JP2004519611A - 液体を制御するための弁 - Google Patents

Abstract

本発明は、ピエゾアクチュエータ（２）と、該ピエゾアクチュエータ（２）のストロークを変換するための変換器と、該変換器により操作可能な制御弁（１４）とを備えた、液体を制御するための弁に関する。さらに、ピエゾアクチュエータ（２）の、温度変化に基づき生ぜしめられる長さ変化を温度補償するための温度補償装置（２７）が設けられている。変換器はこの場合、ダイヤフラム（３）として形成されていて、プリロードをかけられた状態で配置されている。このダイヤフラム（３）はピエゾアクチュエータのストロークを変換比ａ／ｂで増幅変換する。それと同時に、制御したい液体からピエゾアクチュエータ（２）をシールすることもダイヤフラム（３）によって実現される。

Description

【０００１】
背景技術
本発明は、液体を制御するための弁、特に燃料噴射弁に関する。
【０００２】
液体を制御するための弁については、種々様々の構成が知られている。たとえば米国特許第４０２２１６６号明細書に基づき公知の圧電式もしくはピエゾエレクトリック式の燃料噴射弁では、弁部材の制御が圧電素子を介して行われる。この場合、圧電素子のストロークはレバーを介して直接に弁ニードルへ伝達される。さらに、弁ニードルとレバーとをそれぞれ所定の出発位置に保持するために、２つの戻しばねが設けられている。このような、レバーを介して互いに結合されている２つの戻しばねを用いた構成に基づき、振動に対して極めて敏感な形成体が形成されており、このような形成体は特に高圧噴射のためには不適当である。なぜならば、振動が増幅されてゆく恐れがあるからである。
【０００３】
さらに、ピエゾアクチュエータのストロークを増幅変換するためにハイドロリック式の変換器を使用するインジェクタも知られている。しかし、このような解決手段は一般に比較的複雑な構造を有していて、多数の構成部分から成っている。さらに、漏れ損失を補償するために、ハイドロリック式の変換器を常に充填することが必要となる。このことはこのような弁を比較的複雑にし、かつ製造コストを高価にしてしまう。
【０００４】
ピエゾアクチュエータは極めて小さなストローク能力しか有しておらず、この小さなストローク能力が増幅変換されなければならないので、公知の機械式の変換器またはハイドロリック式の変換器の場合にかかる手間は比較的大きい。
【０００５】
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、従来のものに比べて次のような利点がある。すなわち、本発明による弁は少数の部品点数しか有しておらず、これにより極めて単純に形成されており、かつ廉価に製造され得る。本発明によれば、ピエゾアクチュエータのストロークを変換するためにダイヤフラム変換器が使用される。ピエゾアクチュエータのストロークを機械的に変換するためにダイヤフラムが使用されると、特に従来必要とされていた、高い精度で製造可能であるレバーを不要にすることができる。このレバーは通常、機械式の変換器における製造コストの極めて大きな割合を占める。それに比べて、ダイヤフラムは極めて廉価に製造され得る。さらに、ダイヤフラムは本発明によれば予荷重もしくはプリロードをかけられていて、シール機能をも発揮する。これにより、本発明による変換機構では、漏れオイルに対するシールが達成される。さらに、作動時の温度増大の際に生じるピエゾアクチュエータの長さ変化を補償するために、温度補償装置が設けられている。温度補償と、プリロードをかけられたダイヤフラム変換器との本発明による組合せに基づき、ピエゾアクチュエータのストロークを高い精度でかつ時間遅延なしに増幅変換することができる。この場合、当該弁は少数の構成部分しか有しておらず、極めてコンパクトに形成されている。これにより、本発明による弁のためには極めて小さな構成スペースしか必要とならない。
【０００６】
ダイヤフラムはばねエレメントによって予荷重もしくはプリロードをかけられると有利である。この場合、皿ばねまたはコイル螺旋ばねが使用されると特に有利である。
【０００７】
