(57)【要約】  弁部材を作動させて閉鎖位置と開放位置との間で移動させるストレイン型アクチュエータを有する直接作動式弁を作動させる方法であって、ストレイン型アクチュエータからの変位量を弁部材に伝送するステップと、予荷重圧縮応力を加えることにより所定の最小応力よりも大きな圧縮応力をストレイン型アクチュエータに加えた状態に維持するステップと、（ａ）開放位置と閉鎖位置との間で移動する際の弁部材の加速度及び減速度、及び（ｂ）弁座に接触する直前における弁部材の速度のうちの少なくとも一方を所定限度未満に制限するステップとを有する方法が開示される。弁部材の速度を制限する一方で、閉鎖時間中に弁を通って流れる流体の量を減少させる好ましい技術のうちの一つでは、弁部材の閉鎖速度を変化させて弁部材が閉鎖運動の開始の際に閉鎖距離の大部分を迅速に移動するようにし、次に、閉鎖運動の第２の部分において弁部材の閉鎖速度を減速して弁部材の速度が弁座への接触直前に所定限度未満であるようにする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁部材を作動させて前記弁部材が弁座に接触する閉鎖位置と前記弁部材が前記弁座から間隔を置いて位置する開放位置との間で動かすようアクチュエータドライバにより作動可能なストレイン型アクチュエータを有する直接作動式弁を作動させる方法であって、前記方法は、前記ストレイン型アクチュエータからの変位量を前記弁部材に伝達するステップと、予荷重圧縮応力を前記アクチュエータに加えることにより所定の最小応力よりも大きな圧縮応力を前記アクチュエータに加えた状態に維持するステップと、（ａ）前記開放位置と前記閉鎖位置との間で動く際の前記弁部材の加速度及び減速度、及び（ｂ）前記弁座に接触する直前における前記弁部材の速度のうちの少なくとも一方を所定の限度未満に制限するステップとを有する、方法。
【請求項２】
前記予荷重圧縮応力をばねにより機械的に加えるステップを更に有する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記アクチュエータは、圧電素子から成る、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記予荷重圧縮応力は、４ＭＰａ以上である、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記所定最小応力は、少なくとも１ＭＰａである、請求項３記載の方法。
【請求項６】
前記アクチュエータは、磁わい素子から成る、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記予荷重圧縮応力は、１０ＭＰａ〜１４ＭＰａである、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記所定最小応力は、少なくとも５ＭＰａである、請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記弁座への接触直前における前記弁部材の速度を毎秒１メートル未満に減少させるステップを更に有する、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記弁部材の加速度及び減速度を制限して前記アクチュエータに加わる前記圧縮応力が前記所定最小圧力よりも大きく維持させるようにするステップを更に有する、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記制限ステップにおける前記所定限度は、前記所定最小応力の関数としてあらかじめ決定され、所定最小圧力を大きくすると、所定限度を大きくすることができる、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
弁部材を作動させて前記弁部材が弁座に接触する閉鎖位置と前記弁部材が前記弁座から間隔を置いて位置する開放位置との間で動かすようアクチュエータドライバにより作動可能なストレイン型アクチュエータを有する直接作動式弁を作動させる方法であって、前記方法は、前記ストレイン型アクチュエータからの変位量を前記弁部材に伝達するステップと、所定の最小応力よりも大きな圧縮応力を前記アクチュエータに加えた状態に維持する予荷重圧縮応力を前記アクチュエータに加えるステップと、前記アクチュエータドライバからの信号を整形することにより前記弁部材を前記開放位置から前記閉鎖位置までの閉鎖ケーブルにわたって作動させて前記弁部材が前記閉鎖距離の大部分にわたって動いたときの前記信号の第１の部分に関し、前記信号は、第１の経時平均速度において大きさが変化し、前記第１の経時平均速度は、前記信号の第２の部分中における第２の経時平均速度よりも高く、前記第２の部分は、前記弁部材と前記弁座の接触状態が復元されると終了するようにするステップとを有する、方法。
【請求項１３】
前記信号は、時間に対してプロットされた信号大きさの少なくとも２つの別々の勾配を有するよう整形され、前記信号の前記第１の部分は、前記第２の部分よりも急な勾配を有する、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記信号は、前記第１の部分では一定の勾配を有する、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記信号は、前記第２の部分では一定の勾配を有する、請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
前記信号は、少なくとも３つの別々の勾配を有するよう整形され、第１のセグメントは、最も急な勾配を有し、連続して位置する勾配は、次第に緩やかになっている、請求項１２記載の方法。
【請求項１７】
前記信号は、時間の経過につれてステップ状に整形され、前記第１の部分の連続して並んだステップは、前記第２の部分の連続して並んだステップと比較して、一ステップから次のステップまでにおける信号の大きさの変化が大きい、請求項１２記載の方法。
【請求項１８】
前記信号は、勾配の緩やかな第２の部分に移行する勾配の急な第１の部分を有する連続曲線を辿るよう整形される、請求項１２記載の方法。
【請求項１９】
前記信号は、１／ｘの関数として整形され、ｘは、時間である、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記直接作動式弁を用いて、プロセス流体が前記弁部材と前記弁座との間で流れるときに気相の状態にある前記プロセス流体の流量を調整するステップを更に有する、請求項１２記載の方法。
【請求項２１】
前記直接作動式弁を用いて燃料を内燃エンジン内に噴射するステップを更に有する、請求項１２記載の方法。
【請求項２２】
前記燃料は、前記直接作動式弁から前記内燃エンジンの燃焼室中に噴射される、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
少なくとも１０：１の圧縮比で前記エンジンを作動させるステップを更に有する、請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
少なくとも１４：１の圧縮比で前記エンジンを作動させるステップを更に有する、請求項２２記載の方法。
【請求項２５】
前記ストレイン型アクチュエータは、圧電素子から成り、前記アクチュエータドライバは、前記圧電素子に印加される電圧を制御し、前記方法は、前記アクチュエータドライバをプログラムして電圧の大きさを変化させるステップを有する、請求項１２記載の方法。
【請求項２６】
前記ストレイン型アクチュエータは、磁わい素子から成り、前記アクチュエータドライバは、前記磁わい素子中に差し向けられる磁界の強さを変化させるよう電磁コイルに流される電流を制御し、前記方法は、前記アクチュエータドライバをプログラムして電流の大きさを変化させるステップを有する、請求項１２記載の方法。
【請求項２７】
前記予荷重圧縮応力は、前記アクチュエータに加えられる圧縮応力を所定の最小応力よりも高く維持する、請求項１２記載の方法。
【請求項２８】
前記アクチュエータは、圧電素子から成る、請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
前記予荷重は、少なくとも４ＭＰａである、請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
前記所定最小応力は、１ＭＰａ以上である、請求項２８記載の方法。
【請求項３１】
前記アクチュエータは、磁わい素子から成る、請求項２７記載の方法。
【請求項３２】
前記予荷重は、１０ＭＰａ〜１４ＭＰａである、請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
前記所定最小応力は、５ＭＰａ以上である、請求項３１記載の方法。
【請求項３４】
前記第１の部分に関する持続時間が０．１ミリ秒未満であるという指令を出すステップを更に有する、請求項１２記載の方法。
【請求項３５】
前記第２の部分に関する持続時間が０．９ミリ秒未満であるという指令を出すステップを更に有する、請求項１２記載の方法。
【請求項３６】
前記信号の前記第１の部分中、前記弁部材の加速度を所定値未満に制限するステップを更に有する、請求項１２記載の方法。
【請求項３７】
加速度に対する制限は、前記所定最小応力の関数として定められる、請求項３６記載の方法。
【請求項３８】
前記信号の前記第１の部分から前記信号の前記第２の部分に移行する際、前記弁部材の減速度を所定値未満に制限するステップを更に有する、請求項１２記載の方法。
【請求項３９】
減速度に関する制限は、前記所定最小応力の関数として定められる、請求項３８記載の方法。
【請求項４０】
前記弁部材の絶対速度を所定速度未満に制限するステップを更に有する、請求項１２記載の方法。
【請求項４１】
絶対速度に関する制限は、前記所定最小応力の関数として定められる、請求項４０記載の方法。
【請求項４２】
前記弁部材が前記弁座に当たって閉じる直前において、前記弁部材は、１．０ｍ／ｓ以下の速度で動いている、請求項１２記載の方法。
【請求項４３】
前記第２の部分中に前記直接作動式弁を通って流れる流体の質量流量を前記直接作動式弁を通る設計最大流体質量流量の２０％未満に制限するステップを更に有する、請求項１２記載の方法。
【請求項４４】
前記ストレイン型アクチュエータからの変位量を前記弁部材に伝達するステップは、変位量を受動型油圧リンクにより伝達するステップを更に有する、請求項１記載の方法。
【請求項４５】
前記受動型油圧リンクは、異なる時点で異なる値を取るよう制御可能な速度又は流れ抵抗を有するスマート流体である作動油で満たされ、前記方法は、前記弁が作動されているとき及び前記弁が開放状態にあるとき、高い粘度又は高い流れ抵抗を有し、前記弁が閉鎖されている状態では低い粘度又は低い流れ抵抗を有するよう前記作動油を制御するステップを更に有する、請求項４４記載の方法。
【請求項４６】
直接作動式弁であって、
弁体を有し、前記弁体は、ノズル端部及び前記弁体内に設けられていて、供給レールからのプロセス流体を前記ノズル端部内に設けられているノズルキャビティに送り出す流体通路を有し、
前記弁体内に配置された弁部材を有し、前記弁部材は、前記弁部材を前記ノズル端部と関連した弁座に着座させると、プロセス流体が前記ノズルキャビティから少なくとも１つのノズルオリフィスに流れるのが阻止される閉鎖位置と、前記弁部材を前記弁座から離昇させると、プロセス流体が前記ノズルキャビティから前記少なくとも１つのノズルオリフィスを通って流れることができる開放位置との間で流れることができ、
