JP4358853B2 - 弁装置、特に内燃機関に用いられる燃料噴射弁 - Google Patents

Description

背景技術
本発明は、弁装置、特に内燃機関に用いられる燃料噴射弁であって、弁エレメントが設けられており、該弁エレメントの切換位置が、少なくとも間接的にピエゾアクチュエータの切換状態に関連しており、該ピエゾアクチュエータが、管状でかつ全体的に円筒状のプリロード装置によって負荷されており、該プリロード装置が、プレート状の素材から製造されていて、互いに突き合わされた少なくとも２つの長手方向縁部を有している形式のものに関する。

冒頭で述べた形式の弁装置は市場により知られている。このような弁装置は、燃料直接噴射型の内燃機関における燃料噴射弁で使用される。このような燃料噴射弁は燃料集合管路（「レール」）に接続されており、この燃料集合管路内には燃料が高い圧力下に準備される。このような燃料噴射弁は、当該燃料噴射弁にそれぞれ対応する燃焼室内へ燃料を直接に噴射する。噴射を実施し得るようにするためには、ピエゾアクチュエータが操作される。このピエゾアクチュエータは燃料噴射弁の弁エレメントの切換位置に直接に影響を与えるか、または二次弁を制御する。この二次弁を用いて、燃料噴射弁のハイドロリック式の制御室内の圧力に影響を与えることができる。このハイドロリック式の制御室内の圧力が弁エレメントの切換位置に影響を与える。

ピエゾアクチュエータの使用は、冒頭で述べた形式の弁装置においては、ピエゾアクチュエータの極めて短い切換時間に基づいて有利であることが判っている。この短い切換時間は燃焼室内への所望の燃料の極めて精密な導入を可能にする。しかし、ピエゾアクチュエータは機械的に極めて敏感である。起動制御によりレリーズされる長さ変化時にピエゾアクチュエータが自己損傷するか、あるいはそれどころか自己破壊してしまうことを阻止するために、ピエゾアクチュエータは最初から押圧力で負荷される。このことは一般に中空筒状ばね（Rohrfeder）によって行われる。この中空筒状ばねは、「ブランク」とも呼ばれるプレート状の素材から製造される。最終状態で互いに突き合わされた長手方向縁部は互いに溶接され得る。しかし、このことは手間がかかり、高価であり、そしてこのような溶接結合の寿命は制限されている。したがって、プレート状の素材の長手方向縁部が互いに突き合わされるが、しかし力が伝達され得るようには両長手方向縁部が互いに結合されていないような中空筒状ばねが使用されると有利である。

本発明の課題は、冒頭で述べた形式の弁装置を改良して、できるだけ長い寿命を有するような弁装置を提供することである。

この課題は、冒頭で述べた形式の弁装置において、プリロード装置が、隣接した範囲の長手方向剛性とは異なる長手方向剛性を有する少なくとも１つの範囲を有しており、しかも該範囲は互いに突き合わされた長手方向縁部に対して相対的に、互いに突き合わされた長手方向縁部の範囲における変えられた長手方向剛性に基づいて生ぜしめられた、ピエゾアクチュエータに作用する曲げモーメントが減じられるように配置されていることにより解決される。

発明の利点
本発明によれば、プレート状の素材の長手方向縁部が互いに突き合わされる個所では、管状のプリロード装置の長手方向剛性が、隣接した範囲の長手方向剛性とは異なることが認識された。このことは、中空筒状ばねが、負荷を受けているピエゾアクチュエータをピエゾアクチュエータの全周にわたって不均一な力で負荷することを招く。こうしてピエゾアクチュエータには曲げモーメントが導入され、このことは不都合な場合ではピエゾアクチュエータの損傷またはそれどころか破壊をもたらす危険がある。

本発明による弁装置では、ピエゾアクチュエータへのこのような曲げモーメントの導入が著しく減じられるか、または完全に排除される。このことは、まずプリロード装置が、隣接した範囲の長手方向剛性とは異なる長手方向剛性を有する付加的な範囲を有することにより行われる。しかもこの場合、この付加的な範囲の長手方向剛性は隣接した範囲の長手方向剛性に対して、互いに突き合わされた長手方向縁部の範囲における長手方向剛性と中空筒状ばねの隣接した区分の長手方向剛性との剛性差と同程度に異なっていると有利である。変えられたこの付加的な範囲は、この範囲により生ぜしめられた曲げモーメントが、互いに突き合わされた長手方向縁部により生ぜしめられる曲げモーメントを少なくとも部分的に補償する、つまり相殺するように配置される。

