JP2003510506A - 液体を制御するための弁 - Google Patents

液体を制御するための弁

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JP2003510506A
JP2003510506A JP2001527101A JP2001527101A JP2003510506A JP 2003510506 A JP2003510506 A JP 2003510506A JP 2001527101 A JP2001527101 A JP 2001527101A JP 2001527101 A JP2001527101 A JP 2001527101A JP 2003510506 A JP2003510506 A JP 2003510506A
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piston
low
pressure
chamber
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シュテックライン ヴォルフガング
シュミーダー ディートマー
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

(57)【要約】 弁部材(2)を操作するための圧電式のユニット(3)を備えた、液体を制御するための弁(1)が提案される。この場合、弁部材(2)は弁体(9)に設けられた孔(8)内で軸方向移動可能であり、弁部材(2)の一方の端部は弁閉鎖部材(13)を有しており、該弁閉鎖部材(13)が、当該弁(1)を開閉させるための、弁体(9)に設けられた少なくとも1つの弁座(14,15)と協働するようになっている。この弁閉鎖部材(13)はシステム圧(p_sys)を有する低圧範囲(16)を高圧範囲(17)から分離させている。さらに、該高圧範囲(17)からハイドロリック液を取り出すことにより低圧範囲(16)の漏れ量を補償するための充填装置(26)が設けられており、この充填装置(26)は、絞り孔(28)を有する通路(27)を備えている。絞り孔(28)の直径は、この絞り孔(28)を通過する高圧範囲(17)からの容量流が、規定された最小の高圧(p_R_min)において低圧範囲(16)の漏れ量を補償するように設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 背景技術 本発明は、請求項1の上位概念部に記載の形式の、液体を制御するための弁か
ら出発する。
【0002】 欧州特許出願公開第0477400号明細書に基づき、圧電式のアクチュエー
タを介して操作可能である、このような形式の弁が既に公知である。この公知の
弁は、圧電式のアクチュエータの、行程方向に作用する変位変換器(Wegtr
ansformator)のための装置を有しており、この装置では、圧電式の
アクチュエータの変位が液圧室もしくはハイドロリックチャンバを介して伝達さ
れる。このハイドロリックチャンバは、ハイドロリック式の変換装置もしくはハ
イドロリック式のカップリングとして働くと同時に、誤差補償エレメントとして
も働く。
【0003】 ハイドロリックチャンバは、このハイドロリックチャンバを仕切る2つのピス
トンの間に、共通の補償容積を取り囲んでいる。この場合、両ピストンは大小異
なる直径を有しており、小さな直径を有する方のピストン(小径のピストン)は
、制御したい弁部材に結合されており、大きな直径を有する方のピストン(大径
のピストン)は圧電式のアクチュエータに結合されている。ハイドロリックチャ
ンバは、大径のピストンが圧電式のアクチュエータによって規定のストロークだ
け運動させられた場合に、休止位置において1つまたは複数のばねによって予め
規定された位置に対して相対的に保持されている弁部材の操作ピストンが、ピス
トン直径の変換比分だけ増大された行程を実施するように両ピストンの間に挟み
込まれている。弁部材と両ピストンと圧電式のアクチュエータとはこの場合、1
つの共通の軸線に沿って相前後して位置している。ハイドロリックチャンバの補
償容積により、構成部分における温度勾配または使用された材料の熱膨張率差に
基づいた誤差(Toleranz)ならびに場合によっては生じるへたり効果も
しくは永久ひずみ効果(Setzeffekte)を、制御したい弁部材の位置
