JP4378877B2 - 油圧制御弁および燃料噴射弁 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電または磁歪アクチュエータを用いた油圧制御弁、およびこの油圧制御弁を内蔵する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、応答性の良好な圧電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、圧電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、大径ピストンの変位を変位拡大室および小径ピストンにより拡大して弁体に伝達する。
【０００３】
弁体は、コモンレールに連通する高圧ポートとドレーン通路に連通する低圧ポートのいずれか一方を選択的に閉鎖し、燃料噴射弁のノズルニードルの背圧を制御する。すなわち、弁体が低圧ポートを開いて高圧ポートを閉じると、ノズルニードルに背圧を与える制御室の圧力が低下し、ノズルニードルが上昇して噴孔から燃料が噴射される。一方、弁体が高圧ポートを開いて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】
ところで、コモンレール式燃料噴射システムでは、エンジンの運転状態に応じた燃料噴射を行うために、燃料噴射圧力（コモンレール圧力）と燃料噴射率（単位時間当たりの燃料噴射量）の制御性を向上させることが重要である。コモンレール圧力については、通常、高圧供給ポンプからコモンレールへの圧送量によって調整され、急な減圧要求に対してはコモンレールに設けた減圧弁によって対応しているが、専用の減圧弁を設けず、油圧制御弁を介して減圧制御を行うことが検討されている。これは、ノズルニードルが閉弁を保持した状態で、油圧制御弁の弁体を低圧ポートと高圧ポートの中間のリフト位置（ハーフリフト）までリフトさせ、コモンレールの燃料をドレーン通路へ逃がすことにより可能になる。また、燃料噴射率についても、弁体をハーフリフト可能とすることによって、制御室の圧力の制御が容易になるので、少量の燃料噴射等を精度よく行い、燃料噴射弁の性能向上が期待できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料噴射弁では、高圧ポートの燃料圧を受けている弁体を低圧ポートからリフトさせるために大きなエネルギーを必要とし、しかも弁体が一旦リフトすると、燃料圧がリフト方向にも作用することから、弁体をハーフリフト位置に安定して制御することは、極めて難しい。従って、現状では、上記構成の油圧制御弁を適用した燃料噴射弁においてハーフリフト制御を行うことは困難であった。
【０００６】
本発明の目的は、圧電アクチュエータを用いた油圧制御弁において、安定したハーフリフト制御を可能にし、燃料噴射弁の噴射率制御やコモンレールの減圧制御の制御性を向上させることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の油圧制御弁は、圧電または磁歪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して、該弁体により高圧通路に連通する高圧ポートと低圧通路に連通する低圧ポートのいずれか一方を選択的に閉鎖するものである。この油圧制御弁は、上記アクチュエータにエネルギーを供給した時に上記低圧ポートを開いて上記高圧ポートを閉じ、該エネルギーを放出した時に上記高圧ポートを開いて上記低圧ポートを閉じる構成としてあり、かつ上記低圧ポートを開く時に必要なエネルギーよりも、上記高圧ポートを閉じる時に必要なエネルギーを大きくしたことを特徴とする。
【０００８】
上記構成において、上記アクチュエータに、上記弁体が上記低圧ポートを開くのに必要なエネルギーを供給すると、上記弁体がリフトして高圧ポート方向へ移動を開始する。ところが、このエネルギーは、上記高圧ポートを閉じる時に必要なエネルギーよりも小さいため、上記弁体は上記高圧ポートを閉じることはできない。つまり、上記アクチュエータに供給するエネルギーを、上記高圧ポートを閉じる時に必要なエネルギーより低い適正値に設定すれば、上記弁体を上記低圧ポートと上記高圧ポートの間に保持するハーフリフトが可能となり、上記アクチュエータへのエネルギーの供給量または印加電圧にて、ハーフリフトのリフト量が安定して制御できる。
