JP4019934B2

JP4019934B2 - 制御弁および燃料噴射弁

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Publication number: JP4019934B2
Application number: JP2002377259A
Authority: JP
Inventors: 徹也吉村; 修一松本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2007-12-12
Anticipated expiration: 2022-12-26
Also published as: US6802298B2; EP1433952A3; JP2004204813A; DE60329454D1; US20040124277A1; EP1433952A2; EP1433952B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の燃料噴射装置に用いられる制御弁に関し、詳しくはピエゾアクチュエータで駆動される３方弁構造の圧力バランス型制御弁の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンのコモンレール燃料噴射システムにおいて、コモンレールからの燃料を燃料噴射弁の燃料通路に導入するとともに、ノズルニードルの後端面を室壁とする制御室に導入し、ノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御油として使用することが行われている。制御室の圧力は、アクチュエータによって駆動される制御弁にて制御され、制御室の圧力が低下するとノズルニードルが離座して燃料噴射がなされる。制御室の圧力が上昇するとノズルニードルが着座して燃料噴射が停止される。アクチュエータには、例えば、応答性の良好なピエゾアクチュエータを用いることができる。
【０００３】
このような制御弁の従来技術として、例えば、特許文献１、２が挙げられる。特許文献１に記載される制御弁は、２方弁で、制御室に連通する流入孔と流出孔の間を開閉する制御ピストンを有し、その両端には力補償用のガイド付加部とセンタリング付加部が設けられている。センタリング付加部は弁座に対する制御ピストンの位置決めを改善してシール性を向上する。この構成において、制御ピストンが弁座から離座すると制御室とドレーン通路が連通し、制御室から燃料が流出する。制御室とドレーン通路との間が遮断されると、コモンレールから導入される燃料によって制御室の圧力が上昇する。
【０００４】
また、特許文献２では、２方弁に代えて３方弁構造の制御弁を使用することが記載されている。３方弁は、ドレーン通路に至る第１のシートまたはコモンレールに至る第２のシートにそれぞれ着座し得る大径の弁部と摺動部を有し、着座位置によって制御室とドレーンポートまたは高圧ポートとの連通を切換えるようになっている。このようにすると、燃料噴射中は制御室とドレーンポートが連通し、高圧ポートは閉鎖されるので、燃料の流出を制限することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−８２２９５号公報
【特許文献２】
特開２０００−１３０６１４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の制御弁、特に、２箇所のシート部と摺動部で構成される３方弁構造の制御弁について検討したところ、弁構成によっては作動が不安定となったり、アクチュエータのエネルギーロスが大きくなる不具合があることが判明した。さらに、弁部形状によっては燃料中の異物による摩耗が生じて経時劣化が大きくなるといったおそれがあった。
【０００７】
本発明は上記実情に鑑みなされたもので、制御弁各部の形状やシート径、摺動径等を適切に設定することにより、制御弁の作動の安定性を向上させ、さらに耐摩耗性を改善することにより、高性能で信頼性、耐久性に優れる制御弁および燃料噴射弁を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明請求項１記載の制御弁は、通電によって変位を発生するピエゾアクチュエータによって駆動され、シリンダ内に摺動自在に配設される摺動部とこれより大径とした弁部を有する弁部材を備える。上記弁部は、上記シリンダに連続する高圧ポートおよびこれに対向して設けられるドレーンポートを有する弁室内に収容されており、上記弁部を上記ドレーンポート側のドレーンシートまたは上記高圧ポート側の高圧シートに選択的に着座させることにより上記弁室とオリフィスを介して連通する制御室の制御圧力を増減するようになっている。また、上記制御弁は、上記弁部材を上記ドレーンシート着座方向に付勢するバルブスプリングを設け、上記ドレーンシートのシート径をＤ１、上記高圧シートのシート径をＤ２、上記摺動部の摺動径をＤ３とした時に、ドレーンシート径Ｄ１＞高圧シート径Ｄ２＞摺動径Ｄ３となるように構成し、上記ピエゾアクチュエータが伸長したときに上記弁部材が上記ドレーンシートから離座し上記ドレーンポートを開放するとともに上記高圧シートに着座し上記高圧ポートを閉鎖し、上記ピエゾアクチュエータが収縮したときに上記弁部材が上記高圧シートから離座し上記高圧ポートを開放するとともに上記ドレーンシートに着座し上記ドレーンポートを閉鎖する。
