JP2003510504A - 液体を制御する弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、液体を制御する弁（１）であって、弁体（９）の孔（８）内を軸方向シフト可能な弁部材（２）を操作する圧電式ユニット（３）が設けられている。この場合孔（８）の一方の端部に、シールエレメント（２５）によって制限された弁系圧室（１８）が隣接し、孔（８）の他方の端部に、漏れ排出通路（１７）を有する弁低圧室（１６）が隣接しており、該弁低圧室（１６）は、圧力制限機構（２０，２３′）と充填装置（２３，２３′）とを有する補償通路（１９）を介して、弁系圧室（１８）と接続されている。弁部材（２）には弁閉鎖部材（１３）が配属されていて、該弁閉鎖部材（１３）は、弁（１）を開閉するために弁低圧室（１６）内に配置された少なくとも２つの弁座（１４，１５）と共働して、該弁閉鎖部材（１３）が、閉鎖位置では弁低圧室（１６）を高圧下にある弁制御室（１２）から切り離し、両弁座（１４，１５）の間の中間位置では弁低圧室（１６）を弁制御室（１２）と流れ接続するようになっており、液圧的な対抗力を短時間生ぜしめる少なくとも１つの緩衝機構（２０，２３′，２４）が、弁部材（２）の調節運動を緩衝するために設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 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。

【０００２】 ドイツ連邦共和国特許第１９７３２８０２号明細書に開示された、燃料高圧源
を備えた内燃機関用の燃料噴射装置は、２つの弁座を有しており、両弁座は、圧
電式駆動装置による操作時に順番に閉鎖体のシール面と共働し、この場合閉鎖体
は最初は第１の弁座における閉鎖位置を占めており、次いで両弁座の間における
中間位置にもたらされ、これによって次に再び第２の弁座における閉鎖位置へと
達することができる。

【０００３】 このようにして、閉鎖体が一方の弁座から他方の弁座へ移動することによって
、弁制御室を短時間放圧することが可能になり、この弁制御室の圧力レベルを介
して、力補償されて形成された燃料噴射装置における弁ニードルの開放位置もし
くは閉鎖位置が規定され、ひいては燃料噴射が制御される。燃料噴射はこの場合
、閉鎖体が両弁座の間の中間位置を占めている間に、可能である。このようにし
て燃料噴射は圧電式駆動装置のただ１つの励磁によって実現される。

【０００４】 燃料噴射中における閉鎖体の時間のかかる運動方向逆転は必要ないので、公知
の燃料噴射装置の制御時における損失時間は比較的わずかで有利である。

【０００５】 しかしながら、閉鎖体を両弁座の間の中間位置にもたらしたい場合に、閉鎖体
の過剰振動が生じてしまう。閉鎖体が第１の弁座又は第２の弁座に向かって極め
て大きく振動するやいなや、これによって噴射量の調量時における不正確さが生
じるという欠点がある。

【０００６】 弁座の間における閉鎖体の中間位置をばね力を用いて安定させることが可能で
あるが、しかしながらこのことには、圧電式駆動装置をばね力に抗して第２の弁
座における閉鎖位置に移動させねばならないという欠点がある。したがってこの
場合圧電式駆動装置を相応に大きく寸法設定する必要があり、これによって噴射
装置の製造コスト及び構造寸法に対して不都合な影響が与えられる。

【０００７】 ゆえに本発明の課題は、上に述べたような欠点、特に弁閉鎖部材の中間位置に
おける過剰振動を回避することができる、液体を制御する弁を提供することであ
る。

【０００８】 発明の利点 請求項１の特徴部に記載のように構成された、本発明による液体を制御する弁
には次のような利点がある。すなわち本発明による弁では、弁部材の調節運動は
緩衝機構を用いて、弁部材が両弁座の間における中間位置において安定させられ
るように、緩衝される。したがって本発明による弁によって、液体特に燃料の高
周波数の噴射をも正確に行うことができ、しかもこの場合不都合な中間位置への
弁閉鎖部材の過剰振動によって噴射量の変動が生じることはない。

【０００９】 本発明による弁では緩衝機構によって液圧力が生ぜしめられ、この液圧力は、
弁閉鎖部材の運動方向に対して短時間作用し、該弁閉鎖部材を制動して相応に両
弁座の間の中間位置に保つ。そしてこれによって弁閉鎖部材はその安定的な中央
位置を、過剰振動の発生なしに得ることができる。