【０００９】
請求項１において、上記油圧制御弁は、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と、該油圧室の油圧を受けて上記弁体を駆動するピストン部材を有する。そして、上記低圧ポートのシート面積をＳL （ｍｍ2 ）、上記高圧ポートのシート面積をＳH （ｍｍ2 ）、上記油圧室の容積をＶ（ｍｍ3 ）、上記油圧室内の作動油の体積弾性率をγ（Ｋｇ／ｍｍ2 ）、上記ピストン部材の受圧面積をｓ（ｍｍ2 ）、上記弁体が上記低圧シートから上記高圧シートに移動するためのリフト量をＬ（ｍｍ）、上記高圧通路の圧力をＰ（Ｋｇ／ｍｍ2 ）とした時に、下記式
ＳH ・Ｐ・Ｌ＋１／２・（ＳH ・Ｐ／ｓ）2 ・Ｖ／γ
＞１／２・（ＳL ・Ｐ／ｓ）2 ・Ｖ／γ
の関係にあるように、各部材を構成する。
【００１０】
上記油圧制御弁において、上記高圧ポートを閉鎖するために必要なエネルギーは、ＳH ・Ｐ・Ｌ＋１／２・（ＳH ・Ｐ／ｓ）2 ・Ｖ／γで表される。一方、上記低圧ポートを開放するために必要なエネルギーは、１／２・（ＳL ・Ｐ／ｓ）2 ・Ｖ／γとなる。従って、ＳH ・Ｐ・Ｌ＋１／２・（ＳH ・Ｐ／ｓ）2 ・Ｖ／γ＞１／２・（ＳL ・Ｐ／ｓ）2 ・Ｖ／γが成立するように、上記油圧制御弁を構成すれば、上記効果が確実に得られる。
【００１１】
請求項２のように、具体的には、上記アクチュエータに、上記弁体が上記低圧ポートを開く時に必要なエネルギー以上であり、上記高圧ポートを閉じる時に必要なエネルギーよりも小さいエネルギーを供給することにより、上記弁体をハーフリフト位置に制御することができる。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１または２記載の油圧制御弁を備える燃料噴射弁であり、上記弁体の駆動によってノズルニードルに作用する油圧を制御することにより燃料噴射の開始および停止を制御する。上記油圧制御弁を適用することによって、ハーフリフトによる燃料噴射率制御、コモンレール圧力の減圧制御が容易になり、高性能の燃料噴射弁が実現できる。
【００１３】
【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。
【００１４】
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。
【００１５】
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、低圧ポートであるドレーンポート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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
油圧制御弁１は、ハウジングＨの上端部内に収容される圧電アクチュエータ１４を駆動源として有している。圧電アクチュエータ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。圧電アクチュエータ１４は公知の構成で、ＰＺＴ等の圧電体を積層してなり、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。
【００２０】
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、圧電アクチュエータ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内の作動油が圧電アクチュエータ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。
【００２１】
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、圧電アクチュエータ１４の変位を油圧変換し、大小ピストン１７、１８の径差に応じて増幅して（例えば、大径ピストン１７の変位の２〜３倍）、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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
