JP4052383B2 - ソリッドステートアクチュエーターの補償器用圧力応答弁 - Google Patents
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Description
【０００１】
【優先権】
本願は、２０００年１０月１１日付け米国仮出願第６０／２３９，２９０号の優先権を主張するものであり、その出願全体を本願の一部として引用する。
【０００２】
【発明の分野】
本発明は、一般的に、電気歪み、磁気歪みまたはソリッドステートアクチュエーターのような長さが変化するソリッドステートアクチュエーターに関し、詳細には、長さが変化するアクチュエーター用の補償器組立体、さらに詳細には、内燃機関のソリッドステート作動式高圧燃料噴射器を液圧補償する装置及び方法に関する。
【０００３】
【発明の背景】
ソリッドステートアクチュエーターとして、軸方向長さが動作電圧の印加により変化するセラミック構造体が知られている。典型的な用途では、この軸方向長さを、例えば、約０．１２％変化させることができる。ソリッドステートアクチュエーターの圧電素子積層構造では、軸方向長さの変化はアクチュエーターの素子の数に応じて増大すると思われる。ソリッドステートアクチュエーターの性質により、電圧を印加すると、アクチュエーターが瞬時に伸張し、アクチュエーターに接続された任意の構造体を瞬時に移動させると思われる。自動車技術、特に、内燃機関の分野では、燃料の霧化及び燃焼を最適化するために噴射器の弁要素を精密に開閉しなければならないと思われる。従って、内燃機関では現在、ソリッドステートアクチュエーターが噴射器の弁要素を精密に開閉するために使用されると思われる。
【０００４】
動作時、内燃機関のコンポーネントは有意な熱的変動を経験するため、エンジンコンポーネントが熱膨張または熱収縮を起こすと思われる。例えば、燃料噴射器組立体の弁本体は、動作時にエンジンが発生する熱により膨張する。さらに、弁本体内で作動する弁要素は比較的低温の燃料と接触して収縮すると思われる。ソリッドステートアクチュエーターを噴射器の弁要素の開閉に用いる場合、これらの熱的変動に起因して、不十分な開放ストロークまたは不十分な密封ストロークとして特徴付けられる弁要素の運動が発生することがあると思われる。これは、ソリッドステートアクチュエーターの熱膨張特性が他の燃料噴射器またはエンジンコンポーネントの熱膨張特性と比べて小さいからであると思われる。例えば、ハウジングとアクチュエーター積層体との熱膨張の差はアクチュエーター積層体のストロークよりも大きい場合があると思われる。従って、弁要素の収縮または膨張が燃料噴射器の動作に有意な影響を及ぼすことがあると思われる。
【０００５】
従来の方法の問題点を解消する熱的補償法が求められていると思われる。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は、例えば、電気歪み、磁気歪みまたはソリッドステートアクチュエーターのような長さが変化するソリッドステートアクチュエーターに熱的歪み、摩耗及び取付け歪みを補償する補償器組立体を備えた燃料噴射器を提供する。この燃料噴射器は、縦方向軸に沿って延び、第１及び第２の端部と、第１の端部と第２の端部との間に位置する端部部材とを有するハウジングと、縦方向軸に沿って設けられ、長さが変化するアクチュエーターと、長さが変化するアクチュエーターに結合され、燃料噴射を許容する第１の位置と、燃料噴射を阻止する第２の位置との間で可動の閉鎖部材と、長さが変化するアクチュエーターを温度変化に応答してハウジングに対して移動させる補償器組立体とより成り、補償器組立体は、第１の端部と第２の端部との間において縦方向軸に沿って延びる本体と、本体内の第１の端部の近くに設けられた第１のピストンと、第１のピストンに結合され、本体の内側表面と接触する第１の密封部材と、本体内の第２の端部の近くに設けられた第２のピストンと、第２のピストンに結合され、本体の内側表面と接触する第２の密封部材と、第１のピストンと第２のピストンとの間に位置し、第１のピストンに対向して本体内に第１の流体溜めを画定する第１の端部、第２のピストンに対向して本体内に第２の流体溜めを画定する第２の端部、及び第１の端部と第２の端部との間で流体を連通させる流体通路を有する離隔部材と、第１のピストンと離隔部材の第１の端部との間に設けられ、第１の流体溜めの流体圧力及び第２の流体溜めの流体圧力に応答して第１の流体溜めと第２の流体溜めとの間に圧力差がある時は第１の流体溜めと第２の流体溜めとの間で流体の流れを許容し、長さが変化するアクチュエーターの作動時は逆止弁として作用することにより第１の流体溜めから第２の流体溜めへの流体の流れを阻止する弁と、第２のピストンを離隔部材の方へ偏倚して第２の流体溜めの流体圧力を第１の流体溜めの流体圧力に対して増加させることにより、長さが変化するアクチュエーターが作動中でない時は第２の流体溜めから第１の流体溜めへ流体が流れるようにする偏倚手段とより成り、補償器組立体は、流体として、所定の体積及び所定の熱膨張率を有する液圧流体を選択することにより、燃料噴射器のハウジングと長さが変化するアクチュエーターとの熱膨張率の差が第１の流体溜めの液圧流体の膨張により補償されるように構成されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明は、例えば、電気歪み、磁気歪みまたはソリッドステートアクチュエーターのような長さが変化するアクチュエーターに使用してアクチュエーターの熱的歪み、摩耗及び取付け歪みを補償する液圧補償器を提供する。好ましい実施例によると、長さが変化するアクチュエーターは第１及び第２の端部を有する。この液圧補償器は、ハウジングを有する燃料噴射器の長さが変化するアクチュエーターのための液圧補償器であって、第１の端部と第２の端部との間において縦方向軸に沿って延びる本体と、本体内の第１の端部の近くに設けられた第１のピストンと、第１のピストンに結合され、本体の内側表面と接触する第１の密封部材と、本体内の第２の端部の近くに設けられた第２のピストンと、第２のピストンに結合され、本体の内側表面と接触する第２の密封部材と、第１のピストンと第２のピストンとの間に位置し、第１のピストンに対向して本体内に第１の流体溜めを画定する第１の端部、第２のピストンに対向して本体内に第２の流体溜めを画定する第２の端部、及び第１の端部と第２の端部との間で流体を連通させる流体通路を有する離隔部材と、第１のピストンと離隔部材の第１の端部との間に設けられ、第１の流体溜めの流体圧力及び第２の流体溜めの流体圧力に応答して第１の流体溜めと第２の流体溜めとの間に圧力差がある時は第１の流体溜めと第２の流体溜めとの間で流体の流れを許容し、長さが変化するアクチュエーターの作動時は逆止弁として作用することにより第１の流体溜めから第２の流体溜めへの流体の流れを阻止する弁と、第２のピストンを離隔部材の方へ偏倚して第２の流体溜めの流体圧力を第１の流体溜めの流体圧力に対して増加させることにより、長さが変化するアクチュエーターが作動中でない時は第２の流体溜めから第１の流体溜めへ流体が流れるようにする偏倚手段とより成り、流体として、所定の体積及び所定の熱膨張率を有する液圧流体を選択することにより、燃料噴射器のハウジングと長さが変化するアクチュエーターとの熱膨張率の差が第１の流体溜めの液圧流体の膨張により補償されるように構成されていることを特徴とする。