こうして、互いに突き合わされた長手方向縁部の範囲における中空筒状ばねの、必然的に変えられた長手方向剛性にもかかわらず、ピエゾアクチュエータには曲げモーメントなしのプリロードまたは少なくとも曲げモーメントの少ないプリロードが加えられるようになる。このことはピエゾアクチュエータの寿命および弁装置全体の寿命にとって最適である。

本発明の有利な構成は請求項２以下に記載されている。

まず、互いに突き合わされた長手方向縁部は、力が伝達され得るようには結合されておらず、プリロード装置が、互いに突き合わされた長手方向縁部に半径方向で見て少なくともほぼ向かい合って位置しかつ全体的にプリロード装置の長手方向に延びる切欠きもしくは長孔を有していることが提案される。力が伝達され得るように（kraftschluessig）両長手方向縁部が結合されていない場合、この突合わせ部は、中空筒状ばねの長手方向剛性が減じられている「弱点個所」を意味する。本発明によれば、前記切欠きにより、前記弱点個所に向かい合って位置する付加的な弱点個所が提供され、この付加的な弱点個所が、突合わせ部の範囲に生ぜしめられる曲げモーメントを補償もしくは相殺する。このような装置は廉価である。なぜならば、このような中空筒状ばねは簡単に製造され得るからである。

さらに、プリロード装置の互いに突き合わされた長手方向縁部の、軸方向で見た長さが、プリロード装置の長手方向延在長さよりも小さく形成されていることが提案される。このことはつまり、互いに突き合わされた長手方向縁部の範囲にも切欠きが設けられていることを意味する。このことはこの範囲におけるプリロード装置の軸方向剛性を、半径方向で向かい合って位置する範囲における軸方向剛性に適合させる。これにより、プリロード装置の中心軸線に関するプリロード装置の軸方向の縁部に沿った力経過の対称性が再度改善される。

この場合、プリロード装置の長手方向縁部が、プリロード装置の軸方向の両方の縁部の範囲でのみ、つまり両方の縁部の近傍でのみ、互いに突き合わされていることが可能である。このことは組立てを容易にし、かつピエゾアクチュエータに対するプリロード装置の均一なコンタクト面および相応する対応面に対するプリロード装置の均一なコンタクト面を生ぜしめると同時に、負荷を受けたプリロード装置の縁部の望ましくないずれを阻止する。

しかし、プリロード装置の長手方向縁部が、プリロード装置の軸方向の一方の縁部の範囲でのみ、つまり一方の縁部の近傍でのみ、互いに突き合わされていることも可能である。このことは本発明によるプリロード装置の製造を簡単にする。

さらにこれに対して択一的に、プリロード装置の長手方向縁部が、プリロード装置の軸方向の中央部の範囲でのみ互いに突き合わされていることも考えられる。このことも製作技術的に容易に実現可能であって、しかもプリロード装置の軸方向で対称的な構成を可能にする。

本発明による燃料噴射装置の特に有利な構成では、プリロード装置の互いに突き合わされた長手方向縁部が、プリロード装置の長手方向で少なくとも１つの切欠きによって仕切られており、該切欠きが、位置および／またはジオメトリ、つまり幾何学的形状に関して、半径方向で向かい合って位置する前記切欠きに対して類似しているか、または同一である。これにより、プリロード装置の中心軸線に関してプリロード装置の縁部に沿った力経過のほぼ完全な対称性が提供されるので、ピエゾアクチュエータには実質的に曲げモーメントは全く導入されなくなる。

本発明による燃料噴射装置のさらに別の有利な構成では、プリロード装置の、前記長手方向縁部が互いに突き合わされている軸方向の範囲の高さでのみ、プリロード装置の表面にわたって分配されて配置された開口が設けられていない。このような開口は時々、「ボーン」とも呼ばれる。なぜならば、開口の形状がしばしばボーン（骨）の形状に相当しているからである。このような開口は、表面の波形成が生じることなしに管状のプリロード装置の軸方向変形を可能にする。本発明による手段により、たしかにこのような開口が存在してはいるが、しかしそれにもかかわらずプリロード装置の中心軸線に対して十分に対称的な構成が可能となるようなプリロード装置が提供される。これにより、弁装置の運転時では、プリロード装置からピエゾアクチュエータへ、無視し得る程度の僅かな曲げモーメントしか導入されないか、あるいは曲げモーメントが全く導入されなくなる。

