(57)【要約】直接作動噴射弁は、中空の弁ハウジング（１０２）と、中空な内部に配置された弁ニードル（１１４）と、ニードルばね（１１６）と、弁ニードル（１１４）の一部のまわりの環状の空間内に配置された管状の磁気歪みアクチュエータ組立体（１１４）とを備える。磁界が磁気歪み材料を活性化させてその長さを変え、弁ニードル（１１４）の対応する動きを引起こし、これが弁を作動させる。弁ニードル（１１４）は強磁性材料から形成され、管状の磁気歪みアクチュエータ組立体（１３０）を通じて延び、かつ磁気歪み部材を通じて導かれる磁束の場に干渉しない。好ましくは、受動的水圧リンク組立体（１１４，１６０）を用いて、構成要素の摩損、温度の影響、および設計公差内の製造上のばらつきを補償する。
2004525307.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための噴射弁であって、前記噴射弁は、
（ａ）  弁ハウジングを備え、前記弁ハウジングは、
燃料引込ポートと、
前記燃料引込ポートに流体連通可能に接続された内室と、
前記内室から前記燃焼室への流体通路を形成する少なくとも１つのノズルオリフィスを含むノズルとを含み、前記噴射弁はさらに、
（ｂ）  強磁性材料から形成され、前記弁ハウジング内に配置された弁ニードルを備え、前記弁ニードルは、前記弁ニードルの封止端部が弁座と接触して前記ノズルオリフィスから前記内室を流体封止する、閉じた位置と、前記弁ニードルの前記封止端部が前記弁座から隔てられて前記内室が前記ノズルオリフィスと流体連通可能に接続される、開いた位置との間で動くことができ、前記噴射弁はさらに、
（ｃ）前記弁ニードルと関連付けられたニードル付勢機構を備え、前記ニードル付勢機構は前記弁ニードルに閉弁力を加えて前記弁ニードルを前記閉じた位置に付勢し、前記噴射弁はさらに、
（ｄ）  前記弁ニードルと関連付けられ前記内室の中に配置されたアクチュエータ組立体を備え、前記アクチュエータ組立体は、長さにおいて拡張して、前記閉弁力よりも強い開弁力を前記弁ニードルに加えるように作動させられ得る磁気歪み部材を含み、こうして前記弁ニードルを前記開いた位置に動かす、噴射弁。
【請求項２】
前記ニードル付勢機構はばねである、請求項１に記載の噴射弁。
【請求項３】
前記ばねは少なくとも１つの皿ばねを含む、請求項２に記載の噴射弁。
【請求項４】
前記アクチュエータ組立体は、前記内室の中において、前記弁ニードルのうち少なくとも一部を取囲む環状の空間に配置される、請求項１に記載の噴射弁。
【請求項５】
前記開弁力および閉弁力が伝達される作動流体の厚みを有する受動的水圧リンクを含む水圧リンク組立体をさらに備え、前記作動流体は実質的に固体として働き、前記厚みは、前記アクチュエータ組立体が活性化されている間実質的に一定であり、前記水圧リンクの前記厚みは、前記アクチュエータが活性化されていない間、前記噴射弁の構成要素間の寸法関係の変化に応答して調節可能であり、こうして前記アクチュエータ組立体の活性化の際に所望の弁リフトを維持する、請求項１に記載の噴射弁。
【請求項６】
前記強磁性材料は工具鋼である、請求項１に記載の噴射弁。
【請求項７】
前記工具鋼は、ＨタイプおよびＭタイプの工具鋼からなる群から選択される、請求項６に記載の噴射弁。
【請求項８】
前記水圧リンクの前記厚みは、示差熱膨張、所定の公差内の製造寸法のばらつき、および構成要素の摩損のうち少なくとも１つにより引起される、前記寸法関係の変化に応答して自動調節可能である、請求項５に記載の噴射弁。
【請求項９】
前記ピストンは一体的な前記弁ニードルの一部である、請求項１に記載の噴射弁。
【請求項１０】
前記アクチュエータ組立体は、磁気歪み部材と、前記磁気歪み部材のまわりに配置された電気コイルと、前記電気コイルのまわりに配置された磁束管とを含む、請求項１に記載の噴射弁。
【請求項１１】
前記管状のアクチュエータ組立体の一端は、前記弁ハウジングに取付けられる極により支持される、請求項１０に記載の噴射弁。
【請求項１２】
流体通路が、前記アクチュエータおよび水圧リンク組立体と前記弁ハウジングとの間、またはここを通って延び、前記燃料が前記ノズルオリフィスへ流れて前記アクチュエータおよび水圧リンク組立体を冷却できるようにする、請求項５に記載の噴射弁。
【請求項１３】
前記流体通路は、前記アクチュエータ組立体および前記水圧シリンダの構成要素の長手方向の表面にある溝によって形成される、請求項１２に記載の噴射弁。
【請求項１４】
前記流体通路は、前記弁ハウジングの内壁にある長手方向の溝により形成される、請求項１２に記載の噴射弁。
【請求項１５】
前記流体通路は、前記アクチュエータおよび水圧リンク組立体ならびに前記弁ハウジングの構成要素を通じてのポート開口部により形成される、請求項１２に記載の噴射弁。
【請求項１６】
弁リフトは、電気コイルに向けられる電流の大きさを変えて磁界を前記磁気歪みアクチュエータ組立体に加えることによって制御され得る、請求項１に記載の噴射弁。
【請求項１７】
前記磁気歪み部材は、テルビウム、ジスプロシウムおよび鉄を含む合金を含む、請求項９に記載の噴射弁。
【請求項１８】
前記燃料は気体燃料である、請求項１に記載の噴射弁。
【請求項１９】
前記作動流体は液体である、請求項１８に記載の噴射弁。
【請求項２０】
前記作動流体はモータオイルおよびグリースからなる群から選択される、請求項１９に記載の噴射弁。
【請求項２１】
前記ハウジングは磁気透過性材料から形成され、前記磁束管は一体的な前記弁ハウジングの一部である、請求項９に記載の噴射弁。
【請求項２２】
内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための噴射弁であって、前記噴射弁は、
（ａ）  弁ハウジングを備え、前記弁ハウジングは、
燃料引込ポートと、
