(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射弁（１）であって、閉弁方向に弁ニードル（７）に作用する圧電式又は磁歪式の第１作動子（１４）と、該第１作動子（１４）により弁ニードル（７）を介して作動可能であって弁座面（６）と協働して封止座を形成する弁閉鎖体（８）と、前記第１作動子（１４）とは逆向きに開弁方向に前記弁ニードル（７）に対して作用する圧電式又は磁歪式の第２作動子（１５）とが設けられている形式のものにおいて、
一方の作動子（１４，１５）が支承エレメント（１１）の一方の側に配置されていて、他方の作動子（１５，１４）が支承エレメント（１１）の他方の側に配置されていて、両作動子（１４，１５）が、支承エレメント（１１）によって互いに結合されており、該支承エレメント（１１）が、燃料噴射弁（１）内に不動に支承されており、前記支承エレメント（１１）が、燃料を通すための少なくとも１つの孔（２１）を有していることを特徴とする、燃料噴射弁。
【請求項２】
支承エレメント（１１）が、弁ケーシング（２）内に形成された凸設部（１２）に当接している、請求項１記載の燃料噴射弁。
【請求項３】
支承エレメント（１１）が、弁ケーシング（２）内に形成された凸設部（１２）に、弾性変形可能な対応受けエレメント（１３）を介して当接している、請求項２記載の燃料噴射弁。
【請求項４】
少なくとも一方の作動子（１４，１５）が、支承エレメント（１１）によって予荷重をかけて負荷されており、これによって作動子（１４，１５）の不作動時には弁ニードル（７）が、前記予荷重により付与された力によって、封止座に対して閉弁位置に保持されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
【請求項５】
支承エレメント（１１）が螺合エレメント（１０）を介して弁ケーシング（２）内に固定されており、しかも前記螺合エレメント（１０）の緊締モーメントによって、少なくとも一方の作動子（１４，１５）に対して作用する予荷重が調整される、請求項４記載の燃料噴射弁。
【請求項６】
両作動子（１４，１５）が、１つの細長い作動子ハウジング（１６，１７，１８）内に配置されており、該作動子ハウジング（１６，１７，１８）が、該作動子ハウジング（１６，１７，１８）の側面に配置されていて該作動子ハウジング（１６，１７，１８）の長手方向に細長く形成された少なくとも１つの切欠部（１９，２０）を有し、該切欠部を支承エレメント（１１）が貫通して延びており、しかも該支承エレメント（１１）が前記切欠部（１９，２０）内で作動子ハウジング（１６，１７，１８）の長手方向に、作動子ハウジング（１６，１７，１８）に対して相対的に可動である、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃料噴射弁。
【請求項７】
作動子ハウジング（１６，１７，１８）が、入口寄りのハウジングプレート（１８）と封止座寄りのハウジングプレート（１７）と、細長く形成された切欠部（１９，２０）を有する管状ハウジング壁（１６）とから成っており、しかも少なくとも一方の作動子（１４）が、少なくとも一方のハウジングプレート（１７）を介して弁ニードル（７）に対して作用している、請求項６記載の燃料噴射弁。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１項記載の燃料噴射弁を作動する方法において、次の方法上の段階、すなわち：
ａ）第１作動子（１４）を第１作動電圧（Ｕ２ ）で負荷することによって封止座を閉鎖する段階と、
ｂ）前記の第１作動子（１４）の第１作動電圧（Ｕ２ ）を低減することによって、かつ／又は第２作動子（１４）を第２作動電圧（Ｕ１ ）で負荷することによって、前記封止座を開放する段階
を特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃料噴射弁を作動する方法。
【請求項９】
第２作動子（１５）の第２作動電圧（Ｕ１ ）の遮断時に封止座を閉鎖する、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
