JP2014533800A - 流れのある媒体を調量供給する弁 - Google Patents

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Abstract

流体流内に配置された、弁座(12)により包囲された調量供給開口(11)と、調量供給開口(11)を制御する弁ニードル(13)であって、調量供給開口(11)を閉鎖しかつ開放するために弁座(12)と協働する閉鎖ヘッド(131)を有する、弁ニードル(13)と、調量供給開口(11)を開放するために弁ニードル(13)に作用する圧電アクチュエータ(14)と、調量供給開口(11)を閉鎖するために弁ニードル(13)に作用するばね弾性的な戻し要素(15)と、を備える、流れのある媒体、特に流体を調量供給する弁が記載されている。弁ニードル(13)の閉鎖ヘッド(131)の行程が要求される場合に圧電アクチュエータ(14)の必要な行程を最小化するために、戻し要素(15)の、弁ニードル側の作用点(18)が、弁ニードル(13)の、閉鎖ヘッド(131)を支持する端部に又は該端部の傍に位置する。

Description

本発明は、請求項1の上位概念に記載の流れのある媒体、特に流体を調量供給する弁に関する。
好適には燃料噴射弁として使用されるこの種の公知の弁(独国特許出願公開第102009026532号明細書)は、弁ハウジングと、閉鎖ヘッドを備える外開弁式の弁ニードルと、弁ニードルを作動させるための、弁ニードルに作用する圧電アクチュエータと、弁ニードルに作用する戻し要素とを備える。燃料の調量された噴出のために、燃料流内に配置された調量供給開口(噴射開口)が、弁座により包囲されており、弁座は、調量供給開口を開放しかつ閉鎖するために閉鎖ヘッドと協働する。圧電アクチュエータは、弁ニードルの、閉鎖ヘッドから離れた側の端部に、力結合(力が伝達されるような結合)式に当接しており、戻し要素の作用点は、弁ニードルの、閉鎖ヘッドから離れた側の端部の近くに位置する。圧電アクチュエータは、相接して位置する多数の圧電素子から成るピエゾモジュール、いわゆるピエゾスタックを備える。ピエゾモジュールは、ばねとして構成された中空ボディにより、閉鎖ボディと閉鎖プレートとの間に緊締されている。戻し要素は、圧縮コイルばねであり、この圧縮コイルばねは、弁ニードルに対して同心的に配置されていて、一方では、弁ニードルの、アクチュエータに向いた側の端部に固定された皿ばねに支持されていて、他方では、弁ハウジング側で支持されている。圧電アクチュエータの通電時には、アクチュエータが伸長し、弁ニードルを戻しばねの力に抗して移動させるので、閉鎖ボディは、弁座から持ち上がり、調量供給開口を開放する。通電の解消後、弁ニードルに作用する圧縮コイルばねは、閉鎖ボディを弁座に押し付けるので、調量供給開口は閉じられている。
発明の開示
請求項1の特徴を有する本発明に係る弁は、閉鎖ヘッドの直ぐ傍に戻し要素の作用点を移すことにより、閉鎖ヘッドの要求される行程に対する弁ニードル作動時に必要な圧電アクチュエータの行程をより小さく設定することができる、という利点を有する。圧電アクチュエータの行程が、アクチュエータの、製造技術的に高価な部品としてのピエゾスタックの体積により概ね決定されるので、行程の縮小と共に、ピエゾスタックの体積ひいてアクチュエータ及び弁の製造コストが低減される。
調量供給開口を開閉するための閉鎖ボディの行程を不変にしたままの、必要なアクチュエータ行程の縮小は、構造的な状況に基づいて可能である限りにおいて、閉鎖ヘッドに又は閉鎖ヘッドの直ぐ傍に戻し要素の作用点を移すことに基づいて、調量供給開口の閉鎖時における弁ニードルに起因する行程損失が小さくなることにより、得られる。この行程損失は、弁の閉鎖状態における弁ニードルの弾性的な伸長に基づいて生じる。この弁ニードルの伸長は、戻し要素の戻し力又は閉鎖力と、閉鎖ヘッドと閉鎖力の作用点との間の弁ニードルの有効長さと、弁ニードルの横断面積と、弁ニードルの弾性係数とに依存している。作用点の変位により弁ニードルの有効長さが大幅に縮小されることにより、弁ニードルの行程損失はより小さくなり、ひいてはアクチュエータから閉鎖ヘッドの要求される行程に対して追加的に及ぼされるべき行程もより小さくなる。