【０００９】
上記構成において、上記弁部が上記ドレーンシートを閉鎖して上記高圧ポートを開放すると、上記高圧ポートから作動油が流入し制御圧力が上昇する。一方、上記弁部が上記ドレーンシートを開放して上記高圧ポートを閉鎖すると、上記ドレーンポートへ作動油が流出するため制御圧力が低下する。この時、上記弁部に連結される摺動部を設けて上記高圧ポートからの圧力を作用させ、各シート径Ｄ１、Ｄ２＞摺動径Ｄ３となるように形成すれば、作動が不安定になることなく、各シート部の開弁または閉弁時の負荷を小さくできる。さらに、アクチュエータの出力特性を考慮すると、例えばピエゾアクチュエータは変位が発生力と反比例する特性を有するため、これを効率よく利用するには上記ドレーンシートの開弁力＞上記高圧シートの閉弁力とするのがよく、ドレーンシート径Ｄ１＞高圧シート径Ｄ２とすることでこれを実現できる。よって、作動の安定性を向上させ、エネルギーロスを小さくして、高性能で高効率かつ信頼性に優れる制御弁が得られる。このように、各シート径Ｄ１、Ｄ２を摺動径Ｄ３よりやや大きく形成すると、上記弁部を上記ドレーンシートに確実に着座させ、または上記高圧シートからの離座を容易にできる。また、上記ドレーンシート径Ｄ１を上記高圧シート径Ｄ２より大きくし、上記ドレーンシートを開弁する時に負荷が最大になるようにすると、エネルギー効率が向上する。
また、応答性の良好なピエゾアクチュエータは制御弁の駆動用として有効であるが、その出力特性から３方弁に適用して安定した動作とエネルギー効率を両立させることは難しい。本発明の構成とすることで、その出力特性を効果的に利用して必要な変位と発生力を得、確実でしかも効率よい動作を実現することができる。
【００１０】
請求項２記載の発明では、上記シリンダの上記高圧ポートと反対側の端部にスプリング室を設けて上記バルブスプリングを収容する。
【００１２】
請求項３記載の発明では、上記ピエゾアクチュエータの変位を、大径ピストンおよび小径ピストンとその間に配した油密室からなる変位拡大機構を介して、上記弁部材に伝達する構成とする。
【００１３】
応答性の良好なピエゾアクチュエータは制御弁の駆動用として有効であるが、その出力特性から３方弁に適用して安定した動作とエネルギー効率を両立させることは難しい。本発明の構成とすることで、その出力特性を効果的に利用して必要な変位と発生力を得、確実でしかも効率よい動作を実現することができる。
【００１４】
請求項４記載の発明では、上記弁部の第１の面が上記ドレーンシートに、上記弁部の第２の面が上記高圧シートに着座するように構成する。そして、フラットな面とした上記ドレーンシート面に着座する上記弁部材の上記第１の面を、上記ドレーンシート面に対し、上記ドレーンシート面に対し、外周側へ向かうにしたがって上記ドレーンシート面に近づく方向に傾斜する傾斜面として、着座時に上記第１の面の外周縁部を上記ドレーンシート面に当接させ、上記弁部材が最大リフトした場合にドレーンシート径Ｄ１で規定されるシート位置が最小絞り位置となるようにしてある。
【００１５】
２箇所のシートの一方をフラットな面とすると軸ずれを許容できるが、シート位置が不安定となるため、これに当接する上記弁部の第１の面を傾斜面とし、外周縁部がシート位置となるようにする。これによりシート位置が安定し、上記シート径と摺動径の関係を維持できる。
【００１６】
請求項５記載の発明では、上記第１の面の外周縁部に、外周端縁よりやや内側に設定されたシート位置から外周側へ向かうにしたがって上記ドレーンシート面から離れる方向に傾斜する傾斜面を設け、該傾斜面と上記ドレーンシート面のなす角度を、作動流体中の異物を捕捉可能な角度に設定する。
【００１７】
上記ドレーンシートの閉弁時、上記シート位置の上下流の差圧が大きいため、シート部に漏れがあると異物による摩耗が進行しやすい。上記構成のように、上記第１の面の外周端縁部を外周側へ向かうにしたがって上記ドレーンシート面から離れる方向に傾斜する傾斜面としてその角度を小さく設定すると、シート位置の上流で異物を捕捉できるので、耐摩耗性を向上できる。
【００１８】
請求項６記載の発明では、上記シート位置の外周側へ向かうにしたがって上記ドレーンシート面から離れる方向に傾斜する上記傾斜面と上記ドレーンシート面のなす角度を、０．５°から１０°の範囲に設定する。この範囲で適切に設定することにより上記請求項５の効果が得られる。
【００１９】
