JP4272996B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents
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Description
背景技術
本発明は請求項1の上位概念部に記載された形式の燃料噴射弁に関する。
【0002】
例えば、ドイツ連邦共和国特許出願公開第19849203号明細書から公知の、内燃機関の燃料噴射装置のための燃料噴射弁は、弁座体と共にシール座を成すように協働する弁閉鎖体と、弁閉鎖体を操作するための圧電式のアクチュエータとを有している。圧電式のアクチュエータは、圧電層と単数または複数の温度補償層とを有している。温度補償層は、その正負の符号が圧電層の温度膨張係数とは逆の温度膨張係数を有している。
【0003】
さらに、ドイツ連邦共和国特許出願公開第19918976号明細書から公知の、内燃機関の燃料噴射装置のための燃料噴射弁は、第1の圧電式または磁歪式のアクチュエータと、第1のアクチュエータにより弁ニードルを用いて操作可能な、弁座面と共にシール座を成すように協働する弁閉鎖体と、第2の圧電式または磁歪式のアクチュエータとを有しており、この第2のアクチュエータは第1のアクチュエータに対抗する形で弁ニードルに作用する。この場合、これらのアクチュエータは燃料噴射弁の長手方向で相前後して配置されており、かつ燃料噴射弁内で定置に支承されている支承エレメントにより互いに結合されている。
【0004】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第19849203号明細書から公知の燃料噴射弁の欠点は、温度補償がアクチュエータ内の特別な層によって行われ、これらの温度補償層の材料が逆向きの温度膨張を有していることである。このことは特に迅速な動的なプロセス時に問題になる。それというのは、種々の材料が、異なる温度膨張係数に基づいて異なる挙動を生ぜしめるからである。さらに、温度補償層を備えた特別なアクチュエータが開発されなければならない。
【0005】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第19918976号明細書から公知の燃料噴射弁の欠点は、軸方向でずらしてアクチュエータを配置することによって生じる大きな構成長さであって、この構成長さはさらに、支承プレートの支承によって生じる、燃料噴射弁の拡幅を伴う。
【0006】
発明の利点
これに対し、請求項1の特徴部に記載された特徴を備えた本発明による燃料噴射弁は以下のような利点を有している。すなわち、従来慣用の積層型アクチュエータ、あるいは補償エレメントを含む複数の別個の領域を備えたアクチュエータが測定装置および調整装置により起動制御可能であって、それにより、温度に基づくアクチュエータの長さ変化のための遊び補償が簡単かつ安価な形式で、高価なインバー材料を使用することなしに可能であるようになっている。
【0007】
この場合、開放アクチュエータおよび補償アクチュエータの別個の起動制御が、異なる速度で行われ得ることも有利であり、したがって、燃料噴射弁の動的な挙動が損なわれることはなく、温度補償はしかしながらゆっくりと行うことができる。
【0008】
請求項2以下に記載された手段により、請求項1に記載された燃料噴射弁の有利な変化形が可能である。
【0009】
有利には、測定エレメントはアクチュエータの任意の箇所で、力伝達経路で見て補償ギャップの手前に配置されていることができる。その際、測定エレメントへの予備荷重もしくはプリストレスは、測定エレメントをアクチュエータケーシング内に共通に締め込むことにより得られる。
【0010】
さらに、測定エレメントをアクチュエータ外に、例えば操作エレメント内に組み込んで配置することも可能であることは有利である。
【0011】
実施例の説明
以下に図面を参照しながら本発明の実施例について詳説する。
【0012】
図1Aには、著しく概略化された断面図示で、本発明による燃料噴射弁1の重要な構成部分の縦断面図が示されている。燃料噴射弁1は、混合気圧縮・火花点火式の内燃機関のための燃料噴射弁1として形成されている。これは特に、燃料を内燃機関の燃焼室内に直接に噴射するのに適している。
【0013】
燃料噴射弁1はハウジング2を有しており、ハウジング2内には圧電式のアクチュエータもしくはピエゾアクチュエータ3が配置されている。その際、圧電式のアクチュエータ3は例えば、複数の互いに結合された圧電素子の層14もしくはスタックから構成されていることができる。アクチュエータ3はアクチュエータケーシング4内でカプセル状に包囲されていて、かつアクチュエータ3とアクチュエータケーシング4との間で緊縮された予備荷重ばね5により予備荷重もしくはプリストレスがかけられる。アクチュエータ3のカプセル化はアクチュエータ3を、燃料による化学的な損傷に対して保護するために必要である。その一方で、既にアクチュエータケーシング4内で前組み立てされたアクチュエータ3は、より簡単に組み立てることができ、かつ付加的に、取り付けの際の機械的な負荷による損傷に対して保護されている。