別の請求項に記載された構成手段により、請求項1に記載された弁の好適な改良及び改善が可能である。
本発明の好適な態様によれば、戻し要素の弁ニードル側の作用点の変位は、戻し要素が、スリーブ、並びにアクチュエータに向けられた押圧力をスリーブに及ぼす押圧ばねを備えることにより達成される。スリーブは、スリーブ胴部と、スリーブ胴部から半径方向に突出するフランジとを備え、弁ニードルに対して同心的に配置されていて、閉鎖ヘッドに向いた側の端部でもって、戻し要素の作用点で、弁ニードルに位置固定に結合されている。弁の閉鎖時に生じるスリーブの伸長は、アクチュエータの一連の作用に影響を及ぼさず、弁ニードルによる行程損失を全く生じさせない。スリーブは、深絞り加工部品又は切削加工部品として安価に製造することができ、押圧ばねとして、スリーブ胴部に対して同心的に配置された圧縮コイルばねが使用される。圧縮コイルばねは、フランジ及び弁に対して位置固定に支持されている。
本発明の好適な態様によれば、スリーブ胴部は、より小さな直径を有する胴区分とより大きな直径を有する胴区分とを備える。より小さな直径を有する胴区分は、弁ニードルにほぼ形状結合(嵌め合いまたは噛み合いなどの部材相互の形状的関係に基づく結合)式に被せ嵌められていて、自由端面端部でもって、戻し要素の、弁ニードル側の作用点で、閉鎖ヘッドの傍で弁ニードルに溶接されている。フランジは、より大きな直径を有する胴区分の自由端面端部で、このより大きな直径を有する胴区分に一体的に成形されている。戻し要素のこの構造的な態様により、コンパクトで省スペースな構造形式が得られる。弁ニードルと閉鎖ボディとは、一体的に形成されており、アクチュエータは、弁ニードルの、閉鎖ヘッドから離れる側の端部に直接当接する。
本発明の同様に好適で択一的な態様によれば、戻し要素が波形ベローズであり、波形ベローズは、一方のベローズ端部でもって、戻し要素の、弁ニードル側の作用点で、閉鎖ヘッドで又は閉鎖ヘッドの傍で弁ニードルに固定されていて、弁ニードルと、媒体密に閉鎖された弁室に配置されたアクチュエータとの間の作業結合を形成する押し棒を包囲していて、他方のベローズ端部でもって、弁室の、アクチュエータに向かって押し棒を貫通案内するために設けられた中心開口を媒体密に包囲していることにより、戻し要素の、弁ニードル側の作用点の変位が得られる。これにより、自体公知の、アクチュエータを収容する媒体密の弁室をシールするために使用される波形ベローズは、追加的な機能、つまり弁座に閉鎖ヘッドを押し付けるための、弁ニードルに対する戻し要素の機能を有する。このようにして弁ニードルのシール及び戻しのために同一の部品が用いられ、したがって1つの部品が節約される。弁ニードルの、波形ベローズに突入する端部とアクチュエータとにそれぞれ力結合式に当接する、弁ニードルと整合する押し棒の導入により、波形ベローズの軸方向の剛性に拘わらず、精確な力調節が可能になる。押し棒の長さが波形ベローズに対して適合されているので、波形ベローズは、組み込まれた状態で、所望の戻し力又は閉鎖力を有する。
本発明の好適な1つの態様によれば、押し棒は、アクチュエータと、弁ニードルの、閉鎖ヘッドから離れた方の端部とにそれぞれ力結合式に当接しており、この場合、一方では押し棒と弁ニードルとの間、他方では押し棒とアクチュエータとの間の当接面が、カルダン軸受けとして構成されている。押し棒のカルダン式の軸支により、弁ニードルの横方向力の掛からない作動が保証されている。
以下に、本発明を、図示の実施の形態に基づいて詳説する。
流体を調量供給する弁の一部の縦方向断面図である。 別の態様の、図1と同様の縦方向断面図である。