請求項７記載の発明では、上記第１の面において、上記シート位置の内側の傾斜面と外側の傾斜面のなす角度を鈍角とする。
【００２０】
異物等によりシートの一部が欠けた場合、漏れ経路が長いほど流速が小さくなるため、摩耗に対して有利となる。上記シート位置の内側の傾斜面と外側の傾斜面のなす角度が鈍角であれば、漏れ経路が長くなるので摩耗を抑制する効果が高い。
【００２１】
請求項８記載の発明では、上記第２の面および上記高圧シート面をそれぞれテーパ面とし、着座時に上記第２の面の外周縁部が上記高圧シート面に当接するように、これらテーパ面のテーパ角度を設定する。
【００２２】
上記第２の面が上記高圧シートに着座した時に、上記第２の面の外周縁部がシート位置になるようにすると、シート位置の上流側にシート重なり部が形成される。流体力が作用しやすいシート重なり部で流体が圧縮される方向となるようにシートを構成することで、静圧低下を小さくして作動の安定性が向上する。
【００２３】
請求項９記載の発明では、上記第２の面と上記高圧シート面のシート重なり部を０．１ｍｍ以下とする。
【００２４】
流体力の影響を小さくするには、シート重なり部が小さいほどよく、好ましくはシート重なり部の幅を０．１ｍｍ以下とすると効果的である。
【００２５】
請求項１０は、上記制御弁を用いた燃料噴射弁の発明であり、上記弁室と上記オリフィスを介して常時連通しノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる上記制御室を備え、上記アクチュエータで上記弁部材を駆動することにより、上記制御室の圧力を増減させて上記ノズルニードルを開閉する構成とする。
【００２６】
本発明の制御弁は、燃料噴射弁のニードル背圧の制御用として有用で、上記弁部材を上記ドレーンシートまたは上記高圧シートに選択的に着座させると、上記弁室に連通する上記制御室の圧力が増減し、上記ノズルニードルを開閉駆動して燃料噴射を制御することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の第１の実施形態を説明する。図２は本発明の制御弁構成を背圧制御部１０２に適用した燃料噴射弁１０の概略構成図、図１は背圧制御部１０２を拡大した図である。燃料噴射弁１０は、例えば、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に使用され、エンジンの各気筒に対応して設けられて、共通のコモンレールから燃料の供給を受けるようになっている。コモンレールには高圧サプライポンプにより圧送される燃料が噴射圧力に相当する所定の高圧で蓄えられる。
【００２８】
図２において、燃料噴射弁１０は、ノズルニードル３を有するノズル部１０１（下端部）、３方弁構造の背圧制御部１０２（中間部）、ピエゾアクチュエ−タとしてのピエゾスタック５１を有するピエゾ駆動部１０３（上端部）からなる。燃料噴射弁１０は、図略の燃焼室壁に取付けられるハウジング１０４を有し、ハウジング１０４内には上記各部１０１〜１０３の構成部品が収納されるとともに、図略のコモンレールに連通する高圧通路１０５、図略の燃料タンクに連通するドレーン通路１０６等の通路が形成される。
【００２９】
ノズル部１０１は、ハウジング１０４の下端部内に形成した縦穴３１に、段付きのノズルニードル３を摺動自在に保持しており、ノズルニードル３の下半小径部の外周には環状の油溜まり室３２が形成されている。油溜まり室３２は常時高圧通路１０５と連通しコモンレールからの高圧燃料が供給されている。縦穴３１の下方には、これに連なってサック部３３が形成され、サック部３３形成壁を貫通して燃料噴射用の噴孔３４が形成される。
【００３０】
ノズルニードル３は下端位置にある時に、円錐形の先端部がサック部３３と縦穴３１の境界部に設けたシート３５に着座し、サック部３３を閉じて油溜まり室３２から噴孔３４への燃料供給を遮断する。ノズルニードル３が上昇してシート３５から離座し、サック部３３を開くと燃料が噴射される。
【００３１】
ノズルニードル３の上端面および縦穴３１の壁面により画成される空間は、ノズルニードル３に背圧を与える制御室４としてある。制御室４には、後述する背圧制御部１０２の弁室２１およびオリフィス２４を介して、また、高圧通路１０５からサブオリフィス４１を介して、制御油としての燃料が導入されており、ノズルニードル３の背圧を発生している。この背圧はノズルニードル３に下向きに作用して、制御室４内に収納されたスプリング４２とともにノズルニードル３を着座方向に付勢する。一方、油溜まり室３２の高圧燃料がノズルニードル３の段差面に上向きに作用しノズルニードル３を離座方向に付勢している。
【００３２】