前記燃料引込ポートに流体連通可能に接続された内室と、
前記内室から前記燃焼室への流体通路を形成するノズルオリフィスおよび弁座を含むノズルとを含み、前記噴射弁はさらに、
（ｂ）  強磁性材料から形成された弁ニードルを備え、前記弁ニードルは、封止端部を有する円筒形の部分と、予負荷端部を有するピストン部分とを含み、前記弁ニードルは前記弁ハウジング内に配置され、前記弁ニードルは、前記封止端部が前記弁座と接触して前記ノズルオリフィスから前記内室を流体封止する、閉じた位置と、前記封止端部が前記弁座から隔てられて前記内室が前記ノズルオリフィスと流体連通可能に接続される、開いた位置との間で動くことができ、弁リフトは、前記封止端部が前記弁座から離れて移動する距離に等しく、前記噴射弁はさらに、
（ｃ）  前記弁ニードルの前記予負荷端部と関連付けられたニードルばねを備え、前記ニードルばねは圧縮されると閉弁力を前記弁ニードルに加えて前記弁ニードルを前記閉じた位置に付勢し、前記噴射弁はさらに、
（ｄ）アクチュエータ組立体を備え、前記アクチュエータ組立体は、活性化されると、前記閉弁力よりも強い開弁力を前記弁ニードルに加えて前記弁ニードルを前記開いた位置に動かすことができ、前記アクチュエータ組立体は、
前記弁ニードルの前記円筒形の部分のまわりに配置された管状の磁気歪み部材と、
前記磁気歪み部材のまわりに配置された電気コイルと、
前記電気コイルのまわりに配置された磁束管と、
前記アクチュエータ組立体のための支持部とを含み、前記支持部は極として働き、前記弁ハウジングに対して前記磁気歪み部材の一端のために固定した位置を提供し、前記噴射弁はさらに、
（ｅ）  前記弁ニードルの前記ピストン部分のまわりに配置された封止水圧シリンダを含む水圧リンク組立体を備え、作動流体が前記水圧シリンダ内に配置され、前記弁ニードルに加えられる前記開弁力および閉弁力は、前記作動流体の厚みを通じて伝達され、前記作動流体は水圧リンクとして働き、前記厚みは、前記噴射弁の構成要素間の寸法関係の変化に応答して自動的に調節可能であり、こうして、前記アクチュエータ組立体が活性化されるときに所望の弁リフトを維持する、噴射弁。
【請求項２３】
前記磁気歪み部材は、テルビウム、ジスプロシウムおよび鉄を含む合金を含む、請求項２２に記載の噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
この発明は一般的に、内燃機関用の高圧燃料噴射弁または噴射機に関し、より特定的に、位置作動磁気歪み材料により直接制御可能であり、かつ受動的水圧リンクを含む噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
内燃機関の燃焼室内に気体燃料を直接噴射することは、さまざまな理由から望ましい。たとえば直接噴射は装入成層（charge stratification）を可能にし、均質なチャージエンジンと関連した絞り損失をなくす。これに加え、圧縮行程の終わりごろに直接噴射すれば、高い圧縮比を維持して従来のディーゼルエンジンの効率を維持することができる。さらに、直接噴射する燃料が天然ガス、プロパンまたは水素を含む場合、ＮＯXおよび粒子状物質（ＰＭ）の放出が大幅に削減される。直接噴射される気体燃料の点火は、グロープラグ、スパークプラグ、パイロットディーゼル燃料またはその他任意のエネルギー源によって行なわれ得る。圧縮行程の終わりでは燃焼室圧は高く、これを克服するために気体燃料は高い圧力で噴射される必要がある。噴射圧は、噴射される燃料と燃焼室の空気との良好な混合を促進するのに十分高いことが好ましい。
【０００３】
高圧の直接噴射においてはいくつかの困難に直面する。高圧燃料を直接噴射に用いる結果として、噴射弁または噴射機内に存在する燃料圧は高くなる。その結果として典型的に、噴射弁を閉じる際、噴射事象間に燃料が燃焼室内に漏れるのを防ぐために噴射弁を強固に着座させる必要がある。弁がニードル弁の場合、弁を着座させるには、弁座および可動の弁ニードルの封止表面が流体に対し密閉するよう互いに接触する。弁座は一般的に弁ハウジングまたは弁本体の一部である。
【０００４】
さらに、低圧システムと比較すると噴射弁を開けるのに大きな力が必要であるが、それは、燃焼室で生じた高い圧力に弁の先端が晒されるときに弁が封止されたままとなるよう、弁を強固に着座させる必要があるからである。また高い閉弁力も伴ってくるが、なぜなら高圧システム用燃料噴射弁のニードルは、ニードルが開いた位置にあるときに、存在する加圧燃料の生じさせる大きな力を克服する必要があるからである。
【０００５】
これに加え、燃料を噴射できる期間はごく僅かである。たとえば４５００毎分回転数（ＲＰＭ）で全負荷の場合、好ましくはすべての燃料を２〜３ミリ秒未満で噴射する。
【０００６】
内燃機関におけるほとんどすべての公知の直接燃料噴射システムは水圧式に作動させられる。これらのシステムは、燃料噴射弁（または、エンジンが複数の燃焼室を含む場合には複数の弁）を開けるための力をもたらすために作動流体に依存している。したがって典型的なエンジン動作速度において、水圧式に作動させられる燃料噴射弁は、噴射弁を開閉するために作動流体圧の急速な変化に依存する。典型的に、噴射弁を開けるには作動流体圧を増加させ、閉じるには、作動流体圧を減少させて噴射弁にかかる開弁力を減少させ弁を閉じさせる。しかし気体燃料噴射弁に関連して、水圧式動作には以下のものを含むいくつかの欠点がある。
【０００７】
・追加的な水力機材、たとえば作動流体用の水圧ポンプ、弁および貯蔵器などに対する必要性、
・可変圧作動流体と高圧気体燃料との間の封止を確立する必要性、
・追加的な機材要件による噴射弁組立体の嵩の増加、および
・電気的弁機器と、噴射機からのガスの流れを制御するニードルとの間の作動流体の時間遅延が引起こす、システム反応の遅延。
【０００８】
