JP2013527367A

JP2013527367A - 燃料噴射器に使用するための作動装置

Info

Publication number: JP2013527367A
Application number: JP2013505420A
Authority: JP
Inventors: ラブライ，アルノー; アイ，アンドレアス
Original assignee: Delphi Technologies Holding SARL
Current assignee: Delphi Technologies Operations Luxembourg SARL
Priority date: 2010-04-19
Filing date: 2011-04-14
Publication date: 2013-06-27
Also published as: US20130020415A1; WO2011131566A1; EP2378107A1

Abstract

本発明は、第１の端部および第２の端部を有する本体部分を含む圧電作動器と、本体部分および端部を取り囲む剛性封止部材とを備える、燃料噴射器に使用するための作動装置であって、剛性封止部材と本体部分との間に注封材料を密着させ、第１の端部は剛性封止部材に摺動可能に嵌合し、第２の端部は封止部材に固定され、または一体化される、作動装置に関する。
【選択図】図１

Description

[0001]本発明は、内燃機関の燃料システムでの使用を目的とするタイプの燃料噴射器に使用するための作動装置に関する。より具体的には、本発明は、蓄圧器またはコモンレールタイプの燃料噴射器の作動装置の端部封止部材に関しており、燃料噴射器は、圧電作動器を使用して制御されるタイプのものである。

[0002]内燃機関の燃料噴射器に圧電作動器を使用することが知られている。そうした圧電作動の燃料噴射器は、燃焼サイクル内の噴射動作のタイミング、および各噴射動作中に供給される燃料体積に関する高度の制御を実現する。この燃料噴射器は、ますます厳しくなる世界的な環境規制に対応するために必須の燃焼プロセスに関する制御の改善をもたらす。そうした燃料噴射器は、圧縮点火（ディーゼル）機関または火花点火（ガソリン）機関に使用することができる。

[0003]自動車用燃料噴射器に使用するために設計された典型的な圧電作動ユニットは、圧電素子または層および平面内部電極の交互配列から形成された積層構造体を有する。圧電層は、反対に分極した層の交互配列を形成し、内部電極は、正および負の内部電極の交互配列を形成する。正の内部電極は、以下、正極側電極と呼ぶ第１の外部電極と電気接続している。同様に、負のグループの内部電極は、以下、負極側電極と呼ぶ第２の外部電極と電気接続している。

[0004]２つの外部電極間に電圧が印加されるとき、正および負の内部電極のそれぞれの隣接した対の間に生じた電界により、各圧電層、したがって圧電積層は、その長さに沿って、すなわち、各内部電極の平面に垂直な軸に沿ってひずみが起こる。圧電層の分極のために、印加される電圧を調整することにより、ひずみの大きさを制御することができるだけでなく、印加される電圧の極性を切り換えることにより、ひずみの方向を反転させることができるという結果になる。印加される電圧の大きさおよび／または極性を急速に変化させることは、圧電層を通る電界の強さおよび／または方向の急速な変化、したがって、圧電作動器の長さの急速な変化をもたらす。典型的には、積層の圧電層は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの強誘電材料から形成される。

[0005]そうした作動器は、例えば、本出願人の欧州特許ＥＰ０９９５９０１により知られているタイプの燃料噴射器に使用するのに適している。この燃料噴射器は、作動器の長さの変化がニードル弁の運動をもたらすように構成される。したがって、ニードルは、ある量の燃料が弁座内に設けられた穿孔を通過できるように作動器の長さを制御することにより、弁座より持ち上げ、または弁座まで下ろすことができる。

[0006]そうした燃料噴射器の作動器は、使用の際、高圧の燃料に取り囲まれる。燃料圧力は、２００ＭＰａ（２０００ｂａｒ）まで、または２００ＭＰａ（２０００ｂａｒ）を超える可能性がある。圧電作動器を損傷および故障の可能性から保護するために、圧電作動器は、本明細書で「封止部材」と呼ぶ、遮断材料の少なくとも１つの層により、この環境から分離しなければならない。例えば、本出願人のＰＣＴ特許出願公開ＷＯ０２／０６１８５６Ａ１（ＥＰ１３５６５２９Ａ）に記載されるように、不活性フッ素重合体を含む圧電作動器を封止することが知られており、これは、液体燃料、水、および水または燃料中に溶解した汚染物質が作動器の構造体に浸透するのを防ぐように機能する。