上記構成の燃料噴射弁の作動を説明する。弁体５２をフルリフトさせる通常の燃料噴射制御時には、燃料噴射の開始に当たり、圧電アクチュエータ１４にドレーンポート２１を開としかつ高圧ポート３２を閉とするために十分な電圧（例えば１００〜１５０Ｖ）が印加される。圧電アクチュエータ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、圧電アクチュエータ１４の変位に対しておおよそ大径ピストン１７と小径ピストン１８の面積比（例えば２倍）だけ拡大される。
【００２５】
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。
【００２６】
燃料噴射の停止に当たっては、圧電アクチュエータ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、圧電アクチュエータ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。
【００２７】
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。
【００２８】
次に、油圧制御弁１の弁体５２をハーフリフトさせる場合について説明する。本発明では、ドレーンポート２１を開とするために圧電アクチュエータ１４に必要なエネルギーＥが、高圧ポート３２を閉とするために圧電アクチュエータ１４に必要なエネルギーＥ´よりも小さくなるように、各部材を設計する。そして、圧電アクチュエータ１４に供給するエネルギーを、ドレーンポート２１を開とするために圧電アクチュエータ１４に必要なエネルギーＥ以上で、高圧ポート３２を閉とするために圧電アクチュエータ１４に必要なエネルギーＥ´よりも小さい範囲で適宜設定すれば、弁体５２をドレーンポート２１と高圧ポート３２の中間のハーフリフト位置に保持することが可能となる。
【００２９】
図２は、上記燃料噴射弁Ｖの構成を模式的に示す図で、圧電アクチュエータ１４の変位を弁体５２に伝達するための主な構成部材として、大径ピストン１７、変位拡大室６、小径ピストン１８が図示してある。ここで、弁体５２によって開閉されるドレーンポート２１のシート面積をＳL （ｍｍ2 ）、高圧ポート３２のシート面積をＳH （ｍｍ2 ）、直径をｄH （ｍｍ）、変位拡大室６の容積をＶ（ｍｍ3 ）、ドレーンポート２１開の時の作動圧をｐ（Ｋｇ／ｍｍ2 ）、高圧ポート３２閉の作動圧をｐ´（Ｋｇ／ｍｍ2 ）、変位拡大室６内の作動油の体積弾性率をγ（Ｋｇ／ｍｍ2 ）、小径ピストン１８の受圧面積をｓ（ｍｍ2 ）、直径をｄs （ｍｍ）、大径ピストン１７の受圧面積をＳ（ｍｍ2 ）、弁体５２がドレーンシート５３から高圧シート５４に移動するためのリフト量をＬ（ｍｍ）、高圧通路３の圧力（＝コモンレールの圧力）をＰ（Ｋｇ／ｍｍ2 ）、圧電アクチュエータ１４の変位をδとする。この時、ドレーンポート２１を開とするための力Ｆは、下記式（１）で表される。
（１）Ｆ＝ＳL ・Ｐ＝ｓ・ｐ＝ｓ・γ・（Ｓ・δ／Ｖ）
また、この時、圧電アクチュエータ１４に必要なエネルギーＥは下記式（２）のようになる。
（２）Ｅ＝１／２・δ・Ｓ・ｐ
＝１／２・（Ｖ・ＳL ・Ｐ／ｓ・γ・Ｓ）・Ｓ・（ＳL ・Ｐ／ｓ）
＝１／２・（ＳL ・Ｐ／ｓ）2 ・Ｖ／γ
【００３０】
一方、高圧ポート３２を閉とするための力Ｆ´は、下記式（３）で表される 。
（３）Ｆ´＝ＳH ・Ｐ＝ｓ・ｐ´＝ｓ・γ・（Ｓ・δ´／Ｖ）
また、この時、圧電アクチュエータ１４に必要なエネルギーＥ´は下記式（４）のようになる。
（４）Ｅ´＝ｐ´・ｓ・Ｌ＋１／２・δ´・Ｓ・ｐ´
＝ＳH ・Ｐ・Ｌ＋１／２・（ＳH ・Ｐ／ｓ）2 ・Ｖ／γ
ここで、式（４）中、ＳH ・Ｐ・Ｌは弁体５２の仕事量、１／２・（ＳH ・Ｐ／ｓ）2 ・Ｖ／γは圧力上昇仕事量を表す。
【００３１】
これら式（１）〜（４）から、Ｅ´＞Ｅを満足するための、ＳL 、ＳH 、Ｖ、ｓ、Ｌの関係は、下記式（５）のようになる。
（５）ＳH ・Ｐ・Ｌ＋１／２・（ＳH ・Ｐ／ｓ）2 ・Ｖ／γ
＞１／２・（ＳL ・Ｐ／ｓ）2 ・Ｖ／γ