さらに、直接制御可能である供給源でなく加圧流体によって起動力がもたらされる場合、噴射弁の動きの制御性の程度は低い。この点においてリフトを制御することは困難であり、その結果、二重ばね構成を用いた場合、リフト制御能力は限定的なものとなる。したがって特に高速エンジンの場合、気体燃料噴射機を動作させるための水力学系の使用を避けるのが望ましい。ここで、噴射弁に関連する「リフト」とは、弁ニードルによる、その閉じた／着座した位置から開いた位置への変位として定義する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明の概要
噴射弁は内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する。この噴射弁は以下のものを含む。（ａ）弁ハウジングは、燃料引込ポートと、燃料引込ポートに流体連通可能に接続された内室と、内室から燃焼室への流体通路を形成する少なくとも１つのノズルオリフィスを含むノズルとを含む。（ｂ）弁ニードルは、強磁性材料から形成されて弁ハウジング内に配置され、ここで弁ニードルは、弁ニードルの封止端部が弁座と接触してノズルオリフィスから内室を流体封止する、閉じた位置と、弁ニードルの封止端部が弁座から隔てられて内室がノズルオリフィスと流体連通可能に接続される、開いた位置との間で動くことができる。（ｃ）弁ニードルと関連付けられたニードル付勢機構は、弁ニードルに閉弁力を加えて弁ニードルを閉じた位置に付勢する。（ｄ）弁ニードルと関連付けられ内室の中に配置されたアクチュエータ組立体は、長さにおいて拡張して、閉弁力よりも強い開弁力を弁ニードルに加えるように作動させられ得る磁気歪み部材を含み、こうして弁ニードルを開いた位置に動かす。
【００１０】
好ましい噴射弁では、アクチュエータ組立体は、内室の中において、弁ニードルの少なくとも一部を取囲む環状の空間に配置される。好ましいニードル付勢機構はばねであり、最も好ましくは少なくとも１つの皿ばねである。
【００１１】
弁ニードルの一部を取囲む環状の空間にアクチュエータ組立体が位置していることは、コンパクトな設計を可能にするため好ましい配置である。アクチュエータ組立体は典型的に細長くされ、その長さは所望のリフトによって定められ、これが今度は磁気歪み部材の長さを定める。磁気歪みアクチュエータが作動させられると、磁界が磁気歪み部材に印加され、これを長さにおいて拡張させる。より長い磁気歪み部材はより大きな量で拡張でき、その結果、噴射弁の応用で用いた場合にリフトが大きくなる。
【００１２】
類似の構成を有する従来の装置（すなわち管状の磁気歪み部材を通じて延びる固体の部材）では、磁界との干渉を避けるために非強磁性部材が採用される。磁気歪み材料の分野では、一般的に、弁ニードルとして強磁性材料を採用すると磁束の漏れを引起こし、今度はこれが性能を劣化させると考えられているが、それはあらゆる磁束が、管状の磁気歪み部材と、従来の極および磁束管により形成される磁束通路とを通過することを意図しているからである。このような考えに対応して、類似の構成を有する従来の装置では非強磁性材料、たとえばオーステナイトステンレス鋼、チタンおよびセラミックなどを採用してきた。
【００１３】
強磁性材料と比較すると、このような非強磁性材料を採用することにはいくつかの欠点がある。たとえばチタンおよびセラミックは一般に、工具鋼などの強磁性材料と比較してより高価であり、かつ高い公差への加工がより困難である。さらに、チタンおよびオーステナイトステンレス鋼などの非強磁性材料は一般的に強磁性材料の耐久性に匹敵するほどに硬化され得ない。これらの問題のうちいくつかを解決する過去の手法は、非強磁性材料を被覆してその耐久性を向上させることを含んでいた。別の手法はたとえば、磁界が生成される部分を通じて延びる非強磁性部材と、弁座に衝突するニードル先端としての工具鋼などの強磁性材料とを含む、複部構成要素を使用することである。
【００１４】
強磁性ニードルを備えたこの噴射弁の現象は完全に理解されてはいないが、磁気歪み材料の分野における一般的な考えとは逆に、管状の磁気歪み部材を通じて延びる弁ニードルとして強磁性材料が採用可能であることがわかった。噴射期間中の磁界の高頻度の切換わりにより、ニードルの渦電流表皮厚さが磁気回路からニードルを遮蔽し、こうしてニードルが磁束を回路から抜き取ることを防ぐと仮定される。
【００１５】
好ましくは、弁ニードルの強磁性材料は好適な工具鋼である。たとえばＨタイプまたはＭタイプなどの工具鋼が弁ニードルの好ましい材料である。
【００１６】
好ましくは噴射弁はさらに、開弁力および閉弁力が伝達される作動流体の厚みを有する受動的水圧リンクを含む水圧リンク組立体を備える。作動流体は実質的に固体として働き、その厚みは実質的に、アクチュエータ組立体が活性化されている間一定であり、ここで水圧リンクの厚みは、アクチュエータが活性化されていない間、噴射弁の構成要素間の寸法関係の変化に応答して調節可能であり、こうしてアクチュエータ組立体の活性化の際に所望の弁リフトを維持する。
【００１７】
好ましい実施例では、水圧リンクの厚みは、示差熱膨張、設計公差内の製造寸法のばらつき、および／または噴射弁の構成要素の摩損により引起こされる、寸法関係の変化に応答して自動調節可能である。水圧リンク組立体は好ましくは封止水圧シリンダを含み、水圧シリンダ内にはピストンおよび作動流体が配置される。ピストンは一体的な弁ニードルの一部であり得る。
【００１８】
