JP4700246B2 - 直接駆動の噴射バルブ - Google Patents

Description

【０００１】
背景
内燃機関の燃焼室中への気体燃料の直接噴射は幾つかの理由により好ましい。例えば、直接噴射は燃料の層別供給を可能にし、燃料を均一供給するエンジンと関連するスロットル損失を除去する。圧縮工程における直接噴射の遅延は高圧縮比の維持を可能にし、作業効率が維持される。また、直接噴射される燃料が、天然ガス、プロパン、あるいは水素からなるときは、ＮＯ_ｘや粒子状物質（ＰＭ）の排出は大幅に減少される。直接噴射された気体燃料はグロープラグ、スパークプラグ、あるいはパイロットの軽油燃料により燃焼される。
【０００２】
高圧における直接燃焼には幾つかの課題がある。直接燃焼のために高圧燃料を使用すると、噴射バルブあるいはインジェクタの内部に滞留する燃料が高圧になる。その結果噴射動作の間に、燃焼室中への燃料漏れを回避するために、噴射バルブを強力に取り付ける必要がある。バルブが閉じているとき、例えばニードルバルブにおいて、バルブニードル封止表面とバルブシートとが互いに流体密に連通しているとき、バルブは「着座」している。噴射バルブを開放するときに、低圧システムと比較して大きな力が必要である。例えば、内方向に開放するバルブニードルを使用するニードルバルブでは、ニードルが開放位置にあるときに、加圧燃料からの大きな力を受けることがある。加えて非常に短時間に燃料噴射がなされる要がある。例えば、全負荷で４５００回転／分では、すべての燃料は２〜３ミリ秒未満の時間内に噴射されることが望ましい。
【０００３】
内燃機関における、周知の直接燃料噴射システムは殆ど全てが油圧にて駆動されるものであった。これらのシステムは噴射バルブ（エンジンが複数の燃焼室からなるときは、複数のバルブ）を開放するために必要な力を油圧に依存している。従って代表的なエンジン操作速度では、噴射バルブを開閉するためには、油圧駆動インジェクタの油圧の急速変化に依存する。噴射バルブは代表的には、油圧の上昇により開放され、下降により閉鎖されるので、噴射バルブに加わる開放力の減少によってバルブは閉鎖される。しかしながら周知の気体インジェクタにおいては、油圧操作は幾つかの問題点を有する。即ち油圧ポンプ、バルブ、および圧油のための油タンク等の油圧ハードウェアの付加の必要性、可変圧圧油と高圧気体燃料との間に設置するシールの必要性、付加するハードウェアに必要な噴射バルブアセンブリの大きさの増加、および電気的バルブハードウェアとインジェクタからのガス流を制御するニードルとの間の圧油のタイムラグに基づくシステムにおける応答の遅れが挙げられる。
【０００４】
さらに駆動力が加圧油により得られると、直接的に制御される駆動源に比べて、噴射バルブの動作制御性が低い。この点に関しては、二重スプリング構造を用いた場合の能力に制限があるので、リフト制御は難しい。従って特に高速エンジンには、ガスインジェクタを駆動するための油圧の使用は回避することが好ましい。ニードルバルブの関係での「上昇」とは、バルブニードルの閉鎖／シート位置から開放位置への変位を意味する。
【０００５】
直接駆動噴射バルブ用に、圧電作動あるいは磁気ひずみ駆動（電場あるいは磁場の影響を受けて寸法が変化し得る素子）を用いることも公知である。例えば米国特許第５，０３１，８４１号（以下‘８４１特許と言う）は、この特許では圧電積層あるいは磁気ひずみのアクチュエータである駆動部材を使用した絞り弁が開示されている。‘８４１特許に開示された１つの特徴は、閉鎖位置でバルブをスプリング付勢する作用を有し、定量された液とアクチュエータとの間のシールを保証するという２つの機能を有するダイヤフラムの付加することにある。この‘８４１特許はハウジング内でアクチュエータの位置を機械的に定めるための調整スクリューを開示している。’８４１特許による場合バルブニードルは圧力ピンによってアクチュエータに対し堅固に連結される。
【０００６】
圧電駆動あるいは磁気ひずみ駆動素子はまた、内部において油圧制御バルブを駆動するために噴射バルブに使用されている。例えば米国特許第５，８１９，７１０号（以下‘７１０特許と言う）は、内部でサーボバルブが使用された噴射バルブを記載している。サーボバルブは、圧電積層あるいは磁気ひずみの材料である駆動部材によって駆動される。駆動部材はサーボバルブの摩耗を軽減し寿命を伸ばすために、穏やかに閉鎖するように制御可能である。‘７１０特許によると、アクチュエータとインジェクタハウジングとの間の熱膨張の違いを補償するために、サーボバルブ作動部材は差込みボルトあるいはスタッドと対になり得る（第４欄、第２５〜４８行参照）。
【０００７】
米国特許第５，８４５，８５２号（以下‘８５２特許と言う）は、主要な噴射チェックバルブを開閉するために、内部の３方向油圧制御バルブを操作する圧電体アクチュエータを使用した別のインジェクタを開示している。‘８５２特許はセルフロッキング予備荷重アセンブリの中間体を介して作用する圧電体アクチュエータが開示されている。このセルフロッキング予備荷重アセンブリは下記の３機能を有する：（１）寸法の変化、及び／或いは、不完全さの補償；（２）燃料圧による上方向力の相殺（３）性能向上のために圧電体積層の予負荷である。
【０００８】
同様に米国特許第５，７７９，１４９号は、アクチュエータの動作を増幅する油圧増幅器の中間体を介して油圧制御バルブに作用する圧電体アクチュエータを使用したインジェクタを開示している。油圧制御バルブは噴射燃料の量を計測するための主要噴射バルブの開閉を可能にする。
【０００９】
制御バルブを操作するために圧油の流れを制御する制御バルブを操作するために、圧電体や磁気ひずみのアクチュエータを使用する問題点として、この構造では圧油の中間作用が必要なことである。圧油の変位よって発生するあらゆる遅延はインジェクタの駆動を遅延させる。したがって、駆動力を発生する中間作用油圧操作を使用せずに、アクチュエータによって直接駆動するインジェクタが必要である。油圧操作システムの別の問題点は、圧油が油圧シリンダから供給、排出される必要があることである。エンジンに使用される主要燃料が軽油燃料であるときは、軽油燃料が圧油として使用され得る。しかしながら、エンジンの主要燃料が気体燃料である場合、油圧に依存するインジェクタを操作するためには、別の圧油システムが必要である。
米国特許第５、６９７、５５４号および第４，８１３，６０１号は共に、油圧液の動的変位と流れとに依存する「能動」油圧システムの別の形態を用いたバルブを記載している。これらの特許は共に、アクチュエータの移動を増幅する、油圧変位増幅器を用いたバルブを開示している。一般的に、これらのシステムは、殆ど非圧縮性の油圧液で満たされた油圧増幅器チェンバを使用している。圧電アクチュエータと連結した第１可動部材、およびバルブニードルと連結した第２可動部材がこの増幅器チェンバと連結している。アクチュエータの駆動は、増幅器チャンバー内の油圧液を変位させる第１部材の移動を生じさせる。第１部材は、第２部材よりも単位当たりに多くの液を変位させるような寸法になっているので、第１部材の移動は、増幅器内での油圧液の変位と流れとによって生ずる第２部材の移動を増幅する。第２部材は代表的には、バルブニードルと連結する。
