(57)【要約】  周波数応答を上げ、各噴射において望ましい燃料流速の精度を制御するプログラム可能なディーゼル燃料噴射装置が提供される。全てのバルブ周波数および運動要件は、補償された直接ドライブにより満たされ、これは、希土類合金の耐久力を磁界に長くすることにより可能となる。継続して可変な電力入力波形は、所望の燃料噴射速度形成を行う。磁歪変換器は、電圧および電流を継続して可変な力、および、閉じられているチャンバ内の燃料に働くマスターピストンの移動に変換する。スレーブピストンは、閉じられたチャンバ内の燃料圧力変化に応じて、スプールバルブのスプールに作動して燃料を放出される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケースと、
ロッドを有し、機械的出力に電気的入力を変換し、ソレノイドコイルの長さ１メートルごとに５０００回未満の電線が巻かれた前記ソレノイドコイルを有する変換器と、
エンジン燃焼チャンバに燃料を提供し、前記変換器と連通可能なバルブと
を備える、内燃エンジンのための燃焼噴射装置。
【請求項２】
前記ロッドは、互いに平行な端部を有し、磁歪応答が好適な方向に向いている、中身の詰まった磁歪材料からなる、請求項１に記載の燃焼噴射装置。
【請求項３】
前記ロッドの形状は、円柱、楕円柱、平行柱、角柱の形状からなる群から選択される、請求項２に記載の燃焼噴射装置。
【請求項４】
マスターピストンは、１５メガパスカルを超える圧縮応力を前記ロッドに与える、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃焼噴射装置。
【請求項５】
前記ケースは、前記ロッドが前記マスターピストンに作動するときに、実質的に一定の体積の圧力をかけられた液体をトラップする液体チャンバを有する、請求項４に記載の燃焼噴射装置。
【請求項６】
前記バルブは、
エンジン燃焼チャンバにつながる少なくとも１つの孔を有するバルブ本体と、
第１の位置と第２の位置との間で、軸方向に滑走するよう、スレーブピストンにより駆動されるバルブ部材と、
前記バルブ部材を前記第１の位置に動かす復元部材と
を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の燃焼噴射装置。
【請求項７】
前記変換器は、前記ロッドの周りに同軸で設けられ、前記ロッドの前記磁歪材料を機械的運動へと励起させるよう配置されたケースとソレノイドコイルとを通って配置される前記ロッドを有する、請求項２に記載の燃焼噴射装置。
【請求項８】
前記磁歪材料は、方向性多結晶の希土類遷移金属（公式：ＴｂｘＤｙ１−ｘＦｅ２−ｗ, 、ここで、 0.20<=x<=1.00 および 0<=w<=0.20）から形成され、前記材料の粒子は、λ１１１軸の１０度の範囲の材料の成長軸沿いに実質的に向いている共通主軸を有している、請求項７に記載の燃焼噴射装置。
【請求項９】
前記磁歪材料は、希土類遷移金属磁歪材料が複数の接合点によって離散した磁歪スラブからなる１つの部材に分割されている、請求項７に記載の燃焼噴射装置。
【請求項１０】
前記磁歪材料は、横方向の寸法が前記装置の電気機械的共振周波数の１／４波長未満である希土類遷移磁歪材料である、請求項７に記載の燃焼噴射装置。
【請求項１１】
前記磁歪材料は、磁歪応答の方向の長さが前記装置の電気機械的共振周波数の１／４波長以上である希土類遷移磁歪材料である、請求項７に記載の燃焼噴射装置。
【請求項１２】
強磁材料からなる磁束戻り経路回路をさらに備える、請求項７に記載の燃焼噴射装置。
【請求項１３】
前記磁束戻り経路回路は、前記磁歪材料の一端から他端まで前記ソレノイドコイルを覆う、請求項１２に記載の燃焼噴射装置。
【請求項１４】
前記磁束戻り経路回路には永久磁石が組み込まれている、請求項１２に記載の燃焼噴射装置。
【請求項１５】
前記バルブは、前記マスターピストンとは異なる方向に移動するスレーブピストンを有する、請求項４に記載の燃焼噴射装置。
【請求項１６】
前記液体は、高圧源と流体連通しているチェックバルブによって前記チャンバに供給され、トラップされる、請求項５に記載の燃焼噴射装置。
【請求項１７】
前記液体は、高圧源と流体連通している迷路状の経路によって前記チャンバに供給され、トラップされる、請求項５に記載の燃焼噴射装置。
【請求項１８】
前記復元部材はばねである、請求項６に記載の燃焼噴射装置。
【請求項１９】
前記ロッドは、互いに平行な端部を有し、圧電応答が好適な方向に向いている、中身の詰まった圧電材料からなる、請求項１から１８のいずれか一項に記載の燃焼噴射装置。
【請求項２０】
前記ロッドの形状は、円柱、楕円柱、平行柱、角柱の形状からなる群から選択される、請求項１から１９のいずれか一項に記載の燃焼噴射装置。
【請求項２１】
ケースと、
ロッドを有し、機械的出力に電気的入力を変換する変換器と、
変換器の力を圧力による力からベクトル的に分離して、エンジン燃焼チャンバに燃料を供給する前記変換器と連通するバルブと
を備える、内燃エンジンのための燃焼噴射装置。
【請求項２２】
エンジン燃焼チャンバに燃料を噴射する方法であって、
制御ユニットからソレノイドコイルに電気入力信号を送信して、前記ソレノイドコイルで磁歪材料のロッドを励起する段階と、
変換器と連通しているバルブを利用して、圧力による力から作動力を分離する段階と、
燃料をエンジン燃焼チャンバに噴射するべく前記バルブを作動させる段階と
を備える方法。
【請求項２３】
前記制御ユニットはアナログ方式で動作する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記制御ユニットはバイナリ方式で動作する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記制御ユニットはパルス幅変調方式で動作する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
スレーブピストンにより、前記バルブを完全開位置と完全閉位置との間の任意の位置に軸方向の変調を行う段階をさらに備える、請求項２２から２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記電気入力信号は、交流信号が重畳された主要な電流信号を含む、請求項２２から２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記電気入力信号の送信前に、前記ロッドの磁場を位置合わせするように回転させる電流で前記ソレノイドコイルを励起する段階をさらに備える、請求項２２から２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
前記バルブは、作動時に正弦的に振動する、請求項２２から２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
ケースと、
ロッドを有し、機械的出力に電気的入力を変換し、ソレノイドコイルの長さ１メートルごとに５０００回未満の電線が巻かれた前記ソレノイドコイルを有する変換器と、
前記変換器により作動されるバルブと
を備える電気油圧式アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１１年２月８日出願の米国仮特許出願第６１／４４０，６５５号、２０１１年２月８日出願の米国仮特許出願第６１／４４０，６６５号、２０１１年２月８日出願の米国仮特許出願第６１／４４０，６７１号、２０１１年２月８日出願の米国仮特許出願第６１／４４０，６８４号の恩恵を主張しており、２０１０年８月１０日出願の米国特許出願第１２／８５３，６５２号および２０１０年８月１０日出願の米国特許出願第１２／８５３，６７１号の一部継続出願である。
【背景技術】
【０００２】
本発明が意図する処理、可能性、および意義は、熱エンジンの基礎的な熱力学原理を簡単に見直すことで最もよく理解されると思われる。
【０００３】
かのサディ・カルノーの言葉を翻訳する。「とすると、最大量を生むために必要な条件は、熱の動力を生むために利用される実体には、体積変化にともなわない温度変化は生じない、ということである。逆に言えば、この条件が満たされると最大量が生じる。この原理は、熱エンジンを構築する上で見失ってはならない基礎的事項である。この条件がずれると、多少なりとも最大量から逸脱する。」
【０００４】