プリロード装置に設けられた１つまたは複数の前記切欠きが、プレート状の素材から打抜き加工されていることにより、本発明による弁装置の特に廉価な製造が達成される。

図面
以下に、本発明の特に有利な実施例を図面につき詳しく説明する。

図１は、プリロード装置によって負荷されるピエゾアクチュエータを備えた切換弁を有する燃料噴射弁を概略的に示す図であり；
図２は、図１に示したプリロード装置の第１実施例を示す斜視図であり；
図３は、図２に示したプリロード装置の展開図であり；
図４は、第２実施例を示す、図２と同様の図であり；
図５は、図４に示した第２実施例を示す、図３と同様の図であり；
図６は、第３実施例を示す、図２と同様の図であり；
図７は、図６に示した第３実施例を示す、図３と同様の図である。

実施例の説明
図１には、燃料噴射弁全体が符号１０で示されている。この燃料噴射弁１０を用いて燃料が内燃機関の燃焼室（図示しない）内へ直接に噴射される。このためには、燃料噴射弁１０が燃料流出開口１２を有している。燃料噴射弁１０の内部には、図１では見えていない弁エレメントが設けられている。この弁エレメントによって燃料流出開口１２を高圧接続部１４に接続するか、または高圧接続部１４から遮断することができる。燃料噴射弁１０の高圧接続部１４は、一般には「レール」とも呼ばれる燃料集合管路（図示しない）に接続されている。

燃料噴射弁１０の弁エレメントの切換位置は液圧的もしくはハイドロリック的に調節される。このためには、切換弁１６を介して制御室（図示しない）を低圧接続部１８に接続するか、または低圧接続部１８から遮断することができる。このような「行程制御」される燃料噴射弁１０の機能原理は、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１２２２５６号明細書から知ることができる。

切換弁１６はピエゾアクチュエータ２０を有している。ピエゾアクチュエータ２０は電気的な制御装置２２に接続されている。この制御装置２２によってピエゾアクチュエータ２０に電圧を印加することができるので、ピエゾアクチュエータ２０の負荷状態が変化する。これにより、ピエゾアクチュエータ２０は伸長するか、または再び収縮し、これにより切換弁１６は閉じられた一方の切換位置２４に位置するか、または開かれた他方の切換位置２６に位置するようになる。

ピエゾアクチュエータ２０は機械的に極めて敏感である。ピエゾアクチュエータ２０が迅速な長さ変化時に損傷されないようにするためには、ピエゾアクチュエータ２０が一定の押圧力で負荷される。このためには、ピエゾアクチュエータ２０と定位置の対応面２８との間に、管状でかつ全体的に円筒状のプリロード装置３０が緊締される。次に、図２および図３につき、このようなプリロード装置３０の第１実施例を詳しく説明する：
図２から判るように、プリロード装置３０は全体的に円筒状の中空筒状ばねである。この中空筒状ばねは周面３２と、図２で見て上側の縁部３４と、図２で見て下側の縁部３６とを有している。以下においても使用される「上側」および「下側」という表現は、常に図面に関するものである。もちろん、実際にはプリロード装置３０を別の姿勢で組み込むこともできる。

プリロード装置３０の上側の縁部３４は対応面２８に接触しており、下側の縁部３６はピエゾアクチュエータ２０に接触している。特に図３に示した展開図から判るように、プリロード装置３０はプレート状の素材３８から製造されている。このプレート状の素材３８には、まず周面３２全体にわたって分配されて配置された複数の開口４０が打抜き加工される。これらの開口４０は軸方向で見て互いにずらされて配置されている。図２および図３には、図面を簡単にするためにこれらの開口４０のうちの幾つかしか図示されていないが、実際には周面３２全体にわたってこれらの開口４０が分配されて配置されている。開口４０は円形、卵形または楕円形の形状を有していてよいが、しかし開口４０は、図３の下側に符号４０ｂで示したような「ボーン」の形に形成されていてもよい。

プレート状の素材３８は、図３で見て左側の縁部４２と右側の縁部４４とを有している。両縁部４２，４４には、切欠き４６ａもしくは切欠き４６ｂが打抜き加工される（破線参照）。切欠き４６ａ，４６ｂは図３で見て下側の縁部３６から小さな間隔を置いた地点から出発して上方へ向かって延び、そして上側の縁部３４から小さな間隔を置いた地点で成端している。したがって、上側の縁部３４の範囲には、側方に突出したウェブ４８ａ；４８ｂが、下側の縁部３６の範囲には、同じく側方に突出したウェブ５０ａ；５０ｂがそれぞれ残っている。側方の２つの縁部４２，４４の間の真ん中には、スリット状の切欠き５２が打抜き加工されている。この切欠き５２は両切欠き４６ａ，４６ｂと同じ高さを有していて、かつ両切欠き４６ａ，４６ｂのそれぞれの幅の２倍の幅を有している。