[0007] 自動車用燃料噴射器に使用するのに適した別の圧電作動器が、本出願人のＰＣＴ特許出願公開ＷＯ２００７０９３９２１Ａにより知られている。この作動器の装置本体支持封止部材は、いくつかの有機質層および少なくとも１つの金属層を含み、装置本体を保護的に封止する。

[0008]しかし、依然として、作動器と高分子スリーブとの間の境界面に流体が侵入する場合があることが観測された。
[0009]例えば、本出願人の同時係属出願ＷＯ０２／０６１８５６に記載されるように、被覆物と封止された作動器との間への流体の侵入を制限するように、被覆物と作動器との間に充填物質を提供することが知られている。しかし、これは、被覆物と作動器との間に画定された空間全体に硬化性物質を充填する必要があり、作動装置および組立方法の複雑性を増大させる脱気ステップを必要とする場合もある。

[0010]既知の封止部材では、作動器の両端の有機高分子スリーブの封止部材は、脆弱点をもたらし、封止部自体が、ディーゼル燃料、菜種種子メチルエステル（ＲＭＥ）ベースの燃料、および水などの液体を時間と共に作動器に浸透させること、妥当なコストでより良い封止を確実にするのにさらに努力が必要であることがわかった。確かに、燃料または他の液体が封止手段の端部封止部材に浸透して、圧電作動器、したがって燃料噴射器全体の致命的な部品故障につながる時期は、時間および温度の問題であることが多い。この問題に対する様々な解決法が既に提案された。

[0011]本出願人は、燃料および／または水の浸透を低減するように、表面保護材料（passivation material；換言すれば、パシベーション材料）で覆われた圧電積層を封止するいくつかの方法を実験した。この機能を実現するために本出願人が現在研究している１つの方法は、フッ素重合体から形成された高分子熱収縮材料を使用することである。あるいは、圧電作動器を熱可塑性重合体で被覆成形することが提案された。

[0012]商標名ＮＩＴＩＮＯＬ（ＮｉｃｋｅｌＴｉｔａｎｉｕｍＮａｖａｌＯｒｄｎａｎｃｅＬａｂｏｒａｔｏｒｙ）でＪｏｈｎｓｏｎＭａｔｔｈｅｙにより製造されるニッケルチタン合金などの形状記憶金属材料で作動器を封止することも提案された。形状記憶合金の変態点を変更するために、鉄などの合金添加元素を加えることができる。銅ベースの他の形状記憶合金を使用することができるが、ニッケルチタン合金が、その超弾性形状記憶特性のために好ましい。機械加工された形状記憶金属管は、１ミリメートル未満、好ましくは約２００から５００ミクロンの間の壁厚を有する。続いて、元の形状記憶金属管は、例えば、管に心棒を挿入し、管を引っ張ることにより、その変態点未満で塑性変形し、内部管領域は、圧電積層の実表面積よりも大きくなり、したがって、管は、積層、および表面保護材料を分離するのに必要な他の任意の場所の上に配置され、それらを覆うようにする。管をその元の形状から約４％だけ引っ張ることは、通常、積層の挿入を可能にするには十分である。次に、圧電積層上で、変形した形状記憶金属管を約２２０℃などに、その変態点を超えて加熱することにより、管は、その元の形状に戻る。加熱後、金属管は、表面保護圧電積層の寸法に適合し、好ましくは、さらにその端部の寸法に適合し、管を端部で効果的に密封する。

[0013]別の方法では、圧電作動器の周りに金属管を使用することが提案された。
[0014]ＤＥ１９９０９４５１Ａ１は、圧電積層がヘッドプレートとフットプレートとの間で機械的に予応力、予張力、および予荷重をかけられる、燃料噴射器用の圧電作動装置について記載する。さらに、この圧電作動装置は、注封材料とハウジング５との間に間隙を含む。この間隙に、動作中に圧電積層を冷却するために循環する冷却用液体が存在する。

[0015]ＤＥ１０２００５００３４５３Ａ１に開示された燃料噴射器用の圧電作動装置は、冷却用液体で一部が満たされた、圧電積層とハウジングとの間の間隙をさらに含む。
[0016]ＥＰ１９５６２２９Ａ１に、本出願人は、長手方向軸に平行に延び、圧電作動器の長手方向軸の横方向内側に撓むことができる歪み補償構造を含む、圧電作動器の封止用のそうした金属管を開示する。