【００１０】 本発明の別の大きな利点としては次のことが挙げられる。すなわち本発明によ
る弁では、緩衝機構によって生ぜしめられる液圧的な対抗力は短時間しか作用し
ないので、圧電式ユニットは弁閉鎖部材を緩衝力に抗することなく、第２の弁座
に向かって閉鎖位置に移動させることができる。したがって圧電式ユニットは相
応に小さく寸法設定可能であり、ひいては製造コストも減じられる。

【００１１】 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２つの実施例を詳
説する。

【００１２】 図１は、内燃機関用の燃料噴射弁における本発明の第１実施例を示す縦断面図
であり、 図２は、中空に穿孔された漏れピンを備えた燃料噴射弁における本発明の第２
実施例を示す縦断面図であり、 図３は、間隙圧及び間隙幅とピン長さとの関係を示す、漏れピンに関する線図
である。

【００１３】 実施例の記載 図１に示された第１実施例は、自動車の内燃機関用の燃料噴射弁１において使
用された本発明による弁を示す。燃料噴射弁１は図示の実施例ではコモンレール
インジェクタとして形成されており、この場合燃料噴射は、高圧供給部と接続さ
れた弁制御室１２内における圧力レベルによって、制御される。

【００１４】 燃料噴射弁１における力関係によって噴射開始、噴射時間及び噴射量を調節す
るために、弁部材２は、圧電式アクチュエータ３として形成された圧電式ユニッ
トを介して制御され、この圧電式ユニットは弁部材２の、弁制御室及び燃焼室と
は反対の側に配置されている。

【００１５】 圧電式アクチュエータ３は複数の層から構成されていて、弁部材２に向けられ
た側にアクチュエータヘッド４を有し、かつ弁部材とは反対の側にアクチュエー
タ基部５を有しており、このアクチュエータ基部５は壁２６に支持されている。
アクチュエータヘッド４には支持部６を介して弁部材２の調節ピストン７が接触
しており、この調節ピストン７はその直径を段付けされて構成されている。

【００１６】 弁部材２は、弁体９の長手方向孔として形成された孔８内において軸方向シフ
ト可能に配置されていて、調節ピストン７の他に、弁閉鎖部材１３を操作する操
作ピストン１０を有しており、この場合調節ピストン７と操作ピストン１０とは
液圧式の伝達装置もしくは変換装置を用いて互いに連結されている。

【００１７】 この液圧式の伝達装置もしくは変換装置は、圧電式アクチュエータ３の変位を
伝達もしくは変換する液圧室１１として形成されている。液圧室１１は、該液圧
室１１を制限するピストン７，１０の間に１つの共通の補償容積を閉じ込めてお
り、両ピストンのうちの操作ピストン１０は小さな直径を備えて形成され、かつ
調節ピストン７は大きな直径をもって形成されている。

【００１８】 液圧室１１は、調節ピストン７と操作ピストン１０との間において緊張させら
れており、この場合弁部材２の操作ピストン１０は、大きな調節ピストン７が圧
電式アクチュエータ３によって規定の運動距離だけ移動させられた場合に、ピス
トン直径の伝達比だけ増大させられた行程を移動するようになっている。弁部材
２、調節ピストン７、操作ピストン１０及び圧電式アクチュエータ３はこの場合
共通の軸線上に相前後して位置している。液圧室１１の充填装置は図１には示さ
れていない。

【００１９】 液圧室１１の補償容積を介して、構成部材における温度勾配に基づく誤差又は
、使用される材料の種々異なる熱膨張係数に基づく誤差、並びに場合によっては
生じるセッティング効果（Setzeffekt）を補償することができ、しかもこれによ
って、制御される弁閉鎖部材１３のポジションを変化させることはない。

【００２０】 弁部材２の弁室側端部には、球状の弁閉鎖部材１３が設けられている。この弁
閉鎖部材１３は、弁体９に形成された弁座１４，１５と共働し、この場合下側の
弁座１５にはばね２７が配属されており、このばね２７は弁閉鎖部材１３を弁制
御室１２の放圧時に上側の弁座１４に保持する。

【００２１】 弁座１４，１５は、弁体９によって形成された弁低圧室１６内に形成されてお
り、この弁低圧室１６は漏れ排出通路１７と接続され、かつ弁系圧室１８に通じ
る補償通路１９と接続されている。漏れ排出通路１７は、絞り２０として形成さ
れた緩衝機構を有している。さらに弁低圧室１６は、下側の弁座１５によって形
成された接続部を有しており、この接続部は、図１において単に略示された弁制
御室１２と、補償通路１９に開放する充填通路２１とに通じている。

