JP2004506840A - 液圧式の伝達部材を備えた調量弁 - Google Patents

Abstract

液圧式の伝達器を介してノズルニードル（５）と作用接続しているピエゾアクチュエータ（１６）を備えた噴射弁を説明する。前記の液圧式の伝達器はシールギャップ（２３，２４）を介して圧力リザーバに接続されているので、この圧力リザーバと、液圧式の伝達器の液圧室（１１）との間の差圧が長期的に補償される。

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の形式の調量弁に関する。
【０００２】
調量弁は、自動車の内燃機関に正確に調量された燃料量を供給するために、例えばガソリン直接噴射又はディーゼル直接噴射における噴射弁として使用される。この場合、今日の噴射弁では、ピエゾアクチュエータがノズルニードル制御用に使用される。現在供与可能な圧電多層アクチュエータはコモンレール噴射システム用に開発されており、最大６０μｍの僅かな延長において最大２０００ニュートンの大きな遮蔽力を有している。
【０００３】
ガソリン噴射弁に設けられたノズルニードルを直接作動させるためには、比較的小さな適当な力において最大１００μｍの作動距離が必要である。従って、既に供与可能なピエゾアクチュエータの適合は誤りである。
【０００４】
更に、圧電セラミックにおける熱膨張、劣化作用及び特に最大６０μｍの僅かな変位の際の圧縮に基づく伸長は、ノズルニードルの正確な調整にネガティブな影響を及ぼす。
【０００５】
本発明の課題は、改良された機能性を有する噴射弁を提供することである。
【０００６】
この課題は、請求項１の特徴部に記載の構成により解決される。本発明の利点は、液圧式の伝達器がピエゾアクチュエータとノズルニードルとの間に配置されており、該ノズルニードルにシールギャップを介して規定された圧力で流体が供給されるという点にある。このようにして、液圧式の伝達器に形成された液圧室が常に完全に流体で満たされており且つピエゾアクチュエータが常に満たされた液圧室を介してノズルニードルと作用結合状態にあるということが保証される。これにより、熱膨張、劣化作用及び圧縮に基づく伸長が補償される。
【０００７】
別の有利な構成は請求項２以下に記載されている。
【０００８】
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【０００９】
図１にはケーシング１を備えた噴射弁の横断面が示されており、前記ケーシング１はアクチュエータ室２０を有している。このアクチュエータ室２０にはピエゾアクチュエータ１６が配置されており、このピエゾアクチュエータ１６の上端部は、ケーシング１において中央対称でアクチュエータ室２０に突入するように形成されたストッパプレート１８に固定されている。ピエゾアクチュエータ１６の他端部には一次ピストン１０が取り付けられており、この一次ピストン１０にはスリーブ状のブルドン管１７の下端部が固定されている。このブルドン管１７の上端部はストッパプレート１８の外周面に固定されている。ブルドン管１７は、ピエゾアクチュエータ１６が全運転形式の間圧力負荷されているように形成されている。このピエゾアクチュエータ１６は、上端部に電気的な接続部１９を有しており、これらの接続部１９は、ケーシング１から導出されて制御装置（図示せず）に接続されている。電気的な接続部１９を介して、ピエゾアクチュエータ１６の長さが公知の方法で前記制御装置によって調整される。
【００１０】
アクチュエータ室２０は、有利には円筒形で形成されており且つ第１の段部２８を介して第１の室７に移行しており、この第１の室７は噴射弁の長手方向軸線に対して中心対称でケーシング１内に形成されており且つアクチュエータ室２０よりも小さな直径を有している。第１の室７は、ノズル先端部２に向かって延びており且つ第２の段部２９を介して第２の室３０に移行している。この第２の室３０は、有利には円筒形に形成されており且つ噴射弁の長手方向軸線に対して中心対称で配置されている。第２の室３０の直径は、第１の室７の直径よりも小さい。
