JP4437083B2 - 液体を制御する弁 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載された形式の、液体を制御する弁に関する。

従来の技術
ドイツ連邦共和国特許第１９９４６８３３号明細書に基づいて公知の液体を制御する弁は、弁部材を操作するために圧電ユニットを有している。弁部材は弁本体の孔内に軸方向摺動可能に配置されていて、一方の端部に弁閉鎖部材を有している。この弁閉鎖部材は、弁本体に設けられた少なくとも１つの座と共働して弁の開閉のために働き、この場合弁閉鎖部材は系圧をもつ低圧領域を高圧領域から隔てる。さらに、高圧領域の液体を取り出すことによって低圧領域の漏れ量を補償もしくはバランスするための充てん装置が設けられている。この充てん装置は、絞り孔を有する通路を備えて形成されている。絞り孔の直径は、この絞り孔を通過する高圧領域からの容積流が、規定された最小高圧時に低圧領域の漏れ量を補償するように、設計されている。

このような形式の液体を制御する弁は、組立て後に、機能検査が行われ、この機能検査の間に、噴射中において弁開放時に該弁から流出される液体量が規定される。

しかしながら、燃料噴射弁を制御するために使用されるこのような弁には、該弁が組立て後に規定された噴射量へと個々に調節することができないという欠点があり、従って、上に述べた弁では、噴射中に流出する液体量を、噴射時間を変化させずに所望のように変えることが不可能である。

発明の利点
このような従来技術における欠点を排除するために本発明の構成では、液体を制御する弁であって、弁室が設けられていて、該弁室が、アクチュエータを介して制御可能な弁閉鎖部材の位置に関連して高圧領域と接続可能であり、かつ低圧領域との接続部を有している形式のものにおいて、弁室と低圧領域との間の接続部の絞り作用が、弁室と高圧領域との間の接続部の開放時における、弁室の圧力上昇の調節を目的として、変化可能であるようにした。このように構成された本発明による液体を制御する弁には、従来技術に比べて、液体の制御が弁の組立て後にも所望のように調節可能である、という利点がある。

そしてこれによって例えば燃料噴射弁では、噴射量を組立て後に個々にかつ規定して調節すること、つまりもたらされる液体量を、噴射時間を変えずに必要に応じて増減することが可能になる。

本発明による弁の別の有利な構成は、請求項２以下に記載されている。

図面
次に図面を参照しながら、本発明による液体を制御する弁の１実施例を説明する。

図１は、内燃機関用の燃料噴射弁を制御するために設けられた、燃料を制御する弁を、部分的に断面して示す縦断面図であり、
図２は、ニードル行程の時間的な経過と、それに対応する、図１に示された弁の漏れ流出通路における時間的な圧力経過とを示す線図であり、
図３は、ニードル行程の時間的な経過に対応する噴射量の経過を、燃料噴射弁の制御時間ｔに関連して示す線図である。

実施例の記載
図１に示された実施例において本発明による弁は、自動車の内燃機関用の燃料噴射弁において使用されている。図示の構成では燃料噴射弁１は、内燃機関の燃焼室に燃料を噴射するためのコモンレール・インジェクタとして形成されている。

燃料噴射は、弁制御室１２における圧力レベルによって制御され、この弁制御室１２は、自体公知の形式で高圧領域２と接続されており、この高圧領域２は、複数の燃料噴射弁のために共通の高圧アキュムレータ（コモンレール）に接続されていて、噴射ノズルに燃料を供給する。

弁制御室１２はそのために、燃料噴射弁１のノズルニードル（図示せず）によって画成されており、このノズルニードルは、弁制御室１２における圧力レベルの低下時に、図示されていない座から持ち上がり、噴射開口を通して高圧下にある燃料の流出を可能にする。なお、座の領域には単数又は複数の噴射開口が設けられており、該噴射開口は、所定の圧力レベル時にはノズルニードルによって閉鎖されている。

噴射開始時期、噴射持続時間及び噴射量は、燃料噴射弁１において種々の力関係によって調節され、この場合弁部材３は、ピエゾアクチュエータ４として形成された圧電式のアクチュエータユニットを介して制御される。ピエゾアクチュエータ４は、弁部材３の、弁制御室１２及び燃焼室とは反対の側に配置されていて、自体公知の形式で複数のセラミック層から構成されている。

