JPH10509790A - 電気油圧駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 １．電気油圧駆動装置２．１ 高速噴射弁において最近は、たとえば圧電アクチュエータ（Ｐ）によって駆動される圧縮ピストン（ＤＫ）と、圧縮ピストン孔（ＺＹ）内で軸方向に移動可能に支持されニードル弁（ＶＮ）と連結した往復ピストン（ＨＫ）とからなる油圧行程変換器が使用される。この構造は、個々の構成要素の軸対称性および寸法精度に対して高い要求を課すが、このことは大量生産を困難にし、バルブの製作を著しく高価にしている。２．２ 本出願は、コンパクトで、比較的安価に製造できる、圧電アクチュエータ（Ｐ）と油圧力・行程変換器とからなる駆動装置について説明する。２．３ 製造に起因する公差にかかわらず要求される駆動の軸対称性を保証するために、圧縮ピストン（ＤＫ）の円錐台形の凹部（ＷＬ）内に支持された補償部材（ＡＥ）が、圧電アクチュエータ（Ｐ）と行程変換器との間に配置されている。球台の形を有し特殊鋼で作られた部材（ＡＥ）は、油圧系を組み立てる間、圧電セラミックス上を自由に滑動でき、それによってアクチュエータ（Ｐ）と圧縮ピストン（ＤＫ）との非同心的な位置合わせが補償される。さらに、凹部（ＷＬ）内部で自由に回転できることにより、アクチュエータＰの上部部材が、常に圧縮ピストン（ＤＫ）に全面的に接していることが確保される。３．噴射弁の駆動、ポンプなど。

Description

【発明の詳細な説明】 電気油圧駆動装置 １．緒言及び背景技術 ／１／により公知の噴射弁はコンパクトに構成された駆動装置を含んでいる。 この駆動装置は非常に良好なダイナミック特性を有しており、高い操作周波数（ ｆ＞１ｋＨｚ）においても確実に作動する。この駆動装置はバルブの開閉時間を τ≦０．１ｍｓの範囲内で可能にするので、最小量の燃料でも正確に調量し、エ ンジンの燃焼室に再現可能に噴射することができる。この駆動装置の主要な構成 要素は、一次調節行程を生み出す圧電アクチュエータと、油圧式の行程変換器で ある。この行程変換器は主として、圧電アクチュエータによって駆動される圧縮 ピストンと、圧縮ピストン孔内で軸方向に移動可能に支持された、ニードル弁に 連結した往復ピストンとからなる。油圧チャンバの１つの中に配置されている圧 電アクチュエータは、ハウジング側で球キャップ形軸受に支持されている。この ような手段は、アクチュエータの端面が製造に起因して互いに平行でなくとも、 アクチュエータが常に全面的に圧縮ピストンに接して行程損失が生じないことを 保証する。 この公知のバルブの構造は、個々の構成要素の軸対 称性および寸法精度に対して高い要求を課す。特に多重に案内された往復ピスト ンは、傾いたり、動かなくなったりするのを避けるために、数μｍの精度で製造 しなければならない。このことは大量生産を困難にし、バルブの製作を著しく高 価にしている。 ２．本発明の課題及び利点 本発明の課題は、構造がコンパクトで、広い温度範囲で作動し、良好なダイナ ミック特性を有する、運転信頼性のある電気油圧駆動装置を提供することである 。請求項１に記載された特徴を有する電気油圧駆動装置は、これらの性質を備え ている。 本発明によって達成できる利点は、特に多重案内された部材の偏心性が比較的 大きくても、駆動装置の機能を損ねないことである。それゆえ、駆動装置は著し く少ないコストで製作でき、安価に製造できる。 ３．図面 以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。