ルドルフ・ディーゼルは、熱エンジンの熱効率が、熱がエンジンの作動流体に加わるときの速度と温度と直接関係していることを証明した。彼は、理想的な気体の法則ｐＶ＝ｎＲＴを利用して、温度を一定の混合平均温度に保って作動流体を加熱することで大部分の熱を仕事に変換することができることを示し、カルノーの「不要なカロリーの均衡点の再構築」という構想を放棄した。作動流体最大である混合平均温度は、機械的圧縮力によってのみ達成される。この温度は、選択した燃料の自動燃焼温度より高い必要がある。特定の熱値を有する燃料が噴射されるレートは、その燃料が自己燃焼することにより発散される熱の速度が一定の混合平均温度を維持するレートである。この気体の法則に従って、ピストンが引き戻されると気体の圧力が減少する。圧力の減少はスムーズな変化であり、固定燃焼分配率のような一定のレートで変化するわけではない。しかし、可燃物の温度を維持すると、圧縮運動中よりも高圧に保つことができることから、正味の仕事量が生じる。可燃物に上述した処理を徐々に行うことで、燃焼による昇温が抑えられ、気体からの伝熱が最小限に抑えられ、燃料費を最小限に抑えることができる。
【０００５】
理論上は６０％を大きく上回る効率（摩擦とポンプ損失を除く）を達成することが可能である。言い換えると、利用可能な熱の６０％を超える量が機械仕事に変換され、熱の４０％未満の量が失われる。これはディーゼルが出した保守的なパーセンテージである。（排出を減らすための駆動装置がない場合であっても、効率を上げることは、燃料噴射技術を向上させるうえで強力な経済的推進力である。現在のディーゼルトラックエンジンの熱効率は約４０％であり、ガソリンエンジンの熱効率は２５％から３０％の範囲である。低いほうのガソリンエンジンの熱効率は、ディーゼルが１００年以上も前の１８９７年に講義中に述べた原型と合っている。）
【０００６】
しかしながら、ディーゼルの提唱した、作動流体を一定の温度で加熱しつづけること、という一見単純に思われる方法を実現することは、単純ではなかった。Ｇａｎｓｅｒ等の特許および論文は、この実現がいかに難しいか、詳述している。以下のような複雑な問題がある。１つ目は、液状の燃料の原子化、気化、混合、および燃焼、２つ目は、車両で利用されるような、負荷と速度が一定に変化するエンジンを設けることであり、３つ目は、ソレノイドのような非線形のデバイスの動作の非線形性を低減させる必要があることである。
【０００７】
燃焼の複雑性が達成されれば、汚染物質の排出を制御することができる。可燃物をどう受け入れるか、は、燃焼制御ひいては燃料経済および汚染物質の排出の両方を制御する最も重要な方法の１つでもある。つまり、燃焼チャンバ内の高温で、圧縮され、旋回している、酸素濃度の濃い雰囲気内に燃料を噴射する方法である。ディーゼル自身も、自身の米国特許６０８，８４５号明細書にて、粉末石炭燃料からは煤煙が出る、と述べている。
【０００８】
今日のディーゼルエンジンの汚染物質制御技術の進歩の１つに、燃料噴射装置に供給する液状燃料の圧力を安定して高くすることができるようになったことがある。現在の技術水準は３５，０００ｐｓｉ程度であり、より高い圧力値が設計段階にある。
【０００９】
技術文献および先行技術特許文献は、高速ジェットまたはパルスによる標準的な２つの液状石油ディーゼル燃料を利用することで汚染物質を低減させることができる、と開示している。高圧処理により燃料の原子化が向上して、超高速ジェットでは、細かく原子化された燃料が、新鮮な酸素処理された空気とよく混ざる。
【００１０】
エンジンの負荷および速度を変化させつつ、可燃物を徐々に、かつ、高速ジェットで受け入れ、排出を最小限に抑えるためには、燃料噴射装置に設ける制御手段が、経時的にバルブ部材のストロークおよび速度の両方を継続的に、しかも可変的に制御可能であることが望ましい。言い換えると、このような特性を有する燃料噴射装置は、噴射される燃料を速度形成して、作動流体（燃焼気体に続いて空気が投入される）の混合平均温度が、エンジンの全ての速度および搭載条件下においても、噴射されたときにも増加しないように、且つ、非常に短い個々のパルスを噴射することができるようにする。
【００１１】
創造的で、独創的な革新は、ディーゼル燃料噴射に対して向上した制御を行うことができることであり、これは、産業誌、学会誌、学術論文、特許等から明らかである。究極的には、これらの努力は今まで、ソレノイド、圧電セラミック（今後は圧電と称す）という、２つの主要な電気制御技術物理学の領域に限定されていた。ソレノイド噴射装置は少なくとも１９１３年のＧａｆｆまで遡ることができ、圧電噴射装置は少なくとも１９７７年のＢａｒｔまで遡ることができる。従って、圧電およびソレノイド技術のいずれにおいても、これらの限定が着目されている。圧電噴射の時代に入ったが、Ｂｅｎｓｏｎ等が２００８年に、圧電技術がまだ完全にはソレノイドに勝っているとはいえないことを示した。
【００１２】
理想的には、燃料は、エンジンの負荷および速度に関わらず、どの噴射においても、継続してエンジンの需要を満たす継続的に可変な流速で噴射される。「プログラム可能」という用語は、殆どどんな速度形成でも実行可能な本発明の技術のことであり、各速度形成を、噴射器自身を変化させることなく変更可能とすることで、ディーゼルの公式に近い方法が実行される。
【００１３】
この流れで、アレクサンダー・グラハム・ベルの電話の発明が注目に値する。ベルは、ソレノイドで作動させる電報を利用して、理解できる音声を再生する、という飛躍的で画期的な試みを行った。彼の電話の主要な特徴としては、受話器の振動板（diaphragm）が波形のアナログ電気信号の入力に迅速に且つ比例的に追従可能であることが挙げられ、これは、燃料の流れの速度を継続して制御する、というプログラム可能なディーゼル燃料噴射装置と同じ特徴といえる。
【００１４】
ソレノイドは耐久性があるが、プログラミングには向かない。ソレノイドの主要な特徴は、機械的運動が電気的な入力と比例しないことである。耐久性および信頼性には優れているものの、ソレノイドからは、理解できる音声も燃料速度形成も再生することができない。その動作原理から、閾値を超えた磁束が空隙を通ると、２つの極が互いに向かって加速して、空隙を閉じ、最終的には互いに衝突して、設計の仕方によっては跳ね返る。２つの極を加速する力は、２つの極の間の空隙の二乗に逆比例しており、速度または位置の制御が難しい。従って、ソレノイドは、開いている、閉じている、跳ね返る、またはこれら状態の間の遷移状態を、制御不能なレートで移行する。
【００１５】
この特徴は通常「切り替え」特性と称され、電報のようなＯＮ−ＯＦＦ切り替えを示唆してはいるものの、電報とは異なり、圧電素子は速度と、範囲内での移動が無制限に調節可能であるため、継続した制御が可能である。この技術のカギとなる特徴は、機械的な膨張が、印加される電圧に比例する、ということである。圧電力および移動は、電気的な制御がずっと高速である、という点を除いて、熱膨張に類似している。圧電は、理解できる音声または噴射される燃料の速度形成を再生可能ではあるが、それは短い時間だけの話である。重要な欠点が、性能劣化の恐れがある、ということであり、この点は、ほんの数例を挙げると、米国特許5,875,764, 7,159,799, および7,262,543号各明細書、ＭＩＬ−ＳＴＤ−１３７６、およびＣａｉｎ等に記載されている。劣化または老朽化が避けられない、ということは、圧電技術のアキレス腱、あるいは弱点であり、耐久性のあるプログラム可能な噴射装置での利用を妨げている。合理的な寿命を得るべく軽く搭載された場合、圧電は、ソレノイドに比べて電報式のＯＮ／ＯＦＦ速度向上が見込まれ、現在利用されているより高速で小型のマルチパルス噴射において、シリンダー内へのディーゼル排出が溜まらないようにすることができる。速度および比率はよくなるかもしれないが、圧電を電報同様に利用して合理的な動作寿命を達成すると、この方法が燃料噴射の速度形成にあまり理想的ではなくなってしまう。
【００１６】
米国海軍は、あまりまだ知られていない、鉄と、テルビウム、ジスプロシウム等の希土類金属との合金に適用した磁歪材料（今後「ＲＥＡ」と称する）を、ソナー（圧電に匹敵する磁石）用に開発した。
【００１７】
