JP2003532000A - 液体を制御する弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 液体を制御する弁は、弁体（５）の孔（８）内においてシフト可能な弁部材（２）を操作する圧電式ユニット（３）を有しており、弁部材（２）は少なくとも１つの調節ピストン（７）と少なくとも１つの操作ピストン（１０）とを、弁閉鎖部材（９）を操作するために有している。調節ピストン（７）と操作ピストン（１０）との間には、液圧式の連結体として働く液圧室（１１）が形成されており、この場合操作ピストン（１０）は液圧室（１１）を閉鎖するように、弁座方向において開放した調節ピストン（７）の盲孔（１２）内においてシフト可能に支承されている。液圧室（１１）に隣接する、調節ピストン（７）の横断面積（Ａ０）と、操作ピストン（１０）の小さな横断面積（Ａ１）と、少なくとも１つの減少エレメント（１４）の横断面積（Ａ２）とが、操作ピストン（１０）の行程距離のための伝達比を規定するのに対して、少なくとも１つの減少エレメント（１４）は孔（８）におけるストッパ（１５）に支持されている。

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】 ヨーロッパ特許公開第０４７７４００号明細書に基づいて、圧電式アクチュエ
ータを介して操作可能である弁が公知である。この公知の弁は、圧電式アクチュ
エータの運動距離変換のために、行程方向で作用する適応性のある機械式の誤差
補償のための装置を有しており、この装置では、圧電式アクチュエータの変位は
液圧室を介して伝達されるようになっている。いわゆる液圧式の伝達装置として
作動する液圧室は、該液圧室を制限する２つのピストンの間に共通の補償容積を
閉鎖しており、両ピストンのうちの一方は、小さな直径を有する操作ピストンと
して形成され、かつ制御すべき弁閉鎖部材と結合されており、他方のピストンは
、大きな直径を有する調節ピストンとして形成されていて、圧電式アクチュエー
タと結合されている。そして両ピストンの間における補償容積を介して、構成部
材における温度勾配に基づく誤差や、場合によっては生じるセッティング効果（
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
弁部材のポジションが変化することはない。

【０００３】 そして液圧室は両ピストンの間において次のように、大きなピストンが圧電式
アクチュエータによて特定の運動距離だけ移動させられた場合に、弁部材の操作
ピストンがピストン直径の伝達比だけ増大された行程を進めように、緊張させら
れている。この場合弁部材、ピストン及び圧電式アクチュエータは共通の軸線上
に相前後して位置している。

【０００４】 このような形式のピストンにおける欠点としては特に次のことが挙げられる。
すなわちこの公知のピストンでは、長手方向において相前後して配置されたピス
トンによって生ぜしめられる構造長さが大きく、このような構造長さは、利用で
きる取付けスペースが小さい場合に極めて不都合である。

【０００５】 このようなピストンではまた、調節ピストンもしくは操作ピストンを取り囲む
間隙に沿って液圧室から流れる漏れ損失が問題である。それというのは、このよ
うな損失は効率をかなり劣化させてしまうおそれがあるからである。

【０００６】 上に述べた公知の解決策における欠点は、特に、高い効率が望まれていて極め
て制限された構造スペースしか利用できない、コモンレールインジェクタとして
形成された燃料噴射弁を制御するためのサーボ弁に対して言える。

【０００７】 本発明の利点 請求項１の特徴部に記載された、本発明による液体を制御する弁は、調節ピス
トンの盲孔内に配置された操作ピストンと、伝達装置を実現するための少なくと
も１つの減少エレメントとを有しており、このような構成によって本発明による
弁は、極めて小さな取付けスペースしか必要としない。

【０００８】 さらに本発明による弁によって、液圧室からの漏れ損失を著しく減じることが
できる。それというのは、本発明による解決策では調節ピストンと操作ピストン
と減少エレメントとの間における平行に延びるシール間隙によって、直列的に相
前後して配置された調節ピストンと操作ピストンとの必然的に大きな周面を介し
て逃げる液体に比べて、著しく僅かな液体しか逃げることができないからである
。

【０００９】 特に、小さな伝達装置では漏れ損失が僅かであることに基づいて、より良好な
効率が実現される。さらに小型もしくは短い圧電式アクチュエータを使用するこ
とができ、これによって本発明による弁のための製造コストを著しく低減させる
ことができる。それというのは、圧電式アクチュエータの寸法は大きなコストフ
ァクタであるからである。