第１図は、燃料噴射弁 の電気油圧駆動装置の断面図を示しており、第２図は、駆動装置の力・行程変換 器の２つの部材からなる往復ピストンの断面図を示している。 ４．実施例の説明 ４．１ 電気油圧駆動装置の構造及び機能 第１図は、たとえば／１／から公知であるか、先行のドイツ出願／２／に詳し く記載されているような高 速噴射弁の、実質的に本発明の駆動装置に係る構成要素のみを示している。この 噴射弁は、駆動要素として、油圧行程変換器ＤＫ／ＨＫに作用する電気機械的ア クチュエータＰを包含している。アクチュエータＰには、気密なハウジング貫通 孔ＬＤを通して必要な運転電圧を供給する。電気機械的アクチュエータＰとして 、特に中位の使用電圧においても比較的大きい一次行程を生み出す圧電多層スタ ックが考えられる（相対的長さ変化Δ１／１≒１×１０^-3；駆動力Ｆ＝１０²〜 １０⁵Ｎ）。 圧電焼結体の機械的剛性が大きいので、その電気機械的共振は約１０ｋＨｚか ら１０００ｋＨｚの範囲にあり、その結果として原理的には約０．００１ｍｓか ら０．１ｍｓの範囲の反応時間を達成できる。しかし、実用的に実現された反応 時間はこれより大きく、とりわけ圧電スタックの電気的操作と配線およびアクチ ュエータＰによって駆動される質量の大きさに依存している。圧電スタックの電 気的容量は、典型的には約Ｃ_p＝１〜１００μＦの範囲にあり、アクチュエータ に付属している電圧源の内部抵抗は約Ｒ_i＝１Ωなので、τ＝Ｃ_p×Ｒ_iによって 定義された充電時間定数は約τ＝１〜１００μｓとなる。したがって、圧電アク チュエータＰの反応時間は、比較可能な電磁駆動装置の反応時間を１等ないし２ 等下回る。このことは、コンパクトなバルブ構造および小さい可動質量と組み 合わせて、極めて短いバルブ開閉時間を可能にする。 燃料噴射をエンジンの燃焼室内に導入するために、アクチュエータＰが操作さ れ、これによって軸方向に伸長する。アクチュエータＰの長さ変化Δ１の結果と して、ハウジングＶＧの円筒形孔で遊合支持された圧縮ピストンＤＫが対応して 上方に移動するので、油圧油を充填したチャンバＫＡ１内では正圧_p１が形成さ れ、やはり油圧油を充填し圧縮ピストン孔Ｂ１を通して互いに流動連結したチャ ンバＫＡ２およびＫＡ３内では負圧ｐ_2/3＜ｐ₁が形成される。圧力差Δｐ＝ｐ₁ −ｐ_2/3に比例する油圧力が、チャンバＫＡ２内に配置されたコイルばねＳＦの 剛性および予荷重に依存する値を上回るとすぐに、鉢形の往復ピストンＨＫが円 筒形の圧縮ピストン孔ＺＹ内を下方に移動し、それによって往復ピストンＨＫと 連結したニードル弁ＶＮが弁座から持ち上がって、噴射過程が開始する。 燃料噴射は圧電アクチュエータＰの放電によって終了する。これに伴いアクチ ュエータＰが収縮する結果、圧縮ピストンＤＫは強い皿ばねＴＦによって作用さ れる復元力に強制されて再び下方の初期位置に移動する。往復ピストンＨＫは、 コイルばねＳＦと、チャンバＫＡ１とＫＡ２／ＫＡ３との間にある圧力差とによ って支援されて、上方に向かう逆方向の運動を行うので、ハウジングＶＧから密 封されて出ているニードル弁ＶＮは弁座上に下降し、噴射開口を閉じる。 駆動装置の作動は瞬時的なので、圧電アクチュエータＰには機械的に予荷重を 加えることが必要となる。これに必要な力は、チャンバＫＡ１内に配置された皿 ばねＴＦが生み出すが、これは圧縮ピストンＤＫが停止位置に復帰することも補 助する。チャンバ天井部内の流路ＳＫは、皿ばねＴＦとバルブハウジングＶＧと によって囲まれた容積に油圧油が円滑に流入したり、ここから流出したりできる ようにする。 ４．２ 補償部材 製造に起因する公差にかかわらず要求される一次駆動と力・行程変換の系の軸 対称性を保証するために、圧縮ピストンＤＫの円錐台形の凹部ＷＬ内に支持され た補償部材ＡＥが、圧電アクチュエータＰと行程変換器との間に配置されている 。球台の形を有する補償部材ＡＥは、特殊鋼またはクロム・ニッケル鋼からなる ことが好ましい。補償部材ＡＥは表面が研磨されているので、油圧系を組み立て る間、圧電セラミックス上を自由に滑動でき、それによってアクチュエータＰと 圧縮ピストンＤＫとの非同心的な配列が補償される。さらに、補償部材ＡＥは円 錐形の凹部ＷＬ内部で自由に回転できることにより、ハウジング底部に回転しな いように固定された圧電アクチュエータＰの上部部材が、常に圧縮ピストンＤＫ に全面的に接していることが確保される。圧電アクチュエータＰに機械的に予荷 重を加える皿ばねＴＦによって、これらの部材は互い に摩擦係合によって接触する。 ４．３ 油圧式の力・行程変換 アクチュエータＰによって駆動される力・行程変換器は、連結された２つの油 圧式の変換器からなる。その際、上部行程変換器の変換比η１は次式で表され、 η₁：＝ＡＤ１／ＡＨ１ （１） ＡＤ１：圧縮ピストン上側の面積 ＡＨ１：往復ピストン上側の面積 下部行程変換器の変換比η２は次式で表される。 η₂：＝ＡＤ２／ＡＨ２ （２） ＡＤ１：アクチュエータ側の圧縮ピストン面積 ＡＨ１：アクチュエータ側の往復ピストン面積 しかし、式（２）は、油圧チャンバＫＡ３内に配置されたアクチュエータＰが 伸張状態と放電状態とで同じ容積を有するという前提のもとでのみ当てはまる。 電気ひずみアクチュエータや磁気ひずみアクチュエータも、ここで用いる圧電ス タックＰとほぼ同様の特性を有する。 アクチュエータＰが長さ変化Δ１に比例する容積変化ΔＶを被る場合は、アク チュエータＰに実効的なアクチュエータ面積ＡＰ：＝ΔＶ／Δ１を付属させるこ とができる。この場合において、下部行程変換器の変換比η₂′は次式で表され る。 η₂′：＝（ＡＤ２−ＡＰ）／ＡＨ２ （３） 理想的な場合には、上部行程変換比と下部行程変換 比は同じであるべきだが（η₁＝η₂＝η）、このことは両方のピストンＤＫ、Ｈ Ｋの圧縮作用のある端面を相応に設計することによって容易に達成できる。そこ で、ニードル弁によって引き起こされた圧縮作用のある往復ピストン面積不均一 性ＡＨ１＜ＡＨ２を考慮するために、図１に示された力・行程変換器の圧縮ピス トンＤＫが段状に構成されている（ＡＤ１＜ＡＤ２）。 両方の行程変換器を油圧連結する結果、アクチュエータＰの長さが変化する度 にチャンバＫＡ１およびＫＡ２／ＫＡ３内に補完的な圧力が形成される。このと き、圧縮ピストンＤＫがΔ１だけ移動すると、圧縮ピストン孔ＺＹ内で往復ピス トンＨＫが油圧変換比η≫１に対応して拡大した量だけ逆方向に移動する。 駆動がほとんど温度に影響されないことを保証するために、油圧チャンバＫＡ １、ＫＡ２、ＫＡ３は相互に連結しているだけでなく、ピストンＤＫ、ＨＫと対 応するシリンダ孔との間に存在する毛管隙間ＫＳを通して正圧下にある平衡容積 ＡＶとも連結している。それゆえ、温度に基づいて油圧油の容積が変化しても、 チャンバＫＡ１とＫＡ２／ＫＡ３との間の静圧差が形成されたり（その場合には 往復ピストンＨＫの位置は不定となるであろう）、系全体に不定の圧力状態が形 成されたりすることもない。