(57)【要約】本発明は、液体を制御する弁であって、弁部材を操作するために特に圧電式のアクチュエータユニット（２０）が設けられており、弁部材が少なくとも１つの調節ピストン（１９）と、弁体（１５）内において案内される少なくとも１つの操作ピストン（１６）とを有しており、該操作ピストン（１６）が弁閉鎖部材を操作し、該弁閉鎖部材が、弁体（１５）に形成された少なくとも１つの弁座（２４）と共働し、かつ閉鎖位置において制御孔（１４）を排出室（２５）から切り離すようになっていて、該排出室（２５）からは戻し通路（２６）が分岐しており、調節ピストン（１９）と操作ピストン（１６）との間に液圧室（１８）が配置されていて、該液圧室（１８）が調節ピストン（１９）の運動を操作ピストン（１６）に伝達する形式のものに関する。このような形式の弁において、アクチュエータユニット（２０）の寸法を小さく保つことができるようにするために、本発明の構成では、操作ピストン（１６）が弁閉鎖部材の閉鎖時に、ほぼ液圧的に力バランスされて支承されているようにした。
2004518906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を制御する弁であって、弁部材を操作するために特に圧電式のアクチュエータユニット（２０）が設けられており、弁部材が少なくとも１つの調節ピストン（１９）と、弁体（１５）内において案内される少なくとも１つの操作ピストン（１６）とを有しており、該操作ピストン（１６）が弁閉鎖部材を操作し、該弁閉鎖部材が、弁体（１５）に形成された少なくとも１つの弁座（２４）と共働し、かつ閉鎖位置において制御孔（１４）を排出室（２５）から切り離すようになっていて、該排出室（２５）からは戻し通路（２６）が分岐しており、調節ピストン（１９）と操作ピストン（１６）との間に液圧室（１８）が配置されていて、該液圧室（１８）が調節ピストン（１９）の運動を操作ピストン（１６）に伝達する形式のものにおいて、操作ピストン（１６）が少なくとも弁閉鎖部材の閉鎖時に、ほぼ液圧的に力バランスされて支承されていることを特徴とする、液体を制御する弁。
【請求項２】
弁閉鎖部材が操作ピストン（１６）の構成部分である、請求項１記載の弁。
【請求項３】
操作ピストン（１６）が、制御室（１４）から分岐する軸方向孔（２７）を有していて、該軸方向孔（２７）が操作ピストン（１６）を貫通している、請求項１又は２記載の弁。
【請求項４】
軸方向孔（２７）が段付けされた孔として形成されていて、増大された直径を有する孔領域（３６）内にガイドピン（２８）が配置されている、請求項３記載の弁。
【請求項５】
増大された直径を有する孔領域（３６）の直径（ｄ１）が、弁閉鎖部材のシール直径（ｄ２）に相当している、請求項３記載の弁。
【請求項６】
ガイドピン（２８）が盲孔（２９）を有していて、該盲孔（２９）がほぼ操作ピストンの軸方向孔（２７）の軸線に位置している、請求項４又は５記載の弁。
【請求項７】
操作ピストン（１６）がほぼ段付けされたシリンダとして形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の弁。
【請求項８】
操作ピストン（１６）がアクチュエータユニット（２０）の操作時に、制御孔（１４）とは反対の方向に運動する、請求項１から７までのいずれか１項記載の弁。
【請求項９】
操作ピストン（１６）が、ばね室（３１）内に配置された圧縮ばね（３０）を用いて閉鎖方向に予負荷されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の弁。
【請求項１０】
ばね室（３１）が戻し通路（２６）と接続されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の弁。
【請求項１１】
戻し通路（２６）内に過圧弁（３３）が配置されている、請求項１から１０でのいずれか１項記載の弁。
【請求項１２】
段付けされたシリンダを形成する操作ピストン（１６）の肩部面（３４）が、操作ピストン（１６）の面、つまり液圧室（１８）を用いて調節ピストン（１９）によって操作ピストン（１６）に加えられる圧力が作用する面を、形成している、請求項７から１１までのいずれか１項記載の弁。
【請求項１３】