好ましくはアクチュエータ組立体は、磁気歪み部材のまわりに配置された電気コイルと、電気コイルのまわりに配置された磁束管とを含む。好ましい構成では、アクチュエータ組立体は噴射弁の内室の中に配置され得る。特に好ましい実施例では、アクチュエータ組立体は管状であり、弁ニードルの円筒形の部分のまわりの環状の空間に配置される。管状のアクチュエータ組立体の一端は、磁気歪み部材を支持する極によって、弁ハウジングに対して固定した位置に保持され得る。極は弁ハウジングに取付けられ、アクチュエータ組立体が活性化されるときに磁気歪み部材における支持された端部の動きを防ぐ。一実施例では、磁束管および／または弁ハウジングに関連付けられた極は、一体的な弁ハウジングおよび／または磁気歪み部材の一部である。この構成では、弁ハウジングは磁束管としても働いて、別個の構成要素に対する必要性を回避するという利点を有する。
【００１９】
好ましい実施例で噴射弁は、実質的に噴射弁の対向する端部に配置された引込ポートおよびノズルオリフィスを含む。アクチュエータおよび水圧リンク組立体と弁ハウジングとの間、またはここを通るように流体通路が設けられ、これにより燃料が引込ポートからノズルオリフィスに流れることを可能にする。このような流体通路を通じて燃料が流れることは、アクチュエータおよび水圧リンク組立体を冷却させる助けとなる。このような流体通路は、アクチュエータ組立体および水圧シリンダの構成要素の表面に長手方向に配向付けた溝を設ける、および／または弁ハウジングの内壁に長手方向に配向付けた溝を設けることによって形成され得る。アクチュエータ、水圧リンク組立体および弁ハウジングの構成要素を通じてポート開口部を設けることでも、このような流体通路を形成できる。アクチュエータ組立体は、最大リフトの１０％から１００％の間に所望のリフトを制御するように制御可能である。すなわちアクチュエータ組立体に向けられる制御パルスは、望みに応じて一杯のリフトまたは部分的リフトをもたらすように調整され得る。制御パルスは、磁界を生成する磁気コイルに向けられる調整された電流である。
【００２０】
この噴射弁は特に気体燃料の噴射に好適であるが、それは、弁ニードルの動きを調整する能力を用いれば、弁ニードルの閉弁動作を遅くして閉弁時の衝撃を減少させるという利益が得られるからである。液体燃料を噴射する場合、閉弁時の衝撃は、気体燃料よりもはるかに高密度である液体燃料の薄層の変位によって抑制される。燃料は、気体燃料であれば約２０００ｐｓｉ（約１３．８ＭＰａ）よりも大きい圧力で燃焼室内に噴射され得る。
【００２１】
この噴射弁で用いるのに好適な磁気歪み材料は、エトリーマ・プロダクツ・インコーポレイテッド（Etrema Products Inc.）から入手可能なETREMA Terfenol-D（Ｒ）磁気歪み合金として知られる材料を含む。ETREMA Terfenol-D（Ｒ）磁気歪み合金は、テルビウム、ジスプロシウムおよび鉄からなる合金である。
【００２２】
好ましい実施例では、磁気歪み組立体により作動させられる弁ニードルは、閉じた位置と開いた位置との間を約２５０マイクロ秒未満で動くように制御可能である。
【００２３】
所与の長さの磁気歪み部材を含むアクチュエータについての弁リフトの範囲を向上させるために、圧縮力が磁気歪み部材に対して加えられ得る。磁気歪み部材に予め負荷を加えることによって、印加される磁界のそれぞれの単位ごとの正味の変位を増加させることができる。したがって、圧縮力を加えて磁気歪み部材に負荷をかけるために圧縮ばね部材が採用され得る。好ましい実施例では、圧縮ばね部材は少なくとも１つの皿ばね（ベルビルばねまたはベルビルワッシャとしても知られる）を含む。
【００２４】
噴射弁ハウジングは、互いに接合されて流体封止本体を形成する複数の部品を含み得る。たとえば弁ハウジングは、着脱可能な弁キャップを伴う中空の主ハウジングを含むことができ、これにより主ハウジング内に配置された弁構成要素に対する接近が許される。主ハウジングはさらに、別個であるため摩損時に取替え可能な弁先端を含み得る。さらに弁先端は、これが燃焼室の内部に直接晒される唯一の弁本体の部分となるように設計され得る。この場合弁先端は、燃焼室内で予想され得る条件下に直接晒されるとき、より大きな耐久性をもたらすであろう材料から形成され得る。
【００２５】
この水圧リンクは、弁の構成要素間の寸法関係の変化、たとえば示差熱膨張により引起こされる変化などを補償するように設計されているが、水圧リンクに対する需要は、類似の熱膨張係数を有する弁構成要素の材料の選択により減少され得る。
【００２６】
内燃機関用の好ましい燃料噴射弁は以下のものを含む。（ａ）弁ハウジングは、燃料引込ポートと、燃料引込ポートに流体連通可能に接続された内室と、内室から燃焼室への流体通路を形成するノズルオリフィスおよび弁座を含むノズルとを含む。（ｂ）強磁性材料から形成された弁ニードルは、封止端部を有する円筒形の部分と、予負荷端部を有するピストン部分とを含み、弁ニードルは弁ハウジング内に配置され、ここで弁ニードルは、封止端部が弁座と接触してノズルオリフィスから内室を流体封止する、閉じた位置と、封止端部が弁座から隔てられて内室がノズルオリフィスと流体連通可能に接続される、開いた位置との間で動くことができ、ここで弁リフトは、封止端部が弁座から離れて移動する距離に等しい。（ｃ）弁ニードルの予負荷端部と関連付けられたニードルばねは、圧縮されると閉弁力を弁ニードルに加えて弁ニードルを閉じた位置に付勢する。（ｄ）アクチュエータ組立体は、活性化されると、閉弁力よりも強い開弁力を弁ニードルに加えて弁ニードルを開いた位置に動かすことができ、アクチュエータ組立体は、弁ニードルの円筒形の部分のまわりに配置された管状の磁気歪み部材と、磁気歪み部材のまわりに配置された電気コイルと、電気コイルのまわりに配置された磁束管と、アクチュエータ組立体のための支持部とを含み、支持部は極として働き、弁ハウジングに対して磁気歪み部材の一端のために固定した位置を提供する。（ｅ）水圧リンク組立体は、弁ニードルのピストン部分のまわりに配置された封止水圧シリンダを含み、作動流体が水圧シリンダ内に配置され、弁ニードルに加えられる開弁力および閉弁力は、作動流体の厚みを通じて伝達され、作動流体は水圧リンクとして働き、その厚みは、噴射弁の構成要素間の寸法関係の変化に応答して自動的に調節可能であり、こうして、アクチュエータ組立体が活性化されるときに所望の弁リフトを維持する。