【００１１】
第２の室３０は、第３の段部３１を介して第３の室３２に移行している。この第３の室３２は、噴射弁の長手方向軸線に対して中心対称で配置されており且つ第２の室３０よりも小さな横断面を有している。第３の室３２は一定の直径を以てノズル先端部２に設けられた開口まで延びている。
【００１２】
一次ピストン１０の横断面はアクチュエータ室２０に適合されているので、当該一次ピストン１０は、アクチュエータ室２０内で第１のシールギャップ２３を介して案内されている。第１の室７には二次ピストン９が形成されており、この二次ピストン９の横断面は円筒形に形成されており且つ第２のシールギャップ２４を介して第１の室７内で案内されている。一次ピストン１０と二次ピストン９との間には、流体の満たされた液圧室１１が形成されている。
【００１３】
二次ピストン９には噴射弁の長手方向軸線に対して中心対称でノズルニードル５が固定されており、このノズルニードル５はノズル先端部２まで第１の室７、第２の室３０及び第３の室３２を通って、ノズル先端部２を越えて案内されている。ノズルニードル５の端部において、該ノズルニードル５は拡径された直径へ広がっており、この拡径された直径には弁座３が形成されており、この弁座３は、ノズル先端部２の開口域に形成されたノズル先端部２の座面３３と協働する。
【００１４】
第１の室７には第１のばね部材８が配置されており、この第１のばね部材８は第２の段部２９に載着されており且つ二次ピストン９の段付き面３４に対して緊締されている。当該の第１のばね部材８により、二次ピストン９は液圧室１１に向かって予負荷される。このようにして、同時にノズルニードル５の弁座３が座面３３に圧着されるので、第３の室３２内でノズルニードル５とケーシング１とによって制限される噴射室４は閉鎖されている。
【００１５】
第２の室３０の領域には第１のベローズ６が設けられており、この第１のベローズ６はノズルニードル５を取り囲んでおり且つ第１の端部を以て周方向で密にノズルニードル５と溶接されている。第１のベローズ６の第２の端部は、第２の段部２９の領域でケーシング１と周方向で密に溶接されている。これにより、第２の室３０の一部、いわゆる噴射域４３は第１の室７に対してシールされている。第２の室３０の噴射域には、例えば燃料アキュムレータ等の燃料リザーバと接続された流入孔２７が開口している。この流入孔２７を介して、噴射室４に燃料が供給される。前記燃料アキュムレータは燃料ポンプにより、予め規定可能な圧力で燃料を供給される。
【００１６】
ピエゾアクチュエータ１６の上位で、ケーシング１には第４の室３５が形成されている。この第４の室３５は、有利には円筒形に形成されており且つ噴射弁の長手方向軸線に対して中心対称で配置されている。第４の室３５には第２のベローズ１３が配置されており、この第２のベローズ１３の上端部は周方向で密にケーシング１と結合されている。第２のベローズ１３の下端部は、周方向で密に圧縮プレート３６に結合されている。この圧縮プレート３６もやはり第４の室３５内に位置している。このようにして、第４の室３５は圧縮域４４と流体域１２とに分割されており、この場合、流体域は第２のベローズ１３の外位と圧縮プレート３６の下位とに形成されている。圧縮域４４には第２のばね部材１４が設けられており、この第２のばね部材１４は第３のストッパ３７と圧縮プレート３６との間に緊締されている。第３のストッパ３７は、ケーシング１に環状面の形で噴射弁の長手方向軸線に対して垂直方向で形成されている。第２のばね部材１４、第２のベローズ１３及び圧縮プレート３６の代わりに、第１のシールギャップ２３及び／又は第２のシールギャップ２４と境を接する流体を圧力負荷する別の圧力発生手段が設けられていてもよい。例えば、第２のばね部材１４の代わりに、圧縮プレート３６を圧力負荷するガス圧源が設けられていてよい。