ダイヤフラムがピエゾアクチュエータに向かってプリロードをかけられていると特に有利である。これにより、ピエゾアクチュエータへのプリロード付与も可能となる。これにより、ピエゾアクチュエータのための専用のプリロードエレメントを節約することができる。
【０００８】
本発明のさらに別の有利な構成では、ダイヤフラムが、ピエゾアクチュエータの側へ突出した環状の力導入範囲を有するように形成されている。この場合、力導入範囲の内側に力放出範囲が形成されていると有利である。
【０００９】
ダイヤフラムにプリロードをかけるためのばねエレメントが、前記力導入範囲の下側に作用していると特に有利である。これにより、ばねエレメントのプリロード力は直接にピエゾアクチュエータに作用することができる。この場合、ダイヤフラムを損傷から保護するために、ダイヤフラムの接触範囲とプリロードエレメントもしくはピエゾアクチュエータの構成部分との間に中間エレメントが設けられていると有利である。
【００１０】
本発明によるダイヤフラムは、ピエゾアクチュエータを制御弁に対してシールするように配置されていると有利である。したがって、変換器として働くダイヤフラムは同時にシールエレメントとしても形成されている。このような構成とは異なり、公知の機械式の変換器やハイドロリック式の変換器の場合には、制御したい液体に対してピエゾアクチュエータをシールするために付加的なシール装置が必要となる。このためには、通常、直接にピエゾアクチュエータで専用のシール装置が使用される。したがって、本発明のこのような構成により、ダイヤフラムはピエゾアクチュエータのストロークを変換するためのストローク変換機能と、ピエゾアクチュエータをシールするためのシール機能との二重機能を有しているわけである。これにより、特に部品点数をさらに減少させ、かつ製造コストを低減させることができる。
【００１１】
温度補償装置が直接にピエゾアクチュエータに配置されていると有利である。これにより、本発明による弁の特にコンパクトな構造を達成することができる。
【００１２】
本発明のさらに別の特に有利な構成では、温度補償装置が第１のベース部分と第２のベース部分とスリーブとを有している。第１のベース部分と第２のベース部分とは、それぞれピエゾアクチュエータの端面に配置されている。スリーブは両ベース部分とピエゾアクチュエータとを取り囲んでいる。この場合、第１のベース部分および第２のベース部分ならびにピエゾアクチュエータの、熱による長さ変化、つまり熱膨張による長さ変化は、スリーブの、熱による長さ変化にほぼ相当している。さらに、ピエゾアクチュエータが熱伝導媒体によって取り囲まれていると特に有利である。
【００１３】
さらに、スリーブが、ピエゾアクチュエータと同様の膨張率を有する材料、たとえばインバから成っていると有利である。両ベース部分は、温度補償を最適化するために、たとえばアルミニウムから製造することができる。この場合、ピエゾアクチュエータは一般に負の膨張係数もしくは負の膨張率を有しており、アルミニウムから成るベース部分は正の膨張係数もしくは正の膨張率を有しているので、膨張の総和はスリーブの膨張にほぼ相当する。
【００１４】
できるだけ少ない部品点数を有するようにするために、ダイヤフラムは温度補償装置の第２のベース部分と直接に接触している。
【００１５】
ダイヤフラムにおける引張応力を最小限に抑えるために、ダイヤフラムの側方の固定部がピエゾアクチュエータの力方向とは反対の方向に所定の角度で曲げられていると有利である。
【００１６】
さらに、本発明によれば、ダイヤフラムと第２のベース部分との間に、当該弁の操作されていない状態で、予め規定された間隔が存在していてよい。これにより、場合によってはなおも発生する構成部分の熱長さ変化を補償することができ、ひいては場合によっては存在する温度補償残留誤差を補償することができる。念のため付言しておくと、ダイヤフラムと制御弁の弁部材との間に間隔を設けることも可能である。しかし、ダイヤフラムと第２のベース部分との間に温度補償のための間隔を設けることが有利である。なぜならば、この場合には温度補償誤差がダイヤフラム変換器によって一緒に変換されることがないからである。
【００１７】
制御弁が、外方へ向かって開く弁として形成されていると有利である。
【００１８】
本発明による弁は、蓄圧式噴射システム、たとえばコモンレールシステムにおける燃料噴射弁として使用されると特に有利である。
