(57)【要約】少なくとも１つの第１のピストン（８）と第２のピストン（９）とを有しており、これらのピストン間に液圧室（１１）が配置された弁部材装置（５）を作動させるための、特に圧電アクチュエータユニット（４）を備えた液体制御弁（２）を提案する。前記弁部材装置（５）は、少なくとも１つの弁座（１２）と協働する弁閉鎖部材（１０）を作動させる。第２のピストン（９）と弁閉鎖部材（１０）との間には中間ピストン（１７）が配置されており、この中間ピストンは第２のピストン（９）よりも小さな直径を有している。中間ピストン（１７）の弁閉鎖部材（１０）に面した端部と、第１のピストン（８）の圧電アクチュエータユニット（４）に面した端部とは、システム圧域（１４）に隣接している。第２のピストン（９）と中間ピストン（１７）との間の移行域は、システム圧域（１４）の圧力よりも小さな圧力の領域（１８）に配置されている。
2004537001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体制御弁（２）であって、特に弁部材装置（５）を作動させるための圧電アクチュエータユニット（４）が設けられており、前記弁部材装置が、弁体（６）内を案内された少なくとも１つの第１のピストン（８）と第２のピストン（９）とを有しており、これらのピストン間に液圧式の伝達装置として働く液圧室（１１）が配置されており、この場合、弁部材装置（５）を介して弁閉鎖部材（１０）が操作され、該弁閉鎖部材が弁体（６）に形成された少なくとも１つの弁座（１２）と協働し且つ閉鎖位置において弁（２）のシステム圧域（１４）を高圧域（１３）から分離するようになっている形式のものにおいて、
弁部材装置（５）が、第２のピストン（９）と弁閉鎖部材（１０）との間の領域に中間ピストン（１７）を有しており、該中間ピストンが第２のピストン（９）よりも小さな直径を有しており、しかも、中間ピストン（１７）の弁閉鎖部材（１０）に面した端部と、第１のピストン（８）の圧電アクチュエータユニット（４）に面した端部とがシステム圧域（１４）に隣接しており、第２のピストン（９）と中間ピストン（１７）との間の移行域が、システム圧域（１４）の圧力よりも小さな圧力を有する領域（１８）に配置されていることを特徴とする液体制御弁。
【請求項２】
第２のピストン（９）と中間ピストン（１７）とが一体に構成されている、請求項１記載の弁。
【請求項３】
第２のピストン（９）と中間ピストン（１７）とが別個の構成部材として構成されている、請求項１記載の弁。
【請求項４】
システム圧域（１４）のシステム圧（ｐ＿ｓｙｓ）が圧力保持弁（２１）によって制限されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の弁。
【請求項５】
中間ピストン（１７）が弁体（６）内を案内されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の弁。
【請求項６】
中間ピストン（１７）のガイド（２５）が、システム圧域（１４）と、該システム圧域（１４）よりも小さな圧力を有する領域（１８）との間の差圧が保持され続けるような遊びを備えて構成されている、請求項５記載の弁。
【請求項７】
システム圧（ｐ＿ｓｙｓ）よりも小さな圧力を有する領域が戻し域（１８）を成している、請求項１から６までのいずれか１項記載の弁。
【請求項８】
内燃機関の燃料噴射弁（１）、特にコモンレールインジェクタの構成部材として使用される、請求項１から７までのいずれか１項記載の弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
背景技術
本発明は請求項１の上位概念に記載の形式の、特に弁部材装置を作動させるための圧電アクチュエータユニットを備えた液体制御弁に関する。
【０００２】
弁部材を作動させるための圧電アクチュエータユニットを備えた液体制御弁は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９４６８８３号明細書に基づき公知である。この公知の弁の場合、弁体の孔に弁部材が軸方向で摺動可能に配置されており且つ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、弁体に設けられた、弁開閉用の少なくとも１つの座と協働する。この場合、弁閉鎖部材は弁の高圧域から低圧域を分離しており、しかも前記高圧域は、例えば自動車のコモンレール噴射弁におけるレール圧領域を成している。
【０００３】
弁部材は第１のピストンと第２のピストンとから成っており、これらのピストン間には液圧式の伝達装置として働く液圧室が配置されており、この液圧室を、両ピストンが弁体と相俟って制限している。このような液圧式の伝達装置は、コモンレール噴射弁では圧電アクチュエータユニットの作動距離拡大のために設けられており且つ温度差による長さ補償のために設けられている。
【０００４】