ＲＥＡは、磁気の入力を、機械的な出力に変換する。この合金は、速度と、範囲内で無制限に調節可能な移動と、エンジンシリンダーヘッドへの搭載にも十分耐えうる耐久性とを兼ね備える。この技術のカギとなる特徴は、機械的膨張が、その周りを循環する電流シートに比例する、ということである。Ｄａｐｉｎｏ等およびＦａｉｄｌｅｙ等も述べているように、磁歪による移動および力は、磁気的に制御可能であり、ずっと高速であるという点を除いて、熱膨張に類似している。ＲＥＡは、理解できる音声の再生、および、噴射燃料の速度形成を、耐久性面での制約なく行うために利用可能である。昇温とともに性能は低下するが、降温すると完全に利益を取り戻すことができ、その効果は合金の比率により制御することができる。
【００１８】
米国特許第7,255,290号明細書（以下「２９０」特許と称する）は、プログラム可能な燃料噴射の速度形成を達成する際の簡単な主要点を述べている。特許全体を、特に様々な電気機械的変換手段について、ここに参照として組み込む。この特許をまとめると、高圧縮の応力を前もって与えておくことと、ソレノイドコイルに幾らか巻きを加えることとを組み合わせることとが、ＲＥＡ磁歪変換器のカギとなる特徴である、ということである。これにより、ＲＥＡが性能劣化を伴わずにエンジンシリンダーヘッド上でも耐えられるようになる。この技術は耐久性がある。
【００１９】
ＲＥＡに対する高圧縮の応力が、周波数応答（速度）を、以下の３つの点で向上させる。はじめの２つの点は、磁歪変換のメカニズムに密接に関係している主要なパラメータに関しており、両方が高圧縮の応力による良い影響を受ける。
【００２０】
第一の点は、高い応力が、ＲＥＡの透磁率を低減させ、電気インダクタンスを下げる、ということである。インダクタンスが下がると、ＲＥＡ部材の周りを循環する電流シートを動的に変化させるために必要となる電圧も低くなる。
【００２１】
第二の点は、高い応力により、ＲＥＡの可変のヤング率が上がることである。ＲＥＡ部材の剛性が上がると、周波数応答が上がる。
【００２２】
第三の点は、応力が高圧縮であると、同じ力でも、ＲＥＡの断面積が小さくてよくなることである。この結果、内部のバルブ部材を配置するための体積加速に、磁石に基づく機械的力がほとんど消費されなくなり、周波数応答がさらに改善される。
【００２３】
ＲＥＡ磁歪変換器の理論的な比例関係および高速性は、試験により証明されている事項である。このテストの早期データはＢｒｉｇｈｔ等によってされている。試験品である変換器を、15,000 から25,000 psiの燃料圧として、ＲＥＡを圧縮した後に、電気的エネルギーを印加してデータをとった。詳細なテストは、特にさらに高い燃料圧で続けられる。
【００２４】
２９０特許は、変換器の出力を利用して、電力全体および磁歪技術の機能をマスクする従来の油圧機械式部品を制御している。言い換えると、従来のニードルと関連する錘とがうまく整合しておらず、大幅に向上した変換器の機能を活用できていない。シミュレーションおよび予備テストによって、この技術が、特に燃料圧である他の動力源を置き換えるための十分な制御部を提供していることが示唆されている。つまり、直接駆動が可能であるということである。
【００２５】
従来例に従い、２９０特許は、ばねを予めＲＥＡに搭載して、周波数応答を下げた。必要な圧縮プレロードを、必要とされる剛性かけることができ、疲労要件を満たすことができるばねは、ディスク形状のばねのような比較的大きな直径を有さず、また、コイル状のばねのような大きな長さも有さない。エンジンシリンダーにおけるどのデバイスでは直径を維持するほうが望ましいが、そうすると、燃焼チャンバに突出する噴射端にばねを近づけて配置することができる、という変換器の利点がなくなってしまう。直径の大きいばねは、加速面では短く小さな体積である点が利点であるが、特定のエンジンに装着するのが非常に難しくなる場合がある。この種類のばねの端部には摩擦および損耗が出て、噴射装置の寿命を縮める。
【００２６】
第２の種類のばねは、加速するための体積を多くして、周波数応答を下げるためにも、長さおよび大きさが大きくなっている。体積に加えて、比較的長く薄い移動部材は、湾曲し、振動しやすいので、設置に気を使う必要があり、製造費がかさむ。ばね自身が必要な偏向力および速度と相互作用してしまい、バルブ部材の速度を遅くして、不要な運動を生じさせる。
【００２７】
どのばねであっても組み込み中は圧縮させておく必要があることから、設計や製造方法が複雑になる。このプレロード工程は、脆いＲＥＡロッドを、曲げたり、位置がずれた端部部材に晒したりすることなく行う必要がある。このメカニズムは、プレロード工程を注意深く行い、噴射装置の寿命の間止め続けておく必要がある。
【００２８】
２９０特許に倣った２つ目の特徴は、変換器の出力を利用して、ドレインと制御量の限度を制御して、これにより、針にかかる圧力バランスを制御する、ということである。ドレインおよび制御量の限度量に加え、慣性力と制御量に従うことにより、周波数応答が低くなる。これらと同じ理由から、精度も低くなる。
【００２９】
第三に、針はバリスティックであり、跳ね返りおよび振動を制御できない点も、電報と共通した点である。これにより周波数応答および精度が低下する。
【００３０】
最後に、２９０特許は熱補償機構がない。移動でずれたときのＲＥＡと噴射装置の残りの主要部材（injector-critical）との間の膨張差を補償する必要がある。
【００３１】
本発明の噴射装置は、収縮し、簡潔になっているにも関わらず、これらすべての欠点を補正することができる。この向上した構成では一定の臨界機械加工許容値が不要である。本発明のロバストな電気機械アクチュエータ技術は、継続して可変な力と、経時的なずれとの間を電気的に選択可能とすることで、燃料圧をなくして、バルブ部材の速度を達成することができる。これにより、複数の短パルスを含むもの、および、同じ噴射装置から燃焼燃料を徐々に受け入れるタイプのものを含む、実質的にどの必要な形状の燃料噴射速度を達成することも可能となり、速度形成に必要となる複雑な処理は、この噴射装置の簡単な機械的部分から、電気的または電子的な手段の役割になった。精細なバルブ部材配置制御による細やかな流速制御を達成するためには、バルブ部材に働く変換器の力を、バルブ部材が制御する圧力に起因する力から切り離す必要がある。全ての波形がいつでも噴射装置またはその配置を妨害することなくプログラミング可能であることが、噴射装置がプログラミング可能である、とする所以である。
【００３２】
後述するように、先行技術は、プログラミング可能なディーゼル燃料噴射装置に必要な部材が含んでいるものの、どの先行技術にも、十分かつ正確な制御機構と、この変換器の利点を最大限に活用するのに適した油圧機械式部材を有する電気機械的な変換器に適合する噴射装置を開示したものはない。つまり、補償された直接ドライブを有する噴射装置は存在していない。
【００３３】
関連する先行技術を以下に列挙する理由は以下の理由からである。本発明の噴射装置は、以下の参考文献のもつ限界を克服するものである。
【００３４】
第一に、周波数応答を低減する傾向のあるばねや体積といった事項により生じる慣性効果またはコンプライアンスを特徴としてもっている関連先行技術を挙げる。本発明の噴射装置では、過度のコンプライアンス力および慣性力が不要である。
【００３５】
第二に、燃料圧等の、外部動力源を方向しなおすために制御体積を利用している関連先行技術を挙げる。つまり、大きな原因及び効果を制御するために小さな原因及び効果が利用されている先行技術では、必然的に周波数応答が下がり、測定精度も下がる。周波数応答に加えて、本発明の噴射装置は、殆ど直接的にバルブ部材を制御するのに足る十分な力とストロークとを有することができる。ここで、「殆ど」という用語は、熱補償を行う必要があることであると定義される。
【００３６】
第三に、圧電セラミックスを利用する関連先行技術を挙げる。２９０特許は、圧電が望ましくない理由を詳細に説明している。以下に挙げる先行技術の全て異なる燃料噴射装置について、２９０特許は、圧電は利用されていくうちに劣化するので、このタイプのアクチュエータを利用している噴射装置はいずれも、寿命を延ばすためには、必然的にストロークおよび速度の制約がある。これまで何十年もの間圧電は存在しているが、先行技術が主に機械的である手段で速度形成してきており、その結果として効果を制約されてきたことは、圧電技術を燃料噴射装置で利用することにはかなりの困難があったことがわかる。噴射装置制御が効果的に行われないと、排出物が増え、燃費も悪くなる。
【００３７】