圧縮応力があらかじめ加えられたストレイン型アクチュエータを有し、前記ストレイン型アクチュエータは、アクチュエータ信号に応答して変化する長さを有することにより直線変位量を生じさせるよう作動可能であり、
前記ストレイン型アクチュエータからの前記直線変位量を前記弁部材に伝達する伝達要素を有し、
前記アクチュエータ信号を変調して前記弁部材を前記開放位置と前記閉鎖位置との間で動かすと共にかかる運動の加速度及び減速度を互いに交差していない所定限度に制御するようプログラムされたアクチュエータドライバを有し、次いで、前記弁部材を閉鎖運動の際に前記開放位置のうちの１つから前記閉鎖位置に動かす際、前記アクチュエータ信号は、前記閉鎖運動の終わりの近くと比較して、前記閉鎖運動の始めにおいて高い割合で大きさが変化する、直接作動式弁。
【請求項４７】
前記アクチュエータドライバは、前記閉鎖運動のための所定の信号でプログラムされ、それにより、前記弁部材は、前記閉鎖運動の第１の部分の間、前記閉鎖位置に向かって加速し、前記閉鎖運動の第２の部分の間、減速し、前記第１の部分は、０．１ミリ秒未満の持続時間を有し、前記第２の部分は、０．９ミリ秒未満の持続時間を有する、請求項４６記載の直接作動式弁。
【請求項４８】
前記第１の部分を終了させたり前記第２の部分を開始させたりするタイミングは、前記第２の部分中に前記弁を通るプロセス流体質量流量を前記直接作動式弁を通る前記設計最大流体質量流量の２０％未満に制限するようあらかじめ定められている、請求項４７記載の直接作動式弁。
【請求項４９】
前記アクチュエータドライバは、前記弁部材の絶対速度を所定速度未満に制限するようプログラムされている、請求項４６記載の直接作動式弁。
【請求項５０】
前記弁部材が前記弁座に当たって閉じる直前において、前記弁部材は、１．０ｍ／ｓ以下の速度で動いている、請求項４６記載の直接作動式弁。
【請求項５１】
前記ストレイン型アクチュエータは、少なくとも１つの圧電素子から成る、請求項４６記載の直接作動式弁。
【請求項５２】
前記アクチュエータには少なくとも４ＭＰａの圧縮応力があらかじめ加えられている、請求項５１記載の直接作動式弁。
【請求項５３】
前記ストレイン型アクチュエータは、電磁コイルの近くに配置された磁わい部材から成り、前記磁わい部材は、前記電磁コイルを付勢すると、磁界にさらされる、請求項４６記載の直接作動式弁。
【請求項５４】
前記アクチュエータには１０ＭＰａ〜１４ＭＰａの圧縮応力があらかじめ加えられている、請求項５３記載の直接作動式弁。
【請求項５５】
前記プロセス流体は、前記プロセス流体が前記弁部材と前記弁座との間を流れるときには気相の状態にある、請求項４６記載の直接作動式弁。
【請求項５６】
前記直接作動式弁は、噴射弁であり、前記弁部材は、前記ノズル端部から内方且つこれから遠ざかって動いて開くことができ、前記ノズル端部は、前記弁部材が前記弁座に接触する場所から見て下流側に位置するオリフィスを有し、前記プロセス流体は、前記弁部材を前記弁座から離昇させると、前記オリフィスから噴霧可能である、請求項４６記載の直接作動式弁。
【請求項５７】
前記ノズル端部にはサックが設けられている、請求項５６記載の直接作動式弁。
【請求項５８】
前記伝達要素は、受動型油圧リンクを含む、請求項４６記載の直接作動式弁。
【請求項５９】
前記油圧リンクは、ダイラタント流体である作動油で満たされている、請求項５８記載の直接作動式弁。
【請求項６０】
前記油圧リンクは、磁界を加えることにより変化させることができる粘度を有するスマート流体である作動油で満たされており、前記直接作動式弁は、前記磁界を発生させる電磁石を更に有する、請求項５８記載の直接作動式弁。
【請求項６１】
前記油圧リンクは、電界をかけることにより変化させることができるよう流れ抵抗を有するスマート流体である作動油で満たされており、前記直接作動式弁は、前記電界を発生させる電気回路を更に有する、請求項５８記載の直接作動式弁。
【請求項６２】
前記受動型油圧リンクは、シリンダ内に設けられたピストンと、前記ピストンを貫通して設けられていて、前記ピストンの一方の側に位置する空間を前記ピストンの反対側に流体結合する少なくとも１つのオリフィスとを有する、請求項５８記載の直接作動式弁。
【請求項６３】
前記プロセス流体は、内燃エンジン内で燃焼可能な燃料である、請求項４６記載の直接作動式弁。
【請求項６４】
前記ノズル端部は、前記内燃エンジンの燃焼室内に配置されるようになっており、前記燃料は、前記燃焼室内に直接噴射可能である、請求項６３記載の直接作動式弁。
【請求項６５】
前記受動型油圧リンクは、シリンダ内に配置されたピストンを有し、作動油が、前記ピストンの互いに反対側で前記シリンダ内に収容され、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の作動油の流れは、前記ピストンと前記シリンダとの間の隙間又は前記ピストンを貫通して設けられたオリフィス及び流体通路によって絞られる、請求項５８記載の直接作動式弁。
【請求項６６】
前記所定限度は、前記所定の圧縮応力の関数として定められる、請求項４６記載の直接作動式弁。
【請求項６７】
前記予荷重を前記アクチュエータに加えるばねが、開放位置から前記閉鎖位置に動いているときの前記弁部材と同一の方向に力を及ぼして前記伝達要素を押す、請求項４６記載の直接作動式弁。
【請求項６８】
直接作動式弁であって、
弁体を有し、前記弁体は、ノズル端部及び前記弁体内に設けられていて、供給レールからのプロセス流体を前記ノズル端部内に設けられているノズルキャビティに送り出す流体通路を有し、
前記弁体内に配置された弁部材を有し、前記弁部材は、前記弁部材を前記ノズル端部と関連した弁座に着座させると、プロセス流体が前記ノズルキャビティから少なくとも１つのノズルオリフィスに流れるのが阻止される閉鎖位置と、前記弁部材を前記弁座から離昇させると、プロセス流体が前記ノズルキャビティから前記少なくとも１つのノズルオリフィスを通って流れることができる開放位置との間で流れることができ、
所定の最小応力よりも大きく維持された圧縮応力があらかじめ加えられたストレイン型アクチュエータを有し、前記ストレイン型アクチュエータは、アクチュエータ信号に応答して変化する長さを有することにより直線変位量を生じさせるよう作動可能であり、
前記ストレイン型アクチュエータからの前記直線変位量を前記弁部材に伝達する伝達要素を有し、
前記アクチュエータ信号を変調して前記弁部材を前記開放位置と前記閉鎖位置との間で動かすと共に（ａ）前記開放位置と前記閉鎖位置との間で動く際の前記弁部材の加速度及び減速度、及び（ｂ）前記弁座に接触する直前における前記弁部材の速度のうちの少なくとも一方を所定の限度未満に制限するようプログラムされたアクチュエータドライバを有する、直接作動式弁。
【請求項６９】
前記弁体と前記ストレイン型アクチュエータとの間に設けられたばねが、前記圧縮応力を前記ストレイン型アクチュエータに加える、請求項６８記載の直接作動式弁。
【請求項７０】
前記伝達要素は、受動型油圧リンクを含む、請求項６８記載の直接作動式弁。
【請求項７１】
前記油圧リンクは、ダイラタント流体である作動油で満たされている、請求項７０記載の直接作動式弁。
【請求項７２】
前記油圧リンクは、磁界を加えることにより変化させることができる粘度を有するスマート流体である作動油で満たされており、前記直接作動式弁は、前記磁界を発生させる電磁石を更に有する、請求項７０記載の直接作動式弁。
【請求項７３】
前記油圧リンクは、電界をかけることにより変化させることができるよう流れ抵抗を有するスマート流体である作動油で満たされており、前記直接作動式弁は、前記電界を発生させる電気回路を更に有する、請求項７０記載の直接作動式弁。
【請求項７４】
前記受動型油圧リンクは、シリンダ内に設けられたピストンと、前記ピストンを貫通して設けられていて、前記ピストンの一方の側に位置する空間を前記ピストンの反対側に流体結合する少なくとも１つのオリフィスとを有する、請求項７０記載の直接作動式弁。
【請求項７５】
前記弁部材を閉鎖運動の際、前記開放位置のうちの１つから前記閉鎖位置に動かす際、前記アクチュエータドライバは、前記閉鎖運動の終わりの近くと比較して、前記閉鎖運動の始めにおいて高い割合で前記アクチュエータ信号の大きさを減少させるようプログラムされている、請求項６８記載の直接作動式弁。
【請求項７６】
前記所定限度は、前記所定最小応力の関数として定められる、請求項６８記載の直接作動式弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ストレイン（歪）型アクチュエータを備えた直接作動式弁及びその作動方法に関する。迅速作用型直接作動式弁から恩恵を受けることができる用途が多く存在し、開示する本発明の利点を説明するため、本明細書においては、例えば特に適した１つの用途、即ち、内燃エンジンの燃焼室内への燃料の直接噴射として関連して本発明を説明する。
【背景技術】
【０００２】
内燃エンジンは、１世紀以上にわたって動力を生じさせると共に機械を駆動するために用いられている。当初から内燃エンジンは、より効率的に、より強力に且つ／或いは大気汚染が少なくなるように多くの改良がなされている。幾つかの条件下においては、燃焼室内における燃料燃焼は、不完全な場合があり、これにより、効率が減少すると共に未燃状態の燃料の望ましくない放出が生じる場合がある。
【０００３】
エンジンは、噴射事象中における燃料噴射時期、燃料噴射量及び燃料噴射速度に対するより正確な制御により、より効率的により強力に且つ大気汚染を少なくした状態に製作可能である。技術の現状の燃料噴射弁は、油圧作動式である。例えば、油圧作動式弁は、弁ニードル（針状の弁体）と関連した制御室内の流体圧力を制御することにより作動される。典型的には、作動油圧力は、弁ニードルを閉鎖位置に保持するよう高く保たれ、制御室内の作動油圧力を減少させると、燃料噴射弁のノズル内の燃料圧力が、開放力を弁ニードルの段付き肩部に及ぼして弁ニードルを開放位置に持ち上げる。周知の仕方では、制御室を高圧供給ライン又は低圧排出ラインに連結する作動油通路を開閉することにより制御室内の圧力を調整するために１つ又は２つ以上の作動油制御弁が流体絞りオリフィスと組み合わせて用いられる場合がある。
【０００４】