【０００９】
【好ましい実施例の詳細な説明】
図１乃至２を参照して、該図は、好ましい実施例を示す。図１は、長さが変化するアクチュエーター積層体１００及び補償器組立体２００を備えた燃料噴射器組立体１０の好ましい実施例を示す。燃料噴射器組立体１０は、入口取付け具１２、ばね予荷重調整手段１３、噴射器ハウジング１４及び弁本体１６を有する。入口取付け具１２は、燃料フィルター１１、燃料流路１８、２０、２２及び燃料供給源（図示せず）に接続された燃料入口２４を有する。入口取付け具１２は、ばね予荷重調整手段１３に結合された入口端部部材２８を有する。補償器組立体２００は、流体３６が充填される２つの流体溜めを有する。流体３６は、温度変化に応答してその体積を変化させる実質的に非圧縮性の流体でよい。好ましくは、流体３６は、噴射器の入口取付け具１２、ハウジング１４または他のコンポーネントよりも大きい熱膨張率を有するシリコンまたは他の種類の液圧流体である。
【００１０】
好ましい実施例において、噴射器ハウジング１４は、長さが変化するアクチュエーター積層体１００及び補償器組立体２００を取囲んでいる。弁本体１６は、噴射器ハウジング１４に固着され、弁閉鎖部材４０を取囲んでいる。長さが変化するアクチュエーター積層体１００は複数の長さが変化するアクチュエーター素子より成り、これらは電圧源に電気的に接続された接点ピン（図示せず）を介して作動可能である。接点ピン（図示せず）間に電圧を印加すると、長さが変化するアクチュエーター積層体１００は長さ方向において膨張する。長さが変化するアクチュエーター積層体１００の荷重下における膨張の典型的な大きさは、例えば、約３０−５０ミクロンのオーダーである。この長さ方向の膨張を利用すると、燃料噴射器組立体１０の弁閉鎖部材４０を作動させることができる。
【００１１】
長さが変化するアクチュエーター積層体１００は、ハウジング１４に沿って案内部材１１０により案内される。長さが変化するアクチュエーター積層体１００は、底部４４が弁閉鎖部材４０の閉鎖端部４２と作動的接触関係にある第１の端部と、頂部４６が補償器組立体２００に作動的に接続された第２の端部とを有する。
【００１２】
燃料噴射器組立体１０はさらに、ばね４８、ばね座金５０、キーパー５２、ブッシング５４、弁閉鎖部材の弁座５６、ベローズ５８及びＯリング６０を有する。Ｏリング６０は、周囲温度が低くても（−４０℃またはそれ以下）及び動作温度が高くても（１４０℃またはそれ以上）作動性を維持し燃料に適合するＯリングであるのが好ましい。
【００１３】
図２を参照して、補償器組立体２００は、第１のピストン２２０、ピストン離隔部材または離隔部材２３０、第２のピストン２４０及び弾性部材またはばね２６０を取囲む本体２１０を有する。この本体２１０は、例えば、卵形、正方形、矩形または任意の適当な多角形のような、第１及び第２のピストンと嵌合する任意適当な断面形状でよい。本体の断面は円形であるのが好ましく、それにより円筒形の本体が形成される。
【００１４】
第１のピストン２２０は第１の表面２２２を有し、この表面は離隔部材２３０と対向関係に位置して第１の流体溜め３２を画定する。第１の表面２２２は、円錐形、円錐台形または第１の表面積を有する平坦な表面であるのが好ましい。
【００１５】
第１のピストン２２０の外周面２２８は、本体の内側表面２１２と精密公差嵌合部を形成するような寸法を有する。第１のピストンは、好ましくは第１のピストン２２０の外周面の溝２２９に取付けられて流体３６の漏洩を阻止するエラストマー２１４である密封部材を有する。このエラストマー２１４は、好ましくはＯリングである。あるいは、エラストマー２１４は非円形断面のＯリングでよい。エラストマーシールの他の種類、例えば、ラビリンスシールのようなものを使用できる。さらに、外周面２２８の上ではなくて本体の内側表面２１２上に溝を形成してもよい。
【００１６】
離隔部材２３０は、第１の表面２３２、第２の表面２３４、及び第１の流体溜め３２と第２の流体溜め３４との間の流体の連通を許容する狭い通路２３７に接続された流路２３６を有する。好ましい実施例では狭い通路２３７が第１の流体溜めに流入する流体の圧力を減少させるが、この狭い通路２３７は、流路２３６を離隔部材２３０の全長に沿って延ばすことによりなくすことができる。
【００１７】
離隔部材の第１の表面２３２は、縦方向軸Ａ−Ａに関して好ましくは横方向の表面上に形成した複数のポケットまたはチャンネル２３８ａ、２３８ｂを有する。これらのポケットまたはチャンネルは、円筒形、正方形または矩形のような適当な形状でよい。ポケットまたはチャンネル２３８ａ、２３８ｂは円筒形であるのが好ましい。
【００１８】
離隔部材２３０は、例えば、スプライン結合のような適当な結合法により本体に結合可能である。１つの好ましい実施例において、離隔部材２３０と本体２１０の内側表面２４９には、離隔部材を本体に螺着できるように相補的な螺設部が形成されている。また、離隔部材の第１の表面２３２上には、１２個のポケットまたはチャンネルを形成するのが好ましい。
【００１９】
第２のピストン２４０は、第２の流体溜め３４を形成するように離隔部材の第２の表面２３４と対向するように配置された第２の表面２４２を有する。第２の表面２４２は、円錐形、円錐台形表面あるいは、好ましくは第１のピストンの第１の表面の表面積と同じ第２の表面積を有する平坦な表面でよい。第２のピストン２４０はまた、密封部材、好ましくは流体３６が第２の流体溜め３４から漏洩するのを一般的に阻止するように第２のピストン２４０の外周部上の溝２４８に設けたエラストマー２４６を有する。好ましくは、このエラストマー２４６はＯリングである。あるいは、エラストマー２４６は非円形断面を有するＯリングでよい。例えば、ラビリンスシールのような他の種類のエラストマー密封部材を使用できる。あるいは、溝を本体の内側表面２１２に形成して密封部材をその中に設けてもよい。
【００２０】
ばね２６０は、第２のピストン２４０を噴射器の出口端部の方へ偏位させる。ピストン２４０は、流体３６の本体２１０内への導入を可能にする充填プラグ３８に結合されている。好ましくは、この充填プラグ３８は、第２のピストン２４０及び充填プラグ３８上の相補的な螺旋形螺設部２３９により第２のピストン２４０に結合される。
【００２１】
第１の流体溜め３２には圧力感知弁を設けるが、この弁は圧力感知弁にかかる圧力降下に応じて１つの方向に流体が流れるようにする。圧力感知弁は、例えば、逆止弁または単方向弁でよい。圧力感知弁は、第１の面２２２の上方に滑らかな面がある可撓性の薄いディスクプレート２７０であるのが好ましい。
【００２２】
プレート２７０は、離隔部材２３０と本体２１０のボス部分３１１との間に設けられている。プレート２７０は、例えば、接合、クリンピング、スポット溶接またはレーザー溶接のような適当な結合方法により離隔部材２３０の表面２３２に固着可能である。離隔部材２３０の表面２３２を利用し、離隔部材２３０を本体２１０に螺着してプレート２７０が保持されるようにすることにより、プレート２７０を表面２３２と本体２１０のボス部分３１１との間に保持するのが好ましい。
【００２３】
