、たとえば弁をやさしく閉じるであろう態様で電流を減少させるように制御され得る。同様に、圧電アクチュエータが採用される場合、圧電積層体に印加される電圧を制御することで、たとえば過電圧（すなわち必要な変位をもたらすのに必要な電圧よりも高い電圧）を最初に与えることで開弁を加速させることができる。こうして制御パルスを用いて、磁気歪みまたは圧電アクチュエータの拡張および収縮を制御して弁部材の動きを制御できる。弁部材の減速を制御する１つの利点は、閉弁の際に弁座に対する弁部材の衝撃を減少させて弁構成要素に対する摩損を減少させ、こうして耐久性を改善できることである。
【００３１】
この噴射弁のさらなる利点は、繰返し可能な態様で弁部材の部分的なリフトをもたらすように制御パルスが形状付けられ得ることである。リフトの量を制御するには、制御パルスを形状付けて、それぞれ磁気歪みまたは圧電アクチュエータ組立体に向けられる電流または電圧の量を制御することがある。
【００３２】
ここに開示される噴射弁のさらなる利点は、実際の弁リフトが極めて小さい（典型的に０．１ミリメートルよりもはるかに小さい）ことであり、このため、より大きな弁リフト用に設計された弁と比較して、弁を完全に開けるまたは閉じるために弁部材速度をはるかに小さくでき、その結果衝撃および摩損を小さくできる。
【００３３】
上記およびその他の利点が、以下に記載の直接作動噴射機によって提供される。
【００３４】
図中、同様の参照番号を用いて異なる実施例における同様の構成要素を特定する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
好ましい実施例の詳細な説明
図１から図３は、内燃機関用の、外側に開く直接作動燃料噴射弁についての２つの異なる好ましい実施例を示す。弁を開けるために弁本体内に引込まれるニードルを採用したニードル弁とは異なり、外側に開く噴射弁では、弁を開けるには弁部材を外方向に、弁本体から離れるように延ばす。外側に開く燃料噴射弁を開けて燃料をエンジン内に噴射するためには、弁部材を弁座から離して燃焼室の方へ動かす。
【００３６】
図１および図２を参照して、噴射弁１００は細長い弁ハウジング１０２を含み、これは弁キャップ１０４と協働して流体封止弁本体を形成する。封止材１０６を用いて、組立てられた弁本体が流体に対し密閉性を有することを確実にすることがある。弁キャップ１０４は、流体が弁本体に入る引込ポート１０８を含む。弁ハウジング１０２はさらに弁座１１２を含むが、これは図２でよりよく示され、ここで噴射弁は開いた位置で示される。
【００３７】
これらの図は内燃機関用の燃料噴射弁の好ましい実施例を概略的に表わすものである。しかし当業者であれば、これらの図は設計図ではなく、一定の比例に応じて描かれてはいないことが認識できるであろう。たとえば弁ハウジング１０２は単一の要素として示されているが、製造上の目的から弁ハウジング１０２を複数片から構成することもできる。また図中においては、装置におけるいくつかの要素をよりよく示すために、いくつかの構成要素のサイズを誇張して描いてある。
【００３８】
図２の拡大図はさらに、弁座１１２をどのように角度付けて円錐状の表面を形成させるかを示し、さらにこの弁座がどのように弁部材１１４の角度付けられた封止表面と協働して、２つの表面が押圧され接触するときに流体に対し密閉性の封止をもたらすかを示す。弁座１１２、および弁部材１１４の封止表面は、所望の封止構成をもたらすのに加え、燃料を燃焼室内に噴射する方向を案内するように角度付けられる。この構成の利点は、噴射される燃料が途切れのない円錐形のシートとなり、燃焼の炎に連続的な表面が与えられ得ることである。外側へ開いた噴射弁の別の利点は、弁を閉じた際に燃焼生成物が噴射弁を塞いだりまたは詰まらせたりするという懸念が少なくなることであるが、それはニードル弁とは異なり露出したノズル孔がないからである。
【００３９】
弁ハウジング１０２はさらに、燃料がどのように燃焼室内へ導入されるかに対して影響を与えるための特徴を含み得る。たとえば図２ａは、弁部材１１４が弁座１１２に対して着座するところの下にノズル先端２０２を含む弁ハウジング１０２の一実施例を示す。ノズル先端２０２は、ノズルポートまたはオリフィス２０３によって燃焼室に接続された室を形成する。この実施例で室およびオリフィス２０３は、燃料噴射速度を遅くして点火性を改善するのに有利なサイズにされ得る。
【００４０】
さらに別の実施例では、図２ｂに示すように弁ハウジング１０２はさらに、突出部２０５を有する噴射先端を含むことができ、これは、噴射弁を開けているときに噴射される燃料の円錐形のシートに断絶を与えるように働く。当業者であれば、この発明はその他の弁先端構成と組合せられ得ることが理解できるであろう。好ましい弁先端構成はエンジンの他の特徴、たとえばピストンボールの形状、ならびにエンジンのサイズおよび動作条件などに依存し得る。
【００４１】
弁部材