[0017]ＥＰ１８５４９９６は、圧電積層を取り囲み、この積層と接触する表面保護流動媒体を有する波状の金属封止部材を含む、燃料噴射器用の圧電作動装置について記載する。波状の金属封止部材は、温度変化および圧力変化に応答して、横方向および長手方向の運動を調節することができる。

[0018]この概念は、燃料および水分を遮断することであるが、それを製造することは難しく、長期間の使用後、疲労破壊を受けやすくなる可能性がある。

[0019]この背景に対する、本発明の主目的は、圧電作動器に適用されるとき、燃料（ディーゼル／ガソリン）および水の浸透を大幅に低減し、したがって、圧電駆動噴射器の寿命を改善する、別の封止方法を提供することである。

[0020]圧電積層、電気コネクタを含む第１の端部、および第２の端部を有する本体部分を含む圧電作動器と、本体部分および端部を取り囲み、圧電積層と剛性封止部材との間に間隙を残す剛性封止部材とを備える、燃料噴射器に使用するための作動装置であって、間隙を満たし、圧電作動器の周りの燃料からの静水圧を積層に伝達することができるように、剛性封止部材と本体部分との間に注封材料を密着させ、第１の端部は剛性封止部材に摺動可能に嵌合し、第２の端部は封止部材に固定され、または一体化される、作動装置により、本目的は達成される。

[0021]本発明による作動装置の主な利点は、製造し易く、長期間にわたる燃料封止を改善する、圧電作動器積層を提供することである。
[0022]摺動可能に嵌合する第１の端部により、圧電積層は、使用の際に積層の圧電素子に印加される電圧により伸縮するとき、損傷することなく、長手方向に伸縮することができる。したがって、先に引用した先行技術に記載されたベローズまたは波状の管の使用は、端部の一方の摺動可能な嵌合が長手方向の運動の補償を担うので、不必要になる。

[0023]剛性封止部材は、好ましくは金属管、より好ましくは鋼管を含む。好ましい実施形態によれば、前記鋼管の壁は、約１．０から１．５ｍｍの間、好ましくは約１．２ｍｍの厚さである。そうした剛性封止部材は、燃料噴射器に使用する圧力のもとで実質的には降伏または変形しない。実質的には、封止部材の壁を通して積層に圧力が伝達されない。

[0024]第１の端部は、アルミナから作成されるのが好ましいが、第２の端部は、好ましくは金属、より好ましくは高強度低合金（ＨＳＬＡ）の品質の鋼から作成され、封止部材に溶接され、または、他の任意の製造工程により封止部材に一体化される。

[0025]好ましい実施形態によれば、第１の端部は、静水圧を注封材料に加えることができるように、第１の端部と剛性封止部材との間に配置された弾性封止部材を含む。
[0026]弾性封止部材は、ＶＩＴＯＮ（登録商標）タイプのフッ素エラストマーから作成される場合がある、Ｏリングなどを含む。ＶＩＴＯＮフッ素エラストマーは、ＡＳＴＭＤ１４１８およびＩＳＯ１６２９というＦＫＭの記号に分類される。このクラスのエラストマーは、ヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）およびフッ化ビニリデン（ＶＤＦまたはＶＦ２）の共重合体、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）、およびヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）の三元重合体、ならびに特殊性を有するパーフルオロメチルビニルエーテル（ＰＭＶＥ）を含む類である。最も一般的なＶＩＴＯＮの等級は、６６から７０％の間で変化する。

[0027]第１の端部は、積層作動による、約１００から２００ミクロン、好ましくは約１５０ミクロンの作動装置の長手方向の運動を可能にするように、摺動可能に嵌合するのが好ましい。

[0028]本発明での使用に適した注封材料は、フロリナートＦＣ−４３であるが、代わりに、同様の特性を有する、圧縮性が最小の別の材料を使用することができる。誘電性充填流体の望ましい特性は、耐熱性、圧電積層から封止部材に伝達し、そこから封止部材の周りに流れる燃料に伝達する熱を吸収するための熱伝達能力、水溶性の低さ、低粘度、ならびに複雑な封止部材の充填を可能にする低表面張力を含む。フロリナートＦＣ−４３は、これらの特性のすべてを有し、さらに、２００ＭＰａ（２０００ｂａｒ）でわずか１６％だけ圧縮するのが推定されるので、特に有効な選択である。

[0029]ここで、添付の図面を参照して、単に例示として、本発明の実施形態を説明する。

[0030]本発明の好ましい実施形態を含む、圧電作動装置の概略図である。

[0031]図１は、細長く全体が円筒形である作動装置１０を示す。この装置は、少なくとも１つの圧電素子（図示せず）を有する、既知の圧電積層を含み、内燃機関の燃料噴射器に使用するのに適している。