【００１９】
実施例の説明
図１には、コモンレールシステムに用いられる燃料噴射弁として形成された本発明による弁１の断面図が示されている。
【００２０】
図１に示したように、この弁１はピエゾアクチュエータ２と、温度補償のための温度補償装置２７と、プリロードエレメント９とを有している。温度補償装置２７は第１のベース部分４と、第２のベース部分５と、スリーブ６と、熱伝導媒体７とを有している。第１のベース部分４と第２のベース部分５とは、それぞれピエゾアクチュエータ２の端面に配置されている。熱伝導媒体７はピエゾアクチュエータ２の側方範囲を取り囲んでいる。スリーブ６はハウジングとして働き、そして両ベース部分４，５と熱伝導媒体７とを取り囲んでいる。両ベース部分４，５はアルミニウムから製造されており、スリーブ６はピエゾアクチュエータ２と同様の膨張率を有するアンバもしくはインバ（Ｉｎｖａｒ）から製造されている。ピエゾアクチュエータ２は負の膨張率を有しており、アルミニウム製のベース部分４，５は大きな正の膨張率を有しているので、これらの膨張率の総和はスリーブ６の膨張率にほぼ等しくなる。さらに、第１のベース部分４には複数の貫通孔が設けられており、これにより電気的な接続部２６のための線路が貫通案内されている。
【００２１】
図２には、本発明によるダイヤフラム３が拡大されて図示されている。このダイヤフラム３は保持範囲３０と、力導入範囲３１と、力放出範囲３２とを有している。ダイヤフラム３の縁範囲に相当する保持範囲３０では、ダイヤフラム３がハウジング段部１２とインジェクタ保持体１０との間に固く緊締されている。この緊締は、ダイヤフラム３を貫通するねじ締結部１１によって行われる。
【００２２】
ダイヤフラム３の力導入範囲３１は隆起状に形成されていて、ピエゾアクチュエータ２の力方向Ｆ_Ｐとは反対の方向に、つまりピエゾアクチュエータ２の力方向Ｆ_Ｐに対向する方向に曲げられている（図２参照）。ダイヤフラム３の力導入範囲３１はピエゾアクチュエータ２の側へ向かって突出している。力導入範囲３１は第２のベース部分５と直接に接触している。ダイヤフラム３を保護するためには、ダイヤフラム３と第２のベース部分５との間の接触個所もしくはダイヤフラム３とばねエレメント９との間の接触個所に中間エレメント１７，１９がそれぞれ配置されている。力放出範囲３２は扁平でかつ円形に形成されていて、環状の力導入範囲３１の中央に位置している。力放出範囲３２では、ピエゾアクチュエータ２の、ダイヤフラム３により増幅変換されたストロークが制御弁１４へ放出される。より正確に云えば、このストロークは弁部材１５へ引き渡される。弁部材１５はダイヤフラム３を保護するための押圧エレメント１３を介してダイヤフラム３と結合されている（図１参照）。
【００２３】
制御弁１４は弁部材１５を有していて、弁座１６を開放するか、もしくは閉鎖する。弁部材１５は環状溝を備えた円筒状の範囲と、傾けられた載置面を備えた閉鎖範囲とから成っている。出発位置もしくは初期位置で、弁部材１５は弁座１６に接触していて、この弁座１６を閉鎖している。弁部材１５に設けられた環状溝を介して、制御弁１４はさらに漏れオイル管路１８に接続されており、この漏れオイル管路１８は漏れオイル接続部に通じている（図１参照）。
【００２４】
制御弁１４はさらに、絞り２０を介して制御室２１に接続されている。この制御室２１内には、ピストン２２が配置されている。このピストン２２を介して、弁ニードル（図示しない）が公知の形式で操作される。制御室２１は絞り２４を介してコモンレールからの流入部２３に接続されている。流入部２３からは管路２５が分岐しており、この管路２５はノズルに通じている。
【００２５】
図１に示したように、ばねエレメント９は環状の皿ばねとして形成されている。この皿ばねは、インジェクタ保持体１０に形成された切欠き８内に配置されている。ばねエレメント９はダイヤフラム３にピエゾアクチュエータ２の方向でプリロードをかけている。それと同時に、ばねエレメント９によってピエゾアクチュエータ２自体にもプリロードがかけられる。
【００２６】
以下に、本発明による燃料噴射弁１の機能形式を説明する。
【００２７】