背圧制御部１０２は、圧力バランス型の３方弁構造を有し、弁部材であるバルブニ−ドル１が弁室２１の天井面に開口するドレーンポート２２または底面に開口する高圧ポート２３を選択的に閉鎖することにより、制御圧力を増減する。ドレーンポート２２と高圧ポート２３は弁室２１の天井面中央部と底面中央部の対向位置に設けられ、ドレーンポート２２は通路２６を介してドレーン通路１０６と連通し、高圧ポート２３は通路２５を介して高圧通路１０５と連通している。弁室２１は、オリフィス２４を介して、常時、ノズル部１０１の制御室４と連通している。
【００３３】
図１（ａ）に背圧制御部１０２の主要部を拡大して示す。図示のように、バルブニードル１は、下端部が高圧ポート２３に続くシリンダ２７内に配設されて上下方向に摺動する摺動部１２となっており、上端部はこれより大径の弁部１１となって弁室２１内に位置している。弁部１１と摺動部１２をつなぐ細径部１３は高圧ポート２３内に位置し、その周囲に形成される環状空間に高圧通路１０５へ至る通路２５が開口している。
【００３４】
バルブニードル１が上端位置にある時には、弁部１１の第１の面であるフラットな頂面１ａが、弁室２１天井面のドレーンシート１４に着座してドレーンポート２２を閉鎖する。バルブニードル１が下端位置にある時には、第２の面である弁部１１の定径部から細径部１３へ向けて縮径するテーパ面１ｂが、弁室２１底面の高圧シート１５に着座する。これにより、高圧ポート２３が閉鎖される。バルブニードル１は、ピエゾ駆動部１０３により押圧駆動されることで上下動するようになっており、作動状態が切り換わるのに伴い、弁室２１に連通する制御室４の圧力、すなわちノズルニードル３の背圧が増減する。
【００３５】
バルブニードル１の摺動部１２下方には、バルブスプリング６を収容するスプリング室６１が設けてある。バルブニードル１は、バルブスプリング６によって上方に付勢されており、なお、スプリング室６１は、密室となってダンパ力が生じないように、連通路６２を介してドレーン通路１０６に通じている。このようにすると、バルブニードル１の下方への移動が抑制されることがなく、噴射開始時に弁部１１がドレーンシート１５から速やかに離座する。
【００３６】
図２において、ピエゾ駆動部１０３は、弁室２１の上方に形成した縦穴内に、上側から順にピエゾスタック５１、大径のピエゾピストン５２、小径のバルブピストン５４が同軸に配設されてなる。ピエゾピストン５２とバルブピストン５４は、縦穴内に設けたシリンダ内に摺動自在に保持される。ピエゾピストン５２とバルブピストン５４の間の空間は油密室５３としてある。
【００３７】
ピエゾスタック５１はＰＺＴ等の圧電セラミック層と電極層とが交互に積層してコンデンサ構造を有する一般的なもので、積層方向すなわち上下方向を伸縮方向としており、図示しない駆動回路により充放電されるようになっている。ピエゾスタック５１には、ピエゾピストン５２の上端部外周に設けられたピエゾスプリング５５により一定の初期荷重が印加される。これにより、ピエゾピストン５２はピエゾスタック５１の伸縮に伴い、一体に上下動する。
【００３８】
バルブピストン５４は、小径の下端部がドレーンポート２２を貫通し、弁室２１内のバルブニードル１に当接している。ピエゾピストン５２とバルブピストン５４の間には、燃料が充填されて油密室５３を形成している。従って、ピエゾスタック５１が伸長してピエゾピストン５２を押圧すると、その押圧力が油密室５３の燃料を介してバルブピストン５４に伝えられ、バルブピストン５４が下方に付勢されてバルブニードル１を押圧するようになっている。
【００３９】
ここで、バルブピストン５４は、ピエゾピストン５２よりも小径としてあるので、ピエゾスタック５１の伸長量が拡大されてバルブピストン５４の上下方向の変位に変換される。このように、大小２つのピストン５２、５４と油密室５３とは、油圧式変位拡大機構として機能する。なお、油密室５３内にはスプリング５６が配設されて、ピエゾピストン５２をピエゾスタック５１側に押圧している。
【００４０】
次に、図３を用いて上記構成の燃料噴射弁１０の作動を説明する。図３左側の図はピエゾスタック５１の非通電時で、ピエゾスタック５１は放電状態で収縮している。バルブニードル１は、弁室２１内の燃料圧力とスプリング６力により上方に付勢されて、弁部１１がドレーンシート１４に着座してドレーンポート２２を閉鎖しており、ドレーンシート１４に対向する高圧シート１５は開放されている。従って、制御室４は、オリフィス２４、弁室２１、高圧ポート２３を介して高圧通路１０５に連通するとともに、サブオリフィス４１を介して高圧通路１０５に連通し、高圧通路１０５から流入する燃料により高圧となっている。この燃料圧力とスプリング４２力によりノズルニードル３はシート３５に着座しており、燃料噴射はなされない。
【００４１】
この状態から、ピエゾスタック５１に通電すると、図３右側の図のようにピエゾスタック５１が伸長し、ピエゾピストン５２を押し下げて油密室５３の圧力を上昇させる。この圧力がバルブピストン５４を作動させてバルブニードル１を押し下げる。これにより、弁部１１がドレーンシート１４から離座してドレーンポート２２を開放し、さらに下方変位して高圧シート１５に着座し高圧ポート２３を閉鎖する。従って、制御室４が弁室２１を介してドレーンポート２２に連通するために、制御室４の圧力が降下し、ノズルニードル３の下向きの付勢力が上向きの付勢を下回ると、ノズルニードル３が離座して燃料噴射が開始される。