プレート２７０を参照して、第１のピストン２２０に接触する側の面を滑らかにして離隔部材の第１の面２３２に対する密封表面を形成することにより、プレート２７０は、第１の流体溜め３２の圧力が第２の流体溜め３４の圧力よりも低い時は必ず流体が第１の流体溜め３２と第２の流体溜め３４との間を流れるようにする圧力感知弁として働く。即ち、流体溜め間に圧力差がある時は必ずプレート２７０の滑らかな表面が持ち上げられて流体がチャンネルまたはポケット２３８ａ、２３８ｂへ流入できるようにする。このプレートは、玉形逆止弁におけるように流体圧力とばね力の組合せではなくて、圧力差に応じて流れを阻止するシールを形成して、逆止弁を閉位置に保持するように働くことに注意されたい。圧力感知弁またはプレート２７０には、表面を貫通するオリフィス２７８ａ、２７８ｂが形成されている。このオリフィスは、例えば、正方形、円形または任意適当な形状でよい。好ましくは、このプレートには、各々の直径が約１．０ミリメートルの１２個のオリフィスが形成されている。また、各チャンネルまたはポケット２３８ａ、２３８ｂに各オリフィス２７８ａ、２７８ｂとほぼ同じ形状及び断面積の開口を設けてもよい。
【００２４】
プレート２７０は非常に小さい質量と可撓性とを有するため、流体が流入すると非常に迅速に応答して第１のピストン２２０の方へ持ち上げられ、プレートを通過していなかった流体が液圧シムの体積を増加させる。プレート２７０は、開位置において（図示せず）、プレート２７０の下方及び通路２２６内にある流体を吸引すると、球形の一部に近いものとなる。この増加した体積がシムの体積に加算されるが、その体積増加分は依然として密封表面の第１の流体溜め側にある。プレート２７０の多数の利点のうちの１つは、圧力の脈動が第１の流体溜めの液圧シムに追加される流体の体積増加分により迅速に減衰されることである。これは、噴射器の作動が非常に動的な事象であり、非作動状態、作動状態及び非作動状態間の移行により液圧シムに圧力変動を発生させる慣性力が生じるからである。液圧シムは、流体が自由に流入するが流出が制限されるため、振動を迅速に減衰させる。
【００２５】
少なくとも１つのオリフィスの貫通孔またはオリフィス２７８ａ、２７８ｂの直径は、プレート２７０が離隔部材の第１の面２３２から持ち上げられると球形の一部に似た形になるため、プレート２７０の上昇距離でなくてプレートのオリフィス実効直径として考えることができる。さらに、オリフィスの数及び各オリフィスの直径は、プレート２７０の圧力降下の決定にとって重要なプレート２７０の剛性を決定する。好ましくは、圧力降下は補償器の第１の流体溜め３２における圧力脈動に比べて小さいものでなければならない。プレート２７０が約０．１ｍｍ持ち上げられると、プレート２７０は、大きく開放した状態で第１の流体溜め３２への流れを制限しないと考えることができる。液圧シム内への流れは制限されないため、流体の有意な圧力降下が防止される。これは、有意な圧力降下が存在すると流体に溶解されたガスが表に出て泡を形成するため重要である。これは、ガスの蒸気圧が減少した流体圧を超えることによる（即ち、ある特定の種類の流体は、スポンジが水を吸収するように空気を吸収するため、流体が圧縮可能な流体のように振舞う）。泡が形成されると、小さなばねのように作用して補償器を「ソフト」または「スポンジ」のようにする。一旦泡が形成されると、これらを流体内に再び溶解させるのは困難である。補償器は、好ましくは設計により、約２乃至７バールの圧力で作動するが、液圧シムの圧力は大気圧よりも有意に低下しないと思われる。従って、流体及び補償器通路からガス抜きを行うのは、プレート２７０がない場合ほど重要ではない。好ましくは、プレート２７０の厚さは約０．１ミリメートルであり、その表面積は約８８平方ミリメートル（ｍｍ2）である。さらに、プレート２７０の可撓性を所望の値に維持するためには、各々が約０．８平方ミリメートル（ｍｍ2）の開口を有する約１２個のオリフィスより成るアレイを設けるのが好ましく、プレートの厚さは表面積の平方根を約９４で割算した値であるのが好ましい。
【００２６】
ばね２６０は、螺着された調整器１３（そして端部部材２８）に対して反作用して第２のピストン２４０を噴射器の出口の方へ押圧することができる。ばねの力により流体３６の圧力が上昇して、第２のピストン２４０の第２の表面２４２に対して作用する。最初の位置では、液圧流体３６は、ばね２６０のばね力と第２の表面２４２の第２の表面積との関数として加圧される。加圧された流体は、第１の流体溜めの圧力が第２の流体溜めの圧力よりも低い時は第１の流体溜め３２へ流入し、第２の流体溜め３４から流出する傾向がある。最初の位置のように、第１の流体溜め３２の圧力が第２の流体溜め圧力より低いと、フラッパーまたはプレート２７０は、流体３６が第１の流体溜め３２へ流入できるように動作する。第１の流体溜め３２において液圧シムを形成する流体３６は、補償器内またはその周りの温度の上昇により膨張する傾向がある。第１の流体溜め３２の流体が膨張する前に、第１の流体溜めには、第２の表面２４２及びばね２６０のばね力により、液圧シムを形成するように予荷重が与えられる。ばね２６０のばね力は、約３０ニュートン乃至約７０ニュートンであるのが好ましい。
【００２７】
積層体の方へ移動する第１のピストン２２０の力ベクトルＦout（即ち、方向及び大きさを有する）は下記のように定義される。
【００２８】
Ｆout＝（Ｆspring±Ｆseal246）＊（Ａshim32／Ａ2ndreservoir34）±Ｆseal214
上式において、
Ｆout＝圧電積層体に印加される力；
Ｆspring＝ばね力（３０乃至７０ニュートン）；
Ａshim32＝ピストン上方の面積（液圧シム流体溜め３２）；
Ａ2ndreservoir34＝第２のピストン下方の面積（流体溜め３４）；
Ｆseal246＝密封部２４６摩擦力；
Ｆseal214＝密封部２１４の摩擦力；
【００２９】
ばね２６０はコイルばねであるのが好ましい。流体溜めの圧力は各コイルばねの少なくとも１つのばね特性と関連がある。本明細書中において、少なくとも１つのばね特性は、例えば、ばね定数、ばね自由長、螺着された調整器１３による予荷重の大きさ及びばねの弾性率を含むことができる。各ばね特性は、他のばね特性との種々の組合せで変化させることにより、補償器組立体２００の所望の応答が得られるようにすることができる。
【００３０】
再び図１を参照して、燃料噴射器１０の動作時、燃料が燃料供給源（図示せず）から燃料入口２４へ供給される。燃料入口２４の所の燃料は、弁閉鎖部材４０が開位置に移動しておれば、燃料フィルター１１、通路１８、通路２０、燃料管２２を介して燃料出口６２から流出する。
【００３１】
燃料を燃料出口６２から流出させるために、長さが変化するアクチュエーター積層体１００へ電圧を印加してその積層体を膨張させる。長さが変化するアクチュエーター積層体１００が膨張すると、底部４４が弁閉鎖部材４０を押圧し、このため燃料が燃料出口６２から出る。燃料が燃料出口６２から噴射されると、長さが変化するアクチュエーター積層体１００への給電が停止されるため、ばね４８の偏倚力が弁閉鎖部材４０を復帰させて、燃料出口６２を閉じる。詳述すると、長さが変化するアクチュエーター積層体１００は、給電停止により収縮するため、弁閉鎖部材４０を底部４４に常に接触状態に保持するばね４８の偏倚力が弁閉鎖部材４０を閉位置に偏位させる。
【００３２】
