JP4304895B2 - 油圧制御弁および燃料噴射弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピエゾアクチュエータを駆動源とする油圧制御弁、およびこの油圧制御弁を用いた内燃機関の燃料噴射弁に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射システムでは、各気筒に共通のコモンレール（蓄圧室）を設けて、高圧ポンプから圧送される高圧燃料を蓄圧し、所定の噴射時期に各気筒に燃料を噴射している。その燃料噴射弁に、近年、応答性の良好なピエゾアクチュエータを駆動源とし、油圧を介して弁体を駆動する油圧制御弁を用いることが提案されている。かかる油圧制御弁は、例えば、ピエゾアクチュエータの伸縮に伴って変位する大径ピストンと小径ピストンの間に作動油を充填した変位拡大室を備え、油圧のてこによって変位を拡大して弁体に伝達する。変位拡大率は、大径ピストンの受圧面積Ｓ（ｍｍ）と小径ピストンの受圧面積（ｍｍ）の比（Ｓ／ｓ）で表される。
【０００３】
弁体は、ドレーン通路に連通する低圧ポートと、コモンレールに連通する高圧ポートのいずれか一方を選択的に閉鎖して、燃料噴射弁のノズルニードルに背圧を与える制御室の圧力を制御するように構成される。すなわち、弁体が低圧ポートを開いて制御室とドレーン通路を導通させ、さらに高圧ポートを閉じると、制御室の圧力が低下してノズルニードルが上昇し、噴孔から燃料が噴射される。次に、弁体が高圧ポートを開いて制御室とコモンレールを導通させ、さらに低圧ポートを閉じると、制御室の圧力が再び上昇してノズルニードルが下降し、燃料噴射が停止される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ピエゾ素子をアクチュエータとして使用する場合、一般に、電圧一定の条件下（ここでは許容電圧）での変位と発生力の関係は、図３上段に示すようになる。許容電圧は、外部からのエネルギー投入経路となる電気回路やピエゾ素子自身が壊れないための許容可能な最高電圧で（例えば１５０Ｖ）、ピエゾアクチュエータの変位は、電圧一定であれば発生力に反比例し、ある発生力（最大発生力）で変位がゼロとなる。また、ピエゾアクチュエータの仕事量は、投入エネルギーに比例するとともに発生力とも相関し、ピエゾアクチュエータの最大仕事量と最大負荷時の発生力の関係は、図３下段のようになる。このピエゾ特性から、一般に、最大負荷時の発生力が、最大発生力の１／２となるように設計するのがエネルギー効率の点で優れている、すなわち、同じ供給エネルギーで最大の仕事を取り出すことができると考えられている。
【０００５】
しかしながら、この知見に基づいて上記構成の燃料噴射弁の設計を行ったところ、以下の問題が発生した。油圧のてこによって変位を拡大する上記構成の燃料噴射弁では、通常、弁体が低圧ポートを開く時に負荷が最大となる。低圧ポートの開弁時に必要な発生力Ｆは、Ｆ＝Ｓ_L ・Ｐ・（Ｓ／ｓ）；〔式中、Ｓ_L ：低圧ポートのシート面積（ｍｍ² ）、Ｐ：コモンレール圧力Ｐ（Ｋｇ／ｍｍ² ）、Ｓ／ｓ：変位拡大率〕で表されるため、これが最大発生力の１／２となるように変位拡大率（Ｓ／ｓ）を設定すればよいことになる。ところが、このように変位拡大率（Ｓ／ｓ）を選択したにもかかわらず、弁体のリフト量が上記図３から予測されるリフト量に達しない不具合が生じた。高圧ポートを閉弁するために必要な発生力（この発生力は、通常、低圧ポートの開弁時に必要な発生力よりも小さい）が最大発生力の１／２となるように変位拡大率（Ｓ／ｓ）を選択した場合も同様で、いずれも予期した弁体リフトを得ることができなかった。
【０００６】