【００１０】 伝達比は本発明による弁では構造的に特に簡単に、液圧室における調節ピスト
ンの横断面積つまり盲孔の底面積と、操作ピストンの横断面と少なくとも１つの
減少エレメントの横断面との和である横断面積との間の面積比によって、実現さ
れる。

【００１１】 本発明の極めて有利な構成では、操作ピストンが少なくとも１つの減少エレメ
ントと一緒に、最大行程距離の第１の部分長さのためにシフト可能であり、かつ
操作ピストンが、少なくとも１つの減少エレメントのためのストッパへの到達後
に、残りの行程距離を進めようになっている。

【００１２】 公知のように圧電式アクチュエータは確かに、アクチュエータ行程が小さい場
合には大きな力の蓄積を提供するが、しかしながら圧電式アクチュエータの最大
行程も同様に小さい。本発明による段階付けられた伝達装置によって有利な形式
で、大きな力を、最大行程距離の第１の部分長さのために弁閉鎖部材に対して加
えることが可能である。それというのはこの場合、調節ピストンに対する伝達比
は１：１だからである。これによって弁閉鎖部材は、極めて大きな圧力に抗して
開放されることができる。減少エレメントがそのストッパに達した後で、操作ピ
ストンは寸法設定に応じて、残りの行程距離を小さな力で克服することができる
。

【００１３】 このような本発明による弁の構成によって、圧電式アクチュエータをさらに小
さくすることができる。それというのは、必要な行程距離を実施するために、最
大のアクチュエータ力は短い行程距離のためにしか必要ないからである。

【００１４】 本発明による構成によって、弁は特に、内燃機関用の燃料噴射弁、特にコモン
レールインジェクタを制御するためのサーボ弁として適している。コモンレール
インジェクタでは、特に制限された構造スペースしか利用することができず、し
かも、噴射ニードルによって所定された貫流を弁閉鎖部材の弁座を通して可能に
するためには、サーボ弁を高いレール圧に抗して開放する必要がある。

【００１５】 本発明のその他の有利な実施態様は、従属請求項に記載されている。

【００１６】 図面 次に、液体を制御するための本発明による弁の１実施例を、図面を参照しなが
ら説明する。

【００１７】 図１は、内燃機関用の燃料噴射弁における本発明の１実施例を示す縦断面図で
ある。

【００１８】 実施例の記載 図１に示された実施例は、自動車の内燃機関用の燃料噴射弁における本発明に
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、この場合ディーゼル燃料の噴射は、高圧供給部
に接続された弁制御室１２における圧力レベルを介して制御される。

【００１９】 図示の実施例では力補償されないように構成された燃料噴射弁１における噴射
開始、噴射時間及び噴射量を調節するために、複数部分から成る弁部材２は、圧
電式アクチュエータ３として形成された圧電式ユニットを介して制御され、この
場合圧電式アクチュエータ３は、弁部材２の、弁制御室及び燃焼室とは反対の側
に配置されている。

【００２０】 自体公知の形式で複数の層から構成された圧電式アクチュエータ３は、弁部材
２に向けられた側に、アクチュエータヘッド４を有していて、弁部材とは反対の
側において弁体５に支持されている。アクチュエータヘッド４には支持体６を介
して、弁部材２の調節ピストン７が接触している。弁部材２は、弁体５の長手方
向孔として形成された孔８内において軸方向シフト可能であり、かつ調節ピスト
ン７の他にさらに、弁閉鎖部材９を操作する操作ピストン１０を有しており、こ
の場合調節ピストン７と操作ピストン１０とは液圧式の伝達装置（Uebersetzung
）を用いて互いに連結されている。

【００２１】 液圧式の伝達装置は、液圧室１１を備えて形成されており、この液圧室１１を
介して圧電式アクチュエータ３の変位が伝達される。液圧室１１はこの場合、弁
座方向に開放した調節ピストン７の盲孔１３内に形成されており、この調節ピス
トン７内には操作ピストン１０がシフト可能に支承されていて、液圧室１１を弁
座方向において制限している。伝達比は、液圧室１１に隣接する調節ピストン７
の横断面積Ａ０と、操作ピストン１０の小さな横断面積Ａ１との間の比によって
生じる。