【００４２】
噴射停止時は、ピエゾスタック５１を放電により収縮させる。すると、ピエゾピストン５２がピエゾスタック５１と一体になって上方へ変位し、油密室５３の圧力が降下してバルブピストン５４によるバルブニードル１の押し下げ力が解除される。これにより、弁部１１が高圧シート１５から離座し、次いでドレーンシート１４に着座してドレーンポート２２を閉鎖する。従って、制御室４にオリフィス２４、サブオリフィス４１を介して流入する高圧燃料により、速やかに圧力が上昇して、ニードル３が着座し噴射が終了する。
【００４３】
なお、サブオリフィス４１は、噴射開始時に制御室４の圧力降下を緩和し、噴射停止時には制御室４の圧力上昇を促進して、ノズルニードル３を緩やかに開弁し、迅速に閉弁させる機能を有する。
【００４４】
ところで、ピエゾスタック５１の伸縮によりバルブニードル１を駆動する際には、バルブニードル１のシート部構成がその作動に大きく影響する。そこで、本実施の形態では、このシート部構成を最適化することにより、安定で効率のよい背圧制御を実現する。これについて次に説明する。
【００４５】
図１（ｂ）は、ピエゾスタック５１に非通電の状態で、バルブニードル１は弁部１１が上端位置にあって頂面１ａ外周部がドレーンシート１４に着座している。高圧ポート２２には通路２５から高圧燃料が流入し、この燃料圧は、バルブニードル１の弁部１１に対し上向きに作用するとともに、摺動部１２に対し下向きに作用している。この時、ドレーンシート径をφＤ１、摺動径をφＤ３とすると、π／４（φＤ１² −φＤ３² ）の面積に高圧が作用することになる。本実施の形態では、φＤ１＞φＤ３とし、僅かにφＤ１を大きくすることで、弁部１１がドレーンシート１４から離座して開弁する際の負荷を小さくし、かつ安定した作動を可能とする。
【００４６】
すなわち、φＤ１とφＤ３が同等であれば、上記面積に作用する燃料圧に抗してドレーンシート１４を開弁するのに必要な力（バルブ開弁力）が小さくなるため、ピエゾスタック５１の駆動エネルギーを小さくできる。ただし、非噴射時に弁部１１をドレーンシート１４に確実に着座させるために、好ましくは、図１（ｂ）に示すように僅かにφＤ１を大きくするのがよく、バルブニードル１に上向きの燃料圧を作用させてドレーンシート１４への着座状態を維持できる。なお、この逆の設定では（φＤ１＜φＤ３）、バルブニードル１に下向きに作用する燃料圧の方が大きくなるため、高圧が作用した時点で弁部１１がドレーンシート１４から離座してしまい、意図しない噴射が生じるなど制御性が悪化する。
【００４７】
一方、ピエゾスタック５１通電時には、図１（ｃ）のように、バルブニードル１の弁部１１が下端位置にあってテーパ面１ｂが高圧シート１５に着座している。高圧ポート２２の燃料圧は、弁部１１のテーパ面１ｂに対し上向きに作用するとともに、摺動部１２に対し下向きに作用している。この時、高圧シート径をφＤ２、摺動径をφＤ３とすると、π／４（φＤ２² −φＤ３² ）の面積に高圧が作用することになる。本実施の形態では、φＤ２＞φＤ３とし、僅かにφＤ２を大きくすることで、弁部１１が高圧シート１５に着座して閉弁する際の負荷を小さくし、かつ安定した作動を可能とする。
【００４８】
すなわち、φＤ２とφＤ３が同等であれば、上記面積に作用する燃料圧に抗して高圧シート１５を閉弁するのに必要な力（バルブ閉弁力）が小さくなるため、ピエゾスタック５１の駆動エネルギーを小さくできる。ただし、噴射停止時に弁部１１を高圧シート１５から確実に離座させるために、好ましくは、図１（ｃ）に示すように僅かにφＤ２を大きくするのがよい。この逆の設定では（φＤ２＜φＤ３）、バルブニードル１に下向きに作用する燃料圧の方が大きくなるため、ピエゾスタック５１への通電を解除してもバルブニードル１が初期位置（上端位置）に復帰せず、制御性が悪化する。
【００４９】
さらに、ドレーンシート径φＤ１と高圧シート径φＤ２について検討する。ピエゾスタック５１の出力特性は、図４に示す通りであり、ピエゾ発生力と変位は反比例の関係にある。すなわち、ピエゾスタック５１は変位が小さい時には大荷重を発生し、変位が大きい時には小荷重を発生するという特性を持っており、この特性に対し、上述のバルブ開弁力とバルブ閉弁力が平行になるように設定することが、最もピエゾスタック５１のエネルギ−ロスの小さい使用法となる。ここで、ピエゾスタック５１通電時、弁部１１はドレーンシート１４から離座した後、高圧シート１５に着座するために、さらに下方変位するから、必要な変位量を確保し、かつバルブ開弁力とバルブ閉弁力が平行になるように設定するには、バルブ開弁力＞バルブ閉弁力となる。すなわちφＤ１＞φＤ２となり、好ましくは僅かにφＤ１を大きくするのがよい。