この問題について解析を行った結果、予期した弁体リフトが得られない理由は、油圧のてこによって変位を拡大する上記燃料噴射弁の構成にあることが判明した。上記構成では、ピエゾアクチュエータにエネルギーを投入すると、大径ピストンを介して変位拡大室の油圧が上昇し、その油圧が小径ピストンに作用する力が、弁体が高圧ポートから受ける燃料圧の作用力を上回った時に、弁体がリフトを開始する。そこで、この時のピエゾ電圧が上記許容電圧となるように、投入エネルギーが制御されるが、開弁時にはピエゾ素子内部に発生力に比例した電荷が生じており、そのエネルギー分だけ、外部から投入できるエネルギーが減少している。リフトとともに発生力が低下すると、上記電荷が消滅していくため、ピエゾ電圧が低下する。この電圧の変化が、許容電圧から見込まれる弁体リフトが得られない原因となっている。
【０００７】
本発明は、弁体の開弁時にピエゾアクチュエータに最大の発生力が要求され、その後は発生力が減じられつつ弁体のリフト量が大きくなる構造の油圧制御弁において、当初に印加される電圧を許容範囲に抑えつつ、最大のリフトを可能にすることを第１の目的とする。さらに、そのための変位拡大率の最適な範囲を見出し、コンパクトかつ高性能な燃料噴射弁の実現を第２の目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の油圧制御弁は、ピエゾアクチュエータの変位を油圧に変換し、該油圧を増減させることによって弁体を駆動するとともに、該弁体の開弁時に上記ピエゾアクチュエータに最大の発生力が要求され、開弁後は上記ピエゾアクチュエータの発生力が減じられつつ上記弁体のリフト量が大きくなる構造の油圧制御弁において、上記弁体を開弁させる時に上記ピエゾアクチュエータに必要とされる発生力を、使用最大電圧における最大発生力の１／２を下回らせたことを特徴とする油圧制御弁。
【０００９】
油圧を介して上記弁体を駆動する構成では、上記弁体の開弁時に、上記ピエゾアクチュエータ内部に発生力に比例した電荷が発生するため、その分のエネルギーを外部から注入できなくなってしまう。よって、開弁時に必要とされる発生力を大きくすると、それだけ外部から注入できるエネルギーが減少して、開弁後に十分な弁体リフトが得られない。これを回避するには、開弁時に必要とされる発生力を使用最大電圧（許容電圧）での最大発生力の１／２を下回らせるのがよく、注入したエネルギーで最大のリフトを可能にする。また、発生力は変位拡大率に比例するため、変位拡大率の設定によって、この発生力を最適に選ぶことが可能である。
【００１０】
請求項２のように、具体的には、上記ピエゾアクチュエータの変位を大径ピストンによって油圧に変換し、該油圧を小径ピストンに作用させることによって上記弁体を駆動する構成とすることができる。そして、上記弁体を開弁させる時に上記ピエゾアクチュエータに必要とされる発生力が使用最大電圧における最大発生力の１／２を下回らせるように、上記大径ピストンと上記小径ピストンの径の比すなわち変位拡大率を設定することで、上記効果が容易に得られる。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の油圧制御弁を備え、上記弁体の駆動によって燃料噴射の開始および停止を制御する燃料噴射弁である。例えば、上記弁体を噴孔を開閉するノズルニードルとすることもでき、コンパクトな構成で、エネルギー効率の良好な燃料噴射弁が得られる。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１または２に記載の油圧制御弁を備える燃料噴射弁であり、ノズルニードルに閉弁または開弁方向の油圧を作用させる制御室を低圧通路に導通させる導通路を、上記弁体で開閉することにより、上記ノズルニードルを昇降させて噴孔を開閉する構成を有する。
【００１３】
このように、上記油圧制御弁を適用することによって、駆動部の体格を大きくすることなく、エネルギー効率の良好な燃料噴射弁が得られる。
【００１４】
請求項５のように、より具体的には、上記アクチュエータの変位によって油圧を増減させる油圧室を設けて、該油圧室の油圧を受けて上記弁体が駆動されるようにする。そして、上記ノズルニードルに背圧を与える上記制御室を、上記弁体の開弁によって上記低圧通路に導通させて減圧することにより、上記噴孔を開放する構成とすることができる。
【００１５】