圧電アクチュエータユニットにより両ピストンを作動させる場合は、液圧式の伝達装置若しくは液圧式の結合装置に高圧若しくは高い作動力を供給して、液圧式の結合装置に存在する液圧液若しくは燃料をピストンと弁体との間に流出させ、これにより、液圧式の結合装置の体積は連続的に減少する。
【０００５】
この理由から、引き続き弁を作動させる場合の不正確性を回避するためには、弁を１回ずつ制御する間に液圧式の伝達装置を再び充填する必要がある。
【０００６】
液圧式の結合装置のこのような再充填は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９４６８３３号明細書に記載されており、この場合、液圧液を弁の高圧域から取り出すための充填装置が設けられている。この公知の充填装置は絞り孔を有する通路を備えて形成されており、この通路は、液圧式の結合装置を再充填するために、第１のピストン及び／又は第２のピストンを包囲するギャップに開口しており且つ圧力リリーフ弁を介して弁低圧室に通じる分岐部を有している。弁低圧域は、弁閉鎖部材によって閉鎖可能な弁座に隣接している。但し、このような充填装置を有する弁構成は比較的手間がかかり、コストがかさむ。
【０００７】
前記欠点を回避するためには、引き続く開発で、液圧式の結合装置から出発して弁閉鎖部材の弁座に到る弁領域全体がシステム圧として形成されるようになった。この場合、液圧式の結合装置の再充填は、弁閉鎖部材の開放と同時に行われる。
【０００８】
個々の噴射間の液圧式の結合装置の十分な充填を保証し且つ自動車エンジンの異なるインジェクタ間の噴射量のばらつきを小さく保つためには、システム圧は全てのインジェクタにおいてできるだけ同じ高さであるのが望ましい。弁の正確な機能に関しては、弁の低圧域全体にシステム圧が存在しており且つ噴射間に液圧媒体の漏れ体積流も制御体積流も存在していないと有利である。
【０００９】
液圧式の結合装置を充填するためには、両ピストンをこれらのピストンにかけられるシステム圧に抗して引き離す必要があり、これにより、液圧液が結合装置室に流入して、液圧式の伝達装置が充填される。
【００１０】
弁が構造的に変化した場合に十分迅速に充填するためには、第２のピストンを小さなプレロードを有するばねによって予負荷することができ、これにより、第２のピストンに作用するシステム圧が克服されて、第２のピストンは常に弁閉鎖部材と接触状態に保たれる。
【００１１】
但し、既に公知のように、圧電アクチュエータユニットを予負荷するためのばねが必要である以上は、別の弁ばねを調整しなければならない。この調整手間だけでなく更に、供与される小さなスペースに問題がある。それというのも、迅速、一様且つ容易に反応するばねは、相応して大きな構成長さを要するからである。
【００１２】
更に、正確に調量されたマルチ噴射の実現は困難である。それというのも、ばね負荷された第２のピストンが、マルチ噴射に際して場合によっては激しく振動する恐れがあり、これにより、相応に大きな噴射量誤差が発生するからである。
【００１３】
発明の利点
第２のピストンと弁閉鎖部材との間の領域に、弁閉鎖部材を操作するための中間ピストンが配置されており、この中間ピストンが第２のピストンよりも小さな直径を有しており、しかも、中間ピストンの弁閉鎖部材に面した端部と、第１のピストンの圧電アクチュエータユニットに面した端部とがシステム圧域に隣接しており、第２のピストンと中間ピストンとの間の移行域が、システム圧域の圧力よりも小さな圧力の領域に配置された、請求項１の上位概念に記載の形式の本発明による弁は、再充填に関して液圧室の液圧式の結合装置機能の最適化を図っており、しかも有利には、従来技術において第２のピストンに作用するばねを省くことができる。
【００１４】
本発明による弁において、液圧室の充填はシステム圧域から第１のピストンを介してのみ行われる。それというのも、この第１のピストンの圧電アクチュエータユニットに面した端部がシステム圧域に配置されているのに対して、第２のピストンの弁閉鎖部材に面した端部は、システム圧よりも小さな圧力を有する領域に配置されているからである。これにより、液圧室の充填量が増加するにつれて、第２のピストンが中間ピストンと一緒に弁閉鎖部材の方向に押しずらされて、最終的に液圧室が最適に充填されると弁閉鎖部材に当接し、これにより、新たに弁を制御する場合に遅延無く噴射することが保証されている。
【００１５】
第２のピストンの摺動は、中間ピストンに関連して有利には、この中間ピストンが第２のピストンよりも小さな直径を備えて形成されていることによって保証されている。第２のピストンには、この第２のピストンと中間ピストンの直径比に対応した、中間ピストンにおけるよりも大きな作動力が作用するので、第２のピストンは弁閉鎖部材の方向で付加的なばね力無しで摺動される。
【００１６】
中間ピストン、第２のピストンと中間ピストンとの間の直径比並びに異なる圧力域内における第２のピストン及び中間ピストンの端面の配置は、液圧式の結合装置の迅速な充填を簡単に保証する。
【００１７】
実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００１８】