さらに、ハウジング孔Ｇ１を通して環状チャンバＲ Ｖと補償容積ＡＶが連結し ていることは、最大操作周波数を引き下げる空洞形成が油圧油内に生じないとい う長所を有する。 毛管隙間の流動抵抗を、使用する油圧油の粘性に合わせることによって、重要 な温度範囲でバルブが操作信号によって指定された周波数と所望の時間で閉止す ることを確保できる。大きい流動抵抗を調節するために、たとえば孔Ｇ１を圧縮 ピストンシール面の範囲に設けることが提案される。しかし、孔Ｇ１は原理的に 環状チャンバＲＶ内に開口するか（図１参照）、または、オリフィス、隙間、絞 り、狭隘部などの形式による流動抵抗が、種々の容積またはチャンバの間で補償 工程が比較的緩慢にしか生じないようになっている限り、バルブハウジングＶＧ の他のどんな範囲に設けることも可能である。場合によっては、要求された閉止 時間を達成し、かつ駆動が温度に依存しないことが引き続き保証されるように、 チャンバは互いに密封される。バルブハウジングＶＧと内部品（圧縮ピストンＤ Ｋ、往復ピストンＨＫ）を容積および長さの熱膨張率が異なる材料から作製する と、温度に依存して隙間流動を制御することが可能である。それにより温度が上 昇するに連れて隙間幅が減少し、これに相応して流動抵抗が増えることが達成で きる。もちろん、温度制御された流動抵抗は不連続部材として作製し、対応する 孔Ｇ３または導管に組み入れることもできる。 本発明の駆動装置は、一連の利点を有している。た とえば、この駆動装置により、切り替え時間が非常に短く、むだ時間が極めて少 なく、操作周波数が高い、空洞形成のない対称的な切り替えが可能である。さら に、この駆動装置は、構造が比較的単純かつコンパクトで運転温度範囲が大きい ので、大きい運転信頼性を特徴とする。これには、アクチュエータＰが油圧チャ ンバＫＡ３の１つに密閉格納されて配置されているという事情も寄与する。それ ゆえ、発生した熱の良好な排出と、周囲の影響に対する最適な保護が保証されて いる。また、アクチュエータＰの電気接続線Ｌは気密の絶縁部材ＬＤを通して外 部に引くので、駆動装置はほぼ密閉されている。 図２に示された力・行程変換器の往復ピストンは、２つの部材ＨＫ１、ＨＫ２ からなる。この際、鉢状に形成されてバルブ側に開きばねＳＦ上に載っている外 側部材ＨＫ１は、圧縮ピストン孔ＺＹ内で小さい公差で案内されている。ここに は、鉢状でアクチュエータ側に開いた内側部材ＨＫ２も支持されている。ねじＳ が行程方向に対して横断方向に移動可能な内側部材ＨＫ２をニードル弁ＶＮと連 結している。両方の部材ははんだ付けするか、または溶接できる。 孔ＺＹ内で案内された外側往復ピストン部材に対して内側往復ピストン部材が 水平方向に移動できることによって、圧縮ピストン／往復ピストン系内に存在す る偏心性がほぼ補償されることが保証されている。操 作されない状態では、チャンバＫＡ２内に配置されたばねＳＦによって、両方の 往復ピストン部材ＨＫ１／２は摩擦係合によって接触し、このときニードル弁Ｖ Ｎは弁座上に載っている。圧縮ピストンＤＫが偏向しても、摩擦係合による接触 は維持される。なぜならば、油圧油は、外側部材ＨＫ１に付属した環状面Ａ１に 対するよりも大きい力を内側部材ＨＫ２に作用させるからである（Ａ₂＞Ａ₁）。 ＡＳで示した２つのストッパは外側往復ピストン部材ＨＫ１の下方への偏向を制 限している。外側往復ピストン部材ＨＫ１の底部に存在する絞りＤＲは、両方の チャンバＫＡ２／ＫＡ４の間の液体交換を可能にする（温度効果の補償；４．２ 章参照）。 ５．文献 ／１／ＤＥ４３０６０７３Ｃ１（ドイツ連邦共和国特許） ／２／ＤＥ４４０６５２２（ドイツ連邦共和国特許出願）