【００５０】
以上より、ドレーンシート径φＤ１、高圧シート径φＤ２、摺動径φＤ３の関係は、φＤ１＞φＤ２＞φＤ３とし、好ましくは、ドレーンシート径φＤ１が高圧シート径φＤ２より僅かに大きく、高圧シート径φＤ２が摺動径φＤ３より僅かに大きくなるように構成するとよい。
【００５１】
ここで、ピエゾスタック７１で発生する駆動力は、バルブ油密室７３ｃの圧力上昇により、弁室６１内の燃料圧力やスプリングの上向き付勢力に抗して制御弁６を低圧側シート６４から離座させ、さらに下方変位させて高圧側シート６５に着座可能な駆動力となるように設定される。
【００５２】
図５に本発明の第２の実施形態を示す。本実施形態の基本構成および作動は上記第１の実施形態と同様であり、図５（ａ）に示す背圧制御部１０２においてバルブニードル１のドレーンシート１４側のシート形状（バルブ上シート形状）を改良している。図５（ｂ）のように、上記第１の実施形態のバルブニードル１は、ドレーンシート１４を開閉する弁部１１の頂面１ａをフラットな面としたが、このようにシート形状をフラットな面接触とすると、バルブニードル１のリフト量が０の時（閉弁時）、シート位置がφＤａ（弁部１１外径）〜φＤｂ（ドレーンポート２２径）の間のどこになるかはっきりせず、不安定になるおそれがある。
【００５３】
また、例えばリフト量Ｌａの場合、開口面積Ａ１、Ａ２はそれぞれ以下のようになり、最小絞り位置が径方向内側のφＤｂとなる。
開口面積Ａ１：φＤａ×Ｌａ×π
開口面積Ａ２：φＤｂ×Ｌａ×π
このため、バルブニードル１がドレーンシート１４に対し閉弁方向に移動する時、最小絞り位置が実シートとなり、上記第１の実施形態で述べたドレーンシート径φＤ１＞摺動径φＤ３の関係が崩れて、バルブ挙動が不安定になる可能性がある。
【００５４】
そこで、本実施形態では、図５（ｃ）のように、弁部１１の頂面１ａ外周部をドレーンシート１４に対し傾斜面とし、外周へ向けて緩やかにドレーンシート１４に近づく方向に傾斜させる。この場合、シート位置φＤａにおけるリフト量Ｌａに対して、φＤｂでのリフト量がＬｂとなり、開口面積Ａ１、Ａ２はそれぞれ以下のようになる。
開口面積Ａ１：φＤａ×Ｌａ×π
開口面積Ａ２：φＤｂ×Ｌｂ×π
よって、Ａ１＜Ａ２となるようにシート形状を設定すれば、最小絞り位置がシート位置φＤａとなる。このためには、
φＤａ×Ｌａ×π＜φＤｂ×Ｌｂ×π
であればよく、頂面１ａ外周部のドレーンシート１４に対する傾斜角度をθとすると、Ｌｂ＝ｔａｎθ×（φＤａ−φＤｂ）／２＋Ｌａとなるので、
φＤａ×Ｌａ×π＜｛φＤｂ×ｔａｎθ×（φＤａ−φＤｂ）／２＋Ｌａ｝×πより、θ＞ｔａｎ-1（２×Ｌａ／φＤｂ）となる。
【００５５】
以上のように、弁部１１の頂面１ａ外周部を傾斜面としてその外周縁部がドレーンシート１４に当接するようにすることで、バルブニードル１が最大リフトした場合でもシート位置が最小絞り位置となり、安定した作動が可能となる。具体的には、例えば、Ｌａ＝０．０２５ｍｍ、φＤａ＝２．６、φＤｂ＝２．０の時、傾斜角度θ＝２°とすることで、上記効果が得られる。
【００５６】
図６、７に本発明の第３の実施形態を示す。本実施形態の基本構成および作動は上記第１の実施形態と同様であり、図６（ａ）に示す背圧制御部１０２においてバルブニードル１のドレーンシート１４側のシート形状（バルブ上シート形状）を改良している。図６（ｂ）のように、本実施形態のバルブニードル１は、上記第２の実施形態と同様に、ドレーンシート１４を開閉する弁部１１の頂面１ａを外周側へ向かうにしたがって上記ドレーンシート面に近づく方向に傾斜する傾斜面としており、さらに、外周端縁よりやや内側にシート位置を設定して、ここから外周側へ向かうにしたがって上記ドレーンシート面から離れる方向に傾斜する傾斜面１ｃを設けている。この傾斜面１ｃのドレーンシート１４面に対する傾斜角度θ２（図６（ｃ）参照）は、これらの間に形成されるシート位置上流の流路において燃料中の異物を捕捉可能とし異物による摩耗を防止する観点から設定される。
【００５７】
ここで、傾斜角度θ２について検討する。図６（ｂ）において、バルブ開弁時には、シート上流圧は低くなっており、シート部での差圧は小さく、また流速も低い。さらに、時間的にも全体の数％と短い。従って、この時には、異物摩耗はあまり進行しない。異物摩耗が進行するのは、バルブ閉弁時である。弁部１１の頂面１ａの上り傾斜面の傾斜角度をθ１とした時、シート角度θ３（＝１８０°−θ１−θ２）は鈍角にすればするほど異物摩耗に対し有利となる。すなわち、バルブ閉弁時にはシート部の差圧は最大であり、図７（ａ）のように、シート角度θ３が鋭角である時、シート部に少しでも漏れがあると燃料中の異物によって、その流路がどんどん拡大される。
【００５８】