ばね室（３１）が圧力補償通路（４１）を介してリング室と接続されていて、該リング室が、調節ピストン（１９）の外周部に形成されたリング溝（４０）によって形成されている、請求項９から１２までのいずれか１項記載の弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
従来の技術
本発明は、請求項１の上位概念部に記載された形式の液体を制御する弁に関する。
【０００２】
このような形式の弁は、実地において公知であり、例えば噴射弁との関連、特にディーゼル内燃機関用のコモンレール・アキュムレータ噴射系の噴射弁との関連において使用される。このような噴射弁は弁制御ピストンを有しており、この弁制御ピストンはノズルニードルと共に構成ユニットを形成していて、少なくとも部分的に室によって取り囲まれており、この室は燃料供給導管を介して高圧接続部と接続されていて、燃料を収容している。ノズルニードルは対応するように形成された弁座と共働し、その結果弁制御ピストンの位置に関連して、噴射弁の、内燃機関の燃焼室に通じる開口を介して、燃焼室への燃料噴射を制御することができる。弁制御ピストンの位置ひいてはノズルニードルの位置は、冒頭に述べた液体を制御する弁を用いて決定され、この弁は、いわゆる弁制御室を介して弁制御ピストンと作用結合されている。
【０００３】
弁制御室は供給絞りを介して燃料供給導管と作用結合し、かついわゆる排出絞りを介して冒頭に述べた弁、いわゆる弁制御モジュールと作用結合しており、そして自由端部につまり弁制御弁の、ノズルニードルとは反対側の端部に、隣接している。このような構造によって、後で述べるように弁制御モジュールを用いて弁制御室内における圧力形成及び圧力消滅を所望のように行うことができる。
【０００４】
弁状に形成された弁制御モジュールの閉鎖位置において、弁制御室内には、供給絞りを介して作用する高圧が、コモンレール噴射系の場合にはいわゆるレール圧が存在している。このような圧力状態では、弁制御ピストンひいてはノズルニードルも閉鎖位置を占めている。そして弁制御モジュールの例えば圧電式のアクチュエータが操作されると、弁制御モジュールの弁閉鎖部材は開放する。これによって弁制御室内に存在する燃料は、盲孔と、弁制御モジュールに配属された排出室とを介して、戻し通路へと流出することができ、この際に弁制御室内における圧力は低下する。この圧力低下に基づいて、弁制御ピストンとノズルニードルとから成る構成ユニットは弁制御室に向かってシフトし、その結果燃焼室に通じる開口が開放され、燃料が燃焼室内に噴射される。弁制御モジュールの弁閉鎖部材が再び閉鎖位置にもたらされるや否や、弁制御室内においては供給絞りを介して新たにいわゆるレール圧が形成され、そして弁制御ピストンは再び閉鎖位置へと移動する。これによって噴射弁は燃焼室に対してシールされて閉鎖され、燃料が燃焼室内に達することはなくなる。
【０００５】
例えばシングル座弁（Ｅｉｎｆａｃｈｓｉｔｚｖｅｎｔｉｌ）として形成された、冒頭に述べた形式の公知の噴射弁には、ノズルニードルを操作するために大きな開放圧が必要であるという欠点がある。上に述べた公知の噴射弁にはさらに、漏れに基づいて常に、液圧室に対する補充が必要であるという構成上の欠点もある。
【０００６】
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弁、すなわち操作ピストンが少なくとも弁閉鎖部材の閉鎖時に、ほぼ液圧的に力バランスされて支承されている本発明による弁には、公知のものに対して、弁閉鎖部材を開放するために著しく小さな力しか必要としないという利点がある。それというのは、本発明による弁では、操作ピストンを、先行技術の弁におけるように、弁閉鎖部材に対して作用する液圧に抗して、コモンレール噴射系の場合には１．６ｋｂａｒにも達するいわゆるレール圧に抗して、開放する必要がないからである。
【０００７】
これによって、より小型の圧電式のアクチュエータを使用することができ、ひいては切換え弁のコスト節減を達成することができる。択一的に又は付加的に、特に圧電式のアクチュエータを、本発明による弁において低い電圧で制御することも可能であり、これによって従来技術の弁に比べてエネルギ消費を低減させることができる。
【０００８】
本発明による弁の有利な構成では、弁閉鎖部材が操作ピストンの構成部分である。この場合有利には操作ピストンが、制御室から分岐する軸方向孔を有していて、該軸方向孔が操作ピストンを貫通している。この軸方向孔は例えば、弁座の前に配置されている制御室から、操作ピストンのそれとは反対側に配置された室へと通じており、このようになっていると、この室内において、少なくとも弁閉鎖部材の閉鎖時に、制御室内における圧力を生ぜしめることができる。