【００１７】
第４の室３５は孔１５と接続しており、この孔１５は第４の室３５の流体域１２を第１の室７に液圧式で接続する。更に、有利には第１の孔１５をアクチュエータ室２０に液圧式で接続する接続孔２１が設けられている。このようにして、第１のシールギャップ２３及び第２のシールギャップ２４は、アクチュエータ室２０、接続孔２１及び第１の孔１５を介して、若しくは第１の室７及び第１の孔１５を介して第４の室３５の流体域に液圧式で接続されている。第１のベローズ６の配置形式に基づき、前記圧力域は噴射室４に対してシールされている。有利には、第１のベローズ６の圧力作用面は、ノズルニードル５が圧力補償されているように設定されている。このためには、第１のベローズの圧力作用面は、弁座３に形成されており且つ噴射弁の閉鎖状態で圧力によってノズルニードル５の開放方向に負荷されている面と同じ大きさに選択されている。
【００１８】
第１のシールギャップ２３及び第２のシールギャップ２４は、液圧室１１とアクチュエータ室２０との間又は液圧室１１と第１の室７との間の一時的な差圧が補償されないように設定されている。この場合、「一時的」とは、圧電アクチュエータの制御が該アクチュエータの変位延いては噴射弁の開放を生ぜしめる間の時間であると理解される。
【００１９】
噴射弁を組み込んだ後で、液圧室１１は完全に流体で満たされる。更に、第１の室７、アクチュエータ室２０、孔１５及び第４の室３５の流体域１２が完全に流体で満たされる。この流体は第２のばね部材１４の予負荷を介して、例えば１０ｂａｒの所与の圧力下にある。
【００２０】
例えばケーシングとピエゾアクチュエータとの間でそれぞれ異なる熱膨張が発生したり、ノズルニードル５又はノズル先端部２に摩耗が生ぜしめられて、一次ピストン１０と二次ピストン９との間の間隔が拡大すると、流体が第１のシールギャップ２３と第２のシールギャップ２４とを介して、既存の圧力に基づき液圧室１１に充填される。
【００２１】
二次ピストン９と一次ピストン１０との間の間隔が縮小されると、流体は液圧室１１から第１のシールギャップ２３と第２のシールギャップ２４とを介して流出する。この場合、圧縮プレート１６が第２のばね部材１４の予負荷力に抗して上方に向かって運動され、その結果、第４の室３５の流体域が拡大される。このようにして、液圧室１１は常に完全に流体で満たされており、ピエゾアクチュエータ１６は休止位置において常に液圧室１１の流体を介してノズルニードル５と直接に作用結合しているということが保証される。これにより、ノズルニードル５はアクチュエータ１６の変位に際して常に遅延無く運動される。
【００２２】
一次ピストン１０及び二次ピストン９の液圧室１１に隣接した面をそれぞれ異なって形成することにより、ピエゾアクチュエータ１６の伸長をノズルニードル５の適当なシフトに伝達する、所望の伝達比が生ぜしめられる。有利には、ピエゾアクチュエータ１６の伸長はノズルニードル５の拡大された作動距離に変換され、その結果、ノズルニードル５の弁座３を確実に開放するための約１００μｍの所要の開放距離を得るための、６０μｍの僅かな伸長が得られる。
【００２３】
当該噴射弁は、ピエゾアクチュエータ１６が接続部１９を介して制御され且つこの場合にブルドン管１７の予負荷力に抗して変位するという形式で機能する。この場合、一次ピストン１０が二次ピストン９に向かって押圧されるので、二次ピストン９は弁座３の方向で下方に向かって運動される。この場合、ノズルニードル５の弁座３も対応配置された座面３３から持ち上げられるので、噴射室４が環状面にわたって開放されて、燃料が放出される。燃料は流入孔２７を介して噴射室４に供給される。噴射を終えようとする場合は、ピエゾアクチュエータの制御信号が停止され、これにより、ピエゾアクチュエータ１６が再び本来の長さに短かくなると同時に一次ピストン１０を二次ピストン９から離反運動させるので、ノズルニードル５は第１のばね部材８によって助成もされて上方に向かって運動され、その結果、弁座３が座面３３と当接状態にもたらされて、座面３３と弁座３との間に形成された噴射開口が閉鎖される。