エンジン動作時において、エンジン温度が上昇すると、入口取付け具１２、噴射器ハウジング１４及び弁本体１７は温度の上昇によって熱膨張するが、長さが変化するアクチュエーター積層体の熱膨張は一般的に有意でない大きさである。同時に、アクチュエーター１００が作動状態でない時、燃料管２２を流れて燃料出口６２から流出する燃料は、燃料噴射器組立体１０の内部コンポーネントを冷却するため、弁閉鎖部材４０を熱的に収縮させる。
図１を参照して、弁閉鎖部材４０が収縮すると、底部４４は弁閉鎖部材４０との接触点から離れる傾向がある。第１のピストン２２０の底面に作動的に接続された長さが変化するアクチュエーター積層体１００は、力Ｆｏｕｔで第２のピストンに作用するばね２６０による流体の加圧により最初は下方に押圧される。燃料噴射器コンポーネントの体積熱膨張率βはアクチュエーター積層体１００よりも一般的に大きいため、温度が上昇すると、入口取付け具１２、噴射器ハウジング１４及び弁本体１７は、アクチュエーター積層体１００に対して相対的に膨張する。第１のピストンのこの移動は、頂部４６によりアクチュエーター積層体１００へ伝達される。好ましい実施例において、液圧流体３６の熱膨張率βはアクチュエーター積層体の熱膨張率βよりも大きいことに注意されたい。ここでは、補償器組立体は、少なくとも、所望の膨張率βを有する液圧流体を選択し、また第１の流体溜めの流体の所定の体積を選択することにより、燃料噴射器のハウジングとアクチュエーター積層体１００の熱膨張率の差が第１の流体溜め内の液圧流体３６の膨張により補償されるように構成することができる。
【００３３】
アクチュエーター１００が作動されると、第１の流体溜め３２の圧力が急速に増加するため、プレート２７０が離隔部材の第１の面２３２に緊密に封止される。これにより、液圧流体３６の第１の液体溜めから狭い通路２３７及び通路２３６への流出が阻止される。液体は事実上非圧縮性であるため、第１の流体溜め３２の液体３６は剛性的な反作用ベース、即ち、アクチュエーター１００が反作用するシムに近似される。シムの剛性は、部分的に、流体が事実上非圧縮性であること及び流体がプレート２７０より第１の流体溜め３２から流出できないことによると考えられる。アクチュエーター積層体１００が未荷重状態で作動されると、積層体は約６０ミクロン伸張する。好ましい実施例では、この伸張量の半分（約３０ミクロン）は燃料噴射器の種々のコンポーネントにより吸収される。積層体１００の全伸張量の残りの半分（約３０ミクロン）は、閉鎖部材４０を変位させるために使用される。従って、閉鎖部材４０の変位は繰返し付勢される度に一定であると考えられ、それにより燃料噴射器の開度を一定に維持することが可能になる。
【００３４】
アクチュエーター１００が作動されない場合、流体３６は第１の流体溜めと第２の流体溜めの間を流れるが、同じ予荷重力Ｆoutが維持される。力Ｆoutは、ばね２６０、シール２１４、２４６及び各ピストンの表面積の関数である。従って、アクチュエーター積層体１００の底部４４は、燃料噴射器コンポーネントが膨張するかまたは収縮するかに拘らず、弁閉鎖端部４２の接触表面と常に接触状態に維持されると思われる。
【００３５】
補償器組立体２００を燃料噴射器用の長さが変化するアクチュエーターと共に図示したが、例えば電気歪み、磁気歪みまたはソリッドステートアクチュエーターのような長さの変化するアクチュエーターを補償器組立体２００と共用できることを理解されたい。ここでは、長さが変化するアクチュエーターは、アクチュエーターが付勢されると長さが延びる、常態では作動されないアクチュエーターを包含することができる。逆に、長さが変化するアクチュエーターは、アクチュエーターが常態では作動されるが、非作動状態にすると長さが収縮（膨張でなく）する場合にも適用可能である。さらに、補償器組立体２００及び長さが変化するアクチュエーターは燃料噴射器に関連の用途に限定されず、例示すると、スイッチ、光学的読み取り／書き込みアクチュエーターまたは医学用流体給送装置のような適度に精密なアクチュエーターを必要とする他の用途にも利用できることを強調したい。
【００３６】
本発明をある特定の好ましい実施例に関連して説明したが、図示説明した実施例に対する変形例及び設計変更は、頭書の特許請求の範囲に規定される範囲から逸脱することなく可能である。従って、本発明は図示説明した実施例に限定されず、特許請求の範囲の文言及びその均等物により規定される全幅を享受するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、長さが変化するアクチュエーター積層体及び好ましい実施例による補償器組立体を備えた燃料噴射器組立体の断面図である。
【図２】 図２は、図１の補償器組立体の拡大図である。
【優先権】
本願は、２０００年１０月１１日付け米国仮出願第６０／２３９，２９０号の優先権を主張するものであり、その出願全体を本願の一部として引用する。
【０００２】
【発明の分野】
本発明は、一般的に、電気歪み、磁気歪みまたはソリッドステートアクチュエーターのような長さが変化するソリッドステートアクチュエーターに関し、詳細には、長さが変化するアクチュエーター用の補償器組立体、さらに詳細には、内燃機関のソリッドステート作動式高圧燃料噴射器を液圧補償する装置及び方法に関する。
【０００３】
【発明の背景】
ソリッドステートアクチュエーターとして、軸方向長さが動作電圧の印加により変化するセラミック構造体が知られている。典型的な用途では、この軸方向長さを、例えば、約０．１２％変化させることができる。ソリッドステートアクチュエーターの圧電素子積層構造では、軸方向長さの変化はアクチュエーターの素子の数に応じて増大すると思われる。ソリッドステートアクチュエーターの性質により、電圧を印加すると、アクチュエーターが瞬時に伸張し、アクチュエーターに接続された任意の構造体を瞬時に移動させると思われる。自動車技術、特に、内燃機関の分野では、燃料の霧化及び燃焼を最適化するために噴射器の弁要素を精密に開閉しなければならないと思われる。従って、内燃機関では現在、ソリッドステートアクチュエーターが噴射器の弁要素を精密に開閉するために使用されると思われる。
【０００４】
動作時、内燃機関のコンポーネントは有意な熱的変動を経験するため、エンジンコンポーネントが熱膨張または熱収縮を起こすと思われる。例えば、燃料噴射器組立体の弁本体は、動作時にエンジンが発生する熱により膨張する。さらに、弁本体内で作動する弁要素は比較的低温の燃料と接触して収縮すると思われる。ソリッドステートアクチュエーターを噴射器の弁要素の開閉に用いる場合、これらの熱的変動に起因して、不十分な開放ストロークまたは不十分な密封ストロークとして特徴付けられる弁要素の運動が発生することがあると思われる。これは、ソリッドステートアクチュエーターの熱膨張特性が他の燃料噴射器またはエンジンコンポーネントの熱膨張特性と比べて小さいからであると思われる。例えば、ハウジングとアクチュエーター積層体との熱膨張の差はアクチュエーター積層体のストロークよりも大きい場合があると思われる。従って、弁要素の収縮または膨張が燃料噴射器の動作に有意な影響を及ぼすことがあると思われる。
【０００５】