米国特許第４，７２６，３８９号（今後‘３８９特許と言う）は、パルス信号によって駆動される圧電体アクチュエータを使用した噴射バルブを制御する方法を記載している。開示された方法は、噴射バルブの慣性を抑制し、それにより完全開放直前にバルブの開放特性を安定させるために、アクチュエータへのパルス信号の供給を一時的に切断する工程を含む。バルブ閉鎖の際に、本開示の方法は、噴射バルブの慣性を抑制し、完全閉鎖直前のバルブの閉鎖特性を安定させるために、パルス信号の切断工程の後にパルス信号を一時的に供給する、更なる工程も含んでいる。
【００１０】
要約
噴射バルブは内燃機関の燃焼室へ噴射する。その噴射バルブは下記の構成を備える。
（ａ）燃料注入部、
燃料注入部に連通する内部チェンバ、
内部チェンバから燃焼室への流体経路を提供するノズルオリフィスを含むノズルからなるバルブハウジング、
（ｂ）バルブハウジング内に配置されるバルブニードルであり、同バルブニードルはその封止端がノズルオリフィスから内部チェンバを水密にシールし、かつバルブシートに接触する閉鎖位置と、バルブニードルの封止端がバルブシートから離間することにより、内部チェンバをノズルオリフィスに対して連通させる開放位置との間を移動可能である。バルブニードルの上昇量は封止端がバルブシートから移動する距離に等しくされる。
（ｃ）バルブニードルと連結しているニードルスプリングであり、同ニードルスプリングは閉鎖位置にあるバルブニードルを付勢するためにバルブニードルに閉鎖力が作用される。
（ｄ）バルブニードルと連結しているアクチュエータアセンブリであり、同アクチュエータアセンブリはバルブニードルを開放位置に移動させるために、バルブニードルに閉鎖力より強力な開放力を作用するために駆動し得る。
（ｅ）油圧リンクアセンブリは開閉力を伝達するための液密度を有する油圧リンクを含み、油圧リンクの厚さはアクチュエータアセンブリが作動するときに、希望のバルブニードルリフトを維持するため噴射バルブの部品間の寸法関係の変化に対応して調整可能である。
【００１１】
好ましい実施形態においては油圧リンクの密度は、噴射バルブの部品間の熱膨張の差異、ないしは摩耗によって発生する寸法関係の変化に対応して自己調整可能である。油圧リンクアセンブリは油圧シリンダ内に配置されたピストンと圧油とを有する封止油圧シリンダを備えることが望ましい。ピストンはバルブニードルの不可欠な部品である。
【００１２】
アクチュエータアセンブリは好ましくは、磁気ひずみ部材、あるいは圧電体積層からなることが望ましい。アクチュエータアセンブリが磁気ひずみ部材からなる場合は、電気コイルが磁気ひずみ部材の周囲に配置され、電気コイルの周囲にはフラックス管が配置される。好ましい配置ではアクチュエータアセンブリは噴射バルブの内部チェンバ内に配置され得る。特に好ましい実施形態ではアクチュエータアセンブリは管状で、バルブニードルのシリンダ部の周囲の環状空間内に配置される。管状アクチュエータアセンブリの一端は、磁気ひずみ部材を支持するポールによりバルブハウジングに固定される固定位置に保持される。ポールは、アクチュエータアセンブリが駆動されたとき、磁気ひずみ部材の支持端の移動を防ぐためにバルブハウジングに取り付けられている。
【００１３】
噴射バルブアクチュエータアセンブリに磁気ひずみ部材あるいは圧電体積層を使用した場合、アクチュエータアセンブリは最大上昇量の１０〜１００％の間で、上昇量を制御可能である。即ちアクチュエータアセンブリに指示された制御パルスは、必要に応じて１００％にわたって上昇、あるいは部分的に上昇するために変調され得る。アクチュエータアセンブリが磁気ひずみ部材からなる場合、制御パルスは磁場を作り出す電気コイルに指示された変調電流である。アクチュエータアセンブリが圧電体積層からなる場合は、制御パルスは圧電体積層に印加された変調電圧である。
【００１４】
閉鎖の際の衝撃を軽減するために、バブルニードルの移動を変調する能力が有効に使用されるので、本噴射バルブは特に気体燃料の噴射に適している。液体燃料が噴射されるとき、閉鎖の衝撃は気体燃料よりも相当高密度である液体燃料の薄層の変位によって鈍化する。燃料が気体燃料のとき、燃料は２０００ｐｓｉ（約１３．８ＭＰａ）よりも高い圧力で燃焼室に噴射され得る。
【００１５】
本噴射バルブに使用される好適の磁気ひずみ材料は、エトレマ・プロダクト・インコーポレイテッドから入手可能であるエトレマターフェノール−Ｄ（ＥＴＲＥＭＡ Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ登録商標）磁気ひずみ合金として公知の材料を含む。エトレマターフェノール−Ｄ（ＥＴＲＥＭＡ Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ登録商標）磁気ひずみ合金はテルビウム、ディスプロシウム、および鉄の元素を含む金属合金である。
【００１６】
好ましい実施形態では、磁気ひずみ或いは圧電体のアクチュエータアセンブリによって駆動されるバルブニードルは約２５０マイクロ秒以下で、閉鎖位置と開放位置との間の移動が制御される。
【００１７】
一定の長さの磁気ひずみ或いは圧電体のアクチュエータにおいてバルブリフト幅を改善するために、磁気ひずみ部材、あるいは圧電体積層に圧縮力を加えてもよい。予備的に負荷が加えられた磁気ひずみ部材、或いは圧電体積層によって、正味の変位は印加磁場や印加電圧のそれぞれの単位当たりで増大する。従って磁気ひずみ部材或いは圧電体積層に予圧を付与する圧縮力を加えるために圧縮スプリング部材を使用してもよい。好ましい実施形態において圧縮スプリング部材は少なくとも１つの円板バネからなる（皿バネ、あるいは皿ワッシャとして公知である）。
【００１８】
噴射バルブハウジングは水密させたシール体を提供するために互いに連結された複数の部品で構成されてもよい。例えばバルブハウジングは、主ハウジング内に配置されたバルブ部品にアクセスできるように、取り外し可能なバルブキャップによって覆われる空洞状の主ハウジングにて構成してもよい。バルブハウジングは摩耗した場合に、交換できるように分割バルブチップで構成してもよい。加えてバルブチップは、燃焼室の内部に直接設置されたバルブ本体の一部になるように構成されてもよい。この場合バルブチップは、燃焼室内で予想される条件に直接曝されたときに、優れた耐久性を有する材料で製造される。油圧リンクは熱膨張差による変化も含めて、バルブ部品間の寸法関係の変化を補償するために設計されているが、バルブ部品のために熱膨張係数の近い材料を選択することにより、油圧リンクへの要求が減少し得る。
【００１９】
内燃機関のための好ましい燃料噴射バルブは、
（ａ）燃料注入部と、
燃料注入部に連通する内部チェンバと、
バルブシートと、内部チェンバから燃焼室への流体経路を提供するノズルオリフィスを有するノズルからなるバルブハウジングと、