【００２４】
有利な実施形態では、ブルドン管１７は複数の切欠きを有しているので、流体はブルドン管１７の内室に流入可能であり且つピエゾアクチュエータ１６を覆う。有利には、アクチュエータ室２０は完全に流体で満たされている。このようにして、ピエゾアクチュエータ１６とブルドン管１７とケーシング１との間で熱的な結合が生ぜしめられ、これにより、ピエゾアクチュエータ１６は良好に熱をケーシング１に放出する。これにより、特に有利な高い制御周波数においてピエゾアクチュエータ１６の冷却が達成される。
【００２５】
ノズルニードル５は、ノズル先端部２の領域でガイド区分３８にわたって、ノズル先端部２の内壁に沿ってガイドされる。このガイドは断面図Ａ−Ａに示されており、この場合、丸く面取されたガイド区分３８の四角形は、燃料が噴射室４の上部域から弁座３に到達するために役立つ。
【００２６】
第１のベローズ６及び第２のベローズ１３は、それぞれ金属から製作されて比較的丈夫なので、噴射室４と第１の室７との間に生じる約３００ｂａｒの差圧に問題なく耐えられる。
【００２７】
図２には本発明の別の実施例が示されており、この場合、図２に示した噴射弁は内側に向かって開く噴射弁を成している。図２の噴射弁はほぼ図１の噴射弁と等しく形成されているが、第２のノズルニードル３９の先端部及びノズル先端部２の構成並びに第２のノズルニードル３９の予負荷に相違点が存在する。第２のノズルニードル３９の下端部には第２の弁座４０が設けられており、この第２の弁座４０は第２のノズルニードル３９の円錐形の端部として形成されている。第２の弁座４０には、ノズル先端部２の内面に形成された第２の座面４１が対応配置されている。この第２の座面４１も、やはり円錐形に形成されており且つ第２の弁座４０の円錐形に対して規定された角度差を有している。ノズル先端部２の中心には噴射孔４２が形成されており、この噴射孔４２は、第２の弁座４０が第２の座面４１に載置された場合に噴射室４から分離されている。
【００２８】
更に、第２のノズルニードル３９には第１の室７の領域に第１の環状のストッパ２５が形成されている。更に、この第１のストッパ２５の上位には、ノズルニードル３９を取り囲む第２の環状のストッパ２６がケーシング１に形成されている。第１のストッパ２５と第２のストッパ２６との間には第３のばね部材４２が配置されており、この第３のばね部材４２はノズルニードル３９をノズル先端部２に向かって予負荷している。図２に示した第２の噴射弁の別の構成は図１に示した第１の噴射弁の構成と等しく、第２の噴射弁の機能形式は第１の噴射弁の機能形式に等しい。この場合、第２の噴射弁は内側に向かって開く。
【００２９】
第２の噴射弁の制御は第１の噴射弁の制御とは異なっている。それというのも、第２の噴射弁は内側に向かって開くからである。噴射の行われない閉鎖位置においてアクチュエータ１６が制御されて長さを拡大される。この場合、第２のノズルニードル３９は液圧室１１を介して第２の座面４１に圧着されている。噴射を行おうとする場合は、アクチュエータ１６が適当な制御を介して短くされて、第２のノズルニードル３９が液圧室１１を介して第２の弁座４０から持ち上げられる。噴射を終了するためには、アクチュエータ１６の長さを長くすることによって、第２のノズルニードル３９が再び前記の第２の座面４１に圧着される。本発明は作動部材としてノズルニードル５，３９の例で説明したが、あらゆる形式の作動部材に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】外側に向かって開く噴射弁を示した図である。
【図２】内側に向かって開く噴射弁を示した図である。
【符号の説明】
