JP2003520326A - 液体を制御する弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 液体を制御する弁が、弁ケーシング（７）の孔（１０）内において軸方向シフト可能な弁部材（３）を操作する圧電式ユニット（４）を備えて形成されている。この弁部材（３）は、圧電式ユニット（４）に隣接する少なくとも１つの調節ピストン（９）と、弁閉鎖部材（１１）に隣接する少なくとも１つの操作ピストン（１２）とを備えて複数部分から形成されており、調節ピストン（９）と操作ピストン（１２）との間には、液圧室（１３）が配置されている。孔（１０）は弁室（１７）に開口しており、この弁室（１７）内においては、弁閉鎖部材（１１）が、低圧領域（１８）を制限する第１の弁座（１４）と、高圧領域（１９）に通じる第２の弁座（１５）との間で可動である。そして弁閉鎖部材（１１）はその中間位置においてばね装置（２０）によって安定化させられるようになっており、このばね装置（２０）は、弁部材（３）に設けられた狭窄部（２１）と共働する。この場合該狭窄部（２１）とばね装置（２０）とは、弁閉鎖部材（１１）がその中間位置を占めている場合に、互いに係合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 従来の技術 本発明は、請求項１の上位概念部に記載された形式の、液体を制御する弁に関
する。

【０００２】 ドイツ連邦共和国特許第１９７３２８０２号明細書に基づいて、燃料高圧源を
備えた内燃機関用の燃料噴射装置における上記形式の弁が公知である。燃料噴射
装置は２つの弁座を有しており、両弁座は圧電式駆動装置による操作時に弁閉鎖
部材のシール面と順番に共働し、この場合弁閉鎖部材は最初に、第１の弁座にお
ける閉鎖位置に位置し、次いで中間位置で両弁座の間にもたらされ、その後第２
の弁座における閉鎖位置に達する。そのために圧電式アクチュエータにはレール
圧に関連した電圧が印加され、この電圧によって、アクチュエータは伸ばされ、
その結果弁閉鎖部材は第２の弁座へと運動させられる。第１の弁座に向かって弁
閉鎖部材の運動を逆転させるためには、アクチュエータへの給電が中断される。

【０００３】 このようにして一方の弁座から他方の弁座への弁閉鎖部材の運動によって、高
圧下にある弁制御室を短時間に放圧することができ、この場合弁制御室の圧力レ
ベルを介して、力補償されて形成された燃料噴射装置における弁ニードルの開閉
位置が規定され、ひいては燃料噴射が制御される。燃料噴射はこの場合、弁閉鎖
部材が両弁座の間の中間位置を占めている場合に、可能になる。このようにして
２回の燃料噴射、例えばパイロット噴射と主噴射とが、圧電式駆動装置の１回の
励起によって実現されるようになっている。

【０００４】 しかしながら上記のような構成において、弁閉鎖部材が両弁座の間の中間位置
にもたらされる時に、弁閉鎖部材において過剰な振動の発生することが分かった
。弁閉鎖部材が第１の弁座もしくは第２の弁座にむかって大きく振動するや否や
、弁閉鎖部材は不都合にも、噴射量調量時における不正確さを惹起してしまう。
この問題は特に、高いレール圧において発生する。

【０００５】 さらに、作業ポイントもしくはレール圧に関連して圧電式駆動装置に高い電圧
が印加される場合、ひいては調節運動が極めて高速で行われる場合には、弁閉鎖
部材が中間位置にある時間は極めて短くなり、その結果弁閉鎖部材は弁ニードル
に作用することができず、燃料噴射が行われないようなことがある。

【０００６】 そこで公知の構成では、両弁座の間における弁閉鎖部材の中間位置を、ばねの
適宜な寸法設定によって安定化させており、この場合ばねは、しばしば第２の弁
座と弁閉鎖部材との間に配置されていて、弁閉鎖部材を弁制御室の放圧時に第１
の弁座における閉鎖位置に保持できるようになっている。しかしながらこの公知
の構成には、弁閉鎖部材がその全調節運動行程にわたってばね力に抗して第１の
弁座から第２の弁座における閉鎖位置に移動しなくてはならない、という欠点が
ある。従って圧電式駆動装置は相応に大きく寸法設定しなくてはならず、これに
よって噴射装置の製造コスト及び構造寸法は不都合な影響を受ける。