技術の現状の油圧作動式燃料噴射弁は、「電気油圧式」燃料噴射弁と呼ばれる場合があり、その理由は、かかる弁が、電気制御式作動油制御弁を採用することができるからである。例えば、電磁アクチュエータを用いる電磁弁は、弁部材と関連したアーマチュアを一方の端っこの位置からもう１つの端っこの位置に動かして作動油の流量を制御することができる。しかしながら、かかる弁では、弁部材を中間位置に保持することができず、電磁弁が迅速に作用することができる間、電磁弁は、一方の端っこの位置から他方の端っこの位置まで動いているときの弁部材の速度又は加速度に対する多大な制御を可能にしない。即ち、電磁弁が制御弁を開放位置と閉鎖位置との間で作動させるのに適するが、かかる弁は、質量流量を制御するために弁ニードルの速度、位置及び加速度又は減速度を容易に制御するようには使用できない。弁の中には、設計上、燃料噴射事象中に燃料噴射量に対する制限された制御を可能にする幾何学的形状を備えているものがある。最近においては、圧電又は磁わい型アクチュエータ（本明細書においては、これらアクチュエータをひとまとめに「ストレイン型」アクチュエータと称する）により作動される制御弁は、作動油流量に対する多大な制御をもたらす。ストレイン型アクチュエータは、例えば電圧を圧電素子に印加した場合又は磁わい素子を磁界にさらしたときに形状を変える素子を採用している。ストレイン型アクチュエータは、電磁アクチュエータに対する潜在的な改良をもたらす。というのは、ストレイン型アクチュエータは、迅速且つ正確な移動量をもたらすことができる一方において、端っこの位置相互間の位置への作動を可能にすると共に弁ニードルの速度及び加速度に対する制御を可能にする。このように、ストレイン型アクチュエータを備えた制御弁は、可変オリフィスのように挙動して制御室内の作動油圧力を調整することができる。燃料噴射事象中に噴射量を調整するため、電気油圧式弁は、１つ又は２つ以上のストレイン型アクチュエータを採用する場合があり、それにより作動油の流量を制御すると共に制御室内の作動油の圧量を調整することにより弁ニードルの運動を間接的に生じさせることができる。しかしながら、ストレイン型アクチュエータが制御弁を作動させる場合であっても、電気油圧式燃料噴射弁には依然として欠点がある。弁ニードルは、ストレイン型アクチュエータにより引き起こされる変位によっては直接的には作動されないので、作動速度は、制御室内の流体圧力の調整速度によって依然として制限され、ノズル室内における燃料と制御室内における作動油との差圧のばらつきのような要因によって変動性が入り込む場合がある。エンジンは、数千ｒｐｍの速度で作動することができるので、作動速度及び所望の時点において所望量の燃料を噴射する正確さは、エンジン性能に対して著しい影響を及ぼす場合がある。
【０００５】
噴射される燃料が液体燃料である場合、燃料を好都合には作動油として用いることができる。しかしながら噴射される燃料が気体燃料である場合、電気油圧作動式燃料噴射弁の追加の欠点として、油圧アクチュエータが複雑さ及びコストを燃料噴射弁に追加する。というのは、燃料供給系統から別個の作動油系統が必要になるからである。
【０００６】
「直接」作動式燃料噴射弁は、本明細書においては、これら直接作動式燃料噴射弁が燃料噴射弁のニードルの変位量に対応関係をなして直接伝達される変位量を生じさせるよう作動可能なアクチュエータを採用している点において、電気油圧作動式燃料噴射弁とは区別される。アクチュエータにより生じた変位量を弁ニードルに再現することができ又はアクチュエータと弁ニードルとの間に設けられた伝達要素によって増幅可能であるが、直接作動式弁では、本明細書において定義されているように、弁ニードル変位量は、アクチュエータ変位量に正比例する。直接作動式燃料噴射弁では、制御室は存在しない。というのは、電気油圧式燃料噴射弁が設けられており、弁ニードルの運動は、作動油の圧力を変化させるのではなく、アクチュエータによって生じた変位量によって定められるからである。燃料噴射弁は、電磁アクチュエータにより電磁的に直接作動可能であり、それにより、アーマチュアに対する変位量は、弁ニードルの変位量を生じさせるが、電気油圧式弁に用いられる電磁作動式制御弁と同様、この種のアクチュエータは、弁ニードルの運動に対する多大な制御を可能にするわけではない。弁ニードルの正確な制御は、燃料噴射弁ニードルがストレイン型アクチュエータによって直接作動される場合に達成可能である。本発明は、具体的には、ストレイン型アクチュエータを用いている直接作動式燃料噴射弁に関する。ストレイン型アクチュエータは、大きなニードル作動力を発生させることができるので、直接作動式燃料噴射弁は、ノズル室内における燃料圧力の変化が燃料噴射弁の作動にそれほど影響を及ぼさないように設計可能である。さらに、応答時間を早くすることが可能である。というのは、作動は直接的であり、制御室に出入りする作動油の流量に依存しないからである。直接作動式燃料噴射弁の例は、米国特許第６，２９８，８２９号明細書、同第６，５６４，７７７号明細書、同第６，５７５，１３８号明細書及び同第６，５８４，９５８号明細書に開示されている。
【０００７】
一般的に言って、噴射事象の終わりにおける燃料噴射弁の迅速な閉鎖は、未燃状態の燃料のエンジン放出レベルを減少させる上で重要であると考えられている。というのは、燃焼サイクルにおいて後で導入される燃料を燃焼させることが困難だからである。加うるに、ピストンの動力行程の際に後で燃やされる（後燃焼）燃料は、動力行程において早期に燃やされる燃料と同じ量でもそれと同じほど多くの動力を生じさせるわけではない。例えば、共通所有者の米国特許第６，２９８，８２９号明細書（以下、第´８２９号特許明細書という）は、電気コイルへの電流を当初逆にして（又は、圧電型アクチュエータに印加される電圧を当初逆にして）磁わい型アクチュエータ（又は圧電型アクチュエータ）周りのコイルに印加される磁界（又は電圧）を逆にするような方式の直接作動式燃料噴射弁の閉鎖を加速する方法を教示している。弁ニードルを減速させて弁ニードルが弁座に当たったときの弁ニードルの摩耗を減少させるため、電流（又は電圧）を再び逆にし、その後、ゼロにするのが良い。摩耗の他に、弁ニードル速度を減少させるもう１つの理由として、閉鎖速度が高すぎる場合、これにより、弁ニードルがはね返って弁座から離れる場合があり、その結果、弁ニードルがはね返りの際に弁座から持ち上げられている間、後噴射燃料の量を制御することができないということにある。この方式と関連した欠点は、或るアクチュエータドライバの電子回路がこの方式を効果的に適用するのに十分迅速に電流（磁わい型アクチュエータの場合）又は電圧（圧電型アクチュエータの場合）をスムーズに且つ短時間で変化させるほど早くはないということにある。
【０００８】
第´８２９号特許明細書は又、電流又は電圧を逆にしないで電流又は電圧を次第にゼロまで減少させる別の方法を開示している。第´８２９号特許明細書は、非常に緩やかな勾配を持つ点線で時間に対する電流及び電圧のプロットでこの方法を記載している。この方式により、弁ニードル先端部に対する衝撃及び摩耗が減少するが、弁ニードルが迅速には閉じられず、その結果、多くの燃料が燃焼サイクルにおいて後で噴射される場合があるという欠点がある。
【０００９】
ストレイン型アクチュエータの望ましい属性は、これらストレイン型アクチュエータ大きな力で非常に早い運動を生じさせることができるということにある。このような属性は、弁部材を迅速に作動させるのに役立ち得るが、弁部材が弁座に接近しているときに迅速すぎるほど動いている場合、はね返りにより弁座から離れるという恐れに加えて、直接作動式燃料噴射弁では、弁ニードルが弁座に当たることに起因して生じる物理的応力が伝達要素を介してアクチュエータに送り戻される。弁の閉鎖に起因して生じるかかる物理的応力は、適切に管理されなければ極めて突然である場合があり、その結果、アクチュエータの損傷がストレイン型アクチュエータ要素の亀裂及び／又は弁部材又は弁座の損傷又は過度の摩耗の発生によって明らかになる場合がある。かかる損傷は、深刻さが中くらいであっても経時的に累積した応力により又は１回の異常に高い閉鎖衝撃によって生じる深刻さのより高い応力によって引き起こされる場合がある。したがって、燃料噴射弁を迅速に閉鎖することが望ましいが、ストレイン型アクチュエータにより作動される直接作動式燃料噴射弁では、アクチュエータを損傷させる恐れに鑑みて、弁座への弁ニードルの衝撃力を減少させる要望も又存在する。閉鎖時間が最も早くても、このことは、その結果としてアクチュエータ及び他のコンポーネントに対する過度に大きな応力が生じる場合には最適であるとは言えない。したがって、単純に弁を閉鎖する時間を減少させるのではなく、開閉運動中における弁ニードル及びアクチュエータと弁ニードルとの間の伝達要素の加速度、減速度及び速度を制御する仕方が、これらコンポーネントの全てに対する過度の応力の発生を阻止する上で重要である。
【００１０】
気体燃料を噴射するために用いられる燃料噴射弁については、更に別の検討事項が存在する。液体燃料と比較して、気体燃料は、弁ニードルが閉じているときの弁ニードルの多大な減衰をもたらさない。液体燃料を噴射する燃料噴射弁の場合、弁部材とその弁座との間から絞り出される液体燃料は、閉鎖時に衝撃力を一段と減少させるよう弁ニードルの閉鎖作用を減衰するのに役立つ。「絞り出し膜」の価値は、液体潤滑方式については文献において十分に理解されている。本明細書においては、気体燃料は、燃料が燃料噴射弁を通って流れ、そしてこれから流出しているときに気相である燃料として定義される。したがって、液体燃料向きの燃料噴射弁と比較して、気体燃料を噴射するためには、燃料噴射弁を閉鎖して閉鎖時に衝撃を減少させる改良方法が強く要望されている。図８は、種々の液体と種々の気体との間の流体密度の大きなばらつきを示している。水素の場合、密度差は、液体燃料と比較して、二桁の大きさに近づく。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６，２９８，８２９号明細書
【特許文献２】米国特許第６，５６４，７７７号明細書
【特許文献３】米国特許第６，５７５，１３８号明細書
【特許文献４】米国特許第６，５８４，９５８号明細書
【発明の概要】
【００１２】
弁部材を作動させて弁部材が弁座に接触する閉鎖位置と弁部材が弁座から間隔を置いて位置する開放位置との間で動かすようアクチュエータドライバにより作動可能なストレイン型アクチュエータを有する直接作動式弁を作動させる方法が開示される。この方法は、ストレイン型アクチュエータからの変位量を弁部材に伝達するステップと、予荷重圧縮応力をアクチュエータに加えることにより所定の最小応力よりも大きな圧縮応力をアクチュエータに加えた状態に維持するステップと、（ａ）開放位置と閉鎖位置との間で動く際の弁部材の加速度及び減速度、及び（ｂ）弁座に接触する直前における弁部材の速度のうちの少なくとも一方を所定の限度未満に制限するステップとを有する。好ましい実施形態では、この方法は、予荷重圧縮応力をばねにより機械的に加えるステップを更に有する。アクチュエータは、圧電素子から成るのが良く、この場合、予荷重圧縮応力は、好ましくは、４ＭＰａ以上であり、アクチュエータに加えられた状態に維持される所定最小応力は、好ましくは、少なくとも１ＭＰａである。他の実施形態では、アクチュエータは、磁わい素子から成るのが良く、この場合、予荷重圧縮応力は、好ましくは、１０ＭＰａ〜１４ＭＰａであり、アクチュエータに加えられた状態に維持される所定最小応力は、好ましくは、少なくとも５ＭＰａである。ストレイン型アクチュエータの形式に応じて互いに異なる予備圧縮応力が好ましいが、全ての実施形態において、交番応力に起因するアクチュエータの損傷を阻止するために圧縮応力を所定最小値よりも高く維持することが重要である。圧電型アクチュエータの場合、圧縮応力が小さいことが適当である。というのは、圧電型アクチュエータにより生じる変位量は、あらかじめ加えられた圧縮応力の実用的範囲内では実質的に同一だからである。しかしながら、磁わい材料の場合、大きな変位量が可能である圧縮応力範囲が存在することが判明した。
【００１３】