ピエゾアクチュエータ４は弁部材３に向けられた側に、アクチュエータヘッド５を備え、かつ弁部材３とは反対の側に、図示されていない形式でアクチュエータ基部を備えており、このアクチュエータ基部は弁ハウジング６の壁に支持されている。

弁部材３は第１のピストン７と第２のピストン８とから形成されていて、両ピストン７，８の間には液圧室９が形成されている。弁部材３、ピストン７，８及びピエゾアクチュエータ４は一列に配置されている。両方のピストン７，８は弁ハウジング６の長手方向孔１０内に軸方向摺動可能に配置されており、第１のピストン７はいわゆる調節ピストンとして働き、切換え弁１２の弁閉鎖部材１１を操作する第２のピストン８は、燃料噴射弁のアクチュエータ装置の操作ピストンとして働く。

液圧室９は、該液圧室９を画成する両ピストン７，８の間に、共通のバランス容積を閉じ込めていて、液圧式の圧力増幅装置として働く。この場合第２のピストン８の直径は第１のピストン７の直径よりも小さい。

液圧室９はこの場合ピストン７とピストン８との間において緊張させられていて、弁部材３の第２のピストン８は、大きな第１のピストン７がピエゾアクチュエータ４によって規定の移動距離だけ移動させられると、ピストン直径の増圧比の分だけ増大させられた行程を移動する。調節ピストン７と操作ピストン８との間における直径比に応じて、ピエゾアクチュエータ４の変位によって、弁閉鎖部材１１は移動することになる。

さらに、燃料噴射弁１における温度勾配、又は使用される材料の種々異なった温度膨張係数、並びに場合によっては生じるセット効果（Setzeffekt）に基づく誤差は、液圧室９のバランス容積によって簡単に補正することが可能であり、しかもこのバランスによって、制御される弁閉鎖部材１１のポジションが変化することはない。

弁部材３の弁制御室側の端部においては、図示の実施例では球として形成された弁閉鎖部材１１が働き、この弁閉鎖部材１１は、流出絞り２３の領域において弁ハウジング６に形成された弁座１３と共働し、弁閉鎖部材１１は弁座１３との接触時に弁室１４を、高圧領域２に接続された弁制御室１２から切り離す。

従って、弁室１４における圧力は、切換え弁１２が閉鎖されている場合には、弁制御室１２の圧力に比べて著しく低い。

弁室１４からは、漏れ流出通路１５が延びており、この漏れ流出通路１５は弁室１４と燃料噴射弁１の低圧領域１６との間を接続している。漏れ流出通路１５は絞り１７を備えており、この絞り１７は弁室１４と低圧領域１６との間における圧力バランスを絞っている。

図１に示された燃料噴射弁は以下に記載のように作動する。

燃料噴射弁１の運転時に弁制御室１２には高圧が存在しており、この高圧は、図示のコモンレール系ではレール圧とも呼ばれる。弁室１４における明らかに低い圧力レベルに基づいて、弁座１３は閉鎖されており、つまり弁閉鎖部材１１は弁座１３にシール作用をもって接触している。これによって弁室１４は高圧領域２に対して閉鎖され、かつ低圧領域１６とは、絞り１７を備えた漏れ流出通路１５を介して接続されている。

燃料噴射弁１の噴射を導入するために、弁制御室１２に通じる弁室１４の接続部が開放され、つまりピエゾアクチュエータ４が、もしくはその圧電セラミックが給電され、これによって圧電セラミックは長くなる。圧電セラミックの伸長によって、ピエゾアクチュエータ４に作用結合された第１のピストン７は軸方向において移動させられ、この第１のピストン７の軸方向移動によって、該第１のピストン７と第２のピストン８との直径比に相応して液圧室９から伝達される、第２のピストン８の軸方向移動が生ぜしめられる。第２のピストン８のこの軸方向移動により、弁閉鎖部材１１は弁座１３から持ち上げられる。

弁閉鎖部材１１が持ち上げられると、弁制御室１２の圧力は流出絞り２３を通って弁室１４に向かって弛緩し、これによって弁ニードルはその座から持ち上がり、ひいては燃料噴射弁が開放される。