燃料圧が高いことは、先行技術が、内部にある中身の充実した機械的部材を加速して配置するよう方向づけられることで、噴射装置に必要とされる高速を補助するために利用する、強力なハイグレードの機械エネルギーを生じる条件である。従来の電気機械的なアクチュエータ技術は、これら制約があったために、流量の調整装置というよりは、燃料圧を方向づけるためのトリガとなるメカニズムとしてのみ動作してきた。従って、先行技術の噴射装置は、開閉状態、または開閉状態の間を、十分な制御下ではなく遷移中の状態、のいずれかの状態であった。このような振る舞いでは、たとえ負荷および速度範囲が適度なものであっても、「徐々に燃焼させる」状態は生じさせられない。特定の条件下における部分的な速度形成は、例えば油圧機械式手段により可能であったが、結果物である噴射装置は、可撓性に欠け、複雑であり、製造費が高かった。  従って、速度形成は、いくら加速度を細かくしたとしても、燃料を単に投入するたけでは、依然として予測不可能なものにとどまっており、ディーゼルが規定した、「燃焼は、燃焼段階の結果生じる気体温度が上昇しないよう、行い、点火後の燃焼は放っておくのではなく、圧度、大きさ、および、温度の正しい比率を維持するための外部装置により制御を行う必要がある」という処方を行うことができていない。
【００３８】
米国特許第4,022,166号明細書は、針のずれを３０から１５０マイクロ秒間に０．００６から０．０１０インチの間に規定しているが、バイアスされたばね５８が速度低下を引き起こすことを含む過度の加速体積から不利益を被っており、圧電スタックを利用している。この特許文献は、エンジンサイクルごとに複数の噴射装置の利点を開示している。
【００３９】
米国特許第4,175,587号明細書は、圧電スタックに対する電圧上昇率を一定の限度に制御することで、スタックのディスク間に補間されている正負電極の間が弓状にならないようにしている。構成によっては、この制約によって、圧電を利用するすべての噴射装置の速度に制限を課すことができるようになる。
【００４０】
米国特許第4,180,022明細書は、（１）ばねが予め装着された圧電アクチュエータであって、（２）弓状化を防止するために、圧電スタックの電圧上昇率を抑制する必要があること、および、（３）圧電スタックの温度がデューティーサイクルによって許容範囲を超えて上昇することがあること、を開示している。
【００４１】
米国特許5,031,841号明細書は、圧電スタックが、燃料に普通含まれている水に影響を受けやすいことを開示している。水は導電体である。しかしＲＥＡは異なっている。ＲＥＡは、水に長期間継続して晒されると「錆びる」鉄を含有しているからである。
【００４２】
米国特許第5,697,554号明細書は、予め搭載されるばねが、低圧の燃料チャンバを制御して、加速体積を最大化して、加わりうる応力を最小限に抑える圧電アクチュエータを開示している。さらに、外部に開いているために粘結化しやすかったり、ゴム状に塞がれたりしやすかったり、その他の汚染物質が溜まりやすかったりする、ピントルも開示している。
【００４３】
米国特許第5,779,149号明細書は、燃料を熱膨張差の一部として利用している。しかしこれは、マスターピストンがスレーブピストンと反対方向に動く構成によって行われているために、多くの流体が必要であり、先ず流体を第一方向に加速した後に第二方向に加速する必要がある。この構成では、圧電スタックを予め搭載して、第１のチャンバを低圧燃料で重点する必要がある。ばねが減速し、スタックは予め搭載するために利用可能な圧力の利点を利用することができない。
【００４４】
米国特許第5,810,255号明細書は、２つの圧電スタックを利用しており、第２のスタックは、クランプによって熱膨張を補う新規の技術である。材料の脆さにより、困難が増している。
【００４５】
米国特許第5,860,597号明細書は、パイロットにより作動される制御体積を利用する。
【００４６】
米国特許第5,875,632号明細書は、マスターピストンがスレーブピストンと反対方向に動く構成によって行われているために、多くの流体が必要であり、先ず流体を第一方向に加速した後に第二方向に加速する必要がある構成を開示している。
【００４７】
米国特許第5,875,764号明細書は、パイロットにより作動される制御体積を開示しており、さらに、圧電の「切り替え」動作が老朽化することを開示している。
【００４８】
米国特許第5,979,803号明細書は、（１）燃料圧と独立した針の制御機構が望ましいこと、および、（２）圧電アクチュエータは燃料に圧力を加えることができないことを開示している。
【００４９】
米国特許第6,079,636号明細書では、圧電または磁歪アクチュエータを燃料に圧をかけるためのポンプとして利用している。圧電材料も磁歪材料も、熱膨張の力とストロークと同様であるいが、速度は格段に速い。しかし、液状燃料の体積弾性率が低いことから、移動量を大きくしないと、圧力を大幅に高めることができず、これはアクチュエータが意味のある圧力および流れを提供できない、ということである。製造が困難であるということに加えて、6,079,636号文献は、大きく、嵩張る（従って遅い）変換器を必要とする。
【００５０】
米国特許第6,253,736号明細書は、加速を落とさせる比較的大きな体積、これも加速を落とさせる体積を有するバイアスばね、および、圧電スタックを利用している。バルブ部材のインパクトで、電圧が急増するので、割れなかった場合でも、圧電スタックの性能は、２９０特許が示すよりももっと早く劣化する。
【００５１】
米国特許第6,499,467号明細書は、針の速度の持つ、衝撃、焼き付きといった悪影響を開示している。
【００５２】
米国特許第6,526,864号明細書は、パイロットにより作動される制御体積のコンプライアンスおよび慣性によって、可能な周波数応答が低減することを開示している。
【００５３】
米国特許第6,557,776号明細書は、（１）最初に非常に短いパルスを与え、次いで無制限の噴射流速として、混合平均気体温度を上げる、という速度整形を達成するための複雑なメカニズム、（２）制御体積の利用、（３）低速かつ軽い負荷で噴射期間を長くとるために、小さな噴射口を提供することが望ましいこと、を開示している。
【００５４】
米国特許第6,568,602号明細書は、（１）エンジン動作速度および負荷の範囲でそれぞれ異なる速度形成が望ましいこと、（２）正確な測定、少量の適用が望ましいこと、および、（３）移動する針バルブ部材の圧電スタックへの押しつけは慎重に行うことが望ましいことを開示している。バルブ部材のインパクトで電圧が急増するので、割れなかった場合でも、圧電スタックの性能は、２９０特許が示すよりももっと早く劣化する。
【００５５】
米国特許第6,570,474号明細書は、基本的で単純であるが予め搭載されたばねを利用しており、ＲＥの予圧が５から１５MPaである部材構成を示している。こうすることで、必然的にＲＥＡは大きくなり、ヤング率が低くなり、透磁率が高くなる。予め搭載されたばねが加える体積により、さらに速度が遅くなる。
【００５６】
米国特許第6,637,675号明細書は、２つの針を持つ複雑な噴射装置を開示している。
【００５７】
米国特許第6,758,409号明細書は、燃料に圧力をかけることで、熱膨張差を補償しているが、圧電スタックを予め搭載するためにばねを利用している。電圧は、ストロークが請求されている０．２５ｍｍに到達するまで低下させられて噴射するまで、継続して印加される。噴射装置を、印加した電圧で閉じるよう設計する、ということは、この閉じるための電圧が、電圧を止めてしまうような障害が生じた際に、噴射を継続させる、という不幸な結果を生じさせかねないことを示している。反対方向に移動して針が開状態になると、スタックにエネルギーを与えて予め拡張した条件にしておく必要がなくなる。
【００５８】
米国特許第6,837,221号明細書は、（１）不燃炭化水素排出物の形成を防ぐためには、燃料噴射を急に終わらせることが望ましいこと、（２）パイロットにより作動する制御体積、および、（３）パイロットにより作動する制御バルブ部材の振動が望ましくないこと、を開示している。
【００５９】
米国特許第6,978,770号明細書は、速度形成によって、排出物の低減のために排出ガスを再循環させる必要が軽減されることを開示している。しかし、（１）出力ロッドを通すために中空の圧電スタック、（２）ばねの予圧、（３）体積に対して燃料を出入りさせるためには時間がかかるので、針を動作する速度と精度とを低下させる、パイロットにより動作する制御体積、および、（４）圧電スタックの電圧は受動的に速度を落とすこと、を開示している。
