JP4571669B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、燃料噴射弁、および内燃機関の中への燃料の流れを制御するためにこのような燃料噴射弁を作動する方法に関する。特に、この燃料噴射弁は、弁ニードルの所定の移動範囲に対してほぼ一定の質量流量を与えるノズルを有している。

燃料噴射弁は、内燃機関の燃焼室へ導入される燃料の量を調節するための多くの制御方法を用いることができる。例えば、一般に知られている制御方法により操作されることができるパラメータのうちの幾つかは、噴射事象のパルス幅、燃料の圧力および弁ニードルのリフトである。

噴射事象の「パルス幅」は、ここでは、燃料を燃焼室の中へ噴射し得るように燃料噴射弁が開いている時間によって定められる。一定の燃料の圧力および一定の弁ニードルのリフトを仮定して、より長いパルス幅では、燃焼室に導入される燃料の量が多くなる。

しかしながら、燃料の圧力は、噴射事象ごとに一定である必要がなく、燃料の圧力は、燃焼室に導入される燃料の量を増やすように上昇されることができる。逆に、燃料の圧力は、例えばアイドリングまたは低負荷状態中、より少ない量の燃料をエンジンへ噴射するように減少されることができる。

更に他の例として、幾つかの種類の燃料噴射弁は、燃焼室に導入される燃料の量に影響するように弁ニードルのリフトを制御することができる。ニードルのリフトの増大は、噴射される燃料の量の増大に概ね対応し、幾つかの燃料噴射弁は、最大の流量未満の流量を許容するために弁ニードルを閉鎖位置と全開位置との間の中間位置に保持するように制御されることができる。弁ニードルのリフトを制御するために、燃料噴射弁は、ニードルを上昇させて閉鎖位置と全開位置との間の中間位置に保持するように制御可能である機械的装置またはアクチュエータを用いることができる。

ヨーロッパ特許明細書第ＥＰ０６１５０６５Ｂ１（「シバタ」）は、カム駆動式プランジャを有する噴射ポンプを使用して液状燃料を噴射するための燃料噴射弁を開示しており、このカム駆動式プランジャは、往復運動して燃料の圧力を増大させて燃料噴射弁を作動する。カムは、プランジャが可変速度で移動可能であるように、ポンプの燃料供給速度が低い低速領域と、燃料供給速度が高い高速領域とを有している。噴射弁は、ノズルニードルに形成された細長いピンを有しており、このピンは、ノズルニードルが移動するときでも、ピンが噴射穴に位置されると、噴射ポートにおける燃料通路の大きさをほぼ一定に保つためのものであり、それにより燃料に噴射質量流量は、ピンが噴射穴から上昇されるまで、ほぼ一定である。シバタは、噴射事象の過程中、（ピンが噴射穴に位置されている間）燃料の噴射流量が初めは低く、次いで（ピンが噴射穴から上昇されると）より高い燃料の噴射流量まで上昇されるように、燃料の噴射質量流量を形作るために用いられることができる装置および方法を開示している。しかしながら、噴射ポンプは、カム／プランジャ構成を使用して機械的に駆動されるので、燃料に噴射質量流量の形は、噴射事象ごとに概ね同じである。噴射事象ごとに、ノズルニードルは、閉鎖位置から全開位置まで連続的に移動し、次いで閉鎖位置へ戻り、ノズルニードルの端部のピンは、段階状の噴射パルスを生じる絞りをもたらす。シバタは、弁ニードルを中間位置に保持するように駆動可能である、弁ニードルを駆動することによって燃料の質量流量を調整するための装置または方法と、弁ニードルのリフトが噴射中および噴射ごとに可変である方法とを開示していない。すなわち、シバタは、噴射事象全体の間、より低い質量流量が与えられるように噴射事象の持続時間の間、中間位置までの弁ニードルの部分上昇を許容し、且つ他の噴射事象の間。全開位置までの弁の上昇を許容する装置または方法を開示していない。

公知の制御方法のための困難な作業は、アイドリングまたは低負荷の状態下でエンジンの燃焼室の中へ噴射される燃料の量を制御することである。このような状態下では、燃料噴射弁は、少量のみの燃料を燃焼室の中へ噴射することが必要とされ、燃焼室の中へ噴射される燃料の量のわずかな変化でも、不安定な作動を引き起こしてしまう燃料の噴射量の著しい変化が生じてしまう。高負荷の状態下では、同じ程度の大きさの燃料の量の変化は、エンジンの作動に衝撃をさほど及ぼさない。何故なら、これらの変化は、噴射された燃料の所望量と噴射された燃料の実際の量との差が噴射された燃料の全量のパーセントとして考えられるとき、この差の非常に小さい変化を表すからである。

アイドリングおよび低負荷の状態中に噴射される燃料の量を制御するために、制御方法がパルス幅のみを操作するなら、この方法は、一貫した効率的な燃焼をもたらすには短すぎるパルス幅を生じる。従って、噴射される燃料の量を減少させるためにアイドリングまたは低負荷の状態におけるパルス幅を単に短くすることは、望ましい方法ではない。

燃料の圧力を低減することによって、アイドリングまたは低負荷の状態について十分に長いパルス幅が達成されることができる。液状燃料では、これは、実行可能な方法であるが、燃料の圧力を制御するための装置を必要とし、燃料噴射装置のコストおよび複雑さを増す。例えば、公知の液状燃料装置は、高圧燃料の一部を燃料タンクに戻すことによって燃料の圧力を低減することができる。液状燃料では、圧力をどのくらい低く低減することができるかについて限度がある。何故なら、燃料がエンジンの燃焼室に導入されるときに燃料を霧化するために、最小の燃料の圧力が必要とされるからである。しかしながら、この方法は、ガス状燃料ではより困難である。ガスは液状燃料と比較して圧縮可能な流体であるので、非常に多くのガス状燃料が、燃料の圧力の匹敵した低減のために燃料タンクに戻されなければならなく、ガス状燃料タンクが加圧されれば、タンクの圧力が燃料軌道圧力を超える時があることがあり、戻りの流れを不可能にする。その結果、望ましくない大気への燃料のいくらかの漏れなしにガス状燃料の圧力を急速に低減することは困難であることがある。従って、噴射事象中または噴射事象ごとに燃料の噴射質量流量を制御するための所望の応答性を達成するために燃料の圧力を制御することが困難であることがある。また、各噴射事象のために望まれる精度で正確な量の燃料を正確に噴射するために燃料の圧力および噴射弁の駆動を制御することが困難であることがあり、また、燃料の量のほんの少しの変化でも、不安定な動作状態を引き起こすことがある。従って、燃料の噴射圧力を単独で制御することは、燃料噴射弁を通る燃料の質量流量を調整するための望ましい方法ではない。

燃料噴射弁が弁ニードルのリフトを制御するように作動可能であれば、十分に長いパルス幅を与えてアイドリング中または低負荷の状態下で作動中であるエンジンに対して所望の量の燃料を噴射するように、流量が制御されることができる。日本特許出願第６００３１２０４号により示されるように、燃料噴射弁は、弁ニードルのリフトを制限するように移動可能であるストッパを備えることができる。この種類の機械的構成は、燃料噴射弁に著しい複雑さを与え、その結果、より高い製造コスト、燃料噴射弁組立体を装着するための空間要件、メンテナンスコストおよび信頼性の問題を生じる。

他の方法では、可変のオリフィス領域を用いることによって噴射される燃料の量を制御する燃料噴射弁が知られている。すなわち、この噴射弁は、２組のオリフィスを有することができ、それにより、弁は、より少量の燃料を噴射しようとするとき、たった１組のオリフィスを通して燃料を噴射するように作動可能であり、より多量の燃料を噴射しようとするとき、燃料は、両組のオリフィスを通して噴射される。米国特許第４，５４６，７３９号は、このような噴射弁の例を開示している。他の公知の機械的解決法と同様に、この構成は、複雑さおよび高い製造コストの関連された欠点を増している。