次いで、プレート状の素材３８は丸められるか、または曲げられる。この場合、プレート状の素材３８は、側方に突出したウェブ４８ａ，４８ｂもしくはウェブ５０ａ，５０ｂがそれぞれ突合わせ部５３で互いに接触するまで丸められるか、または曲げられる。その結果、図２に示した中空筒状ばね３０が得られる。それぞれウェブ４８ａ，４８ｂおよびウェブ５０ａ，５０ｂと両切欠き４６ａ，４６ｂとの間に形成された１つの切欠きは、全体的には切欠き５２と同じ高さおよび幅を有している。互いに突き合わされたウェブ４８ａ，４８ｂ；５０ａ，５０ｂは互いに溶接されるのではなく、力が伝達され得るように互いに結合されることなしに互いに突き合わされる。突合わせ部５３の全長ｌは中空筒状ばね３０の長さＬよりもはるかに小さい（図３参照）。

ウェブ４８ａ，４８ｂ；５０ａ，５０ｂの間の突合わせ部５３の範囲では、長手方向５４における中空筒状ばね３０の剛性が隣接した周面３２に比べて弱化されている。相応して、この個所では、長手方向５４で中空筒状ばね３０からピエゾアクチュエータ２０へ付与可能となる押圧力の著しい低下が生ぜしめられる。長手方向５４で作用する押圧力の経過は図２に一点鎖線５６により示されている。しかし切欠き４６に半径方向で正確に向かい合って位置するように同一の切欠き５２が設けられていることにより、この範囲においても、隣接した範囲に比べて押圧力５６が相応して低下している。したがって、押圧力経過５６は全体的には中空筒状ばね３０の長手方向５４に対してほぼ対称的となるので、長手方向５４に対して直交する横方向に延びる軸線５８を中心にして加えられる曲げモーメントＭは極めて小さくなる。したがって、中空筒状ばね３０によってピエゾアクチュエータ２０には極めて小さな曲げモーメントＭしか加えられず、このことはピエゾアクチュエータ２０の寿命にとって好都合となる。

図４および図５には、中空筒状ばね３０の変化実施例が示されている。既に図２および図３につき説明したエレメントおよび範囲と同じ機能を有しているエレメントおよび範囲については、図２および図３の場合と同じ符号を使用する。これらのエレメントおよび範囲については、詳しい説明を省略する。また、図面を見易くするという理由から、全ての符号が書き込まれているとは限らない。

図４および図５に示した中空筒状ばね３０と、図２および図３に示した中空筒状ばね３０との大きな相違点は、図４および図５に示した中空筒状ばね３０では上側の縁部３４の範囲に側方に突出したウェブが設けられていないという事実にある。また、切欠き５２もこの場合には上側の縁部３４にまで延びている。これにより、中空筒状ばね３０の突合わせ部５３の範囲における剛性と、半径方向で向かい合って位置する範囲における剛性との間の差は再度減じられる。したがって、合成曲げモーメントＭは再度減少する。

図６および図７には、中空筒状ばね３０のさらに別の変化実施例が示されている。この場合にも、既に上記実施例に関連して説明したエレメントおよび範囲と同じ機能を有しているエレメントおよび範囲については、上記実施例の場合と同じ符号を使用し、これらのエレメントおよび範囲については詳しい説明を省略する。

図６および図７に示した中空筒状ばね３０では、側方に突出したウェブ５０ａ，５０ｂがプレート状の素材３８の軸方向の中央部に、ひいては中空筒状ばね３０の軸方向の中央部に配置されている。したがって、ウェブ５０ａ，５０ｂの上方には、上側の切欠き４６ａｏ，４６ｂｏが設けられており、ウェブ５０ａ，５０ｂの下方には、切欠き４６ａｕ，４６ｂｕが設けられている。真ん中の切欠き５２も２つに分割されていて、下側の縁部３６から延びる切欠き５２ｕと、上側の縁部３４から延びる切欠き５２ｏとを有している。