図面には、自動車の内燃機関（詳しくは図示せず）に組み込むための燃料噴射弁１が部分的に且つ著しく概略的に示されており、この燃料噴射弁１は、本発明では殊に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。
【００１９】
燃料噴射弁１は、主要構成ユニットとして燃料制御弁２と、自体公知の形式で構成されたノズルモジュール（詳しくは図示せず）とを有している。
【００２０】
このノズルモジュールは、内燃機関の燃焼室に通じる燃料噴射弁１の開口を制御するノズルニードルと作用結合しているか、又は該ノズルニードルと１構成ユニットを形成する、ノズル体内でガイドされた弁制御ピストンを有している。この弁制御ピストンの自由端面には、いわゆる弁制御室が隣接している。この弁制御室内を支配する圧力レベルを介して、弁制御ピストン若しくはノズルニードルの位置が調整される。このために、弁制御室は高圧供給導管を介して複数の噴射弁に関して共通に設けられた高圧アキュムレータ、即ちいわゆるコモンレールと接続されている。この場合、高圧供給導管内を案内される燃料は、１．８ｋｂａｒを超える圧力下にあってよい。
【００２１】
更に、前記弁制御室は流出絞りを介して燃料制御弁と接続されており、この燃料制御弁を介して噴射開始、噴射時間及び噴射量が調整可能である。
【００２２】
弁２は制御用に圧電アクチュエータユニット４を有しており、この圧電アクチュエータユニット４は燃料噴射弁１の、内燃機関の燃焼室とは反対の側に配置されており且つ弁部材装置５を作動させるために働く。圧電アクチュエータユニット４若しくはその圧電セラミックは公知の形式で複数の層から構成されており且つ一方の端部を以て弁体６の壁に支持されている。前記セラミックの弁部材装置５に面した側は、アクチュエータヘッド７を介して弁部材装置５の第１のピストン８と作用接続しており、この場合、圧電アクチュエータユニットと弁部材装置５とは、弁２の軸方向で見て相前後して配置されている。
【００２３】
弁部材装置５は、第１のピストン８の他にやはり弁体６内をガイドされた別の第２のピストン９も有している。第１のピストン８は、作動ピストン又は第１の伝達ピストンとも呼ばれ、第２のピストン９は、燃料噴射弁１の「操作ピストン」又は第２の伝達ピストンを成している。この場合、第２のピストン９は弁閉鎖部材１０を操作するために働く。第１のピストン８は第２のピストン９よりも大きな直径を有しており、これらのピストン８，９間には液圧式の伝達装置として作用する液圧室１１が配置されているので、第１のピストン８の軸方向の変位は、圧電アクチュエータユニット４の応力負荷に基づき、前記液圧室１１を介して第２のピストン９に伝達され、この第２のピストン９は、両ピストン８，９のピストン直径の伝達比だけ拡大された行程を進む。
【００２４】
弁閉鎖部材１０は、弁体６に形成された弁座１２と協働し、この弁座１２は本実施例では球形を成す弁閉鎖部材１０のための球座として構成されている。弁座１２及び弁閉鎖部材１０の図示の球状の形は単に有利な１構成を成しているに過ぎない。それというのも、両機能部材を本実施例とは異なる実施例で、つまり別のジオメトリックな形状で形成することは、当然ながら当業者が決めることだからである。更に、弁閉鎖部材が場合によっては２つの弁座と協働し、この場合はいわゆるダブルシート弁を成すということも考えられる。
【００２５】
圧電アクチュエータユニット４が作動されていない場合、即ち応力をかけられていない場合、弁閉鎖部材１０は弁座１２に接触しており且つ高圧域１３を弁座１２に隣接したシステム圧域１４から分離する。高圧域１３内には、例えば１．８ｋｂａｒの運転圧が存在しており、この運転圧は、一般に２ｂａｒ〜５０ｂａｒ、有利には２０ｂａｒ〜３０ｂａｒの範囲のシステム圧域のシステム圧をはるかに上回っている。この差圧は、圧電アクチュエータユニット４が作動されていない場合に、弁閉鎖部材１０による弁座１２の確実な閉鎖をもたらす。
【００２６】
弁閉鎖部材１０を、圧電アクチュエータユニット４が作動していない状態で差圧が不足している場合でも弁座１２に保持するためには、弁閉鎖部材１０を弁座１２に対して押圧するばね１５が設けられている。
【００２７】
弁座１２の低圧側に続く弁室１６は、約３０ｂａｒのシステム圧ｐ＿ｓｙｓを有する蓄圧体積を備えている。第２のピストン９と弁閉鎖部材１０との間の領域には、弁閉鎖部材１０を操作するための中間ピストン１７が配置されている。この中間ピストン１７は、第２のピストン９よりも小さな直径を有しており、この場合、中間ピストン１７の弁閉鎖部材１０に面した端部はシステム圧域１４内に配置されており、第２のピストン９に面した端部は、システム圧域１４の圧力よりも小さな圧力の戻し域１８内に配置されている。
【００２８】
中間ピストン１７は弁体６内をガイドされており、この場合、中間ピストンのガイド２５は、システム圧域１４と戻し域１８との間の差圧が保持され続けるような遊びを備えて構成されている。つまり、前記ガイド２５は狭いガイド遊びを備えて構成する必要があり、これにより、システム圧域１４から戻し域１８に向かう漏れ損失は僅かである。