変化が生じることなしに補償することができる。
【0004】 このようなハイドロリック式のカップラは所定のシステム圧を必要としており
、このシステム圧は、ハイドロリック液(圧媒液)の十分な後充填が行われない
と、漏れに基づき低下してしまう。
【0005】 実際の使用事例からは、コモンレール式インジェクタにおいて、システム圧が
有利には弁自体に形成されるという解決手段が知られている。この場合、システ
ムスタート時でも一定のシステム圧が確保されている。このためには、制御した
い燃料の高圧範囲からハイドロリック液が取り出されて、システム圧を有する低
圧範囲に供給される。このことは、漏れピンもしくは充填ピンにより形成される
漏れギャップを用いて行われる。
【0006】 しかし、高圧範囲における圧力が増大した場合に、システム範囲への漏れ率も
しくは漏れ量は自動的に増大する。このことは事情によっては弁の、許容され得
ない程高い漏れ損失を招いてしまい、この場合、システムの効率は著しく低下す
る。
【0007】 本発明の課題は、高圧範囲における圧力増大時に漏れ損失が制限されるような
、液体を制御するための弁を提供することである。
【0008】 発明の利点 請求項1の特徴部に記載の特徴を有する、液体を制御するための本発明による
弁には、次のような利点がある。すなわち、高圧範囲から、システム圧を有する
低圧範囲への最小漏れ量(Mindestleckrate)を形成するために
、絞り孔が使用され、これによって高圧範囲での高い圧力における漏れ損失は、
慣用の漏れギャップもしくは充填ピンによるシステム圧供給に比べて数倍だけ減
じられるようになる。
【0009】 この場合に、絞り孔を通る乱流の形の通流と、充填ピンを巡るように流れる層
流の形のギャップ流との間の根本的に相違する流れ物理的な効果が、低圧範囲の
充填を実現するために簡単に利用される。
【0010】 本発明の対象の別の利点および有利な構成は、実施例の説明、図面および特許
請求の範囲に記載されている。
【0011】 実施例の説明 図1に示した実施例は、本発明による弁の、自動車の内燃機関に用いられる燃
料噴射弁1における使用を示している。燃料噴射弁1はこの場合、コモンレール
式インジェクタとして形成されており、燃料噴射は、高圧供給部に接続されてい
る弁制御室12内の圧力レベルにより制御される。
【0012】 燃料噴射弁1における力の釣り合いにより噴射開始時期と噴射時間と噴射量と
を調節するためには、弁部材2が、ピエゾアクチュエータもしくは圧電式のアク
チュエータ3として形成された圧電式のユニットを介して制御される。この圧電
式のユニットは弁部材2の、弁制御室および燃焼室とは反対の側に配置されてい
る。
【0013】 圧電式のアクチュエータ3は複数の層から形成されていて、弁部材2に向けら
れた側にアクチュエータヘッド4を、弁部材2から離反した側にアクチュエータ
ベース5をそれぞれ有している。アクチュエータベース5は弁体9の壁に支持さ
れている。アクチュエータヘッド4には、受け6を介して弁部材2の第1のピス
トン7が接触している。この第1ピストン7の直径は、段付けされて形成されて
いる。
【0014】 弁部材2は弁ボディもしくは弁体9に設けられた、長手方向孔として形成され
た孔8内で軸方向摺動可能に配置されていて、第1のピストン7の他に、弁閉鎖
部材13を操作する第2のピストン10を有しており、この場合、第1のピスト
ン7と第2のピストン10とは、ハイドロリック式の変換装置(Ueberse
tzung)によって互いに連結されている。
【0015】 ハイドロリック式の変換装置は液圧室もしくはハイドロリックチャンバ11と
して形成されており、このハイドロリックチャンバ11は、圧電式のアクチュエ
ータ3の変位を伝達する。ハイドロリックチャンバ11は、このハイドロリック
チャンバ11を仕切る両ピストン7,10の間に、共通の補償容積を取り囲んで
おり、この場合、両ピストンは大小異なる直径を有するように形成されており、
第2のピストン10が小径に形成されていて、第1のピストン7が大径に形成さ
れている。
【0016】 ハイドロリックチャンバ11は、大径の第1のピストン7が圧電式のアクチュ
エータ3によって規定の行程距離だけ運動させられると、弁部材2の小径の第2
のピストン10が、ピストン直径の増圧比分もしくは変換比分だけ増大されたス