他の種類の燃料噴射弁は、弁ニードルをその閉鎖位置と開放位置との間の任意の位置へ上昇させるように指令されることができる歪型アクチュエータにより直接的に作動されることができる。共同所有の米国特許第６，２９８，８２９号、第６，５６４，７７７号および第６，５８４，９５８号（これらはそれらの全体が参照によりここに組み入れられる）は、歪型アクチュエータを用いている直接作動式の燃料噴射弁の例を開示している。例えば、歪型アクチュエータが圧電式アクチュエータであれば、このアクチュエータに加えられる電荷を制御することによって、弁ニードルのリフトが所望のリフト位置へ指令されることができる。しかしながら、この方法でも、弁ニードルのリフトが常に指令されたリフトに正確に合致するとはかぎらないので、噴射事象ごとに燃料の流れのばらつきがあることがある。実際の弁ニードルのリフトのばらつきは、例えば、燃焼室の圧力の変化、燃料の圧力の変化、燃料噴射弁内の異なる熱膨張／収縮の作用および燃料噴射弁内の構成部品の摩耗のうちの１つまたはそれ以上を含めて多数の要因により引き起こされることがある。従って、リフトの制御を許容するアクチュエータを用いている燃料噴射弁でも、噴射される燃料の量のばらつきを引き起こすのにまだ十分に大きいことがある実際のリフトのばらつきを引き起こす要因が存在することがある。

アイドリングおよび低負荷の状態におけるエンジンの不安定性が、ほり高いエンジンの燃料の消費、排気物、騒音および振動を引き起こすことがある。従って、エンジンがアイドリング中であるか、或は低負荷の状態下にあるときでも、各噴射事象中に噴射される燃料の量を制御するより一貫した手段を設け、且つこのような状態下の燃焼安定性を向上させる装置および方法が必要である。

ガス状燃料を燃焼させる圧縮点火エンジンでは、初期の低い質量流量で噴射事象を始め、その後、燃料噴射事象の終わりまでより高い質量流量であるように燃料噴射率を定めることが有利であることができる。この例は、「ガス状燃料の噴射を伴う内燃機関」と称される共同所有で同時出願中の米国特許出願第１０／４１４，８５０号（この米国特許出願はその全体が参照することによりここに組み入れられる）に開示されている。この結果を達成するのに必要とされる段階状の流れ特性を与えるように従来の燃料噴射弁を作動することは困難であることがある。弁ニードルの所定の移動範囲についてほぼ一定の質量流量を与える燃料噴射弁が、この一定の質量流量が段階状の噴射事象についての所期の低い質量流量に対応するように、製造されることができるならば、このような特徴は、アイドリングから全負荷までのすべての動作状態について噴射の一貫性およびエンジンの性能を向上させるために有用であることができる。

燃料をエンジンに導入するための燃料噴射弁が開示される。この燃料噴射弁は、
ａ．ノズルを備えており、且つ中に配置された燃料キャビティを規定する弁胴と、
ｂ．ノズルと関連された弁座に着座される閉鎖位置と、燃料を燃料キャビティからノズルを通してエンジンに流入させることができるように弁座から最も遠く隔てられる全開位置との間でノズル内で移動可能な弁ニードルと、
ｃ．着座位置と全開位置との間の中間位置に弁ニードルを保持するように駆動可能であり、それにより弁ニードルのリフトが噴射事象中および噴射事象ごとに可変である、弁ニードルを駆動するためのアクチュエータと、
を備えている。すなわち、弁ニードルのリフトは、例えば、弁ニードルが単一の噴射事象中に異なる時点で異なる位置へ指令され、望むなら、それらの異なる位置に保持されることができると言う点で可変である。また、弁ニードルのリフトは、時間に対する弁ニードルのリフトのプロットの形状が、異なる噴射事象ごとに異なることができ、例えば、エンジンのアイドリング状態では、比較的低いニードルリフトおよび矩形の形状、および高負荷の状態では、第２の段階が第１の段階よりかなり大きい段階状の形状であると言う点で噴射事象ごとに可変である。

弁ニードルが閉鎖位置に近接した第１の中間位置と、この第１の中間位置から隔てられた第２の中間位置との間に位置されると、弁ニードルおよび弁胴は、それらの間に協働して一定の流れ領域を設けるように形成される。この一定の流れ領域は、質量流量が弁ニードルの移動範囲でほぼ一定であるようにノズルを通る流れを絞り、この移動範囲の境界は、第１および第２の中間位置により定められる。

弁ニードルが第１および第２の中間位置の間に位置されるときの流量のばらつきを減少させるために、一定の流れ領域は、好ましくは、弁ニードルが第１および第２の中間位置の間に位置されると、この一定の流れ領域が燃料噴射弁を通る燃料の質量流量を制御するように、弁座と弁ニードルとの間の開放流れ領域より小さい。

一定の流れ領域は、弁ニードルと弁胴との間の管状隙間により、或は弁胴または弁ニードルに形成された溝により設けられることができる。これらの溝間の隆起部分は、弁座における弁ニードルの位置に一貫性を与えるために弁ニードル用のガイドとして作用することができる。

好適な実施の形態では、燃料噴射弁は、更に、弁部材を直接的に駆動するための歪型アクチュエータを備えている。この歪型アクチュエータは、圧電式、磁歪型および電歪型トランスジューサよりなる群から選択されたトランスジューサよりなる。弁ニードルを閉鎖位置と全開位置との間で、および所定の波形に応じてそれらの位置の間の位置まで移動させるために指令信号をアクチュエータに送るように、電子コントローラがプログラミングされることができる。

燃料噴射弁は、更に、アクチュエータと前記弁部材との間に配置されて、弁部材のより大きい対応した移動を引き起こすためにアクチュエータにより生じられる歪を増幅する増幅器を備えている。この増幅器は、液圧変位増幅器であることができ、或は歪を機械的に増幅するために、少なくとも１つのレバーを用いていることができる。

好適な実施の形態では、燃料は、ガス相で燃料キャビティに導入可能である。燃料は、天然ガス、メタン、エタン、液化石油ガス、軽量可燃性炭化水素誘導体、水素およびそれらの混合物よりなる群から選択されることができる。

弁ニードルは、内方開放式弁ニードルであり、それにより、弁ニードルは、閉鎖位置から開放位置に向けて移動するとき、燃料の流れの方向と反対の内方の方向に移動可能である。この実施の形態では、ノズルは、弁ニードルが弁座から隔てられているとき、燃料が噴射される際に通ることができる少なくとも１つのオリフィスを有する閉鎖端部を備えている。好適な実施の形態では、ノズルは、弁ニードルが弁座から隔てられているとき、燃料が噴射される際に通ることができる複数のオリフィスを備えており、これらの複数のオリフィスの総合開放領域は、一定の流れ領域より大きい。弁ニードルが全開位置にあるとき、複数のオリフィスの総合開放領域は、ノズルを通って流れている燃料用の最も小さい絞りを与え、それにより燃料噴射弁を通って流れている燃料の質量流量を調整する。

本発明の他の実施の形態では、燃料噴射弁は、更に、第２の中間位置から隔てられている第３の中間位置を備えることができ、第２および第３の中間位置の間の弁ニードルの移動の第２範囲の境界を定める。弁ニードルが第２および第３の中間位置の間に位置されると、弁胴および弁ニードルは、質量流量がほぼ一定であるが、弁ニードルが第１および第２の中間位置に位置されるときの質量流量より高いように、ノズルを通る流れを絞る第２の一定の流れ領域を協働して与えるように形成されることができる。

例として、燃料をエンジンの燃焼室の中へ直接的に噴射するための燃料噴射弁の好適な実施の形態を図示して説明する。当業者は、本開示の精神および範囲を逸脱することなしに燃料噴射弁の弁胴および弁ニードルの他の構成も可能であることを理解するであろう。開示される燃料噴射弁の範囲は、互いに協働するように形成されるノズルおよび弁ニードルを有しており、弁ニードルが閉鎖位置に近接した第１の中間位置と、この第１の中間位置から隔てられた第２の中間位置との間に位置されると、質量流量が弁ニードルの移動範囲についてほぼ一定であるように、燃料がノズルを通って流れているときに、ほぼ一定の圧力降下が生じるようになっており、この移動範囲の境界は、第１および第２の中間位置により定められる。