本方法は、好ましくは、弁座への接触直前における弁部材の速度を毎秒１メートル（１．０ｍ）未満に減少させるステップを更に有する。弁部材の速度を減少させることにより、弁部材に当たって生じる摩耗、アクチュエータに伝達される衝撃波及び弁部材がはね返って弁座から離れる恐れが減少する。加うるに、本方法は、好ましくは、弁部材の加速度及び減速度を制限してアクチュエータに加わる圧縮応力が所定最小圧力よりも大きく維持させるようにするステップを更に有する。幾つかの実施形態では、加速度及び減速度を制限することにより、あらかじめ加えられる圧縮応力を低くすることができる。というのは、かかる限度は、弁部材の運動に起因してアクチュエータに伝達される交番応力の大きさを減少させるからである。
【００１４】
ストレイン型アクチュエータを有する直接作動式弁を作動させる好ましい方法は、弁部材が弁座に接触する閉鎖位置と弁座から間隔を置いて位置する開放位置との間でどのように動くかを制御することに関する。このアクチュエータは、弁部材を作動させるようアクチュエータドライバにより作動可能である。本方法は、ストレイン型アクチュエータからの変位量を弁部材に伝達するステップと、所定の最小応力よりも大きな圧縮応力をアクチュエータに加えた状態に維持する予荷重圧縮応力をアクチュエータに加えるステップと、アクチュエータドライバからの信号を整形することにより弁部材を開放位置から閉鎖位置までの閉鎖ケーブルにわたって作動させて弁部材が閉鎖距離の大部分にわたって動いたときの信号の第１の部分に関し、信号は、第１の経時平均速度において大きさが変化し、第１の経時平均速度は、信号の第２の部分中における第２の経時平均速度よりも高く、第２の部分は、弁部材と弁座の接触状態が復元されると終了するようにするステップとを有する。信号は、時間に対してプロットされた信号大きさの少なくとも２つの別々の勾配を有するよう整形されるのが良く、信号の第１の部分は、第２の部分よりも急な勾配を有する。アクチュエータドライバの能力に応じて、信号は、第１の部分において一定の勾配を有すると共に第２の部分において一定の勾配を有することができる。信号は、複数の別々の勾配を有するよう整形可能である。例えば、３つの別々の勾配が用いられる場合、第１のセグメントは、最も急な勾配を有するのが良く、連続して位置する勾配は、次第に緩やかになっているのが良い。各セグメントの勾配は、別々であっても良いが、急すぎる勾配の変化を回避することが好ましい。というのは、これにより、アクチュエータに送り戻される応力の交番が生じる場合があるからである。他の実施形態では、信号は、時間の経過につれてステップ状に整形されるのが良く、第１の部分の連続して並んだステップは、第２の部分の連続して並んだステップと比較して、一ステップから次のステップまでにおける信号の大きさの変化が大きい。さらに別の実施形態では、アクチュエータドライバ信号は、勾配の緩やかな第２の部分に移行する勾配の急な第１の部分を有する連続曲線を辿るよう整形されるのが良い。例えば、アクチュエータドライバ信号は、１／ｘの関数として整形されるのが良く、ｘは、時間である、請求項１８記載の方法。
【００１５】
弁を迅速に閉鎖することが望ましい場合、本方法は、好ましくは、第１の部分に関する持続時間が０．１ミリ秒未満であるという指令を出すステップを更に有する。閉鎖距離の大部分は、第１の部分中に生じるので、弁は、第２の部分の始めではほぼ閉鎖状態にあり、弁を通る流体の流れは、第２の部分の間、減少し、第２の部分は、第１の部分よりも持続時間が長い。第２の部分中に直接作動式弁を通って流れる流体の質量流量は、好ましくは、直接作動式弁を通る設計最大流体質量流量の２０％未満に制限される。好ましい実施形態では、本方法は、第２の部分に関する持続時間が０．９ミリ秒未満であるという指令を出すステップを更に有する。本方法は、信号の第１の部分中、弁部材の加速度を所定値未満に制限するステップと、信号の第１の部分から信号の第２の部分に移行する際、弁部材の減速度を所定値未満に制限するステップとを更に有するのが良い。本方法は、弁部材の絶対速度を所定速度未満に制限するステップを更に有するのが良い。
【００１６】
好ましい用途では、直接作動式弁を用いて、プロセス流体が弁部材と弁座との間で流れるときに気相の状態にあるプロセス流体の流量を調整するのが良い。本方法は、直接作動式弁を用いて燃料を内燃エンジン内に噴射するステップを更に有するのが良く、好ましい実施形態では、燃料は、直接作動式弁から内燃エンジンの燃焼室中に噴射されるのが良い。エンジンは、圧縮比が少なくとも１０：１、より好ましくは少なくとも１４：１の高圧縮エンジンであるのが良い。
【００１７】
ストレイン型アクチュエータが圧電素子から成る場合、アクチュエータドライバは、圧電素子に印加される電圧を制御し、本方法は、アクチュエータドライバをプログラムして電圧の大きさを変化させるステップを有する。ストレイン型アクチュエータが磁わい素子から成る場合、アクチュエータドライバは、磁わい素子中に差し向けられる磁界の強さを変化させるよう電磁コイルに流される電流を制御し、本方法は、アクチュエータドライバをプログラムして電流の大きさを変化させ、それによりアクチュエータにより生じる変位量を変化させるステップを有する。これらストレイン型アクチュエータの利点は、アクチュエータドライバを用いてアクチュエータにより生じる変位量を制御することができ、それにより、弁部材の速度及び加速度を制御することができることに加えて、弁部材に指令してこれがゼロ変位量と最大変位量との間の中間位置に配置することができる。
【００１８】
この方法を実施するため、直接作動式弁は、弁体を有し、弁体は、ノズル端部及び弁体内に設けられていて、供給レールからのプロセス流体をノズル端部内に設けられているノズルキャビティに送り出す流体通路を有し、直接作動式弁は、弁体内に配置された弁部材を更に有し、弁部材は、弁部材をノズル端部と関連した弁座に着座させると、プロセス流体がノズルキャビティから少なくとも１つのノズルオリフィスに流れるのが阻止される閉鎖位置と、弁部材を弁座から離昇させると、プロセス流体がノズルキャビティから少なくとも１つのノズルオリフィスを通って流れることができる開放位置との間で流れることができ、直接作動式弁は更に、圧縮応力があらかじめ加えられたストレイン型アクチュエータを有し、ストレイン型アクチュエータは、アクチュエータ信号に応答して変化する長さを有することにより直線変位量を生じさせるよう作動可能であり、直接作動式弁は更に、ストレイン型アクチュエータからの直線変位量を弁部材に伝達する伝達要素と、アクチュエータ信号を変調して弁部材を開放位置と閉鎖位置との間で動かすと共にかかる運動の加速度及び減速度を互いに交差していない所定限度に制御するようプログラムされたアクチュエータドライバとを有し、次いで、弁部材を閉鎖運動の際に開放位置のうちの１つから閉鎖位置に動かす際、アクチュエータ信号は、閉鎖運動の終わりの近くと比較して、閉鎖運動の始めにおいて高い割合で大きさが変化する。アクチュエータドライバは、閉鎖運動のための所定の信号でプログラムされるのが良く、それにより、弁部材は、閉鎖運動の第１の部分の間、閉鎖位置に向かって加速し、閉鎖運動の第２の部分の間、減速し、第１の部分は、０．１ミリ秒未満の持続時間を有し、第２の部分は、０．９ミリ秒未満の持続時間を有する。アクチュエータドライバは又、弁部材の絶対速度を所定速度未満に制限するようプログラムされているのが良い。第１の部分を終了させたり第２の部分を開始させたりするタイミングは、好ましくは、第２の部分中に弁を通るプロセス流体質量流量を直接作動式弁を通る設計最大流体質量流量の２０％未満に制限するようあらかじめ定められている。
【００１９】
好ましい実施形態では、ストレイン型アクチュエータは、少なくとも１つの圧電素子又は電磁コイルの近くに配置された磁わい部材から成る。ストレイン型アクチュエータには、好ましくは、圧電型アクチュエータに関し、少なくとも４ＭＰａの圧縮応力、磁わい型アクチュエータに関し、１０ＭＰａ〜１４ＭＰａの圧縮応力があらかじめ加えられる。
【００２０】
直接作動式弁は、プロセス流体が弁部材と弁座との間を流れるときには気相の状態にあるプロセス流体の流量を制御するよう使用されるのが良い。好ましい実施形態では、直接作動式弁は、噴射弁であり、弁部材は、ノズル端部から内方且つこれから遠ざかって動いて開くことができ、ノズル端部は、弁部材が弁座に接触する場所から見て下流側に位置するオリフィスを有し、プロセス流体は、弁部材を弁座から離昇させると、オリフィスから噴霧可能である。ノズル端部にはサックが設けられるのが良い。
【００２１】
伝達要素は、受動型油圧リンクを含むのが良い。幾つかの実施形態では、受動型油圧リンクは、ダイラタント流体である作動油で満たされるのが良い。受動型油圧リンクは、シリンダ内に設けられたピストンを有し、更に、ピストンを貫通して設けられていて、ピストンの一方の側に位置する空間をピストンの反対側に流体結合する少なくとも１つのオリフィスを有するのが良い。ピストンを貫通して設けられた１つ又は２つ以上のオリフィスが用いられる場合、ピストンリングシールが、好ましくは、ピストンとシリンダとの間に配置され、それにより、作動油がピストンとシリンダとの間を通ることによりオリフィスをバイパスするのを阻止するようになっている。
【００２２】
開示した直接作動式弁は、燃料を内燃エンジン内に噴射するのに適しており、したがって、好ましい実施形態では、プロセス流体は、内燃エンジン内で燃焼可能な燃料である。ノズル端部は、内燃エンジンの燃焼室内に配置されるようになっており、燃料は、燃焼室内に直接噴射可能である。
【００２３】
別の好ましい実施形態では、直接作動式弁が、弁体を有し、弁体は、ノズル端部及び弁体内に設けられていて、供給レールからのプロセス流体をノズル端部内に設けられているノズルキャビティに送り出す流体通路を有し、直接作動式弁は、弁体内に配置された弁部材を更に有し、弁部材は、弁部材をノズル端部と関連した弁座に着座させると、プロセス流体がノズルキャビティから少なくとも１つのノズルオリフィスに流れるのが阻止される閉鎖位置と、弁部材を弁座から離昇させると、プロセス流体がノズルキャビティから少なくとも１つのノズルオリフィスを通って流れることができる開放位置との間で流れることができ、直接作動式弁は更に、所定の最小応力よりも大きく維持された圧縮応力があらかじめ加えられたストレイン型アクチュエータを有し、ストレイン型アクチュエータは、アクチュエータ信号に応答して変化する長さを有することにより直線変位量を生じさせるよう作動可能であり、直接作動式弁は更に、ストレイン型アクチュエータからの直線変位量を弁部材に伝達する伝達要素と、アクチュエータ信号を変調して弁部材を開放位置と閉鎖位置との間で動かすと共に（ａ）開放位置と閉鎖位置との間で動く際の弁部材の加速度及び減速度、及び（ｂ）弁座に接触する直前における弁部材の速度のうちの少なくとも一方を所定の限度未満に制限するようプログラムされたアクチュエータドライバを更に有する。この実施形態では、弁体とストレイン型アクチュエータとの間に設けられたばねが、圧縮応力をストレイン型アクチュエータに加えるよう用いられるのが良い。伝達要素は、受動型油圧リンクを含むのが良く、好ましい実施形態では、油圧リンクは、ダイラタント流体である作動油で満たされるのが良い。他の実施形態の場合と同様、受動型油圧リンクは、シリンダ内に設けられたピストンと、ピストンを貫通して設けられていて、ピストンの一方の側に位置する空間をピストンの反対側に流体結合する少なくとも１つのオリフィスとを有するのが良い。さらに、他の好ましい実施形態では、弁部材を閉鎖運動の際、開放位置のうちの１つから閉鎖位置に動かす際、アクチュエータドライバは、好ましくは、閉鎖運動の終わりの近くと比較して、閉鎖運動の始めにおいて高い割合でアクチュエータ信号の大きさを減少させるようプログラムされる。
【００２４】