図1に長手方向断面図で示された、流れのある媒体、特に流体を調量供給する弁は、例えば内燃機関の燃焼シリンダに燃料を噴射するための噴射弁として使用される。図1には、噴射弁の噴射側の端部の縦方向断面を示してあり、この場合、完全な弁は、例えば独国特許出願公開第102009026532号明細書に図示されかつ記載されている。
主要な構成要素として、弁は、流体流内に配置された調量供給開口11(調量供給開口11は弁座12により包囲されている)と、調量供給開口11を制御する弁ニードル13(弁ニードル13は調量供給開口11を閉鎖しかつ開放するために弁座12と協働し、好適には弁ニードル13と一体的に形成された閉鎖ヘッド131を備える)と、調量供給開口11を開放するための、弁ニードル13に作用する圧電アクチュエータ14と、調量供給開口11を閉鎖するための、弁ニードル13に作用するばね弾性的な戻し要素15とを備える。圧電アクチュエータ14は、図1に一部しか示されていない。圧電アクチュエータ14は、公知の形で、電気的に制御可能なピエゾモジュール又はピエゾスタックを備え、ピエゾモジュール又はピエゾスタックは、ばねとして構成された中空ボディ16により、閉鎖プレート17と閉鎖ボディとの間に緊締されている(これについても独国特許出願公開第102009026532号明細書参照)。
噴射弁の費用は、ピエゾスタックにより概ね決定される。この場合、圧電アクチュエータ14の、弁の作動に必要な行程が、ピエゾスタックの体積を決定する。ピエゾスタックの体積自体は、電極用の貴金属の使用により、圧電アクチュエータ14の費用に大きく影響する。閉鎖ヘッド131の、規定の開弁に必要な行程の他に、圧電アクチュエータ14は、弁ニードル13のいわゆる行程損失を補償するために追加的な行程を提供しなければならない。弁の閉鎖状態における、戻し要素15の、弁ニードル13に作用する閉鎖力又は戻し力に基づく弁ニードル13の伸びに起因する弁ニードル13のこの行程損失ΔIは、戻し要素15の閉鎖力Fと、閉鎖ヘッド131(厳密にいえば閉鎖ヘッド131の、弁座12に衝突する面)と弁ニードル13に対する戻し要素15の作用点との間の弁ニードル13の有効長さIeffと、弁ニードル13の弾性係数Eと、弁ニードル13の横断面積Aとに依存して、
ΔI=F・Ieff/E・A
になる。
行程損失ΔIを最小化するため、ひいては圧電アクチュエータ14の必要な行程を縮小するため、ひいては大幅な費用削減を達成するために、図1から看取されるように、戻し要素15の弁ニードル側の作用点18は、弁ニードル13の、閉鎖ヘッド131を支持する端部に又はできるだけその端部の近くに位置する。「できるだけ近く」とは、「弁における構造的な状況において可能である限り近く」と解される。
このことを実現するために、図1の態様では、戻し要素15は、スリーブ19、並びに圧電アクチュエータ14に向けられた押圧力をスリーブ19に及ぼす押圧ばね20を備える。スリーブ19は、スリーブ胴部191と、スリーブ胴部191から半径方向に突出するフランジ192とを備える。スリーブ19は、弁ニードル13に対して同心的に配置されていて、フランジから離れた側の端部でもって、戻し要素15の作用点18で、弁ニードル13に位置固定に結合されている。スリーブ胴部191は、端部側でフランジ192を支持するより大きな直径を有する胴区分191aと、より小さな直径を有する胴区分191bとを備える。より小さな直径を有する胴区分191bは、弁ニードル13に被せ嵌められていて、弁ニードル13上に形状結合式に載置されていて、そのフランジから離れた側の自由端面端部で、弁ニードル13に溶接されており、これは図1において溶接シーム21により示されている。押圧ばね20は、好適にはスリーブ胴部191に対して同心的に配置された圧縮コイルばねであり、この圧縮コイルばねは、弁に対して位置固定であり、フランジ192に支持されている。