トロークを実施するように第1のピストン7と第2のピストン10との間に挟み
込まれている。弁部材2と、第1のピストン7と、第2のピストン10と、圧電
式のアクチュエータ3とはこの場合、1つの共通の軸線に沿って相前後して位置
している。
【0017】 ハイドロリックチャンバ11の補償容積を介して、構成部分における温度勾配
に基づく誤差または使用される材料の熱膨張率差に基づく誤差ならびに場合によ
っては生じるへたり効果(Setzeffekt)を、制御したい弁閉鎖部材1
3の位置変化が生じることなしに補償することができる。
【0018】 弁部材2の、弁制御室側の端部では、ボール状の弁閉鎖部材13が、弁体9に
形成された弁座14,15と協働する。この場合、弁閉鎖部材13はシステム圧
p_sysを有する低圧範囲16と、高圧もしくはレール圧p_Rを有する高圧
範囲17とを分離する。
【0019】 両弁座14,15は、弁体9により形成された弁低圧室18内に形成されてい
る。この弁低圧室18からは、漏れ流出通路19と、開口21とが導出されてお
り、この開口21は弁部材2の、圧電式のアクチュエータ3寄りの側に設けられ
た弁システム圧室20に通じている。
【0020】 さらに、弁低圧室18は、下側の弁座15により形成された、高圧範囲17内
の弁制御室12(図1に概略的にのみ示す)に対する接続部を有している。この
弁制御室12内には、運動可能な弁制御ピストン(図示しない)が配置されてい
る。弁制御室12内での弁制御ピストンの軸方向運動によって、燃料噴射弁1の
噴射特性が自体公知の形式で制御され、この場合、弁制御室12は汎用の形式で
噴射管路に接続されており、この噴射管路は複数の燃料噴射弁にとって共通の1
つの高圧蓄え室(コモンレール)に接続されていて、噴射ノズルに燃料を供給す
る。
【0021】 弁システム圧室20は孔8の、圧電式のアクチュエータ側の端部に続いていて
、一方では弁体9によって、他方では弁部材2の第1のピストン7と弁体9とに
結合されたシールエレメント22によって、それぞれ仕切られている。この場合
、弁システム圧室20からは漏れ管路23が導出されている。シールエレメント
22はこの場合、ベローズ状のダイヤフラムとして形成されている。このシール
エレメント22は、圧電式のアクチュエータ3が、弁システム圧室20内に含ま
れている燃料と接触することを阻止している。
【0022】 第1のピストン7を取り囲むギャップ24と、第2のピストン10を取り囲む
ギャップ25とを介して、ハイドロリックチャンバ11から弁低圧室18への漏
れと、特に弁システム圧室20内への漏れとが与えられている。
【0023】 ハイドロリックチャンバ11は圧電式のアクチュエータ3の制御休止時もしく
は通電休止時に再充填されなければならないので、高圧範囲17のハイドロリッ
ク液の取出しによる低圧範囲16の漏れ量の補償が行われるようになっている。
このためには、充填装置26が働く。この充填装置26は通路27に接続されて
おり、この通路27には絞り孔28が配置されている。充填装置26の通路27
は、絞り孔28を挟んで低圧範囲16寄りの側で、第1のピストン7を取り囲む
ギャップ24に開口しており、この場合、開口範囲には環状溝29が設けられて
いる。通路27は絞り孔28を挟んで高圧範囲17寄りの側では、弁低圧室18
に開口している。
【0024】 当然ながら、択一的な構成において、充填装置26の通路27を、第2のピス
トン10を取り囲むギャップ25に通じるように形成することもできる。
【0025】 絞り孔28の直径は、この絞り孔28を通過する高圧範囲17からの容量流が
、規定された最小の高圧p_R_minにおいて低圧範囲16の漏れ量を補償す
るように設定されている。図示の構成では、絞り孔28が50マイクロメータの
直径を有している。
【0026】 さらに、絞り孔28と、環状ギャップもしくは環状溝29における通路27の
開口部との間に、充填装置28の通路27と弁低圧室18との間をリリーフ弁も
しくは過圧弁30を介して接続するための接続部が設けられている。過圧弁30
はばね負荷されている。この過圧弁30は、弁システム圧室20内に一定のシス
テム圧p_sysを調節するために働くので、連なり合った全てのコモンレール
式インジェクタにおいてシステム圧を等しく保持することができる。