従来の方法の問題点を解消する熱的補償法が求められていると思われる。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は、例えば、電気歪み、磁気歪みまたはソリッドステートアクチュエーターのような長さが変化するソリッドステートアクチュエーターに熱的歪み、摩耗及び取付け歪みを補償する補償器組立体を備えた燃料噴射器を提供する。この燃料噴射器は、縦方向軸に沿って延び、第１及び第２の端部と、第１の端部と第２の端部との間に位置する端部部材とを有するハウジングと、縦方向軸に沿って設けられ、長さが変化するアクチュエーターと、長さが変化するアクチュエーターに結合され、燃料噴射を許容する第１の位置と、燃料噴射を阻止する第２の位置との間で可動の閉鎖部材と、長さが変化するアクチュエーターを温度変化に応答してハウジングに対して移動させる補償器組立体とより成り、補償器組立体は、第１の端部と第２の端部との間において縦方向軸に沿って延びる本体と、本体内の第１の端部の近くに設けられた第１のピストンと、第１のピストンに結合され、本体の内側表面と接触する第１の密封部材と、本体内の第２の端部の近くに設けられた第２のピストンと、第２のピストンに結合され、本体の内側表面と接触する第２の密封部材と、第１のピストンと第２のピストンとの間に位置し、第１のピストンに対向して本体内に第１の流体溜めを画定する第１の端部、第２のピストンに対向して本体内に第２の流体溜めを画定する第２の端部、及び第１の端部と第２の端部との間で流体を連通させる流体通路を有する離隔部材と、第１のピストンと離隔部材の第１の端部との間に設けられ、第１の流体溜めの流体圧力及び第２の流体溜めの流体圧力に応答して第１の流体溜めと第２の流体溜めとの間に圧力差がある時は第１の流体溜めと第２の流体溜めとの間で流体の流れを許容し、長さが変化するアクチュエーターの作動時は逆止弁として作用することにより第１の流体溜めから第２の流体溜めへの流体の流れを阻止する弁と、第２のピストンを離隔部材の方へ偏倚して第２の流体溜めの流体圧力を第１の流体溜めの流体圧力に対して増加させることにより、長さが変化するアクチュエーターが作動中でない時は第２の流体溜めから第１の流体溜めへ流体が流れるようにする偏倚手段とより成り、補償器組立体は、流体として、所定の体積及び所定の熱膨張率を有する液圧流体を選択することにより、燃料噴射器のハウジングと長さが変化するアクチュエーターとの熱膨張率の差が第１の流体溜めの液圧流体の膨張により補償されるように構成されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明は、例えば、電気歪み、磁気歪みまたはソリッドステートアクチュエーターのような長さが変化するアクチュエーターに使用してアクチュエーターの熱的歪み、摩耗及び取付け歪みを補償する液圧補償器を提供する。好ましい実施例によると、長さが変化するアクチュエーターは第１及び第２の端部を有する。この液圧補償器は、ハウジングを有する燃料噴射器の長さが変化するアクチュエーターのための液圧補償器であって、第１の端部と第２の端部との間において縦方向軸に沿って延びる本体と、本体内の第１の端部の近くに設けられた第１のピストンと、第１のピストンに結合され、本体の内側表面と接触する第１の密封部材と、本体内の第２の端部の近くに設けられた第２のピストンと、第２のピストンに結合され、本体の内側表面と接触する第２の密封部材と、第１のピストンと第２のピストンとの間に位置し、第１のピストンに対向して本体内に第１の流体溜めを画定する第１の端部、第２のピストンに対向して本体内に第２の流体溜めを画定する第２の端部、及び第１の端部と第２の端部との間で流体を連通させる流体通路を有する離隔部材と、第１のピストンと離隔部材の第１の端部との間に設けられ、第１の流体溜めの流体圧力及び第２の流体溜めの流体圧力に応答して第１の流体溜めと第２の流体溜めとの間に圧力差がある時は第１の流体溜めと第２の流体溜めとの間で流体の流れを許容し、長さが変化するアクチュエーターの作動時は逆止弁として作用することにより第１の流体溜めから第２の流体溜めへの流体の流れを阻止する弁と、第２のピストンを離隔部材の方へ偏倚して第２の流体溜めの流体圧力を第１の流体溜めの流体圧力に対して増加させることにより、長さが変化するアクチュエーターが作動中でない時は第２の流体溜めから第１の流体溜めへ流体が流れるようにする偏倚手段とより成り、流体として、所定の体積及び所定の熱膨張率を有する液圧流体を選択することにより、燃料噴射器のハウジングと長さが変化するアクチュエーターとの熱膨張率の差が第１の流体溜めの液圧流体の膨張により補償されるように構成されていることを特徴とする。
【０００９】
【好ましい実施例の詳細な説明】
図１乃至２を参照して、該図は、好ましい実施例を示す。図１は、長さが変化するアクチュエーター積層体１００及び補償器組立体２００を備えた燃料噴射器組立体１０の好ましい実施例を示す。燃料噴射器組立体１０は、入口取付け具１２、ばね予荷重調整手段１３、噴射器ハウジング１４及び弁本体１６を有する。入口取付け具１２は、燃料フィルター１１、燃料流路１８、２０、２２及び燃料供給源（図示せず）に接続された燃料入口２４を有する。入口取付け具１２は、ばね予荷重調整手段１３に結合された入口端部部材２８を有する。補償器組立体２００は、流体３６が充填される２つの流体溜めを有する。流体３６は、温度変化に応答してその体積を変化させる実質的に非圧縮性の流体でよい。好ましくは、流体３６は、噴射器の入口取付け具１２、ハウジング１４または他のコンポーネントよりも大きい熱膨張率を有するシリコンまたは他の種類の液圧流体である。
【００１０】
好ましい実施例において、噴射器ハウジング１４は、長さが変化するアクチュエーター積層体１００及び補償器組立体２００を取囲んでいる。弁本体１６は、噴射器ハウジング１４に固着され、弁閉鎖部材４０を取囲んでいる。長さが変化するアクチュエーター積層体１００は複数の長さが変化するアクチュエーター素子より成り、これらは電圧源に電気的に接続された接点ピン（図示せず）を介して作動可能である。接点ピン（図示せず）間に電圧を印加すると、長さが変化するアクチュエーター積層体１００は長さ方向において膨張する。長さが変化するアクチュエーター積層体１００の荷重下における膨張の典型的な大きさは、例えば、約３０−５０ミクロンのオーダーである。この長さ方向の膨張を利用すると、燃料噴射器組立体１０の弁閉鎖部材４０を作動させることができる。
【００１１】
長さが変化するアクチュエーター積層体１００は、ハウジング１４に沿って案内部材１１０により案内される。長さが変化するアクチュエーター積層体１００は、底部４４が弁閉鎖部材４０の閉鎖端部４２と作動的接触関係にある第１の端部と、頂部４６が補償器組立体２００に作動的に接続された第２の端部とを有する。
【００１２】
燃料噴射器組立体１０はさらに、ばね４８、ばね座金５０、キーパー５２、ブッシング５４、弁閉鎖部材の弁座５６、ベローズ５８及びＯリング６０を有する。Ｏリング６０は、周囲温度が低くても（−４０℃またはそれ以下）及び動作温度が高くても（１４０℃またはそれ以上）作動性を維持し燃料に適合するＯリングであるのが好ましい。
【００１３】
図２を参照して、補償器組立体２００は、第１のピストン２２０、ピストン離隔部材または離隔部材２３０、第２のピストン２４０及び弾性部材またはばね２６０を取囲む本体２１０を有する。この本体２１０は、例えば、卵形、正方形、矩形または任意の適当な多角形のような、第１及び第２のピストンと嵌合する任意適当な断面形状でよい。本体の断面は円形であるのが好ましく、それにより円筒形の本体が形成される。