【０００７】 また、圧電式駆動装置を次のように制御する可能性もある。すなわちこの場合
圧電式駆動装置は第１の弁座から第２の弁座への弁閉鎖部材の運動のために極め
て大きな電圧を印加され、弁閉鎖部材が中間位置にある時間は極めて短くなり、
これによって弁全体の開放特性に対する影響を及ぼすことができなくなる。噴射
は、第１の弁座への戻り運動時に圧電式駆動装置に対する電圧を段階的に減じる
ことによって、達成することができるが、この場合噴射時間ひいては噴射量は、
中間的な電圧が圧電式アクチュエータに供給される時間によって制御される。こ
の場合にはしかしながらダブル切換え式（doppelschaltend）の弁の効果は失わ
れてしまう。さらにこの解決策にはエネルギの点で、特に所要出力及び出力損失
に関して、少なくとも高回転数時及び複数の噴射時において問題がある。

【０００８】 発明の利点 請求項１もしくは請求項６の特徴部に記載のように構成された、本発明による
液体を制御する弁には次のような利点がある。すなわち本発明による弁では、弁
閉鎖部材の調節運動は本発明によるばね装置を用いて緩衝されて、弁閉鎖部材が
両弁座の間における中間位置において、単純かつ安価な手段によって機械的に安
定化させられる。

【０００９】 本発明によって、第２の弁座において存在している高圧とは無関係に中間の弁
行程を確実に実現することができ、そして弁をエネルギ的に有利な制御によって
ダブル切換え式に運転することができる。これによって本発明による弁を用いて
、高周波のもしくは高頻度の少量の液体噴射、特に燃料噴射をも、正確に行うこ
とが可能であり、しかもこの場合弁閉鎖部材の過剰振動による噴射量の変動が生
ぜしめることも、噴射が中断されることもない。

【００１０】 本発明の別の有利な構成は、その他の従属請求項に記載されている。

【００１１】 図面 次に図面を参照しながら、本発明による液体を制御する弁の２つの実施例を説
明する。

【００１２】 図１は、内燃機関のための燃料噴射弁における本発明の第１実施例を示す縦断
面図であって、弁閉鎖部材が第１の弁座と第２の弁座との中間位置を占めている
状態を示す図であり、 図２は、図１のＩ−Ｉ線に沿った横断面図であり、 図３は、弁閉鎖部材の運動をその中間位置において緩衝する力の質的な経過を
示すグラフであり、 図４は、内燃機関のための燃料噴射弁における本発明の別の実施例を部分的に
示す断面図である。

【００１３】 実施例の記載 図１及び図２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における本発明による弁の使用を示している。燃料噴射弁１は図示の実施例で
はコモンレール・インジェクタとして形成されており、この場合燃料噴射は、高
圧供給部と接続されている弁制御室２における圧力レベルを介して制御される。

【００１４】 噴射開始時期、噴射時間及び噴射量を燃料噴射弁１における力状態によって調
節するために、弁部材３は、圧電式アクチュエータ４を備えて形成された圧電ユ
ニットを介して制御され、この圧電ユニットは弁部材３の、弁制御室及び燃焼室
とは反対の側に配置されている。

【００１５】 圧電式アクチュエータ４は公知の形式で複数の層から構成されていて、弁部材
３に向けられた側にアクチュエータヘッド５を有し、弁部材とは反対の側にアク
チュエータ基部６を有しており、このアクチュエータ基部６は弁ケーシング７に
支持されている。アクチュエータヘッド５には支持体８を介して弁部材３の調節
ヘッド９が接触しており、この調節ヘッド９はその直径を段付けされて構成され
ている。

【００１６】 弁部材３は軸方向シフト可能に、長手方向孔として形成された弁ケーシング７
の孔１０内に配置されていて、調節ピストン９の他にさらに、球形の弁閉鎖部材
１１を操作する操作ピストン１２を有している。調節ピストン９と操作ピストン
１２とは、液圧式の伝達装置もしくは変換装置を介して互いに連結されている。

【００１７】 この液圧式の変換装置は、圧電式アクチュエータ４の変位を伝達もしくは変換
する液圧室１３として形成されている。液圧室１３は、この液圧室１３を制限す
る両ピストン９，１２の間において、共通の補償容積（Ausgleichsvolumen）を
閉じ込めており、両ピストンのうち操作ピストン１２は、小さな直径をもって形
成され、かつ調節ピストン９は大きな直径をもって形成されている。