【0014】
アクチュエータ3は下流側の端部6で、プランジャ形に形成された操作体7に支持されている。操作体7の下流側には弁ニードル8が配置されており、弁ニードル8は補償ギャップ9を介して、操作体7から間隔を置いて位置している。弁ニードル8はその下流側の端部10に弁閉鎖体11を有しており、弁閉鎖体11は、燃料噴射弁1のハウジング2に形成された弁座面12と共にシール座を形成している。実施例に示した燃料噴射弁は、外方に向かって開く燃料噴射弁1である。
【0015】
弁ニードル8は補償ギャップ9の下流側で2つのガイドエレメント18,20によりガイドされている。アクチュエータ3の非通電時に弁ニードル8を戻すために戻しばね19が働いており、戻しばね19は、弁ニードルガイド20と、力が伝達される(kraftschluessig)ように弁ニードル8に結合されているディスク21との間で緊縮されている。
【0016】
本発明により、燃料噴射弁1は測定エレメント13を有しており、測定エレメント13は、操作体7と弁ニードル8とを含む操作経路内の任意の箇所で、アクチュエータ3と弁閉鎖体11との間に配置されている。この第1の実施例では、測定エレメント13は、アクチュエータケーシング4の端面14と、アクチュエータ3の供給側の端部15との間に配置されている。しかし、測定エレメント13は、図1Bに示されているように、アクチュエータ3の下流側の端部6と操作体7との間に配置されていてもよく、その場合、予備荷重ばね5は測定エレメント13に支持される。
【0017】
測定エレメント13は択一的に、同じく図1Bに示されているように、操作体7内に統合されていてもよい。さらに、アクチュエータ3は種々異なる形式でカプセル状に包囲されて、予備荷重がかけられていてもよい。これにより、測定エレメント13は力伝達経路内で種々異なる箇所に配置されていることができる。測定エレメント13が補償ギャップ9よりも供給側に配置されていることさえ保証されていればよい。
【0018】
操作体7と弁ニードル8との間に形成された補償ギャップ9の幅を制御して、それにより、熱的な効果に基づくアクチュエータ3の長さ変化による燃料噴射弁1の意図せざる開弁期が回避され、かつ弁ニードル8の一定の開弁ストロークが達成され得るようにするために、本発明により、測定エレメント13が設けられている。この場合、測定エレメント13は、アクチュエータ3により及ぼされる力を測定する。詳細に図示していない調整回路もしくは閉ループ制御回路によって、アクチュエータ電圧並びに補償アクチュエータ16の電圧は、アクチュエータ3の動的な性質を損なうことなしに信頼性の高い遊び補償が行われるように調整されることができる。
【0019】
図2Aおよび図2Bには、可能なアクチュエータ3のための2つの実施例が示されている。その際、図2Aには、個々の圧電素子の層14から成る積層型アクチュエータ3が示されている。この場合、層14の内の単数または複数の層が補償層として構想されてもよいし、もしくはこれらの層全体が補償アクチュエータとして構想されてもよくて、積層型アクチュエータ3に統合されていることができる。積層型アクチュエータ3内の任意の箇所に測定エレメント13が配置されている。測定電圧UMがアクチュエータ3の片側で取り出されるので、圧力が測定されることができる。測定エレメント13の他方の側にはアクチュエータ電圧UAが印加されている。
【0020】
図2Bに示されているように、補償アクチュエータ16は例えば別個の補償アクチュエータ16の形で設計されていてもよい。この場合、アクチュエータ3はその全体を、開放アクチュエータ17と、補償アクチュエータ16と、測定エレメント13とから構成されている。各部分は別個に起動制御可能である。この場合、同じ電位にある導線、例えばアース導線は簡略化のために一緒にされていてもよい。
【0021】
図3Aおよび3Bには、アクチュエータ3によって及ぼされ、かつ測定エレメント13によって測定される力Fが示されている。
【0022】
図3Aには、図2Aに示した積層型アクチュエータ3の、開放方向で働くする層14全体から成るか、または図2Bに示した一体的な補償アクチュエータ16から成る開放アクチュエータ17の単独の力FAが時間tの関数として表示されている。圧電式のアクチュエータ3の高い動力学的能力、すなわち応答性により、はぼ長方形の力経過を表すことが可能で、この力経過は開放時間tiにわたって延びている。この場合、遊び補償は可能でない。
【0023】
図3Bには、開放アクチュエータ17および補償アクチュエータ16の組み合わされた作用が表示されている。
【0024】
この場合、2つの噴射サイクル間に補償アクチュエータ16に小さな励起電圧が供給され、この励起電圧により補償アクチュエータ16は、補償ギャップ9が閉じられているようになるまで伸張する。測定エレメント13は、閉じられた補償ギャップ9を、測定エレメント13上に作用する圧力の上昇により検出する。遊び補償は、圧力が弁ニードル8を操作するにはまだ充分でない時点で完了する。温度に基づく長さ変化を補償するに当たって、遊び補償は燃料噴射弁1の開放過程よりも緩慢に行われる。