[0032]圧電作動器１０は、圧電積層を含む中央主要部分１３と、第１および第２のそれぞれの端部１４および１６とを備える、全体が円筒状の本体部分を含む。本体部分の第１端の端部１４は、使用の際に電源（図示せず）から電圧を受け取る、第１および第２の端子を有する電気コネクタを含む。本体部分の第２端の端部１６は、使用の際に燃料噴射器の制御ピストンまたはニードル弁（図示せず）と協働する負荷伝達部材を含む。

[0033]圧電積層および作動器１０の内部部品の詳細、ならびに作動器の動作方法の説明は、本出願人に付与された特許ＥＰ０９９５９０１に十分に開示されているので、本明細書には説明しない。

[0034]剛性封止部材２０、すなわち、本体部分を取り囲み、端部１４から端部１６まで本体部分１２の長さに沿って延びる剛性鋼管の存在は、図１より明らかである。
[0035]剛性鋼管は、本体部分を取り囲んでおり、積層の形状および製造公差を有する必要性から生じる、積層と鋼管との間の間隙が存在する。注封材料（potting material；換言すれば、ポッティング材料）２２は、この間隙を満たし、燃料からの静水圧を積層に伝達することができる。

[0036]第１の端部１４は、剛性封止部材２０に摺動可能に嵌合し、鋼管と端部との間に、Ｏリングの形状の封止部材２４が設けられる。
[0037]封止部材２４は、静水圧を注封材料２０の軸方向に加えることができ、したがって、封止部材２４は注封材料２２により確実に支持され、封止部材２４の裏側の空隙を確実に無くすように配置されなければならない。これにより、より良い封止が実現され、静水圧の効率的な半径方向の伝達を実現することができるように注封材料を軸方向に確実に圧縮することができる。

[0038]摺動可能な端部１４は、使用中、中央部分１３の軸方向の運動を可能にする。封止部材２４は、積層作動および注封材料の圧縮率（フロリナートＦＣ−４３の場合は１６％）の補償により、約１００から２００ミクロン、好ましくは約１５０ミクロンの運動を可能にするために、それ自体可撓性である。

[0039]第２端で、鋼管は、第２の端部、いわゆる玉継手に溶接され、または、他の任意の製造工程により封止部材に一体化される。

１０作動装置
１２本体部分
１３中央主要部分
１４第１の端部
１６第２の端部
２０剛性封止部材
２２注封材料
２４封止部材

Claims

圧電積層と、電気コネクタを含む第１の端部と、第２の端部とを有する本体部分を含む圧電作動器と、前記本体部分および前記第１及び第２の端部を取り囲み、前記圧電積層との間に間隙を残す剛性封止部材とを備える、燃料噴射器に使用するための作動装置であって、前記間隙を満たし、前記圧電作動器の周りの燃料からの静水圧を前記積層に伝達することができるように、前記剛性封止部材と前記本体部分との間に注封材料を密着させ、前記第１の端部は前記剛性封止に摺動可能に嵌合し、前記第２の端部は前記剛性封止部材に固定される、作動装置。
前記剛性封止部材は、金属管を含む、請求項１に記載の作動装置。
前記剛性封止部材は、鋼管を含む、請求項１または２に記載の作動装置。
前記鋼管は、約１．０から１．５ｍｍの間、好ましくは約１．２ｍｍの厚さを有する、請求項３に記載の作動装置。
前記第２の端部は、金属から作成され、前記剛性封止部材に溶接される、請求項１から４のいずれか１項に記載の作動装置。
前記第１の端部は、前記注封材料に静水圧を加えることができるように、前記第１の端部と前記剛性封止部材との間に配置された弾性封止部材を含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の作動装置。
前記弾性封止部材は、Ｏリングを含む、請求項６に記載の作動装置。
前記弾性封止部材は、ＶＩＴＯＮ（登録商標）タイプのフッ素エラストマーを含む、請求項６または７に記載の作動装置。
前記第１の端部は、約１００から２００ミクロン、好ましくは約１５０ミクロンの、前記作動装置の長手方向の運動を可能にするように摺動可能に嵌合する、請求項１から８のいずれか１項に記載の作動装置。
前記第１の端部は、アルミナから形成される、請求項１から９のいずれか１項に記載の作動装置。