【００２７】
上記およびその他の利点が、以下に記載の直接作動噴射機によって提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
好ましい実施例の詳細な説明
図１から図３は、内燃機関用の直接作動燃料噴射弁１００の好ましい実施例を示す。噴射弁１００は細長い弁ハウジング１０２を含み、このハウジングは弁キャップ１０４および弁先端１０６と協働して流体封止弁本体を形成する。封止材を用いて、組立てられた弁本体が流体に対し密閉性を有することを確実にすることがある。弁キャップ１０４は、燃料が弁本体に入る引込ポート１０８を含み、弁先端１０６は、燃料が弁本体から出る少なくとも１つのノズルオリフィス１１０を含む。弁先端１０６はさらに弁座１１２を含む。
【００２９】
図３の拡大図でより明瞭に示されるこの好ましい実施例では、弁座１１２を角度付けて、封止区域（弁ニードル１１４が弁座１１２と接触する区域）における流体の流れを最大限にする。ノズルオリフィス１００への供給を行なう弁先端１０６の中心の喉に向かってガスが内方向に動くときに流れ面積が減少しないように、弁ニードル１４の端面と弁座１１２との間の示差角度を選択する。
【００３０】
弁ニードル
弁ニードル１１４は弁本体の内部に配置され、弁座１１２と接触して、燃料が弁座１１２を超えて通過しノズルオリフィス１１０に至るのを防ぐことで噴射弁１１０を閉じる。図１の実施例では、弁ニードル１１４は弁棒１１４ａを含み、これは、弁本体内で内方向に動き弁座１１２から離れてリフトすることで、開いた位置に動く。弁棒１１４ａは円筒形の部材であり、弁リフトは一般に小さい（たとえば約６５マイクロメートル）ため、弁棒１１４ａの直径は、弁開口部を通じての流れの量が確実に十分なものとなるよう選択されるが、それは流れ面積（Ａ）が弁棒直径と比例するからである（すなわちＡ＝Ｐ×直径×リフト）。したがって、小さなリフトはより大きな直径によって補償され得る。図１に示す好ましい実施例では、弁ニードル１１４はさらに、弁ニードル１１４と協働して同じ効果を達成できる別個のピストン部材を含む。弁ニードル１１４は、弁棒１１４ａおよびピストン１１４ｂを含む一体のものとして示されているが、たとえばニードルの作製を容易にするために複部構成ニードル組立体を代わりに用いてもよい。しかしこれら好ましい実施例に従うと、弁ニードル１１４のすべての部分は、工具鋼たとえばＨタイプまたはＭタイプの工具鋼などの強磁性材料から形成されることが有利である。ニードル先端およびピストン１１４ｂの耐久性および摩損抵抗のために望ましい通し硬度特性を有する強磁性材料を選択する。強磁性材料はまた、等価の硬度および耐久性の特徴を有する好適な非強磁性材料よりも材料費および製造費が安価な、機械加工の容易な材料であることが好ましい。
【００３１】
ばね組立体
ばね組立体は、弁ニードル１１４を閉じた位置に付勢する。好ましい構成においてばね組立体は、閉弁力を弁ニードル１１４に与えるための少なくとも１つのニードルばね１１６を含む。図１の実施例を参照して、ばね組立体はさらに、閉弁力をニードルばね１１６から弁ニードル１１４に伝達させるためのニードルばねガイド１１８を含む。ニードルばね１１６はニードルばね調整器１２０により圧縮されて保持され、ニードルばね調整器はニードルばねハウジング１２２と協働して弁ハウジング１０２への負荷経路を形成する。好ましい構成では、ねじ山を設けたそれぞれの表面によってニードルばね調整器１２０をニードルばねハウジング１２２と接合させ、ニードルハウジング１２２を弁ハウジング１０２と接合させる。ニードル弁調整器１２０が回転させられてニードルばね１１６を圧縮し所望の予負荷力をニードルばね１１６に与えた後、固定ナット１２４を締めてニードルばね調整器１２０が緩むのを防ぐことができる。ニードルばね１１６を圧縮またはこれに予め負荷をかけることによって生じるばねエネルギーは、弁ニードル１１４を閉じた位置に保持するための閉弁力をもたらす。
【００３２】
アクチュエータ組立体
アクチュエータ組立体は、ばね組立体で与えられる閉弁力と対向しかつこれよりも大きい開弁力を与えるように活性化され得る。図１に示す実施例では、アクチュエータ組立体は、磁界に晒されると開弁力の方向で膨張また収縮する磁気歪み部材を含む。
【００３３】
図１に示す実施例では、アクチュエータ組立体は磁気歪みアクチュエータであり、磁気歪み部材１３０と、磁気歪み部材１３０の外径のまわりに配置された電気コイル１３２と、電気コイル１３２のまわりに配置された磁束管１３４とを含む。磁束管１３４は、たとえばフェライト、ステンレス鋼または一般的な炭素鋼など任意の磁気透過性材料から形成され得る。渦電流を断つために、組立てられたアクチュエータ組立体において磁気歪み部材が位置付けられるところに対向して長手方向のスリットが設けられ得る。別の実施例（図示せず）では、弁ハウジングが磁束管として働く。すなわち磁束管は、ステンレス鋼または一般的な炭素鋼から形成され得る弁ハウジング１０２と一体化される。
【００３４】