直接作動式弁及びその作動方法は、図面を参照すると一層良く理解でき、図面は、かかる弁の好ましい構成及び本明細書において開示される方法を実施するための例示のアクチュエータ信号形状を示している。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】磁わい型アクチュエータを備えた直接作動式燃料噴射弁の略図である。
【図２】圧電型アクチュエータを備えた直接作動式燃料噴射弁の略図である。
【図３】２つの勾配を有する閉鎖形状に関し、時間に対してアクチュエータ信号大きさをプロットしたグラフ図である。
【図４】３つの勾配を有する閉鎖形状に関し、時間に対してアクチュエータ信号大きさをプロットしたグラフ図である。
【図５】ステップ（段部）を有する閉鎖形状に関し、時間に対してアクチュエータ信号大きさをプロットしたグラフ図である。
【図６】連続した曲線を有する閉鎖形状に関し、時間に対してアクチュエータ信号大きさをプロットしたグラフ図である。
【図７】ピストンの一方の側から他方の側への流れを制限するオリフィスを備えた直接作動式弁のための受動型油圧リンクの別の実施形態の略図である。
【図８】気体燃料の流体密度と液体燃料の流体密度の差を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１及び図２は、内燃エンジンの燃焼室内に燃料を噴射するために使用できる２つの好ましい実施形態としての直接作動式燃料噴射弁１００，２００を示している。ストレイン型アクチュエータを備えた直接作動式噴射弁のこれらの例は、油圧制御弁を作動させるためにストレイン型アクチュエータを使用する場合のある従来型電気油圧作動式噴射弁に対するこの形式の噴射弁の差異を示すよう詳細に記載されている。この区別は、直接作動式弁を閉鎖する本明細書において開示する方法がストレイン型アクチュエータを採用している直接作動式弁と関連した技術的課題に取り組むので重要であり、開示する方法は、特にこの形式の弁に利用できる。燃料を燃焼室内に噴射することが、本明細書において開示する弁に特に適した用途であることが知られているが、開示する特徴を備えた弁を有利には他の用途に使用できることも理解されるべきである。例えば、ストレイン型アクチュエータを備えた直接作動式弁を用いると、燃料を直接燃焼室内に噴射するのではなく、吸気マニホルド内に噴射することができ又は燃料を燃料セルマニホルド内に噴射することができ、或いは、流体を定量投与するための正確なタイミング及び／又は量が重要である場合に流体を工業プロセスにおいて計量投与することができる。
【００２７】
いま図１を参照すると、燃料噴射弁１００は、流体密封弁体を提供するよう弁キャップ１０４及び弁先端部１０６と協働する細長い弁ハウジング１０２を有している。当業者であれば理解されるように、概略図である図１は、縮尺通りには描かれておらず、物理的詳細、例えば弁体を複数個の部品からどのようにすれば製作できるかを示しているわけではない。弾性リングシール及びガスケットを用いると、組み立て状態の弁体が流体密となり、幾つかの弁体部品を金属間密封面を備えた状態で互いに当接できるようになっており、これら密封面は、流体密シールを構成するよう滑らかに機械加工されている。弁キャップ１０４は、流体が弁体に入るようこれを通す入口ポート１０８を有し、弁先端部１０６は、流体が弁体から出るようこれを通す少なくとも１つのノズルオリフィス１１０を有している。弁先端部１０６は、弁座１１２を更に有し、この弁座は、弁ニードル１１４が弁座１１２に押し付けられると、ノズルオリフィス１１０を通る燃料の流れを止めるよう弁ニードル１１４の互いに反対側の表面と協働する。
【００２８】
弁ニードル１１４は、弁棒１１４ａを有し、この弁棒は、弁体内で内方に動いて弁座１１２から離昇することにより開放位置に動く。弁棒１１４ａは、円筒形の部材であり、弁揚程は、一般的に僅かである（例えば、或る直接作動式噴射弁については最高２５０マイクロメートルまでに過ぎない）、弁棒１１４への直径は、弁開口部を通る十分な流れ容量を保証するよう選択されている。というのは、流れ面積は、弁棒直径に比例するからである（即ち、流れ面積＝π×直径×揚程）。ストレイン型アクチュエータでは、変位量及び対応の弁ニードル揚程は、アクチュエータ要素の長さの関数である。それ故、小形アクチュエータでは、僅かな揚程は、大きなニードル直径により補償できる。ノズルオリフィス１１０を備えた端部と比較して、ノズル先端部１０６は、弁ニードル１１４の直径に対応するよう比較的大きな直径を備えた部分を有している。好ましい実施形態では、弁座１１２をノズルオリフィス１１０の近くに配置して弁座とオリフィスとの間の通路の容積を減少させ、それにより正確な燃料噴射量及び燃料を噴射したときのかかる燃料の分散状態に対する制御を改善することが望ましい。
【００２９】
変形構成例（共通所有者の米国特許第６，５７５，１３８号明細書に示されている）では、ポペット形弁先端部を用いると、弁ニードルの下方運動により、弁が開くようになることができる。この変形構成例では、アクチュエータ組立体は、好ましくは、アクチュエータを付勢して長さを伸長させると、アクチュエータが下方変位力を弁ニードルに加えることにより噴射弁を開放するよう弁ニードルの上方に位置決めされる。当業者であれば理解されるように、本明細書において開示する方法及び特徴は、同様な作用効果を達成するようこの変形構成例を備えた弁に合わせて改造できると共に利用できる。
【００３０】
ばね組立体が、弁ニードル１１４を閉鎖位置に付勢している。好ましい構成例では、ばね組立体は、少なくとも１つのニードルばね１１６を有する。図１の実施形態を参照すると、ばね組立体は、ニードルばね１１６からの閉鎖力を弁ニードル１１４に均等に伝達するニードルばね案内１１８を更に有している。ニードルばね１１６は、ニードルばねアジャスタ１２０によって圧縮状態に保持され、このニードルばねアジャスタは、弁ハウジング１０２に装填経路を提供するようニードルばねハウジング１２２と協働する。好ましい構成例では、ねじ山付き表面が、それぞれ、ニードルばねアジャスタ１２０をニードルばねハウジング１２２に接合すると共にニードルハウジング１２２を弁ハウジング１０２に接合している。ニードルばねアジャスタ１２０を回転させてニードルばね１１６を圧縮し、それにより所望の閉鎖力をニードルばね１１６に提供した後、止めナット１２４を締め付けてニードルばねアジャスタ１２０が弛むのを阻止する。
【００３１】
アクチュエータ組立体は、ばね組立体によって提供される閉鎖力とは向きが反対であり且つこれよりも大きな開放力を提供するよう作動される。図１に示されている実施形態では、アクチュエータ組立体は、磁わい部材又は素子を有し、この磁わい部材は、これを磁界にさらすと、開放力の方向に拡張する。磁わい部材１３０は、磁界を受けると変形する結晶格子を有し、変形例は、磁界の強さの関数である。磁界は、電気コイル１３２を消勢すると消散する。図１では、アクチュエータは、磁わい部材１３０及び磁わい１３０の外部周りに配置された電気コイル１３２を有している。電流が電気用取り付け部品１３６に流される。電気リード（図示せず）は、電流を電気用取り付け部品１３６から電気回路１３２に導く。電流が電気コイル１３２に流されると、磁界が生じ、この磁界は、磁わい部材１３０及び極１３８，１４０，１４２を通って流れる。極１３８，１４０，１４２は、適当な材料、例えば炭素鋼（例えばＣＳ１０１８）又は磁気ヒステリシスが低い鋼で作られる。極１３８は、磁わい部材１３０及び電気コイル１３２の第１の端部の構造的支持体となる「固定」極である。極１４０は、磁わい部材１３２の第２の端部と関連し、極１４２は、電気コイル１３２の第２の端部と関連している。極１４０は、「内側」極であり、極１４２は、内側極１４０の周りに同心状に配置された「外側」極である。極１４２及び電気コイル１３２は、止めナット１４４により定位置に保持され、この止めナットは、好ましくは、弁ハウジング１０２の内壁に螺入する。極１４０，１４２は、アクチュエータ組立体の第２の端部のところに磁界のための磁束経路を提供するよう互いに協働するが、極１４０は、アクチュエータ組立体がばね組立体の閉鎖力とは対抗した開放力を提供するよう差し向けられている磁界の方向に磁わい部材１３０が拡張することができるよう極１４２に対して動くことができる。
【００３２】
磁界をかけたときに拡張の大きさを増大させるよう予備圧縮力を磁わい部材に加えることが知られている。磁わい部材１３０の予備圧縮により、結晶格子が機械的に圧縮され、それにより、かけられた磁界単位あたりの正味の利用可能な変位量が増大する。予備圧縮力を用いた場合、アクチュエータの変位量は、磁わい部材１３０の全長の約０．１３％まで増大することができる。しかしながら、本明細書において開示するように、圧縮応力をアクチュエータに加え、例えば、引っ張り応力がアクチュエータに生じるのを阻止し、アクチュエータ組立体と油圧リンク組立体との接触状態を維持するという他の理由も又存在する。したがって、好ましい実施形態では、アクチュエータ組立体に加えられる圧縮応力は、アクチュエータに加わる圧縮応力を維持すると共にばね１５０、燃料の圧力及び動作中にアクチュエータを作動させる効果を含む圧縮応力に対する全ての原因を考慮に入れることによる恩恵を受ける要因の全てのバランスを取るようあらかじめ設定される。したがって、それにより、所定の圧縮応力をいったん決定すると、所定の圧縮応力に応答する弁ニードル運動の指令された加速度、減速度及び速度に制限が設定されることが教示される。即ち、ばね１５０が弁を設計したときでは全体的圧縮応力の唯一の原因であるが、ばね１５０は、所望の性能特性を達成するのに必要な所望の全体的圧縮応力を送り出す選択されたばね力を備えるのが良く、かかる所望の性能特性としては、所望の変位を達成すること、引っ張り応力がアクチュエータ組立体に生じるのを阻止すること及びアクチュエータ組立体と、アクチュエータ組立体と弁ニードルとの間に配置された受動型油圧リンク組立体との接触状態を維持することが挙げられる。弁ニードルとニードル受座との間の衝撃力を減少させる必要性を或る程度認識して弁をできるだけ迅速に閉鎖することを単純に教示した先行技術の弁とは異なり、本明細書において開示する方法及び装置は、アクチュエータ組立体に加えられる所定の圧縮応力と弁ニードルの加速度、減速度及び速度との間には或る関係が存在すること及びこれら変数がアクチュエータ及び弁コンポーネントに過剰の応力を加えるのを阻止するよう弁ニードルの開閉運動中に制限されることが必要であるということを教示している。
【００３３】
一例を挙げると、図１には、皿ばね１５０が予備圧縮力をアクチュエータ組立体に加えるコンポーネントとして示されている。他の実施形態では、圧縮力を提供するよう皿ばね１５０に代えて種々の圧縮要素、例えばコイルばね（図２の実施形態において示されている）若しくは同一のばね力を備えた別の形式のばね、油圧ピストン又は圧縮要素の組み合わせを用いることができる。
【００３４】
図１に示されているように、この実施形態におけるアクチュエータ組立体は、弁ハウジング１０２内に配置されると共に弁棒１１４ａの周りに同心状に配置されており、この場合、このアクチュエータ組立体は、弁棒１１４ａと弁ハウジング１０２との間の環状空間の一部分を占める。この構成は、燃料がアクチュエータと適合性がある場合に適している。というのは、アクチュエータ組立体は、入口ポート１０８からノズルオリフィス１１０までのその途中で中空弁体を通って差し向けられる燃料にさらされるからである。