従って、式（５）が成立するようにこれらＳL 、ＳH 、Ｖ、ｓ、Ｌの各値を設定すれば、ドレーンポート２１を開とするためのエネルギーＥより高圧ポート３２を閉とするためのエネルギーＥ´が大きくなるので、ハーフリフト制御が容易にできる。
【００３２】
以下に、具体的な実施例を示す。例えば、高圧シート５４の直径ｄH ＝０．５ｍｍ、コモンレールの圧力Ｐ＝２０００Ｋｇ／ｃｍ2 ＝２０Ｋｇ／ｍｍ2 、弁体５２のリフト量Ｌ＝０．０３ｍｍ、小径ピストン１８の直径ｄs ＝５ｍｍ、変位拡大室６の容積Ｖ＝５ｍｍ3 、体積弾性率γ＝１００Ｋｇ／ｍｍ2 とした時の、ドレーンシート５３の直径ｄL を求める。
高圧ポート３２のシート面積ＳH 、小径ピストン１８の受圧面積ｓは、それぞれ次の式から算出される。
ＳH ＝π／４・ｄH 2 ＝π×（０．５）2 ／４＝０．１９６（ｍｍ2 ）
ｓ＝π／４・ｄs 2 ＝π×５2 ／４＝１９．６（ｍｍ2 ）
そこで、式（５）にこれら値を代入すると、
０．１９６×２０×０．０３＋１／２・（０．１９６×２０／１９．６）2
・１００／５＞１／２・（ＳL ・×２０／１９．６）2 ・１００／５
となる。これより、ドレーンポート２１のシート面積ＳL 、さらにドレーンシート５３の直径ｄL は以下のように表される。
０．１１８×０．００１＞０．０２６・ＳL 2
ＳL ＜√（０．１１９／０．０２６）＝２．１４（ｍｍ2 ）
ｄL ＜√（４×２．１４／π）＝１．６５（ｍｍ）
【００３３】
以上より、ドレーンシート５３の直径ｄL が１．６５（ｍｍ）より小さくなるように設定すれば、式（５）が成立する。そして、ドレーンポート２１を開とするためのエネルギーＥ以上で、高圧ポート３２を閉とするためのエネルギーＥ´より小さくなるように、圧電アクチュエータ１４への印加電圧を設定すれば、高圧ポート３２が閉鎖されることがないので、弁体５２を確実にハーフリフト位置に保持できる。よって、ハーフリフト制御を利用した燃料噴射弁の噴射率制御やコモンレールの減圧制御が可能になり、コンパクトで高性能な燃料噴射弁が実現される。
【００３４】
上記実施の形態では、圧電アクチュエータを用いたが、これに限るものではなく、同様に通電により変位を発生する磁歪素子を用いた磁歪アクチュエータを用いてもよい。また、制御弁として３方弁を用いる必要はなく、２方弁等、他の方式でノズルニードルを開閉させる構成でもよい。
【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】第１の実施の形態における燃料噴射弁の概略構成を示す模式的な図である。
【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 圧電アクチュエータ
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（ピストン部材）
２ ドレーン通路（低圧通路）
２１ ドレーンポート
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
７１ スプリング
７２ 通路
８ 逆止弁
８１ フラット弁
８２ 皿バネ
８３ 逆止弁ホルダ
８４ ピンホール
８５ 貫通穴
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電または磁歪アクチュエータを用いた油圧制御弁、およびこの油圧制御弁を内蔵する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、応答性の良好な圧電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、圧電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、大径ピストンの変位を変位拡大室および小径ピストンにより拡大して弁体に伝達する。
【０００３】
弁体は、コモンレールに連通する高圧ポートとドレーン通路に連通する低圧ポートのいずれか一方を選択的に閉鎖し、燃料噴射弁のノズルニードルの背圧を制御する。すなわち、弁体が低圧ポートを開いて高圧ポートを閉じると、ノズルニードルに背圧を与える制御室の圧力が低下し、ノズルニードルが上昇して噴孔から燃料が噴射される。一方、弁体が高圧ポートを開いて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】