【００１４】
第１のピストン２２０は第１の表面２２２を有し、この表面は離隔部材２３０と対向関係に位置して第１の流体溜め３２を画定する。第１の表面２２２は、円錐形、円錐台形または第１の表面積を有する平坦な表面であるのが好ましい。
【００１５】
第１のピストン２２０の外周面２２８は、本体の内側表面２１２と精密公差嵌合部を形成するような寸法を有する。第１のピストンは、好ましくは第１のピストン２２０の外周面の溝２２９に取付けられて流体３６の漏洩を阻止するエラストマー２１４である密封部材を有する。このエラストマー２１４は、好ましくはＯリングである。あるいは、エラストマー２１４は非円形断面のＯリングでよい。エラストマーシールの他の種類、例えば、ラビリンスシールのようなものを使用できる。さらに、外周面２２８の上ではなくて本体の内側表面２１２上に溝を形成してもよい。
【００１６】
離隔部材２３０は、第１の表面２３２、第２の表面２３４、及び第１の流体溜め３２と第２の流体溜め３４との間の流体の連通を許容する狭い通路２３７に接続された流路２３６を有する。好ましい実施例では狭い通路２３７が第１の流体溜めに流入する流体の圧力を減少させるが、この狭い通路２３７は、流路２３６を離隔部材２３０の全長に沿って延ばすことによりなくすことができる。
【００１７】
離隔部材の第１の表面２３２は、縦方向軸Ａ−Ａに関して好ましくは横方向の表面上に形成した複数のポケットまたはチャンネル２３８ａ、２３８ｂを有する。これらのポケットまたはチャンネルは、円筒形、正方形または矩形のような適当な形状でよい。ポケットまたはチャンネル２３８ａ、２３８ｂは円筒形であるのが好ましい。
【００１８】
離隔部材２３０は、例えば、スプライン結合のような適当な結合法により本体に結合可能である。１つの好ましい実施例において、離隔部材２３０と本体２１０の内側表面２４９には、離隔部材を本体に螺着できるように相補的な螺設部が形成されている。また、離隔部材の第１の表面２３２上には、１２個のポケットまたはチャンネルを形成するのが好ましい。
【００１９】
第２のピストン２４０は、第２の流体溜め３４を形成するように離隔部材の第２の表面２３４と対向するように配置された第２の表面２４２を有する。第２の表面２４２は、円錐形、円錐台形表面あるいは、好ましくは第１のピストンの第１の表面の表面積と同じ第２の表面積を有する平坦な表面でよい。第２のピストン２４０はまた、密封部材、好ましくは流体３６が第２の流体溜め３４から漏洩するのを一般的に阻止するように第２のピストン２４０の外周部上の溝２４８に設けたエラストマー２４６を有する。好ましくは、このエラストマー２４６はＯリングである。あるいは、エラストマー２４６は非円形断面を有するＯリングでよい。例えば、ラビリンスシールのような他の種類のエラストマー密封部材を使用できる。あるいは、溝を本体の内側表面２１２に形成して密封部材をその中に設けてもよい。
【００２０】
ばね２６０は、第２のピストン２４０を噴射器の出口端部の方へ偏位させる。ピストン２４０は、流体３６の本体２１０内への導入を可能にする充填プラグ３８に結合されている。好ましくは、この充填プラグ３８は、第２のピストン２４０及び充填プラグ３８上の相補的な螺旋形螺設部２３９により第２のピストン２４０に結合される。
【００２１】
第１の流体溜め３２には圧力感知弁を設けるが、この弁は圧力感知弁にかかる圧力降下に応じて１つの方向に流体が流れるようにする。圧力感知弁は、例えば、逆止弁または単方向弁でよい。圧力感知弁は、第１の面２２２の上方に滑らかな面がある可撓性の薄いディスクプレート２７０であるのが好ましい。
【００２２】
プレート２７０は、離隔部材２３０と本体２１０のボス部分３１１との間に設けられている。プレート２７０は、例えば、接合、クリンピング、スポット溶接またはレーザー溶接のような適当な結合方法により離隔部材２３０の表面２３２に固着可能である。離隔部材２３０の表面２３２を利用し、離隔部材２３０を本体２１０に螺着してプレート２７０が保持されるようにすることにより、プレート２７０を表面２３２と本体２１０のボス部分３１１との間に保持するのが好ましい。
【００２３】
プレート２７０を参照して、第１のピストン２２０に接触する側の面を滑らかにして離隔部材の第１の面２３２に対する密封表面を形成することにより、プレート２７０は、第１の流体溜め３２の圧力が第２の流体溜め３４の圧力よりも低い時は必ず流体が第１の流体溜め３２と第２の流体溜め３４との間を流れるようにする圧力感知弁として働く。即ち、流体溜め間に圧力差がある時は必ずプレート２７０の滑らかな表面が持ち上げられて流体がチャンネルまたはポケット２３８ａ、２３８ｂへ流入できるようにする。このプレートは、玉形逆止弁におけるように流体圧力とばね力の組合せではなくて、圧力差に応じて流れを阻止するシールを形成して、逆止弁を閉位置に保持するように働くことに注意されたい。圧力感知弁またはプレート２７０には、表面を貫通するオリフィス２７８ａ、２７８ｂが形成されている。このオリフィスは、例えば、正方形、円形または任意適当な形状でよい。好ましくは、このプレートには、各々の直径が約１．０ミリメートルの１２個のオリフィスが形成されている。また、各チャンネルまたはポケット２３８ａ、２３８ｂに各オリフィス２７８ａ、２７８ｂとほぼ同じ形状及び断面積の開口を設けてもよい。
【００２４】
プレート２７０は非常に小さい質量と可撓性とを有するため、流体が流入すると非常に迅速に応答して第１のピストン２２０の方へ持ち上げられ、プレートを通過していなかった流体が液圧シムの体積を増加させる。プレート２７０は、開位置において（図示せず）、プレート２７０の下方及び通路２２６内にある流体を吸引すると、球形の一部に近いものとなる。この増加した体積がシムの体積に加算されるが、その体積増加分は依然として密封表面の第１の流体溜め側にある。プレート２７０の多数の利点のうちの１つは、圧力の脈動が第１の流体溜めの液圧シムに追加される流体の体積増加分により迅速に減衰されることである。これは、噴射器の作動が非常に動的な事象であり、非作動状態、作動状態及び非作動状態間の移行により液圧シムに圧力変動を発生させる慣性力が生じるからである。液圧シムは、流体が自由に流入するが流出が制限されるため、振動を迅速に減衰させる。
【００２５】
少なくとも１つのオリフィスの貫通孔またはオリフィス２７８ａ、２７８ｂの直径は、プレート２７０が離隔部材の第１の面２３２から持ち上げられると球形の一部に似た形になるため、プレート２７０の上昇距離でなくてプレートのオリフィス実効直径として考えることができる。さらに、オリフィスの数及び各オリフィスの直径は、プレート２７０の圧力降下の決定にとって重要なプレート２７０の剛性を決定する。好ましくは、圧力降下は補償器の第１の流体溜め３２における圧力脈動に比べて小さいものでなければならない。プレート２７０が約０．１ｍｍ持ち上げられると、プレート２７０は、大きく開放した状態で第１の流体溜め３２への流れを制限しないと考えることができる。液圧シム内への流れは制限されないため、流体の有意な圧力降下が防止される。これは、有意な圧力降下が存在すると流体に溶解されたガスが表に出て泡を形成するため重要である。これは、ガスの蒸気圧が減少した流体圧を超えることによる（即ち、ある特定の種類の流体は、スポンジが水を吸収するように空気を吸収するため、流体が圧縮可能な流体のように振舞う）。泡が形成されると、小さなばねのように作用して補償器を「ソフト」または「スポンジ」のようにする。一旦泡が形成されると、これらを流体内に再び溶解させるのは困難である。補償器は、好ましくは設計により、約２乃至７バールの圧力で作動するが、液圧シムの圧力は大気圧よりも有意に低下しないと思われる。従って、流体及び補償器通路からガス抜きを行うのは、プレート２７０がない場合ほど重要ではない。好ましくは、プレート２７０の厚さは約０．１ミリメートルであり、その表面積は約８８平方ミリメートル（ｍｍ2）である。さらに、プレート２７０の可撓性を所望の値に維持するためには、各々が約０．８平方ミリメートル（ｍｍ2）の開口を有する約１２個のオリフィスより成るアレイを設けるのが好ましく、プレートの厚さは表面積の平方根を約９４で割算した値であるのが好ましい。