【００２９】
システム圧域１４は、弁室１６から導管１９を介して別の弁室２０まで延びており、この別の弁室２０の弁部材装置５に面した側は第１のピストン８によって制限される。更に、液圧室１１内は主としてシステム圧ｐ＿ｓｙｓが支配している。システム圧域１４のシステム圧ｐ＿ｓｙｓは、別の弁室２０と接続された圧力保持弁２１によって制限され、この場合、システム圧域１４における許容不能に高い圧力は、応答する前記圧力保持弁２１によって戻し域１８に向かって減圧される。つまり、システム圧が極端に高い場合は、圧力保持弁２１が開いて規定された量の燃料がシステム圧域１４から戻し域１８へ案内される。
【００３０】
次に、噴射過程に続く液圧室１１の再充填を説明する。
【００３１】
圧電アクチュエータユニット４が作動していない場合、第１のピストン８は、弁体６と第１のピストン８のカラー２３とに支持されたばね２２によって圧電アクチュエータユニット４に対して押圧される。
【００３２】
噴射過程後に減少した液圧室１１の体積に基づき、第２のピストン９は軸方向で、中間ピストン１７と弁閉鎖部材１０との間にギャップが形成されているように、第１のピストン８に向かって大きく摺動されている。このことは、燃料噴射弁１を遅延無く制御するには不都合な位置に弁部材装置５をもたらしているので、液圧室１１を、中間ピストン１７が弁閉鎖部材１０に当接するように充填する必要がある。
【００３３】
液圧室１１の充填は、システム圧域１４から液圧室１１へ、システム圧ｐ＿ｓｙｓに基づき燃料が別の弁室２０から第１のピストン８と弁体６との間のギャップを介して液圧室１１へ流入するように行われる。第２のピストン９と弁体６との間の案内ギャップを介した戻し域１８からの充填は、およそ１ｂａｒに相当する戻し域の低い圧力に基づき行われない。
【００３４】
中間ピストン１７は、第２のピストン９よりも小さな直径を備えて形成されているので、中間ピストン１７と第２のピストン９との間のピストン直径比に基づき、第２のピストン９と中間ピストン１７とが弁閉鎖部材１０に向かって摺動される。
【００３５】
弁閉鎖部材１０の中間ピストン１７とは反対の側に配置されたばね１５は、弁閉鎖部材１０を高圧若しくはレール圧が存在しない場合でも、高圧域１３の側から弁座１２に保持しようとし且つシリンダヘッド内の燃料噴射弁の組込み位置が垂直方向の場合は、弁閉鎖部材１０、中間ピストン１７及び第２のピストン９の重さをもたらすように寸法決めされている。従って、前記ばね１５は極めて小さく寸法決めすることができ、この場合、このばね１５によってもたらそうとする力は１Ｎ未満の範囲内であってよい。
【００３６】
中間ピストン１７は、本実施例では第２のピストン９に対する別個の構成部材として形成されている。この場合、第２のピストンと中間ピストンとを一体に構成し、これにより、第２のピストンは比較的小さな横断面を有する領域を以て弁閉鎖部材に到達する段付きピストンとして形成されているということは、当然のことながら当業者が決めることである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
液体制御弁の１実施例の概略図である。
【符号の説明】
１  燃料噴射弁、  ２  弁、  ４  アクチュエータユニット、  ５  弁部材装置、  ６  弁体、  ７  アクチュエータヘッド、  ８  第２のピストン、  ９  第２のピストン、  １０  弁閉鎖部材、  １１  液圧室、  １２  弁座、  １３  高圧域、  １４  システム圧域、  １５  ばね、  １６  弁室、  １７  中間ピストン、  １８  戻し域、  １９  導管、  ２０  弁室、  ２１  圧力保持弁、  ２２  ばね、  ２３  カラー
【国際公開パンフレット】
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2004537001.tif 000012
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2004537001.tif 000014
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2004537001.tif 000018
2004537001.tif 000019
2004537001.tif 000020
2004537001.tif 000021
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004537001.tif 000023
【国際調査報告】
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2004537001.tif 000025
2004537001.tif 000026
2004537001.tif 000027
2004537001.tif 000028
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