第２作動子（１５）の第２作動電圧（Ｕ１ ）の遮断時に第１作動子（１４）の第１作動電圧（Ｕ２ ）を遮断することによって、封止座を第１開放横断面積まで開放し、かつ、第１作動子（１４）の第１作動電圧（Ｕ２ ）の遮断時に第２作動子（１５）を第２作動電圧（Ｕ１ ）で負荷することによって、封止座を第２開放横断面積まで開放し、しかも該第２開放横断面積が前記第１開放横断面積よりも大である、請求項８又は９記載の方法。
【請求項１１】
前記第２開放横断面積が前記第１開放横断面積の２倍の大きさである、請求項１０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
背景技術
本発明は、請求項１に発明の上位概念として規定した形式の燃料噴射弁及び、請求項１０に発明の上位概念として規定した形式の燃料噴射弁を作動する方法に関する。
【０００２】
弁座面と協働して封止座を形成する弁閉鎖体を作動子から弁ニードルを介して作動する形式の、内燃機関の燃料噴射装置用の燃料噴射弁は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５ ３８ ７９１号明細書に基づいて公知になっている。
【０００３】
圧電式作動子を使用する場合の問題点は基本的に、該圧電式作動子の温度膨張にある。圧電材料は、例えば鋼又はプラスチックのような慣用の材料とは反対に、負の温度膨張係数を有している。これに起因して圧電式作動子は、温度上昇に伴って収縮するが、これに対して周辺ケーシングは膨張することになる。圧電式作動子とケーシングとの相異した温度膨張係数は、適当な手段によって補償されない限り、温度従変性の弁ストロークを生ぜしめる。
【０００４】
Niko Herakovic の学術論文：”Die Untersuchung der Nutzung des Piezoeffektes zur Ansteuerung fluidtechnischer Ventile（流体技術弁を作動制御するための圧電効果利用の研究）”, TH Aachen 1996刊 , pps. BNBN75〜77 , Wissenschaftsverlag Aachen , ISBN 3-89653-041-0 に基づいて、第２の圧電作動子による第１の圧電作動子の温度補償が公知になっている。この場合、両圧電作動子は夫々１つのケーシングに収容されている。温度補償のために第２の圧電作動子は、両圧電作動子間に配置されたシリンダに対して、第１の圧電作動子とは逆向きに作用する。第１の圧電作動子の作動電圧に関連してシリンダのストロークが得られる。両圧電作動子の温度が昇温されると、両作動子の熱膨張が補償される。
【０００５】
しかし当該刊行物に基づいて公知になっている温度補償の欠点は、燃料噴射弁の弁ニードルを作動するために弁ニードルを適当な結合装置を介して、両圧電作動子間に支承されたシリンダと結合せねばならないことである。このために、少なくとも一方の圧電作動子の周囲に係合する付加的な構成部材が必要であり、これによって燃料噴射弁の幅が増大することになる。その上に両作動子は大きな相互間隔を有しているので、運転によって第１の圧電作動子がより強く加熱される場合、第２の圧電作動子は第１の圧電作動子の熱膨張を補償することができなくなる。また長期運転中には、それに伴って第１の圧電作動子と第２の圧電作動子との間に温度勾配が形成されるために、不充分な温度補償しか得られない。前記学術論文刊行物に記載の実施例では、両圧電作動子の温度は、冷却素子もしくは加熱素子によって能動的に調整される。総括すれば、この公知の温度補償はコスト高になり、かつ実用化には適していない。
【０００６】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５ ３８ ７９１号明細書では、温度補償のために、弁ケーシングを２部構成式に２つの異なった材料から構成することが提案される。例えば一方のケーシング部分を鋼から製作し、また他方のケーシング部分を不変鋼から製作することが提案され、しかも鋼製の第１ケーシング部分と不変鋼製の第２ケーシング部分との適当な長さ選択によって、ケーシングの全体的に生じる熱膨張を、圧電作動子の熱膨張に適合させ、これによって圧電作動子と、該圧電作動子を包囲するケーシングを同じように温度に関連して膨張させることを達成しようとしている。