図１を参照して、弁部材１１４は弁ハウジング１０２の内部に配置され、弁ハウジング１０２の先端にある開口部を通じて延びる。弁部材１１４の封止表面は弁座１１２と接触し、燃料が弁座１１２を超えて通過し燃焼室内に至るのを防ぐことで噴射弁１００を閉じる。図１の実施例では、弁部材１１４は弁棒１１４ａを含み、これは、弁本体から離れて外方向に動き、弁座１１２から離れてリフトすることで、開いた位置に動く。弁リフトは一般に小さい（たとえば約６５マイクロメートル）ため、弁棒１１４ａの直径、および弁棒１１４ａのまわりにある環状の開口部のサイズは、噴射弁を通じての流れの量が確実に十分なものとなるよう選択されるが、それは流れ面積（Ａ）が弁棒直径と比例するからである。したがって小さなリフトはより大きな直径によって補償され得る。図１に示す好ましい実施例では、弁部材１１４はさらに一体化されたピストン１１４ｂを含む。別の実施例（図示せず）では、別個のピストン部材が弁部材１１４と協働して同じ効果を達成することもある。
【００４２】
ばね組立体
ばね組立体は、弁部材１１４を閉じた位置に付勢する。好ましい構成においてばね組立体は、閉弁力を弁部材１１４に与えるための少なくとも１つの弁ばね１１６を含む。図１の実施例を参照して、弁ばね１１６は皿ばねまたはワッシャーばねとして示される。これに代えて異なる種類のばね、たとえばコイルばねなどを用いてもよい。予負荷プレート１２０を用いて弁ばね１１６に予め負荷をかけ、こうして弁１００が閉じた位置に付勢されるようにする。弁ばね１１６のもたらす閉弁力は、封止された弁本体の内部に向けられた燃料の高い圧力によって生じた対向する開弁力に抗うものである必要がある。図１に示す構成では、ねじ山を設けたそれぞれの表面が予負荷プレート１２０を弁ハウジング１０２と接合する。当該技術で公知のように、予負荷プレート１２０を回転させて弁ばね１１６を圧縮することで所望の予負荷力を弁ばね１１６に与えた後、予負荷プレート１２０は固定ナット（図示せず）を用いて定位置に保持され得る。
【００４３】
アクチュエータ組立体
アクチュエータ組立体は、ばね組立体で与えられる閉弁力と対向しかつこれよりも大きい開弁力を与えるように作動させられ得る。図１に示す実施例では、アクチュエータ組立体は、磁界に晒されたりまたは電圧をかけられたりすると弁ハウジング１０２の長手方向の軸の方向で膨張また収縮する、たとえばそれぞれ磁気歪み材料または圧電積層体などの部材を含む。
【００４４】
図１に示す実施例では、アクチュエータ組立体は固体の磁気歪み部材１３０を含む磁気歪みアクチュエータであり、ボビン１３１、電気コイル１３２および、磁気歪み部材１３０と弁ハウジング１０２との間の環状の空間内に配置された磁束管１３４を有する。図１に示すように、コイル１３１はボビン１３１に巻付けられ、磁束管１３４はボビン１３１および電気コイル１３２を取囲む。磁束管１３４としては一般的な炭素鋼を用いることができ、渦電流を断つための長手方向のスリットが設けられ得る。電流は電気リード（図示せず）を通じて電気コイル１３２へ供給される。電流が電気コイル１３２に与えられると、磁束が生じて磁気歪み部材１３０、固定極１３８、滑動極１４０、および磁束管１３４を通じて流れる。極１３８および１４０は、炭素鋼（たとえばＣＳ１０１８）、または低い磁気ヒステリシスを有する鋼など好適な材料からなる。固定極１３８は、予負荷プレート１２０と、磁気歪み部材１３０の端面と、ボビン１３１と、磁束管１３４との間で「固定された」位置に保持される。したがって、アクチュエータ組立体が作動させられて磁気歪み部材１３０の長さが増大すると、滑動極１４０は弁部材１１４の方へ押されて、噴射弁１００を開けるための力をもたらす。別の好ましい実施例（図示せず）では、磁束管１３４は弁ハウジング１０２と一体化され得る。すなわち弁ハウジング１０２は、構造的に好適かつ磁束通路として働くのに好適な磁気透過性材料から構成され得る。たとえば多くの種類の鋼がハウジング１０２の材料として好適である。ステンレス鋼が採用され得るが、より好ましくは、材料硬度特性および耐久性のため一般的な炭素鋼がより好適である。同様に、固定極１３８を予負荷プレート１２０と一体化させることも可能である。当業者であれば、この発明の精神および範囲から逸脱することなく、このような構成要素を有利に一体化できることが理解できるであろう。一体化の利点としてたとえば、製造される装置の含む部品がより少ないことによる効率性および低コストなどがある。
【００４５】
これら好ましい実施例の１つの利点は、中空の管の形状と比較して製造がより容易かつ安価である、固体の円筒ロッドとなった磁気歪み材料から磁気歪み部材１３０を作製できることである。
【００４６】
好ましくは、磁界が印加されるときの拡張の大きさを増幅するために、予圧縮力を磁気歪み部材１３０に加える。磁気歪み部材１３０の予圧縮は、印加された磁界の単位ごとの正味の変位を増加させる。同様に、磁気歪み部材１３０の代わりに圧電部材を用いた場合、予圧縮は印加された電圧の単位当りの圧電部材の正味の変位を増加させる。予圧縮力をもたらすには、ばね、たとえば皿ばね１５０などが採用され得る。これに代わる圧縮要素を皿ばね１５０の代わりに用いて予圧縮力をもたらしてもよく、これにはたとえばコイルばねまたはその他の種類で同じばね力のばねなどがある。たとえば約１０００ｐｓｉ（約６．９ＭＰａ）の予圧縮力を用いる場合、アクチュエータの変位は磁気歪み部材１３０の合計長さの約０．１３％まで増加し得る。しかし変位の量は、増加する温度の関数として減少し得る。たとえば典型的な往復機関シリンダヘッド温度では、実際の変位は予圧縮された磁気歪み部材１３０の長さのうち約０．０６５％であることもある。