【００２６】
ばね２６０は、螺着された調整器１３（そして端部部材２８）に対して反作用して第２のピストン２４０を噴射器の出口の方へ押圧することができる。ばねの力により流体３６の圧力が上昇して、第２のピストン２４０の第２の表面２４２に対して作用する。最初の位置では、液圧流体３６は、ばね２６０のばね力と第２の表面２４２の第２の表面積との関数として加圧される。加圧された流体は、第１の流体溜めの圧力が第２の流体溜めの圧力よりも低い時は第１の流体溜め３２へ流入し、第２の流体溜め３４から流出する傾向がある。最初の位置のように、第１の流体溜め３２の圧力が第２の流体溜め圧力より低いと、フラッパーまたはプレート２７０は、流体３６が第１の流体溜め３２へ流入できるように動作する。第１の流体溜め３２において液圧シムを形成する流体３６は、補償器内またはその周りの温度の上昇により膨張する傾向がある。第１の流体溜め３２の流体が膨張する前に、第１の流体溜めには、第２の表面２４２及びばね２６０のばね力により、液圧シムを形成するように予荷重が与えられる。ばね２６０のばね力は、約３０ニュートン乃至約７０ニュートンであるのが好ましい。
【００２７】
積層体の方へ移動する第１のピストン２２０の力ベクトルＦout（即ち、方向及び大きさを有する）は下記のように定義される。
【００２８】
Ｆout＝（Ｆspring±Ｆseal246）＊（Ａshim32／Ａ2ndreservoir34）±Ｆseal214
上式において、
Ｆout＝圧電積層体に印加される力；
Ｆspring＝ばね力（３０乃至７０ニュートン）；
Ａshim32＝ピストン上方の面積（液圧シム流体溜め３２）；
Ａ2ndreservoir34＝第２のピストン下方の面積（流体溜め３４）；
Ｆseal246＝密封部２４６摩擦力；
Ｆseal214＝密封部２１４の摩擦力；
【００２９】
ばね２６０はコイルばねであるのが好ましい。流体溜めの圧力は各コイルばねの少なくとも１つのばね特性と関連がある。本明細書中において、少なくとも１つのばね特性は、例えば、ばね定数、ばね自由長、螺着された調整器１３による予荷重の大きさ及びばねの弾性率を含むことができる。各ばね特性は、他のばね特性との種々の組合せで変化させることにより、補償器組立体２００の所望の応答が得られるようにすることができる。
【００３０】
再び図１を参照して、燃料噴射器１０の動作時、燃料が燃料供給源（図示せず）から燃料入口２４へ供給される。燃料入口２４の所の燃料は、弁閉鎖部材４０が開位置に移動しておれば、燃料フィルター１１、通路１８、通路２０、燃料管２２を介して燃料出口６２から流出する。
【００３１】
燃料を燃料出口６２から流出させるために、長さが変化するアクチュエーター積層体１００へ電圧を印加してその積層体を膨張させる。長さが変化するアクチュエーター積層体１００が膨張すると、底部４４が弁閉鎖部材４０を押圧し、このため燃料が燃料出口６２から出る。燃料が燃料出口６２から噴射されると、長さが変化するアクチュエーター積層体１００への給電が停止されるため、ばね４８の偏倚力が弁閉鎖部材４０を復帰させて、燃料出口６２を閉じる。詳述すると、長さが変化するアクチュエーター積層体１００は、給電停止により収縮するため、弁閉鎖部材４０を底部４４に常に接触状態に保持するばね４８の偏倚力が弁閉鎖部材４０を閉位置に偏位させる。
【００３２】
エンジン動作時において、エンジン温度が上昇すると、入口取付け具１２、噴射器ハウジング１４及び弁本体１７は温度の上昇によって熱膨張するが、長さが変化するアクチュエーター積層体の熱膨張は一般的に有意でない大きさである。同時に、アクチュエーター１００が作動状態でない時、燃料管２２を流れて燃料出口６２から流出する燃料は、燃料噴射器組立体１０の内部コンポーネントを冷却するため、弁閉鎖部材４０を熱的に収縮させる。
図１を参照して、弁閉鎖部材４０が収縮すると、底部４４は弁閉鎖部材４０との接触点から離れる傾向がある。第１のピストン２２０の底面に作動的に接続された長さが変化するアクチュエーター積層体１００は、力Ｆｏｕｔで第２のピストンに作用するばね２６０による流体の加圧により最初は下方に押圧される。燃料噴射器コンポーネントの体積熱膨張率βはアクチュエーター積層体１００よりも一般的に大きいため、温度が上昇すると、入口取付け具１２、噴射器ハウジング１４及び弁本体１７は、アクチュエーター積層体１００に対して相対的に膨張する。第１のピストンのこの移動は、頂部４６によりアクチュエーター積層体１００へ伝達される。好ましい実施例において、液圧流体３６の熱膨張率βはアクチュエーター積層体の熱膨張率βよりも大きいことに注意されたい。ここでは、補償器組立体は、少なくとも、所望の膨張率βを有する液圧流体を選択し、また第１の流体溜めの流体の所定の体積を選択することにより、燃料噴射器のハウジングとアクチュエーター積層体１００の熱膨張率の差が第１の流体溜め内の液圧流体３６の膨張により補償されるように構成することができる。
【００３３】
アクチュエーター１００が作動されると、第１の流体溜め３２の圧力が急速に増加するため、プレート２７０が離隔部材の第１の面２３２に緊密に封止される。これにより、液圧流体３６の第１の液体溜めから狭い通路２３７及び通路２３６への流出が阻止される。液体は事実上非圧縮性であるため、第１の流体溜め３２の液体３６は剛性的な反作用ベース、即ち、アクチュエーター１００が反作用するシムに近似される。シムの剛性は、部分的に、流体が事実上非圧縮性であること及び流体がプレート２７０より第１の流体溜め３２から流出できないことによると考えられる。アクチュエーター積層体１００が未荷重状態で作動されると、積層体は約６０ミクロン伸張する。好ましい実施例では、この伸張量の半分（約３０ミクロン）は燃料噴射器の種々のコンポーネントにより吸収される。積層体１００の全伸張量の残りの半分（約３０ミクロン）は、閉鎖部材４０を変位させるために使用される。従って、閉鎖部材４０の変位は繰返し付勢される度に一定であると考えられ、それにより燃料噴射器の開度を一定に維持することが可能になる。
【００３４】
アクチュエーター１００が作動されない場合、流体３６は第１の流体溜めと第２の流体溜めの間を流れるが、同じ予荷重力Ｆoutが維持される。力Ｆoutは、ばね２６０、シール２１４、２４６及び各ピストンの表面積の関数である。従って、アクチュエーター積層体１００の底部４４は、燃料噴射器コンポーネントが膨張するかまたは収縮するかに拘らず、弁閉鎖端部４２の接触表面と常に接触状態に維持されると思われる。