【０００７】
この解決手段における欠点は、弁ケーシングの製作がコスト高になり、殊に不変鋼から成る第２ケーシング部分のための材料費が割高になることである。更にまた、弁ケーシングと圧電作動子が異なった温度を有し得ることは疑わしい。例えば圧電作動子は、燃料噴射弁の頻繁な作動の場合には特に、その損失熱に基づいて昇温し、かつその温度は弁ケーシングへ緩慢に伝導することになる。他面において弁ケーシングの温度は、燃料噴射弁の装着されている内燃機関の廃熱の影響を受ける。従ってこの方式の温度補償は不充分である。
【０００８】
１つの作動子が液圧式の伝達系を介して弁ニードルに対して作用する形式の、内燃機関の燃料噴射装置用の燃料噴射弁は、ドイツ連邦共和国特許第１９５ １９  １９２号明細書に基づいて公知である。前記液圧式伝達系は一次ピストンを有し、この一次ピストンは内部凹設部を有し、該凹設部内では二次ピストンが可動にガイドされている。この二次ピストンは、弁ケーシング内で液密かつ可動にガイドされている弁ニードルと連結されている。弁ケーシング内では、一次ピストンと二次ピストンとによって画成される作業室には、燃料が充填される。該作業室から離反した方の一次ピストン側で、圧電作動子が一次ピストンに当接している。燃料の充填される作業室の容積が維持されていなければならないので、圧電作動子の作用による一次ピストンのシフト時に二次ピストンは一次ピストン内で運動し、その場合前記作業室の側で一次ピストンの面積と二次ピストンの面積とを適当に設計することによって、適当なストローク伝達比が与えられている。温度補償は、一次ピストンと二次ピストンとの間の規定のギャップを介して得られる。温度に起因して作業室内の燃料に準静的な膨張が生じる場合に、燃料の一部分が作業室から押し出される。
【０００９】
この解決手段の欠点は、液圧的な温度補償によって作動子の作用が、緩衝されて弁ニードルに伝達され、これによって弁ニードルの応答時間が長くなり、かつ燃料噴射弁が、迅速に開閉する燃料噴射弁としては使用できないことである。
【００１０】
発明の利点
請求項１の特徴部に記載した構成手段を備えた本発明の燃料噴射弁は、従来技術に対比して、燃料噴射弁の作動子の温度補償が実質的に顕著に改善されるという利点を有している。そればかりでなく本発明の燃料噴射弁は、迅速に開閉する燃料噴射弁としても使用することができる。更なる利点は、噴射プロセスを精密に成形できる点にあり、これによって噴射動作は、内燃機関の各運転状態及び各運転要件に適合することができ、しかも機械的な可動エレメントの個数が僅少になるので、燃料噴射弁は低摩耗に構成され、かつ構造を単純にすることができる。
【００１１】
請求項２〜請求項９に記載した手段によって、請求項１に記載した燃料噴射弁の更に有利な構成が可能になる。
【００１２】
支承エレメントは、弁ケーシング内に形成された凸設部に当接しているしているのが有利である。これによって付加的な構成部分が省かれる。その場合、支承エレメントは、弁ケーシング内に形成された凸設部に、弾性変形可能な対応受けエレメントを介して当接することができる。これによって封止座における弁ニードルのセンタリングされた当接が助成される。そればかりでなく、弁ニードルに対して作用する短い圧力衝撃が吸収され、これによって弁ニードルの負荷が軽減される。
【００１３】
更にまた少なくとも一方の作動子は、支承エレメントによって、より大きな予荷重をかけて負荷されているのが有利であり、これによって作動子の不作動時には弁ニードルは、前記予荷重差により付与された力によって、封止座に対して閉弁位置に保持されている。従って封止座に弁ニードルを圧着するために付加的に設けられる押圧ばねを省くことが可能である。
【００１４】
有利な実施形態では、支承エレメントは螺合エレメントを介して弁ケーシング内に固定されており、しかも前記螺合エレメントの緊締モーメントによって、少なくとも一方の作動子に対して作用する予荷重が調整される。これによって封止座における弁ニードルの圧着力もしくは作動子の不作動時に弁ニードルに対して作用する開放力が規定のように調整される。これは、弾性変形可能な対応受けエレメントと相俟って特に目的に即している。これによって両作動子の予荷重に基づく関係も調整することが可能である。