【００１８】 液圧室１３は調節ピストン９と操作ピストン１２との間において緊張させられ
ており、この場合大径を有する調節ピストン９が圧電式アクチュエータ４によっ
て規定の運動距離だけ移動させられた時に、操作ピストン１２はピストン直径の
伝達比だけ増大させられた行程を移動するようになっている。調節ピストン９、
操作ピストン１２及び圧電式アクチュエータ４はこの場合、共通の軸線上に相前
後して位置している。

【００１９】 液圧室１３の補償容積を介して、液圧による力の伝達のみならず、部材におけ
る温度勾配又は使用される材料の異なった温度膨張係数に基づく誤差及び場合に
よっては生じるセット効果（Setzeffekt）を、補償することができ、しかもこの
場合これによって、制御すべき弁閉鎖部材１１のポジションの変化を生ぜしめる
ことはない。液圧室１３の充填部は図１には示されていない。

【００２０】 弁部材３もしくは操作ピストン１２の弁制御室側の端部において、球形の弁閉
鎖部材１１は弁室１７内において、弁ケーシング７に形成された弁座１４，１５
と共働し、この場合第１もしくは上側の弁座１４は低圧領域１８に通じ、第２も
しくは下側の弁座１５は、高圧下にある弁制御室２に通じている。下側の弁座１
５にはばね１６が配属されており、このばね１６は弁閉鎖部材１１を、弁制御室
２の放圧時に上側の弁座１４に保持する。

【００２１】 高圧領域１９の弁制御室２内には可動の弁制御ピストンが配置されおり、この
弁制御ピストンは図面には示されていない。弁制御室２内における弁制御ピスト
ンの軸方向運動によって、燃料噴射弁１の噴射ノズルは自体公知の形式で制御さ
れる。弁制御室２には汎用の形式で噴射通路が開口しており、この噴射通路は噴
射ノズルに燃料を供給する。噴射通路は、複数の燃料噴射弁のために共通の１つ
の高圧アキュムレータ（コモンレール）と接続されている。この高圧アキュムレ
ータにはこの場合公知の形式で、燃料タンクから燃料高圧フィードポンプによっ
て高圧の燃料が供給される。

【００２２】 弁閉鎖部材１１をその中央位置において安定化させるために、弁閉鎖部材１１
が配置されている弁室１７と液圧室１３との間の領域には、ばね装置２０が配置
されている。このばね装置２０は燃料噴射弁１の運転中に操作ピストン１２にお
ける狭窄部２１と共働し、この場合狭窄部２１とばね装置２０とは互いに次のよ
うに、すなわち弁閉鎖部材１１がその中間位置を占めている場合に、両者が互い
に係合しているように、配置されている。

【００２３】 図１及び図２から分かるように、ばね装置２０は図示の実施例では圧縮ばね２
２として形成されていて、この圧縮ばね２２は弁部材３もしくは操作ピストン１
２とは反対側の端部において弁ケーシング７に支持され、かつ操作ピストン１２
に向けられた他方の端部に滑り装置２３を有している。

【００２４】 図示の実施例では滑り装置２３は、操作ピストン１２の全周にわたって均一に
分配配置された３つの球２４を備えて形成されており、これらの球２４は操作ピ
ストン１２における狭窄部２１のジオメトリと共働して、弁閉鎖部材１１がその
中央位置において調節運動中に制動させられるようになっている。球２４のポジ
ション及び操作ピストン１２の狭窄部２１のジオメトリは、専門家によって弁閉
鎖部材１１の所望の制動形式に応じて合わせられる。

【００２５】 孔１０の圧電側端部には、弁系圧室２５が接続されている。この弁系圧室２５
は一方では弁ケーシング７によって制限され、かつ他方では、弁部材３の調節ピ
ストン９及び弁ケーシング７と結合されたシールエレメント２６によって制限さ
れており、このシールエレメント２６は、図示の実施例ではベローズ状のダイヤ
フラムとして形成されていて、圧電式アクチュエータ４が弁系圧室２５内におけ
る燃料と接触することを阻止している。図１には、低圧領域１８を充填するため
の充填装置２７が略示されている。

【００２６】 図１及び図２に示された燃料噴射弁１は下記のように作動する。

【００２７】 燃料噴射弁１の閉鎖状態でかつ圧電式アクチュエータ４の不給電時には、弁部
材３の弁閉鎖部材１１は、該弁閉鎖部材１１に対応配置もしくは配属された上側
の弁座１４に接触保持されており、その結果燃料が、高圧アキュムレータと接続
された弁制御室２から低圧領域１８に達することはできない。