ピエゾアクチュエータ２が作動させられると、ピエゾアクチュエータ２のストロークは第２のベース部分５を介してダイヤフラム３へ伝達される。より正確に云えば、ピエゾアクチュエータ２のストロークはダイヤフラム３の力導入範囲３１へ伝達される。ダイヤフラム３はこのとき、ねじ山付リング１１とハウジング段部１２との間に固く緊締された状態で位置している。ダイヤフラム３の外周面には、緊締された範囲をシールするためのＯリングを設けることができる。
【００２８】
図２に示したように、ダイヤフラム３の力導入範囲３１は保持範囲３０に対して角度αを成して配置されている。さらに、保持範囲３０と力導入範囲３１との間の移行範囲には、予め規定された半径を有する、曲げられた範囲が設けられている。ダイヤフラム３の緊締部におけるこのような構成に基づき、ダイヤフラム３における引張応力を最小限に抑えることができる。これによりダイヤフラム３の高い寿命が確保される。
【００２９】
ピエゾアクチュエータ２によりダイヤフラム３へ加えられた力Ｆ_Ｐは、ダイヤフラム変換比ａ／ｂにより変換されて、力放出範囲３２で押圧エレメント１３を介して制御弁１４へ伝達される。この場合、区間ａは、ピエゾアクチュエータ２により導入された力Ｆ_Ｐのセンタと、緊締されたダイヤフラム３の内側の縁範囲との間の間隔に相当している。区間ｂは導入されたピエゾアクチュエータ２の力Ｆ_Ｐのセンタと、弁１の中心軸線Ｘ−Ｘとの間の間隔に相当している（図２参照）。ばねエレメント９を用いてダイヤフラム３にプリロードがかけられることにより、ダイヤフラム３の緊締部３０では、下側に、つまり制御弁１４に向けられた側に、高い引張応力が発生し、そして上側には、つまりピエゾアクチュエータ２に向けられた側には、高い圧縮応力が発生する。しかし、これらの応力は、上で述べた、規定の半径を有する曲げられた構成に基づき制限されている。ダイヤフラム３の運動時では、これらの応力は低減される。
【００３０】
ピエゾアクチュエータ２の変換されたストロークは、制御弁１４の弁部材１５へ伝達される。これにより、この弁部材１５は対応する弁座１６から引き離される。これにより、制御室２１と漏れオイル管路１８との間に接続が形成されるので、制御室２１内の圧力は低下する。これにより、ピストン２２はピエゾアクチュエータ２の方向で上方へ向かって運動させられ、そしてピストン２２に結合された弁ニードル（図示しない）は対応する座部から引き離される。これにより、弁ニードルにおいて燃料噴射が開始される。
【００３１】
噴射を終了させたい場合には、ピエゾアクチュエータ２がもう一度制御され、これによりピエゾアクチュエータ２は再び出発位置へ戻される。このとき、出発位置への戻りは、ばねエレメント９によってアシストされる。さらに、ばねエレメント９により、ダイヤフラム３も再び出発位置へ戻されるので、弁部材１５は再び弁座１６に接触して、通過部を閉鎖する。これにより、制御室２１内には再び圧力が形成され得る。これにより、ピストン２２は再び下方へ向かって出発位置にまで運動させられる。このときに、ピストン２２に結合された弁ニードルが再び噴射開口を閉鎖するので、燃料の噴射は終了される。
【００３２】
本発明によれば、弁１の作動時に温度補償装置２７の働きにより、温度上昇に基づいたピエゾアクチュエータ２の長さ変化を機械的に確実に補償することができる。ピエゾアクチュエータ２の、場合によっては温度補償装置２７により補償されなかった長さ変化を補償するためには、ダイヤフラム３と第２のベース部分５との間に、ピエゾアクチュエータ２のストロークよりもはるかに小さな、予め規定された間隔を設けることができる。この間隔は、ピエゾアクチュエータ２の、温度補償装置２７により補償されなかった長さ変化を補償することができる。
【００３３】
したがって、本発明によるダイヤフラム３を用いて、ピエゾアクチュエータ２のストロークを変換比ａ／ｂで変換することができる。ダイヤフラム３の構成、特に力導入範囲３１の構成に応じて、変換比を比較的簡単に変えることができる。
【００３４】
ピエゾアクチュエータ２のストロークを変換する機能の他に、本発明によるダイヤフラム３は弁１の燃料範囲からピエゾアクチュエータ２をシールするシール機能をも引き受ける。これにより、ピエゾアクチュエータ２には燃料が流入し得なくなり、ひいてはピエゾアクチュエータ２の機能性が損なわれることも阻止される。したがって、従来ではピエゾアクチュエータの使用時に必要とされていた、通常では直接にピエゾアクチュエータ２に配置されるシールエレメントを不要にすることができる。これにより、本発明による弁１にかかる製造コストを一層低減させることができる。