弁の、前述の構成要素は、弁ハウジング22、及び弁ハウジング22に固定された、弁ハウジング22から突出するノズルボディ23内に組み込まれている。図1の態様では2つの部分から形成されたノズルボディ23は、弁ハウジング22に溶接された中空円筒形の弁インサート24と、弁インサート24の、弁ハウジングから離れた側の端部に溶接された弁座支持体25とを備え、弁座支持体25には、弁座12及び調量供給開口11が形成されている。弁ニードル13は、相互に間隔を置いたスライドリング26,27でもって、弁座支持体25の中空の内側に案内されていて、押圧ばね20の閉鎖力により、外開弁式の閉鎖ヘッド131でもって、弁座12に押し付けられており、この場合、圧縮コイルばねとして構成された押圧ばね20は、スリーブ19のフランジ192と弁ハウジング22に形成された半径方向肩部28との間に支持されている。択一的又は追加的に、押圧ばね20の、弁に対して位置固定の支持点は、ノズルボディ23に、つまり図示の態様では弁インサート24に位置してもよい。
燃料耐性を有しない圧電アクチュエータ14は、媒体に対してシールされた弁室29に配置されている。弁ニードル13は、中心開口30を通って、圧電アクチュエータ14にまで弁室29に導入されていて、押圧ばね20の作用下で、力結合式に圧電アクチュエータ14の閉鎖プレート17に当接している。好適には、閉鎖プレート17に対する、弁ニードル13の、閉鎖ヘッドから離れた側の端部の当接部は、カルダン軸受けとして構成されている。弁ニードル13の貫通案内のための中心開口30をシールするために、フランジスリーブ19の、より大きな直径を有する胴区分191aにおいて弁ニードル13を包囲する波形ベローズ34が設けられており、波形ベローズ34は、一方のベローズ端部でもって、弁ニードル13に媒体密に固定されていて、他方のベローズ端部でもって、中心開口30を媒体密に包囲している。図1から看取されるように、媒体密の弁室29は、弁ハウジング22内に固定された管31により形成され、管31の、ノズルボディ23に向いた側の管端部は、管端部に嵌め込まれた端部部材32により、媒体密に閉鎖されている。弁室29における中心開口30を実現するために、端部部材32は、中心孔33を有し、中心孔33に、スライドスリーブ35が、媒体密にかつ摺動不能に嵌め込まれており、スライドスリーブ35内で、弁ニードル13がスライドする。波形ベローズ34の他方のベローズ端部は、スライドスリーブ35に固定されている。スライドスリーブ35における波形ベローズ34の固定は、図1では、溶接シーム36により示されており、端部部材32内のスライドスリーブ35の固定は、溶接シーム37により示されており、管31内の端部部材32の固定は、溶接シーム38により示されている。弁ハウジング22と弁インサート24との結合は、溶接シーム39により示されており、弁インサート24と弁座支持体25との間の結合は、溶接シーム40により示されている。媒体、つまり流体又は燃料は、矢印41の記号により示された流入部から、管31と弁ハウジング22との間に設けられたリングギャップ43を通って、管31内で媒体に対してシールされた弁室29の外側に配置された半径方向孔42を介して、ノズルボディ23に流入し、これにより媒体はシステム圧下で閉鎖ヘッド131に存在することができる。
図2に縦断面図でその一部が示された弁は、前述の弁とほぼ一致するので、同一の構成要素には同一の符号を設けてある。この弁は、図1による前述の弁とは、フランジとスリーブと押圧ばねとから成る戻し要素が省略されており、圧電アクチュエータ14を収容する、媒体に対してシールされた弁室29への媒体の進入をシールするために使用された波形ベローズ34が戻し要素15として考慮されている点において、変更されている。金属製の波形ベローズ34は、一方のベローズ端部でもって、戻し要素15の作用点18で、弁ニードル13に媒体密に固定されていて、他方のベローズ端部でもって、圧電アクチュエータ14へのアプローチのために設けられた弁室29の中心開口30を包囲するので、波形ベローズ34は、図2の態様でも、閉鎖ヘッド31の戻し機能の他に、シール機能を維持する。弁ニードル13と圧電アクチュエータ14との間の作用結合は、押し棒44により形成されている。押し棒44は、波形ベローズ34の内側に配置されていて、一方では弁ニードル13の、波形ベローズ34に突入する端部と、他方では圧電アクチュエータ14の閉鎖プレート17とに、それぞれ力結合式に、即ち力を伝達できるように支持されている。両支持部は、好適にはカルダン軸受けとして構成されており、これにより弁ニードル13の、横方向力の掛からない運転が得られる。押し棒44は、その長さが波形ベローズ34に対して適合されているので、組み付けられた状態で、ばね弾性的な波形ベローズ34の所望の閉鎖力又は戻し力が弁ニードル13に生じる。