これに対し、図７（ｂ）のように、シート角度θ３が鈍角であると、漏れ経路Ｌが長くなり、流速が小さくなるため摩耗は進みにくくなる。また、シート角度θ３が鈍角になればシート時の面圧を低くできるため、摩耗量を少なくでき、リフト変位を小さくできる。ただし、加工面からは鈍角にするほど精度よくシート位置（径）を確保するのが困難となることから、例えば、シート角度θ３は約１５０°ないしその前後とすることが適当と考えられる。
【００５９】
また、傾斜角度θ２が小さければ異物を一旦捕捉できる。つまり、傾斜角度θ２（上流逃がし角度）と傾斜角度θ１（下流逃がし角度）を考えた時、異物への対策面からは、傾斜角度θ２を小さくするとシートの外側（シートから離れた位置）で異物を噛み込ませることができ、シート摩耗に対し有利な形状となる。よって、傾斜角度θ２をシート位置上流の流路において燃料中の異物を捕捉可能な角度とし、上記シート角度θ３から、例えば、θ１＋θ２≒３０°、０．５°≦θ２≦１０°の範囲に設定する。具体的には、例えば、θ１＝２５°、θ２＝２°とすることで異物摩耗に対する効果を得ることができる。
【００６０】
図８に本発明の第４の実施形態を示す。本実施形態の基本構成および作動は上記第３の実施形態と同様であり、図８（ａ）に示す背圧制御部１０２においてバルブニードル１の高圧シート１５側のシート形状（バルブ下シート形状）を改良している。図８（ｂ）において、弁部１１のテーパ面１ｂと高圧シート１５面とのなす角度をθ４とした時、上述したように、異物摩耗の面からはθ４をできるだけ小さく設定する方が有利となる。ただし、高圧シート径により高圧シート閉弁力が決まるため、これを精度よく管理する必要から面接触となるシート形状は好ましくない。
【００６１】
そこで、本実施の形態では、高圧シート１５をテーパ面とし、弁部１１のテーパ面１ｂとのなす角度θ４を、例えば、θ４＝１°と設定する。ただし、図８（ｂ）のように、この１°のシート重なり部を高圧燃料流れに対しシート下流側に構成すると、シート位置以降での圧力の低下が大きくなり、シート重なり部で圧力は負圧方向に変化する（シート静圧が下がる）。これによりバルブニードル１に下方向の力が作用し、挙動が安定しないおそれがある。このため、好適には、図８（ｃ）のように、弁部１１のテーパ面１ｂ外周端縁がシート位置となって高圧シート１５に着座するように構成する。
【００６２】
このように、バルブニードル１に流体力が作用しやすいシート重なり部をシート上流側に構成すると、シート位置で絞られてシート重なり部での圧力の低下は小さくなる。また、シート位置の下流で圧力は負圧方向に変化するが、静圧が低下する領域の上方にはバルブニードル１が位置しないため、流体力の作用は小さい。このシート重なり部は、好ましくは０．１ｍｍ程度ないしそれ以下とするとよい。上述した効果を得るには、流体力が作用する部分をできるだけ小さくするのがよい。ただし、加工面よりエッジ部のダレは０．０３ｍｍ程度は考えられるので、これを考慮してシート重なり部を例えば０．１ｍｍとすることで、より安定した作動を実現する。
【００６３】
図９に本発明の第５の実施形態を示す。本実施形態の基本構成および作動は上記第３の実施形態と同様であり、図９（ａ）に示す背圧制御部１０２においてバルブニードル１上端のバルブピストン５４との接触面形状を改良している。図９（ｂ）において、バルブニードル１は、弁部１１の頂面１ａ中央部を上方に突出させた突出部１ｄを有し、この突出部１ｄがバルブピストン５４と接触する構成とするとともに、その先端面１ｅを球面状としている。バルブピストン５４との接触面となるバルブニードル１の先端面１ｅを球面とすることで、バルブニードル１の傾きによる伝達力のロスを小さくし、バルブ摺動壁面への片当たりによる摩耗を小さくすることができる。
【００６４】
以上のように、本発明によれば、制御弁が圧力バランス型の３方弁である場合に、シート径やシート形状、その他各部の構成を最適化することにより、アクチュエータの特性を有効に活用して、作動安定性が高く効率よい燃料噴射弁を実現することができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示し、（ａ）は本発明を適用した燃料噴射弁の背圧制御部の拡大断面図、（ｂ）、（ｃ）は（ａ）の要部拡大断面図で、それぞれバルブニードルが上端位置にある図、バルブニードルが下端位置にある図である。
【図２】本発明を適用した燃料噴射弁の全体構成を示す断面図である。
【図３】燃料噴射弁の作動を説明するための図で、無噴射時と噴射時の状態を比較して示す全体断面図である。
【図４】ピエゾ発生力とピエゾ変位の関係を示す図である。