【０００９】
本発明の別の有利な構成では、軸方向孔が段付けされた孔として形成されていて、増大された直径を有する孔領域が、操作ピストンの、制御室とは反対側の端部に形成されていて、この孔領域内にガイドピンが配置されている。このガイドピンは、操作ピストンの、制御室とは反対側の端部に位置している室を制限しており、この室内には、制御孔内における圧力が存在している。
【００１０】
ガイドピンを規定して弁体の壁に圧着させることができるようにするために、本発明の別の有利な構成では、ガイドピンが盲孔を有していて、該盲孔がほぼ操作ピストンの軸方向孔の軸線に位置している。
【００１１】
操作ピストンは例えば段付けされたシリンダとして形成されている。この段付けされたシリンダの肩部面は、この場合操作ピストンの面、つまり液圧室を用いて調節ピストンから操作ピストンに加えられる圧力にさらされる面を、形成することができる。
【００１２】
肩部面はこの場合、操作ピストンがアクチュエータユニットの操作時に制御孔とは反対の方向に移動するように、方向付けられている。
【００１３】
本発明の別の構成では、操作ピストンが、ばね室内に配置された圧縮ばねを用いて閉鎖方向に予負荷されている。そしてまた、ばね室が戻し通路と接続されており、このようになっていると、ばね室内に、戻し通路内における圧力が存在することになる。
【００１４】
調節ピストンと操作ピストンとにおける半径方向遊びが異なっている場合でも、液圧室内において常に、ばね室におけると同じ圧力が存在することを保証するために、本発明のさらに別の構成では、ばね室が圧力補償通路を介してリング室と接続されていて、該リング室が、調節ピストンの外周部に形成されたリング溝によって形成されている。
【００１５】
図面
次に図面を参照しながら本発明による弁の実施例について説明する。
【００１６】
図１は、本発明による弁制御ユニットを備えた噴射弁の、本発明にとって重要な領域を示す縦断面図である。
【００１７】
図２は、本発明に基づいて形成された噴射弁の択一的な実施例を示す縦断面図である。
【００１８】
実施例の記載
図１に実施例として示された燃料噴射弁１は、自動車の図示されていない内燃機関に組み込むように設けられていて、有利にはディーゼル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。燃料噴射弁１はそのために主要な構成ユニットとして、ノズルモジュール２と弁制御モジュール３とを有している。
【００１９】
ノズルモジュール２はノズル体４を有していて、このノズル体４内にはいわゆる弁制御ピストン５が配置されており、この弁制御ピストン５は、内燃機関の燃焼室に通じる噴射弁１の開口を制御するノズルニードル（図示せず）と作用結合しているかもしくはノズルニードルと一体の構成ユニットを形成している。
【００２０】
ノズルモジュール２内にはさらにばね受６が配置されており、このばね受６において弁制御ピストン５の自由端部が案内されていて、この弁制御ピストン５と一緒に弁制御室７を制限している。ばね受６はばね８を介して支持体９に支持されており、この支持体９は弁制御ピストン５と結合されている。
【００２１】
ばね受６にもしくは、ばね受６の、弁制御ピストン５のための受容部を取り囲む壁には、半径方向外側に向かって方向付けられたいわゆる供給絞り１０が形成されており、この供給絞り１０は弁制御室７から高圧室１１に通じていて、この高圧室１１はばね受６の外輪郭と、ばね受６を取り囲むノズル体４との間に形成されていて、そして燃料供給管路１２を介して、図示されていない高圧アキュムレータ、いわゆるコモンレールに接続されている。軸方向において弁制御室７はいわゆる排出絞り１３を介して、弁制御モジュール３の一部である制御室１４と接続されている。
【００２２】
弁制御ピストン５の位置ひいてはノズルニードルの位置は、弁制御室７内における圧力レベルによって制御される。この圧力レベルは弁制御モジュール３を用いて調節される。
【００２３】
弁制御モジュール３は制御モジュール体１５を有しており、この制御モジュール体１５内においては、段付けされて形成された操作ピストン１６が段付けされた孔１７内において案内されている。操作ピストン１６は液圧室１８を介して調節ピストン１９と作用結合している。調節ピストン１９は、制御体１５の内側又は外側における任意の箇所に配置することができる。調節ピストン１９は、ここでは圧電式アクチュエータとして形成されたアクチュエータユニット２０を用いて操作される。