【００３５】
ダイヤフラム３はばねエレメント９によってピエゾアクチュエータ２へ向かう方向でプリロードをかけられているけれども、ダイヤフラム３がピエゾアクチュエータ２の力方向Ｆ_Ｐに対して角度αで曲げられているので、ダイヤフラム３の緊締部の範囲における引張応力を最小限に抑えることができる。この場合、図２に示したように、角度αはダイヤフラム３の水平な保持範囲３０と、力導入範囲３１に形成された勾配との間の角度である。
【００３６】
したがって、本発明は、ピエゾアクチュエータ２と、このピエゾアクチュエータ２のストロークを変換するための変換器と、この変換器により操作可能な制御弁１４とを備えた、液体を制御するための弁に関する。さらに、ピエゾアクチュエータ２の、温度変化に基づき生ぜしめられた長さ変化を温度補償するための温度補償装置２７も設けられている。変換器はこの場合、ダイヤフラム３として形成されていて、プリロードをかけられた状態で配置されている。このダイヤフラム３はピエゾアクチュエータ２のストロークを変換比ａ／ｂで変換する。それと同時に、制御したい液体からピエゾアクチュエータ２をシールすることも、ダイヤフラム３によって行われる。
【００３７】
上で説明した本発明の実施例は、本発明を説明するために例示したものであるに過ぎず、本発明を制限するものではない。本発明の枠内では、本発明の範囲から逸脱することなしに種々の変更や改良が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の１実施例による、燃料を噴射するための弁を概略的に示す断面図である。
【図２】
図１に示したダイヤフラムの一部を拡大して示す断面図である。

Claims (10)

1. ピエゾアクチュエータ（２）と、該ピエゾアクチュエータ（２）のストロークを変換するための変換器と、該変換器により操作可能な制御弁（１４）と、温度補償のための温度補償装置（２７）とを備えた、液体を制御するための弁において、変換器がダイヤフラム（３）として形成されており、該ダイヤフラム（３）がプリロードをかけられていることを特徴とする、液体を制御するための弁。
2. ダイヤフラム（３）がばねエレメント（９）、特に皿ばねまたはコイルばねによってプリロードをかけられている、請求項１記載の弁。
3. ダイヤフラム（３）がピエゾアクチュエータ（２）に対してプリロードをかけられている、請求項１または２記載の弁。
4. ダイヤフラム（３）が環状の力導入範囲（３１）を有しており、該力導入範囲（３１）がピエゾアクチュエータ（２）の側へ突出している、請求項１から３までのいずれか１項記載の弁。
5. ばねエレメント（９）が前記力導入範囲（３１）の下側に作用している、請求項４記載の弁。
6. ダイヤフラム（３）がピエゾアクチュエータ（２）を制御弁（１４）に対してシールしている、請求項１から５までのいずれか１項記載の弁。
7. 温度補償装置（２７）が直接にピエゾアクチュエータ（２）に設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の弁。
8. 温度補償装置（２７）が第１のベース部分（４）と第２のベース部分（５）とスリーブ（６）とを有しており、第１のベース部分（４）と第２のベース部分（５）とが、それぞれピエゾアクチュエータ（２）の端面に配置されており、スリーブ（６）が両ベース部分（４，５）とピエゾアクチュエータ（２）とを取り囲んでおり、第１のベース部分（４）および第２のベース部分（５）ならびにピエゾアクチュエータ（２）の、熱による長さ変化が、スリーブ（６）の、熱による長さ変化にほぼ相当している、請求項７記載の弁。
9. ダイヤフラム（３）が直接に第２のベース部分（５）と接触している、請求項８記載の弁。
10. ダイヤフラム（３）の前記力導入範囲（３１）が、ピエゾアクチュエータ（２）の力方向（Ｆ_Ｐ）とは反対の方向に保持範囲（３０）に対して相対的に角度（α）で曲げられている、請求項４から９までのいずれか１項記載の弁。