請求項６の発明では、上記弁体を開弁させる時に上記ピエゾアクチュエータに必要とされる上記発生力を、使用最大電圧における最大発生力の１／４以上とする。開弁時に上記ピエゾアクチュエータに必要とされる上記発生力があまり小さいと、（すなわち、変位拡大率を小さくし過ぎると、）上記ピエゾアクチュエータが変位しても上記弁体のリフトを大きくすることができない。よって、好ましくは、上記発生力の下限を、使用最大電圧における最大発生力の１／４とし、効率よくエネルギーをリフトに変換することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面に従って説明する。図１は、本発明を適用した油圧制御弁１を備える燃料噴射弁Ｖの構成を示す図で、例えば、ディーゼルエンジンのコモンレール噴射システムに好適に使用される。燃料噴射弁Ｖは、ノズルボディＢ１の先端に設けた噴孔１１をノズルニードル１２の上下動により開閉して、燃料の噴射を開始ないし停止する。噴孔１１は、ノズルニードル１２が上端位置にある時に開となり、高圧通路３に続く燃料溜まり３１と導通して燃料が供給される一方、ノズルニードル１２が下端位置にある時は閉となり、燃料溜まり３１との導通が遮断されて燃料の供給が停止される。ノズルニードル１２の下端位置は、ノズルニードル１２が着座するノズルシート１３によって決定され、上端位置はノズルボディＢ１上方のオリフィスプレートＰ１によって決定される。
【００１７】
ノズルボディＢ１は、バルブ駆動装置１のハウジングＨの下端にオリフィスプレートＰ１、Ｐ２を介して配設され、筒状のノズルホルダＢ２にて油密に固定される。高圧通路３は、燃料溜まり３１から上方へ延び、オリフィスプレートＰ１、Ｐ２およびハウジングＨ内を経て外部のコモンレール（図略）に連通している。ハウジングＨ内には、また、外部の燃料タンク（図略）に連通する燃料戻し用の低圧通路としてのドレーン通路２が形成されている。ノズルニードル１２の上端部とオリフィスプレートＰ１の間には、制御室４が形成され、ノズルニードル１２は、制御室４内に配したスプリング４１のばね力と制御室４の油圧によって常に閉方向（下方）へ付勢されている。
【００１８】
制御室４の油圧は、油圧制御弁１の一部をなす３方弁５によって制御される。３方弁５は、ハウジングＨの下端に形成した略円錐形の弁室５１と略球形の弁体５２からなり、弁室５１はオリフィスプレートＰ１、Ｐ２を貫通する通路とその下端に設けたメインオリフィス４２を介して制御室４と常に連通している。弁室５１は、低圧通路への導通路となるドレーンポート２１と高圧ポート３２の２つのポートを有し、弁室５１内の弁体５２が上方または下方に移動して上記２つのポートの一方を選択的に閉塞すると、他方が開放されて制御室４と導通する。ドレーンポート２１は弁室５１上方に設けたスピル室２２を介してドレーン通路２に連通し、オリフィスプレートＰ２を上下に貫通する高圧ポート３２は、オリフィスプレートＰ２下端面に径方向に設けた溝３３を介して高圧通路３に連通している。
【００１９】
よって、弁体５２がドレーンポート２１を開いて高圧ポート３２を閉じると、制御室４の燃料が弁室５１からドレーンポート２１を経て流出する。これにより、制御室４の圧力が低下してノズルニードル１２の開弁圧以下となると、ノズルニードル１２がノズルシート１３から離れて燃料が噴射される。一方、弁体５２が高圧ポート３２を開いてドレーンポート２１を閉じると、高圧ポート３２から流入する燃料で制御室４の圧力が上昇し、ノズルニードル１２が下降してノズルシート１３に着座する。
【００２０】
なお、制御室４は、高圧ポート３２の下端に連通させてオリフィスプレートＰ１に設けたサブオリフィス４３によって、３方弁５を介さずに高圧通路３と常に連通している。このサブオリフィス４３は、高圧通路３からサブオリフィス４３を経て制御室４に燃料を流入させることによって、噴射開始時には制御室４の圧力低下を緩和してノズルニードル１２を緩やかに開弁させ、噴射終了時には圧力上昇を促進してノズルニードル１２を迅速に閉弁させる作用がある。
【００２１】