（ｂ）封止端を有する円筒状部分と予備負荷端を有するピストン部とからなるバルブニードルで、バブルニードルはバルブハウジング内に配置され、その中においてバブルニードルは、ノズルオリフィスから内部チェンバを水密的にシールするために封止端がバブルシートと連結する閉鎖位置と、封止端がバルブシートから離間して、内部チェンバがノズルオリフィスに対し連通される開放位置との間を移動可能で、バルブニードルリフトはバルブシートから密閉端までの距離と等しくされることと、
（ｃ）バルブニードルの予備負荷が加えられる端部に連結されたニードルスプリングで、ニードルスプリングは閉鎖位置にあるバルブニードルを付勢するためにバルブニードルに閉鎖力を作用させるために圧縮され、
（ｄ）バルブニードルを開放位置に移動させるために、閉鎖力より大きな開放力をバルブニードル作用させるために駆動し得るアクチュエータアセンブリであり、同アクチュエータアセンブリはバルブニードルの円筒状部分の周囲に配置された管状磁気ひずみ部材と、磁気ひずみ部材の周囲に配置された電気コイルと、電気コイルの周囲に設置されたフラックス管、及び
ポールとして作用し、磁気ひずみ部材の一端をバルブハウジングに関して固定させるアクチュエータアセンブリの支持部材、及び
（ｅ）バルブニードルのピストン部近傍に配置された封止油圧シリンダと、油圧シリンダ内に配置された圧油とからなる油圧リンクアセンブリで、内部においてバルブニードルに加えられた開放力や閉鎖力が密度を備えた圧油を介して伝達されることにより、圧油は油圧リンクとして機能し、密度はアクチュエータが駆動されたときに好ましいバルブニードルリフトを維持するために、噴射バルブの部品間の寸法関係の変化に対応して自動的に調整可能に設けられる。
【００２０】
また磁気ひずみ或いは圧電体アクチュエータのアセンブリを使用した噴射バルブを制御するために成形された周波を用いる方法も提供される。この方法は以下の連続工程からなる。
（ａ）制御パルスを駆動することにより噴射を開始し、望ましい上昇量に必要な値よりも大きなスパイク値に制御パルスの値を上昇させることによりバルブの開放を加速する（スパイク値は望ましい上昇量に必要な値よりも約一桁高くすることができる）。
（ｂ）制御パルスを、そのスパイク値から望ましい上昇量を得るのに必要な値に減少させる。
（ｃ）バルブ閉鎖を加速するために、制御パルスを負の値にする。
（ｄ）バルブ閉鎖を減速するために制御パルスを正の値に増加させて、バルブシート上へのバルブニードルの衝撃力を軽減する。
（ｅ）バルブを閉鎖するために制御パルスをゼロにする。
この方法はまた、例えば燃料の流量の軽減が望まれる時は部分リフトのみにする等、バルブニードルの動作を調節するための波型の成形を含めてもよい。この結果例えば噴射中の制御パルスの平均値を減少させるために、制御パルスを望ましい上昇量に必要な値よりも低い値に一時的に減ずることにより達成される。減少した制御パルスが、バルブニードルの開放動作を停止することを助けるために、制御パルス値の減少を制御パルスをスパイク値に高めた直後に行うことが望ましい。
【００２１】
アクチュエータアセンブリに磁気ひずみ部材を使用する場合、制御パルスは動作方向に配向した磁場を形成する電気コイルに導入された変調電流である。アクチュエータアセンブリに圧電体積層を使用する場合、制御パルスは圧電体積層に印加される変調電圧である。
【００２２】
好ましい方法においては閉鎖位置と望ましい開放位置との間のバルブニードルの移動に必要な時間は約１７５マイクロ秒である。しかしながらより一般的には閉鎖位置と望ましい開放位置との間におけるバルブニードルの移動に必要な時間は約２５０マイクロ秒になる。
【００２３】
本発明による噴射バルブの利点は内燃機関への燃料の低サイクル高圧直接噴射が可能である点にある。例えば本噴射バルブは内燃機関の燃焼室へ約２０００乃至５０００ｐｓｉ（約１３．８と３４．５ＭＰａ）間の圧力で気体燃料を噴射するために使用され得る。本発明の噴射バルブは内燃機関に対してより高い圧力で液体燃料を導入するために使用され得る。
【００２４】
本噴射バルブの更に別の利点は、噴射バルブを駆動するために駆動力を発生させるための能動油圧アクチュエータやそれに関連する高圧油圧システムの必要性が排除されることにある。周知の能動油圧アクチュエータは油圧リンクアセンブリ内に封止された圧油は単に駆動力を伝達するだけであり、バルブを駆動するための駆動力を発生させるために使用するのではないため、受動油圧リンクとして機能する本発明の油圧リンクとは異なる。油圧リンクの目的は少なくとも１つのスプリングとアクチュエータアセンブリから発生される駆動力に対抗するための負荷経路を提供することにある。従来の能動油圧アクチュエータが必要でなくなることによる利点は、これに関連する能動油圧システムを使用する必要性を排除することにある。噴射バルブを駆動するために油圧を迅速に上下する目的で使用される周知の能動油圧アクチュエータは高圧圧油源に接続される必要があり、能動油圧アクチュエータの内外で圧油の流れを制御する必要がある。能動油圧アクチュエータは油圧シリンダの内外に移動する圧油を使用し、油圧シリンダが高圧圧油源と連通するときに、油圧シリンダ中に流れる高圧の圧油は、バルブニードルを移動させるための駆動力を発生する。油圧シリンダが高圧圧油源から遮断されて、圧油が油圧シリンダから流出すると、駆動力は除去される。このタイプの能動油圧アクチュエータアクチュエータの問題点は、油圧シリンダの内外への圧油の移動に関して遅延時間が発生することにある。
【００２５】
受動油圧リンクの更なる利点は、製造とアセンブリの許容範囲内での熱膨張差、摩耗、および寸法変動の補正に使用し得ることにある。ここに開示される受動油圧リンクは、油圧ピストンの両側間での圧油の移動が可能であり、その効果に対応して自己調整することによって、前記した補正が達成される。このアクチュエータアセンブリは、バルブニードルの好ましい上昇量を保証するために、設定自身がゼロに戻される。
【００２６】
直接作動噴射バルブを使用する利点は、開放位置と閉鎖位置との間を移動する際のバルブニードルの加速と減速とを制御するために、成形制御パルス波が使用されることにある。例えば磁気ひずみアクチュエータを使用した場合、電磁コイルに印加される電流は、例えばバルブを穏やかに閉鎖させるために、電流を減少する等の制御可能である。同様に圧電体アクチュエータを使用した場合、圧電体積層に印加される電圧は、例えば初期に過剰電圧（即ち必要な変位を提供するために必要な電圧より高い電圧）を印加することによりバルブの開放を加速する等の制御可能である。このようにして制御パルスは、バルブニードルの移動を制御するために、磁気ひずみ、あるいは圧電体のアクチュエータの膨張収縮を制御するために使用される。バルブニードルの減速制御の利点は、バルブの摩耗を軽減することにより耐久性を向上させるために、閉鎖の際のバルブシートへのバルブニードルの衝撃を軽減し得ることにある。
【００２７】
本噴射バルブの別の利点は、再現性良くバルブニードルの部分リフトを提供するために、制御パルスを成形し得ることにある。リフトの量は磁気ひずみ、あるいは圧電体のアクチュエータアセンブリに導入された電流や電圧の量を制御するための制御パルスを成形することによって制御し得る。
【００２８】