燃料噴射弁のノズルを通ってエンジンへ流れる燃料の質量流量を調整する方法が提供される。この方法は、
エンジン負荷および速度を含む測定されたエンジン動作状態に応じて、噴射事象中および噴射事象ごとに可変である弁ニードルのリフトを制御するために弁ニードルを駆動することと、
所定の一定の燃料の質量流量が望まれるときに、閉鎖位置と全開位置との間である第１および第２の中間位置の間の位置まで移動するように弁ニードルを指令することと（燃料噴射弁は、弁ニードルが第１および第２の中間位置の間に位置されて、燃料の圧力が一定であるとき、一定の燃料質量流量を許容するように設計されている）、
所定の一定の燃料の質量流量と異なる燃料の質量流量が望まれるとき、第１および第２の中間位置の間ではなく、閉鎖位置と全開位置との間の位置まで移動するように弁ニードルを指令することと、を備えている。

好ましくは、この方法は、更に、ほぼ一定の燃料の質量流量が望まれるとき、第１および第２の中間位置の間の中間箇所まで移動するように弁ニードルを指令することを備えている。指令されたニードルの位置と実際のニードルの位置との間にいくらかのばらつきがあることがあるので、移動範囲の中間箇所まで移動するように弁ニードルを指令することにより、実際の弁ニードルの位置が所定の第１および第２の中間位置により定められる移動範囲の外側である可能性を減少させる。全般に、これは、燃焼室の中へ送り出される燃料の質量流量のばらつきを減じる。

この方法の好適な実施の形態では、ほぼ一定の燃料の質量流量は、アイドリングまたは低負荷状態についての所望の燃料の質量流量に対応している。すでに指摘されたように、これらの状態下では、エンジンは、エンジンが高い負荷下で作動しているときと比較して、噴射されるべき燃料の必要量がすでに少ないので、燃料質量流量の変化を最も受けやすく、燃料質量流量のわずかな変化でも、安定なエンジンの作動に悪影響を及ぼしてしまい、エンジンの排気物、騒音および／または効率のようなエンジンの性能特性に対する対応する悪い衝撃が生じる。

この方法の好適な実施の形態では、弁ニードルが第１および第２の中間位置の間に位置されると、ノズル内の流れの絞りに一定の流れ領域を与えることにより、ほぼ一定の燃料の質量流量を調整する。第２の中間位置が第１の中間位置のものより大きいニードルのリフトに対応する場合、弁ニードルを第２の中間位置から全開位置に向けて移動させることによって、燃料の質量流量が大幅に且つ漸次的に増大されることができる。

この方法は、更に、第２の中間位置が第１の中間位置のものより大きい弁ニードルのリフトに対応し、且つ第３の中間位置が第２の中間位置のものより大きい弁ニードルのリフトに対応する場合、第２のほぼ一定の質量流量が望まれるとき、弁ニードルを第２の中間位置と第３の中間位置との間の位置へ指令することを備えている。燃料噴射弁は、第１の絞られた流れ領域が、弁ニードルが第２および第３の中間位置に位置されるときにほぼ一定である第２の絞られた流れ領域より小さくなるような流れの絞りを備えて設計されている。方法のこの実施の形態では、燃料の質量流量は、弁ニードルを第３の中間位置から全開位置に向けて移動させることによって大幅に且つ漸次的に増大されることができる。例えば、第１の一定の質量流量は、エンジンがアイドリング中であるときに選択されることができ、第２の一定の質量流量は、エンジンが所定の低負荷状態下で作動しているときに選択されることができる。

この方法は、好ましくは、燃料をエンジンの燃焼室の中へ直接的に噴射することを備えている。燃料を燃焼室の中へ直接的に噴射することによって、エンジンは、ジーゼル燃料燃焼式に同等なエンジンの圧縮比および効率を維持することができる。燃料が吸入弁の上流の空気吸入系統に噴射される場合、燃料の早期自然燃焼を回避するために、燃料の噴射量を制限すること、および／またはエンジンの圧縮比を減少させることが必要であることがある。

本方法は、ノズルを通って流れるときにガス相である燃料に特に適している。従って、この方法は、更に、燃料をガス相でノズルに導入することを備えることができる。例えば、燃料は、天然ガス、メタン、エタン、液化石油ガス、軽量可燃性炭化水素誘導体、水素およびそれらの混合物よりなる群から選択されることができる。

この方法の好適な実施の形態は、更に、弁ニードルの対応する移動を引き起こすように作動されることができる歪型アクチュエータで弁ニードルを直接的に駆動することを備えている。歪型アクチュエータは、これらが、弁ニードルを閉鎖位置と全開位置との間の任意の中間位置まで移動させ、そしてその位置に保持するように弁ニードルを指令するために制御されることができるので、開示されている方法を実施するのに特に適している。歪型アクチュエータは、好ましくは、圧電式、磁歪型および電歪型トランスジューサよりなる群から選択されたトランスジューサよりなる。

この方法は、更に、燃焼事象中に噴射される燃料の量を制御することで助成するように噴射パルス幅を制御することも備えており、それにより、パルス幅は、所定の測定されたエンジンの動作状態に応じて噴射事象ごとに可変である。パルス幅を単独で制御することは噴射された燃料の質量量を調整する所望の方法ではないが、パルス幅の制御は、測定されたエンジンの動作状態から定められるように、且つエンジンマップを参照して、所望の質量量の燃料が燃焼室に導入されることができるように、より大きい融通性をもたらすために開示されている方法と組合されることができる。例えば、エンジンの動作状態のうちの幾つかとしては、エンジン速度およびエンジン負荷が挙げられることができる。他の動作状態もまた監視されることができ、そして電子制御ユニットは、燃料の温度、吸入空気の温度、燃料噴射圧力およびシリンダ内の圧力のような他の変数を補正するために何らかの調整が行なわれるべきであるかどうかを定めるようにプログラミングされることができる。

同様に、この方法は、更に、噴射事象中に噴射される燃料の量を制御することで噴射圧力を制御することを備えることができ、それにより、燃料噴射圧力は、所定の測定されたエンジンの動作状態に応じて、噴射事象ごとに可変である。

弁ニードルの位置を制御することによって燃料噴射弁のノズルを通ってエンジンの中へ流れる燃料の質量流量を調整する方法が提供され、この方法は、
弁ニードルを、これが弁座に押圧される閉鎖位置から第１の中間位置まで移動させることによって燃料の質量流量をゼロから第１の値へ増大させることと、
弁ニードルが第１の中間位置とこの第１の中間位置から隔てられている第２の中間位置との間に位置されると、燃料の質量流量をおおよそ第１の値にほぼ一定に維持することと、
弁ニードルを第２の中間位置から全開位置に向けて移動させることによって燃料の質量流量を第１の値を超えて漸次的に増大させることと、
弁ニードルを全開位置まで移動させることによって燃料の質量流量を最大値まで増大させることと、
エンジンの速度および負荷を含む測定されたエンジンの動作状態に応じて弁ニードルのリフトを制御するように弁ニードルを駆動することと、を備えており、弁ニードルの位置は、噴射事象中および噴射事象ごとに可変である。

好適な方法では、第１の値は、エンジンがアイドリングまたは低負荷の状態下で作動しているときに指令される燃料の質量流量である。

この好適な方法は、更に、第１の段階中では比較的低い質量流量および第２の段階中ではより高い質量流量を有する段階状波形に応じて移動するように弁ニードルを指令することを備えることができ、この場合、第１の値は、第１の段階について指令される燃料の質量流量である。

この方法は、好ましくは、弁ニードルに伝達される線形変位を生じるように指令されることができる歪型アクチュエータを作動することによって弁ニードルを移動させることを備えている。このようなアクチュエータでは、時間に対する変位のプロットは、任意の指令された形状に追従することができ、各燃焼事象のための指定形状である必要がない。例えば、アイドリング状態では、ほぼ矩形の形状を有する小さい変位が指令されることができる。高負荷では、比較的低い初期の変位と、その後のアクチュエータのより高い変位を伴う段階状形状が用いられることができる。

概略図は、一定の比率で描かれているのではなく、或る特徴は、それらの機能性を良好に示すために誇張されている場合がある。

図１は、燃料をエンジンに導入するために用いられることができる燃料噴射弁の概略横断面図である。弁胴１０２が、弁ニードル１１０、アクチュエータ１２０および伝達アッセンブリ１３０を収容している。また、弁胴１０２は、燃料キャビティ１０４を規定しており、この燃料キャビティ１０４は、継ぎ手１０６から延びている燃料通路と、弁座１１２まで通っている燃料入口１０８とを備えている。弁ニードル１１０は、これが弁座１１２に着座される閉鎖位置と、弁ニードル１１０が弁座１１２から最も遠く隔てられる全開位置との間でノズル１１４内で移動可能である。弁ニードル１１０が弁座１１２から隔てられているとき、燃料は、燃料キャビティ１０４からノズル１１４を通ってエンジンの中へ流れることができる。図１に示された例では、燃料は、オリフィス１１６を通ってノズル１１４から出る。外方開放弁ニードルの場合(例えば、図４および図５参照)、燃料は、弁ニードルと弁座との間の開口部を通ってノズルから直接出ることができる。