【００６０】
米国特許第7,059,295号明細書は、キャビテーション、絞り、速度形成、および、複数の噴射機構の持つ利点を開示しており、複数の圧力等の複雑性を利用してこれを達成することを開示している。
【００６１】
米国特許第7,077,377号明細書は、（１）過度の体積、および、（２）死んだ体積量がマスターピストンとスレーブピストンとの運動力学に悪影響を与えることを開示している。
【００６２】
米国特許第7,140,353号明細書は、パイロットバルブを制御体積に動作させる圧電アクチュエータを開示している。
【００６３】
米国特許第7,159,799号明細書は、連続していない電圧レベルのみを利用するために、つり合いがとれず、結果的に速度形成の選択も制約されている圧電アクチュエータにより駆動される、機械的に複雑な噴射装置を開示している。この特許はさらに、アクチュエータの寿命が、噴射装置が高い付勢（energization）レベルにある時間を短くすることで、延びることを開示している。
【００６４】
米国特許第7,196,437号明細書は、磁歪変換材料に合わせてバイアス磁石を挿入している。不活性の磁力を与えると、変換部材全体が長くなり、体積が増して加速される。バイアス磁石は、異なる材料から形成されるので、列方向の座屈力が低減し、これを補うために、直径を大きくする必要がある。バイアス磁石を設けることで、透磁力が低減するので、電気機械結合力も低減し、これを補うために、入力エネルギーの要件を上げる必要が出てくる。バイアス磁石により体積が大きくなり、処理が難しくなる。
【００６５】
米国特許第7,262,543号明細書は、圧電材料の性能の経時的な劣化を確認する（ascertain）手段を開示している。
【００６６】
米国特許第7,334,741号明細書は、速度形成を行うための機械的スリーブを有する噴射装置を開示している。
【００６７】
米国特許第7,422,166号明細書は、電磁ソレノイドアクチュエータにより、経時的に開ける力が小さくなり、上昇速度も遅くなることが開示されている。これにより速度が制限される。
【００６８】
米国特許第7,500,648号明細書は、予め搭載されたばねと、過度に加速された体積を開示している。
【００６９】
米国特許第7,934,668号明細書は、可撓性がなく、機械的に複雑な噴射装置を開示している。
【００７０】
米国特許第7,967,223号明細書は、油圧式サーボ機構は時間的に劣化する、と開示して、可撓性のない、機械的に複雑な噴射装置を利用することで、大きく高価な圧電アクチュエータの組み込みを不要としている。この特許はさらに、圧力を利用して針の作動を助けることを開示している。
【００７１】
ディーゼル燃料噴射装置アクチュエータおよび排出システム機器に関しては、白金系の貴金属の利用を抑える、またはなくすことが特に重要である。これら金属はコストが高いことから貴重とされている。貴金属は、圧電スタックの電極に利用されてきたが、そのためにコストが高かった。貴金属は排出システムで、有用な化学反応を引き起こす触媒として利用されてきた。シリンダー内の燃焼の制御性能を向上させることにより、貴金属の利用を減らす、または完全になくすことができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００７２】
従って、本発明の目的の１つは、前述した先行技術のデバイスの欠点を克服して、向上させることである。
【００７３】
本発明の目的の１つは、既存のエンジンにも適合させることができる、耐久性があり、小型で、プログラム可能なディーゼル燃料噴射装置を提供することである。
【００７４】
前述した、またはその他の本発明の目的、特徴、および利点は、明細書および請求項から明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【００７５】
本発明のロバストな電気機械的アクチュエータ技術は、経時的に十分継続的に可変的な力および押しのけ容積を提供することで燃料圧を置き換えて、バルブ部材の速度を達成することができる。細かいバルブ部材配置制御によって細かい流速制御を行うためには、バルブ部材が制御する圧力による力から、バルブ部材に働く変換力を切り離す必要がある。
【００７６】
ここで３つの主要点をまとめておく。第一に、高圧は先行技術である。第二に、噴射を高速に行うことが必要である。第三に、経時的により精度の高い燃料測定、特徴的な用語である「速度形成：rate shaping」が必要である。「徐々に可燃物を受け入れる」機能により、燃料経済を大幅に上げることができるようになる。細かく原子化された燃料の超高速噴射により、汚染物質が形成されなくなることが見込まれ、汚染物質を中性化するための排出システム機器を最小限なものとしたり、除去したりする可能性もでてくる。
【００７７】
以下の詳細な説明を添付図面とともに読むことで、数多い他の目的、特徴、および利点が明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】３つの異なる一定の圧縮応力に対する磁界力の関数として磁歪の絶対値（absolute magnetostrictive strain）を示すグラフである。
【図２】本発明の原型である燃料噴射装置の一実施形態の断面図である。
【図３】ＲＥＡロッド部の等角図であり、磁気機械軸に対する渦電流制御積層の向きを示す。
【図４】ＲＥＡロッド部内の磁界領域の南北（Ｎ−Ｓ）極の概略図である。
【図５Ａ】燃料噴射装置の一実施形態の油圧機械構成の断面図である。
【図５Ｂ】図５Ａの燃料噴射装置の一実施形態の油圧機械構成の分解断面図である。
【図６】磁界と磁歪との関係を示すグラフである。
【図７】磁界と磁歪との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００７９】
図２を参照すると、本実施形態では、燃料噴射装置は、ＲＥＡ磁歪変換器１４を収容するケースまたは筐体１２を含む。ＲＥＡ磁歪変換器１４は、粒子が軸方向に向いたＲＥＡ部材またはロッド１６、ロッド１６と同軸のボビン１８、加圧のための螺旋またはソレノイドコイル２０、および、コイル２０と同軸の強磁外装２２と、強磁端部リング２４と、強磁終端極２６と、強磁先端極２８とからなる磁束戻り経路、とを利用する。ロッド１６は、強磁先端極２８を介してマスターピストン３０に対する動作位置にある。
【００８０】
ロッド１６は、希土類、および、遷移金属磁歪材料から形成することができる。例えば、ロッド１６は、方向性多結晶の希土類遷移金属（公式：ＴｂｘＤｙ１−ｘＦｅ２−ｗ、ここで、 0.20<=x<=1.00 および 0<=w<=0.20）から形成されてよい。この材料の粒子は、λ１１１軸の１０度の範囲の、材料の成長軸沿いに実質的に向いている共通主軸を有している。
【００８１】
ロッド１６の粒子がこの軸方向に向いているので、ロッド１６は、端部が実質的に互いに平行で、磁歪応答の好適な方向に実質的に垂直である形状に形成された、磁歪応答の好適な方向を有する、中身の詰まった磁歪材料として提供されている。
【００８２】
ロッド１６の形状は、円柱、楕円柱、平行柱、角柱、その他の類似した形状、またはその他の適した形状であってよい。ロッド１６の幅寸法は、実質的に装置の電気機械的共振周波数の１／４波長未満の磁歪応答の方向に垂直であってよい。ロッド１６の長さは、磁歪応答の方向に、装置の電気機械的共振周波数の１／４波長以下であってよい。
【００８３】
図３を参照して後述するように、ロッド１６は、複数の接合点３２によって分割される磁歪スラブからなる１つの部材に分割されてもよい。
【００８４】
ロッド１６の位置は、コイル２０内で対称であることが望ましい。ねじ３４が、コイル２０内のロッド１６の軸位置の調節を行う。
【００８５】
ボビン１８は、コイル２０を形作るものとして機能する。当然かもしれないが、ボビン１８は、燃料に触れても耐えられる材料からできていてよい。ボビン１８は、ロッドとの間を非常に薄い間隙が隔てており、磁束の漏れを最小限に抑え、変換器１４に小さな流れで燃料を通すこととができるようになっており、適宜温度調節を行うことができるものであると好適である。
【００８６】
コイル２０は、ボビン１８にきつい螺旋状に巻かれた絶縁導電線からなっている。反応をよくするために、コイル２０は、最小限の巻き数および配線層を有している。これにより変換器のインダクタンスが下がり、電圧要件が下がり、高速反応が可能となる。従って必要な磁界を達成するためには、高速コイルに高電流を流す必要がある。配線の直径および層の数は、ソースの機能および渦電流損失要件、並びに、一次的な速度の要件によって決定される。