ところで、コモンレール式燃料噴射システムでは、エンジンの運転状態に応じた燃料噴射を行うために、燃料噴射圧力（コモンレール圧力）と燃料噴射率（単位時間当たりの燃料噴射量）の制御性を向上させることが重要である。コモンレール圧力については、通常、高圧供給ポンプからコモンレールへの圧送量によって調整され、急な減圧要求に対してはコモンレールに設けた減圧弁によって対応しているが、専用の減圧弁を設けず、油圧制御弁を介して減圧制御を行うことが検討されている。これは、ノズルニードルが閉弁を保持した状態で、油圧制御弁の弁体を低圧ポートと高圧ポートの中間のリフト位置（ハーフリフト）までリフトさせ、コモンレールの燃料をドレーン通路へ逃がすことにより可能になる。また、燃料噴射率についても、弁体をハーフリフト可能とすることによって、制御室の圧力の制御が容易になるので、少量の燃料噴射等を精度よく行い、燃料噴射弁の性能向上が期待できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料噴射弁では、高圧ポートの燃料圧を受けている弁体を低圧ポートからリフトさせるために大きなエネルギーを必要とし、しかも弁体が一旦リフトすると、燃料圧がリフト方向にも作用することから、弁体をハーフリフト位置に安定して制御することは、極めて難しい。従って、現状では、上記構成の油圧制御弁を適用した燃料噴射弁においてハーフリフト制御を行うことは困難であった。
【０００６】
本発明の目的は、圧電アクチュエータを用いた油圧制御弁において、安定したハーフリフト制御を可能にし、燃料噴射弁の噴射率制御やコモンレールの減圧制御の制御性を向上させることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の油圧制御弁は、圧電または磁歪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して、該弁体により高圧通路に連通する高圧ポートと低圧通路に連通する低圧ポートのいずれか一方を選択的に閉鎖するものである。この油圧制御弁は、上記アクチュエータにエネルギーを供給した時に上記低圧ポートを開いて上記高圧ポートを閉じ、該エネルギーを放出した時に上記高圧ポートを開いて上記低圧ポートを閉じる構成としてあり、かつ上記低圧ポートを開く時に必要なエネルギーよりも、上記高圧ポートを閉じる時に必要なエネルギーを大きくしたことを特徴とする。
【０００８】
上記構成において、上記アクチュエータに、上記弁体が上記低圧ポートを開くのに必要なエネルギーを供給すると、上記弁体がリフトして高圧ポート方向へ移動を開始する。ところが、このエネルギーは、上記高圧ポートを閉じる時に必要なエネルギーよりも小さいため、上記弁体は上記高圧ポートを閉じることはできない。つまり、上記アクチュエータに供給するエネルギーを、上記高圧ポートを閉じる時に必要なエネルギーより低い適正値に設定すれば、上記弁体を上記低圧ポートと上記高圧ポートの間に保持するハーフリフトが可能となり、上記アクチュエータへのエネルギーの供給量または印加電圧にて、ハーフリフトのリフト量が安定して制御できる。
【０００９】
請求項１において、上記油圧制御弁は、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と、該油圧室の油圧を受けて上記弁体を駆動するピストン部材を有する。そして、上記低圧ポートのシート面積をＳL （ｍｍ2 ）、上記高圧ポートのシート面積をＳH （ｍｍ2 ）、上記油圧室の容積をＶ（ｍｍ3 ）、上記油圧室内の作動油の体積弾性率をγ（Ｋｇ／ｍｍ2 ）、上記ピストン部材の受圧面積をｓ（ｍｍ2 ）、上記弁体が上記低圧シートから上記高圧シートに移動するためのリフト量をＬ（ｍｍ）、上記高圧通路の圧力をＰ（Ｋｇ／ｍｍ2 ）とした時に、下記式
ＳH ・Ｐ・Ｌ＋１／２・（ＳH ・Ｐ／ｓ）2 ・Ｖ／γ
＞１／２・（ＳL ・Ｐ／ｓ）2 ・Ｖ／γ
の関係にあるように、各部材を構成する。
【００１０】