燃料噴射弁を通る流れ特性に影響するための開示される特徴は、弁ニードルの移動を引き起こすために用いられるアクチュエータの種類と関係ない。弁ニードルの速度に影響するために、および／または閉鎖位置と全開位置との間の弁ニードルの位置を制御するために制御されることができる任意のアクチュエータは、開示される構成から利点を得ることができる。例えば、電磁作動式噴射弁は、力の上昇率を制御することによって電磁弁の開放速度を或る程度に制御することができるので、開示される特徴を用いることができる。

すなわち、電磁アクチュエータを使用して、弁ニードルの移動速度が、燃料噴射事象の初期中、低速に保たれることができ、燃料噴射事象の後期部分の間に燃料の質量流量が増大する前に燃料が一定の比較的低い燃料の質量流量で導入されるときの時間を長くすることができる。

好適な実施の形態では、噴射弁１００は、弁ニードル１１０を直接駆動するためのものであって、弁ニードルの移動についての制御を容易にする利点をもたらす歪型アクチュエータを備えている。直接作動式燃料噴射弁は、ここでは、弁ニードルの移動に直接対応する機械的移動を生じるために作動されることができるアクチュエータを用いるものとして定義される。このような直接作動式燃料噴射弁では、アクチュエータから生じる機械的移動は、１つまたはそれ以上の機械的レバーまたは液圧増幅器によって増幅されることができるが、アクチュエータの移動は、常に、弁ニードルの対応する移動に相互関係している。図１に示される例では、伝達アッセンブリ１３０は、アクチュエータ１２０からの移動を弁ニードル１１０に伝達する。伝達アッセンブリ１３０は、アクチュエータ１２０から生じる機械的移動を増幅する液圧変位増幅器機構を備えている。この例では、弁ニードル１１０の駆動は、今述べたように起こる。アクチュエータ１２０は、基部１２２およびプランジャ１２４をノズル１１４に向けて移動させるために機械的移動を軸方向に生じるように作動されることができる。プランジャ１２４は、増幅室１３２内の液圧流体を変位させる。噴射事象の短い時間間隔では、増幅室１３２内の液圧流体の量は、実質的に一定のままである。液圧流体が実質的に圧縮不可能であるので、プランジャ１２４により変位される流体を受入れるために、弁ニードル１１０は、反対方向、すなわち、弁座１１２から離れる方向に移動し、かくして弁１００を開放し、燃料噴射事象を開始する。増幅量は、共に増幅室３２に配置されているプランジャ１２４および弁ニードル１１０の肩部の相対端部面積により予め定められている。すなわち、プランジャの端部面積と弁ニードルの肩部面積との比が高ければ高いほど、ニードルのストロークの増幅が大きくなる。

アクチュエータ１２０は、弁ニードル１１０を異なる開放位置へ移動させるために噴射事象中に歪の量を変えるように、或は噴射事象を終わらせるために歪を減少させるように指令されることができる。

ばね１２６が、閉鎖位置にある弁ニードル１１０を付勢しており、この弁１２６は、アクチュエータ１２０と、伝達アッセンブリ１３０と弁ニードル１１０との間に空間隙間が形成しないようにするのに役立っている。

図示の例では、伝達アッセンブリ１３０は、更に、液圧流体溜め部１３４を備えている。燃料噴射事象の時間間隔と比較して、噴射事象間に非常に長い時間があり、エンジンが作動していないとき、プランジャ１２４と、弁ニードル１１０と、弁胴１０２との隣接表面間に設けられた小さい隙間および導管１３６、１３８を通る溜め部１３４と増幅室１３２との間の幾らかの流体の流れを許容するのに十分な時間がある。溜め部１３４と増幅室１３２との間のかかる流れは、液圧流体の漏れと、例えば、異なる温度の膨張／周収縮および摩耗により引き起こされることがある構成部品間の小さい寸法変化とを補償することができる。

シール１３７、１３９が、燃料キャビティ１０４の中への液圧流体の漏れを防ぐようにシールしており、これは、ガス状燃料を噴射するのに弁１００が用いられるときに必要である。燃料が液状燃料であって、液圧流体として有利に用いられるなら、シール１３９は必要ではない。

歪型アクチュエータは、一般に、所定のアクチュエータにより発生可能である歪のゼロと最大量との間の任意の量の歪を生じるように制御可能である。すなわち、歪型アクチュエータは、弁ニードル１１０をこれが所望の時間の長さの間、保持されることができる中間位置まで移動させるように指令されることができる。弁ニードル１１０が中間位置から他の開放位置または閉鎖位置まで移動されるように、アクチュエータに歪の量を変えるよう指令するために、コントローラがプログラミングされることができる。これにより、弁ニードル１１０の移動が、所定の波長に従うように指令され、こらは、噴射事象中、燃料の質量流量を制御するために更なる融通性をもたらし、この融通性は、性能または効率を高めるために、および／または微粒子物質または窒素または炭素の酸化物のような望ましくない燃焼生成物の排出物を減少させるために、および／またはエンジンの騒音を減少させるために、燃焼特性を向上させるように用いられることができる。

例として、アクチュエータ１２０は、弁ニードル１１０の歪型作動を行なうための圧電ヨウ素の積重体として図１に概略的に示されている。当業者は、同じ結果を達成するために電歪型または磁歪型アクチュエータのような他の歪型アクチュエータが用いられることができることを理解するであろう。

歪型アクチュエータが所望の歪を生じるように指令されることができるが、噴射事象ごとに異なって弁ニードルの位置に影響することができる温度、摩耗、燃料圧力、吸入マニホールドの圧力および燃焼室の圧力のような可変の効果がある。従って、アクチュエータが所望の弁ニードルの位置に一般に対応する所定の歪を生じるように指令されても、実際の弁ニードルの位置は異なることがあり、実際の位置と所望の位置との間の相違は、特にエンジンがアイドリング中、または低負荷状態下にあるとき、燃焼効率を低減するのに十分に大きい。

図２ないし図５に示される特徴は、弁ニードルおよび弁胴の実施の形態を示しており、これらの弁ニードルおよび弁胴は、作動表面が互いに向かい合って保持されるときの移動範囲内に弁ニードルが位置されるとき、弁ニードルと弁胴との間に一定の流れ領域を協働して設けるように形成されている。この一定の流れ領域は、燃料の質量流量がほぼ一定であるように、ノズルを通る流れを制限する。弁ニードルをこの範囲の中間点の近くの位置へ指令することにより、燃料の質量流量は、ニードルの位置の小さい変化に実質的に影響を受けない。これらの図示の実施の形態のすべては、同じ原理で作動し、各々、段階状の噴射分布が指令される場合、アイドリングおよび低負荷状態ならびに高負荷状態についての指令された燃料の質量流量と実際の燃料の質量流量との間のばらつきを減少させるために有利に用いられることができる。

図２Ａないし図２Ｃの図示された実施の形態を参照すると、弁ニードル／ノズル構成が概略的に示されている。この構成は、例えば図１の燃料噴射弁に用いられることができる。従って、図２Ａないし図２Ｃにおける同様な特徴を示すのに、図１に使用された同じ参照符号が使用されている。ノズル１１４の先端部分のみが示されており、弁胴１０２は、弁ニードル１１０を取囲んでいる燃料キャビティ１０４の一部を規定している。図２Ａないし図２Ｃは、各々、同じ実施の形態を示しているが、各図は、弁ニードル１１０を異なる位置に示している。