【図５】（ａ）は背圧制御部の拡大断面図、（ｂ）は第１の実施形態における弁部頂面形状を示す拡大断面図、（ｃ）は本発明の第２の実施形態における弁部頂面形状を示す拡大断面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態を示し、（ａ）は背圧制御部の拡大断面図、（ｂ）は弁部頂面形状を示す要部拡大断面図、（ｃ）は異物捕捉に対する効果を説明するための図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）は、第３の実施形態の異物摩耗に対する効果を説明するための図で、（ａ）はシート角度が鋭角の場合、（ｂ）はシート角度が鈍角の場合のシート部の拡大断面図である。
【図８】本発明の第４の実施形態を示し、（ａ）は背圧制御部の拡大断面図、（ｂ）、（ｃ）は静圧低下に対する効果を説明するための弁部下シート形状を示す拡大断面図である。
【図９】本発明の第５の実施形態を示し、（ａ）は背圧制御部の拡大断面図、（ｂ）は弁部材のバルブピストンとの接触面形状を示す要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１０燃料噴射弁
１０１ノズル部
１０２背圧制御部（制御弁）
１０３ピエゾ駆動部
１０５高圧通路（燃料供給路）
１０６ドレーン通路
１バルブニードル（弁部材）
１１弁部
１２摺動部
１４ドレーンポート
１５高圧ポート
２１弁室
２２ドレーンポート
２３高圧ポート
３ノズルニードル
３２油溜まり室
３４噴孔
４制御室
５１ピエゾスタック（アクチュエータ）
５２ピエゾピストン
５３油密室
５４バルブピストン

Claims

通電により変位を発生するピエゾアクチュエータによって駆動され、シリンダ内に摺動自在に配設される摺動部とこれより大径とした弁部を有する弁部材を備えており、上記弁部を、上記シリンダに連続する高圧ポートおよびこれに対向して設けられるドレーンポートを有する弁室内に収容して、上記ドレーンポート側のドレーンシートまたは上記高圧ポート側の高圧シートに選択的に着座させることにより上記弁室とオリフィスを介して連通する制御室の制御圧力を増減させる制御弁であって、
上記弁部材を上記ドレーンシート着座方向に付勢するバルブスプリングを設け、上記ドレーンシートのシート径をＤ１、上記高圧シートのシート径をＤ２、上記摺動部の摺動径をＤ３とした時に、ドレーンシート径Ｄ１＞高圧シート径Ｄ２＞摺動径Ｄ３となるように構成し、
上記ピエゾアクチュエータが伸長したときに上記弁部材が上記ドレーンシートから離座し上記ドレーンポートを開放するとともに上記高圧シートに着座し上記高圧ポートを閉鎖し、上記ピエゾアクチュエータが収縮したときに上記弁部材が上記高圧シートから離座し上記高圧ポートを開放するとともに上記ドレーンシートに着座し上記ドレーンポートを閉鎖することを特徴とする制御弁。
上記シリンダの上記高圧ポートと反対側の端部にスプリング室を設けて上記バルブスプリングを収容した請求項１記載の制御弁。
上記ピエゾアクチュエータの変位を、大径ピストンおよび小径ピストンとその間に配した油密室からなる変位拡大機構を介して、上記弁部材に伝達する請求項１または２記載の制御弁。
上記弁部の第１の面が上記ドレーンシートに、上記弁部の第２の面が上記高圧シートに着座するように構成するとともに、フラットな面とした上記ドレーンシート面に着座する上記弁部材の上記第１の面を、上記ドレーンシート面に対し、外周側へ向かうにしたがって上記ドレーンシート面に近づく方向に傾斜する傾斜面として、着座時に上記第１の面の外周縁部が上記ドレーンシート面に当接させ、上記弁部材が最大リフトした場合にドレーンシート径Ｄ１で規定されるシート位置が最小絞り位置となるようにした請求項１ないし３のいずれか記載の制御弁。
上記第１の面の外周縁部に、外周端縁よりやや内側に設定されたシート位置から外周側へ向かうにしたがって上記ドレーンシート面から離れる方向に傾斜する傾斜面を設け、該傾斜面と上記ドレーンシート面のなす角度を、作動流体中の異物を捕捉可能な角度に設定した請求項４記載の制御弁。
上記第１の面の外周縁部に、外周端縁よりやや内側に設定されたシート位置から外周側へ向かうにしたがって上記ドレーンシート面から離れる方向に傾斜する傾斜面を設け、該傾斜面と上記ドレーンシート面のなす角度を、０．５°から１０°の範囲に設定した請求項４記載の制御弁。
上記第１の面において、上記シート位置の内側の傾斜面と外側のなす角度を鈍角とした請求項５または６記載の制御弁。
上記第２の面および上記高圧シート面をそれぞれテーパ面とし、かつ着座時に上記第２の面の外周縁部が上記高圧シート面に当接するように、これらテーパ面のテーパ角度を設定した請求項４ないし７のいずれか記載の制御弁。
上記第２の面と上記高圧シート面のシート重なり部の幅を０．１ｍｍ以下とした請求項８記載の制御弁。
上記弁室と上記オリフィスを介して常時連通しノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御室を設け、上記アクチュエータで上記弁部材を駆動することにより、上記制御室の圧力を増減させて上記ノズルニードルを開閉する請求項１ないし９のいずれか記載の燃料噴射弁。