【００２８】 圧電式アクチュエータ４又はその他の弁構成部材例えば弁ケーシング７の、温
度に基づく長さ変化時に生じるような、ゆっくりとした操作時には、調節ピスト
ン９は温度上昇と共に液圧室１３の補償容積内に進入するか、又は温度低下時に
はそこから引き戻されるが、この場合この運動が、弁部材３及び燃料噴射弁１全
体の開閉位置に影響を与えることはない。

【００２９】 燃料噴射弁１の噴射を実行したい場合には、圧電式アクチュエータ４が給電さ
れ、これによって圧電式アクチュエータ４はその軸方向長さを急激に増大させる
。調節ピストン９及び液圧室１３を介して、圧電式アクチュエータ４のこの長さ
の伸びは操作ピストン１２に伝達され、これによって弁部材３は第１の上側の弁
座１４から押し出され、存在するレール圧に抗して、第２の下側の弁座１５に向
かって運動させられる。今や操作ピストン１２の狭窄部２１が、滑り装置２３の
球２４が配置されている領域に達すると、制御弁には、弁閉鎖部材１１の運動方
向とは逆向きに作用する制動力が加えられ、この制動力はこのポジションにおけ
る安定を生ぜしめる。

【００３０】 図３にはこの制動力の経過が極めて簡単化されて示されており、この制動力は
、操作ピストン１２の狭窄部２１とばね装置２０との間における係合によって発
生し、弁閉鎖部材１１の中央位置h＿Mitteにおいて最大値を有している。操作ピ
ストン１２が今や中央位置から、相応に大きな圧電力によってさらに運動させら
れると、狭窄部２１は、操作ピストン１２に向かって押圧される球２４の領域か
ら移動し、この際に弁運動方向に抗した力は急激に低下する。そして弁閉鎖部材
１１はこれによって、ばね装置２０による抵抗力を加えられることなしに、最大
行程ポジションh＿maxにもたらされ、つまり第２の弁座１５に向かって運動させ
られる。

【００３１】 圧電式アクチュエータ４への給電が中断されると、弁閉鎖部材１１はレール圧
に助成されて逆方向に移動させられ、この際に、操作ピストン１２の狭窄部２１
へのばね装置２０の係合によって、上に述べたように、弁閉鎖部材１１は再びそ
の中央位置において安定化させられる。

【００３２】 圧電式アクチュエータ４の制御は基本的には次のように、すなわち圧電式アク
チュエータ４が噴射のために真ん中の電圧レベルに電圧を増減されるように、行
われる。これによって生ぜしめられるアクチュエータ行程によって、制御弁は両
方の座のほぼ真ん中に位置決めされることができる。従って本発明による装置は
、この中央位置を確実にかつ高い精度をもって維持するために役立つ。

【００３３】 図４には燃料噴射弁１の別の実施例が示されているが、この実施例においても
図面を分かりやすくするために、同一機能を有する部材には既に用いたのと同一
の符号が付けられている。

【００３４】 図１及び図２に示された実施例とは異なり、図４に示されたばね装置２０では
、ばね２８が弁閉鎖部材１１の弁室１７内に配置されており、このばね２８は一
方では弁室１７の、第２の弁座１５に対応配置もしくは配属された端部に支持さ
れ、かつ他方では、第１の弁座１４と第２の弁座１５との間の領域におけるスト
ッパ２９に支持されている。ストッパ２９の適宜な位置決めによってばね２８は
次のように、すなわちそのばね力が第１の弁座１４から第２の弁座１５への弁閉
鎖部材１１の調節運動を、中間位置に達した後で緩衝するように、位置決めされ
ている。

【００３５】 もちろん上に述べた実施例もしくは構成は、本発明による弁において択一的に
又は一緒に使用することが可能である。ばね装置を組み合わせて使用する場合に
は、弁閉鎖部材の作業形式もしくは中央位置をさらに安定化させることができる
。

【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実施例を示す縦断面図であ
って、弁閉鎖部材が第１の弁座と第２の弁座との中間位置を占めている状態を示
す図である。