図２Ａでは、弁ニードル１１０は、流体がオリフィス１１６を通って流れることができるように、弁座１１２に着座されて閉鎖位置に示されている。燃料噴射事象を始めるために、弁ニードル１１０は、矢印１５０の方向に移動可能である。図１ないし図３に示されるもののような弁ニードルは、弁座から離れる方向に移動可能であり、燃料の流れに対して反対の方向では、内方開放式弁ニードルとして知られている。図２Ｂでは、弁ニードル１１０は、弁座１１２から離れて開放位置まで上昇されている。図２Ｂでは、弁ニードル１１０の垂直な側面の一部が、肩部１０３により設けられている弁胴１０２の垂直な壁部と向かい合っている。これらの平行な向かい合った垂直面は、ｄ１により確認されるそれらの間の流れ制限隙間をもたらしている。この隙間は、弁ニードル１１０の垂直な側面の一部が肩部１０３により設けられている垂直な壁部と向かい合っているかぎり、ノズル１１４を通って流れる流体を弁ニードルの移動範囲のためのほぼ一定の燃料の質量流量に制限する流れ領域をなしている。すなわち、隙間を形成している協働する垂直な表面が互いに平行であるので、隙間のサイズは、弁ニードルの移動範囲で一定のままである。図２Ｃでは、弁ニードル１１０は、弁ニードル１１０および肩部１０３の垂直な表面が互いに向かい合っている箇所を越えて上昇されている。その箇所を越えると、弁ニードル１１０と弁胴１０２との間の流れ領域は、弁ニードル１１０が弁座１１２から離れて更に移動するにつれて増大する。弁ニードル１１０は、それが全開位置に達するまで、図２Ｃにおける位置から更に上昇されることができる。図２Ｃに示されるもののようなノズルの構成では、最大の燃料の質量流量は、オリフィス１１６により与えられる開放領域の絞りにより限定されることができる。これが事実なら、燃料の流れがオリフィスにより絞られる箇所を越えてニードルが上昇すると、燃料の質量流量の更なる増大が生じない。

図２ＡにおけるＤ／Ｅで印された断面を通る断面図の２つの異なる実施の形態を示す図２Ｄおよび図２Ｅを参照して以下に説明する。図２Ｄおよび図２Ｅは、本開示の精神を逸脱することなしに、一定の流れ領域が異なる形状で設けられることができることを示している。図２Ｄは、弁ニードル１１０と弁胴２０１との間の一定の流れ領域を規定する簡単な同心の円形構成を示している。図２Ｅでは、一定の流れ領域は、弁胴１０２に形成された複数の溝により設けられている。例として、これらの溝は、底部が弁ニードル１１０の向かい合った壁部と同心の直径により規定されて示されており、肩部１０３は、溝間の隆起面をもたらしている。当業者は、溝および溝間の隆起面が本開示の範囲を逸脱することなしに異なる形状をとることができることを理解するであろう。図２Ｄおよび図２Ｅは、図２Ａの実施の形態を参照して創案されているが、一定の流れ領域のための形状のこれらの例は、ここに開示されている実施の形態にすべてに適用可能である。幾つかの実施の形態では、溝は、弁胴の表面に代わって弁ニードルの表面に形成されることができる。

内方開放式弁ニードルを備えたノズルの他の実施の形態が、図３に示されている。弁胴３０２および弁ニードル３１０は、燃料キャビティ３０４の図示部分を規定している。弁ニードル３１０は、弁座３１２と流体密封接触するように押圧される閉鎖位置にある。オリフィス３１６が、弁ニードル３１０が矢印３５０の方向に弁座３１２から上昇されて離れるときに燃料が弁胴から出るための出口をなしている。この実施の形態と図２Ａないし図２Ｃの実施の形態との相違は、各々が弁ニードル３１０の垂直な表面と平行な垂直な表面をもたらしている２つの肩領域３０３、３０３Ａが弁胴３０２に設けられていると言う点である。図３における肩部３０３は、図２Ａないし図２Ｃにおける肩部１０３と同様である。肩部３０３Ａは、弁ニードル３１０の垂直な表面がこの肩部に向かい合っているときに大きい一定の流れ領域をなす第２の平行な表面領域を設けている。従って、図３のノズル構成は、燃料の質量流量がほぼ一定であることができるニードルの移動の２つの範囲を設けることができる。弁ニードル３１０の垂直な表面が肩部３０３の垂直な表面と向かい合っているときに、より低いほぼ一定の燃料の質量流量が与えられ、弁ニードル３１０の垂直な表面が肩部３０３Ａの垂直な表面と向かい合っているときに、より高いほぼ一定の燃料の質量流量が与えられる。

図４Ａないし図４Ｃは、弁胴／弁ニードル構成の更に他の実施の形態を示しており、この構成は、弁ニードルの移動の所定範囲のためのほぼ一定の燃料の質量流量を与える。図４Ａでは、弁ニードル４１０は、燃料がノズル４１４を通って流れることができないように弁座４１２に着座されて閉鎖位置に示されている。燃料噴射事象を始めるために、弁ニードル４１０は、矢印４５０の方向に移動可能である。弁座から離れる方向および燃料の流れの方向と平行な方向に移動可能である図４および図５に示されているもののような弁ニードルは、外方開放式弁ニードルとして知られており、外方開放式弁ニードルを用いている燃料噴射弁は、ときどき、ポペット弁と称されている。図４Ｂでは、弁ニードル４１０は、ほぼ一定の燃料の質量流量が噴射されることができる弁ニードルの移動範囲内の開放位置まで弁座から離れる方向に上昇されている。図４Ｂでは、肩部４０３により設けられている弁ニードル４１０の垂直な側面の一部が、弁胴４０２の垂直な壁部と向かい合っている。これらの平行で向かい合った垂直な表面は、ｄ１により確認される隙間を両者間に設けている。他の実施の形態のように、この隙間は、弁ニードル４１０の垂直な側面が弁胴４０２により設けられている垂直な壁部と向かい合っているかぎり、ノズル４１４を通る燃料の流れを弁ニードルの移動範囲のためにほぼ一定の燃料の質量流量に制限する流れ領域を設けるように寸法決めされている。図４Ｃでは、弁ニードル４１０は、肩部４０３および弁胴４０２の垂直な表面が互いに向かい合っている箇所を越えて上昇されている。この箇所を超えると、弁ニードル４１０と弁胴４０２との間の流れ領域は、弁ニードル４１０が弁座４１２から離れて更に移動するにつれて増大する。図４Ｃにおける位置から、弁ニードル４１０は、それが全開位置に達するまで、矢印４５０の方向に更に上昇されることができる。図２Ｃに示されるもののようなノズルの構成では、最大の燃料の質量流量は、オリフィス１１６により与えられる開放領域の絞りにより限定されることができる。

外方開放式弁ニードルを備えたノズル構成の他の実施の形態が、図５に示されている。弁胴５０２および弁ニードル５１０は、燃料キャビティ５０４の図示された部分を規定している。弁ニードル５１０は、これが閉鎖位置から矢印５５０の方向に上昇された開放位置にある。この実施の形態と図４Ａないし図４Ｃの実施の形態との相違は、各々が弁胴５０２を通る開口部の垂直な表面と平行な垂直な表面をもたらしている２つの肩領域５０３、５０３Ａが弁ニードル５１０に設けられていると言う点である。図５における肩部５０３は、図４Ａないし図４Ｃにおける肩部４０３と同様である。肩部５０３Ａは、弁胴５０２を通る開口部の垂直な表面がこの肩部に向かい合っているときにより大きい一定の流れ領域をなす第２の平行な表面領域を設けている。従って、図５のノズル構成は、燃料の質量流量がほぼ一定であることができるニードルの移動の２つの範囲を設けることができる。肩部５０３の垂直な表面が弁胴５０２を通る開口部の垂直な表面と向かい合っているときに、より低いほぼ一定の燃料の質量流量が与えられ、肩部５０３Ａの垂直な表面が弁胴５０２を通る開口部の垂直な表面と向かい合っているときに、より高いほぼ一定の燃料の質量流量が与えられる。図示の例では、ニードルの２つの移動範囲についての一定の流れ領域の差は、少なくとも部分的に、寸法ｄ１、ｄ２の差による定められる。当業者は、他の実施の形態が本開示の精神および範囲を逸脱することなしに同じ結果を達成することができることを理解するであろう。例えば、流れ領域は、弁ニードルの第２の移動範囲のための一定の流れ領域を増大するように図２Ｅに示されたもののような溝を広げることによって、隙間の寸法を増大することなしに増大されることができる。