１　ケーシング、　２　ノズル先端部、　３　弁座、４　噴射室、　５　ノズルニードル、　６　第１のベローズ、　７　第１の室、　８　第１のばね部材、　９　二次ピストン、　１０　一次ピストン、　１１　液圧室、　１２　流体域、　１３　第２のベローズ、　１５　孔、　１６　ピエゾアクチュエータ、　１７　ブルドン管、　１８　ストッパプレート、　１９　接続部、　２０　アクチュエータ室、　２１　接続孔、　２３　第１のシールギャップ、　２４　第２のシールギャップ、　２５　第１のストッパ、　２６　第２のストッパ、　２７　流入孔、　２８　第１の段部、　２９　第２の段部、　３０　第２の室、　３１　第３の段部、　３２　第３の室、　３３　座面、　３５　第４の室、　３６　圧縮プレート、　３７　第３のストッパ、　３８　ガイド区分、　３９　第２のノズルニードル、　４０　第２の弁座、　４１　第２の座面、　４２　噴射孔、　４３　噴射域、　４４　圧縮域

Claims (10)

1. 内部に制御可能なアクチュエータの設けられたケーシングを備えた調量弁であって、前記アクチュエータが作動部材と作用結合状態にある形式のものにおいて、
   アクチュエータ（１６）と作動部材（５，３９）との間に、液圧室（１１）を備えた液圧式の伝達部材が設けられており、前記液圧室（１１）が流体で満たされており、前記伝達部材を介してアクチュエータ（１６）の変位が作動部材（５，３９）に伝達され、前記液圧室（１１）が少なくとも１つのシールギャップ（２３，２４）を介して圧力下にある流体リザーバと接続されていることを特徴とする、液圧式の伝達部材を備えた調量弁。
2. 液圧室（１１）が、第１の室（７）内でシールギャップ（２４）を介して可動に案内された第１のピストン（９）によって制限されており、第１の室（７）が流体リザーバと接続されている、請求項１記載の調量弁。
3. アクチュエータ（１６）が、液圧室（１１）に隣接しており且つ別のシールギャップ（２３）を介して、流体リザーバと接続されたアクチュエータ室（２０）内で可動に案内された第２のピストン（１０）と作用接続されている、請求項１又は２記載の調量弁。
4. 流体リザーバが圧力発生手段（１３，１４，３６）に接続されている、請求項２又は３記載の調量弁。
5. ノズルニードル（５，３９）が第１のピストン（９）に固定されており、更に、前記ノズルニードル（５，３９）が第１の室（７）と噴射室（４）とを貫通してノズル先端部（２）へ案内されており、ベローズ（６）がノズルニードル（５，３９）とケーシング（１）とに周方向で密に結合されており、これにより、第１の室（７）の少なくとも１領域が噴射室（４）から液圧的に分離されている、請求項２から４までのいずれか１項記載の調量弁。
6. ノズルニードル（５）とノズル先端部（２）とが、外側に向かって開く弁の形で形成されており、前記ノズルニードル（５）を座面（３３）の方向で内側に向かって予負荷するばね部材（８）が設けられている、請求項５記載の調量弁。
7. ノズルニードル（３９）とノズル先端部（２）とが、内側に向かって開く弁の形で形成されており、前記ノズルニードル（３９）がストッパ（２５）を有しており、該ストッパにおいてばね部材（４２）がケーシング（１）に対して緊締されており、これにより、前記ノズルニードル（３９）が弁座（４１）の方向で外側に向かって予負荷されている、請求項５記載の調量弁。
8. 前記ばね部材が第１の室（７）に配置されている、請求項６又は７記載の調量弁。
9. アクチュエータ（１６）が圧電アクチュエータとして形成されており、該圧電アクチュエータがブルドン管（１７）を有しており、該ブルドン管（１７）がスリットを有しており、これらのスリットを介して流体が圧電アクチュエータに流入する、請求項４から８までのいずれか１項記載の調量弁。
10. ノズルニードル（５，３９）が圧力補償されているようにベローズ（６）が形成されている、請求項５から９までのいずれか１項記載の調量弁。