上記油圧制御弁において、上記高圧ポートを閉鎖するために必要なエネルギーは、ＳH ・Ｐ・Ｌ＋１／２・（ＳH ・Ｐ／ｓ）2 ・Ｖ／γで表される。一方、上記低圧ポートを開放するために必要なエネルギーは、１／２・（ＳL ・Ｐ／ｓ）2 ・Ｖ／γとなる。従って、ＳH ・Ｐ・Ｌ＋１／２・（ＳH ・Ｐ／ｓ）2 ・Ｖ／γ＞１／２・（ＳL ・Ｐ／ｓ）2 ・Ｖ／γが成立するように、上記油圧制御弁を構成すれば、上記効果が確実に得られる。
【００１１】
請求項２のように、具体的には、上記アクチュエータに、上記弁体が上記低圧ポートを開く時に必要なエネルギー以上であり、上記高圧ポートを閉じる時に必要なエネルギーよりも小さいエネルギーを供給することにより、上記弁体をハーフリフト位置に制御することができる。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１または２記載の油圧制御弁を備える燃料噴射弁であり、上記弁体の駆動によってノズルニードルに作用する油圧を制御することにより燃料噴射の開始および停止を制御する。上記油圧制御弁を適用することによって、ハーフリフトによる燃料噴射率制御、コモンレール圧力の減圧制御が容易になり、高性能の燃料噴射弁が実現できる。
【００１３】
【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。
【００１４】
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。
【００１５】
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、低圧ポートであるドレーンポート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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
油圧制御弁１は、ハウジングＨの上端部内に収容される圧電アクチュエータ１４を駆動源として有している。圧電アクチュエータ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。圧電アクチュエータ１４は公知の構成で、ＰＺＴ等の圧電体を積層してなり、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。
【００２０】
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、圧電アクチュエータ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内の作動油が圧電アクチュエータ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。
【００２１】
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、圧電アクチュエータ１４の変位を油圧変換し、大小ピストン１７、１８の径差に応じて増幅して（例えば、大径ピストン１７の変位の２〜３倍）、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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
上記構成の燃料噴射弁の作動を説明する。弁体５２をフルリフトさせる通常の燃料噴射制御時には、燃料噴射の開始に当たり、圧電アクチュエータ１４にドレーンポート２１を開としかつ高圧ポート３２を閉とするために十分な電圧（例えば１００〜１５０Ｖ）が印加される。圧電アクチュエータ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、圧電アクチュエータ１４の変位に対しておおよそ大径ピストン１７と小径ピストン１８の面積比（例えば２倍）だけ拡大される。
【００２５】
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。
【００２６】
燃料噴射の停止に当たっては、圧電アクチュエータ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、圧電アクチュエータ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。