【００２２】 操作ピストン１０の横断面積Ａ１と調節ピストン７における大きな横断面積Ａ
０との間の差を補償するために、操作ピストン１０の側には、ピンとして形成さ
れた減少エレメント（Reduzierelement）１４が設けられており、この減少エレ
メント１４は、軸方向において操作ピストン１０内に形成された貫通孔１７内に
挿入されていて、横断面積Ａ２で液圧室１１に隣接している。操作ピストン１０
の横断面積Ａ１と減少エレメント１４の横断面積Ａ２とは一緒に、間隙面積を無
視すれば、調節ピストン７の、液圧室１１に隣接する横断面積Ａ０を形成してい
る。これによって調節ピストン７の操作時には液圧室１１を介して、操作ピスト
ン１０は弁座方向において、その最大行程距離の少なくとも部分長さにわたって
シフトが可能であり、これに対して減少エレメントとして設けられたピン１４は
、孔８内におけるストッパ１５に支持されている。

【００２３】 図１に示された実施例ではピン１４の長さは、液圧室１１の補償容積に隣接す
る横断面積Ａ１を備えた操作ピストン１０の領域１０Ａの長さよりも大きく選択
されている。操作ピストン１０の横断面はこの領域１０Ａから、弁閉鎖部材９の
ための接触面１６とは逆方向にもしくはこの接触面に向かって先細になっている
。

【００２４】 本発明の別の構成ではもちろん、減少エレメントとして複数のピンが設けられ
ていることも、又は減少エレメントが例えばリング形状のような別の形状を有し
ていることも可能である。

【００２５】 さらに減少エレメント１４は、弁座方向において幾分短く構成されていてもよ
く、そのようになっていると、段階付けられた伝達装置が可能であり、このよう
な伝達装置では操作ピストン１０は少なくとも減少エレメント１４と一緒に、そ
の最大行程距離の第１の部分長さのためにシフト可能であり、つまり減少エレメ
ントが有利には分割構成された弁体５の分割面に形成されたストッパ１５に接触
するまで、シフト可能である。そこまで作用する１：１の連結によって、大きな
力が弁閉鎖部材９に対してもたらされることができ、これに対して、操作ピスト
ン１０の次いで行われるただ１つの継続運動時には大きな残留行程を実施するこ
とができ、この残留行程は、燃料噴射弁１の安定的な運転を保証する。それとい
うのはこの場合、一方では弁位置が一義的であり、かつ他方では、コモンレール
インジェクタのために典型的な流出絞り１８が確実に空洞形成する（kavitieren
）ことができるからである。

【００２６】 この効果を得るためには、減少エレメント１４を上に述べた実施例に対して僅
かな寸法だけ短縮するだけで、十分であり、この場合短縮する寸法は僅かなので
、このような変化実施例は、図１に示された実施例における寸法関係では図面に
おいて差を認識できないほどである。

【００２７】 図示の実施例ではボールキャップによって形成されていて、弁部材２の弁制御
室側端部に設けられている弁閉鎖部材９は、弁体５に形成された弁座１９，２０
と共働し、この場合下側の弁座２０にはばね装置２１が配属されており、このば
ね装置２１は弁部材９を弁制御室１２の放圧時に上側の弁座１９に保持する。弁
座１９，２０は、弁体５に形成された第１の弁室２２内に形成されており、この
弁室２２は漏れ流出通路２３に接続され、かつ、弁系圧室２４に通じる充填装置
２６の補償通路２５に接続されている。

【００２８】 択一的な構成ではもちろんただ１つの弁座と共働する弁閉鎖部材９が、系圧を
有する低圧領域２７を、高圧もしくはレール圧を有する高圧領域から切り離す。

【００２９】 弁部材２の圧電側端部において孔９には、第２の弁室２９が接続しており、こ
の第２の弁室２９は一方では弁体５によって、かつ他方では調節ピストン７及び
弁体５に結合されたシールエレメント３０によって制限されており、この場合シ
ールエレメント３０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３が低圧領域２７における燃料と接触すること
を阻止している。

【００３０】 充填装置２６を介して液圧室１１は圧電式アクチュエータ３の制御中止中もし
くは給電休止中に、低圧領域２７の漏れ量を補償するために、高圧領域２８から
液圧液を再充填される。そのために通路状の中空室３１は低圧領域２７の系圧室
２４に開口しており、この系圧室２４は孔として、操作ピストン１０を取り囲む
調節ピストン７の領域７Ａ内において、調節ピストン７を取り囲む間隙３２と操
作ピストン１０を取り囲む間隙３との間に形成されている。