【0027】 図1に示した燃料噴射弁1は、以下に説明するようにして作動する。
【0028】 燃料噴射弁1が閉じられた状態、つまり圧電式のアクチュエータ3が通電され
ていない状態では、弁部材2の弁閉鎖部材13が、高圧範囲17内の高圧もしく
はレール圧p_Rによって、この弁閉鎖部材13に対応配置された上側の弁座1
4に当て付けられた状態に保持されるので、燃料が、高圧蓄え室に接続された弁
制御室12から弁低圧室18内に流入し、そして漏れ導出通路19を通じて逃出
することはない。
【0029】 弁制御室12が放圧されると、弁閉鎖部材13はばね31によって上側の弁座
14に保持される。
【0030】 圧電式のアクチュエータ3または別の弁構成部分、たとえば弁部材2または弁
体9の、温度に基づいた長さ変化の際に生じるような緩慢な操作が行われた場合
には、第1のピストン7が温度上昇と共にハイドロリックチャンバ11の補償容
積に侵入するか、または温度低下時にハイドロリックチャンバ11の補償容積か
ら引き戻されるが、しかしいずれの場合でも、このことが弁部材2の閉鎖位置お
よび開放位置、ひいては燃料噴射弁1全体の閉鎖位置および開放位置に影響を与
えることはない。
【0031】 燃料噴射弁1による噴射を行いたい場合には、圧電式のアクチュエータ3が通
電され、これにより、この圧電式のアクチュエータ3はその軸方向の延在長さを
衝撃的に増大させる。圧電式のアクチュエータ3のこのような迅速な操作が行わ
れた場合には、圧電式のアクチュエータ3は弁体9に支持され、これにより第2
のピストン10は弁部材2の弁閉鎖部材13をその上側の弁座14から両弁座1
4,15の間の中間位置へ運動させる。弁部材2の作動運動によって、ダイヤフ
ラム状のシールエレメント22の運動に基づき、弁システム圧室20の容積は減
じられ、この場合、ハイドロリックチャンバ11から弁システム圧室20と弁低
圧室18とに向かって漏れが生じ、さらにこの弁システム圧室20と弁低圧室1
8とから漏れ管路23および漏れ流出通路19ならびに過圧弁30を介して漏れ
が生じることによって、圧力の減圧が行われる。
【0032】 低圧範囲16においてシステム圧p_sysを上回る圧力が導出された後に、
弁閉鎖部材13を下側の弁座15における閉鎖位置へ運動させることができる。
これにより、もはや燃料が弁制御室12から弁低圧室18内に流入することはな
くなる。このときに、燃料噴射が終了されている。
【0033】 その後に、圧電式のアクチュエータ3の通電が中断され、これによりこの圧電
式のアクチュエータ3は再び収縮し、弁閉鎖部材13は両弁座14,15の間の
中間位置へもたらされる。この場合、新たな燃料噴射が行われる。下側の弁座1
5を通じて、燃料は弁低圧室18に流入することができる。しかしこの場合、漏
れ流出通路19に配置された絞り32によって、圧力は直ちには減じられない。
弁低圧室18内での短時間の圧力増大に基づき、ハイドロリック的な反力が生ぜ
しめられ、このような反力は、弁閉鎖部材13が両弁座14,15の間の中間位
置で安定化されるように弁部材2の作動運動を制動する。
【0034】 漏れ流出通路19による弁低圧室18内での減圧の後に、弁閉鎖部材13は上
側の弁座14に対する閉鎖位置へ運動する。したがって、圧電式のユニットのい
ずれの制御(通電または通電終了)によっても、燃料噴射が可能となる。
【0035】 弁閉鎖部材13が下側の弁座15から持ち上げられていると、充填装置26の
通路27には弁制御室12から高圧p_Rが供給されるので、低圧範囲16内の
漏れ損失を補償することができる。
【0036】 常に規定のシステム圧p_sysが必要とされるので、絞り孔28は、最小の
高圧p_R_minにおいてもシステム圧p_sysの調達がなお確保されるよ
うに寸法設定されている。他方において、高圧もしくはレール圧p_Rが増大す
るにつれて、低圧範囲16への漏れも増大する。それゆえに、通路27に供給さ
れる高圧p_Rが高くなればなるほど、過圧弁30はますます大きく開くように
なり、これにより一定のシステム圧p_sysを維持するために、過剰のハイド
ロリック液もしくは燃料が排出されるようになる。
【0037】 図2に示した線図から判るように、絞り孔28はこの場合、慣用の充填ピンを
用いて低圧範囲16の充填を実現する場合に比べて著しい利点を有している。