開示した噴射バルブの更に別の利点は、実際のバルブニードルリフトは非常に小さい（代表的には０．１ｍｍ以下）であるため、より大きなバルブニードルリフトのために設計されたバルブと比較し、本噴射バルブを開放するために必要なバルブニードル速度が遥かに小さいことにある。
【００２９】
これらの形態の他の利点は、以下に述べる直接的に駆動される噴射器に表われる。
好ましい実施形態の詳細な説明
図１〜図３は内燃機関用の直接駆動燃料噴射バルブ１００の好ましい実施形態を示す。噴射バルブ１００は長尺状のバルブハウジング１０２を備え、バルブキャップ１０４とバルブチップ１０６と協働して流体をシールするバルブ本体を形成する。シールは組み立てられたバルブ本体の水密構造を確立するために使用される。バルブキャップ１０４は入口部分１０８を備え、燃料は同入口部分１０８を経てバルブ本体内に進入される。バルブチップ１０６は少なくとも１つのノズルオリフィス１１０を備え、燃料は同オリフィス１１０を介してバルブ本体外に進む。バルブチップ１０６は更にバルブシート１１２を備える。
【００３０】
図３の拡大図にて明瞭に示されている好ましい実施例では、バルブシート１１２は封止部（バルブニードル１１４はバルブシート１１２に接続している）に沿う液体の流が最大になる角度に設定されている。バルブニードル１４の端面とバルブシート１１２との間の角度差は、ノズルオリフィス１００に供給される気体がバルブチップ１０６の中央スロート部に向かって内部に移動する際に、流体断面積が減少しないように設定される。
【００３１】
バルブニードル
バルブニードル１１４はバルブ本体の内部に配置されて、噴射バルブ１００を閉鎖するためにバルブシート１１２に接続されている。それにより燃料がバルブシート１１２を越えてノズルオリフィス１１０に達することを阻止する。図１に示す実施形態において、バルブニードル１１４はバルブ本体内でバルブシート１１２から上昇するように内方向に移動することにより開放位置に移動するバルブステム１１４ａを備える。バルブステム１１４ａは円筒状部材であり、バルブ上昇量は一般に小さい（例えば約６５マイクロメータ）ので、バルブステム１１４ａの直径は、流体断面積（Ａ）はバルブステムの直径に比例する（即ちＡ＝ＩＩ×直径×リフト）ため、バルブ開口部を経て流れる流体の量が十分であるように保証すべく選択される。従って小さな上昇量はは大きな直径で補償される。図１にて示される好ましい実施形態においてバルブニードル１１４は別のピストン部材を備え、バルブニードル１１４と協働して同様の効果を提供する。代替構造（図示せず）において、バルブニードルの下方向への移動にて開放されるポペット型のバルブチップを使用してもよい。この代替構造において噴射バルブを開放するためにアクチュエータが駆動されて、下方向への力がバルブニードル１１４に作用するためには、アクチュエータアセンブリはバルブニードル１１４の上部に位置させることが好ましい。
【００３２】
スプリングアセンブリ
スプリングアセンブリはバルブニードル１１４を閉鎖位置に付勢する。好ましい構成においてスプリングアセンブリは、バルブニードルに閉鎖力を与えるために、少なくとも１つのニードルスプリング１１６を備える。図１の実施形態を参照するに、スプリングアセンブリは更にニードルスプリング１１６からバルブニードル１１４に閉鎖力を伝達するための、ニードルスプリングガイド１１８を備える。ニードルスプリング１１６はニードルスプリング調整器１２０によって圧縮状態に保持されており、ニードルスプリングハウジング１２２と協働して、バルブハウジング１０２への負荷経路を提供する。好ましい構成では各ねじ込み面によってニードルスプリング調整器１２０をニードルスプリングハウジング１２２と連結し、ニードルスプリングハウジング１２２をバルブハウジング１０２と連結している。ニードルスプリング１１６に望ましい予負荷を付与するためにニードルスプリング調整器１２０がニードルスプリング１１６を圧縮すべく回動された後に、ニードルスプリング調整器１２０が緩まないようにロッキングナット１２４にて堅固に締められる。圧縮によって得られるスプリングのエネルギー、即ち予負荷が付与されたニードルスプリング１１６は閉鎖位置でバルブニードル１１４を保持する閉鎖力を提供する。
【００３３】
アクチュエータアセンブリ
アクチュエータアセンブリはスプリングアセンブリによって付与される閉鎖力とは反対方向に対して大きな開放力を提供するために駆動される。図１に示す実施形態においてアクチュエータアセンブリは、例えば磁気ひずみ材料や圧電体積層等の部材が磁場中に配置されたり、電圧が印加された時に、開放力の働く方向において伸縮する部材を備える。
【００３４】
図１に示された実施形態において、アクチュエータアセンブリは磁気ひずみ部材１３０、同磁気ひずみ部材１３０の外周を囲んで設置された電気コイル１３２、電気コイル１３２の周囲に設置されたフラックス管１３４からなる磁気ひずみアクチュエータである。フラックス管１３４は渦電流を壊すために長手方向にスリットを有する一般の炭素鋼で製造され得る。電流は電気フィッティング１３６に供給される。電気リード線（図示せず）が電流を電気フィッティング１３６から電気コイル１３２に伝達する。電流が電気コイル１３２に供給されると、磁気ひずみ部材１３０、ポール１３８、１４０、１４２、およびフラックス管を経て流れる磁束が発達する。ポール１３８、１４０、１４２は、炭素鋼（例えばＣＳ１０１８）、あるいは低磁気ヒステリシスを有する鋼等の適切な材料で製造される。ポール１３８は「固定」ポールで、磁気ひずみ部材１３０、電気コイル１３２、およびフラックス管１３４の第１端を支持している。ポール１４０は磁気ひずみ部材１３０の第２端に接続され、ポール１４２は電気コイル１３２およびフラックス管１３４の第２端に接続されている。ポール１４０は「内部ポール」、ポール１４２は内部ポール１４２の周囲に同軸に配置されている「外部ポール」である。ポール１４２、電気コイル１３２、及びフラックス１３４は、好ましくはバルブハウジング１０２の内壁にねじ込まれるロックナット１４４によって固定されている。ポール１４０、１４２とは協働して、アクチュエータアセンブリの第２端にフラックス経路を供給している。一方アクチュエータアセンブリがスプリングアセンブリの閉鎖力と反対の開放力を供給するように配向され磁場の方向に磁気ひずみ部材１３０が延びるように、ポール１４０はポール１４２に対して相対的に移動するようにしてもよい。
【００３５】
磁場が形成された時の延伸の大きさを増幅するために、予圧を磁気ひずみ部材１３０に付与することが望ましい。磁気ひずみ部材１３０の予圧は形成される磁場当たりの実際の変位量を増大させる。同様に磁気ひずみ部材１３０を圧電体部材で置換した場合、予圧は印加電圧当たりの圧電体部材の実際の変位量を増大させる。予圧を付与するために、例えばディスクスプリング１５０等のスプリングが使用される。予圧を付与するためにディスクスプリング１５０に代えて使用される代替の圧縮部材には、例えばコイルスプリングあるいは同様のスプリング力を有する他の型のスプリング、油圧ピストン、あるいは圧縮部材の組合せ等が使用される。予圧が使用されると、アクチュエータの変位量は、磁気ひずみ部材１３０の全長の約０．１３％にまで増加し得る。しかしながら変位量は温度の上昇の関数で減少する。例えば代表的な往復動エンジンシリンダヘッドの温度で、実際の変位量は予圧が付与された磁気ひずみ材料１３０の長さの約０．０６５％である。