【００１５】
有利な実施形態では両作動子は、１つの細長い作動子ハウジング内に配置されており、該作動子ハウジングは、該作動子ハウジングの側面に配置されていて該作動子ハウジングの長手方向に細長く形成された少なくとも１つの切欠部を有し、該切欠部を支承エレメントが貫通して延びており、しかも該支承エレメントは前記切欠部内で作動子ハウジングの長手方向に可動である。作動子ハウジングによって両作動子は予荷重をかけて負荷され、これは燃料噴射弁の運転確実性のために有利に作用する。それというのは両作動子の不都合な引張り荷重が避けられるからである。それのみならず両作動子を作動子ハウジング内に有利に前組付けすることが可能になる。細長く形成された切欠部に基づいて作動子ハウジングは、弁ケーシング内の支承エレメントによってガイドされている。
【００１６】
また作動子ハウジングは、入口寄りのハウジングプレートと封止座寄りのハウジングプレートと、細長く形成された切欠部を有する管状ハウジング壁とから成っており、しかも少なくとも一方の作動子が、少なくとも一方のハウジングプレートを介して弁ニードルに対して作用しているのが有利である。これによって作動子ハウジングはコンパクトに燃料噴射弁内に組込まれ、しかも弁ニードルに対する有利な力伝達が得られる。
【００１７】
支承エレメントの一方の側に配置された少なくとも第２作動子は温度変化時に、前記支承エレメントへ向かって膨張させられ、該膨張は、該支承エレメントの他方の側に配置された少なくとも第１作動子において同一の温度変化時に前記支承エレメントへ向かって発生した膨張を補償する。これによって特に優れた温度補償が得られる。
【００１８】
請求項１０の特徴部に記載した構成手段を備えた、燃料噴射弁を作動する本発明の方法は、付加的な構成部分を必要とすることなしに封止座の開閉を両方向で能動的に制御できるという利点を有している。
【００１９】
請求項１１及び１２に記載した手段によって、本発明の方法の有利な実施形態が得られる。
【００２０】
第２作動子の第２作動電圧の遮断時に弁ニードルの閉鎖が有利に行われる。これによって第１作動子を作動するために使用される全エネルギを、封止座を閉鎖するために使用することが可能になり、これによって閉鎖動作が単純化される。
【００２１】
請求項１２に記載の有利な実施形態では、第２作動子の第２作動電圧の遮断時に第１作動子の第１作動電圧を遮断することによって、封止座が第１開放横断面積まで開放され、かつ、第１作動子の第１作動電圧の遮断時に第２作動子を第２作動電圧で負荷することによって、封止座は第２開放横断面積まで開放される。これによって、付加的な構成部分を必要とすることなしに、弁ニードルのより大きなかつ２段階ストロークを得ることが可能になる。
【００２２】
実施例の説明
次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。
【００２３】
図１には本発明による燃料噴射弁１が軸方向断面図で図示されている。該燃料噴射弁１は、燃料、特にガソリンを混合気圧縮型火花点火式内燃機関の燃焼室内へ特に直接噴射するための、いわゆるガソリン直接噴射弁として働く。しかし本発明の燃料噴射弁１は、その他の適用例のためにも適している。
【００２４】
燃料噴射弁１は弁ケーシング２を有し、該弁ケーシングは入口側で閉鎖端板３と結合されており、この場合、閉鎖端板３内には燃料入口４が、１つの孔によって略示されている。燃料噴射弁１の噴出側端部では弁ケーシング２内に弁座体５が位置しており、該弁座体は弁座面６を有している。弁ニードル７が弁閉鎖体８を作動し、該弁閉鎖体は本実施例では弁ニードル７と一体に構成されている。弁閉鎖体８は截頭円錐形であって噴出方向へ先細に形成されており、かつ弁座体５の弁座面６と協働して１つの封止座を形成する。弁ケーシング２の内部には雌ねじ山９が形成されており、該雌ねじ山には螺合エレメント１０がねじ緊締されて、弁ケーシング２の凸設部１２上に当接する弾性変形可能な対応受けエレメント１３に対して支承エレメント１１が弁ケーシング２内で固定されている。