【００２４】
液圧室１８の補償容積を介して、使用される材料の異なった温度膨張係数もしくは温度勾配に基づく誤差及び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、これによって制御される操作ピストン１６のポジションが変化することはなくなる。液圧室１８は図示の実施例では、調節ピストン１９に配属されていて該調節ピストン１９の端面を制限するシリンダ室２１と、通路２２と、段付けされた操作ピストン１６の直径を減じられた領域を取り囲むリング状のリング室２３とから成っている。
【００２５】
操作ピストン１６は図示の実施例では、制御室７に向けられた端部において、弁閉鎖部材として形成されており、この弁閉鎖部材は弁座２４と共働し、かつ閉鎖位置において制御室１４をいわゆる排出室２５から切り離し、この排出室２５からは燃料戻し通路２６が分岐していて、この燃料戻し通路２６は図示されていない燃料タンクに通じている。
【００２６】
操作ピストン１６内には、軸方向に方向付けられて、例えば孔として形成された通路２７が配置されており、この通路２７は制御室１４から、操作ピストン１６の、該制御室１４とは反対側の端部に通じており、直径を拡大された領域３６内に拡大している。
【００２７】
直径を拡大された領域３６にはガイドピン２８が配置されており、このガイドピン２８は制御室１４に向けられた側に盲孔２９を有している。
【００２８】
ガイドピン２８の直径ｄ１、ひいては孔領域３６の直径は、ほぼ弁座２４の直径に、つまり弁部材として形成された操作ピストン１６の領域のシール直径に相当している。ガイドピン２８は、最小の遊びと最大のガイド長さＬをもって孔領域３６において案内されるように、形成されている。
【００２９】
操作ピストン１６の、ノズルモジュール２とは反対側の端面において、該操作ピストン１６には圧縮ばね３０が作用しており、この圧縮ばね３０はばね室３１内に配置されていて、ガイドピン２８を取り囲み、かつ制御体１５の壁に支持されている。ばね室３１は横方向通路３２を介して燃料戻し通路２６と接続されている。横方向通路３２の開口箇所の下流において、燃料戻し通路２６内には圧力制限弁３３が配置されている。
【００３０】
上に述べた噴射弁は以下に記載のように作動する。
【００３１】
燃料噴射弁１の閉鎖された状態において、つまり圧電式のアクチュエータ２０に電圧が印加されていない場合に、操作ピストン１６の、弁閉鎖部材として形成された領域は、該操作ピストン１６に向けられた弁座２４に接触している。この状態においては供給絞り１０を介して弁制御室７内に、ひいては排出絞り１３を介して制御室１４内には、高圧室１１内における圧力が、図示の実施例ではつまりレール圧が存在している。孔２７を介してこの圧力はさらに、ガイドピン２８と操作ピストン１６との間に位置する、孔領域３６の室内に伝達される。
【００３２】
操作ピストン１６の自由な端面つまり孔２７の開口を取り囲む端面の、レール圧によって負荷される面積は、操作ピストン１６の、孔２７に対して平行に方向付けられた面積、つまり孔領域３６内において孔２７の開口を取り囲む面積に相当している。これによって互いに反対に位置する側においては、等しい液圧力が操作ピストン１６に対して作用することになり、その結果操作ピストン１６は液圧的に力バランスされて支承される。操作ピストン１６の閉鎖位置は、必要な圧力を操作ピストンに加える圧縮ばね３０を用いて保証される。
【００３３】
噴射弁１を開放したい場合、つまり図示されていないノズルニードルを用いて閉鎖された噴射ノズルを開放したい場合には、圧電式のアクチュエータ２０に電圧が印加され、これによりアクチュエータ２０は急激に軸方向につまり調節ピストン１９に向かって膨張する。調節ピストン１９はこれによって、アクチュエータ２０とは反対側の方向にシフトさせられる。これによりさらに、液圧室１８を介して操作ピストン１６がシフトされ、つまり調節ピストン１９から液圧室１８を介して伝達された圧力が、段付けされた操作ピストン１６の肩部面３４に作用して、操作ピストン１６を、圧縮ばね３０によって加えられる圧力に抗して、制御室１４とは反対の方向にシフトさせ、これによって制御室１４と排出室２５との間における接続が生ぜしめられる。その結果制御室１４内における燃料が排出室２５内に流入し、そこから燃料戻し通路２６へと流入する。これによって排出絞り１３を介して弁制御室７は放圧され、その結果この弁制御室７における圧力が低下し、弁制御ピストン５は弁制御モジュール３に向かってシフトされる。そして内燃機関の燃焼室に通じる開口が開放され、その結果高圧室１１内において高圧下にある燃料が燃焼室に噴射される。