【００８７】
これらのことから分かるように、これらコイルは、コイル自身の端部から多少延びる同軸磁界を生成する。従って、ロッド１６に磁歪を生成するために有効なコイル２０の長さは、コイル２０自身よりも大きく、必要に応じて、ロッド１６の一端または両端を包括するようなものとなる。コイル２０は、ロッド１６と同軸であって、好適な同軸弾性応答に同軸に設けられてよい。コイル２０は、ロッド１６を機械運動させるよう適合されてよい。
【００８８】
磁界はコイル２０自身の端部から多少延びるが、コイル２０は、ロッド１６自身の端部から多少延びるようにして、不均一な磁歪を低減させて、ロッド１６の変換率を最大とすると好適である。
【００８９】
磁力線には始点も終点も存在しないことが知られている。ロッド１６を励起するに足る磁界強度を生成するために必要となるエネルギーを最小限に抑えるべく、ロッド１６の一端から他端へ、そして外部へと磁力線を誘導するのに適した強磁材料からなる経路を提供する。この経路は、終端極２６、先端極２８、終端リング２４、および外皮２２からなる。終端極２６と先端極２８とは両方とも、ロッド１６の端部に密着している。磁束戻り経路は、ロッド１６と磁気的に連通してよい。磁束戻り経路は、強磁材料を含んでよい。例えば磁束戻り経路の材料は、強磁体、これに類似した材料、または他の適した材料であってよい。磁束戻り経路は、コイル２０を実質的に取り囲む。図４を参照されたい。
【００９０】
終端極２６は、調節ねじ３４の位置により軸が固定される。先端極２８は、ロッド１６の磁歪によって移動して、マスターピストン３０を直接駆動する。極２６および２８はどちらとも、ロッド１６の同軸位置合わせを行い、好適には、軸運動のみを行わせるだけのクリアランスがあると良い。調節ねじ３４は、ロッド１６をコイル２０の中央に位置させることで変換率を最大化する。
【００９１】
ケース１２は、燃料噴射装置の構造を提供する。ケース１２は好適には、非強磁性材料であるとよい。ケース１２は、調節ねじ３４を終端極２６およびロッド１６に位置させるためにねじ山３６を含んでいる。ケース１２は、２つの取り付け具３８を含み、１つは圧縮燃料を外部圧縮共通レール供給源から受け入れ、他方は、燃料供給タンクに内部から漏れたものを戻す役割を果たすものである。ケース１２は、噴射燃料をエンジン燃料チャン場に噴射するためのノズル孔４０を含んでいる。
【００９２】
内部燃料レールは、外部共通レール（不図示）からの高圧燃料と、ノズル孔４０に隣接して設けられる内部スプールチャンバ４２との間で、一定の流体を運ぶ。
【００９３】
セットねじ４４は、油圧式のチャンバを燃料レールにつなぐため穿孔されている。セットねじ４４の片側は、旧４８を有する封止面を形成する円錐形（frustoconical）の台座部４６を持ち、一方向のみに流れを受け付ける。ボール４８は、チェックバルブ内のチェック機能として機能する。ばね５０は、円錐形の台座部４６の上のボール４８にバイアスする機能を有する。従って、流れを受け付ける前には、チェックバルブに、一定の燃料圧力差がかかる必要がある。セットねじ４４の位置によって、チェックバルブの圧力設定点が調節される。
【００９４】
チェックバルブの別の実施形態は、燃料の流れの方向を何度も変えさせる力をかけるよう構成された一連の経路である。方向が変わる度に、第１の方向の流れを減速させ、第２の方向の流れを加速する必要があるために、圧力降下が生じる。この迷路状の経路は、噴射が起こる比較的短時間の間に効果的に圧力を封じ込めるよう大きさを調節される。この迷路は、存在している場合、汚染物質による詰まりを効果的に防ぐことのできる内部サイズを有していてよい。迷路は、衝撃、損耗または摩耗を生じさせるような移動部を有さないので、振動も受けず、大きな空間を必要としない。
【００９５】
過度な漏れ、不制御な漏れ、不用意な漏れ、はいずれもエネルギー損失を意味することから、最小限に抑える必要がある。漏れにより、さらに、降圧された燃料が昇温することもある。これら欠点はあるものの、本発明は、いくつかの理由によって、ある程度の内部漏れを敢えて許容する。第一に、クリアランスチャネルの封止は、ボア内での各部材の自由な軸運動を可能とすることが挙げられる。第二の理由としては、エラストマー製の封止剤は、このように過酷な燃料圧の封止剤の組み合わせ、サイクルごとの移動、および、噴射装置が寿命を迎えるまでに動作するサイクルの数に耐えられるとは思われないからである。第三に、同じ組み合わせを有する可撓性の金属の封止は、信頼性高く製造するのが難しく、高額になる傾向があるからである。最後の理由は、漏れを、ロッド１６とコイル２０とを冷却する用途に利用できるからである。このように意図的に利用された漏れは、エンジン燃焼供給タンクに戻される。
【００９６】
所与の圧力差について、燃料の粘土と、部材とそのボアとの間に形成されるチャネルの幅および長さとに基づいて、漏れ流速を決定する。効率のよい封止は、燃料の粘土とともに、非常に大きな圧力を受けても僅かな流れのみ受け付けるおとのできるクリアランスを選択することで得られる。精度のよい製造方法が望ましく、漏れの流速を選択する上で有用である。ボアにおける部材の自身の同軸位置合わせは、部材の周りに溝を設けることで達成される。溝によって、チャネルのその地点における圧力を、周囲方向に均等に分配することで均衡させることができる。
【００９７】
油圧式チャンバ４２は、チェックバルブと、マスターピストン３０とそのボアとの間、スレーブピストン５１とそのボアとの間、および、スプール端部封止とそのボアとの間の、密閉された直径方向のクリアランス封止とによって、内部の燃料レールとの間で常に流体を交換する。これらの組み合わせの漏れレートは、噴射時に無視できる程度に小さい。つまり、漏れレートは、これら小さなチャネルが封止する移動部材の動的性能に影響しない。
【００９８】
小さな流れは、油圧式チャンバ４２を継続的に新たな燃料で洗い流し、ロッド１６とコイル２０との温度調節するために導かれる。ロッド１６が水質汚濁により腐食するプロセスはゆっくりしたものなので、ロッド１６に損傷がでるまでになるには露呈が継続的で長期に渡って生じている必要がある。漏れが生じている間にロッド１６が腐食するまで長期にわたり燃料に水が存在していたということは、他の部材も同様の損傷を受けること、および、水が焼けないことからエンジンが機能不全になること、のいずれか一方が生じていることを示す。
【００９９】
ロッド１６の拡張により、マスターピストン３０が、効果的に閉じられている油圧式チャンバ４２に対して作動する。「効果的に閉じられている」という表現は、油圧式チャンバが、圧力源と流体を交換することができるが、これは、スプール運動が必要なときに体積を閉じるチェックバルブを介して行われることを意味する。つまり、ロッド１６の拡張により油圧式チャンバ４２に加わる圧力は、流体の殆どの量をチェックバルブによって、スプール５２が動作して燃料を噴射させる数ミリ秒の間に油圧式チャンバ外へと漏らすほどのものではない、ということである。
【０１００】
図面に示すように、本発明は、大きな燃料圧を利用して、ロッド１６の１５メガパスカルを超える、圧縮され予め与えられた負荷の提供で、ばねの代用としている。マスターピストン３０の片側は燃料圧に晒されており、先端局２８の他の側をロッド１６に押下させている。マスターピストン３０は、ロッド１６をロッド１６に関する静的圧縮力をかけるようにする。マスターピストン３０は、ロッド１６に、好ましい磁歪応力の方向に沿って１５メガパスカルを超える、ロッド１６に関する静的圧縮応力を、ロッド１５を次回に晒させずに、ロッド１６の剛性の１/４以下の有効剛性で与える。マスターピストン３０と先端極２６との間の面積比は、ロッド１６が利用可能な燃料圧に対してかける圧縮力を最適化するよう設計されている。この構成では、ロッド１６がマスターピストン３０を直接駆動する。
【０１０１】
スレーブピストン５１は、図５Ａ、図５Ｂに示す環状の領域である。スレーブピストン５１の断面積はマスターピストン３０の断面積に対して選択されるので、変換器からスプールバルブ部材を動作させるのに必要な移動および力と、利用可能な移動および力とを整合させることができる。スプール終端封止は、スプール５２を位置合わせして封止する。
【０１０２】