【００２２】 弁制御室１２内には、可動の弁制御ピストン（図示せず）が配置されている。
弁制御室１２内における弁制御ピストンの軸方向運動によって、燃料噴射弁１の
噴射ノズルが自体公知の形式で制御される。弁制御室１２には通常の形式で噴射
導管も開口しており、この噴射導管は噴射ノズルに燃料を供給する。噴射導管は
、複数の燃料噴射弁に対して共通の高圧アキュムレータ（コモンレール）と接続
されている。高圧アキュムレータにはこの場合自体公知の形式で、燃料高圧フィ
ードポンプによって高圧燃料が貯えタンクから供給される。

【００２３】 弁系圧室１８に通じる補償通路１９は、弁低圧室側に、弁系圧室１８内におけ
る系圧を調整するばね負荷された過圧弁２２を有しており、絞りとして形成され
た緩衝機構を備えている。充填通路２１は補償通路１９と、充填を調整する漏れ
ピン（Leckagestift）２３を介して接続されており、この漏れピン２３は孔内に
プレス嵌めされていて、所定の漏れを可能にする。漏れピン２３は簡単な形式で
小さな流れ横断面を実現可能にするが、しかしながらそれとは異なりもちろん、
精密孔（Praezisionsbohrung）が充填装置として働くことも可能である。

【００２４】 極めて有利な構成では、漏れピン２３の材料が、弁体９の材料よりも大きな熱
膨張係数を有していて、温度上昇時に、漏れピン２３の周囲を流れる容積流の、
粘性に基づく増大が、強く制限されるようになっており、最適な材料を選択する
ことによって、温度変化時にもほぼ一定の容積流を得ることができる。

【００２５】 弁系圧室１８は、孔８の圧電式アクチュエータ側の端部に接続しており、一方
では弁体９によって、かつ他方では、弁部材２の調節ピストン７及び弁体９に結
合されたシールエレメント２５によって制限されている。シールエレメントはベ
ローズ状のダイヤフラム２５によって形成されており、圧電式アクチュエータ３
が弁系圧室１８内に内蔵された燃料と接触することを、阻止している。もちろん
エールエレメントは別の構成において波形管又はこれに類したものとして形成さ
れていてもよい。

【００２６】 図１に示された燃料噴射弁１は以下に記載のように働く。

【００２７】 燃料噴射弁１の閉鎖された状態つまり圧電式アクチュエータ３への給電が行わ
れていない場合に、弁閉鎖部材１３は、該弁閉鎖部材１３に対応配置された上側
の弁座１４との接触状態に保たれ、その結果燃料はアキュムレータ室に接続され
た燃料制御室１２から第２の弁低圧室１６に達せず、漏れ排出通路１７を通って
逃げることができる。

【００２８】 液圧式のばねのばね力は、液圧室１１内に入り込む調節ピストン７の直径の増
大に連れて比例的に高まるので、圧電式アクチュエータ３の予負荷力（Vorspann
kraft）は調節ピストン７の直径を介して調節することができ、この場合可能な
限り大きなピストン直径が有利である。そして専門家は個々の事例に合った値を
選択することができる。

【００２９】 圧電式アクチュエータ３又はその他の弁構成部材例えば弁部材２又は弁体３の
、温度に基づく長さ変化時に生じるような、ゆっくりとした操作の場合に、調節
ピストン７は温度上昇と共に液圧室１１の補償容積内に侵入し、温度降下時には
そこから戻され、この際にこれによって弁部材２及び燃料噴射弁１の開閉位置に
対して全体として何ら影響が与えられることはない。

【００３０】 燃料噴射弁１による噴射を行う場合には、圧電式アクチュエータ３が給電され
、これによって圧電式アクチュエータ３は急激に軸方向において伸びる。圧電式
アクチュエータ３のこのような迅速な操作時に、圧電式アクチュエータ３は壁２
６に支持され、これによって弁部材２の弁閉鎖部材１３を備えた操作ピストン１
０はその上側の弁座１４から、両弁座１４，１５の間の中間位置に移動する。弁
部材２の調節運動によって、可動のダイヤフラム２５に基づいて弁系圧室１８の
容積は減じられ、これによって弁系圧室１８内における系圧は相応に高められる
。この圧力上昇は過圧弁２５によって直ちに消滅させられることはない。それと
いうのは絞り２４は系圧を短時間堰き止めるからである。これによって液圧によ
る対抗圧が、弁部材２の調節運動に抗するようにダイヤフラム２２に対して作用
する。そしてこれにより調節運動が相応に緩衝され、その結果弁閉鎖部材１３は
両弁１４，１５の間の中央位置において安定させられる。

