JP2003510507A - 液体を制御するための弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 液体を制御するための弁が、弁部材（２）の操作のための圧電式アクチュエータ（３）を備えており、弁部材が、その一方の端部に弁閉鎖部材を形成している弁ヘッド（７）を有しており、弁（１）の開放および閉鎖のために弁ヘッドが弁体（６）に設けられた座（８）と協働している。圧電式アクチュエータの、弁部材（２）とは逆の側に液圧室（２１）が設けられており、液圧室が少なくとも１つの液圧導管（２３）を介して、弁部材（２）に設けられていて圧電式アクチュエータ（３）に対してシールされた孔（５）に連通しており、かつ、液圧室内に、圧電式アクチュエータ（３）に結合されたピストン（２０）が潜入可能であり、その場合、液圧室（２１）が液力的なばねとして形成されており、この液力的なばねが、圧電式アクチュエータ（３）に結合されたピストン（２０）へのそのばね力によって予負荷エレメントと誤差補償エレメントとを実現している。この弁は特に燃料噴射弁の構成部分として設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 背景技術 本発明は請求項１の上位概念に記載した形式による、液体を制御するための弁
から出発する。ヨーロッパ特許出願公開第０４７７４００号明細書からは、圧電
式アクチュエータを介して操作されるこの種の弁が既に公知である。この公知の
弁は圧電式アクチュエータの距離変換器のための行程方向で作用す付加的かつ機
械的な誤差補償のための装置を有しており、この装置で圧電式アクチュエータの
変位が液圧室を介して伝達される。

【０００２】 いわゆる液圧的な変速伝達機構として作動するこの液圧室は、この液圧室を制
限する２つのピストンの間に１つの共通の補償容積を閉ざしている。その場合、
２つのピストンのうちの一方のピストンは他方のピストンよりも小さな直径を有
していて、起動制御されるべき弁部材に結合されており、かつ他方のピストンは
一方のピストンよりも大きな直径を有していて圧電式アクチュエータに結合され
ている。液圧室は、大きい方のピストンが圧電式アクチュエータによって所定の
距離だけ運動させられた場合に、休止位置で単数または複数のばねによって所定
の位置に対して相対的に保持された弁部材の操作ピストンがピストンの直径の伝
達比に相応する分だけ大きな行程を実施するように、両方のピストンの間に緊縮
されている。その場合、弁部材、ピストンおよび圧電式アクチュエータは１つの
共通の軸線上に互いに前後して位置している。

【０００３】 液圧室の補償容積を介して、構成部分内の温度勾配または使用された材料の種
々異なる温度膨張係数に起因する誤差ならびに場合によりセット効果（Setz-
effekt）が補償され、このことにより、起動制御されるべき弁部材の位置の変化
が生じない。

【０００４】 しかし２つのピストンの間に配置された液圧室による、圧電式アクチュエータ
、弁部材または弁ケーシングの長さ変化の補償は不経済な構造を必要とし、かつ
漏れ損失の発生と液圧室の再充填とに関連して問題がある。

【０００５】 さらに、可能な限り大きな行程を得るために圧電式アクチュエータが複数の薄
い層から構成されることは既に以前から公知である。これらの層が圧電式アクチ
ュエータの通電時に互いに解離しないようにするためには、圧電式アクチュエー
タは予負荷される必要があり、その場合、加えられる力はほぼ１０００Ｎになる
ことがある。

【０００６】 実地において、圧電式アクチュエータの予負荷のために皿ばねまたはバンドば
ねが使用される。その場合、予負荷のために必要なばねが複雑な構造を生じ、か
つ大きな組込スペースを要するのが欠点であり、その場合、後者の欠点が弁全体
の相応して大きな直径を生ぜしめ、このことにより弁の組込みの可能性が制約さ
れる。さらに、予負荷エレメントとしてのばねの使用は、ばねがその使用期間に
わたり摩擦さびを生ずるという欠点を有している。

【０００７】 本発明の課題は、圧電式アクチュエータの予負荷および誤差補償がわずかな所
要組込みスペースで、しかも可能な限りわずかな構成部分を有する簡単な構成で
実現されるような、液体を制御するための弁を形成することにある。

【０００８】 発明の利点 請求項１に記載した特徴を有する本発明による液体を制御するための弁は、液
力的なばねとして形成された液圧室によって、圧電式アクチュエータのための予
負荷エレメントと、特に温度に起因する長さ誤差のための補償エレメントとが同
時に実現されるという利点を有している。

【０００９】 圧電式アクチュエータのための誤差補償作用を同時に備えた本発明による液圧
的な予負荷エレメントでは、予負荷が液圧的に、かつわずかな所要スペースで実
現され、しかも、ばねまたはその他の機械的な予負荷エレメントが設けられてい
ないことにより、弁全体の所望のスマートな構造が可能である。