【００３５】
好ましい実施形態では、アクチュエータ組立体により生じる開放力は、受動型油圧リンク組立体を介して弁ニードル１１４に伝達される。受動型油圧リンク組立体は、油圧ピストン１１４ｂ周りに密嵌め関係をなして設けられた油圧シリンダ１６０を有し、油圧ピストン１１４ｂは、シリンダ１６０内で長手方向に自由に動くことができる。上述したように、図１の実施形態では、油圧ピストン１１４ｂは、弁ニードル１１４の一体部分であり、シリンダ１６０の側壁は、作動方向への弁ニードル１１４の運動を案内するのに役立つ。粘性作動油が、シリンダキャップ１６２及びシール１６６，１６８，１６９（図２参照）により油圧シリンダ１６０内に封入されている。シール１６６，１６８により、弁ニードル１１４は、それぞれ、シリンダキャップ１６２及びシリンダ１６０に対して動くことができる。公知のシール、例えば、エラストマーＯリングシール、パッキン、金属シール又はダイヤフラム／ベローシールを用いることができる。
【００３６】
油圧ピストン１４０ｂの外周部と油圧シリンダ１６０の内周部との間の直径方向隙間は、極めて僅かである（或る実施形態では、５０〜２５０ミクロンオーダーである）。隙間の所望の寸法は、選択された作動油の粘度で決まる。隙間内における作動油の流れは、ハーゲン・ポアズイユの法則及び作動油特性によって定められる。隙間は、好ましくは、隙間を通る作動油の流れが開放力を作動油により伝達しているときに燃料噴射事象の期間の間取るに足りないほどであるように選択される。さらに、作動油は、好ましくは、十分に高い粘性及び体積弾性率を有し、したがって、作動油は、アクチュエータ組立体の作動により弁開放力をシリンダ１６０の底部と油圧ピストン１１４ｂとの間に位置する作動油により迅速に伝達する際に非圧縮性固体として働くようになる。動作の首尾一貫性のため、作動油は又、好ましくは、広い温度範囲にわたり（即ち、シリンダ１６０の内部の予想動作温度の範囲内において）その所望の特性を維持する極めて安定性の高い流体である。適当な作動油は、例えば、従来型モータ油、例えば１５Ｗ４０等級のモータ油若しくは合成潤滑剤、例えばデュポン（DuPont）（登録商標）社の“Krytox（登録商標）”油又は或る範囲の粘度で入手できるグリースである。Krytox（登録商標）は、グリースを形成するよう増粘剤と混合可能なペルフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）合成潤滑剤である。このような種類の作動油は、シール１６６，１６８を潤滑するのにも役立つ。他の実施形態では、作動油は、非ニュートンダイラタント流体、例えばその化学的及び物理的特性の長期間普遍性を備えると共に別な点においては、予想動作条件と適合性のあるコポリマー分散液であっても良い。静圧及び温度が一定の場合、ニュートン流体は、一定の粘度を有し、これに対し、非ニュートン流体は、剪断応力の関数である粘度を有する。ダイラタント流体では、粘度は、剪断速度の増大につれて増大する。流体は、剪断応力を受けたときに連続変形を生じる物質として定義できる。本発明の受動型油圧リンク用の作動油として使用するのに適したダイラタント流体は、これが弁を作動させたときに、突然の衝撃圧力及び関連の流体歪速度の増大と関連した高い剪断応力を受けたときに流体のように挙動する度合いが少なく、固体のように挙動する度合いが高いよう増大する粘度を有する。ダイラタント流体を作動油として用いた場合の利点は、高い剪断荷重を受けなかった場合におけるダイラタント流体の低い粘度により、弁を作動させなかった時点でピストンの一方の側から他方の側に容易に流れることができる一方で、製造中における組み立てが容易になるということにある。表面張力が低いことも又、望ましい特性である。というのは、これは、或る組み立て技術と関連している場合のあるガスの取り込み傾向を減少させることにより製造プロセスのためになるからである。油圧ピストン１１４ｂとシリンダ１６０との間の大きな隙間が可能である。というのは、弁を作動させたとき、ダイラタント流体の見掛けの粘度が増大し、隙間を通る流れが制限され、隙間が大きいことは、製造及び組み立てを一段と容易にする。ダイラタント流体と同様、作動油は、可変粘度又は可変流れ抵抗を備えた他の流体、例えばいわゆる「スマート」流体であっても良い。スマート流体は、様々な時点で様々な値に制御できる粘度又は流れ抵抗を有し、弁が開放状態にあるときには高い粘度又は高い流れ抵抗を有し、弁が閉鎖状態にあるときには低い粘度又は低い流れ抵抗を有する流体を意味するものと定義されている。例えば、磁気流体学的流体又は強磁性流体の粘度は、磁界をかけると増大する。というのは、非磁性流体中に懸濁されている小さな磁気双極子が整列し、磁界をかけると粘度を増大するストリングを形成するからである。磁気流体学的流体と強磁性体の差は、磁性粒子の寸法であり、磁気流体学的流体は、典型的には、０．１〜１０マイクロメートルの寸法の粒子を有し、強磁性体は、キャリヤ流体中に懸濁されたナノスケール強磁性粒子又は強磁性粒子を有する。別の種類のスマート流体は、磁界をかけると、流れ抵抗を増大するよう変化する降伏点を有する電気粘性流体である。電気粘性流体では、粘度が変化しないが、流れ抵抗は、降伏点を変更することにより変化し、このことは、油圧リンク組立体中に作動油として用いられた場合、同一の作用効果を有する。開示した受動型油圧リンク用途では、目的は、流体流量を制御して作動油が流れず、一定の寸法を有する点において固体として働くようにすることにあり、アクチュエータを作動させたときに、かかる作動油を介して作動力を伝達することができる。アクチュエータを作動させなかった場合の噴射事象相互間において、低い粘度又は低い流れ抵抗が望ましく、その結果、それ自体再分布することができ、そして、作動油が油圧ピストンの一方の側から他方の側に自由に流れるときに油圧リンク組立体を再び零点調整することができるようになる。
【００３７】
したがって、種々の寸法のピストン及び隙間を備えた受動型油圧リンクを採用するよう種々の弁を設計することができ、隙間の寸法は、選択された作動油、その粘度及び作動油が可変粘度を有するか、どうか例えば、ダイラタント流体、磁気流体学的流体又は強磁性流体であるかどうか或いは可変流れ抵抗を有するかどうか、例えば電気粘性流体であるかどうかで決まる。
【００３８】
噴射弁１００を閉鎖した場合及びこれが休止状態にある場合、閉鎖力は、ばね１１６から弁ニードル１１４に伝達され、皿ばね１５０は、シリンダキャップ１６２及び油圧シリンダ１６０を押し下げてこれらをアクチュエータ組立体に接触させ、それにより、シリンダキャップ１６２と油圧ピストン１１４ｂとの間に保持された作動油を油圧ピストン１１４ｂと油圧シリンダ１６０との間の隙間中に押すことができ、その結果、油圧ピストン１１４ｂと油圧シリンダ１６０の底部との間の空間が作動油で満たされた状態に保たれるようになる。作動油をピストンの上側から下側に確実に移動させるばねの作用効果は、油圧シリンダを２つの室に分割する油圧ピストンを有する受動型油圧リンク組立体を利用した図示の好ましい実施形態の利点であり、油圧ピストンの両側には作動油が存在する。代表的には、エンジン作動中、噴射弁１００は、大部分の時間（通常、時間の９０％を超える）閉鎖される。したがって、噴射事象相互間には、作動油が隙間を通って流れることによりそれ自体再分布するのに十分な時間が存在し、その結果、油圧シリンダ１６０は、油圧ピストン１１４ｂに対して動いて油圧シリンダ１６０に対してそれ自体自動的に「再零点調整」するようになる。噴射弁１００を組み立てた後、油圧シリンダ１６０内の油圧ピストン１１４ｂの当初のゼロ位置は、弁ニードル１１４を着座させ、アクチュエータを付勢せず、シリンダ１６０を押圧してこれを極１４０に接触させ、この極が押圧されて磁わい部材１３０に接触するその位置である。シリンダ１６０に対するピストン１１４ｂの当初のゼロ位置は、指定された製造許容誤差の範囲内において作られたコンポーネントの長さのばらつきに起因して全ての噴射装置について正確に同一である必要はない。また、作動中、ゼロ位置は、自動調整して例えばコンポーネントの摩耗又はコンポーネント相互間の寸法的関係に対する熱膨張の影響に応じて変化する。
【００３９】
熱膨張又は熱収縮の差は、熱膨張率の差又はコンポーネント相互間の不均一な熱分布により生じる場合がある。噴射弁１００のコンポーネント、例えば磁わい部材１３０、弁ニードル１１４及び弁ハウジング１０２が好ましくは、他のコンポーネントの熱膨張率にほどほどに一致するよう設計されている場合であっても、弁ニードルの揚程及び揚程を生じさせるコンポーネントの変位がそのように僅かなので、所望の弁ニードル揚程を達成するようにするためには熱膨張又は熱収縮の効果を考慮に入れる必要がある。熱膨張及び熱収縮の効果は、噴射弁が広範な温度にさらされた場合に増大する場合がある。自動車に用いられる噴射弁の場合、−４０℃（寒冷気候）〜＋１２０℃（エンジンが作動しているとき）の温度範囲を予想することは珍しいことではない。不均一な温度分布は、多くの要因の結果である場合であり、かかる要因としては、例えば、（１）コイル１３２のところで生じた熱、（２）アクチュエータ組立体の磁気ヒステリシス、機械的ヒステリシス又は電気的ヒステリシス及び（３）シリンダヘッド又は燃焼室から弁先端部１０６を経て伝達される熱の影響並びに燃焼室がシリンダ列の中間にあるか又は端にあるかどうかが挙げられる。考慮に入れなければ、弁ニードル１１４の変位に対する熱膨張又は熱収縮の差の全体的効果は、標的揚程よりも大きい場合がある。
【００４０】
したがって、油圧リンク組立体は、製造プロセス及び噴射弁組み立て方法における許容誤差に起因して生じるコンポーネント寸法のばらつきを考慮に入れる。したがって、油圧リンク組立体は、噴射弁コンポーネントを厳しい許容誤差よりも甘い許容誤差に合わせて製造することができるようにすることにより製造費を減少させる。加うるに、作動中、油圧リンク組立体は、例えばコンポーネントの摩耗又は熱膨張若しくは熱収縮の差により引き起こされる場合のある噴射弁コンポーネント相互間における寸法の関係の変化を考慮に入れるよう噴射事象相互間でそれ自体自動調整する。
【００４１】
噴射事象を開始するため、電流を電気コイル１３２に差し向けることによりアクチュエータ組立体を付勢する。磁界が生じ、この磁界は、磁わい部材１３０及び極１３８，１４０，１４２を通って流れる。磁界の影響下で、磁わい部材１３０は、長さが増大する（磁界の方向に）。極１３８は、固定位置に保たれているので、磁わい部材１３０は、油圧シリンダ１６０の方向に伸長する。磁わい部材１３０の伸長に起因して生じる開放力は、内側極１４０、シリンダ１６０のベース及びシリンダ１６０のベースと油圧ピストン１１４の下面との間に保持された作動油を介して伝達され、最終的には、油圧ピストン１１４それ自体を介して伝達され、この油圧ピストンは、図示の実施形態では、弁ニードル１１４と一体である。この開放力は、閉鎖力よりも大きく、その結果、ニードルばね１１６が圧縮される。油圧シリンダ１６０の変位によっても、皿ばね１５０のそれ以上の圧縮が生じる。
【００４２】