【００３１】 過圧弁２５による系圧の消滅後に、弁閉鎖部材１３は下側の弁座１５における
閉鎖位置へと移動させられることができ、これによって燃料はもはや弁制御室１
２から弁低圧室１６へと流入できなくなる。そしてこの時に燃料噴射が終了する
。

【００３２】 次いで圧電式アクチュエータ３への給電が中断されると、弁部材は再び両弁座
１４，１５の間の中央位置へと移動し、燃料噴射が行われる。下側の弁座１５を
通って燃料は弁低圧室１６内に流入することができる。漏れ排出通路１７に配置
された絞り２０によって圧力が直ちに消滅することはない。弁低圧室１６内にお
ける短時間の圧力上昇は、液圧による対抗力を生ぜしめ、この対抗力は弁部材２
の調節運動を制動し、この場合弁閉鎖部材１３は両弁座１４，１５の間の中央位
置において安定させられ、再び燃料噴射が実現される。漏れ排出通路１７による
弁低圧室１６内における圧力消滅後に、弁閉鎖部材１３は上側の弁座１４に向か
って閉鎖位置に移動する。これによって、圧電式ユニットの各制御（給電又は給
電終了）によって燃料噴射が可能になる。

【００３３】 図２には、燃料噴射弁１の第２実施例が示されており、この第２実施例におけ
る燃料噴射弁において、分かりやすくするために、同じ機能を有する部材には図
１におけると同じ符号が付けられている。

【００３４】 図１に示された構成とは異なり、図２に示された燃料噴射弁１では、補償通路
１９内に配置された絞り２４の代わりに、少なくとも部分的に中空に穿孔された
漏れピン２３′が弁制御室を満たすために設けられている。この漏れピン２３′
は絞り領域ａと漏れ領域ｂとを有している。漏れピン２３′が配置されている孔
は、リング溝２８を有しており、このリング溝２８は過圧弁２２と接続されてい
る。第１実施例における絞り２４の代わりにここでは間隙絞りが設けられており
、その結果燃料噴射弁の緩衝機構の効率は変化しない。もちろん漏れピン２３′
の別の構造的な構成も可能である。さらにまた第２実施例では、漏れ排出通路１
７内に配置された絞りを省くことができる。

【００３５】 漏れピン２３′のための材料選択に関してここでは次のようになっていてもよ
い。すなわちこの場合、温度上昇時に容積流の、粘性に基づく増大を制限するた
めに、漏れピン２３′の材料は、弁体９の材料に比べて著しく大きな熱膨張係数
を有していることができる。

【００３６】 もちろん、絞り２０，２４もしくは漏れピン２３′として形成された緩衝機構
は、本発明による弁において択一的に又は互いに並べて使用することが可能であ
る。複数の緩衝機構を並べて使用すると、弁の作業形式をさらに安定化させるこ
とができる。

【００３７】 図３に示された線図では、一方では間隙幅ｓ（ｘ）及び間隙圧ｐ（ｘ）と漏れ
ピン２３′の間隙高さもしくは間隙長さｘとの関係が示されている。圧力降下は
漏れピン２３′と該漏れピン２３′を取り囲む孔との間の間隙において、孔と該
孔内にプレス嵌めされた漏れピン２３′とは円筒形に形成されている場合、直線
的に生じ、この場合最大圧力は漏れピン２３′における内圧ｐ＿０に相当し、か
つ間隙内における最小圧は最大の間隙幅ｓ＿０において生じる。

【００３８】 図３の真ん中の線図から分かるように、中空に穿孔された漏れピン２３′にお
ける内圧ｐ＿０はピン長さｘにわたって一定である。

【００３９】 上に述べた２つのことによって、中空に穿孔された漏れピン２３′の壁は拡開
され、漏れはわずかになるもしくはゆっくりと上昇する。この場合、比較的低い
コモンレール圧では、弁系圧領域の十分な充填が保証されており、それに対して
高いコモンレール圧では漏れは確実に制限される。

【００４０】 上に述べた実施例において、液圧室１１を充填するための液圧媒体は、内燃機
関の燃焼室内にも噴射される燃料である。燃料供給と、液圧室１１から流出する
液圧媒体の排出と、漏れ損失の補充とが適宜に分離されている場合には、例えば
エンジンオイルのような別のオイルを液圧媒体として使用することも可能である
。