図６は、燃料の質量流量Ｑ対ニードルのリフトＬのプロットである。線６００は、従来の噴射弁の代表である曲線を示している。線６００により示されるように、従来の燃料噴射弁では、ニードルのリフトの増大は、例えば、流れがノズルオリフィスにより絞りまたは燃料噴射弁における他の箇所に設けられた他の絞りにより絞られるときに、最大の燃料の質量流量Ｑｃが達せられるまで、燃料の質量流量の漸次増大を引き起こす。

線６００の傾斜は、弁ニードルが全開位置の接近するように指令されるときのリフトの小さい変化が燃料の質量流量に著しい衝撃を及ぼさないような絞られた流量に接近するにつれて平らになる。

燃料の質量流量を制御するためにリフトを制御する燃料噴射弁では、従来の燃料噴射弁の場合、Ｑａがアイドリングまたは低負荷状態についての所望の燃料の質量流量を表すなら、ニードルは、所望の流量を送出すために距離Ｌ１だけ上昇されるように指令される。リフトＬ１に近い線６００の急な傾斜のため、位置Ｌ１からのわずかな逸脱でも、実際の燃料の質量流量の著しい変化が生じることがある。

実線６１０は、本開示の特徴を用いている燃料噴射弁の代表である曲線を示している。例えば、アイドリングまたは低負荷状態では、弁ニードルは、Ｌ１とＬ２との間の中間点の位置へ指令されることができる。Ｌ１とＬ２との間の線６１０の傾斜は、弁ニードルの同じ移動範囲の場合、線６００の傾斜より非常に平らであるので、線６１０の燃料噴射弁は、エンジンの性能、効率を向上させるために、および／または微粒子物質および窒素または炭素の酸化物のような、望まれていない燃焼生成物を減少させるために、および／またはエンジンの騒音を減少させるために、向上された一貫性で作動されることができる。図２および図４に示される実施の形態は、燃料がほぼ一定の燃料質量流量で噴射されることができるような弁ニードルの１つの移動範囲を設けることができる燃料噴射弁の例を示している。Ｌ１とＬ２との間の移動範囲は、弁ニードルおよび弁胴の平行で垂直な表面が互いに協働してｄ１に寸法決めされた隙間を規定する場合に対応する弁ニードルの移動範囲を表している。弁ニードルが弁座から離れる方向にこの範囲を超えて更に移動すると、燃料の質量流量は、最大の燃料の質量流量が達せられるまで、より急な傾斜に沿って漸進的に増大する。

破線６２０は、図３および図５に示されるもののような燃料噴射弁の流れ特性をプロットしたものである。これらの燃料噴射弁は、燃料の質量流量がほぼ一定であるときの弁の２つの移動範囲を設けている。Ｌ３とＬ４との間の移動範囲は、弁ニードルおよび弁胴の平行で垂直な表面が互いに協働してｄ２に寸法決めされた隙間を規定する場合に対応する弁ニードルの移動範囲を表している。弁ニードルがＬ３とＬ４との間の位置まで上昇されると、線６２０の傾斜が比較的平らであるので、指令された燃料の質量流量Ｑｂからの非常にわずかな変化がある。

図７は、単一の燃料噴射事象の間に燃料噴射弁を通る時間に対する指令された質量流量の多くの例のプロットである。図示の指令された形状の各々は、燃料噴射弁を通る流れ特性を向上させるために開示されているノズルおよび弁ニードルの特徴を用いることによって達成されることができる一貫性から利点を得ることができる。このプロットでは、Ｑｃは、最大の燃料の質量流量を表している。線７１０は、アイドリングまたは低負荷状態について指令されることができるもののような比較的小さい燃料の質量流量に対応している。アイドリングまたは低負荷状態下でサイクルごとにエンジンに導入される燃料の量のばらつきを減少させることができる利点はすでに述べられている。初めは、ＱａまたはＱｂにより図７に示されるようなより小さい燃料の質量流量が噴射され、その後、線７３０により示されるようなより高い燃料の質量流量が噴射され場合、燃料を段階状の波形でエンジンの燃焼室に直接導入することが望ましいことがある。ほぼ一定の燃料の質量流量を与える弁ニードルの２つの移動範囲を有する燃料噴射弁は、アイドリング状態では、線７１０により示されるもののような波形、および軽負荷状態では、線７２０の波形を使用するようにプログラミングされたコントローラを用いることができ、或はｔ２までの線７１０の初期部、次いでｔ２後の７２０の線よりなる段階状の波形では、或はｔ２の後の高負荷状態では、線７３０が選択されることができる。当業者は、更に多くの燃料をエンジンに噴射するために、ｔ２までの線７２０の初期部およびその後の線７３０のような他の状態が可能であることを理解するであろう。或る動作状態では、弁ニードルが開放位置から閉鎖位置まで移動しているときに下方段部を与えることも有利であることがある。開示されている特徴を有する燃料噴射弁の利点は、ニードルの移動を制御するために用いられる波形における所定の段部でより一貫した燃料の質量流量を与えるように一定の流れ領域が選択されることができ、それによりエンジンが作動しているときのサイクル間のばらつきを減少させると言う点である。

開示されている燃料噴射弁は、ガス状燃料用に開発されたが、液状燃料を噴射する燃料噴射弁に対して同じ特徴が有利であることもある。しかしながら、液状燃料の場合、キャビテーションや、燃料の霧化のための適切な圧力の維持のような考慮されなければならない追加の考慮事項がある。キャビテーションは、急な圧力降下が燃料の圧力を蒸発圧力未満に下げ、そして燃料が噴射弁から排出される前に燃料のいくらかが蒸発するときに起こることができる。キャビテーションおよび霧化と関連された問題は、例えば、下記の方法：（ｉ）燃料が燃料噴射弁を出るときに燃料を霧化するために燃料の圧力が蒸発圧力以上のままであることを確保するのに十分に高く、そして絞られた流れ領域後に適切に高い初期の圧力で燃料を燃料噴射弁に導入することと、（ｉｉ）燃料の圧力が、燃料噴射弁を出るときに燃料を霧化するのに必要とされる蒸発圧力または最小圧力未満まで低減されるように圧力降下を制限するように絞られた流れ領域を寸法決めすることと、（ｉｉｉ）低圧力領域を生じることができる乱流を減少させるために絞られた流れ領域への滑らかな流入を行うことと、および（ｉｖ）キャビテーションと関連された条件への露出により損傷されない材料からノズルおよび弁ニードルを製造することとのうちの１つまたはそれ以上を用いることによって回避されることができる。液状燃料では、開示されている特徴を用いること、およびガス状燃料で達成されることができる同じ利点のうちの多くを実現することが可能である。例えば、噴射された燃料の量のばらつきを減少させることにより、アイドリングおよび低負荷状態下でより安定な性能を達成し且つエンジンの騒音を減少させることが可能である。

本発明の特定の要素、実施の形態および用途を示して説明したが、本発明がそれらに限定されないことはもちろん理解されるであろう。何故なら、特に、前記教示を鑑みて、本発明の範囲から逸脱することなしに変更例が当業者により行なわれ得るからである。