ここで、ドレーンポート２１の弁室５１への開口部は、円錐形状のドレーンシート５３を形成しており、高圧ポート３２の弁室５１への開口部は、フラット形状の高圧シート５４を形成している。このように一方をフラット形状とするのは、弁体５２の軸ずれを許容するためである。弁体５２は、いずれかのシート５３、５４に着座することにより対応するポートを閉塞するが、弁室５１の圧力は常にドレーンポート２１の圧力より高いため、弁体５２はドレーンシート５３に着座しているのが常態である。高圧シート５４への着座力は、油圧制御弁１の小径ピストン１８によって与えられる。次に、油圧制御弁１の詳細について説明する。
【００２２】
油圧制御弁１は、ハウジングＨの上端部内に収容されるピエゾアクチュエータ１４を駆動源として有している。ピエゾアクチュエータ１４の変位は、その下端に接して一体に設けたピエゾピストン１５に伝達され、さらに大径ピストン１７および油圧室である変位拡大室６を介してピストン部材である小径ピストン１８に伝達される。ピエゾアクチュエータ１４は公知の構成で、ＰＺＴ等の圧電体を積層したピエゾスタックからなり、外部からエネルギーを供給することによって伸長し、注入されたエネルギーを放出することによって収縮して、ピエゾピストン１５を駆動する。ピエゾピストン１５は、ピエゾシリンダＨ１内に摺動自在に配設され、細径のロッド１６によって大径ピストン１７に連結されている。大径ピストン１７および小径ピストン１８は、シリンダ形成部材Ｈ２に同軸的に形成した大径シリンダＨ３、小径シリンダＨ４内にそれぞれ摺動自在に配設され、ロッド１６は大径ピストン１７の上面より上方に延びて、ピエゾピストン１５の下面に圧入固定される。
【００２３】
ピエゾピストン１５下方の、ロッド１６周りに形成される空間は、ドレーン通路２に連通する油溜まり室７となしてあり、スプリング７１が収容されてピエゾピストン１５を上方に付勢している。同時に、ピエゾピストン１５と一体に連結される大径ピストン１７もスプリング７１によって上方に付勢される。これにより、ピエゾピストン１５および大径ピストン１７は、ピエゾアクチュエータ１４の伸縮に応じて一体に上下動する。なお、ピエゾピストン１５の外周には、油溜まり室６２内の作動油がピエゾアクチュエータ１４を汚染するのを防止するためにＯリング７３が設けられる。また、油溜まり室７をドレーン通路２に連通させるための通路は、ハウジングＨ側壁から径方向に油溜まり室７に貫通穴を形成した後、盲栓７４で閉鎖することにより形成される。
【００２４】
シリンダ形成部材Ｈ２は、小径ピストン１８の上部に縮径部を有し、小径ピストン１８の上方への移動を規制するストッパ６１を形成している。大小シリンダＨ３、Ｈ４は、この縮径部を介して連通しており、縮径部と小径ピストン１８の間に形成される油圧室Ａ、および大径ピストン１７との間に形成される油圧室Ｂによって変位拡大室６が形成される。変位拡大室６は、ピエゾアクチュエータ１４の変位を油圧変換し、大小ピストン１７、１８の径差に応じた変位拡大率で増幅して、小径ピストン１８に伝達する。小径ピストン１８の下端部は、シリンダ形成部材Ｈ２の下方に形成されるスピル室２２内に位置し、細径の先端部がドレーンポート２１内に挿通されて弁体５２に当接している。
【００２５】
大径ピストン１８内には、軸方向に通路７２が設けられ、通路７２の上端はロッド１６の基端部内に延びてＴ字形に分岐し、油溜まり室７に開口している。通路７２の下端は、大径ピストン１８の下端面に開口し、大径ピストン１８の下端に装着した逆止弁８を介して変位拡大室６に連通するようになっている。逆止弁８は、変位拡大室６の燃料がリーク等により減少した時に、油溜まり室７から変位拡大室６へ燃料を補充するためのもので、通路７２の下端開口を閉鎖するフラット弁８１と、フラット弁８１を上方に付勢する皿バネ８２からなる。これらフラット弁８１と皿バネ８２は、大径ピストン１８の下端部外周に圧入固定される有底筒状のホルダ８３内に収納保持される。ホルダ８３底面には貫通穴８５が設けられ、ホルダ８３内空間と変位拡大室６の間で燃料は自由に流通する。