【図面の簡単な説明】

【図１】 内燃機関用の燃料噴射弁における本発明の第１実施例を示す縦断面図である。

【図２】 中空に穿孔された漏れピンを備えた燃料噴射弁における本発明の第２実施例を
示す縦断面図である。

【図３】 間隙圧及び間隙幅とピン長さとの関係を示す、漏れピンに関する線図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｍ 61/16 Ｆ０２Ｍ 61/16 Ｋ 61/20 61/20 Ｎ Ｆ１６Ｋ 31/02 Ｆ１６Ｋ 31/02 Ａ 51/02 51/02 Ｚ Ｆターム(参考） 3G066 AA07 AB02 AC09 AD12 BA12 BA19 BA44 BA51 BA61 BA67 CC06T CC08T CC08U CC64T CC64U CC66 CC67 CC68T CC68U CC69 CC70 CD10 CE13 CE27 DA01 3H062 AA02 AA12 BB10 BB33 CC05 DD11 EE06 EE10 HH03 HH10 3H066 AA01 BA11 【要約の続き】 （２）の調節運動を緩衝するために設けられている。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体を制御する弁であって、弁体（９）の孔（８）内を軸方
   向シフト可能な弁部材（２）を操作する圧電式ユニット（３）が設けられており
   、該弁部材（２）が、圧電式ユニット（３）の長さ誤差を補償するための誤差補
   償エレメントとして形成された液圧式の伝達装置もしくは変換装置（１１）を有
   しており、孔（８）の一方の端部に、シールエレメント（２５）によって制限さ
   れた弁系圧室（１８）が隣接し、孔（８）の他方の端部に、漏れ排出通路（１７
   ）を有する弁低圧室（１６）が隣接しており、該弁低圧室（１６）が、圧力制限
   機構（２０，２３′）と充填装置（２３，２３′）とを有する補償通路（１９）
   を介して、弁系圧室（１８）と接続されており、弁部材（２）に弁閉鎖部材（１
   ３）が配属されていて、該弁閉鎖部材（１３）が、弁（１）を開閉するために弁
   低圧室（１６）内に配置された少なくとも２つの弁座（１４，１５）と共働して
   、該弁閉鎖部材（１３）が、閉鎖位置では弁低圧室（１６）を高圧下にある弁制
   御室（１２）から切り離し、両弁座（１４，１５）の間の中間位置では弁低圧室
   （１６）を弁制御室（１２）と流れ接続するようになっており、液圧的な対抗力
   を短時間生ぜしめる少なくとも１つの緩衝機構（２０，２３′，２４）が、弁部
   材（２）の調節運動を緩衝するために設けられていることを特徴とする、液体を
   制御する弁。
2. 【請求項２】 少なくとも１つの第１の緩衝機構（２３′，２４）が補償通
   路（１９）内に配置されている、請求項１記載の弁。
3. 【請求項３】 少なくとも１つの第２の緩衝機構（２０）が漏れ排出通路（
   １７）内に配置されている、請求項１又は２記載の弁。
4. 【請求項４】 緩衝機構が絞り（２０，２４）である、請求項１から３まで
   のいずれか１項記載の弁。
5. 【請求項５】 第１の緩衝機構が、弁系圧室（１８）を充填するための、絞
   り領域（ａ）と漏れ領域（ｂ）とを備えた漏れピン（２３′）である、請求項２
   から４までのいずれか１項記載の弁。
6. 【請求項６】 漏れピン（２３′）が部分的に中空に穿孔されている、請求
   項５記載の弁。
7. 【請求項７】 圧力制限機構が、弁系圧室（１８）内における系圧を調節す
   るための、ばね負荷された過圧弁（２２）である、請求項１から６までのいずれ
   か１項記載の弁。
8. 【請求項８】 充填装置が漏れピン（２３，２３′）を備えて形成されてお
   り、該漏れピン（２３，２３′）を用いて弁制御室（１２）が弁系圧室（１８）
   と流れ接続可能である、請求項１から７までのいずれか１項記載の弁。
9. 【請求項９】 漏れピン（２３，２３′）の材料が弁体（９）の材料よりも
   大きな熱膨張係数を有していて、温度上昇時に、漏れピン（２３，２３′）の周
   囲を流れる容積流の、粘性に基づく増大が少なくとも部分的に制限されるように
   なっている、請求項８記載の弁。
10. 【請求項１０】 弁系圧室（１８）を制限するシールエレメントが、ベロー
    ズ状のダイヤフラム（２５）として形成されており、該ダイヤフラム（２５）が
    弁部材（２）及び弁体（９）と結合されていて、圧電式ユニット（３）が、制御
    される液体との接触を防止されている、請求項１から９までのいずれか１項記載
    の弁。
11. 【請求項１１】 弁が、内燃機関用の燃料噴射弁、特にコモンレールインジ
    ェクタ（１）の構成部材として使用される、請求項１から１０までのいずれか１
    項記載の弁。