支承エレメント１１の封止座寄り端面に第１作動子１４が当接し、かつ支承エレメント１１の入口寄り端面には第２作動子１５が当接している。第１と第２の両作動子１４，１５はこの場合円筒形に形成されており、かつ１本の管状ハウジング壁１６によって包囲される。第１作動子１４は、支承エレメント１１から離反した方の端面で、封止座寄りのハウジングプレート１７に当接しており、該ハウジングプレートは管状ハウジング壁１６と接合されている。同じく第２作動子１５は、支承エレメント１１から離反した方の端面で、入口寄りのハウジングプレート１８に当接しており、該ハウジングプレートは管状ハウジング壁１６と接合されている。該管状ハウジング壁１６は、支承エレメント１１を貫通させる切欠部１９，２０を有している。燃料は燃料入口４を起点として、例えば支承エレメント１１内に穿設された孔２１を通り封止座の方向へ導かれる。
【００２５】
燃料噴射弁１を作動するためには圧電式又は磁歪式の第２作動子１５が作動電圧によって負荷され、これによって第２作動子１５は膨張する。第２作動子１５はその封止座寄り端面で支承エレメント１１に支持されているので、管状ハウジング壁１６と封止座寄りのハウジングプレート１７と入口寄りのハウジングプレート１８とから成る作動子ハウジング１６，１７，１８は閉鎖端板３の方に向かって動かされ、これによって弁ニードル７は弁閉鎖体８を弁座体５から離間させ、かつ封止座は解放される。弁座体５の弁座面６と弁閉鎖体８との間に発生したギャップを介して燃料は、燃料噴射弁１から内燃機関の燃焼室内へ噴出される。弁ニードル７に固着された弁閉鎖体８は第１作動子１４を介して戻され、この場合、弁ニードル７は封止座寄りのハウジングプレート１７と固着結合されている。第１作動子１４は、閉鎖端板３に面した方の端面で支承エレメント１１に支持されており、これによって作動子ハウジング１６，１７，１８は、作動電圧による第１作動子１４の負荷時に封止座の方に向かって動かされ、かつ弁閉鎖体８は弁座体５の弁座面６に圧着され、ひいては燃料噴射弁１は閉弁される。弁ニードル７の戻しは、弁ケーシング２内に適当に配設されたばねエレメント、特に圧縮ばねを介して行うこともできる。更にまた弁閉鎖体８の戻しは、第２作動子１５の作動電圧を遮断することによって行うことも可能である。より迅速に戻すために、第１作動子１４に作動電圧の衝撃波をかけることも可能である。
【００２６】
図２、図３及び図４では、第１と第２の作動子１４，１５及び支承エレメント１１を内蔵する作動子ハウジング１６，１７，１８が図示されている。なお図１において既に説明した構成エレメントには、図２〜図４でも同一の符号を付し、これによって重複説明を省いた。
【００２７】
支承エレメント１１は、１つの円形域２２と２つの細長く形成された側端域２３，２４を有し、両方の側端域は相互に１８０゜を形成するように対向して延びている。この場合支承エレメント１１の円形域２２の形状は、両作動子１４，１５の横断面に適合されているので、両作動子１４，１５は支承エレメント１１に特に良好に支持される。両作動子１４，１５は、軸方向で短縮される代わりに、半径方向では僅かに拡張されているので、作動子１４，１５と管状ハウジング壁１６との間には、作動子１４，１５の半径方向拡張分を収容する間隙２５が設けられている。支承エレメント１１は該支承エレメント１１の細長い側端域２３で１つの切欠部２０内で可動にガイドされ、また支承エレメント１１の細長い側端域２４も１つのの切欠部１９内で同じくガイドされる。
【００２８】
本発明は図示の実施例に限定されるものではない。作動子１４，１５、支承エレメント１１及び作動子ハウジング１６，１７，１８の更に別の構成も考えられる。特に両作動子１４，１５を少なくとも断片的に支承エレメントによって包囲しておくことも可能である。
【００２９】