図1による弁の場合ように、圧電アクチュエータ14を収容する弁室29は、弁ハウジング22内に固定された管31により形成されており、管31の、ノズルボディ23に向いた側の管端部は、管端部に嵌め込まれた、中心孔33を有する端部部材32により媒体密に閉鎖されている。図1による弁の場合とは異なり、端部部材32は、別個の構成要素ではなく、ノズルボディ23の弁インサート24’に一体的に成形されている。管31と端部部材32との間の媒体密の結合部は、同じく溶接シーム38により形成されている。端部部材32の中心孔33に、同じくスライドスリーブ35が嵌め込まれており、スライドスリーブ35は、溶接シーム37により、端部部材32に位置固定に結合されている。波形ベローズ34の、中心開口30を媒体密に閉鎖する端部は、溶接シーム36により、スライドスリーブ35に媒体密に固定されており、押し棒44は、軸方向可動にスライドスリーブ35に収容されている。弁ハウジング22内の媒体流は、矢印41により示された媒体流入部から、弁ハウジング22と管31との間に設けられたリングギャップ43を介して、ノズルボディ23の弁インサート24’に設けられた半径方向孔46を介して、弁ニードル13及び閉鎖ヘッド131に至る。

Claims (13)

  1. 流れのある媒体、特に流体を調量供給する弁であって、
    流体流内に配置された、弁座(12)により包囲された調量供給開口(11)と、
    前記調量供給開口(11)を制御する弁ニードル(13)であって、前記調量供給開口(11)を閉鎖しかつ開放するために前記弁座(12)と協働する閉鎖ヘッド(131)を有する、弁ニードル(13)と、
    前記調量供給開口(11)を開放するために前記弁ニードル(13)に作用する圧電アクチュエータ(14)と、
    前記調量供給開口(11)を閉鎖するために前記弁ニードル(13)に作用するばね弾性的な戻し要素(15)と、
    を備える、流れのある媒体を調量供給する弁において、
    前記戻し要素(15)の、弁ニードル側の作用点(18)が、前記弁ニードル(13)の、前記閉鎖ヘッド(131)を有する端部に又は該端部の近く位置することを特徴とする、流れのある媒体を調量供給する弁。
  2. 前記戻し要素(15)は、スリーブ(19)と、前記アクチュエータ(14)に向けられた押圧力を前記スリーブ(19)に及ぼす押圧ばね(20)とを備え、前記スリーブ(19)は、前記弁ニードル(13)に対して同心的に配置されていて、前記スリーブ(19)の前記閉鎖ヘッド(131)に向いた側の端部が、前記戻し要素(15)の作用点として、前記弁ニードル(13)に位置固定に結合されている、請求項1記載の弁。
  3. 前記スリーブ(19)は、スリーブ胴部(191)と、該スリーブ胴部(191)から半径方向に突出するフランジ(192)とを備え、前記押圧ばね(20)は、圧縮コイルばねであり、該圧縮コイルばねは、前記スリーブ胴部(191)に対して同心的に配置されていて、前記フランジ(192)に支持されている、請求項2記載の弁。
  4. 前記スリーブ胴部(191)は、より小さな直径を有する胴区分(191b)とより大きな直径を有する胴区分(191a)とを備え、より小さな直径を有する前記胴区分(191b)は、前記弁ニードル(13)上に載置されていて、自由端面端部でもって、前記弁ニードル(13)に溶接されており、より大きな直径を有する前記胴区分(191a)の自由端面端部に、前記フランジ(192)が一体的に成形されている、請求項3記載の弁。