【００２６】
フラット弁８１は、円盤状の薄板（厚さ：０．１〜０．２ｍｍ）の上下２箇所を平行に切り欠いたもので、中心にピンホール８４（直径：０．０２〜０．５ｍｍ）を設けている。このピンホール８４により、燃料噴射中に通電回路に異常が発生しても変位拡大室６の燃料を油溜まり室７へリークさせることができるため、燃料噴射を停止することができる。また、燃料噴射弁Ｖの組み立て後に、ピンホール８４を介して変位拡大室６を容易に真空にし、燃料を充填することができるので、空気が残って不具合を生じることがない。
【００２７】
上記構成の燃料噴射弁の作動を説明する。燃料噴射の開始に当たって、ピエゾアクチュエータ１４には、ドレーンポート２１を開とするために十分な電圧（例えば１００〜１５０Ｖ）が印加される。ピエゾアクチュエータ１４は電圧に比例した変位（例えば４０μｍ）を生じて、ピエゾピストン１５、大径ピストン１７を同じ変位量だけ下方に移動させ、変位拡大室６の油圧を上昇させる。この変位拡大室６の油圧上昇により小径ピストン１８が下降し、弁体５２をドレーンシート５３から押し下げてリフトさせ、高圧シート５４に着座させる。この時、弁体５２のリフトは、ピエゾアクチュエータ１４の変位に対して、予め設定された変位拡大率（大径ピストン１７と小径ピストン１８の受圧面積比）で拡大される。この変位拡大率の最適範囲については後述する。
【００２８】
弁体５２のリフトに伴ってドレーンポート２１が開き、次いで高圧ポート３２が閉じるために、弁室５１の圧力が低下する。弁室５１と連通する制御室４の圧力が低下し、ノズルニードル１２に上向きに作用する燃料溜まり３１の油圧力が、制御室４の油圧力およびスプリング４１のバネ力に勝ると、ノズルニードル１２がノズルシート１３からリフトし、燃料の噴射が開始される。
【００２９】
燃料噴射の停止に当たっては、ピエゾアクチュエータ１４の電荷を放出させることによってその電圧をゼロにする。この間に、ピエゾアクチュエータ１４は、電圧印加時の変位量だけ収縮して元の長さに戻り、ピエゾピストン１５がスプリング７１に付勢されて上昇する。ロッド１６によりピエゾピストン１５と連結されている大径ピストン１７もピエゾピストン１５とともに上昇し、変位拡大室６の油圧を低下させる。変位拡大室６の油圧低下により小径ピストン１８は、弁体５２を高圧ポート３２の高圧に逆らって高圧シート５４に押し付ける力を失い、弁体５２とともに上昇する。
【００３０】
弁体５２が再びドレーンシート５３に着座し、そのリフト位置が初期状態に戻ると、高圧ポート３２が開き、次いで、ドレーンポート２１が閉じるために、弁室５１および制御室４の圧力が回復する。制御室４の圧力が上昇し、ノズルニードル１２に下向きに作用する力が、燃料溜まり３１の油圧力に勝ると、ノズルニードル１２が降下して再びノズルシート１３に着座し、燃料噴射を停止する。
【００３１】
ここで、本発明では、弁体５２がドレーンポート２１を開弁するためにピエゾアクチュエータ１４に必要な発生力Ｆが、使用最大電圧における最大発生力の１／２以下となるように、変位拡大率を選択する。好適には、開弁時のピエゾ発生力Ｆが、使用最大電圧における最大発生力の１／４以上であり、かつ１／２を下回るようにする。使用最大電圧は、電圧印加によるピエゾアクチュエータ１４や電気回路の破損を防止するために設定される許容可能な最大電圧を表す。また、ドレーンポート２１の開弁時に必要な発生力Ｆは、下記式（１）で表される。
（１）Ｆ＝Ｓ_L ・Ｐ・（Ｓ／ｓ）
ここで、Ｓ_L はドレーンポート２１のシート面積（ｍｍ² ）、Ｐは高圧通路３の圧力（＝コモンレールの圧力；Ｋｇ／ｍｍ² ）、Ｓは大径ピストン１７の受圧面積（ｍｍ² ）、ｓは小径ピストン１８の受圧面積（ｍｍ² ）であり、（Ｓ／ｓ）は変位拡大率を表す。
【００３２】
つまり、ドレーンポート２１の開弁時の発生力Ｆは、変位拡大率（Ｓ／ｓ）に比例するので、Ｓ_L 、Ｐが一定値である時、変位拡大率（Ｓ／ｓ）を適切に設定すれば、開弁時の発生力Ｆが上記所定範囲となる。このようにすることで、ピエゾアクチュエータ１４や電気回路の許容電圧の範囲内で、投入されたエネルギーを効率よく弁体５２のリフトに変換することができる。この詳細を以下に説明する。