図５には第２作動子１５のストロークに関連した弁ニードル７のストロークが線図で図示されており、その場合第２作動子１５のストロークは第１作動子１４によって温度補償される。当該線図の縦座標には両作動子１４，１５及び弁ニードル７のストロークΔｈが、また横座標には時間ｔがプロットされている。図示例では第１作動子１４は、作動電圧の遮断時に専ら温度補償のために使用される。時点ｔ１ において第２作動子１５の作動電圧が接続され、これによって第２作動子１５は膨張しかつ時点ｔ２ で最大膨張に達する。第２作動子１５は、緩衝エレメントの介在なしに弁ニードル７に作用するので、該弁ニードル７は延時なしに第２作動子１５のストロークに追従する。時点ｔ３ において第２作動子１５の作動電圧は、時点ｔ４ で完全に遮断されるまで低下される。弁ニードル７のストロークは、第２作動子１５のストロークに追従する。ところで燃料噴射弁１の温度が昇温されると、第１作動子１４は第２作動子１５の長さ膨張に対抗して作用するので、これによって効果的な温度−ストロークの消失が生じる。作動子ストロークが温度膨張分だけシフトされるところの、温度補償されていない作動子１５０とは異なって、温度安定化された第２作動子１５のストローク特性曲線はシフトされないので、温度には無関係に弁ニードル７の同一の弁ニードルストロークが生じる。
【００３０】
図６には、第１作動子１４の作動電圧Ｕ２ 及び第２作動子１５の作動電圧Ｕ１ に関連した弁ニードル７の弁ニードルストロークΔｈの線図が図示されている。この場合縦座標には作動電圧Ｕ１ ，Ｕ２ 及び弁ニードルストロークΔｈが、また横座標には時間ｔがプロットされている。時点ｔ１ まで第１作動子１４の作動電圧Ｕ２ 及び第２作動子１５の作動電圧Ｕ１ は遮断されており、これによって弁ニードル７は不作用位置に在り、かつ封止座を第１開放横断面まで開く。封止座を閉鎖するために第１作動子１４は時点ｔ１ に作動電圧Ｕ２ によって負荷され、しかも第１作動子１４は時点ｔ２ に最大ストロークに達して封止座は閉じられる。第１作動子１４の作動電圧Ｕ２ を変化させないまま時点ｔ３ において第２作動子１５を作動電圧Ｕ１ で負荷することによって封止座は、時点ｔ４ で生じる第１開放横断面に至るまで開放される。時点ｔ５ を起点として第１作動子１４の作動電圧Ｕ２ は低下され、これによって封止座は更に開き、かつ、第１作動子１４の作動電圧Ｕ２ の遮断される時点ｔ６ に、第２の開放横断面に達する。時点ｔ７ に第２作動子１５の作動電圧Ｕ１ は低減され、それに伴なって封止座の開放横断面は縮小され、かつ、両作動子１４，１５の両作動電圧Ｕ１ ，Ｕ２ が遮断される時点ｔ８ に改めて第１の開放横断面に達する。両作動子１４，１５の一方だけによる燃料噴射弁の作動に対比して、より大きな弁ニードルストローク２６が得られる。弁ストロークの２段構成は、燃料分配量のバリエーションを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による燃料噴射弁の１実施例の軸方向縦断面図である。
【図２】  側面から見た２つの作動子と１つの支承エレメントと共に示した、図１に図示した作動子ケーシングの軸方向縦断面図である。
【図３】  図２の作動子ケーシングを正面から見た軸方向縦断面図である。
【図４】  図２のＩＶ−ＩＶ断面線に沿った横断面図である。
【図５】  温度補償を説明するための線図である。
【図６】  弁ニードルの弁ニードルストロークΔｈを第１作動子の第１作動電圧Ｕ１及び第２作動子の第２作動電圧Ｕ２に関連して示した線図である。
【符号の説明】
１  燃料噴射弁、２  弁ケーシング、３  閉鎖端板、４  燃料入口、５  弁座体、６  弁座面、７  弁ニードル、８  弁閉鎖体、９  雌ねじ山、１０  螺合エレメント、１１  支承エレメント、１２  凸設部、１３  対応受けエレメント、１４  第１作動子、１５  第２作動子、１６  管状ハウジング壁、１７  封止座寄りのハウジングプレート、１８  入口寄りのハウジングプレート、１９，２０  切欠部、２１  孔、２２  円形域、２３，２４  側端域、２５  間隙、２６  弁ニードルストローク、１５０  温度補償されていない作動子、Δｈ  両作動子及び弁ニードルのストローク、ｔ  時間
【図１】
0004469507.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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