【0038】 この場合、本発明による絞り孔28における、圧力に関連した漏れ量Q_dの
経過が、ギャップ拡開なしの充填ピンの場合における、圧力に関連した漏れ量Q
_s1およびギャップ拡開を有する充填ピンの場合における、圧力に関連した漏
れ量Q_s2と比較して描かれている。
【0039】 システム圧p_sysを維持できるようにするためには、既にたとえば200
バールの比較的低い高圧p_Rにおいて、絞り孔28を通る漏れが低圧範囲16
からの損失よりも大きく形成されていなければならない。これにより、この場合
には5リットル/時間(=l/h)の最小通流量Q_minが得られる。
【0040】 図示の各通流量の経過から判るように、絞り孔28を通る通流量もしくは漏れ
量Q_dは高圧p_Rが増大して行っても、充填ピンの場合程には増大していな
い。これらの通流量の差を数式の形で見てみると、絞り孔28を通る容量流もし
くは漏れ流Q_dは、圧力差の他に考慮されるべき多数のファクタを1つの通流
ファクタAとして単純化した場合に、次式により表すことができる:
【0041】
【数1】
【0042】 高圧もしくはレール圧p_Rが増大するにつれて、通流量、つまり過圧弁30
により放出される過剰量は、根内でしか増大しない。それに対して、充填ピンを
用いた低圧範囲16の充填は、単純化された通流ファクタBを用いて、以下の関
係により表すことができる:
【0043】
【数2】
【0044】 上記式は圧力差に関して線状もしくは一次的(linear)である。したが
って、通流量Q_sはレール圧p_Rが増大するにつれて線状に増大する。
【0045】 充填ピンを用いた充填と、絞り孔を用いた充填とでは、200バールの高圧p
_Rでは低圧範囲16に対してまだ同じ所要最小流入量しか形成していないが、
充填ピンは既にギャップ拡開なしで、高圧p_Rが増大するにつれて、絞り孔よ
りも著しく大きな漏れ量Q_s1を形成する。充填ピンにおいてさらに、容量流
Q_s2の経過が示すように漏れギャップが高圧p_Rによって付加的に拡開す
ることが考慮されると、絞り孔を用いた充填はシステム全体の効率の点で一層有
利であることが判る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 内燃機関に用いられる燃料噴射弁における本発明による弁の1実施例を部分的
に示す縦断面図である。
【図2】 本発明による絞り孔の場合における圧力に関連した漏れ量の経過を、充填ピン
の場合における圧力に関連した漏れ量の経過と比較して示す線図である。
【符号の説明】
1 燃料噴射弁、 2 弁部材、 3 圧電式のアクチュエータ、 4 アク
チュエータヘッド、 5 アクチュエータベース、 6 受け、 7 第1のピ
ストン、 8 孔、 9 弁体、 10 第2のピストン、 11 ハイドロリ
ックチャンバ、 12 弁制御室、 13 弁閉鎖部材、 14,15 弁座、
16 低圧範囲、 17 高圧範囲、 18 弁低圧室、 19 漏れ流出通
路、 20 弁システム圧室、 21 開口、 22 シールエレメント、 2
3 漏れ管路、 24,25 ギャップ、 26 充填装置、 27 通路、
28 絞り孔、 29 環状溝、 30 過圧弁、 31 ばね、 32 絞り
───────────────────────────────────────────────────── 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 61/20 61/20 N Fターム(参考) 3G066 AA07 AB02 AC09 AD12 BA35 BA43 BA44 CC06T CC63 CC64T CC64U CC66 CC67 CC68T CC68U CC69 CC70 CD10 CE13 CE27

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、弁部材(2)を操作する
    ための圧電式のユニット(3)が設けられており、弁部材(2)が、弁体(9)
    に設けられた孔(8)内で軸方向移動可能であり、弁部材(2)の一方の端部が
    弁閉鎖部材(13)を有しており、該弁閉鎖部材(13)が、当該弁(1)を開
    閉させるための、弁体(9)に設けられた少なくとも1つの弁座(14,15)
    と協働するようになっており、前記弁閉鎖部材(13)が、システム圧(p_s