【００３３】
ピエゾアクチュエータ１４にエネルギーを投入すると、ピエゾアクチュエータ１４に変位が生じ、大径ピストン１７を介して変位拡大室６の油圧が上昇して、ｐ・ｓ＝Ｓ_L ・Ｐ（ｐ：変位拡大室６圧力）となった時に、弁体５２がリフトを開始する。一方、図２（ａ）のように、仮にピエゾアクチュエータ１４への投入エネルギーを一定（大、小）（なお小は開弁に必要な最小エネルギである。）としたとする時、ピエゾスタックの端子電圧（ピエゾ電圧Ｖ）は、発生力の増加とともに急激に高くなる。これは、ピエゾスタック内部に発生力に比例した電荷が発生して、外部からエネルギーとして注入された電荷に加算されるためである。
【００３４】
従って、負荷が最大となる開弁時のピエゾ電圧が上記許容電圧となるように、投入エネルギーＥを制御した場合、「供給したエネルギーが一定のままでピエゾアクチュエータ１４の発生力が低下するとピエゾ電圧も低下する」ことになる。上記構成で言えば、弁体５２がリフトを開始して弁室５１の油圧が低下すると、開弁を維持するためにピエゾアクチュエータ１４に要求される発生力が減少するので、これに伴いピエゾ電圧も低下することになる。この現象を逆に言うと、許容電圧が決まっている場合、開弁時の発生力を高く設定するほど、ピエゾアクチュエータ１４に供給可能なエネルギーは小さくなってしまう。これを図２（ｂ）に示す。
【００３５】
図２（ｃ）は、電圧一定（許容電圧）の条件での発生力とピエゾ変位δの関係を表すもので、発生力が減少するとその分ピエゾ変位δが大きくなり、弁体リフトが大きくなることが予測される。ところが、図２（ｃ）の特性では、リフト後のピエゾ電圧の低下が考慮されていないことから、開弁時のピエゾ発生力が大きくなるように変位拡大率（Ｓ／ｓ）を選択すると、投入できるエネルギーが小さいため、図２（ａ）のように、リフト後の発生力の減少によってピエゾ電圧が低下する。例えば、図２（ａ）の投入エネルギー（小）の場合のように、開弁時の発生力Ｆが大きい（変位拡大率（Ｓ／ｓ）が大きい）と、実際の投入エネルギーが小さくなるために、開弁は可能であってもその後のリフトが小さく、高圧ポート３２に着座することができなくなる。
【００３６】
それでは、開弁時の発生力Ｆを小さくするために変位拡大率（Ｓ／ｓ）を小さくすればよいかというと、ピエゾアクチュエータ１４がいくら変位しても小径ピストン１８はあまり変化しないということになり、この場合も弁体５２のリフトを大きくすることはできない。弁体５２のリフトＬは、ピエゾ変位をδとすると、Ｌ＝δ・（Ｓ／ｓ）＝δ・Ｆ／（Ｓ_L ・Ｐ）となるため、これにより、開弁時の発生力Ｆを変化させた時の、弁体５２の可能な最大リフトＬは、図２（ｄ）のようになる。すなわち、最大リフトＬは、開弁時の発生力Ｆが最大発生力の３／８付近にある時にピークを有し、最大リフト量Ｌを大きくするには、最大発生力の１／４以上であり、かつ１／２を下回る範囲とすると有利であることが分かる。
【００３７】
以下に、具体的な実施例を示す。上記構成の燃料噴射弁Ｖにおいて、例えば、ピエゾ発生力０の時のピエゾ変位δ＝０．０４ｍｍ、ピエゾ発生力２００ｋｇの時のピエゾ変位δ＝０ｍｍとすると、最大発生力は２００ｋｇとなる。よって、最大発生力の１／４以上であり、かつ１／２を下回るピエゾ発生力、すなわち、５０〜１００ｋｇの範囲で弁体５２が開弁してドレーンポート２１を開くことが望ましい。ドレーンポート２１の開弁時に必要な発生力Ｆの式：Ｆ＝Ｓ_L ・Ｐ・（Ｓ／ｓ）において、ドレーンシート５３の直径ｄ_L ＝１．６５（ｍｍ）から、ドレーンポート２１のシート面積Ｓ_L ＝２．１４（ｍｍ）、高圧通路３の圧力Ｐ（＝コモンレールの圧力）＝２０ｋｇ／ｍｍ² とすると、
５０ｋｇ≦４２．８（Ｓ／ｓ）ｋｇ＜１００ｋｇ
５０／４２．８＜（Ｓ／ｓ）＜１００／４２．８
から、変位拡大率（Ｓ／ｓ）の最適範囲は、
１．１７≦（Ｓ／ｓ）＜２．３
となる。
【００３８】