図面は、本発明の特定の実施の形態を示しているが、本発明の精神または範囲を何ら制限するものとしてみなされるべきではない。
弁ニードルの移動の所定範囲についてほぼ一定の量の燃料を噴射するように作動可能である直接作動式の燃料噴射弁の概略図である。 例えば、図１の燃料噴射弁により用いられることができる弁ノズルおよび弁ニードル先端部の概略横断面図であって、閉鎖位置にある弁ニードルを示す図である。 例えば、図１の燃料噴射弁により用いられることができる弁ノズルおよび弁ニードル先端部の概略横断面図であって、一定の流れ領域を与える領域に位置され、それによりニードルの移動範囲でほぼ一定の流量を生じる弁ニードルを示す図である。 例えば、図１の燃料噴射弁により用いられることができる弁ノズルおよび弁ニードル先端部の概略横断面図であって、一定の流量の領域を超えて上昇された弁ニードルを示す図である。図２Ａないし図２Ｃは、弁ニードルの移動の所定範囲でほぼ一定の量の燃料を噴射するように燃料噴射弁を作動可能にするために用いられることができる特徴の実施の形態を示している。 図２ＡにおいてＤ／Ｅで示され断面線を通る断面図であって、弁ニードルと弁胴との間に環状の一定の流量を規定する簡単な同心の円形構成を示す図である。 図２ＡにおいてＤ／Ｅで示された断面線を通る断面図であって、弁胴に形成された複数の溝により一定の流れ領域が設けられる他の実施の形態の例を示す図である。 各々がその中に設けられる一定の流れ領域により定められるほぼ一定の流量を与える内方開放式弁ニードルのための２つの移動範囲を与える特徴を備えているノズルの概略横断面図である。 外方開放式弁ニードルのための弁ノズルの具体例の概略横断面図であって、閉鎖位置にある弁ニードルを示す図である。 外方開放式弁ニードルのための弁ノズルの具体例の概略横断面図であって、一定の流れ領域を与え、それによりニードルの移動範囲でほぼ一定の流量を生じる領域に位置された弁ニードルを示す図である。 外方開放式弁ニードルのための弁ノズルの具体例の概略横断面図であって、一定の流れ領域の範囲を超えて上昇された弁ニードルを示す図である。 外方開放式弁ニードルおよび弁ノズルであって、ほぼ一定の流れ領域を与える弁ニードルの位置の２つの範囲を与え、それにより弁ニードルがこれらの範囲内のどこかに位置されると、燃料の質量流量がほぼ一定であるように互いと協働する外方開放式弁ニードルおよび弁ノズルの概略横断面図である。 弁ニードルのリフトに対する、燃料噴射弁を通る質量流量のプロットである。２つの実施の形態が示されており、それらの実施の形態の一方は、ほぼ一定の質量流量を生じる単一の移動範囲を有しており、第２の実施の形態は、それぞれほぼ一定の質量流量を生じる２つの移動範囲を有している。これらの実施の形態は、従来の燃料噴射弁の流れ特性のプロットと比較されている。 燃料噴射弁を通る指令された質量流量のプロットである。燃料噴射弁を通る流れ特性を向上させるために開示されているノズルおよび弁ニードルの特徴を用いることによって達成されることができる一貫性から利点を得ることができる多くの指令形状が示されている。

Claims (46)