【００４７】
磁気歪み部材１３０の寸法は噴射弁１００の要件によって規定される。たとえば噴射弁１００が少なくとも約６５ミリメートルのリフトをもたらすように設計される場合、磁気歪み部材１３０のサイズは少なくとも約１００ミリメートルの長さにされる。さらに、円筒形の磁気歪み部材１３０の横断面積は、対抗して噴射弁１００を閉じた位置に保持する力のすべてを克服するのに十分な力をもたらすように選択される。円筒形の磁気歪み部材１３０の断面積が十分でなければ、電気コイル１３２に一杯のエネルギーを与えたときですら、対抗する力が磁気歪み部材１３０の長手方向の変位を減少または妨害するおそれがある。このモードは「力がブロックされた（blocked force）」モードとして知られている。したがって、弁部材１１４に作用する閉弁力の大きさが磁気歪み部材１３０の最小断面積を規定する。
【００４８】
図１は磁気歪み部材１３０、電気コイル１３２および磁束管１３４を示しているが、これらに代えて圧電積層体（図示せず）を用いてもよい。電圧を圧電積層体に導くためには電気リードを使用できる。電圧が圧電積層体に印加されると、積層体は拡張して、噴射弁１００を開けるための起動力を生じさせる。したがってこの噴射弁の構成は、磁気歪みアクチュエータと圧電アクチュエータとで本質的に同じである。
【００４９】
水圧リンク組立体
アクチュエータ組立体により発生した開弁力は、水圧リンク組立体を通じて弁部材１１４へ伝達される。水圧リンク組立体は水圧シリンダ１６０を含み、これは水圧ピストン１１４ｂのまわりにぴったりと嵌合する関係で配置され、このピストンはシリンダ１６０内で長手方向に動くことができる。上述のように、図１の実施例において水圧ピストン１１４ｂは好ましくは一体的な弁部材１１４の一部であり、シリンダ１６０の側壁は弁部材１１４の動きを長手方向に案内する助けとなる。シリンダキャップ１６２および封止材１６６，１６８，１６９によって、粘性の作動流体が水圧シリンダ１６０内に封止される。封止材１６８，１６９によって、弁部材１１４はそれぞれシリンダ１６０およびシリンダキャップ１６２に対して動くことができる。公知の封止材、たとえばエラストマＯリング封止材、パッキン、金属封止材、または膜／ベロー封止材などが採用され得る。
【００５０】
水圧ピストン１１４ｂの外径と、水圧シリンダ１６０の内径との間における直径の遊隙は極度に小さい（２０５〜２５０ミクロンのオーダ）。遊隙の所望のサイズは、選択した作動流体の粘度、ピストンの軸方向長さ、およびピストンの上下にある作動流体の厚みなどいくつかの要因に依存する。遊隙における水圧流れはハーゲン・ポアズイユの流れによって支配され、作動流体および遊隙は好ましくは、開弁力が作動流体を通じて伝達されるときに燃料噴射事象のタイムスパン中における間隙を通じての作動流体の流れが問題にならないように選択される。さらに作動流体の粘度および体積弾性率は、アクチュエータ組立体の作動が開弁力をシリンダ１６０の底部と水圧ピストン１１４ｂとの間の作動流体を通じて急速に伝達させるときに、作動流体が圧縮不可能な固体として働くのに十分高くされることが好ましい。動作の一貫性のため、作動流体はまた、広範囲の温度にわたって（すなわちシリンダ１６０内で想定される動作温度内で）所望の特性を維持する極めて安定した流体であることが好ましい。好適な作動流体はたとえば従来のモータオイルたとえばグレード１５Ｗ４０、または合成潤滑油たとえばデュポン（Ｒ）（DuPont）のクライトクス（Ｒ）（Krytox）グリースであり、これは或る範囲にわたる粘度のものが入手可能である。クライトクス（Ｒ）は、増粘材と混合されてグリースを形成し得るペルフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）合成潤滑油である。これらの種類の作動流体はまた封止材１６８，１６９を潤滑する助けにもなる。異なる噴射弁の水圧ピストンおよび遊隙のサイズは異なり得るため、作動流体は、個々の噴射弁設計の特徴を考慮して選択され得る。
【００５１】
噴射弁１００が閉じられ休止しているとき、閉弁力はシリンダキャップ１６２と水圧ピストン１１４ｂとの間に保持された作動流体を通じて伝達される。典型的に、エンジン動作中、噴射弁１００はほとんどの時間（通常９０％を上回る時間）閉じている。したがって噴射事象同士の間には、作動流体が遊隙を通じて流れ再分配されることで水圧シリンダ１６０がピストン１１４ｂに対して動き自動的に自分自身を「再びゼロにする」のに十分な時間がある。開始時のゼロ位置は、噴射弁１００の組立後における水圧シリンダ１６０内の水圧ピストン１１４ｂの位置である。開始時のゼロ位置は、製造上の公差内の構成要素長さのわずかなばらつきのため、あらゆる噴射機について同じでないこともある。また動作中、構成要素間の寸法関係の変化、たとえば構成要素の摩損または示差熱膨張の影響によって引起こされるものに応答して、ゼロ位置は自動調整する。
【００５２】