【0025】
燃料噴射弁1が、開放アクチュエータ17を操作することにより操作されると、補償ギャップ9は閉じられており、開放アクチュエータ17の運動が即座に操作エレメント7を介して弁ニードル8に伝達される。補償アクチュエータ16のための励起電圧は燃料噴射弁1の開弁の期間中維持されてもよいし、弁ニードル8の緩衝のために遮断されてもよい。
【0026】
燃料噴射弁1の閉弁時に、両方の励起電圧が遮断されるので、すべてのアクチュエータ領域は次の噴射サイクルのためにその休止状態へと戻る。
【0027】
択一的に、補償アクチュエータ16は全噴射サイクルの間も電圧が印加された状態下に保たれてもよい。遊び補償はこれにより連続的に行うことができ、補償アクチュエータの電荷消失(Ladungsverlust)は再充電により補償され得る。噴射休止時に測定エレメント13は、補償アクチュエータの許容し得る最大力を超過してしまわないかどうかを、燃料噴射弁1の意図せざる開放を阻止するためにコントロールする。この場合、補償アクチュエータ16は連続的にあるいは段階的に放電されることができるし、あるいは完全に電圧源から遮断されることができる。この場合、調整回路の相応するアルゴリズムは、燃料噴射弁1の温度、温度変化、内燃機関の負荷状態、並びに先行する噴射サイクルから習得された値を考慮する。
【0028】
本発明は図示の実施例に限定されるものではなく、かつ例えば磁歪式のアクチュエータ3に対して、測定エレメント13の任意の構造形態に対して、並びに燃料噴射弁1の任意の構造形式に対しても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1A】 本発明により構成された燃料噴射弁の第1の実施例の著しく概略的な断面図である。
【図1B】 本発明により構成された燃料噴射弁の第2の実施例の著しく概略的な断面図である。
【図2A】 本発明による燃料噴射弁の積層型アクチュエータの概略図である。
【図2B】 本発明による燃料噴射弁の、別個の起動制御領域を備えたアクチュエータの概略図である。
【図3A】 補償アクチュエータを有さない場合の、アクチュエータ内で作用する力の時間的な経過を概略的に示す図である。
【図3B】 補償アクチュエータを備えた場合の、アクチュエータ内で作用する力の時間的な経過を概略的に示す図である。
Claims (10)
- 燃料を内燃機関の燃焼室内に直接に噴射するための燃料噴射弁(1)であって、圧電式または磁歪式のアクチュエータ(3)と、アクチュエータ(3)により操作可能な弁閉鎖体(11)とが設けられており、該弁閉鎖体(11)が弁座面(12)と共にシール座を成すように協働するようになっており、アクチュエータ(3)と弁閉鎖体(11)との間の操作経路内に補償ギャップ(9)が存在している形式のものにおいて、
操作経路が、弁ニードル(8)と、プランジャ形に形成された操作体(7)とを含んでおり、アクチュエータ(3)が下流側の端部(6)で操作体(7)に支持されており、該操作体(7)の下流側には、下流側の端部(10)に弁閉鎖体(11)を備える弁ニードル(8)が配置されており、該弁ニードル(8)が補償ギャップ(9)を介して操作体(7)から間隔を置いており、かつ
操作体(7)内に測定エレメント(13)が統合されており、該測定エレメント(13)が、アクチュエータ(3)により弁閉鎖体(11)に及ぼされる力を測定し、かつアクチュエータ(3)が、補償ギャップ(9)を閉じた状態に保つように調整されることを特徴とする燃料噴射弁。 - 補償ギャップ(9)が操作体(7)と弁ニードル(8)との間に形成されている、請求項1記載の燃料噴射弁。
- アクチュエータ(3)が開放アクチュエータ(17)と補償アクチュエータ(16)とを有している、請求項1または2記載の燃料噴射弁。
- アクチュエータ(3)がアクチュエータケーシング(4)内でカプセル状に包囲されている、請求項1から3までのいずれか1項記載の燃料噴射弁。
- アクチュエータ(3)が予備荷重ばね(5)によりアクチュエータケーシング(4)内で予備荷重を加えられて保持される、請求項4記載の燃料噴射弁。
- 測定エレメント(13)がアクチュエータケーシング(4)内に配置されている、請求項1から5までのいずれか1項記載の燃料噴射弁。
- 測定エレメント(13)が任意にアクチュエータケーシング(4)外で力伝達経路内に配置されている、請求項1から5までのいずれか1項記載の燃料噴射弁。
- 開放アクチュエータ(17)および補償アクチュエータ(16)が、圧電素子または磁歪素子の個々の層(14)から成っており、かつ1つの共通の積層型アクチュエータを形成している、請求項3記載の燃料噴射弁。
- 測定エレメント(13)が積層型アクチュエータの単数または複数の層(14)を含んでいる、請求項8記載の燃料噴射弁。
- 補償アクチュエータ(16)と開放アクチュエータ(17)とが、圧電式または磁歪式のアクチュエータ(3)の別個の領域を形成している、請求項3、8または9記載の燃料噴射弁。
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