【００１０】 予負荷エレメントと、本発明により予負荷エレメント内に組み込まれた誤差補
償エレメントとの実現のための所要の構成部分の減少により、製作コストおよび
組付け費用が著しく削減される。

【００１１】 本発明の重要な利点はさらに、液圧室、液力的なばねおよびこの液力的なばね
内に潜入するピストンの寸法決めによってシステムの全剛性度を増大させること
ができることにある。液力的なばねの剛性はピストンの横断面に依存しているた
め、圧力が同じ場合に、液圧室内に潜入するピストンの横断面を増大すれば、液
力的なばねの剛性、ひいては圧電式アクチュエータへの予負荷力を相応して増大
させることができる。静的な場合には、ばね率が高くても、圧電式アクチュエー
タ、弁部材または弁体が例えば加熱時にその長さ変化を生じた場合に、装置全体
の不利な長さ変化は回避されることができる。他面において、動的な操作の際に
は、ピストンが支持されている液力的なばねの剛性は、ピストンの直径が大きく
選択されるほど大きい。その際さらに、直径増大に伴いピストンの行程損失が減
少するという利点が生ずる。

【００１２】 本発明の対象のその他の利点およひ有利な構成は本明細書、図面および請求項
から看取される。

【００１３】 本発明による液体を制御する弁の２つの実施例が図面に示されており、かつ以
下の記載で詳細に説明される。

【００１４】 実施例の説明 図１に示された第１実施例は自動車の内燃機関のための燃料噴射弁１で本発明
による弁を使用した例を示す。燃料噴射弁１はこの場合コモンレールインゼクタ
として形成されている。

【００１５】 噴射開始、噴射持続時間およひ噴射量を燃料噴射弁１内での力の関係を介して
調整するために、弁部材２が圧電式アクチュエータ３によって起動制御される。
アクチュエータ３は弁部材２の、燃焼室とは逆の側で圧電室４内に配置されてい
る。

【００１６】 ピストン形の弁部材２は、弁体６の縦孔として形成された孔５内に軸方向摺動
可能に配置されており、かつその燃焼室側の端部に、弁閉鎖部材を形成している
球状の弁ヘッド７を有している。この弁ヘッド７は弁体６に形成された座８と協
働しており、その場合、弁ヘッド７が持ち上げられた状態では、外向きに開く弁
ヘッド７に戻し力を作用させるばね１０を備えたばね室９への連通が生ずる。ば
ね室９に続いて燃焼室側に流出絞り１１が設けられており、この流出絞りは弁制
御室１２へ通じており、弁制御室内には図１に概略的に示された噴射導管１３が
開口しており、噴射導管はすべての燃料噴射弁のための共通の１つの高圧蓄圧器
室（コモンレール）１４から導出されている。高圧蓄圧器室１４はその場合、燃
料タンクから公知形式で燃料高圧フィードポンプによって高圧の燃料の供給を受
ける。

【００１７】 圧電式アクチュエータ３は複数の層から構成されており、かつ燃焼室に面した
側にアクチュエータヘッド１５を、かつ燃焼室とは逆の側にアクチュエータ足部
１６を有している。アクチュエータヘッド１５には調整ピストン１７が固定され
ており、この調整ピストンは、圧電室４から、圧電室４の燃焼室側の壁のところ
に設けた、アクチュエータヘッド１５のための支持部１８を通って、弁部材２を
支承した縦孔５内に達している。その場合、圧電室４は調整ピストン１７の領域
内でシール装置１９によって縦孔５に対してシールされている。アクチュエータ
足部１６は別のピストン２０に固定的に結合されており、このピストン２０は液
圧室２１内に潜入しており、液圧室２１は圧電式アクチュエータ３の弁部材２と
は逆の側に、それも燃料噴射弁１の組込み状態で圧電室４の上方に配置されてい
る。その場合、圧電室４は液圧室２１内へ案内されたピストン２０の領域内で別
のシール装置２２を介して液圧室２１に対してシールされている。

【００１８】 ほぼ閉じられている液圧室２１は、高圧蓄圧器室１４の圧力レベルに比して減
圧された圧力を有する低圧源から供給されて液圧室内に存在する圧力媒体によっ
て液力的なばねとして設計されており、この液圧的なばねは弁体６内に形成され
た液圧導管２３を介して、弁部材２を受容した縦孔５に連通している。その場合
、この液力的なばねは二重機能を実施する。すなわち、この液力的なばねは第１
に圧電式アクチュエータ３の予負荷エレメントとして、第２に誤差補償エレメン
トとして役立っている。