スプール面５６は、スプール５２の円柱の軸に平行な幾何学ベクトルを有する任意の面であってよい。この定義には、燃料圧のベクトル成分が軸方向に小津さするような任意の曲面も含まれる。スプール面５６は、燃料圧が軸方向に生成する流体静力学上の力を均衡させるような大きさとされる。こうすることで、スプールの位置が、供給圧力の変化に左右されないようになり、つまり、スプール５２に軸方向に動作して噴射流速を制御する力を、レール圧力が引き起こす力から完全に切り離すことができる。
【０１０３】
ノズル孔４０を開閉するスプール端部の半径、つまり、ノズル孔４０の前夫に位置するスプール端部の半径は、噴射装置の突然な開閉に影響を与えるよう制御可能な１つの変数である。第１の変数と協働する第２の類似した変数が、各ノズル孔４０の入り口の形状である。端部は、大量に流して性能を維持するために存在しうるより大きな汚染粒子を削減する一助となる。
【０１０４】
スプールバルブ部材５２は、ロッドの好適な磁歪応答の望ましい方向と同軸に、または平行に配置されてよい。スプールバルブ部材５２は、円錐形状の台座部に整合した円錐形状、円錐形状の台座部に整合した曲線形状、および、平面形状の台座部に整合させた平面形状等の封止部（不図示）を含む。
【０１０５】
ばね５８は、スプール５２を閉じた位置に動かすようバイアスをかける。ばねの剛性は、スプールの体積が所望の共振周波数を達成することができるよう選択される。封止位置において、端部は、ノズル孔４０から約４０マイクロメートル越した点まで後退して、突然開閉しても大きな影響が出ないようにする。下に部分的に重なる部分により、スプール５２の加速および減速両方についての余地が得られる。
【０１０６】
このように封入することで、スプール５２の端部を、コークス、ゴム等の燃焼製品または熱に晒される燃料から保護することができる。端部の封入内を動くスプールに起因した油圧式のロックを防止するために、軸圧除去孔６０を穿孔して、噴射装置の通気管路につなぐ。＜動作の説明＞
【０１０７】
燃料圧を受けずに組み立てられると、スプール５２は、そのばね５８によりバイアスを受けて閉じられる。同様に、チェックバルブもばね６０によりバイアスを受けて閉じられる。
【０１０８】
圧力がある場合には、燃料は油圧式チャンバ４２に流入して、圧力をかける。通気管路への僅かな漏れの流速が、マスターピストン３０およびスプール終端封止を越えた場所に構築される。
【０１０９】
マスターピストン３０に加える圧力は、ロッド１６に予め与えられる圧力を加える先端極２８に対する力として伝えられる。どの材料も無限の剛性は有さないので、ロッド１６は、圧縮ひずみを持つ圧縮力に反応する。言い換えると、予め与えられる負荷により短くなる。マスターピストン３０および先端極２８は、ロッド１６の短縮量分、ボア内を動く。これら２つの部材は、僅かに圧縮もする。これら３つ全ての部材の圧縮により、油圧式チャンバ４２の体積は、対応する量分増加して、この体積は圧縮された燃料により満たされている。
【０１１０】
ロッド１６は、最初のバイアス状態−Ｔｂに圧縮され、数学的に負の符号（−）は、圧縮力、応力、および、ひずみに関する慣習に従ったものである。−Ｔｂは、圧縮ひずみ−Ｓｂを生じる。対応する割線の、自由で磁気をかけられていない状態と、圧縮され、磁気をかけられていない状態とのヤング率は、Yb =(−Tb−0)/(−Sb−0)となる。これは、正の量である。電界Ｈは圧縮においてゼロなので、ＹｂはYbHとなる。
【０１１１】
磁歪材料なので、予めかけられる圧縮応力は、磁場を回転させる。各磁場が極を示しているので、完成したロッド１６はこれを示さないので、領域を互いに位置合わせして、磁気モーメントが互いに相殺しあうようにする。図４を参照のこと。
【０１１２】
コイル２０のいずれの極の電流±Ｉをかけると、いずれかの方向に循環する電子シートが構築される。既に公知であるが、循環する電子のシートは、磁界±Ｈとなり、極は循環方向に依存する。この電界は、ロッド１６に、対応する磁束密度±Ｂで交わる磁力線を生成して、このマグニチュードは、ロッド１６を含む磁気回路全体の透磁率に依存している。図４に示すように、磁束線は、磁束戻り経路を通って自身を閉じ、ロッド１６とともに磁気回路全体を形成する。ロッド１６は、その変数である透磁率μが、弾性効果に対応する磁気効果である、応力Ｔと磁界Ｈ両方の影響を受け、ヤング率Ｙは、応力Ｔと磁界Ｈ両方の影響を受ける、というように変わっている。
【０１１３】
以下に示すように、ロッド１６は、磁束密度±Ｂの一部を、一般的に比例している段数応答に変換する。最初に、ひずみは応力が高まらないと生じないので、圧縮応力のマグニチュードを上げる必要がある。この応力は外向きに動作して、全ての動的部材の力の均衡状態を変化させる。静的な力の均衡状態は、正のひずみにより細長いロッド１６に復元される。ロッド１６が伸ばされると、マスターピストン３０を正確に同量移動させる。
【０１１４】
本発明の噴射装置は、配置の精度を高め、スプールが所望の位置に移動する制度を高める。他のどこも補償する必要がなくなるので、速度が上がる。図１は、特徴的なヒステリシスのループを示す。最も顕著な課題は、望ましいひずみの出力が、どこから入力されたかに応じて異なることである。
【０１１５】
ヒステリシスの出所は、ロッド１６を構成する個々の磁場の運動である。例えば、大量の氷水を静かに注ぐケースを考える。コンテナを傾けると、水は注がれるが、氷同士は相互に作用して今の位置を保とうとする。注ぐ角度が臨界になると、氷が自由になり、崩れ状態が生じる。しかし、注ぐ角度を上げる間、コンテナが揺らし続けられていたとすると、もっと緩やかで予測可能な流れとなるだろう。
【０１１６】
図７と似た形で、本発明は、コイル２０に小さな交流信号を与え、コイル２０内に、ＲＥＡのヒステリシスのループの幅に実質的に等しい交流信号を追加した主要電流信号からなる励起信号を提供して、これにより、磁場の回転に対する障害を低減させる。これは、開位置または閉位置にあったとしても、バルブスプール５２のより正確な位置合わせを達成し、電子コントローラが人工的補正を行う要件を低減させることができるので、コントローラを簡略にすることができ、同時に速度も上がる。
【０１１７】
非磁化の場合には、ロッド１６自身が磁界を除去すると、磁気を失うので、本発明のロッド１６は、同数の磁場が反対方向に回転することを特徴とする。図４を参照のこと。噴射が必要となる直前に磁場を位置合わせするために回転させることで、２つの点で噴射時間の遅れを低減させることができる。先ず、領域の回転に必要な時間がなくなる。第二に、ＲＥＡの場合、導電体にかかる時変磁界により、導電体内部に渦電流が生じる。渦電流は、供給元の磁界からのエネルギーに活力を与え、自身の磁界を供給元の磁界へと誘導するので、マグニチュードが十分減衰するまで、導電体に効果が出ないよう保護することができる。
【０１１８】
領域の回転および渦電流による保護が生じる総遅延時間は、噴射することを意図されている主要な励起が始まる直前にロッド１６ｄ絵領域回転を行わせるに足るマグニチュードの電流でソレノイドコイル２０を励起することで、最小限に抑える、またはなくすことができる。
【０１１９】
ピストン３０が休止位置までくると、エネルギーを得たロッド１６は剛性を増す。これは、定義としては、細長いロッド１６が、同じ応力で少ないひずみを有することを意味する。磁界は、補正されたヤング率を有する。
【０１２０】
故に、コイル２０への電流制御によって、ロッド１６の拡張が制御される。電流上昇速度およびその最大値は、両方とも、ロッド１６によって対応する電気的拡張波形に変換される。
【０１２１】
長期的に燃料供給圧力の変化を検知して、噴射装置１０を動作させるために好適な電流の大きさで補償することができる。従って最大噴射速度形成性能は、燃焼システムで維持または可能な過失条件が検知されたとしても継続する。
【０１２２】
燃料供給の圧力変化は、噴射間に小さな電気パルスをロッド１６にかける（pinging:ピンジング））ことで、検知することができる。このパルスは、ロッド１６の透磁力を決定し、ひいては受ける圧縮力も決定される。
【０１２３】
先端極２８を有する境界において、拡張ロッド１６は、先端極２８とマスターピストン３０とを直接、１単位として移動させる。ピストンの運動を油圧式チャンバ４２に移動させ、油圧式チャンバ４２の圧力を上昇させ、対応する燃料体積を変位させる。チェックバルブが閉じたことを確かめた後で、油圧式チャンバ４２内の燃料が圧縮不可能であると想定し、さらに、燃料噴射にかかる時間の間の漏れ速度が虫可能なものであると想定した上で、体積の変位を対応するスプール５２の変位で補償する。燃料は、スプール５２の軸運動が生じると噴射される。