示差熱膨張または収縮は、熱膨張係数における差異、または構成要素間の不均一な熱分布によって引起こされ得る。噴射弁１００の構成要素、たとえば磁気歪み部材１３０、弁部材１１４および弁ハウジング１０２などが、他の構成要素の熱膨張速度に対し良好に適合して設計されている場合でも、弁リフトおよびこのようなリフトを引起こす構成要素の変位は極めて小さいため、所望の弁リフトを確実に達成するには熱膨張または熱収縮の影響を考慮に入れる必要がある。噴射弁が広範囲の温度に晒される場合、熱膨張および熱収縮の影響は増幅され得る。車両に使用される噴射弁については、−４０℃（寒冷気候下）から＋１２５℃（エンジン動作時）までの温度範囲を想定することすら稀ではないであろう。不均一な温度分布は多くの要因の結果であり得るが、これにはたとえば（１）電気コイル１３２で生じた熱、（２）アクチュエータ組立体における磁気ヒステリシス、および（３）シリンダヘッドまたは燃焼室から噴射弁先端および弁部材１１４を介しての熱伝達、の影響などが含まれる。弁部材１１４の変位に対して示差熱膨張または収縮が及ぼす影響全体が勘案されなければ、これが目標のリフトより大きいこともあり得る。
【００５３】
要約すると、水圧リンク組立体は、製造プロセスおよび噴射弁組立方法における許容公差から生じる構成要素寸法のばらつきを勘案する。したがって水圧リンク組立体は、噴射弁構成要素の製造公差の精密さをより小さくすることによって製造コストを減少させる。加えて動作中に、水圧リンク組立体は噴射事象同士の間で自分自身を自動調節し、噴射弁構成要素間の寸法関係の変化、たとえば示差熱膨張もしくは収縮、または構成要素の摩損によって引起こされ得る変化を勘案する。
【００５４】
図２は、燃料引込口２０８が弁ハウジング１０２の側部に位置する噴射弁の実施例を示す。この構成の利点は、アクチュエータおよび水圧リンク組立体を通じての流体経路が必要でなく、これら構成要素の構造が簡単になり、上部弁組立体に必要な断面積が減少することである。図２に示した、たとえばＯリングまたはパッキンタイプの封止材であり得る封止材２７０は、水圧リンクおよびアクチュエータ組立体を収容する弁本体の部分に高圧燃料が入ることを防ぐ。図２の実施例においても、図１に示すガイド１８０と類似のガイド（図２では図示せず）が、弁部材１１４の動きを案内する助けとなるように用いられ得る。
【００５５】
図３は、Ｔ字状の断面を有する弁部材３１４を採用した噴射弁の実施例を示す。この実施例は図１の実施例と実質的に同じ態様で動作する。図３の実施例の１つの利点は、封止材１６９がなくされることである。もう１つの利点は、弁部材３１４、滑動極３４０およびシリンダキャップ３６２がより単純な形状であるため製造がより容易であり、さらに、水圧ピストン３１４ｂから突き出る弁棒がないため嵌合の公差がより小さいことである。
【００５６】
動作の概要
噴射弁１００が休止中で閉じた位置にあるとき、弁部材１１４を弁座１１２に対して付勢する閉弁力は弁ばね１１６および皿ばね１５０に由来するものである。ここに示す好ましい実施例では、弁ばね１１６は水圧ピストン１１４ｂに対して直接もたれかかることで閉弁力を直接弁部材１１４に伝達させる。皿ばね１５０は水圧シリンダ１６０にもたれかかり、水圧シリンダ１６０、シリンダキャップ１６２および滑動極１４０からなる滑動組立体を通じて、予圧縮力がアクチュエータ組立体へ伝達される。皿ばね１５０もまた閉弁力を弁部材１１４に加えるが、それは、弁ばね１１６を支持する水圧シリンダ１６０に皿ばね１５０が力を加えるからである。閉弁力は機械的ばね部材、たとえばここに例示のコイルばねなどによって与えられることが好ましく、これにより噴射弁１００の故障モードは閉じた位置においてとなる。すなわち作動組立体がエネルギーを供給されない、または故障した場合、噴射弁１００は閉じた位置にとどまることになる。
【００５７】
噴射事象を開始するために、電流を電気コイル１３２に導くことでアクチュエータ組立体にエネルギーを供給する。磁束が発生して磁気歪み部材１３０、極１３８，１４０、および磁束管１３４を通じて流れる。磁界の影響下で磁気歪み部材１３０は長さ（磁界の方向）において拡張する。固定極１３８は静止しているため、磁気歪み部材１３０は水圧シリンダ１６０の方向に拡張する。拡張する磁気歪み部材１３０から生じた開弁力は、滑動極１４０、シリンダキャップ１６２、シリンダキャップ１６２と水圧ピストン１１４ｂの平面状の表面との間の空間内に配置された作動流体１６４ｂ、そして最後に、ここに示す実施例では弁部材１１４と一体化されたピストン１１４ｂを通じて伝達される。開弁力は閉弁力よりも大きく、その結果弁ばね１１６は圧縮される。水圧シリンダ１６０の変位もまた、結果として皿ばね１５０をさらにいくらか圧縮させる。
【００５８】
既に論じたように、弁の作動は突然に（２００ｍｓのオーダで）起こるため、作動流体１６４ｂはピストン１１４ｂと水圧シリンダ１６０との間の狭い遊隙を通って流れる時間がない。むしろ作動流体１６４ｂは固体として働き、磁気歪み部材１３０の動きをピストン１１４ｂを通じて弁部材１１４へ伝達し、弁部材１１４を弁座１１２から離れてリフトさせる。噴射弁１００が開いているのは極めて短い時間（典型的に３ミリ秒未満）であるため、作動流体１６４の粘度が適切に選択され、かつ遊隙が好適なサイズである限り、噴射弁１００が開いている間における遊隙を通じての作動流体１６４の流れは問題にならず、このような流れが引起こす変位はいずれも弁部材１１４の変位の総計よりもはるかに小さい。
【００５９】