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 せが補償される。さらに、凹部（ＷＬ）内部で自由に回 転できることにより、アクチュエータＰの上部部材が、 常に圧縮ピストン（ＤＫ）に全面的に接していることが 確保される。３．噴射弁の駆動、ポンプなど。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電気油圧駆動装置であって、 油圧媒体で満たされたハウジング（ＧＨ）内にアクチュエータ（Ｐ）と行程変 換器（ＤＫ、ＨＫ、ＡＥ）とが配置されており、前記アクチュエータ（Ｐ）の長 さが制御して変更でき、 前記行程変換器が、ハウジング孔に軸方向に移動可能に配置された第１のピス トン（ＤＫ）と、ばね要素（ＳＦ）及び調節部材（ＶＮ）に作用する第２のピス トン（ＨＫ）とを包含しており、前記アクチュエータ（Ｐ）によって駆動される 第１のピストン（ＤＫ）が軸方向孔（ＺＹ）を有しており、該軸方向孔（ＺＹ） 内で第２のピストン（ＨＫ）が第１のピストン（ＤＫ）と逆方向に動く形式のも のにおいて、 前記アクチュエータ（Ｐ）と前記行程変換器（ＤＫ、ＨＫ）との間に配置され た補償部材（ＡＥ）を有しており、該補償部材（ＡＥ）が球台の形を有し、第１ のピストン（ＤＫ）のアクチュエータ側の凹部（ＷＬ）内に支持されていて、前 記アクチュエータ（Ｐ）上を自由に滑動できることを特徴とする、電気油圧駆動 装置。 ２．第２のピストン（ＨＫ）に向かって細くなっている凹部（ＷＬ）が設けら れている、請求項１記載の電気油圧駆動装置。 ３．円錐台形の凹部（ＷＬ）が設けられている、請求項１または２記載の電気 油圧駆動装置。 ４．アクチュエータ側の前記凹部（ＷＬ）が第１のピストン（ＤＫ）の軸方向 孔（ＺＹ）に開口している、請求項１から３までのいずれか１項記載の電気油圧 駆動装置。 ５．前記第２のピストン（ＨＫ）と前記軸方向孔（ＺＹ）と前記補償部材（Ａ Ｅ）とによって構成された第１の油圧チャンバ（ＫＡ２）が、前記アクチュエー タ（Ｐ）を収容している第２の油圧チャンバ（ＫＡ３）と流体技術的に接続され ている、請求項１から４までのいずれか１項記載の電気油圧駆動装置。 ６．前記第１のピストン（ＤＫ）が段状に形成されている、請求項１から５ま でのいずれか１項記載の電気油圧駆動装置。 ７．前記ばね要素（ＳＦ）が第１の油圧チャンバ（ＫＡ２）内に配置されてい る、請求項１から６までのいずれか１項記載の電気油圧駆動装置。 ８．前記第２のピストン（ＨＫ）が前記調節部材（ＶＮ）に向かって開いた鉢 形の第１の部材（ＨＫ１）と、アクチュエータ側に向かって開いた鉢形の第２の 部材（ＨＫ２）とからなり、前記調節部材（ＶＮ）に作用する第２の部材（ＨＫ ２）が前記第１の部材（ＨＫ１）の底部上で摩擦係合により、往復行程方向に対 して横断方向に移動可能に配置されていることを特徴 とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の電気油圧駆動装置。 ９．前記調節部材（ＶＮ）の鉢形端部が、前記第２のピストン（ＨＫ）の第１ の部材を形成している、請求項８記載の電気油圧駆動装置。 １０．前記第２の部材（ＨＫ２）が前記調節部材（ＶＮ）とねじ止めされてい るか、はんだ付けされている、請求項８または９記載の電気油圧駆動装置。 １１．前記第１の部材（ＨＫ２）が絞りとして作用する孔（ＤＲ）を有してい る、請求項８から１０までのいずれか１項記載の電気油圧駆動装置。