変位拡大率（Ｓ／ｓ）を上記最適範囲の中央値（Ｓ／ｓ）＝１．８とした時、開弁時のピエゾ発生力は、７５ｋｇとなる。この時、１５０Ｖでピエゾアクチュエータ１４に投入できるエネルギーは、図２（ｂ）から開弁に必要なエネルギーの２．７倍であり、図２（ｄ）のようにそのエネルギーをリフトに効率よく変換することができる。なお、リフトが可能な最大リフトより大きくない状態で、高圧ポート３２のシートに着座する場合であれば、その分のエネルギーはシート力に変換されるので、確実なシールが可能になる効果がある。
【００３９】
上記実施の形態では、大小ピストンと変位拡大室により３方弁の弁体を駆動する油圧制御弁を用いた場合について説明したが、３方弁に限らず、２方弁等を用いてもよい。また、３方弁等を介さず、ピエゾアクチュエータ１４により、ノズルニードルを駆動する油圧室の油圧を直接増減する構成（直動式）の燃料噴射弁に適用することも可能で、同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料噴射弁の全体構成を示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は第１の実施の形態における燃料噴射弁の作用効果を説明するためのピエゾアクチュエータ特性図である。
【図３】ピエゾアクチュエータの一般的特性を示す図である。
【符号の説明】
Ｈ ハウジング
Ｂ１ バルブボディ
１ 油圧制御弁
１１ 噴孔
１２ ノズルニードル
１３ ノズルシート
１４ ピエゾアクチュエータ
１５ ピエゾピストン
１６ ロッド
１７ 大径ピストン
１８ 小径ピストン
２ ドレーン通路（低圧通路）
２１ ドレーンポート（導通路）
２２ スピル室
３ 高圧通路
３１ 燃料溜まり
３２ 高圧ポート
４ 制御室
５ ３方弁
５１ 弁室
５２ 弁体
５３ ドレーンシート
５４ 高圧シート
６ 変位拡大室（油圧室）
７ 油溜まり室
８ 逆止弁

Claims (6)

1. ピエゾアクチュエータの変位を油圧に変換し、該油圧を増減させることによって弁体を駆動するとともに、該弁体の開弁時に上記ピエゾアクチュエータに最大の発生力が要求され、開弁後は上記ピエゾアクチュエータの発生力が減じられつつ上記弁体のリフト量が大きくなる構造の油圧制御弁において、上記弁体を開弁させる時に上記ピエゾアクチュエータに必要とされる発生力を、使用最大電圧における最大発生力の１／２を下回らせたことを特徴とする油圧制御弁。
2. 上記ピエゾアクチュエータの変位を大径ピストンによって油圧に変換し、該油圧を小径ピストンに作用させることによって上記弁体を駆動するとともに、上記弁体を開弁させる時に上記ピエゾアクチュエータに必要とされる発生力が使用最大電圧における最大発生力の１／２を下回らせるように、上記大径ピストンと上記小径ピストンの径の比を設定する請求項１記載の油圧制御弁。
3. 請求項１または２記載の油圧制御弁を備え、上記弁体の駆動によって燃料噴射の開始および停止を制御することを特徴とする燃料噴射弁。
4. 請求項１または２記載の油圧制御弁を備え、ノズルニードルに閉弁または開弁方向の油圧を作用させる制御室を低圧通路に導通させる導通路を、上記弁体で開閉することにより、上記ノズルニードルを昇降させて噴孔を開閉することを特徴とする燃料噴射弁。
5. 上記アクチュエータの変位によって油圧を増減させる油圧室を設けて、該油圧室の油圧を受けて上記弁体が駆動されるようになし、上記ノズルニードルに背圧を与える上記制御室を、上記弁体の開弁によって上記低圧通路に導通させて減圧することにより、上記噴孔を開放する請求項４記載の燃料噴射弁。
6. 上記弁体を開弁させる時に上記ピエゾアクチュエータに必要とされる上記発生力を、使用最大電圧における最大発生力の１／４以上としたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の油圧制御弁または燃料噴射弁。

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