弁部材１１４の動きは弁先端近傍においてガイド１８０により案内される。ガイド１８０は長手方向の溝または長手方向のボアもしくはスロット（図示せず）を含み、これにより燃料がここを通過して弁先端内に至ることを可能にする。弁部材１１４はまた、水圧ピストン１１４ｂの側壁と、水圧シリンダ１６０の内壁との協働によっても案内される。図１の実施例に示すように、燃料引込口１０８はキャップ１０４に位置し、燃料は中空の弁本体を通じて流れる。好ましい応用例で燃料は気体燃料であるため、弁構成要素間の極めて小さな間隙でも、気体燃料を弁本体の長さを通じて対向する端部まで流すには十分であり、ここで燃料は噴射弁の先端を通じてエンジンの燃焼室内に導入される。弁内部を通じての燃料の流れはまた、弁構成要素の側壁に長手方向の溝（図示せず）を設ける、および／または構成要素にわたって孔もしくはスロット（たとえば固定極１３８を通る孔１３８ａを参照）を設けることによって容易にされ得る。燃料が噴射弁の内部を通じて流れるようにすることは、弁構成要素を冷却し、アクチュエータ組立体で発生され得る熱を除去する助けとなる。この仕方で燃料を用いアクチュエータ組立体を冷却する場合、アクチュエータ組立体により生じた熱が通常動作の際に引起こす温度上昇は１０℃未満であることが熱モデルにおいて予測されている。
【００６０】
噴射弁１００を閉じるには、噴射事象の終りに電気コイル１３２からエネルギーをなくして磁気歪み部材１３０を収縮させる。弁部材１１４が開いた位置から閉じた位置へ動くとき、この閉弁力は弁ばね１１６および皿ばね１５０に由来するものである。弁ばね１１６からの閉弁力は再び水圧ピストン１１４ｂを通じて弁部材１１４へ伝達される。開いた位置では、拡張した磁気歪み部材１３０は皿ばね１５０を圧縮していたので、閉弁の際に皿ばね１５０は圧縮がなくなってシリンダ１６０をアクチュエータ組立体の方へ押し、磁気歪み部材１３０を圧縮する。皿ばね１５０はまた、追加的な閉弁力を弁部材１１４に与えるために或る閉弁力を発生させ、この閉弁力は皿ばね１５０から水圧シリンダ１６０、弁ばね１１６、そして水圧ピストン１１４ｂを通じて伝達される。
【００６１】
弁部材１１４が一旦弁座１１２と接触すると噴射弁１００は閉じられる。噴射弁１００が閉じられると、水圧リンク組立体は自動的に自己調節し、こうして水圧ピストン１１４ｂに対する水圧シリンダ１６０の位置は、弁部材１１４が開いた位置にあった間に生じていたであろう水圧シリンダ１６０に対する弁部材１１４のあらゆる小さな動き、摩損および温度の影響を勘案するように修正される。自己調節は、水圧ピストン１１４ｂの一方の側における室１６４ｂから水圧ピストン１１４ｂの他方の側における室１６４ａへの作動流体の移動によって達成され、一方で弁ばね１１６および皿ばね１５０によって噴射弁は確実に閉じたままとなり、弁部材１１４は弁座１１２に対して着座させられる。
【００６２】
制御手順
噴射弁を制御するための弁アクチュエータに送出される電流の量を表わす好ましい波形を図４に示す。ここに例示の波形は、制御パルスが、それぞれ磁気歪み部材または圧電部材の動きを制御するためにいくつかの特徴を用い得ることを示す。
【００６３】
たとえば、磁気歪み部材を採用したアクチュエータの場合、電流は電気コイルへ向けられ、このコイルを用いて磁気歪み部材を作動させる。磁界の強さは、電気コイルに向けられる電流の量と直接比例する。すばやい開弁を促進するために、噴射事象の直前の短時間（たとえば１００マイクロ秒）の間、実質的に等価の正および負の電圧間の高周波電圧サイクルで電流を開始することが好ましい。たとえばこれら高電圧サイクルは１００ｋＨｚのオーダであり得る。
【００６４】
波形Ａは噴射事象の好ましいパルス形状の一例を示す。噴射事象を開始するために、電流をＩ１まで急速に増加させて弁を開けるが、Ｉ１は所望のリフトに対応すると知られている大きさである。弁が開きつつあるとき、高周波電圧サイクルは正および負の電圧間で継続するが、正味の正の電圧である。所望の弁リフトに達すると電流をＩ１に維持し、コントローラにより予め定められた持続時間だけ弁リフトを維持する。コントローラは現在のエンジン負荷および需要に応答する。
【００６５】
噴射事象を終わらせるために、電流を実質的に０アンペアに落ちるまで減少させるが、これを行なうには、高周波電圧サイクルを印加し、かつ各サイクルにおいて正の電圧よりも長い時間負の電圧を維持する。図４の破線で示すように、波形の形状は所望の効果を達成するように制御され得る。たとえば破線の波形Ｂは、噴射事象開始の際、開弁と燃料の導入とをさらに加速させるために、電流を最初に、所望のリフトをもたらすのに必要な大きさよりもはるかに高いＩ２まで増加させ得ることを示す。エネルギーを節約し、かつ噴射事象の持続時間中に所望のリフトを維持するために、この後電流をＩ１まで下げる。この例で電流Ｉ１は、所望のリフトを維持すると知られている電流に対応する値を有する。
【００６６】
波形Ｃは、噴射事象中に維持される電流の大きさを変えることで異なる量の弁リフトを達成できることを示す。波形Ｃはより低いリフトをもたらすよう電流をＩ３に維持し、波形Ａの噴射事象と比較して少量の燃料を噴射する。波形Ｃはまた、波形Ａがもたらすであろう噴射事象と比較して短い持続時間の噴射事象を示している。
【００６７】