同時に、弁室１４の圧力及び漏れ流出通路１５における圧力が上昇し、この場合漏れ流出通路１５に存在する液柱が加速される。液柱の慣性に基づいて漏れ流出通路１５においては圧力が上昇し、この圧力上昇は、絞り１７の絞り作用によっても影響される。

制御時間ｔに関連した、ニードル行程と絞り１７の前における漏れ流出通路１５における圧力ｐ １と燃料噴射弁１の噴射量との間の関係は、図２及び図３において、ニードル行程ｎ ｈと絞り１７の前における漏れ流出通路１５における圧力ｐ １と噴射量Ｑとの時間的な経過によって示されている。

図２及び図３において、漏れ流出通路１５における圧力ｐ １及び噴射量Ｑの実線で示された経過は、高い絞り作用をもって絞られた場合に生じる経過を示している。これに対して漏れ流出通路１５における圧力ｐ １及び噴射量Ｑの破線で示された経過は、比較的低い絞り作用をもって絞られた場合に生じる経過を、制御時間ｔに関連して示している。

２図においては、漏れ流出通路１５における圧力ｐ １の経過の上に、ニードル行程ｎ ｈの経過が、燃料噴射弁１の制御時間ｔに関連して示されている。ニードル行程ｎ ｈの経過は２つの振れを有しており、そのうちの第１の小さな振れ１８は、燃料噴射弁１の第１の開放を示し、第２の振れ１９は、燃料噴射弁１の第２の開放を示している。ニードル行程ｎ ｈの経過には、漏れ流出通路１５における圧力ｐ １の経過が対応しており、この漏れ流出通路１５における圧力ｐ １の経過もまた同様に２つのプラス方向における振れ２０，２１を有していて、これらの振れ２０，２１は、ニードル行程ｎ ｈの経過における振れ１８，１９に対して時間的にずらされて生じる。

この場合に重要なことは、圧力ｐ １の経過の第１の振れ２０が圧力ｐ １の経過の第２の振れ２１よりも大きいことである。これは、次の事実に基づくものである。すなわちこの場合、漏れ流出通路１５における圧力ｐ １の上昇の高さは、特に漏れ流出通路１５におけるオイル対抗圧に関連しており、第１の噴射時における漏れ流出通路１５における液柱は、弁室１４における圧力上昇によって加速される液柱の慣性に基づいて、時間的にその後で行われる次の噴射における場合に比べて、強く抗するように作用する。

さらに圧力上昇は、漏れ流出通路１５の制御量、流過横断面及び、弁室１４における開口領域と絞り１７との間における漏れ流出通路１５の長さにも関連している。

制御量というのは、ここでは、座からの弁閉鎖部材１１の上昇時に弁制御室１２から弁室１４に、次いで漏れ流出通路１５を介して低圧領域１６に流出する燃料量のことを意味している。

付加的に、圧力上昇と絞り１７の絞り作用との間には次のような関係、すなわちそれぞれ実線と破線とで示された漏れ流出通路１５の圧力ｐ １の経過によって簡単に示された関係が存在している。図２においては破線によって、絞り１７の絞り作用の低下によって小さな圧力上昇が示されており、この小さな圧力上昇は、内燃機関の燃焼室への前噴射を示す第１の噴射時と主噴射を示す第２の噴射時とにおいて現れる。

上において述べたように、噴射量Ｑの経過は同様に、漏れ流出通路１５の圧力ｐ １の経過とひいてはニードル行程ｎ ｈの経過とも対応している。さらに噴射量Ｑはまた絞り１７の絞り作用とも関連している。それというのは、噴射量Ｑは絞り１７の絞り作用の低下時には、絞り作用が増大された絞りの使用時におけるよりも、小さいからである。

このことは、図３において噴射量Ｑの２つの経過Ｑ １，Ｑ ２によって示されており、この場合破線Ｑ ２は、漏れ流出通路１５において絞り作用の小さな絞りを使用した場合における噴射量Ｑの経過を示し、実線Ｑ １は、漏れ流出通路１５において絞り作用の大きな絞りによって生ぜしめられる噴射量Ｑの経過を、燃料噴射弁１の制御時間ｔに関連して示している。