【００３６】
磁気ひずみ部材の寸法は噴射バルブ１００に必要な量によって決定される。例えば噴射バルブ１００が少なくとも約６５μｍの上昇量を提供するように設計されると、磁気ひずみ部材１３０の長さは少なくとも約１００ｍｍになる。加えて環状磁気ひずみ部材１３０の壁厚は、閉鎖位置で噴射バルブ１００を保持する反対方向の力のすべてに耐えるために十分な力を提供するために選択される。環状磁気ひずみ部材１３０の断面積が十分でない場合、電気コイル１３２が十分に動作した場合でさえも、反対方向の力は磁気ひずみ部材１３０の長手方向変位が減少、あるいは阻止され得る。このモードは「阻止力」モードとして公知である。従ってバルブニードル１１４に作動する閉鎖力の大きさは磁気ひずみ部材１３０の断面積を決定する。
【００３７】
図１は磁気ひずみ部材１３０、電気コイル１３２、およびフラックス管１３４が圧電体積層（示していない）で代替され得ることを示している。電圧を圧電体積層に導くために、電気フィッティング１３６が使用され得る。電圧が圧電体積層に印加されると、積層は延伸し、噴射バルブ１００を開放する力が発達する。
【００３８】
図１で示すようにアクチュエータアセンブリはバルブハウジング１０２内に位置され、バルブステム１１４ａ周囲に同軸で設置されて、バルブステム１１４ａとバルブハウジング１０２との間の環状空間の部分を占める。従ってアクチュエータアセンブリは、入口部１０８からノズルオリフィス１１０の方向に中空バルブ本体を経て導かれる燃料に晒される。
【００３９】
油圧リンクアセンブリ
アクチュエータアセンブリによって発生された開放力は油圧リンクアセンブリを介してバルブニードル１１４に伝達される。油圧リンクアセンブリはシリンダ１６０内で長手方向に自由に移動する油圧ピストン１１４ｂの周囲に固着状態で配置される油圧シリンダ１６０を備えている。上記したように図１の実施形態で、油圧ピストン１１４ｂはバルブニードル１１４と一体をなす部分であり、シリンダ１６０の側壁は駆動方向におけるバルブニードル１１４の移動を助ける。粘性の圧油がシリンダキャップ１６２とシール１６６、１６８、１６９によって油圧シリンダ１６０内に封止される（図２参照）。シール１６６、１６８は、バルブニードル１１４をシリンダキャップ１６２とシリンダ１６０との各々に対して移動可能にする。例えばゴム弾性オーリングシール、パッキング、メタルシール、あるいはダイアフラム／ベローシール等の公知のシールが使用され得る。
【００４０】
油圧ピストン１１４ｂの外径と油圧シリンダ１６０の内径との間のクリアランスは、極めて小さい（５０〜２５０ミクロンのオーダー）。クリアランスの望ましい大きさは選択された圧油の粘性による。クリアランス中での流体の流れはハーゲン−ポアズイユの法則に従い、圧油とクリアランスとは、開放力が圧油を介して伝達されている時に、燃料噴射時間中でのクリアランスを通過する圧油の流量が多くならないように好適に選択される。更に圧油は十分な高粘性と体積剛性率を有することが望ましい。これによりアクチュエータアセンブリの駆動に基づき、バルブ開放力がシリンダの底部１６０と油圧ピストン１１４ｂとの間の圧油を介して速やかに伝達されるべく圧油が非圧縮性固体として作用する。動作の継続性のために、圧油は広い温度範囲で（即ちシリンダ１６０内部の予想される作業温度で）望ましい特性を維持する、非常に安定な液であることが望ましい。適切な圧油は例えばグレード１５Ｗ４０等の従来のモータオイル、粘性の範囲で入手可能なデュポン「クリトクス」（Ｋｒｙｔｏｘ登録商標）グリース等の剛性潤滑剤である。「クリトクス」（Ｋｒｙｔｏｘ登録商標）は増粘剤とがグリースを得るべく混合されたパーフルオロポリエーテル（ＰＦＲＥ）合成潤滑剤である。これらの圧油はまた潤滑シール１６６，１６８を補助する。異なる噴射バルブは異なる寸法のピストンあるいはクリアランスを有し得るので、圧油は個々の噴射バルブの構成の特性を考慮して選択される。
【００４１】
噴射バルブ１００が閉鎖され、停止状態にある時は閉鎖力は、シリンダキャップ１６２と油圧ピストン１１４ｂとの間に保持されている圧油を介して伝達される。一般的にはエンジンの作動期間中は、噴射バルブ１００は大部分の時間（通常はその時間の９０％以上）閉鎖されている。従って油圧シリンダ１６０がピストン１１４ｂとの関係で自動的に「ゼロ」設定に移動するように、圧油がクリアランスを通過することにより、噴射動作の間には圧油が再分配されるためには十分な時間がある。最初のゼロ位置は噴射バルブ１００を組み立てた後の油圧シリンダ１６０内の油圧ピストン１１４ｂの位置である。最初のゼロ位置は製造時の許容誤差範囲内における部品の長さの差異により、すべてのインジェクタにおいて同一ではなくてもよい。また作動中に、ゼロ位置は例えば部品の摩耗、あるいは熱膨張の影響による部品間の寸法関係の変化により自動調整される。
【００４２】
部品間の熱膨張係数の差異または不均一な熱分布によって熱膨張収縮の差異が発生し得る。磁気ひずみ部材１３０、バルブニードル１１４、あるいはバルブハウジング１０２等の噴射バルブ１００の部品が他の部品の熱膨張率と合理的に整合されるように構成されたとき、バルブニードルリフトやリフトする部品の変位は非常に小さいので、望まれるバルブニードルリフトを保証するためには、熱膨張収縮の影響を考慮する必要がある。噴射バルブが広い温度域に晒されると、熱膨張収縮の影響は増幅される。一般的に乗り物に使用される噴射バルブはマイナス４０℃（寒い気候中）と１２５℃（エンジン作動中）との間の温度範囲内に晒される。不均一な温度分布は、例えば（１）コイル１３２の発生熱、（２）アクチュエータアセンブリの磁気ヒステリシス、および（３）シリンダヘッドあるいはバルブチップ１０６を介して燃焼室からの伝導される熱を含む多くの要因の結果である。仮に考慮されない場合バルブニードル１１４の変位量に及ぼす熱膨張収縮の差異の全体の影響は目標のリフト量よりも大になり得る。
【００４３】
要約すると油圧リンクアセンブリは、製造工程や噴射バルブの組み立て方法における製造公差から発生する部品寸法のばらつきを補償する。従って油圧リンクアセンブリは噴射バルブ部品の製造公差が緩和されるので、製造コストが削減される。加えて操作中に油圧リンクアセンブリは、例えば部品の摩耗若しくは熱膨張収縮差によって発生し得る噴射バルブ部品間の寸法の変化を補償するために、噴射中に自己調整を行う。
【００４４】
操作の要約
噴射バルブ１００が閉鎖位置にあって停止しているとき、ニードルスプリング１１６から発生する閉鎖力はバルブシート１１２に対してバルブニードル１１４を付勢する閉鎖力はニードルスプリングガイド１１８を介して、ニードルスプリング１１６からバルブニードル１１４に伝達される。噴射バルブ１００の欠陥モードは噴射バルブ１００を閉鎖位置に保持するように、閉鎖力はコイルスプリングのような機械的バネ部材によって提供されることが望ましい。即ち仮にアクチュエータアセンブリが作動しないか故障した場合、噴射バルブ１００は閉鎖位置にとどまる。
【００４５】