破線Ｄは、波形の形状を操作して弁部材の動きに影響を与え得ることを示す。この例では、閉弁を加速させるために瞬間的に電流を負であるＩ４に落とし、次に弁部材を減速させるために瞬間的にＩ５に上げて再び正にすることで、弁部材および弁座に対する衝撃および摩損を減少させる。電流を正に保つ（すなわちＩ４はゼロに等しい）こともあり、電流を瞬間的にＩ５まで上げて、弁部材が弁座と接触する前に弁部材を減速できる。破線Ｅはまた、電流をゼロに落とす速度を下げることによって、弁座および弁部材に対する閉弁時の衝撃および摩損を減少できることを示す。
【００６８】
当業者であれば、制御波形の傾斜を増加させることで噴射弁を開けるもしくは閉じるための時間を減少させ得る、または波形の傾斜を減少させることでこの時間を増加させ得ると理解できるであろう。要約すると、制御波形の形状を操作することにより、弁部材の動きの速さ、および（リフトを制御するため）弁座に対する弁部材の変位に対し、所望の影響を及ぼすことができる。
【００６９】
図４の波形についてのタイムスパンは１００〜５０００マイクロ秒、典型的には噴射事象のほとんどにつき２５０〜２０００マイクロ秒の範囲内であり得る。
【００７０】
上述の直接作動噴射弁と制御手順とを組合わせることにより、以下のことを含むいくつかの利益が提供される。
【００７１】
・従来の水圧式作動噴射弁に必要な作動流体供給システムがなくなる。これにより、たとえば従来の水圧式作動噴射弁で採用されていた作動流体供給通路および戻り通路ならびに作動流体制御弁の必要がなくなるため、噴射弁の構成が簡単になる。
【００７２】
・噴射弁内の示差熱膨張、長期にわたる動作による摩損、および製造上の公差における制限の引起こす小さな差異が自動的に補償される。
【００７３】
・燃料の流れを絞り、弁座の摩損を減少させることができる制御手順が使用可能な装置が提供される。リフト変位を制御できることで、より低い負荷において噴射を減少させ、かつ予め混合された燃焼を減少させることが可能になる。たとえば、磁気歪みまたは圧電アクチュエータを用いて、弁部材の動きは約１０％から１００％の間で制御され得る。より低い負荷条件の場合、燃焼室への燃料の流れを減少できることが重要であるが、それは過剰な燃料が燃焼されずに、結果として動作効率が低下し排気量が増加するおそれがあるからである。
【００７４】
・線対称の円筒形部品を用い、かつ噴射弁構成要素間における厳しい公差を少なくすることで、製造性の向上が可能となる。
【００７５】
・作動組立体が弁部材に対しより大きな制御性を可能にするので、弁動作が向上する。たとえば、噴射弁は気体燃料または液体燃料の噴射に使用可能である。燃料が気体である場合、閉弁の際に弁部材を減速させる必要性はより大きいが、それは弁座に対する弁部材の衝撃を減衰させる液体燃料がないからである。アクチュエータに印加される制御パルス波形を形状付けることにより、噴射弁の閉弁を減速し弁部材および弁座に対する衝撃を減少させることができる。
【００７６】
この発明について特定の要素、実施例および応用例を示し記載したが、当然のことながらこの発明はこれらに限定されず、特に上述の教示に照らせば、この開示の範囲から逸脱することなく当業者により変形が行なわれ得ることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】受動的水圧リンク組立体を伴う直接作動燃料噴射弁の好ましい実施例を示す断面図である。
【図２】燃料引込ポートを代替的な場所に設けた、開いた位置において示す燃料噴射弁の下部を拡大して示す部分断面図である。
【図２ａ】噴射弁用のノズル先端の一実施例を示す部分断面図である。
【図２ｂ】噴射弁用のノズル先端の一実施例を示す部分側面図である。
【図３】受動的水圧リンク組立体についての異なる構成を有する直接作動燃料噴射弁の別の好ましい実施例を示す断面図である。
【図４】燃料噴射弁のアクチュエータ組立体に印加される電流を制御する好ましい方法を示すタイミング図である。

Claims (41)

1. 内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための噴射弁であって、前記噴射弁は、
   （ａ） 弁ハウジングを備え、前記弁ハウジングは、
   燃料引込ポートと、
   前記燃料引込ポートに流体連通可能に接続された内室と、
   弁部材と協働して、前記噴射弁が閉じているときに前記燃焼室から前記内室を封止するための弁座とを含み、
   （ｂ） 前記弁部材は、前記弁ハウジング内に配置された一端と、前記弁座から前記燃焼室へ延びることができる反対端とを有し、前記弁部材は封止表面を含み、前記封止表面は、前記噴射弁が閉じているときに前記弁座に対して流体封止し、かつ前記噴射弁が開いているときに前記弁座から離れてリフトでき、前記噴射弁はさらに、
   （ｃ） 前記弁部材と関連付けられた付勢機構を備え、前記付勢機構は、前記弁部材が前記閉じた位置にあるときに前記弁部材に閉弁力を加え、前記噴射弁はさらに、
   （ｄ） 前記弁部材と関連付けられたアクチュエータ組立体を備え、前記アクチュエータ組立体は、前記閉弁力よりも強い開弁力を前記弁部材に加えて前記弁部材を前記開いた位置に動かすように作動可能であり、前記噴射弁はさらに、