【００１９】 図１による燃料噴射弁１は以下に説明するように作動する。

【００２０】 燃料噴射弁１の閉じた状態では、要するに圧電式アクチュエータ３の無通電状
態では、弁部材２の弁ヘッド７がそれに対応して配置された座８に当接した状態
に保たれており、その結果、燃料は高圧蓄圧器室１４に連通した弁制御室１２か
ら縦孔５の領域内に達することができない。本実施例では液圧室２１内の若干高
められたほぼ６５バールのシステム圧により、圧電式アクチュエータ３は液圧ば
ねと燃焼室側の支持部１８との間で緊定される。

【００２１】 液力的なばねのばね率は、液圧室２１内に潜入しているピストン２０の直径の
増大につれて高まるため、圧電式アクチュエータ３の予負荷力はピストン２０の
直径を介して調整することができる。その場合、可能な限り大きなピストン直径
が有利である。６５バールのシステム圧で１０００Ｎの予負荷力を得るためには
、本実施例の場合、ピストン直径は１４ｍｍで充分である。この値と異なる、個
々の場合に適合する値が当業者によって選択されてもよいのはもちろんである。

【００２２】 圧電式アクチュエータ３または例えば弁部材２または弁ケーシングもしくは弁
体６のような他の弁構成部分の温度に依存した長さ変化が生じた際のように操作
が緩慢に行われる場合には、全体的に弁部材２および燃料噴射弁１の閉鎖位置お
よび開放位置へ影響をおよぼすことなしに、ピストン２０は温度上昇に伴い液圧
室２１の補償容積内へ押し込まれ、または温度低下の場合には押し戻される。

【００２３】 この燃料噴射弁１によって噴射を行わせる際には、圧電式アクチュエータ３が
通電され、このことにより、圧電式アクチュエータ３がその軸方向の長さを衝撃
的に増大せしめる。圧電式アクチュエータのこのような急速な操作時には、アク
チュエータは支持部１８に支持され、かつ液圧室２１内へ潜入しているピストン
２０によって液力的なばね上に支持され、その結果、液圧媒体が液圧室２１から
液圧導管２３を介して弁部材２の縦孔５内へ押し込まれ、このことにより、弁部
材２の弁ヘッド７がその座８から開放位置へ持上げられる。この場合も、ピスト
ン２０の比較的大きく寸法決めされた直径によって高められた剛性がポジティブ
に影響する。

【００２４】 図２に関連して燃料噴射弁１の第２実施例が示されており、この実施例でも図
面を見やすくするために機能的に同じ構成部分は図１で使用された指示符号によ
って示されている。この場合に示された燃料噴射弁１は図１の実施例に対比して
、圧電式アクチュエータ３と協働する液圧室２１の容積が外部から変化可能であ
るという点で相違している。

【００２５】 このことのために、この実施例では、略示された調整ねじが調整装置２４とし
て孔２５内に設けられており、この孔は調整ねじ２４が必要時に液圧室２１内へ
突入するようにねじ込み可能であり、このことにより、補償容積が調整ねじ２４
の位置の変化に応じて減少または増大する。この手段により、ある程度量誤差が
補償されることができる。その理由は、補償容積の剛性が容積に反比例するから
である。液圧室２１内の液力的なばねの剛性に応じて燃料噴射弁１の開放特性ひ
いては噴射量に影響をおよぼすことができる。要するに、調整ねじ２４は液圧室
２１内の補償容積の修正によって噴射量を外部から後調整することを可能にする
。

【００２６】 さらに図２による実施例では、液圧室２１を圧電室４から分離するためのシー
ル装置２２が、液圧室２１内へ潜入したピストン２０の、圧電室４の内部に位置
する領域内に配置されており、その結果、圧電室４の直径と同じ直径を有する環
状室２６が圧電室４から分離されている。図１による実施例でのように、シール
装置２２はこの場合も、場合により液圧媒体内に含まれる水成分および例えば切
粉のような有害な粒子から圧電式アクチュエータ３を保護する機能を有している
。

【００２７】 液圧導管２３はこの場合には環状室２６内へ開口しており、環状室は環状隙間
２７を介して液圧室２１に連通している。充填の作用を改善するために環状隙間
２７の領域内にはピストン２０に充填面２８が形成されている。

【００２８】 両方の実施例において、液圧室２１を充填するための液圧媒体は燃料であり、
この燃料は内燃機関の燃焼室内にも噴射される。

【００２９】 燃料供給と、弁ヘッド７の座８において流出する液圧媒体の排出並びに漏れ損
失補充とを適当に分離すれば、例えばエンジンオイルのような別のオイルを液圧
媒体として使用することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 内燃機関のための燃料噴射弁における本発明の第１実施例を縦断面して略示的
かつ部分的に示す図である。