噴射動作を開始するために電気コイル１３２に電流を流されて、アクチュエータアセンブリが駆動される。磁気ひずみ部材１３０、ポール１３８、１４０，１４２、およびフラックスチューブ１３４を介して磁束が発生する。磁場の影響の下で磁気ひずみ部材１３０は長手方向（磁場の方向）に延びる。ポール１３８は固定位置にあるので、磁気ひずみ部材１３０は油圧シリンダ１６０の方向に延びる。伸張する磁気ひずみ部材１３０から発生する開放力は、内部ポール１４０、シリンダ１６０の底、シリンダ１６０の底と油圧ピストン１１４ｂの平面との間に保持されている圧油１６４ｂ（図２参照）とを経て、最終的には実施形態で示されているピストン１１４ｂを介して伝達され、バルブニードル１１４にて達する。開放力は閉鎖力より大きいので、ニードルスプリング１１６が圧縮される。油圧シリンダ１６０の変位もまた、板状スプリング１５０の更なる圧縮を発生させる。
【００４６】
前述したようにバルブ動作は突然発生する（２００μｓのオーダー）ので、圧油１６４ｂがピストン１１４ｂと油圧シリンダ１６０との間の狭いクリアランスを通過する時間はない。これに代わり圧油１６４ｂは固体として作用し、磁気ひずみ部材１３０の動作をピストン１１４ｂを介してバルブニードル１１４に伝達し、バルブニードル１１４をバルブシート１１２から上昇させる。噴射バルブ１００はこのように短時間（代表的には３ミリ秒以下）開放される。従って圧油１６４の粘性が適切に選択され、クリアランスの寸法が適切に決定されれば、噴射バルブ１００が開放されている間の、クリアランスを通過する圧油１６４の量は些少であるため、圧油の流れにて発生する変位はバルブニードル１１４の全変位よりも相当に小さい。
【００４７】
バルブニードル１１４の移動はガイド１８０（図３参照）によってバルブチップ１０６近傍に案内される。図３はバルブステム１１４ａの周囲に配置された環状空間１８２を示す。噴射動作の間に燃料は環状空間１８２中に保持されている。噴射バルブ１００が開放されている時は、燃料は入り口ポート１０８からノズルオリフィス１１０に自由な流路を構成する環状空間１８２、バルブ部品間の他の隙間、およびバルブ部品中にある開口部等を経て、入口１０８からノズルオリフィス１１０（ノズルスロートから放射状に導かれる複数のノズルオリフィスの１つであり得る）に流れる。例えば図１〜図３はニードルスプリングハウジング１２２、ロックナット１４４、およびポール１３８等の部品を経た、流体経路を示す。図３はまたバルブハウジング１０２とバルブチップ１０６との間のシール１８４、および、噴射バルブ１００とエンジンシリンダヘッド（図示せず）との間を封止するシリンダヘッドフェースシール１８６を示す。
【００４８】
燃料がバルブハウジング１０２を通過すると、燃料はアクチュエータアセンブリを冷却する。燃料の流路は電気コイル１３２、および磁気ひずみ部材１３０の外周面を最も冷却するように設計配置されることが好ましい。加えて燃料の流れの一部分、最大で約２０％は磁気ひずみ部材１３０の内周面と円筒状バルブステム１１４ａとの間を流れるように導かれ得る。この方法で燃料がアクチュエータアセンブリの冷却のために使用されるときは熱モデルでは、１０℃以下の温度上昇が予測される。
【００４９】
噴射終了の際に噴射バルブ１００を閉鎖するために、電気コイル１３２は消磁され、磁気ひずみ部材１３０は収縮する。バルブニードル１１４が開放位置から閉鎖位置に移動するとき、閉鎖力はニードルスプリング１１６と円板状バネ１５０とから発生される。ニードルスプリング１１６からの閉鎖力はニードルスプリングガイド１１８を介してバルブニードル１１４に再び伝達される。開放位置では延伸した磁気ひずみ部材１３０は円板状バネ１５０を圧縮し、閉鎖すると、円板状バネ１５０は圧縮から解放されて、シリンダ１６０を押下げ、磁気ひずみ部材１３０を圧縮する。円板状バネ１５０は同円板状バネ１５０からシリンダキャップ１６２、圧油１６４ｂ、および油圧ピストン１１４ｂを介してバルブニードル１１４に閉鎖力を付与する。
【００５０】
バルブニードル１１４が開放位置から閉鎖位置に移動する時、その経過時間は一般的には２５０マイクロ秒以下であり、好ましくは約２００マイクロ秒以下である。従って圧油１６４がピストン１１４ｂとシリンダ１６０との間のクリアランスを通過する時間はない。結局圧力はピストン１１４ｂの上部表面上の圧油１６４ａ中で増大する。
【００５１】
バルブニードル１１４がバルブシート１１２に接触すると、噴射バルブ１００が閉鎖される。噴射バルブが閉鎖されると、油圧ピストン１１４ｂと油圧シリンダ１６０との位置関係は、温度、摩耗の影響、更にはバルブニードル１１４が開放位置にある間に起こり得るバルブニードル１１４と油圧シリンダ１１６０との小さな相対移動を補償するために修正されるように、油圧リンクアセンブリは自動的に自己調整される。
【００５２】
制御方法
直接作動噴射バルブを制御するための波形、および対応するアクチュエータ変位を、図４と図５にてグラフで示す。表示した波形は制御パルスが磁気ひずみ部材あるいは圧電体部材それぞれの動作を制御するために幾つかの特徴を有していることを示している。
【００５３】
図４において、波形Ａは磁気ひずみ部材からなるアクチュエータを駆動するために使用される電気コイルに導入される電流を示す。磁場の強さは電気コイルに導入される電流の量に直接比例する。電流値が高いほど、磁気ひずみ部材の延伸を加速するための磁場がより強くなるため、迅速なる開放を促進するために、電流は先ず電流１１にスパイクすることが望ましい。主噴射中に電流は電流１２に下がる。初期電流１１は噴射バルブを十分に開放するために実際に必要な電流１２よりも一桁大きい電流に相当する。例えば初期電流スパイク後に電流を電流１２以下の値に下げることにより、噴射バルブを部分的に開放することも可能である。一時的に電流を波線の波形Ｂで示すような負電流１３に逆転し、純粋にパルス幅変調にて得られる制御よりも良好な流れ制御を行うべく、部分的リフトを迅速に達成するレベルに平均電流を下げるように制御パルスの形状を任意に変えることも可能である。即ちバルブニードルの変位（リフト）と噴射の継続時間との両者を制御することにより、より良好な流れ制御が達成され得る。
【００５４】
バルブ閉鎖は電流を先ず負電流１４に逆転することにより、任意に促進される。バルブニードルがバルブシートに接触するとき、バルブニードルに加わる衝撃とそれによる摩耗とを軽減するために、波形Ａで示すように、電流は一時的に正電流１５に上昇し、バルブの閉鎖動作を遅くする。バルブシート上に加わるバルブニードルの衝撃を制御するための別の実施形態としては、破線Ｃで示したように、電流の方向を逆転せずに徐々に電流を軽減し得る。最後に噴射バルバが閉鎖して電流がゼロに戻ったときに噴射は完了する。
【００５５】
線グラフＤおよびＥはそれぞれ噴射バルブの全開時および半開時におけるバルブニードルの変位を示す。グラフＤは波形Ａで制御された噴射に対応する。グラフＤは噴射の初期に全開位置への迅速移動を示している。表示例では噴射バルブはグラフＤのほとんど平坦部分によって示されるように、噴射期間の大部分にわたって全開位置にある。しかしながら圧油の粘性や油圧ピストンと油圧シリンダとのクリアランスの大きさによって、噴射時にクリランスを通過する圧油により、グラフＤの平坦部分は若干傾斜し得る。