【００２７】
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。
【００２８】
次に、油圧制御弁１の弁体５２をハーフリフトさせる場合について説明する。本発明では、ドレーンポート２１を開とするために圧電アクチュエータ１４に必要なエネルギーＥが、高圧ポート３２を閉とするために圧電アクチュエータ１４に必要なエネルギーＥ´よりも小さくなるように、各部材を設計する。そして、圧電アクチュエータ１４に供給するエネルギーを、ドレーンポート２１を開とするために圧電アクチュエータ１４に必要なエネルギーＥ以上で、高圧ポート３２を閉とするために圧電アクチュエータ１４に必要なエネルギーＥ´よりも小さい範囲で適宜設定すれば、弁体５２をドレーンポート２１と高圧ポート３２の中間のハーフリフト位置に保持することが可能となる。
【００２９】
図２は、上記燃料噴射弁Ｖの構成を模式的に示す図で、圧電アクチュエータ１４の変位を弁体５２に伝達するための主な構成部材として、大径ピストン１７、変位拡大室６、小径ピストン１８が図示してある。ここで、弁体５２によって開閉されるドレーンポート２１のシート面積をＳL （ｍｍ2 ）、高圧ポート３２のシート面積をＳH （ｍｍ2 ）、直径をｄH （ｍｍ）、変位拡大室６の容積をＶ（ｍｍ3 ）、ドレーンポート２１開の時の作動圧をｐ（Ｋｇ／ｍｍ2 ）、高圧ポート３２閉の作動圧をｐ´（Ｋｇ／ｍｍ2 ）、変位拡大室６内の作動油の体積弾性率をγ（Ｋｇ／ｍｍ2 ）、小径ピストン１８の受圧面積をｓ（ｍｍ2 ）、直径をｄs （ｍｍ）、大径ピストン１７の受圧面積をＳ（ｍｍ2 ）、弁体５２がドレーンシート５３から高圧シート５４に移動するためのリフト量をＬ（ｍｍ）、高圧通路３の圧力（＝コモンレールの圧力）をＰ（Ｋｇ／ｍｍ2 ）、圧電アクチュエータ１４の変位をδとする。この時、ドレーンポート２１を開とするための力Ｆは、下記式（１）で表される。
（１）Ｆ＝ＳL ・Ｐ＝ｓ・ｐ＝ｓ・γ・（Ｓ・δ／Ｖ）
また、この時、圧電アクチュエータ１４に必要なエネルギーＥは下記式（２）のようになる。
（２）Ｅ＝１／２・δ・Ｓ・ｐ
＝１／２・（Ｖ・ＳL ・Ｐ／ｓ・γ・Ｓ）・Ｓ・（ＳL ・Ｐ／ｓ）
＝１／２・（ＳL ・Ｐ／ｓ）2 ・Ｖ／γ
【００３０】
一方、高圧ポート３２を閉とするための力Ｆ´は、下記式（３）で表される 。
（３）Ｆ´＝ＳH ・Ｐ＝ｓ・ｐ´＝ｓ・γ・（Ｓ・δ´／Ｖ）
また、この時、圧電アクチュエータ１４に必要なエネルギーＥ´は下記式（４）のようになる。
（４）Ｅ´＝ｐ´・ｓ・Ｌ＋１／２・δ´・Ｓ・ｐ´
＝ＳH ・Ｐ・Ｌ＋１／２・（ＳH ・Ｐ／ｓ）2 ・Ｖ／γ
ここで、式（４）中、ＳH ・Ｐ・Ｌは弁体５２の仕事量、１／２・（ＳH ・Ｐ／ｓ）2 ・Ｖ／γは圧力上昇仕事量を表す。
【００３１】
これら式（１）〜（４）から、Ｅ´＞Ｅを満足するための、ＳL 、ＳH 、Ｖ、ｓ、Ｌの関係は、下記式（５）のようになる。
（５）ＳH ・Ｐ・Ｌ＋１／２・（ＳH ・Ｐ／ｓ）2 ・Ｖ／γ
＞１／２・（ＳL ・Ｐ／ｓ）2 ・Ｖ／γ
従って、式（５）が成立するようにこれらＳL 、ＳH 、Ｖ、ｓ、Ｌの各値を設定すれば、ドレーンポート２１を開とするためのエネルギーＥより高圧ポート３２を閉とするためのエネルギーＥ´が大きくなるので、ハーフリフト制御が容易にできる。
【００３２】
以下に、具体的な実施例を示す。例えば、高圧シート５４の直径ｄH ＝０．５ｍｍ、コモンレールの圧力Ｐ＝２０００Ｋｇ／ｃｍ2 ＝２０Ｋｇ／ｍｍ2 、弁体５２のリフト量Ｌ＝０．０３ｍｍ、小径ピストン１８の直径ｄs ＝５ｍｍ、変位拡大室６の容積Ｖ＝５ｍｍ3 、体積弾性率γ＝１００Ｋｇ／ｍｍ2 とした時の、ドレーンシート５３の直径ｄL を求める。
高圧ポート３２のシート面積ＳH 、小径ピストン１８の受圧面積ｓは、それぞれ次の式から算出される。
ＳH ＝π／４・ｄH 2 ＝π×（０．５）2 ／４＝０．１９６（ｍｍ2 ）
ｓ＝π／４・ｄs 2 ＝π×５2 ／４＝１９．６（ｍｍ2 ）
そこで、式（５）にこれら値を代入すると、
０．１９６×２０×０．０３＋１／２・（０．１９６×２０／１９．６）2