  5. 前記弁ニードル(13)と前記閉鎖ヘッド(131)とは、一体的に形成されており、前記圧電アクチュエータ(14)は、前記弁ニードル(13)の、閉鎖ヘッドから離れた側の端部に力結合式に当接している、請求項1から4までのいずれか1項記載の弁。
  6. 前記弁座(12)及び前記調量供給開口(11)は、ノズルボディ(23)に形成されており、該ノズルボディ(23)は、前記弁ニードル(13)と前記アクチュエータ(14)と前記戻し要素(15)とを収容する弁ハウジング(22)に固定されており、前記フランジ(192)に支持されている押圧ばね(20)は、更に、前記ノズルボディ(23)、及び/又は前記弁ハウジング(22)に形成された半径方向肩部(28)に支持されている、請求項3から5までのいずれか1項記載の弁。
  7. 前記アクチュエータ(14)は、媒体に対してシールされた弁室(29)に配置されており、前記弁ニードル(13)は、中心開口(30)を通って前記弁室(29)に導入されており、前記弁ニードル(13)の一部を包囲する波形ベローズ(34)が、一方のベローズ端部でもって、前記弁ニードル(13)に媒体密に固定されていて、他方のベローズ端部でもって、前記弁室(29)に通じる中心開口(30)を媒体密に包囲している、請求項5又は6記載の弁。
  8. 前記弁室(29)は、前記弁ハウジング(22)内に固定された管(31)により形成されており、該管(31)の、前記ノズルボディ(23)に向いた側の管端部は、該管端部に嵌め込まれた、中心孔(33)を有する端部部材(32)により媒体密に閉鎖されており、前記弁ニードル(13)の貫通案内のための前記中心開口(30)は、前記端部部材(32)の中心孔(33)に媒体密に固定された、前記弁ニードル(13)を案内するスライドスリーブ(35)により実現されており、該スライドスリーブ(35)に、前記波形ベローズ(34)の前記他方のベローズ端部が固定されている、請求項7記載の弁。
  9. 前記戻し要素(15)は、波形ベローズ(34)であり、該波形ベローズ(34)は、一方のベローズ端部でもって、前記戻し要素(15)の弁ニードル側の作用点(18)として、前記弁ニードル(13)に媒体密に固定されていて、前記弁ニードル(13)と、媒体に対してシールされた前記弁室(29)に配置された圧電アクチュエータ(14)との間の作用結合部を形成する押し棒(44)を包囲していて、他方のベローズ端部でもって、前記弁室(29)の、前記アクチュエータ(14)に向かう前記押し棒(44)の貫通案内のために設けられた中心開口(30)を媒体密に包囲している、請求項1記載の弁。
  10. 前記押し棒(44)は、前記アクチュエータ(14)と、前記弁ニードル(13)の、前記押し棒(44)に突入する端部とに、それぞれ力結合式に当接している、請求項9記載の弁、
  11. 一方では前記押し棒(44)と前記弁ニードル(13)との間、他方では前記押し棒(44)と前記アクチュエータ(14)との間の当接部は、カルダン軸受けとして構成されている、請求項10記載の弁。
  12. 前記弁室(29)は、弁ハウジング(22)内で固定された管(31)により形成されており、該管(31)の、前記ノズルボディ(23)に向いた側の管端部は、該管端部に嵌め込まれた、中心孔(33)を有する端部部材(32)により媒体密に閉鎖されており、前記弁ニードル(13)のための前記中心開口(30)は、前記端部部材(32)の中心孔(33)に媒体密に固定された、前記押し棒(44)を案内するスライドスリーブ(35)により実現されており、該スライドスリーブ(35)に、前記ベローズ(34)の前記他方のベローズ端部が固定されている、請求項9から11までのいずれか1項記載の弁。
  13. 前記端部部材(32)は、前記ノズルボディ(23)に一体的に成形されている、請求項11記載の弁。
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