   （ｅ） 前記開弁力および閉弁力が伝達される作動流体の厚みを有する受動的水圧リンクを含む水圧リンク組立体を備え、前記作動流体は実質的に固体として働き、前記厚みは、前記アクチュエータ組立体が作動させられている間実質的に一定であり、前記水圧リンクの前記厚みは、前記アクチュエータ組立体が作動させられていない間、前記噴射弁の構成要素間の寸法関係の変化に応答して調節可能であり、こうして前記アクチュエータ組立体の作動の際に所望の弁リフトを維持する、噴射弁。
2. 前記水圧リンクの前記厚みは、前記アクチュエータ組立体が作動させられていない間、示差熱膨張により引起こされる前記寸法関係の変化に応答して自動調節可能である、請求項１に記載の噴射弁。
3. 前記水圧リンクの前記厚みは、前記アクチュエータ組立体が作動させられていない間、前記噴射弁の構成要素に対する摩損により引起こされる前記寸法関係の変化に応答して自動調節可能である、請求項２に記載の噴射弁。
4. 前記水圧リンク組立体は、前記内室から流体封止された流体封止水圧シリンダを含み、前記水圧リンク組立体はピストンを含み、前記作動流体は前記水圧シリンダ内に配置される、請求項１に記載の噴射弁。
5. 前記ピストンは一体的な前記弁部材の一部である、請求項４に記載の噴射弁。
6. 前記アクチュエータ組立体は寸法反応部材を含む、請求項１に記載の噴射弁。
7. 前記寸法反応部材は磁気歪み材料から形成される、請求項６に記載の噴射弁。
8. 前記磁気歪み材料は、テルビウム、ジスプロシウムおよび鉄を含む合金を含む、請求項７に記載の噴射弁。
9. 前記アクチュエータ組立体はさらに、前記寸法反応部材のまわりの環状の空間に配置された電気コイルを含む、請求項７に記載の噴射弁。
10. 前記アクチュエータ組立体はさらに、前記電気コイルのまわりに配置された磁束管を含む、請求項９に記載の噴射弁。
11. 前記磁束管は前記電気コイルのまわりの環状の空間に配置される、請求項１０に記載の噴射弁。
12. 前記アクチュエータ組立体は前記内室の中に配置される、請求項１０に記載の噴射弁。
13. 前記寸法反応部材は圧電材料から形成される、請求項６に記載の噴射弁。
14. 前記寸法反応部材に圧縮力を加えるための圧縮ばね部材をさらに含む、請求項６に記載の噴射弁。
15. 前記燃料引込ポートは、燃料が前記弁ハウジングに入って前記アクチュエータおよび水圧リンク組立体を通過するように位置づけられる、請求項１に記載の噴射弁。
16. 前記燃料引込ポートは、前記内室を通って流れる燃料が前記アクチュエータ組立体と接触しないように、弁先端近くに位置づけられる、請求項１に記載の噴射弁。
17. 前記アクチュエータ組立体は、最大リフトのうち１０％から１００％の間で前記所望のリフトを維持するように制御可能である、請求項６に記載の噴射弁。
18. 前記リフトは、前記寸法反応部材に与えられる電流、電圧および磁界のうち少なくとも１つを変化させることで制御可能である、請求項１７に記載の噴射弁。
19. 前記弁部材は、前記開いた位置と閉じた位置との間を約２００マイクロ秒未満で前記弁部材が動くように制御可能である、請求項６に記載の噴射弁。
20. 前記寸法反応部材に圧縮力を加えるための付勢機構をさらに含む、請求項６に記載の噴射弁。
21. 前記付勢機構はばねを含む、請求項１に記載の噴射弁。
22. 前記ばねは少なくとも１つの皿ばねを含む、請求項２１に記載の噴射弁。
23. 前記燃料は気体燃料である、請求項１に記載の噴射弁。
24. 前記作動流体は液体である、請求項２３に記載の噴射弁。
25. 前記作動流体は、モータオイルおよびグリースからなる群から選択された液体である、請求項２４に記載の噴射弁。
26. 前記燃料は、約２０００ｐｓｉ（約１３．８ＭＰａ）よりも大きい圧力で前記燃焼室内に噴射される、請求項１に記載の噴射弁。
27. 前記弁ハウジングは、互いに接合されて流体封止本体を形成する複数の部品を含む、請求項１に記載の噴射弁。
28. 前記弁ハウジング、前記弁部材および前記アクチュエータ組立体は、温度変化により引起こされた前記構成要素間の寸法関係の変化を減少させるのに十分適合された熱膨張係数を有する材料から選択される、請求項１に記載の噴射弁。
29. 内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための噴射弁であって、前記噴射弁は、
    （ａ） 弁ハウジングを備え、前記弁ハウジングは、
    燃料引込ポートと、
    前記燃料引込ポートに流体連通可能に接続された内室と、
    前記燃焼室に面する前記ハウジングの端部に設けられた弁座とを含み、前記噴射弁はさらに、
    （ｂ） シャフト部分を含む弁部材を備え、前記シャフト部分は、円形のヘッドが軸に直交するように設けられた第１の端部を有し、前記ヘッドは前記弁座に面する環状の封止表面を形成し、前記シャフトの第２の端部はピストン部分と関連付けられ、前記弁部材は、前記封止表面が前記弁座と接触して前記燃焼室から前記内室を流体封止する、閉じた位置と、前記封止表面が前記弁座から隔てられて前記内室が燃焼室と流体連通可能に接続される、開いた位置との間で動くことができ、前記噴射弁はさらに、
    （ｃ） 前記弁部材の前記ピストン部分と関連付けられた付勢機構を備え、前記付勢機構は、前記弁部材が前記閉じた位置にあるときに前記弁部材に閉弁力を加え、前記噴射弁はさらに、