【図２】 内燃機関のための燃料噴射弁における本発明の第２実施例を縦断面して略示的
かつ部分的に示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｍ 61/16 Ｆ０２Ｍ 61/16 Ｋ Ｑ 61/20 61/20 Ｎ Ｆ１６Ｋ 31/02 Ｆ１６Ｋ 31/02 Ａ Ｆターム(参考） 3G066 AA07 AB02 AC09 AD12 BA44 BA46 BA56 BA58 BA61 BA67 CC06T CC08T CC64T CC64U CC66 CC67 CC68T CC68U CD10 CD29 CD30 CE13 CE27 3H062 AA02 AA12 CC05 DD11 EE06 EE10 HH03 HH10

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体を制御するための弁であって、弁体（６）の孔（５）内
   で軸方向摺動可能な弁部材（２）が設けられており、この弁部材がその一方の端
   部に、閉鎖部材を形成している弁ヘッド（７）を有しており、この弁ヘッドが、
   弁（１）の開放と閉鎖とのために、弁体（６）に設けられた座（８）と協働して
   おり、かつ、弁部材（２）を操作するための圧電式アクチュエータ（３）が設け
   られており、その場合、圧電式アクチュエータ（３）のための予負荷エレメント
   （２１）と、圧電式アクチュエータ（３）およびまたはその他の弁構成部分（２
   ，６）の長さ誤差を補償するための誤差補償エレメント（２１）とが設けられて
   いる形式のものにおいて、圧電式アクチュエータ（３）の、弁部材（２）とは逆
   の側に液圧室（２１）が設けられており、この液圧室が、少なくとも１つの液圧
   導管（２３）を介して、弁部材（２）に設けられていて圧電式アクチュエータ（
   ３）に対してシールされた孔（５）に連通しており、かつ、圧電式アクチュエー
   タ（３）に結合されたピストン（２０）が液圧室内に潜入可能であり、その場合
   、液圧室（２１）が液力的なばねとして形成されており、この液力的なばねが、
   圧電式アクチュエータ（３）に結合されたピストン（２０）へのそのばね力によ
   って予負荷エレメントおよび誤差補償エレメントを実現していることを特徴とす
   る液体を制御するための弁。
2. 【請求項２】 圧電式アクチュエータ（３）が、低圧源からの液圧媒体によ
   って液圧室（２１）内に形成された液力的なばねと、圧電式アクチュエータ（３
   ）を受容している圧電室（４）の、液圧室（２１）とは逆の側の支持部（１８）
   との間に緊定されていることを特徴とする請求項１記載の弁。
3. 【請求項３】 圧電式アクチュエータ（３）が、アクチュエータヘッド（１
   ５）に固定された調整ピストン（１７）によって、圧電式アクチュエータ（３）
   に対してシールされていて弁部材（２）を受容している孔（５）内に達している
   ことを特徴とする請求項１または２記載の弁。
4. 【請求項４】 液圧室（２１）がピストン（２０）の領域内で、液圧室（２
   １）と圧電室（４）との間の環状隙間（２７）内に配置されシール装置（２２）
   によって圧電式アクチュエータ（３）に対してシールされていることを特徴とす
   る請求項２または３記載の弁。
5. 【請求項５】 液圧室（２１）が、圧電室（４）の領域内に配置されたシー
   ル装置（２２）によって圧電式アクチュエータ（３）に対してシールされており
   、圧電室（４）と同じ直径を有する環状室（２６）が圧電室（４）から分離され
   ており、その場合、環状隙間（２７）を介して液圧室（２１）に連通しているこ
   の環状室（２６）内に液圧導管（２３）が開口していることを特徴とする請求項
   ２または３記載の弁。
6. 【請求項６】 環状隙間（２７）の領域内でピストン（２０）に充填面（２
   ８）が形成されていることを特徴とする請求項５記載の弁。
7. 【請求項７】 液圧室（２１）の容積が、外部から操作可能な調整装置（２
   ４）によって変化可能であることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１
   項記載の弁。
8. 【請求項８】 調整装置が調整ねじ（２４）として形成されており、この調
   整ねじが液圧室（２１）の液圧媒体内へ潜入するようにねじ込み可能であること
   を特徴とする請求項７記載の弁。
9. 【請求項９】 内燃機関のための燃料噴射弁、特にコモンレールインゼクタ
   （１）の構成部分として使用されていることを特徴とする請求項１から８までの
   いずれか１項記載の弁。
10. 【請求項１０】 液圧室（２１）を充填するための液圧媒体が燃料から成る
    ことを特徴とする請求項９記載の弁。