電流が電気的継手１３６に供給される。電気リード（図示せず）が電気的継手１３６から電気コイル１３２へ電流を伝える。電流が電気コイル１３２に与えられると、磁束が生じて磁気歪み部材１３０、極１３８，１４０，１４２、および磁束管１３４を通じて流れる。極１３８，１４０，１４２は、フェライト、ステンレス鋼または一般的な炭素鋼など好適な磁気透過性材料から形成される。極１３８は「固定された」極であり、磁気歪み部材１３０の第１の端部、電気コイル１３０および磁束管１３４のための構造的な支持体を形成する。極１４０は磁気歪み部材１３０の第２の端部と関連付けられ、極１４２は磁束管１３４および電気コイル１３２の第２の端部と関連付けられる。極１４０は「内部」極であり、極１４２は、内部極１４０のまわりに同心状に配置された「外部」極である。極１４２、電気コイル１３２および磁束管１３４は固定ナット１４４により定位置に保持され、この固定ナットは好ましくは弁ハウジング１０２の内壁の中にねじ止めする。極１４０と極１４２とは互いに協働してアクチュエータ組立体の第２の端部で磁束経路を形成するが、極１４０は極１４２に対して動くことができるため、磁気歪み部材１３０は磁界の方向において拡張できるが、この磁界は、ばね組立体の閉弁力に対抗する開弁力をアクチュエータ組立体がもたらすように配向付けられる。
【００３５】
別の実施例（図示せず）では、極１３８，１４２は一体的な弁ハウジング１０２の一部であり、極１４０は磁気歪み部材１３０と一体化され得る。ハウジング１０２が磁気透過性の材料、たとえばステンレス鋼または一般的な炭素鋼から形成される場合、極１３８，１４２はハウジング１０２と一体化可能である。
【００３６】
磁界が印加されるときの拡張の大きさを増幅させるために、磁気歪み部材１３０には予圧縮力を加えることが好ましい。磁気歪み部材１３０を予め圧縮することで、印加される磁界の単位ごとの正味の変位が増加する。たとえば皿ばね１５０などのばねを用いて予圧縮力をもたらすことができる。皿ばね１５０の代わりに、予圧縮力をもたらすにはこれに代わる圧縮要素、たとえばコイルばねもしくは別の種類で同じばね力のばね、水圧ピストン、または圧縮要素の組合せなどを採用することもできる。予圧縮力が採用される場合、アクチュエータの変位は磁気歪み部材１３０の合計長さの約０．１３％まで増加し得る。しかし変位の量は、増加する温度の関数として減少し得る。たとえば典型的な往復機関シリンダヘッド温度では、実際の変位は予圧縮された磁気歪み部材１３０の長さのうち約０．０６５％であることもある。
【００３７】
磁気歪み部材の寸法は噴射弁１００の要件によって規定される。たとえば噴射弁１００が少なくとも約６５ミリメートルのリフトをもたらすように設計される場合、磁気歪み部材１３０のサイズは少なくとも約１００ミリメートルの長さにされる。さらに、環状の磁気歪み部材１３０の壁厚は、対抗して噴射弁１００を閉じた位置に保持する力のすべてを克服するのに十分な力をもたらすように選択される。環状の磁気歪み部材１３０の断面積が十分でなければ、電気コイル１３２に一杯のエネルギーを与えたときですら、対抗する力が磁気歪み部材１３０の長手方向の変位を減少または妨害するおそれがある。このモードは「力がブロックされた（blocked force）」モードとして知られている。したがって、弁ニードル１１４に作用する閉弁力の大きさが磁気歪み部材１３０の断面積を規定する。
【００３８】
図１に示すように、アクチュエータ組立体は好ましくは弁ハウジング１０２内に位置し、弁棒１１４ａのまわりに同心状に配置され、ここでアクチュエータ組立体は弁棒１１４ａと弁ハウジング１０２との間の環状の空間の一部を占める。したがってアクチュエータ組立体は、引込ポート１０８からノズルオリフィス１１０へ向かう途中の、中空な弁本体を通じて導かれる燃料に晒され得る。
【００３９】
水圧リンク組立体
アクチュエータ組立体により発生した開弁力は、水圧リンク組立体を通じて弁ニードル１１４へ伝達される。水圧リンク組立体は水圧シリンダ１６０を含み、これは水圧ピストン１１４ｂのまわりにぴったりと嵌合する関係で配置され、このピストンはシリンダ１６０内で長手方向に自由に動く。上述のように、図１の実施例において水圧ピストン１１４ｂは一体的な弁ニードル１１４の一部であり、シリンダ１６０の側壁は弁ニードル１１４の動きを作動方向に案内する助けとなる。シリンダキャップ１６２および封止材１６６，１６８，１６９（図２を参照）によって、粘性の作動流体が水圧シリンダ１６０内に封止される。封止材１６６，１６８によって、弁ニードル１１４はそれぞれシリンダ１６０およびシリンダキャップ１６２に対して動くことができる。公知の封止材、たとえばエラストマＯリング封止材、パッキン、金属封止材、または膜／ベロー封止材などが採用され得る。
【００４０】
水圧ピストン１１４ｂの外径と、水圧シリンダ１６０の内径との間における直径の遊隙は極度に小さい（２０〜２５０ミクロンのオーダ）。遊隙の所望のサイズは、選択した作動流体の粘度、ピストンの軸方向長さ、およびピストンの上下にある作動流体の厚みなどいくつかの要因に依存する。遊隙における水圧流れはハーゲン・ポアズイユの流れによって支配され、作動流体および遊隙は好ましくは、開弁力が作動流体を通じて伝達されるときに燃料噴射事象のタイムスパン中における間隙を通じての作動流体の流れが問題にならないように選択される。さらに作動流体の粘度および体積弾性率は、アクチュエータ組立体の活性化が開弁力をシリンダ１６０の底部と水圧ピストン１１４ｂとの間の作動流体を通じて急速に伝達させるときに、作動流体が圧縮不可能な固体として働くのに十分高くされることが好ましい。動作の一貫性のため、作動流体はまた、広範囲の温度にわたって（すなわちシリンダ１６０内で想定される動作温度内で）所望の特性を維持する極めて安定した流体であることが好ましい。好適な作動流体はたとえば従来のモータオイルたとえばグレード１５Ｗ４０、または合成潤滑油たとえばデュポン（Ｒ）（DuPont）のクライトクス（Ｒ）（Krytox）グリースであり、これは或る範囲にわたる粘度のものが入手可能である。クライトクス（Ｒ）は、増粘材と混合されてグリースを形成し得るペルフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）合成潤滑油である。これらの種類の作動流体はまた封止材１６６，１６８を潤滑する助けにもなる。異なる噴射弁のピストンおよび遊隙のサイズは異なり得るため、作動流体は、個々の噴射弁設計の特徴を考慮して選択され得る。