    （ｄ） 前記閉弁力よりも強い開弁力を前記弁部材に加えて前記弁部材を前記開いた位置に動かすためのアクチュエータ組立体を備え、前記アクチュエータ組立体は、電流、電圧および磁界のうち少なくとも１つが加えられることに対する寸法反応性を有する部材を含み、前記寸法反応部材は、前記弁ハウジングに対して固定した位置に維持される固定極と滑動極との間に配置され、前記滑動極は前記寸法反応部材の膨張によって変位可能であり、前記噴射弁はさらに、
    （ｅ） 前記弁部材の前記ピストン部分のまわりに配置された流体封止水圧シリンダを含む水圧リンク組立体を備え、作動流体が前記水圧シリンダ内に配置され、前記弁部材に対して加えられる前記開弁力および閉弁力は前記作動流体の厚みを通じて伝達され、前記作動流体は水圧リンクとして働き、前記厚みは、前記噴射弁の構成要素間の寸法関係の変化に応答して自動的に調節可能であり、こうして前記アクチュエータ組立体の作動の際に所望の弁リフトを維持する、噴射弁。
30. 前記寸法反応部材は磁気歪み材料から形成される、請求項２９に記載の噴射弁。
31. 前記磁気歪み材料は、テルビウム、ジスプロシウムおよび鉄を含む合金を含む、請求項３０に記載の噴射弁。
32. 前記アクチュエータ組立体はさらに、前記寸法反応部材のまわりの環状の空間に配置された電気コイルを含む、請求項３０に記載の噴射弁。
33. 前記アクチュエータ組立体はさらに、前記電気コイルのまわりの環状の空間に配置された磁束管を含む、請求項３２に記載の噴射弁。
34. 前記寸法反応部材は圧電材料から形成される、請求項２９に記載の噴射弁。
35. 前記寸法反応部材に圧縮力を加えるための圧縮ばね部材をさらに含む、請求項２９に記載の噴射弁。
36. 形状付けられた波形を用い電流を制御して内燃機関用の噴射弁を作動させる方法であって、磁気歪み材料および圧電材料のうち少なくとも１つを含む寸法反応アクチュエータ組立体と、前記内燃機関の動作範囲内におけるエンジン負荷需要について予め定められた値に従い弁リフトおよび持続時間を支配するためのコントローラとを用い、前記コントローラは前記アクチュエータ組立体に向けられる電流および電圧を制御し、前記方法は噴射事象ごとに、
    （ａ） 高周波電圧サイクルを印加し、かつ各サイクルにおいて正味の正の電圧を維持することによって、電流を、所望のリフトに対応すると知られている大きさにまで急速に増加させることで、噴射事象を開始するステップと、
    （ｂ） 前記コントローラにより予め定められた持続時間だけ前記所望のリフトを制御するように電流を維持するステップと、
    （ｃ） 高周波電圧サイクルを印加し、かつ各サイクルにおいて正味の負の電圧を維持することにより、電流を０アンペアに落ちるまで減少させることで、噴射事象を終わらせるステップとを含む、方法。
37. 前記噴射事象を開始するステップはさらに、最初に電流を、所望のリフトについての値よりも高いスパイク値まで増加させて前記弁を急速に開け、それから所望のリフトを引起こす値まで電流を減少させるステップを含む、請求項３６に記載の方法。
38. 前記スパイク値は、所望のリフトを引起こすのに必要な値よりも高い大きさのオーダ近くまでである、請求項３７に記載の方法。
39. 相殺する正および負の電圧間で高周波電圧サイクルを印加して、噴射事象の直前に０アンペアに近い電流を発生させるステップをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
40. 前記弁を閉じた位置から前記所望のリフトへと開ける時間は、約１００マイクロ秒未満である、請求項２９に記載の方法。
41. 内燃機関用の燃料噴射弁を動作させる方法であって、前記噴射弁は長手方向の軸を有し、前記方法は、
    （ａ） 磁気歪み材料および圧電材料のうち少なくとも１つを含む寸法反応部材を作動させるステップを含み、前記寸法反応部材は、前記アクチュエータの作動の際に前記長手方向の軸の方向で長さにおいて拡張し、前記方法はさらに、
    （ｂ） 前記作動させられた寸法反応部材により引起こされた動きを受動的水圧リンクを通じて伝達させ、前記弁部材の対応する動きが前記弁を開けることを引起こすために前記弁部材を弁座からリフトし、かつ前記弁を閉じた位置に付勢する付勢機構を圧縮するステップを含み、前記受動的水圧リンクは、ピストンを収容し作動流体で充填される水圧シリンダを含み、前記作動流体は前記ピストンとシリンダヘッドとの間に層を形成し、前記弁が開いている持続時間が短いので前記作動流体は前記ピストンにおける一方の側から他方の側へ流れる時間がなく、前記噴射弁が開いている間、前記作動流体の層は圧縮不可能な固体として働き、前記寸法反応部材の作動により引起こされた動きは前記流体の層を通じて伝達され、前記方法はさらに、
    （ｃ） 前記寸法反応部材を停止させて前記寸法反応部材の長さを収縮させ、前記付勢機構から負荷をなくして、前記弁部材の対応する動きが前記弁を閉じることを引起こすステップと、
    （ｄ） 前記受動的水圧リンク内の前記作動流体のうち少なくともいくらかが、前記ピストンの一方の側から前記ピストンの他方の側へ流れることができるのに十分な時間を、連続する開弁同士の間に設けるステップとを含む、方法。

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