【００５６】
噴射バルブが閉鎖されるとき、噴射終了近傍のＤ線の急激な下降傾斜で示されるように、閉鎖動作は非常に速い。しかしながら波形Ａの終端近傍の一時的な正電流に対応して、グラフＤはバルブが完全閉鎖位置に戻る所では平坦になる。これはバルブニードルのバルブシートへの衝撃による摩耗を軽減するために、波形Ａを使用する方法を示している。グラフＥは初期電流スパイク後に電流が電流Ｉ２以下に下がり、噴射バルブが部分的開放である波形（図示略）に対応している。グラフＥはまた噴射の持続時間、波形の長さ若しくは波形の持続時間によって変動し得ることを示している。グラフＤで示した噴射と比較して、グラフＥで示された噴射のためのバルブリフトは小さい。従って初期の電流スパイクは波形Ａの初期の電流スパイクよりも低くてもよい。グラフＥの（グラフＤの急峻な傾斜と比較して）より緩やかな傾斜で示された閉鎖動作は、波形Ｃに似た傾斜を有する波形に対応する。
【００５７】
当業者は噴射バルブを開閉するために必要な時間は、制御波形の傾斜を急峻にすることにより短縮され、波形の傾斜を緩和することにより増大することは理解できるであろう。従って制御波形の形状はバルブニードルの移動速度に望まれる効果とバルブシートからの変位を作り出す（リフトを制御する）ために、操作され得る。
【００５８】
図５において波形Ｇは圧電体アクチュエータを作動するために使用され得る電圧制御パルスを示す。圧電体アクチュエータのための好ましい制御方法は、磁気ひずみアクチュエータのために上記した好ましい制御方法と同様な理論に基づく。圧電材料の延伸を促進するためにはより高い電圧が使用されるため、急速な開放を促進すべく電圧は先ず電圧Ｖ１にスパイクすることが好ましい。主噴射期間の電圧は電圧Ｖ２に下げられる。電圧Ｖ１は、噴射バルブを全開するために実際に必要な電圧である電圧Ｖ２よりも一桁高くなり得る。例えば初期電圧スパイク後に、電圧Ｖ２以下の値に電圧を下げることにより、噴射バルブを部分的に開放することも可能である。電圧を一時的に負電圧Ｖ３に下げた破線の波形Ｈで示されるように、制御パルスの形状を任意に変えて、パルス幅変調により純粋に得られる流れ制御よりも良好な流れ制御のための、部分的リフトの迅速な達成が可能になる。換言すればバルブニードルの変位（リフト）と噴射時間との両者を制御することにより、良好な流れ制御が達成され得る。
【００５９】
バルブ閉鎖は電圧を負電圧Ｖ４に下げることにより任意に促進され得る。バルブニードルがバルブシートと接触する時にバルブニードルが受ける衝撃と、それによる摩耗とを軽減すべく、波形Ｇで示されるようにバルブ閉鎖動作を減速させるべきために、電圧を一時的に正電圧Ｖ５に上昇させることも可能である。電流波形Ｃと同様に電圧波形Ｉは、閉鎖の際のバルブシート上へのバルブニードルの衝撃を軽減するための別例を示す。最後に噴射バルブが閉鎖されて、電圧がゼロに戻った時に噴射は完了する。
【００６０】
線グラフＪおよびＫはそれぞれ、噴射期間中のバルブニードルの変位を示す。グラフＪは波形Ｇによって制御された噴射に相当する。グラフＪは、噴射の初期に、バルブニードルが全開位置に迅速に移動したことを示す。本実施形態において、グラフＪの殆ど平坦な部分によって示されるように、噴射バルブは噴射時間の大部分において全開位置にある。一方圧油の粘性や油圧ピストンと油圧シリンダとの間のクリアランスの大きさによって、グラフＪの平坦部分は、噴射期間中にクリアランスを経た圧油の流れによって僅かに傾斜し得る。
【００６１】
噴射バルブが閉鎖する時は、噴射終了近くのＪ線の急激下降傾斜によって示されるように、閉鎖動作は非常に速い。一方波形Ｇの終了近傍において一時的に正電圧に上昇することに対応し、バルブが完全閉鎖位置に達する時の線Ｊの傾斜は平坦化する。これはバルブシート上へのバルブニードルの衝撃によって発生する摩耗を軽減するために、波形Ｇの形状を使用する方法を示している。グラフＫは初期の電圧スパイク後に電圧を電圧Ｖ２以下に下げて噴射バルブを部分開放する波形（図示せず）に対応する以外は、グラフＪと近似である。
【００６２】
図４及び図５の波形の時間は１００〜５０００マイクロ秒で、噴射の大部分の時間は一般的には２５０〜２０００マイクロ秒である。
前述の直接駆動噴射バルブ及びその制御方法は以下に示す利点を有する。
従来の油圧駆動噴射バルブに必要な圧油供給システムの除去。これは、例えば、従来の油圧駆動噴射バルブによって用いられた、圧油の供給と戻し経路、および３方バルブの必要性を排除することにより、噴射バルブの構造を簡略化する。
【００６３】
噴射バルブ内の熱膨張の差異、長期使用による摩耗、及び製造許容誤差の範囲内で発生する小さな差異を自動補償する。
長尺状の磁気ひずみ或いは圧電部材を備えた、小型同軸バルブニードル・アクチュエータのアセンブリ構造になる。
【００６４】
燃料流量を絞りバルブシートの摩耗を軽減することが可能な制御方法を使用し得る装置。リフト変位の制御能力により、より低負荷と軽減された予備混合燃焼での軽減噴射を可能にする。例えば、磁気ひずみ或いは圧電体のアクチュエータを用いて、バルブニードルの移動を１０乃至１００％間で制御し得る。過剰燃料を燃焼すると、作業効率が低下するとともに、排出量が増加するため、より低負荷条件では、燃焼室内に送られる燃料の量が軽減できることが重要である。
【００６５】
軸対称の円筒状部品を使用し、噴射バルブ部品間の許容公差が緩和されることにより、生産性が向上する。
駆動アセンブリがバルブニードルの優れた制御を可能にするので、バルブの操作性が向上する。例えば噴射バルブは気体や液体の燃料を噴射するために使用され得る。燃料が気体のときはバルブシートへのバルブニードルの衝撃を鈍らせるための液体燃料が無いので、閉鎖時にバルブニードルを減速する必要性は大きい。アクチュエータに印加する制御パルス波形を成形することにより、バルブニードルとバルブシートとの衝撃を軽減するために、噴射バルブの閉鎖速度の減速が可能である。
等の利点である。
本発明の特徴、実施形態および応用例について述べたが、本開示、特に上記の説明の精神や範囲から逸脱せずに改良が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 直接作動燃料噴射バルブの好ましい本発明による実施形態の断面図である。
【図２】 図１の燃料噴射バルブの上部の拡大図である。
【図３】 図１の燃料噴射バルブの下部の拡大図である。
【図４】 図１の燃料噴射バルブのアクチュエータアセンブリに印加される電流を制御するためのタイミングチャートである。
【図５】 燃料噴射バルブのための圧電体アクチュエータアセンブリに印加される電圧を制御するためタイミングチャートである。

Claims (22)

1. 内燃機関の燃焼室内へ燃料を噴出する噴射バルブであって、
   燃料入口部と、
   該燃料入口部に連通する内部チェンバと、
   該内部チェンバから該燃焼室への流体通路を提供するノズルオリフィスを有するノズルとを有するバルブハウジングと、