【００４１】
噴射弁１００が閉じられ休止しているとき、閉弁力はシリンダキャップ１６２と水圧ピストン１１４ｂとの間に保持された作動流体を通じて伝達される。典型的に、エンジン動作中、噴射弁１００はほとんどの時間（通常９０％を上回る時間）閉じている。したがって噴射事象同士の間には、作動流体が遊隙を通じて流れ再分配されることで水圧シリンダ１６０がピストン１１４ｂに対して動き自動的に自分自身を「再びゼロにする」のに十分な時間がある。開始時のゼロ位置は、噴射弁１００の組立後における水圧シリンダ１６０内の水圧ピストン１１４ｂの位置である。開始時のゼロ位置は、製造上の公差内の構成要素長さのばらつきのため、あらゆる噴射機について同じでないこともある。ゼロ位置はまた動作中に自動調整し、たとえば構成要素の摩損、または熱膨張が構成要素間の寸法関係に及ぼす影響などに依存して変化する。
【００４２】
示差熱膨張または収縮は、熱膨張係数における差異、または構成要素間の不均一な熱分布によって引起こされ得る。噴射弁１００の構成要素、たとえば磁気歪み部材１３０、弁ニードル１１４および弁ハウジング１０２などが、他の構成要素の熱膨張速度に対し良好に適合して設計されている場合でも、弁リフトおよびこのリフトを引起こす構成要素の変位は極めて小さいため、所望の弁リフトを確実に達成するには熱膨張または熱収縮の影響を考慮に入れる必要がある。噴射弁が広範囲の温度に晒される場合、熱膨張および熱収縮の影響は増幅され得る。車両に使用される噴射弁については、−４０℃（寒冷気候下）から＋１２５℃（エンジン動作時）までの温度範囲を想定することすら稀ではないであろう。不均一な温度分布は多くの要因の結果であり得るが、これにはたとえば（１）コイル１３２で生じた熱、（２）アクチュエータ組立体における磁気ヒステリシス、および（３）シリンダヘッドまたは燃焼室から弁先端１０６を介しての熱伝達、の影響などが含まれる。弁ニードル１１４の変位に対して示差熱膨張または収縮が及ぼす影響全体が勘案されなければ、これが目標のリフトより大きいこともあり得る。
【００４３】
要約すると、水圧リンク組立体は、製造プロセスおよび噴射弁組立方法における許容公差から生じる構成要素寸法のばらつきを勘案する。したがって水圧リンク組立体は、噴射弁構成要素の製造公差の精密さをより小さくすることによって製造コストを減少させる。加えて動作中に、水圧リンク組立体は噴射事象同士の間で自分自身を自動調節し、噴射弁構成要素間の寸法関係の変化、たとえば示差熱膨張もしくは収縮、または構成要素の摩損によって引起こされ得る変化を勘案する。
【００４４】
動作の概要
噴射弁１００が休止中で閉じた位置にあるとき、弁ニードル１１４を弁座１１２に対して付勢する閉弁力はニードルばね１１６に由来するものである。ニードルばね１１６から閉弁力がニードルばねガイド１１８を通じて弁ニードル１１４に伝達される。閉弁力は機械的ばね部材、たとえばここに例示のコイルばねなどによって与えられることが好ましく、これにより噴射弁１００の故障モードは閉じた位置においてとなる。すなわち作動組立体がエネルギーを供給されない、または故障した場合、噴射弁１００は閉じた位置にとどまることになる。
【００４５】
噴射事象を開始するために、電流を電気コイル１３２に導くことでアクチュエータ組立体にエネルギーを供給する。磁束が発生して磁気歪み部材１３０、極１３８，１４０，１４２、および磁束管１３４を通じて流れる。磁界の影響下で磁気歪み部材１３０は長さ（磁界の方向）において拡張する。極１３８は固定した位置にあるため、磁気歪み部材１３０は水圧シリンダ１６０の方向に拡張する。拡張する磁気歪み部材１３０から生じた開弁力は、内部極１４０、シリンダ１６０のベース、シリンダ１６０のベースと水圧ピストン１１４ｂの平面状の表面との間に保持された作動流体１６４ｂ（図２を参照）、そして最後に、ここに示す実施例では弁ニードル１１４と一体化されたピストン１１４ｂを通じて伝達される。開弁力は閉弁力よりも大きく、その結果ニードルばね１１６は圧縮される。水圧シリンダ１６０の変位もまた、皿ばね１５０をさらに圧縮させる。既に論じたように、弁の作動は突然に（２００ｍｓのオーダで）起こるため、作動流体１６４ｂはピストン１１４ｂと水圧シリンダ１６０との間の狭い遊隙を通って流れる時間がない。むしろ作動流体１６４ｂは固体として働き、磁気歪み部材１３０の動きをピストン１１４ｂを通じて弁ニードル１１４へ伝達し、弁ニードル１１４を弁座１１２から離れてリフトさせる。噴射弁１００が開いているのは極めて短い時間（典型的に３ミリ秒未満）であるため、作動流体１６４の粘度が適切に選択され、かつ遊隙が好適なサイズである限り、噴射弁１００が開いている間における遊隙を通じての作動流体１６４の流れは問題にならず、このような流れが引起こす変位はいずれも弁ニードル１１４の変位の総計よりもはるかに小さい。
【００４６】
弁ニードル１１４の動きは、弁先端１０６近傍においてガイド１８０（図３を参照）により案内される。図３は、弁棒１１４ａのまわりに配置された環状の空間１８２を示す。噴射事象同士の間、燃料は環状の空間１８２にとどまる。噴射弁１００が開いているとき、燃料は環状の空間１８２、弁構成要素間の他の間隙、そしていくつかの弁構成要素内に与えられた開口部を通じて流れ、これらはすべて協働して、引込ポート１０８からノズルオリフィス１１０（これはノズルの喉から径方向に配向付けた複数のノズルオリフィスの１つであり得る）へと燃料が自由に流れることを可能にする。たとえば図１から図３は、ニードルばねハウジング１２２、固定ナット１４４および極１３８などの構成要素を通る流体通路を形成する開口部を示す。図３はまた、弁ハウジング１０２と弁先端１０６との間の封止材１８４、および噴射弁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面封止材１８６を示す。