    ys)を有する低圧範囲(16)を高圧範囲(17)から分離させており、さら
    に、該高圧範囲(17)からハイドロリック液を取り出すことにより低圧範囲(
    16)の漏れ量を補償するための充填装置(26)が設けられている形式のもの
    において、充填装置(26)が、絞り孔(28)を有する通路(27)によって
    形成されており、該絞り孔(28)を通過する高圧範囲(17)からの容量流が
    、規定された最小の高圧(p_R_min)において低圧範囲(16)の漏れ量
    を補償するように前記絞り孔(28)の直径が設定され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】 弁部材(2)が分割されて形成されていて、少なくとも1つ
    の第1のピストン(7)と第2のピストン(10)とを備えており、両ピストン
    (7,10)がハイドロリックチャンバ(11)によって互いに分離されており
    、第1のピストン(7)が圧電式のユニット(3)に隣接していて、弁体(9)
    に設けられた孔(8)に続く範囲で弁システム圧室(20)によって取り囲まれ
    ており、第2のピストン(10)が、前記弁座(14,15)と漏れ流出通路(
    19)とを有する弁低圧室(18)に隣接しており、充填装置(26)に設けら
    れた前記通路(27)が、前記絞り孔(28)を挟んで低圧範囲(16)寄りの
    側では、第1のピストン(7)または第2のピストン(10)を取り囲むギャッ
    プ(24,25)に開口しており、前記絞り孔(28)を挟んで高圧範囲(17
    )寄りの側では弁低圧室(18)に開口している、請求項1記載の弁。
  3. 【請求項3】 充填装置(26)の前記通路(27)が、前記絞り孔(28
    )を挟んで低圧範囲(16)寄りの側では、第1のピストン(7)を取り囲むギ
    ャップ(24)に開口している、請求項2記載の弁。
  4. 【請求項4】 弁閉鎖部材(13)が、弁低圧室(18)内に配置された、
    当該弁(1)を開閉するための2つの弁座(14,15)と協働して、弁閉鎖部
    材(13)が、閉鎖位置では弁低圧室(18)を、高圧下にある弁制御室(12
    )から分離し、そして両弁座(14,15)の間の中間位置では弁低圧室(18
    )を弁制御室(12)に接続するようになっている、請求項2または3記載の弁
  5. 【請求項5】 前記通路(27)の、低圧範囲(16)寄りの範囲と、弁低
    圧室(18)との間に、システム圧(p_sys)を調節するための過圧弁(3
    0)が設けられている、請求項2から4までのいずれか1項記載の弁。
  6. 【請求項6】 システム圧(p_sys)を有するハイドロリックチャンバ
    (11)が、圧電式のユニット(3)および/または別の弁構成部分(9)の長
    さ伸縮誤差を補償するための誤差補償エレメントとして形成されていると同時に
    、ハイドロリック式の変換装置として形成されている、請求項2から5までのい
    ずれか1項記載の弁。
  7. 【請求項7】 弁システム圧室(20)が、シールエレメント(22)によ
    って仕切られている、請求項2から6までのいずれか1項記載の弁。
  8. 【請求項8】 弁システム圧室(20)を仕切るシールエレメントが、ベロ
    ーズ状のダイヤフラム(22)として形成されており、該ダイヤフラム(22)
    が弁部材(2)と弁体(9)とに結合されていて、圧電式のユニット(3)が、
    制御したい液体と接触しないように保護されている、請求項7記載の弁。
  9. 【請求項9】 前記絞り孔(28)が、少なくともほぼ40マイクロメータ
    〜60マイクロメータの直径、有利には50マイクロメータの直径を有している
    、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】 当該弁が、内燃機関に用いられる燃料噴射弁の構成要素、
    特にコモンレール式インジェクタ(1)の構成要素として使用されている、請求
    項1から9までのいずれか1項記載の弁。
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