【００３５】
補償器組立体２００を燃料噴射器用の長さが変化するアクチュエーターと共に図示したが、例えば電気歪み、磁気歪みまたはソリッドステートアクチュエーターのような長さの変化するアクチュエーターを補償器組立体２００と共用できることを理解されたい。ここでは、長さが変化するアクチュエーターは、アクチュエーターが付勢されると長さが延びる、常態では作動されないアクチュエーターを包含することができる。逆に、長さが変化するアクチュエーターは、アクチュエーターが常態では作動されるが、非作動状態にすると長さが収縮（膨張でなく）する場合にも適用可能である。さらに、補償器組立体２００及び長さが変化するアクチュエーターは燃料噴射器に関連の用途に限定されず、例示すると、スイッチ、光学的読み取り／書き込みアクチュエーターまたは医学用流体給送装置のような適度に精密なアクチュエーターを必要とする他の用途にも利用できることを強調したい。
【００３６】
本発明をある特定の好ましい実施例に関連して説明したが、図示説明した実施例に対する変形例及び設計変更は、頭書の特許請求の範囲に規定される範囲から逸脱することなく可能である。従って、本発明は図示説明した実施例に限定されず、特許請求の範囲の文言及びその均等物により規定される全幅を享受するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、長さが変化するアクチュエーター積層体及び好ましい実施例による補償器組立体を備えた燃料噴射器組立体の断面図である。
【図２】 図２は、図１の補償器組立体の拡大図である。
Claims (12)
- 縦方向軸に沿って延び、第１及び第２の端部と、第１の端部と第２の端部との間に位置する端部部材とを有するハウジングと、
縦方向軸に沿って設けられ、長さが変化するアクチュエーターと、
長さが変化するアクチュエーターに結合され、燃料噴射を許容する第１の位置と、燃料噴射を阻止する第２の位置との間で可動の閉鎖部材と、
長さが変化するアクチュエーターを温度変化に応答してハウジングに対して移動させる補償器組立体とより成り、
補償器組立体は、
第１の端部と第２の端部との間において縦方向軸に沿って延びる本体と、
本体内の第１の端部の近くに設けられた第１のピストンと、
第１のピストンに結合され、本体の内側表面と接触する第１の密封部材と、
本体内の第２の端部の近くに設けられた第２のピストンと、
第２のピストンに結合され、本体の内側表面と接触する第２の密封部材と、
第１のピストンと第２のピストンとの間に位置し、第１のピストンに対向して本体内に第１の流体溜めを画定する第１の端部、第２のピストンに対向して本体内に第２の流体溜めを画定する第２の端部、及び第１の端部と第２の端部との間で流体を連通させる流体通路を有する離隔部材と、
第１のピストンと離隔部材の第１の端部との間に設けられ、第１の流体溜めの流体圧力及び第２の流体溜めの流体圧力に応答して第１の流体溜めと第２の流体溜めとの間に圧力差がある時は第１の流体溜めと第２の流体溜めとの間で流体の流れを許容し、長さが変化するアクチュエーターの作動時は逆止弁として作用することにより第１の流体溜めから第２の流体溜めへの流体の流れを阻止する弁と、
第２のピストンを離隔部材の方へ偏倚して第２の流体溜めの流体圧力を第１の流体溜めの流体圧力に対して増加させることにより、長さが変化するアクチュエーターが作動中でない時は第２の流体溜めから第１の流体溜めへ流体が流れるようにする偏倚手段とより成り、
補償器組立体は、流体として、所定の体積及び所定の熱膨張率を有する液圧流体を選択することにより、燃料噴射器のハウジングと長さが変化するアクチュエーターとの熱膨張率の差が第１の流体溜めの液圧流体の膨張により補償されるように構成されていることを特徴とする燃料噴射器。 - 前記弁は複数のオリフィスが形成されたプレートより成り、プレートは第１の流体溜めの流体圧力の作用を受ける請求項１の燃料噴射器。
- 離隔部材は補償器組立体の本体に固定されている請求項１の燃料噴射器。
- 第１の密封部材は、第１のピストンの周面に形成された溝に設けられ本体の内側表面と接触するＯリングである請求項１の燃料噴射器。
- 第２の密封部材は、第２のピストンの周面に形成された溝に設けられ本体の内側表面と接触するＯリングである請求項１の燃料噴射器。
- 第１のピストンは流体と接触する第１の表面積を有し、第２のピストンは流体と接触する第２の表面積を有し、その結果、第１のピストンには、偏倚部材の偏倚力、第１及び第２のピストンと本体の内側表面との間の摩擦力及び第１及び第２の表面積の比率の関数である力がかかる請求項１の燃料噴射器。
- ハウジングを有する燃料噴射器の長さが変化するアクチュエーターのための液圧補償器であって、
第１の端部と第２の端部との間において縦方向軸に沿って延びる本体と、
本体内の第１の端部の近くに設けられた第１のピストンと、
第１のピストンに結合され、本体の内側表面と接触する第１の密封部材と、
本体内の第２の端部の近くに設けられた第２のピストンと、
第２のピストンに結合され、本体の内側表面と接触する第２の密封部材と、
第１のピストンと第２のピストンとの間に位置し、第１のピストンに対向して本体内に第１の流体溜めを画定する第１の端部、第２のピストンに対向して本体内に第２の流体溜めを画定する第２の端部、及び第１の端部と第２の端部との間で流体を連通させる流体通路を有する離隔部材と、
第１のピストンと離隔部材の第１の端部との間に設けられ、第１の流体溜めの流体圧力及び第２の流体溜めの流体圧力に応答して第１の流体溜めと第２の流体溜めとの間に圧力差がある時は第１の流体溜めと第２の流体溜めとの間で流体の流れを許容し、長さが変化するアクチュエーターの作動時は逆止弁として作用することにより第１の流体溜めから第２の流体溜めへの流体の流れを阻止する弁と、
第２のピストンを離隔部材の方へ偏倚して第２の流体溜めの流体圧力を第１の流体溜めの流体圧力に対して増加させることにより、長さが変化するアクチュエーターが作動中でない時は第２の流体溜めから第１の流体溜めへ流体が流れるようにする偏倚手段とより成り、
流体として、所定の体積及び所定の熱膨張率を有する液圧流体を選択することにより、燃料噴射器のハウジングと長さが変化するアクチュエーターとの熱膨張率の差が第１の流体溜めの液圧流体の膨張により補償されるように構成されていることを特徴とする液圧補償器。 - 前記弁は複数のオリフィスが形成されたプレートより成り、プレートは第１の流体溜めの流体圧力の作用を受ける請求項７の液圧補償器。
- 離隔部材は本体に固定されている請求項７の液圧補償器。
- 第１の密封部材は、第１のピストンの周面に形成された溝に設けられ本体の内側表面と接触するＯリングである請求項７の液圧補償器。
- 第２の密封部材は、第２のピストンの周面に形成された溝に設けられ本体の内側表面と接触するＯリングである請求項７の液圧補償器。
- 第１のピストンは流体と接触する第１の表面積を有し、第２のピストンは流体と接触する第２の表面積を有し、その結果、第１のピストンには、偏倚部材の偏倚力、第１及び第２のピストンと本体の内側表面との間の摩擦力及び第１及び第２の表面積の比率の関数である力がかかる請求項７の液圧補償器。
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