【００４７】
燃料が弁ハウジング１０２を通じて流れるとき、燃料はアクチュエータ組立体を冷却させる。燃料の流れ経路は好ましくは、電気コイル１３２の内径表面と、磁気歪み部材１３０の外径表面とに最大の冷却をもたらすように構成される。さらに燃料の流れのうち小さな割合、おそらくは最大約２０％は、磁気歪み部材１３０の内径と円筒形の弁棒１１４ａの表面との間を流れるように導かれ得る。この仕方で燃料を用いてアクチュエータ組立体を冷却する場合、温度上昇は１０℃未満であることが熱モデルにおいて予測されている。
【００４８】
噴射弁１００を閉じるには、噴射事象の終りに電気コイル１３２からエネルギーをなくして磁気歪み部材１３０を収縮させる。弁ニードル１１４が開いた位置から閉じた位置へ動くとき、この閉弁力はニードルばね１１６および皿ばね１５０に由来するものである。ニードルばね１１６からの閉弁力は再びニードルばねガイド１１８を通じて弁ニードル１１４へ伝達される。開いた位置では、拡張した磁気歪み部材１３０は皿ばね１５０を圧縮していたので、閉弁の際に皿ばね１５０は圧縮がなくなってシリンダ１６０を押し下げ、磁気歪み部材１３０を圧縮する。皿ばね１５０はまた、追加的な閉弁力を弁ニードル１１４に与えるために或る閉弁力を発生させることができ、この閉弁力は皿ばね１５０からシリンダキャップ１６２、作動流体１６４ａ、そして水圧ピストン１１４ｂを通じて伝達される。
【００４９】
弁ニードル１１４が開いた位置から閉じた位置に動くときに経過する時間はやはり典型的に２５０マイクロ秒未満、好ましくは約２００マイクロ秒未満であるため、作動流体１６４はやはり、ピストン１１４ｂとシリンダ１６０との間の遊隙を通じて流れる時間がない。したがってピストン１１４ｂの平面状の上面における作動流体１６４ａの圧力は上昇する。
【００５０】
弁ニードル１１４が一旦弁座１１２と接触すると噴射弁１００は閉じられる。噴射弁１００が閉じられると、水圧リンク組立体は自動的に自己調節し、こうして水圧ピストン１１４ｂに対する水圧シリンダ１６０の位置は、弁ニードル１１４が開いた位置にあった間に生じていたであろう水圧シリンダ１６０に対する弁ニードル１１４のあらゆる小さな動き、摩損および温度の影響を勘案するように修正される。自己調節は、水圧ピストン１１４ｂの一方の側から他方の側への作動流体１６４の移動によって達成され、一方で皿ばね１５０によって、水圧シリンダ１６０と弁ニードル１１４とは確実に常に直接接触し続ける。
【００５１】
図４は、同一の噴射弁であって異なるニードルを有するものの性能を示すグラフである。一試験では、噴射弁には非強磁性ニードルを設け、第２の試験では同じ噴射弁に強磁性ニードルを設けた。この実験では、非強磁性ニードルはチタンから形成され、強磁性ニードルは工具鋼から形成された。噴射弁の試験は、燃料の代わりに窒素を用いて行なわれた。弁の性能を示す目的のためには、窒素は天然ガスなどの気体燃料と実質的に同じ挙動を示す。このグラフは、窒素の質量流対パルス幅（すなわち噴射事象につき噴射弁が開いたまま保たれる時間）を示す。予想通り、パルス幅が長くなればなるほど高い質量流が記録された。チタン製ニードルを備えた噴射弁の性能を、「×」と印した点で示す。工具鋼製ニードルを備えた噴射弁の性能は「＋」と印した点で示す。ここに示した２つの性能曲線は実質的に同じである。したがって図４のグラフは、非強磁性ニードルの代わりに強磁性ニードルを用いても性能に影響はなく、かつ磁気歪み部材から磁束を抜き取ることもないことを示している。
【００５２】
この噴射弁により、以下のことを含むいくつかの利益が提供される。
【００５３】
・細長い管状の磁気歪み部材を収容するための、コンパクトで同心の弁ニードル／アクチュエータ組立体構成が提供される。
【００５４】
・非強磁性材料の代わりに強磁性材料から形成された弁ニードルを採用することにより、耐久性が向上する。管状の磁気歪み部材内に配置された部材を採用した公知の装置では、磁束の漏れを避けるために非強磁性材料から形成された部材を用いていた。しかし非強磁性材料、たとえばオーステナイトステンレス鋼、チタンおよびセラミックなどは、強磁性材料の通し硬度特性および耐久性に匹敵し得ない。
【００５５】
・製造される構成要素寸法のばらつきが少なくなるため製造性が向上し、弁ニードルをより高い公差へと加工できる。より高い公差に製造できることは重要な利点であるが、それは、磁気歪み部材の拡張により引起こされる弁ニードルの変位は比較的小さく、製造される構成要素寸法のばらつきが少なくなれば動作の性能および一貫性が向上するからである。
【００５６】
・典型的に、好適な強磁性材料は好適な非強磁性材料よりも安価である。
【００５７】
・線対称の円筒形部品を用い、かつ噴射弁構成要素間における厳しい公差を少なくすることで、製造性の向上が可能となる。
【００５８】
この発明について特定の要素、実施例および応用例を示し記載したが、当然のことながらこの発明はこれらに限定されず、特に上述の教示に照らせば、この開示の範囲から逸脱することなく当業者により変形が行なわれ得ることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】直接作動燃料噴射弁の好ましい実施例を示す断面図である。
【図２】図１の燃料噴射弁の上部を示す拡大図である。
【図３】図１の燃料噴射弁の下部を示す拡大図である。
【図４】強磁性ニードルを備えた噴射弁の性能と、非強磁性ニードルを備えた同じ弁の性能とを比較したグラフである。
【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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