図７には、１／２高さに位置する範囲６０が斜線により示されている。この範囲６０は軸方向で見て正確に、側方に突出したウェブ５０ａ，５０ｂと同じ高さを有しており、この高さは真ん中の切欠き５２ｏ，５２ｕの間の間隔に相当している。この範囲に開口４０は設けられていない。これにより、周方向における中空筒状ばね３０の剛性の再度の均一化が得られる。

上で説明した実施例では、中空筒状ばね３０が、半径方向で向かい合って位置する２つの切欠き４６，５２を有している。しかし原則的には、互いに突き合わされた長手方向縁部４２，４４により形成される曲げモーメントが減じられるように中空筒状ばねの全周にわたって切欠きが分配されて配置されている限り、いかなる任意の数の切欠きも考えられる。

プリロード装置によって負荷されるピエゾアクチュエータを備えた切換弁を有する燃料噴射弁を概略的に示す図である。 図１に示したプリロード装置の第１実施例を示す斜視図である。 図２に示したプリロード装置の展開図である。 第２実施例を示す、図２と同様の図である。 図４に示した第２実施例を示す、図３と同様の図である。 第３実施例を示す、図２と同様の図である。 図６に示した第３実施例を示す、図３と同様の図である。

Claims (7)

1. 内燃機関に用いられる燃料噴射装置（１０）であって、弁エレメントが設けられており、該弁エレメントの切換位置が、少なくとも間接的にピエゾアクチュエータ（２０）の切換状態に関連しており、該ピエゾアクチュエータ（２０）が、管状でかつ全体的に円筒状のプリロード装置（３０）によって負荷されており、該プリロード装置（３０）が、プレート状の素材（３８）から製造されていて、第１の範囲で互いに突き合わされた少なくとも２つの長手方向縁部（４２，４４）を有しており、これによりこの第１の範囲ではプリロード装置（３０）の長手方向剛性が変えられている形式のものにおいて、プリロード装置（３０）が、隣接した範囲（３２）の長手方向剛性とは異なる長手方向剛性を有する少なくとも１つの第２の範囲（５２）を有しており、しかも該第２の範囲（５２）は、互いに突き合わされた長手方向縁部（４２，４４）の第１の範囲における変えられた長手方向剛性に基づいて生ぜしめられた、ピエゾアクチュエータ（２０）に作用する曲げモーメント（Ｍ）が減じられるように、第１の範囲の互いに突き合わされた長手方向縁部（４２，４４）に対して相対的に配置されており、互いに突き合わされた長手方向縁部（４２，４４）は、力が伝達され得るようには結合されておらず、プリロード装置（３０）が、第２の範囲として、互いに突き合わされた長手方向縁部（４２，４４）に半径方向で見て少なくともほぼ向かい合って位置しかつ全体的にプリロード装置（３０）の長手方向（５４）に延びる切欠き（５２）を有しており、プリロード装置（３０）の互いに突き合わされた長手方向縁部（４２，４４）の、軸方向で見た長さ（ｌ）が、プリロード装置（３０）の全長手方向延在長さ（Ｌ）よりも小さく形成されていることを特徴とする、内燃機関に用いられる燃料噴射装置。
2. プリロード装置（３０）の長手方向縁部（４２，４４）が、プリロード装置（３０）の軸方向の両方の縁部（３４，３６）の範囲でのみ互いに突き合わされている、請求項１記載の燃料噴射装置。
3. プリロード装置（３０）の長手方向縁部（４２，４４）が、プリロード装置（３０）の軸方向の一方の縁部（３６）の範囲でのみ互いに突き合わされている、請求項１記載の燃料噴射装置。
4. プリロード装置（３０）の長手方向縁部（４２，４４）が、プリロード装置（３０）の軸方向の中央部の範囲でのみ互いに突き合わされている、請求項１記載の燃料噴射装置。
5. プリロード装置（３０）の互いに突き合わされた長手方向縁部（４２，４４）が、プリロード装置（３０）の長手方向（５４）で少なくとも１つの切欠き（４６）によって仕切られており、該切欠き（４６）が、位置および／またはジオメトリに関して、半径方向で向かい合って位置する前記切欠き（５２）に対して類似しているか、または同一である、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料噴射装置。
6. プリロード装置（３０）の、前記長手方向縁部（４２，４４）が互いに突き合わされている軸方向の範囲（６０）の高さでのみ、プリロード装置（３０）の表面（３２）にわたって分配されて配置された開口（４０）が設けられていない、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃料噴射装置。
7. プリロード装置（３０）に設けられた１つまたは複数の前記切欠き（４６，５２）が、プレート状の素材（３８）から打抜き加工されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃料噴射装置。

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