上述したように、弁作動は、突然（２００μｓのオーダーで）起こるので、油圧ピストン１１４ｂとシリンダ１６０のベースとの間に位置する作動油は、油圧ピストン１１４ｂと油圧シリンダ１６０との間の狭い隙間を通って流れる時間がない。これとは異なり、作動油は、その寸法厚さが実質的に一定であるという点において固体のように挙動し、磁わい部材１３０の運動を油圧ピストン１１４ｂを介して弁ニードル１１４に伝達し、それにより弁ニードル１１４は、弁座１１２から離昇する。噴射弁１００は、かかる短い期間の間（代表的には、３ミリ秒未満）開いたままなので、作動油１６４の粘度が正しく選択されると共に隙間が適当に寸法決めされている限り、噴射弁１００が開いた状態で隙間を通る作動油１６４の流れは、取るに足りないほどであり、その結果、かかる流れにより生じる変位量は、弁ニードル１１４の全変位量よりも非常に小さい。作動油が非ニュートンダイラタント流体である場合、流体が突然の衝撃圧力及び流体歪速度の増大を受けたときに一定の厚さを持つ固体のように挙動するようにするのは、流体それ自体の特性である。燃料噴射弁は、本明細書においては例示として開示されているが、他の目的に用いられる弁も又、弁を開閉する動作パターンを認識し、次にピストンの互いに反対側相互間の絞りの流れ面積を適切に寸法決めし、弁が開いている間にそれほど作動油の流れが生じないように適当な特性を持つ作動油を選択することにより、受動型油圧リンク組立体を用いることができる。
【００４３】
弁ニードル１１４の運動は、案内１８０により弁先端部１０６の近くに案内される。噴射事象相互間において、燃料は、弁ニードル１１４とハウジング１０２と弁先端部１０６との間の環状空間内に入ったままである。噴射弁１００が開放状態にあるとき、燃料は、環状空間及び弁コンポーネント相互間にこれらを貫通して設けられた流体通路を通って流れ、これら弁コンポーネントは全て、入口ポート１０６からノズルオリフィス１１０までの燃料の自由流れを可能にするよう互いに協働する（ノズルオリフィス１１０は、ノズルスロートから半径方向に差し向けられた複数のノズルオリフィスのうちの１つであるのが良い）。
【００４４】
燃料噴射弁１００を閉鎖するため、噴射事象の終わりに、電気コイル１３２を消勢し、それにより、磁わい部材１３０は、収縮する。電気コイル１３２に差し向けられる電流を減少させる速度を制御することにより、収縮速度を制御して弁ニードルが閉鎖運動の始めに加速し、その終わりの近くで減速するよう弁ニードルの加速及び減速を案内するのが良い。以下に詳細に説明するように、アクチュエータが収縮すると、ニードルばね１１６及び皿ばね１５０は、拡張して弁ニードル１１４と受動型油圧シリンダリンク相互間の接触及び受動型油圧シリンダリンクとアクチュエータ組立体との間の接触を維持する。弁ニードル１１４が開放位置から閉鎖位置に動いているとき、ニードルに加えられる閉鎖力は、主として、ニードルばね１１６に源を発しており、皿ばね１５０は、ある程度の力を閉鎖方向においてシリンダキャップ１６２及びシリンダキャップ１６２と油圧ピストン１１４ｂとの間に存在する作動油を介して油圧ピストン１１４ｂに及ぼすことができる。弁ニードル１１４が開放位置から閉鎖位置に動くと、開放運動のように経過する時間は、この場合も又、代表的には２５０ミリ秒未満であり、好ましくは、約２００ミリ秒未満であり、したがって、作動油は、この場合も又、油圧ピストン１１４ｂとシリンダ１６０との間の隙間を通って流れる時間がない。その結果、皿ばね１５０からの閉鎖力をニードルばね１１６からの閉鎖力に加えて、シリンダキャップ１６２と油圧ピストン１１４ｂとの間で油圧ピストン１１４ｂの上方の作動油を介して伝達することができ、ニードルばねからの閉鎖力は、下方に動いている油圧ピストン１１４ｂ及びピストンと油圧シリンダ１６０の底部との間の作動油から伝達可能である。弁ニードル１１４がいったん弁座１１２に着座し、受動型油圧リンクがその位置を再零点調整すると、皿ばね１５０は、常態では、閉鎖力を弁ニードル１１４に及ぼすことはない。皿ばね１５０の主要な機能は、油圧シリンダ１６０とアクチュエータ組立体との接触を維持する圧縮力及び圧縮応力をアクチュエータ組立体に及ぼしてアクチュエータ中に所定の最小応力を維持することにある。シリンダキャップ１６２が油圧ピストン１１４ｂを下方に辿ると、皿ぼね１５０は、圧縮解除され、拡張し、そしてシリンダ１６０をアクチュエータ組立体の方に押す主圧縮力をもたらして磁わい部材１３０中に所定の最小圧縮応力を維持するのに寄与する。
【００４５】
弁ニードル１１４が弁座１１２にいったん接触すると、噴射弁１００が閉鎖される。噴射弁１００が閉鎖されると、油圧リンク組立体は、自動的に自己調整して弁ニードル１１４の温度、摩耗及び弁ニードル１１４ｂが開放位置にあるときに起こり得る油圧シリンダ１６０に対する弁ニードル１１４の僅かな運動を考慮に入れて油圧ピストン１１４ｂに対する油圧シリンダ１６０の位置が補正されるようになる。自動調整は、油圧ピストン１１４ｂの一方の側から他方の側への作動油１６４の移動によって達成され、その間、皿ばね１５０は、油圧シリンダ１６０とアクチュエータ組立体を押圧してこれらを常時互いに接触させるのに役立つ。したがって、受動型油圧リンク組立体は、弁ニードル１１４を着座させ、アクチュエータ組立体を消勢し、アクチュエータ組立体と油圧シリンダ１６０の接触が生じると、再零点調整され、油圧ピストン１１４ｂと油圧シリンダの底部との間の空間は、作動油で満たされる。
【００４６】
受動型油圧リンク組立体は、本明細書においては、「受動型」として説明されている。というのは、上述したように、油圧リンク組立体は、密封され、作動油は、燃料噴射弁の作動中、ピストンの一方の側から他方の側に流れることがないからである。ニードルが開放位置にある短い時間の間、作動油は、流れることはなく、実質的に一定の寸法を有し、このような点において、液体ではなく固体のように挙動する。しかしながら、噴射事象相互間においては、作動油は、隙間を通って流れるのに十分な時間があり、油圧シリンダ１６０と油圧ピストン１１４ｂの各側との間に保持された作動油の厚さを変化させ、それにより油圧リンク組立体のピストン１１４ｂに対するシリンダ１６０の位置を自動的に零点調整する。これは、ピストンを用いて作動油を移動させて弁を作動させ、作動油を移動させて弁を開閉するときに作動油が流れることを必要条件とする従来型油圧伝達機構体とは異なっている。
【００４７】
図２は、ストレイン型アクチュエータにより直接作動される燃料噴射弁の別の実施形態を示している。図２では、図１の実施形態のコンポーネントと機能が同一である燃料噴射弁２００のコンポーネントは、同一の参照符号で示されている。この実施形態との主要な差異は、ストレイン型アクチュエータが磁わい部材ではなく、圧電素子２３０から成っていることにある。電磁コイルに接続されないで、電気用取り付け部品１３６は、電線（図示せず）を圧電素子２３０に接続して電圧を印加し、それにより電荷を変化させて圧電素子２３０の伸長を生じさせて弁ニードル１１４の対応の長手方向変位を生じさせるために用いられている。他の差異は、コイルばね２５０が皿ばね１５０に代えて用いられていて、それにより予荷重としての圧縮力をアクチュエータに加えて油圧シリンダ１６０と圧電素子２３０の接触状態を維持する。同様に、同じ機能は、例えばよりコンパクトな設計が望ましい場合、コイルばね１１６を皿ばねで置き換えることにより達成できる。
【００４８】
図１及び図２に示されているように、圧縮力をアクチュエータ組立体に加えるばねは、弁ニードルをニードルばね１１６と協調して着座位置に向かって押圧するよう閉じる際にもばねが力を弁ニードルに及ぼすことができるような場所に配置されている。即ち、ばね１５０，２５０は、閉鎖力をシリンダキャップ１６２と油圧ピストン１１４ｂとの間に入っている作動油を介してニードルに伝達することができ、他方、圧縮力をアクチュエータ組立体に加えると共に油圧シリンダ１６０とアクチュエータ組立体との接触を維持する。好ましい構成例では、ニードルばね１１６は、弁を閉鎖するのに十分に強力であり、ばね１５０，２５０に起因する閉鎖力は、ニードルばね１１６と協働するが、必要ではない。この構成の利点は、ニードルばね１１６と圧縮ばね１５０，２５０が互いに対抗してではなく互いに協調して働くということにある。これは、アクチュエータを弁ニードルに接触可能に付勢する第１のばねが閉鎖状態の弁ニードルを付勢する第２のばねと対抗して働くような例えば米国特許第４，７２５，００２号明細書によって教示されている先行技術の構成例と比較した場合の利点である。この先行技術の構成例では、第１のばねは、第１のばねが第２のばねに打ち勝って弁を閉じるべきときに弁を開くのを阻止するよう第２のばねよりも非常に弱くなければならない。圧縮ばねとニードルばねが互いに協調して働くことはない場合における弁作動中における動的関係に鑑みて、噴射事象相互間において油圧リンク組立体を再零点調整するために且つ全ての弁ニードル運動中に所望の性能を得るためにこれら２つのばね相互間の最適なバランスを決定することは困難である場合がある。
【００４９】
ストレイン型アクチュエータにより作動される直接作動式燃料噴射弁は、他の手段、例えば電気油圧式アクチュエータ又は電磁ソレノイドアクチュエータにより作動される他形式の弁とは異なっている。というのは、ストレイン型アクチュエータは、アクチュエータ信号を整形することにより弁ニードルの速度、加速度及び位置に対する制御を可能にするからである。
【００５０】
図３〜図６は、時間に対するアクチュエータ信号の大きさのプロットを示しており、開放位置からの弁ニードルの閉鎖運動を制御する種々の方式を示している。「大きさ」という用語は、本明細書においては、振動大きさと弁ニードル変位量との間の直接相関関係に鑑みて、信号大きさと同一のことを意味するよう用いられている。本明細書に説明するように、図示の形状の各々は互いに異なっているが、これらは全て、燃料噴射弁を閉鎖する共通の方式を共有している。磁わい部材から成るアクチュエータを備えた燃料噴射弁の場合、電磁界を生じさせるためにコイルに送られた電流は、アクチュエータにより生じる変位量を定めるものであり、したがって、信号大きさの単位は、アンペアである。圧電素子から成るアクチュエータを備えた燃料噴射弁の場合、アクチュエータ信号大きさの測定単位は、圧電素子に印加された電圧に関するボルトである。図３〜図６に示された種々の形状は、これらが実質的に同一の仕方で実質的に同一の結果を達成する点において、機能的に同一である。アクチュエータ信号について選択される形状は、アクチュエータドライバの能力に応じて選択されるのが良い。
【００５１】
弁を最も短い時間でできる限り迅速に閉鎖すること又は信号を逆にして弁ニードル運動を減速することを教示した従来公知の方式とは異なり、本明細書において現時点において開示している方式は、信号の大きさの急減で始まって閉鎖運動を加速し、それにより弁ニードルを弁座の近くに移動させ、次に信号の大きさの変化を遅くして弁ニードルを減速し、これがゆっくりと閉じて弁座に対する衝撃、ニードルのはね返り、衝撃による摩耗及び弁ニードルを介してアクチュエータに伝達される衝撃を減少させることに関する。指令された大きさの形状は、弁ニードルが短時間で閉鎖距離の大部分を移動する第１の部分を有する。弁閉鎖運動の第２の部分は、弁ニードルが弁座に当たる前に減速することができるようにするよう時間がこれよりも長いのが良い。第２の部分に関する長い持続時間は、第１の部分の間に噴射される燃料の量と比較して、第２の部分中に噴射される燃料の量が著しく少ないので、許容可能である。というのは、弁ニードルは、第２の部分中、弁座の近くに位置し、それにより燃料の質量流量が絞られるからである。したがって、開示する方法は、ニードルが閉鎖距離の大部分を移動する場合、閉鎖運動の外部の部分中にアクチュエータ信号の大きさを第１の速度で減少させ、閉鎖運動の第２の部分において、第１の速度よりも低い第２の速度で信号の大きさを減少させることを教示している。第１の部分と第２の部分の両方において、信号の大きさは、常時減少し、弁ニードルは、第１の部分の間、閉鎖位置に向かって加速し、第２の部分において閉鎖位置に向かって依然として動いている間、減速する。従来方式とは異なり、弁を閉鎖する時間が短いが、アクチュエータ信号は、弁ニードルを最も短い時間で弁座に向かって動かすよう整形されているわけではない。閉鎖運動の第２の部分は、弁ニードルが減速し、弁座との接触時の衝撃を減少させることができるよう延長されている。