【０１２４】
従って、マスターピストン３０を油圧式チャンバ４２内へと移動させる前に、チャンバ４２の全ての方向に圧力をかける。マスターピストン３０が、変換器１４が生成する電気機械力の結果油圧式チャンバ４２内に移動すると、チャンバ４２内に伝わった力の結果、スプール５２が動く。従って、チャンバ内の圧力がスプール５２の端面に垂直に働いている間、スプール５２に対して第１のベクトル方向に電気機械力が伝わる。このようにして、バルブまたはスプール５２が、変換器１４およびスプール５２につながるので、ベクトルとしての変換力が、圧力による力に分離されて、エンジン燃焼チャンバに燃料が供給される。
【０１２５】
電流を制御する機能は、この噴射装置が生じると主張する継続変化するストロークと速度とを提供する。効果的に閉じられた油圧式チャンバ４２の壁の一部を構成するマスターピストン３０の配置によって、チャンバ４２内の圧力が制御される。油圧式チャンバ４２の圧力を制御することで、スプール５２のスレーブピストン面５６が押下され、これにより、エンジン燃焼チャンバへの燃料の噴射も制御される。
【０１２６】
全ての部材の間の動的相互作用を整合させることで最大速度が達成される。負荷のインピーダンスがソースのインピーダンスと整合したときに、各部材間の送電が最大化される。従って噴射装置１０は、ソースと負荷の間のインピーダンスを整合させつつ、摩擦と減衰とにより不要な電力損失を最小限に抑えるよう設計されている。
【０１２７】
具体的なエンジンについて、望ましい燃料噴射速度形成は、燃焼気体の混合平均温度を上昇させないように燃料を追加させる、というディーゼルの原型と、汚染形成を最小限に抑えるために必要な特性との組み合わせである。所与のノズル構成について、この速度形成は、スプールの位置を決定する。１つの噴射において数多くのパルスが理想的な速度形成である、と予想すると、好適には、スプール５２の速度を遅らせる全ての有害抗力を特定して最小限に抑えるとよいと思われる。有害抗力は、加速された体積および圧縮された剛性で表されるエネルギー蓄積と、摩擦が生じる多くの場所で表されるエネルギーの分散とが含まれる。
【０１２８】
重要なことは、速度形成が、エンジンピストンが加速し始めると、エンジン作動流体に対する加熱と継続的に整合することができる、ということである。従って、作動流体の体積は、常に変化するレートで膨張して、本発明の噴射装置は、混合平均温度を変化させない継続的に変化するレートで作動流体に加熱が行われるように、燃料を整合した継続的に変化するレートで導入する。
【０１２９】
一度必要な位置が決定された後は、二度目からは、噴射先端内の個々の燃料の体積の動力学を考慮して、ピストン３０の先端極２８の面積に対する割合、ロッド１６の構成、および電源供給能力を考慮することで達成可能となる。この結果、最も少なく見積もっても、記載した目的は全て達成された。
【０１３０】
電流を低下させると、磁界強度も低下する。ロッド１６は、軸方向に縮小する、という反応をして、油圧式チャンバ４２の圧力を低下させる。ばね５８は、噴射装置１０を閉じる方向にスプール５２を加速する。
【０１３１】
マスターピストン３０は、ロッド１６によりアナログ方式で制御されてよい。または、ピストン３０が、ロッド１６によりバイナリ方式で制御されてもよい。随意で、ピストン３０が、パルス幅変調方式でロッド１６により制御されてもよい。制御方式に関わらず、ピストン３０は、スプール５２の軸方向の移動を制御することで、対応する噴射装置１０の開閉を制御することができる。制御方法および動きの速度には、速度形成が含まれる。
【０１３２】
本発明の補償された直接駆動構成は、別々の噴射を、スプール５２とばね５８とのシステムの減衰された自然周波数の近辺の周波数に駆動させる。言い換えると、スプール５２は、励起されて正弦的に振動する。この振動は、（１）完全な開位置と完全な閉位置との間で、（２）任意の量の部分的な開位置と、閉位置との間で、（３）完全な開位置と、任意の量の部分的な閉位置との間で、（４）任意の量の部分的な開位置と、任意の量の部分的な閉位置との間で、行われてよい。
【０１３３】
この振動の周波数は、振動が実質的に無効な点にまで低減したスプール５２とばね５７とのシステムの自然周波数を過ぎた領域にある任意の周波数であってよい。加えて、部分的な開いた量と部分的な閉じた量は、電流投入量を適宜変化させることで噴射において変化することができてよい。つまり、所望のスプール５２周波数の交流電流および交流のマグニチュードを、コイル２０の主要な電流信号に加えることができる。
【０１３４】
この噴射装置１０からの最大可能速度を達成する能力は、高度に圧縮されたロッド１６により向上させることができ、小さな直径を持ち、ロッド１６はシリンダーの先端に設けられる。加速される部材の体積および燃料の量は圧縮されこれら両方が、変換器１４とスプール５２との間の時間およびエネルギーを活性化して、なるべく噴射装置１０の先端に近くなるようにロッド１６を配置することで全てが最小限になる。一実施形態では、ロッド１６が、スプールの先端の反対の機内の選択にある噴射装置のノズルスプール５２に隣接して設けられる。漏れによって、ロッド１６とコイル２０とが過熱されないようにすることで、この位置が可能となる。エンジンシリンダーの先端からの過熱が漏れによりなくなり、燃料タンクへと分散される。エンジン燃焼チャンバ内の気体の混合平均温度を上昇させないように燃料が投入されると、この冷却要件もこれに伴い低減する。
【０１３５】
境界を越えて機械的な仕事を伝えるために、ロッド１６は、一定の距離を越えても正味の力をかけることができるように、パッケージに入れられ、励起される必要がある。ロッド１６は循環するデバイスなので、各サイクルにおいて、実行される機械的な仕事量に正味の差がある必要がある。例えば、油圧式チャンバ４２の圧力に対して拡張するロッド１６がかける力は、圧力にこれを圧縮させるときにかかる力とは異なるべきである。力は、応力Ｔと、ひずみの方向Ｓの法線方向のロッドの断面積との積である。巡回デバイスからの正味の仕事は、各サイクルにおける材料の変化への変換の応力およびひずみ両方を必要とするので、図１のようにデータをグラフ化することの有用性がわかるだろう。
【０１３６】
本発明のプログラム可能な特徴は、（１）比較的巻きの少ない薄いソレノイドコイル２０、（２）１０マイクロ秒以下の期間に、１００アンペア、１００ボルトに比例して供給するよう、制御ユニット６４により電気的に制御される電源６２の能力、（３）ロッド１６にかける１５メガパスカルを超えるバイアス圧縮応力のマグニチュード、（４）最小源に抑えられた加速化された体積、（５）磁束経路を最小限に抑え、渦電流を押さえるよう設計すること、（６）ディーゼル燃料の供給圧力を利用してマスターピストン３０によってロッド１６に予め負荷をかけること、（７）制御されている力から制御されている力をベクトル的に分離させるバルブ部材、および、（８）ロッド１６と実質的に同じ方向にバルブ部材を動作させること、である。
【０１３７】
明細書に記載した特徴および利点は全てを網羅することを意図しておらず、特に、数多くのさらなる特徴および利点が、図面、明細書、および請求項を読んだ当業者には明らかである。さらに、明細書で利用された言い回しは、読みやすさ、明細書の教示的な目的を第一に考えて選択されたものであり、発明の主題の範囲を定めるものとして理解されてはならず、発明の主題を決定するためには請求項を読む必要がある、と明記しておく。
【０１３８】
当業者であれば、本発明の記載が例示であり限定ではないことを理解する。当業者であれば、本発明の他の実施形態を想到するだろう。
【０１３９】
ここに開示した実施形態は、本発明の原理およびその実際的用途を最もよく説明することができ、他の当業者がこれら様々な実施形態および変形例に示される本発明を、想定される特定の用途に適したように利用できるように選択され記載されている。本発明の範囲は、法的および均等論的な全体に従って解釈される際に、添付されている請求項による定義が意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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