(57)【要約】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）は、圧電式あるい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）とを有しており、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。アクチュエータ（３）内にかつ／または操作経路内に測定エレメント（１３）が設けられており、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。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、アクチュエータ（３）内にかつ／または操作経路内に測定エレメント（１３）が設けられており、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。
【請求項２】
前記操作経路が、アクチュエータ（３）に作用結合している操作体（７）と、弁閉鎖体（１１）に作用結合している弁ニードル（８）とを含んでいる、請求項１記載の燃料噴射弁。
【請求項３】
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２記載の燃料噴射弁。
【請求項４】
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から３までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
【請求項５】
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４までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
【請求項６】
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５記載の燃料噴射弁。
【請求項７】
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６までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
【請求項８】
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６までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
【請求項９】
測定エレメント（１３）が操作体（７）内に組み込まれている、請求項２または３記載の燃料噴射弁。
【請求項１０】
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４記載の燃料噴射弁。
【請求項１１】
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１０記載の燃料噴射弁。
【請求項１２】
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４、１０または１１記載の燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
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。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【国際調査報告】
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