   該バルブハウジング内に配置されたバルブニードル、該バルブニードルは該バルブニードルの封止端がバルブシートと接触して該ノズルオリフィスから内部チェンバを油密に封止する閉鎖位置と、該バルブニードルの該封止端が該バルブシートから離間隔して、該内部チェンバがノズルオリフィスと連通する開放位置との間を移動可能であり、バブルニードルの上昇量は該封止端が該バルブシートから移動する距離と等しくされたものと、
   該バルブニードルを閉鎖位置に付勢するために、バルブニードルに閉鎖力を働かせる、バルブニードルに連結されたバルブスプリングであり、
   （ａ）前記バルブニードルを開放位置に移動させるために、閉鎖力より強力な開放力をバルブニードルに働かせるために駆動される、バルブニードルと関連するアクチュエータアセンブリと、
   （ｂ）前記開放力及び閉鎖力が伝達される、油圧流体を含む油圧リンクを備える油圧リンクアセンブリであり、
   前記油圧リンクアセンブリが、前記内部チャンバーから油密的に封止されたシリンダを備え、前記シリンダ内にピストンと前記油圧流体とが配置され、
   前記アクチュエータアセンブリが稼動している時には、前記圧油流体が前記シリンダと前記ピストンとの間を通過することができないように、前記隙間の寸法および前記油圧流体の粘性が選択されており、かつ、前記油圧流体はほぼ一定の厚みを有する固体として作用するように非圧縮性を有しており、
   前記アクチュエータアセンブリの非稼動時においては、前記油圧流体が、バルブニードルを望ましい上昇量に維持するために、前記シリンダと前記ピストンとの隙間を通過することができるように、前記隙間の寸法および前記油圧流体の粘性が選択されていることを特徴とする噴射バルブ。
2. 前記ピストンが前記バルブニードルの一体部品である請求項１に記載の噴射バルブ。
3. 前記アクチュエータアセンブリが磁気ひずみ部材および圧電体積層のいずれか一からなる請求項１に記載の噴射バルブ。
4. 前記アクチュエータアセンブリが、磁気ひずみ部材、該磁気ひずみ部材の周囲に配置された電気コイル、および該電気コイルの周囲に配置されたフラックス管からなる請求項１に記載の噴射バルブ。
5. 前記アクチュエータアセンブリが前記内部チェンバ内に配置された請求項４に記載の噴射バルブ。
6. 前記アクチュエータアセンブリが円筒状で、バルブニードルの円筒状部分の周囲の環状空間内に配置された請求項５に記載の噴射バルブ。
7. 前記円筒状アクチュエータアセンブリの一端が前記バルブハウジングに取り付けられているポールに支持されている請求項６に記載の噴射バルブ。
8. 前記アクチュエータアセンブリは、前記バルブニードルの上昇量が最大上昇量の１０乃至１００％の、望ましい値で制御可能な請求項３に記載の噴射バルブ。
9. 前記アクチュエータアセンブリに導入される電流、あるいは前記アクチュエータアセンブリに印加される電圧を制御することにより、前記上昇量が制御可能な請求項８に記載の噴射バルブ。
10. 前記磁気ひずみ部材がテルビウム、ディスプロシウムおよび鉄を含む金属合金からなる請求項４に記載の噴射バルブ。
11. 前記バルブニードルが、約２００マイクロ秒未満で開放位置と閉鎖位置との間を移動するように制御可能である請求項３に記載の噴射バルブ。
12. 前記磁気ひずみ部材あるいは圧電体部材に圧縮力を付与するための圧縮スプリング部材を含む請求項６に記載の噴射バルブ。
13. 前記圧縮スプリング部材が少なくとも１つの円板ばねからなる請求項１２に記載の噴射バルブ。
14. 前記燃料が気体燃料である請求項１に記載の噴射バルブ。
15. 前記燃料が燃焼室の中に約２０００ｐｓｉ（約１３，８ＭＰａ）以上の圧力で噴射されるように設けられた請求項１に記載の噴射バルブ。
16. 前記バルブハウジングが、油密体を提供するために互いに連結した複数の部品からなる請求項１に記載の噴射バルブ。
17. 温度変化によって発生する該部品間の寸法関係の変化を軽減するために、前記バルブハウジング、バルブニードル、及びアクチュエータアセンブリが、近似の熱膨張係数を有す
    る材料から選択される請求項１に記載の噴射バルブ。
18. 内燃機関の燃焼室中に燃料を噴射するための噴射バルブであって、該噴射バルブが、
    燃料入口部と、
    該燃料入口部に連通する内部チェンバと、
    該内部チェンバから該燃焼室への流体通路を提供するためのバルブシートとノズルオリフィスとを有するノズルと、
    を有するバルブハウジングと、
    封止端を備えた円筒部と、予圧端を備えたピストン部とからなるバルブニードルと、該バルブニードルはバルブハウジング内に配置され、ノズルオフィスから内部チェンバを水密にシールするために封止端がバルブシートと接続する閉鎖位置と、該封止端が該バルブシートから離間して、内部チェンバを該ノズルオリフィスと連通させる開放位置との間を移動可能であり、バルブニードルの上昇量が、封止端がバルブシートから移動した距離に等しくされたものと、
    該バルブニードルの予圧端に接続されるニードルスプリングと、該ニードルスプリングはバルブニードルを閉鎖位置に付勢すべくバブルニードルに閉鎖力を作用させるため圧縮されていることと、
    （ａ）該バルブニードルを該開放位置に移動するために、該閉鎖力よりも強力な開放力を該バルブニードルに付与するために駆動され得るアクチュエータアセンブリと、同アクチュエータアセンブリは該バルブニードルの円筒状部分の周囲に配置された円筒状磁気ひずみ部材と、
    該磁気ひずみ部材の周囲に配置された電気コイルと、
    該電気コイルの周囲に配置されたフラックス管と、
    ポールとして作用し、前記バルブハウジングに関して該磁気ひずみ部材の一端のために固定位置を提供するアクチュエータアセンブリを支持する部材と、
    からなるものと、
    （ｂ）該バルブニードルの該ピストン近傍に配置された封止油圧シリンダと、
    前記封止油圧シリンダ内に配置された圧油からなる油圧リンクアセンブリとを備え、
    該バブルニードルに作用する開放力及び閉鎖力が前記圧油流体を介して伝達され、
    該バルブが開放位置にある間、前記圧油流体が前記シリンダと前記ピストンとの隙間を通過することができないように前記隙間の寸法および前記圧油の粘性が選択されており、かつ、前記圧油流体がほぼ一定の厚みを有する固体として作用するように非圧縮性を有し、
    該バルブが閉鎖位置の間は、前記アクチュエータアセンブリが駆動されている時にバルブニードルの望ましい上昇量を維持するために前記シリンダと前記ピストンとの隙間を通過可能であるように前記隙間の寸法および前記圧油流体の粘性が選択されていることを特徴とする噴射バルブ。
19. 磁気ひずみ部材に圧縮力を作用させるために圧縮スプリング部材を備える請求項１８に記載の噴射バルブ。
20. 前記磁気ひずみ部材が、テルビウム、ディスプロシウム、及び鉄を含む合金からなる請求項１８に記載の噴射バルブ。
21. 前記油圧流体が液体である請求項１４に記載の噴射バルブ。
22. 前記油圧流体がモータオイルとグリースとのうちの液体である請求項１４に記載の噴射バルブ。

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