燃料噴射弁１もしくは漏れ流出通路１５に配置される絞りは、図示の実施例では調節ねじとして構成されており、図示はされていないが、この調節ねじは、該調節ねじの端部が漏れ流出通路１５の流過横断面に作用するように、燃料噴射弁の弁ハウジング６にねじ込まれている。このように構成された絞り１７を用いることによって、燃料噴射弁１の組立て後に燃料噴射弁１の噴射量Ｑを、漏れ流出通路１５の流過横断面への調節ねじの係合深さの調節によって、ひいては絞り１７の絞り作用の変化によって、場合によっては燃料噴射弁１の機能検査中に、規定して後調節することが可能になり、その結果燃料噴射弁１の噴射量Ｑを所望の噴射量に対応させることができる。

択一的に、絞りは、後から取付け可能な検査絞りであってもよく、このようにすると、漏れ流出通路１５の、もしくは弁室１４と低圧領域１６との接続部の、流過横断面もしくは絞り作用が変化可能である。この実施例において「検査絞り」というのは、それぞれ異なった絞り率を有する規格化された部材を意味している。従って機能検査中に、規定の制御時間における燃料噴射弁１の噴射量Ｑの正確な調節が達成されるまで、種々異なった規定の絞り率を備えた複数の検査絞りを漏れ流出通路１５の、検査絞りのために設けられた領域に、挿入することが可能である。

漏れ流出通路１５における堰き止められた圧力もしくは漏れ流出通路１５における圧力上昇によって、同様に弁室１４においても圧力が上昇する。弁室１４と液圧室９との間における圧力バランスによって、液圧式の圧力増幅装置つまり液圧室９の特性が変化させられ、これによって燃料噴射弁１の噴射タイミングつまり噴射特性がシフトされる。すなわち漏れ流出通路１５の圧力は、ほぼ弁室１４の圧力に相当しており、この圧力はさらに間隙室２２を介して液圧室９に作用し、これによって弁閉鎖部材１１の開放時期が漏れ流出通路１５における圧力に関連して変化する。間隙室２２は弁ハウジング６と弁部材３の第２のピストン８とによって形成され、この場合間隙室２２は次のように、すなわち弁室１４と液圧室９との間において高い絞り作用が存在し、かつ短時間の圧力変動が液圧室９に対して影響を与えないように、構成されている。

本発明による弁は、図示及び記載の実施例に制限されるものではなく、例えば弁室と低圧領域との間の接続部の長さ、つまり弁室における漏れ流出通路の開口領域と漏れ流出通路の絞りとの間の長さが変化可能であるような構成も可能である。このことは、有利には、検査絞りもしくは交換絞りを用いた噴射量の調節時に、絞り横断面を変化させるのみならず、種々異なった検査絞り又はその他の適宜な手段の使用による接続部の長さを変化させることによって、行うことができる。

内燃機関用の燃料噴射弁を制御するために設けられた、燃料を制御する弁を、部分的に断面して示す縦断面図である。 ニードル行程の時間的な経過と、それに対応する、図１に示された弁の漏れ流出通路における時間的な圧力経過とを示す線図である。 ニードル行程の時間的な経過に対応する噴射量の経過を、燃料噴射弁の制御時間ｔに関連して示す線図である。

Claims (3)

1. 液体を制御する弁（１）であって、弁室（１４）が設けられていて、該弁室（１４）が、アクチュエータを介して制御可能な弁閉鎖部材（１１）の位置に関連して高圧領域（２）と接続可能であり、かつ低圧領域（１６）との接続部（１５）を有している形式のものにおいて、弁室（１４）と低圧領域（１６）との間の接続部（１５）の絞り作用が、弁室（１４）と高圧領域（１２）との間の接続部の開放時における、弁室（１４）の圧力上昇（２０，２１）の調節を目的として、変化可能であり、弁室（１４）と低圧領域（１６）との間の接続部（１５）の絞り作用が、該接続部（１５）に組み込まれていて可変の絞り横断面をもって形成された絞り（１７）によって、変化可能であり、アクチュエータの液圧式の圧力増幅装置（９）が、弁室（１４）における圧力（ｐ １）に関連して圧力増幅装置（９）の作用形式が変化するように、弁室（１４）と液圧的に接続されていることを特徴とする、液体を制御する弁。
2. 弁室と低圧領域との間の接続部の流過横断面が、規定された絞り作用を有する各１つの絞りを接続部に挿入することによって、可変である、請求項１記載の弁。
3. 弁室と低圧領域との間の接続部の長さが変化可能である、請求項１又は２記載の弁。

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