【００３１】 もちろん系圧室のその他の構造的な構成も可能であり、充填装置２６が高圧領
域２８に対する適宜な絞りを有し、かつ過圧を逃がすための適宜な装置を有する
ような構成も可能である。

【００３２】 図１に示された燃料噴射弁１は下記のように作動する。

【００３３】 燃料噴射弁１の閉鎖状態、つまり圧電式アクチュエータ３が給電されていない
状態において、弁部材２の弁閉鎖部材９は高圧領域２８における高圧もしくはレ
ール圧によって、上側の弁座１９に接触させられており、その結果燃料は、複数
の燃料噴射弁のために共通の高圧アキュムレータ（コモンレール室）に接続され
た弁制御室１２から、第１の弁室２２に達することはできず、かつ漏れ流出通路
２３を通って逃げることができない。圧電式アクチュエータ３又はその他の弁構
成部材が温度に基づいてその長さを変化させるような、ゆっくりとした操作時に
は、調節ピストン７は液圧室１１の補償容積を減少させながら弁座方向に押圧さ
れ、温度降下時には相応に引き戻され、この場合このような動作は、弁部材２及
び燃料噴射弁１の閉鎖位置及び開放位置に対して全体として何ら作用しない。

【００３４】 燃料噴射のためには弁閉鎖部材９は流れ方向に抗して、ひいては高圧領域２８
におけるレール圧に抗して開放されねばならない。そのために必要なアクチュエ
ータ力は、圧電式アクチュエータ３によって生ぜしめられ、この圧電式アクチュ
エータ３は給電時に急激に軸方向で膨張し、かつ弁座方向への調節ピストン７の
シフトによって、液圧室１１内において規定の圧力を形成する。これによって液
圧室１１を介して、操作ピストン１０及び減少エレメントもしくはピン１４に対
して液圧力が加えられ、この液圧力は、圧電式アクチュエータ３の力に相当して
いる。図示の実施例では減少エレメント１４は弁体５の孔８内における段部１５
に支持されているので、単に操作ピストン１０だけが運動させられるが、この場
合操作ピストン１０の行程は、減少エレメント１４の横断面積Ａ２が操作ピスト
ン１０の横断面積Ａ１に対して大きければ大きいほど、大きくなる。

【００３５】 図示のダブル座弁では、この場合弁閉鎖部材９は両弁座１９，２０の間の中間
位置にもたらされ、次いで下側の弁座２０における閉鎖位置へと移動させられ、
これによって燃料はもはや弁制御室１２から第１の弁室２２内に達することはな
い。

【００３６】 圧電式アクチュエータ３への給電が中断されると、圧電式アクチュエータ３は
再び短縮し、弁閉鎖部材９は両弁座１９，２０の間の中間位置にもたらされ、こ
の際に新たな燃料噴射が行われる。漏れ流出通路２３による弁室２２における圧
力消滅後に弁閉鎖部材９は、上側の弁座１９における閉鎖位置に移動し、そこで
ばね装置２１によって保持される。

【００３７】 圧電式アクチュエータ３の各制御時に、本発明による燃料噴射弁１では燃料噴
射と必要な液圧室１１の再充填とが行われ、この場合高圧領域２８においては、
弁制御室１２における弁制御ピストンの軸方向運動によって、噴射ノズルに自体
公知の形式で燃料が供給される。

【００３８】 実施例は力補償されない形式の燃料噴射弁について記載されているが、本発明
はもちろん力補償されるように構成された燃料噴射弁においても使用することが
できる。また本発明は燃料噴射弁に制限されるものではなく、圧電式アクチュエ
ータを備えたすべての弁、つまり弁閉鎖部材が高圧領域を低圧領域から隔てるよ
うな弁、例えばポンプにおける弁において適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】 内燃機関用の燃料噴射弁における本発明の１実施例を示す縦断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G066 AA07 AB02 AC09 BA35 BA61 BA67 CC08U CC66 CC70 CD10 CE27