【００５２】
好ましい実施形態では、第１の部分と第２の部分の間に、アクチュエータ信号大きさが変化する速度が明確に異なる部分が存在するが、別の重要な特徴は、大きさの変化速度を制限して弁ニードルがアクチュエータ変位の変化に遅れないでついて行くことができるようにすることにある。先行技術の教示は、所定の限度まで加速度及び減速度を制限することを開示していない。直接作動式噴射弁を試験した際、加速度及び減速度が制限されていない場合、この結果として、アクチュエータに引っ張り応力が生じる場合があり、かかる引っ張り応力は、ストレイン型アクチュエータを損傷させる場合のあることが判明した。例えば、過度の引っ張り応力は、かかるアクチュエータのストレイン型要素に亀裂を生じさせる場合がある。
【００５３】
圧縮波の反射は、アクチュエータに加えられる圧縮力の変動を生じさせる場合があると共に直接作動式弁により採用されるストレイン型アクチュエータ中の引っ張り応力の源であると考えられる。例えば、迅速閉鎖型アクチュエータが突然停止した場合、運動中の弁コンポーネントは、「はね返り」、そしてアクチュエータ組立体に加わる予荷重を減少させる場合があり、弁コンポーネント（特に油圧リンク組立体）の慣性は、アクチュエータが一段と縮むようにし続け、かかる状況下において、固有周波数におけるシステムの「リンギング（ringing）」が生じる場合がある。リンギングは、固体中に交互に生じる圧縮波と拡張波で構成される。
【００５４】
加うるに、アクチュエータの長さが受動型油圧リンク及び弁ニードルの機械的慣性よりも迅速に収縮する場合、加速度が高すぎ、深刻な場合には、隙間が油圧シリンダとアクチュエータとの間又は弁の作動中に互いに分離する他の伝達要素相互間に生じる場合があると考えられる。弁ニードルが弁座に接触すると、隙間が閉じ、伝達要素相互間の接触が復元され、衝撃力は、リンギングを生じさせる場合があり、その結果、潜在的に損傷をもたらす引っ張り応力が生じる場合がある。これは、リンギングの周波数が共振周波数のところ又はその近くに位置する場合、特に有害なことがある。皿ばね１５０又はコイルばね２５０によりアクチュエータ及び伝達要素に加えられる大きな圧縮応力は、アクチュエータ１３０，２３０を互いに分離し、そしてアクチュエータ１３０，２３０から間隔を置いた状態になる伝達要素の恐れを減少させるのに役立つ予荷重をもたらすことができる。好ましい実施形態に関し、予荷重が圧電型アクチュエータに加えられてアクチュエータに少なくとも１ＭＰａ、より好ましくは４ＭＰａ以上の最小圧縮応力を維持する。磁わい型アクチュエータが用いられる場合、好ましい実施形態では、アクチュエータ中に少なくとも５ＭＰａの最小圧縮応力を維持するために大きな予荷重を加えるのが良く、予荷重は、好ましくは、１０ＭＰａ〜１４ＭＰａ、より好ましくは１０ＭＰａ〜１２ＭＰａである。磁わい型アクチュエータの場合、リンギングの効果を減少させることに加えて、開示された範囲における大きな予荷重により、大きな変位が可能である。圧電素子の場合、予荷重を増大させることによっても、リンギングの作用効果は減少するが、変位量は、実質的に一定である。弁部材及びアクチュエータの加速度及び減速度を制限した場合の利点は、この方式がアクチュエータに加わる所望の最小圧縮応力を維持するのに必要な予荷重の大きさを減少させる方法を提供していることにある。即ち、好ましい実施形態では、弁ニードル及び伝達要素の加速度、減速度及び速度は、リンギングの周波数を共振周波数よりも下に保つようアクチュエータに加わる所定の最小圧縮応力に応答して制限される。
【００５５】
図３は、閉鎖運動の第１の部分における指令されたアクチュエータ信号が勾配つきの線によって示されているように迅速に一定割合で減少する実施形態を示している。第２の部分では、この線の勾配は、緩やかな勾配に変化し、その間、弁ニードルは、これが弁座に接触するまで減速し、第２の部分は、第１の部分と比較して完了するのに非常に長い時間がかかる。
【００５６】
図４は、指令されたアクチュエータ信号が複数本の勾配つき線から成る形状を辿る別の実施形態を示している。他の図示の実施形態の場合と同様、閉鎖距離の大部分は、閉鎖信号の第１の部分中に迅速に実現され、最初のセグメントと最後のセグメントとの間の中間セグメントは、弁ニードルが加速から減速へスムーズに移行するのを助ける中間勾配を有している。
【００５７】
図５は、アクチュエータ信号大きさが段階的に減少するが、同一の方式を用いて弁ニードルの閉鎖を制御し、閉鎖が弁ニードルの閉鎖運動を迅速に加速して第１の部分における閉鎖距離の大部分を実現し、次に閉鎖信号の第２の部分における大きさの僅かな変化で指令ステップによってニードルを減速することにより開始するようになった実施形態を示している。
【００５８】
さらに別の例では、図６は、信号の大きさを減少させるよう指令することができ、当初、半径の大きな曲線を辿る湾曲した形状を辿り、次第に半径の小さな曲線にシフトし、その後、弁ニードルが弁座に接触すると、半径の大きな曲線にシフトして戻ることを示している。また、この湾曲した形状により、弁ニードルは、閉鎖信号の第１の部分中、閉鎖距離の大部分を移動し、次に、弁ニードルは、より長い時間のかかる場合のある第２の部分において減速することができる。というのは、燃料の質量流量は、弁ニードルが燃料の流れを絞るのに十分弁の近くに位置しているので第２の部分中、非常に低いからである。この種の形状を１／ｘの関数として説明することができ、この場合、“ｘ”は、時間である。
【００５９】
図１及び図２は、燃料噴射弁の好ましい実施形態を示しており、かかる燃料噴射弁は、それぞれ、磁わい型アクチュエータ及び圧電型アクチュエータを備えたストレイン型アクチュエータにより直接作動される。これら例に改造を施すことができる一方で、弁ニードルを直接作動させるストレイン型アクチュエータが依然として採用される。図７は、直接作動式弁用の受動型油圧リンクの別の実施形態の略図であり、オリフィス７９０が、ピストン１１４ｂの一方の側から他方の側への作動油１６４の流れを制限するよう寸法決めされている。オリフィス７９０は、複数のオリフィスを通る流れ面積の合計が弁作動中、流体の流れを絞る所望の流れ面積を提供する限り、流体の流れを容易にする複数のオリフィスのうちの１つであるのが良い。この実施形態では、作動油１６４は、ピストン１１４ｂと油圧シリンダ１６０との間の隙間を通るのではなく、オリフィス７９０を通って流れるので、作動油１６４がオリフィス７９０をバイパスするのを阻止するためにピストンリングシール７９２を用いるのが良い。この設計の利点は、製造許容差を特定し、次に終始一貫した隙間寸法を生じさせるよう所要の精度を備えたピストン及びシリンダを製造する方式と比較して、首尾一貫して寸法決めされたオリフィスを備えたピストンを製造するのが容易である場合があるということにある。製造を容易にするため、オリフィス７９０（又は多数のオリフィス）を別々に作り、流れ試験し、そして分類し、次にねじ山又は締まり嵌めにより油圧ピストン１１４ｂ内に取り付けるのが良い。例えばＯリング又はガスケット型シールのようなシールをオリフィスインサートと油圧ピストン１１４ｂとの間に採用して漏れを阻止するのが良く、その結果、作動油は、オリフィス７９０だけを通って流れることができるようになる。多数のオリフィスが用いられる場合、好ましい実施形態では、これらオリフィスは、ピストン１１４ｂの周りに対称に配置され、その結果力及び圧力のバランスが取られるようになる。
【００６０】
ストレイン型アクチュエータにより直接作動される弁の共通の特性は、作動が迅速且つ正確であるという利点が得られることにあり、かかる利点としては、質量流量を最適制御するために噴射事象中、ニードルの位置を制御できることが挙げられ、かかる弁としては、受動型油圧リンクを用いない又は弁ニードルの変位量を増大させる機構体を用いる弁が挙げられる。しかしながら、油圧作動式噴射弁又は電磁作動式噴射弁とは異なり、直接作動式燃料噴射弁と関連した共通の課題は、開閉力がアクチュエータから弁ニードルに直接伝えられるので、弁ニードルに加わる大きな衝撃又は弁ニードルの過度の加速又は減速により生じる衝撃は、アクチュエータに送り戻され、この結果、アクチュエータが損傷する場合がある。油圧作動式燃料噴射弁では、制御弁のアクチュエータは、これらが弁ニードルの運動により引き起こされる潜在的に損傷をもたらす衝撃を受ける場所には配置されない。即ち、油圧作動式弁がピシャリと閉じる場合でも、ニードルが弁座に衝突することにより生じる衝撃は、制御弁のアクチュエータには伝達されない。加うるに、直接作動式噴射弁とは異なり、油圧作動式燃料噴射弁は、弁ニードルに指令を出してその位置及び加速を制御する同一の機能を備えてはいない。したがって、直接作動式弁の閉鎖運動を制御する開示した方式は、ストレイン型アクチュエータにより直接作動される弁に大抵の場合、該当している課題をこの種の弁に独特であると考えられる解決策により解決している。基本的にはレベルでは、ストレイン型アクチュエータにより直接作動式弁を制御する開示した方式（弁を閉鎖する開示した方式を含む）は、予荷重圧縮応力を加えることにより所定の最小応力よりも大きな圧縮応力をストレイン型アクチュエータに加えた状態に維持するステップと、（ａ）開放位置と閉鎖位置との間で移動する際の弁部材の加速度及び減速度、及び（ｂ）弁座に接触する際の弁部材の速度のうちの少なくとも一方を制限するステップとを有する。
【００６１】
開示した方法及び装置を開発する上で動機となった利点は、衝撃を減少させると共にアクチュエータ並びに他のコンポーネントの損傷及び摩耗の恐れを減少させる一方で、動力行程において後噴射される燃料の量を減少させることにより弁性能を向上させることであった。しかしながら、作動中の騒音の減少を含む開示した方法及び装置の追加の利点が得られる。幾つかの用途に関し、着座時の騒音は、全体的な作動中の騒音の相当多くの部分を占める場合があり、したがって、弁の閉鎖時に衝撃力を減少させて得られる追加の利点は、作動中の騒音が減少するということである。
【００６２】
本発明は、直接作動式燃料噴射弁の開示した例及びこれらの作動方法に特に適しているが、上述したように、直接作動式弁及びその閉鎖方法は、他の用途に利用できる。流体を液相又は気相で送るために閉鎖を迅速且つ正確にして恩恵を受ける弁であればどのような弁であっても開示した本発明を利用することができる。したがって、本発明の特定の要素及び実施形態を図示すると共に説明したが、当然のことながら、本発明は、これらには限定されないことは理解されよう。というのは、当業者であれば、特に上記教示に照らして、本発明の範囲から逸脱することなく改造を行うことができるからである。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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