【図２】 図１のＩ−Ｉ線に沿った横断面図である。

【図３】 弁閉鎖部材の運動をその中間位置において緩衝する力の質的な経過を示すグラ
フである。

【図４】 内燃機関のための燃料噴射弁における本発明の別の実施例を部分的に示す断面
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 51/00 Ｆ０２Ｍ 51/00 Ｅ 51/06 51/06 Ｎ Ｆ１６Ｋ 31/02 Ｆ１６Ｋ 31/02 Ａ (72)発明者 ウド シュルツ ドイツ連邦共和国 ヴァイヒンゲン／エン ツ コルンブルーメンヴェーク 34 Ｆターム(参考） 3G066 AA07 AB02 AC09 BA13 BA51 CB12 CC01 CC08T CC08U CC68T CC68U CE27 DA09 3H062 AA02 AA12 BB04 CC05 EE06 HH01

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体を制御する弁であって、弁ケーシング（７）の孔（１０
   ）内において軸方向シフト可能な弁部材（３）を操作する圧電式ユニット（４）
   が設けられており、該弁部材（３）が、圧電式ユニット（４）に隣接する少なく
   とも１つの調節ピストン（９）と、弁閉鎖部材に隣接する少なくとも１つの操作
   ピストン（１２）とを備えて複数部分から形成されており、調節ピストン（９）
   と操作ピストン（１２）との間に、液圧式伝達装置もしくは変換装置及び誤差補
   償エレメントとして働く液圧室（１３）が配置されており、この場合孔（１０）
   の、圧電式ユニット（４）とは反対側の端部が、弁室（１７）に隣接しており、
   該弁室（１７）内に弁閉鎖部材（１１）が配置されており、該弁閉鎖部材（１１
   ）が、孔（１０）の端部に形成されていて低圧領域を制限する第１の弁座（１４
   ）と、高圧領域（１９）の弁制御室（２）に通じる第２の弁座（１５）との間で
   、弁（１）の開閉のために可動であり、この場合弁閉鎖部材（１１）が両弁座（
   １４，１５）の間の中間位置において低圧領域（１８）を弁制御室（２）と流れ
   接続させる形式のものにおいて、弁閉鎖部材（１１）をその中間位置において安
   定化させるばね装置（２０）が、弁部材（３）に設けられた狭窄部（２１）と共
   働するようになっており、該狭窄部（２１）とばね装置（２０）とは、弁閉鎖部
   材（１１）がその中間位置を占めている場合に、狭窄部（２１）とばね装置（２
   ０）とが互いに係合するように、対応配置されていることを特徴とする、液体を
   制御する弁。
2. 【請求項２】 狭窄部（２１）が操作ピストン（１２）に形成されている、
   請求項１記載の弁。
3. 【請求項３】 ばね装置（２０）が圧縮ばね（２２）を備えて形成されてお
   り、該圧縮ばね（２２）が弁部材（３）とは反対側の端部において弁ケーシング
   （７）に支持されていて、弁部材（３）に向けられた端部に滑り装置（２３）を
   有している、請求項１又は２記載の弁。
4. 【請求項４】 滑り装置（２０）が球（２４）を備えて形成されており、こ
   の場合有利には互いに均一な間隔をおいて配置された３つの球（２４）が設けら
   れている、請求項３記載の弁。
5. 【請求項５】 ばね装置（２０）が、液圧室（１３）と弁室（１７）との間
   の領域に配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の弁。
6. 【請求項６】 液体を制御する弁、特に請求項１から５までのいずれか１項
   記載の液体を制御する弁において、ばね装置（２０）がばね（２８）を備えて弁
   閉鎖部材（１１）の弁室（１７）内に配置されており、該ばね（２８）が一方で
   は弁室（１７）の、第２の弁座（１５）に向けられた端部に支持され、かつ他方
   では、第１の弁座（１４）と第２の弁座（１５）との間の領域におけるストッパ
   （２９）に支持されており、該ストッパ（２９）は次のように、すなわちばね力
   が第１の弁座（１４）から第２の弁座（１５）への弁閉鎖部材（１１）の調節運
   動を、中間位置到達後に緩衝するように、配置されていることを特徴とする液体
   を制御する弁。
7. 【請求項７】 弁室（１７）の、第２の弁座（１５）に向けられた端部と、
   弁閉鎖部材（１１）との間に、別のばねエレメント（１６）が設けられており、
   該ばねエレメント（１６）のばね力を用いて弁閉鎖部材（１１）が、弁制御室（
   ２）の放圧時に第１の弁座（１４）に保持されている、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】 弁が、内燃機関の燃料噴射弁、特にコモンレールインジェク
   タ（１）の構成部材として使用される、請求項１から７までのいずれか１項記載
   の弁。