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体を制御する弁であって、弁体（５）の孔（８）内におい
   てシフト可能な弁部材（２）を操作する圧電式アクチュエータ（３）が設けられ
   ており、弁部材（２）が少なくとも１つの調節ピストン（７）と少なくとも１つ
   の操作ピストン（１０）とを、弁閉鎖部材（９）を操作するために有しており、
   弁閉鎖部材（９）が弁（１）を開閉するために、弁体（５）に設けられた少なく
   とも１つの弁座（１９，２０）と共働するようになっており、誤差補償エレメン
   ト及び液圧式の伝達装置として働く液圧室（１１）が、調節ピストン（７）と操
   作ピストン（１０）との間に設けられている形式のものにおいて、調節ピストン
   （７）が、弁座方向に開放した盲孔（１３）を有していて、該盲孔（１３）内に
   おいて操作ピストン（１０）が、液圧室（１１）を制限するようにかつシフト可
   能に支承されており、それぞれ液圧室（１１）に隣接する、調節ピストン（７）
   の横断面積（Ａ０）が、少なくともほぼ操作ピストン（１０）の小さな横断面積
   （Ａ１）と、少なくとも１つの減少エレメント（１４）の横断面積（Ａ２）とを
   足したものに相当しており、この場合伝達装置が次のように、すなわち操作ピス
   トン（１０）が弁座方向におけるその最大行程距離の少なくとも部分長さのため
   に運動可能であるのに対して、少なくとも１つの減少エレメント（１４）は孔（
   ８）におけるストッパ（１５）に支持されているように、設けられていることを
   特徴とする、液体を制御する弁。
2. 【請求項２】 段階付けられた伝達装置が次のように、操作ピストン（１０
   ）が少なくとも１つの減少エレメント（１４）と一緒に、最大行程距離の第１の
   部分長さのためにシフト可能であり、かつ操作ピストン（１０）が、少なくとも
   １つの減少エレメント（１４）のためのストッパ（１５）への到達後に、残りの
   行程距離を進めように、設けられている、請求項１記載の弁。
3. 【請求項３】 少なくとも１つの減少エレメントがピン（１４）として形成
   されていて、該ピン（１４）が、操作ピストン（１０）内に軸方向に形成された
   貫通孔（１７）内に挿入されている、請求項１又は２記載の弁。
4. 【請求項４】 ピン（１４）の長さが、所定の横断面積（Ａ１）を有する操
   作ピストン（１０）の領域（１０Ａ）の長さよりも大きい、請求項１から３まで
   のいずれか１項記載の弁。
5. 【請求項５】 操作ピストン（１０）の横断面が、弁閉鎖部材（９）のため
   の接触面（１６）とは逆方向にもしくは該接触面（１６）に向かって先細になっ
   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】 ピン（１４）のためのストッパ（１５）が弁体（５）の孔（
   ８）における段部として、有利には弁体（５）の分割面に形成されている、請求
   項１から５までのいずれか１項記載の弁。
7. 【請求項７】 操作ピストン（１０）が第１の弁室（２２）に隣接していて
   、該弁室（２２）内に弁閉鎖部材（９）のための少なくとも１つの座（１９，２
   ０）が設けられており、この場合弁閉鎖部材（９）が弁（１）における低圧領域
   （２７）を、高圧領域（２８）から切り離しており、調節ピストン（７）が、弁
   体（５）の孔（８）に接続する領域において、第２の弁室（２９）によって取り
   囲まれている、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】 高圧領域領域（２８）の液圧液の取出しによって低圧領域（
   ２７）の漏れ量を補償するために、充填装置（２６）が設けられており、該充填
   装置（２６）が弁体（５）内に通路状の中空室（３１）によって形成されていて
   、該中空室（３１）が、低圧領域（２７）の系圧室（２４）に開口していて、有
   利には、調節ピストン（７）及び／又は操作ピストン（１０）を取り囲む間隙（
   ３２，３３）に開口しており、かつ高圧側では有利には第１の弁室（２２）に開
   口している、請求項７記載の弁。
9. 【請求項９】 制御圧室（２４）が孔として、操作ピストン（１０）を取り
   囲む調節ピストン（７）の領域（７Ａ）に形成されており、この場合系圧室（２
   ４）が、操作ピストン（１０）を取り囲む間隙（３３）に開口している、請求項
   ８記載の弁。
10. 【請求項１０】 弁が、それ自体力補償されないように構成されている、請
    求項１から９までのいずれか１項記載の弁。
11. 【請求項１１】 弁が、内燃機関用の燃料噴射弁、特にコモンレールインジ
    ェクタの構成部分として使用されている、請求項１から１０までのいずれか１項
    記載の弁。