1. 燃料をエンジンに導入するための燃料噴射弁であって、
   ａ．ノズル、および中に規定された燃料キャビティを備えている弁胴と、
   ｂ．前記ノズルと関連された弁座に着座された閉鎖位置と、燃料を前記燃料キャビティから前記ノズルを通して前記エンジンに流入することを可能にするように前記弁座から離れた全開位置との間で前記ノズル内で移動可能な弁ニードルと、
   ｃ．前記閉鎖位置と全開位置との間の複数の中間位置で前記弁ニードルを保持するように作動可能であり、この結果、弁ニードルのリフトが噴射事象中、および噴射事象ごとに可変である、前記弁ニードルを直接的に作動するための歪型アクチュエータと、
   を具備しており、
   前記弁ニードルが、前記閉鎖位置に近接した第１の中間位置と、この第１の中間位置から隔てられた第２の中間位置との間に位置されているときに、前記弁ニードルと前記弁胴とは、これらの間に協働して一定の流れ領域を与えるように形成され、また、前記一定の流れ領域は、前記燃料の質量流量が弁ニードルの移動範囲でほぼ一定であるように前記ノズルを通る流れを絞り、そして、前記移動範囲の境界は、前記第１および第２の中間位置により定められる、燃料噴射弁。
2. 前記一定の流れ領域は、前記弁ニードルが前記第１および第２の中間位置の間に位置されているときに、前記弁座と前記弁ニードルとの間の開放流れ領域より小さい請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 前記一定の流れ領域は、前記弁ニードルと前記弁胴との間の管状隙間である請求項１に記載の燃料噴射弁。
4. 前記歪型アクチュエータは、圧電式、磁歪型および電歪型トランスジューサよりなる群から選択されたトランスジューサよりなる請求項１に記載の燃料噴射弁。
5. 前記弁ニードルを前記閉鎖位置と前記全開位置との間で、および所定の波形に応じて前記閉鎖位置と前記全開位置との間の位置まで移動させるために指令信号を前記アクチュエータに送るようにプログラミング可能である電子コントローラを更に具備している請求項１に記載の燃料噴射弁。
6. 前記アクチュエータと前記弁ニードルとの間に配置されていて、前記弁ニードルのより大きい対応した移動を引き起こすためにアクチュエータにより生じられる歪を増幅するための増幅器を更に具備している請求項１に記載の燃料噴射弁。
7. 前記増幅器は、液圧変位増幅器である請求項６に記載の燃料噴射弁。
8. 前記増幅器は、少なくとも１つのレバーを用いている請求項６に記載の燃料噴射弁。
9. 前記燃料は、ガス相で前記燃料キャビティに導入可能である請求項１に記載の燃料噴射弁。
10. 前記燃料は、天然ガス、メタン、エタン、液化石油ガス、内燃機関ための可燃性の軽炭化水素誘導体、水素およびそれらの混合物よりなる群から選択される請求項９に記載の燃料噴射弁。
11. 前記弁ニードルは、内方開放式弁ニードルであり、前記弁ニードルは、前記閉鎖位置から前記開放位置に向けて移動するとき、燃料の流れの方向と反対の内方の方向に移動可能である請求項１に記載の燃料噴射弁。
12. 前記ノズルは、前記弁ニードルが前記弁座から隔てられているとき、前記燃料が噴射される際に通ることができる少なくとも１つのオリフィスを有する閉鎖端部を備えている請求項１１に記載の燃料噴射弁。
13. 前記ノズルは、前記弁ニードルが前記弁座から隔てられているとき、前記燃料が噴射される際に通ることができる複数のオリフィスを有する閉鎖端部を備えており、前記複数のオリフィスの総合開放領域は、前記一定の流れ領域より大きい請求項１１に記載の燃料噴射弁。
14. 前記弁ニードルが前記全開位置にあるとき、前記複数のオリフィスの総合開放領域は、最も小さい絞りをもたらして、燃料噴射弁を通って流れる燃料の質量流量を調節する請求項１３に記載の燃料噴射弁。
15. 前記第２の中間位置から隔てられた第３の中間位置が、前記第２および第３の中間位置の間の弁ニードルの移動の第２の範囲の境界を規定しており、前記弁ニードルが前記２および第３の中間位置の間に位置されると、前記弁胴および前記弁ニードルは、協働して一定の流れ領域を設けるように形成され、この一定の流れ領域は、質量流量がほぼ一定であるが、弁ニードルが前記第１および第２の中間位置の間に位置されるときの質量流量より大きくなるように、前記ノズルを通る流れを絞る請求項１に記載の燃料噴射弁。
16. 燃料をエンジンの燃焼室の中へ直接噴射するための燃料噴射弁であって、
    ａ．前記燃焼室内に配置されることができる出口を有するノズルと、中に規定された燃料キャビティとを備えている弁胴と、
    ｂ．前記ノズルと関連された弁座に着座される閉鎖位置と、燃料を前記燃料キャビティから前記ノズルの出口を通して前記燃焼室に流入させることができるように前記弁座から最も遠く隔てられる全開位置との間で前記ノズル内で移動可能な弁ニードルと、
    ｃ．前記閉鎖位置と全開位置との間の複数の中間位置で前記弁ニードルを保持するように作動可能であり、それにより弁ニードルのリフトが噴射事象中、および噴射事象ごとに可変である、前記弁ニードルを直接的に作動するための歪型アクチュエータと、
    を具備しており、
    前記弁ニードルが前記閉鎖位置に近い第１の中間位置と、この第１の中間位置から隔てられた第２の中間位置との間に位置されると、前記弁ニードルおよび前記弁胴は、前記燃料の質量流量が弁ニードルの移動範囲でほぼ一定であるように、前記燃料が前記ノズルを通って流れているときにほぼ一定の圧力降下を協働して与えるように形成され、前記移動範囲の境界は前記第１および第２の中間位置により定められる、燃料噴射弁。
17. 前記歪型アクチュエータは、圧電式、磁歪型および電歪型トランスジューサよりなる群から選択されたトランスジューサよりなる請求項１６に記載の燃料噴射弁。
18. 前記弁ニードルを前記閉鎖位置と前記全開位置との間で、および所定の波形に応じて前記閉鎖位置と前記全開位置との間の位置まで移動させるために指令信号を前記アクチュエータに送るようにプログラミング可能である電子コントローラを更に具備している請求項１６に記載の燃料噴射弁。
19. 前記アクチュエータと前記弁ニードルとの間に配置されていて、前記弁ニードルのより大きい対応した移動を引き起こすためにアクチュエータにより生じられる歪を増幅するための増幅器を更に具備している請求項１６に記載の燃料噴射弁。
20. 前記増幅器は、液圧変位増幅器である請求項１９に記載の燃料噴射弁。
21. 前記増幅器は、少なくとも１つのレバーを用いている請求項１９に記載の燃料噴射弁。
22. 前記燃料は、これが燃焼室の中へ噴射されるときにガス相である請求項１６に記載の燃料噴射弁。
23. 前記燃料は、天然ガス、メタン、エタン、液化石油ガス、内燃機関ための可燃性の軽炭化水素誘導体、水素およびそれらの混合物よりなる群から選択される請求項２２に記載の燃料噴射弁。
24. 前記弁ニードルは、内方開放式弁ニードルであり、この弁ニードルは、前記開放位置に向けて移動するとき、燃料の流れの方向と反対の内方の方向に移動する請求項１６に記載の燃料噴射弁。
25. 前記ノズルは、前記弁ニードルが前記弁座から隔てられているとき、前記燃料が噴射される際に通ることができる少なくとも１つのオリフィスを有する閉鎖端部を備えている請求項２４に記載の燃料噴射弁。
26. 前記第２の中間位置から隔てられている第３の中間位置が、前記第２および第３の中間位置の間の弁ニードルの移動の第２範囲の境界を定めており、前記弁ニードルは、前記第２および第３の中間位置の間に位置されると、前記弁胴および前記弁ニードルは、質量流量がほぼ一定であるが、前記弁ニードルが前記第１および第２の中間位置に位置されるときの質量流量より大きいように、前記燃料が前記ノズルを通って流れるときに、ほぼ一定の圧力降下を協働して与えるように形成される請求項１６に記載の燃料噴射弁。
27. 燃料噴射弁のノズルを通ってエンジンの中へ流れる燃料の質量流量を調整する方法であって、
    エンジン負荷および速度を含む測定されたエンジン動作状態に応じて、噴射事象中および噴射事象ごとに可変である弁ニードルのリフトを制御するために歪型アクチュエータで弁ニードルを直接駆動することと、
    所定の一定の燃料の質量流量が望まれるときに、閉鎖位置と全開位置との間の所定位置である第１および第２の中間位置の間の位置まで弁ニードルを移動することと、
    前記所定の一定の燃料の質量流量と異なる燃料の質量流量が望まれるとき、前記第１および第２の中間位置の間ではなく、前記閉鎖位置と全開位置との間の位置まで前記弁ニードルを移動することと、
    を具備し、
    前記燃料噴射弁は、前記弁ニードルが前記第１および第２の中間位置の間に位置されて、前記燃料の圧力が一定であるとき、一定の燃料質量流量を許容するように設計されている、燃料の質量流量を調整する方法。
28. 前記のほぼ一定の燃料の質量流量が望まれるとき、前記第１および第２の中間位置の間の中間箇所まで前記弁ニードルを移動することを更に具備している請求項２７に記載の方法。
29. 前記のほぼ一定の燃料の質量流量は、アイドリングまたは低負荷状態についての所望の燃料の質量流量に対応している請求項２７に記載の方法。
30. 前記のほぼ一定の燃料の質量流量は、前記弁ニードルが前記第１および第２の中間位置の間に位置されると、一定の流れ領域を有する流れの絞りを前記ノズル内に設けることによって調整される請求項２７に記載の方法。
31. 前記第２の中間位置は、前記第１の中間位置のものより大きい弁ニードルのリフトに対応しており、前記燃料の質量流量は、弁ニードルを前記第２の中間位置から前記全開位置まで移動させることによって大幅に且つ漸次的に増大されることができる請求項２７に記載の方法。
32. 前記第２の中間位置は、前記第１の中間位置のものより大きい弁ニードルのリフトに対応しており、そして第２のほぼ一定の質量流量が望まれるとき、前記第２の中間位置と第３の中間位置との間の位置まで前記弁ニードルを移動することを更に具備しており、前記燃料噴射弁は、前記弁ニードルが前記第１および第２の中間位置に位置されると、第１の絞られた流れ領域を与え、そして前記弁ニードルが前記第２および第３の中間位置に位置されると、第２の絞られた流れ領域を与え、前記第２の絞られた流れ領域は、前記第１の絞られた流れ領域より大きい請求項２７に記載の方法。
33. 前記の燃料の質量流量は、前記弁ニードルを前記第３の中間位置から前記全開位置に向けて移動させることによって大幅に且つ漸次的に増大されることができる請求項３２に記載の方法。
34. 前記燃料を前記ノズルから前記エンジンの燃焼室の中へ直接に噴射することを更に具備している請求項２７に記載の方法。
35. 前記燃料をガス相で前記ノズルに導入することを更に具備している請求項２７に記載の方法。
36. 前記燃料は、天然ガス、メタン、エタン、液化石油ガス、内燃機関ための可燃性の軽炭化水素誘導体、水素およびそれらの混合物よりなる群から選択される請求項３５に記載の方法。
37. 前記歪型アクチュエータは、圧電式、磁歪型および電歪型トランスジューサよりなる群から選択されたトランスジューサを更に具備している請求項２７に記載の方法。
38. 噴射事象中に噴射される燃料の量を制御する面で助成するように噴射パルス幅を制御することを更に具備しており、それによりパルス幅は、所定の測定されたエンジンの動作状態に応じて噴射事象ごとに可変である請求項２７に記載の方法。
39. 噴射事象中に噴射される燃料の量を制御する面で助成するように燃料噴射圧力を制御することを更に具備しており、それにより燃料噴射圧力は、所定の測定されたエンジンの動作状態に応じて噴射事象ごとに可変である請求項２７に記載の方法。
40. 弁ニードルの位置を制御することによって燃料噴射弁のノズルを通ってエンジンの中へ流れる燃料の質量流量を調整する方法であって、
    弁ニードルを、これが弁座に押圧される閉鎖位置から第１の中間位置まで移動させることによって燃料の質量流量をゼロから第１の値へ増大させることと、
    前記弁ニードルが前記第１の中間位置とこの第１の中間位置から隔てられている第２の中間位置との間に位置されると、燃料の質量流量をおおよそ前記第１の値にほぼ一定に維持することと、
    弁ニードルを前記第２の中間位置から全開位置に向けて移動させることによって燃料の質量流量を前記第１の値を超えて漸次的に増大させることと、
    弁ニードルを全開位置まで移動させることによって燃料の質量流量を最大値まで増大させることと、
    エンジンの速度および負荷を含む測定されたエンジンの動作状態に応じて弁ニードルのリフトを歪型アクチュエータで制御するように弁ニードルを直接駆動することと、
    を具備しており、前記弁ニードルの位置は、噴射中および噴射ごとに可変である、燃料の質量流量を調整する方法。
41. 前記第１の値は、前記エンジンがアイドリングまたは低負荷の状態下で作動しているときに指令される燃料の質量流量である請求項４０に記載の方法。
42. 第１の段階中の比較的低い質量流量、および第２の段階中のより大きい質量流量を有する階段状の波形に応じて前記弁ニードルを移動することを更に具備している請求項４０に記載の方法。
43. 前記一定の流れ領域は、前記弁座から上流の前記燃料キャビティ内に位置決めされている、請求項１に記載の燃料噴射弁。
44. 前記ほぼ一定の圧力降下は、弁ニードルおよび弁胴間の一定の流れ領域によって生じ、この一定の流れ領域は、前記弁座から上流の前記燃料キャビティ内に位置決めされている、請求項１６に記載の燃料噴射弁。
45. 前記弁ニードルおよび前記弁胴は、前記弁ニードルが前記第１および第２の中間位置の間に位置決めされると、前記所定の一定の燃料の質量流量を達成するように前記ノズルを通る流れを絞る一定の流れ領域を設けるように協働的に形成される、請求項２７に記載の方法。
46. 前記弁ニードルおよび前記弁胴は、前記弁ニードルが前記第１および第２の中間位置の間に位置決めされると、前記ノズルを通る流れを絞り、前記燃料の質量流量をほぼ一定に維持する一定の流れ領域を設けるように協働して形成される、請求項４０に記載の方法。

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