・１００／５＞１／２・（ＳL ・×２０／１９．６）2 ・１００／５
となる。これより、ドレーンポート２１のシート面積ＳL 、さらにドレーンシート５３の直径ｄL は以下のように表される。
０．１１８×０．００１＞０．０２６・ＳL 2
ＳL ＜√（０．１１９／０．０２６）＝２．１４（ｍｍ2 ）
ｄL ＜√（４×２．１４／π）＝１．６５（ｍｍ）
【００３３】
以上より、ドレーンシート５３の直径ｄL が１．６５（ｍｍ）より小さくなるように設定すれば、式（５）が成立する。そして、ドレーンポート２１を開とするためのエネルギーＥ以上で、高圧ポート３２を閉とするためのエネルギーＥ´より小さくなるように、圧電アクチュエータ１４への印加電圧を設定すれば、高圧ポート３２が閉鎖されることがないので、弁体５２を確実にハーフリフト位置に保持できる。よって、ハーフリフト制御を利用した燃料噴射弁の噴射率制御やコモンレールの減圧制御が可能になり、コンパクトで高性能な燃料噴射弁が実現される。
【００３４】
上記実施の形態では、圧電アクチュエータを用いたが、これに限るものではなく、同様に通電により変位を発生する磁歪素子を用いた磁歪アクチュエータを用いてもよい。また、制御弁として３方弁を用いる必要はなく、２方弁等、他の方式でノズルニードルを開閉させる構成でもよい。
【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】第１の実施の形態における燃料噴射弁の概略構成を示す模式的な図である。
【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 圧電アクチュエータ
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（ピストン部材）
２ ドレーン通路（低圧通路）
２１ ドレーンポート
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
７１ スプリング
７２ 通路
８ 逆止弁
８１ フラット弁
８２ 皿バネ
８３ 逆止弁ホルダ
８４ ピンホール
８５ 貫通穴
Claims (3)
- 圧電または磁歪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して、該弁体により高圧通路に連通する高圧ポートと低圧通路に連通する低圧ポートのいずれか一方を選択的に閉鎖する油圧制御弁であって、
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と、該油圧室の油圧を受けて上記弁体を駆動するピストン部材を有し、上記低圧ポートのシート面積をＳ L （ｍｍ 2 ）、上記高圧ポートのシート面積をＳ H （ｍｍ 2 ）、上記油圧室の容積をＶ（ｍｍ 3 ）、上記油圧室内の作動油の体積弾性率をγ（Ｋｇ／ｍｍ 2 ）、上記ピストン部材の受圧面積をｓ（ｍｍ 2 ）、上記弁体が上記低圧シートから上記高圧シートに移動するためのリフト量をＬ（ｍｍ）、上記高圧通路の圧力をＰ（Ｋｇ／ｍｍ 2 ）とした時に、下記式
Ｓ H ・Ｐ・Ｌ＋１／２・（Ｓ H ・Ｐ／ｓ） 2 ・Ｖ／γ
＞１／２・（Ｓ L ・Ｐ／ｓ） 2 ・Ｖ／γ
の関係にあり、
上記アクチュエータにエネルギーを供給した時に上記低圧ポートを開いて上記高圧ポートを閉じ、該エネルギーを放出した時に上記高圧ポートを開いて上記低圧ポートを閉じる構成とし、かつ上記低圧ポートを開く時に必要なエネルギーよりも、上記高圧ポートを閉じる時に必要なエネルギーを大きくしたことを特徴とする油圧制御弁。 - 上記アクチュエータに、上記弁体が上記低圧ポートを開く時に必要なエネルギー以上であり、上記高圧ポートを閉じる時に必要なエネルギーよりも小さいエネルギーを供給して、上記弁体をハーフリフト位置に制御する請求項１記載の油圧制御弁。
- 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ノズルニードルに作用する油圧を制御することにより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。
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