【００３４】
燃料戻し通路２６を介して排出された燃料は、戻し通路２６内における圧力が規定の値例えば３０ｂａｒを上回ると、燃料タンクに戻される。すなわちこの圧力はばね室３１内に、かつそこから、操作ピストン１６の直径を増大された領域を取り囲む漏れ間隙３８を介して、リング室２３、通路２２及びシリンダ室２１に作用し、その結果、場合によっては必要な液圧室１８の充填を常に行うことができる。
【００３５】
上に述べたように、ガイドピン２８は最小の遊びと最大のガイド長さＬをもって操作ピストン１６の孔３６内において案内されている。孔３６の直径ｄ１とシール直径ｄ２との比によって、操作ピストン１６に作用する液圧力が規定される。この比は図示の実施例ではほぼ１に等しいので、操作ピストン１６は液圧的に力バランスされて支承されている。これによって調節ピストン１９を用いた操作ピストン１６のシフトのためには、アクチュエータ２０を用いて加えられる小さな力だけしか必要ない。
【００３６】
圧電式のアクチュエータ２０に印加される電圧が中断されると、調節ピストン１９は戻され、これによって液圧室１８内における圧力が低下し、操作ピストン１６はばね３０を用いてノズルモジュール２に向かって移動させられ、この移動は、操作ピストン１６が弁座２４に接触するまで続く。これによって弁制御室７内においては新たにいわゆるレール圧が形成され、その結果弁制御ピストン５、ひいてはノズルニードルが再び閉鎖位置に移動させられる。
【００３７】
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使用されている、図２に示された実施例は、図１の実施例に対して次の点で異なっている。すなわち図２の実施例では、ばね室３１は圧力補償通路４１を介して、調節ピストン１９のリング溝４０によって形成されたリング室と接続されている。
【００３８】
圧力補償通路４１によって、液圧室２１内において常にばね室３１におけると同じ定圧が存在することが保証される。これによって場合によっては、段付けされた孔１７内における操作ピストン１６の半径方向遊びと、ガイド孔内における調節ピストン１９の半径方向遊びとによって生じる圧力差を補償することができ、その結果圧電式のアクチュエータ２０の負荷を常に一定にすることができ、かつ噴射弁１を用いて噴射される噴射量のばらつきを十分に回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による弁制御ユニットを備えた噴射弁の、本発明にとって重要な領域を示す縦断面図である。
【図２】
本発明に基づいて形成された噴射弁の択一的な実施例を示す縦断面図である。
【国際公開パンフレット】
2004518906.tif 000003
2004518906.tif 000004
2004518906.tif 000005
2004518906.tif 000006
2004518906.tif 000007
2004518906.tif 000008
2004518906.tif 000009
2004518906.tif 000010
2004518906.tif 000011
2004518906.tif 000012
2004518906.tif 000013
2004518906.tif 000014
2004518906.tif 000015
2004518906.tif 000016
2004518906.tif 000017
2004518906.tif 000018
2004518906.tif 000019
2004518906.tif 000020
2004518906.tif 000021
2004518906.tif 000022
【国際調査報告】
2004518906.tif 000023
2004518906.tif 000024
2004518906.tif 000025
2004518906.tif 000026
2004518906.tif 000027
2004518906.tif 000028