(57)【要約】本発明はピエゾアクチュエータ（２）、該ピエゾアクチュエータ（２）のストロークを変換するための変換器及び、該変換器によって作動可能な制御弁（１４）を有する形式の液体制御用の弁に関する。更にまたピエゾアクチュエータ（２）の、温度変動に起因した長さ変化を補償するための温度補償装置（２７）も設けられている。変換器がこの場合、膜（３）として構成されていて、かつピエゾアクチュエータのストロークを変換比ａ／ｂで変換する。膜（３）が同時にまた、ピエゾアクチュエータを、制御すべき液体から封止する役割も果たす。
2004519615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体制御用の弁であって、ピエゾアクチュエータ（２）、該ピエゾアクチュエータ（２）のストロークの変換ための変換器、該変換器により作動可能な制御弁（１４）及び、温度補償装置（２７）を備えている形式のものにおいて、変換器が膜（３）として構成されていることを特徴とする、液体制御用の弁。
【請求項２】
膜（３）が、ピエゾアクチュエータ（２）を制御弁（１４）に対して封止している請求項１記載の弁。
【請求項３】
温度補償装置（２７）が、直接にピエゾアクチュエータ（２）に設けられている請求項１又は２記載の弁。
【請求項４】
温度補償装置（２７）が第１基座部分（４）、第２基座部分（５）及びスリーブ（６）から成っており、第１基座部分（４）及び第２基座部分（５）がそれぞれピエゾアクチュエータ（２）の端面に配置されており、かつスリーブ（６）が両基座部分（４，５）及びピエゾアクチュエータ（２）を包囲しており、第１及び第２基座部分（４，５）並びに前記ピエゾアクチュエータ（２）の、温度に起因した長さ変化が、スリーブ（６）の温度に起因した長さ変化に実質的に等しくなっている請求項３記載の弁。
【請求項５】
ピエゾアクチュエータ（２）から膜（３）への力伝達が、ブシュ（８）によって行われるようになっている請求項１から４までのいずれか１項記載の弁。
【請求項６】
不作動状態において膜（３）と制御弁（１４）の弁部材（１５）との間に、又は前記膜（３）と円筒ブシュ（８）との間に、構成部材の、温度に起因した長さ変化を付加的に補償するための間隔（ｈ１）が設けられている請求項１から５までのいずれか１項記載の弁。
【請求項７】
膜（３）の力導入域（３１）が、保持域（３０）に対して角度（α）をとってピエゾアクチュエータ（２）の力方向（Ｆｐ ）とは逆向きに湾曲されている請求項１から６までのいずれか１項記載の弁。
【請求項８】
膜（３）が保持域（３０）と力導入域（３１）との間に、曲率半径（Ｒ１）をもって形成された移行域を有している請求項７記載の弁。
【請求項９】
膜（３）がねじリング（１１）によって緊締されている請求項１から８までのいずれか１項記載の弁。
【請求項１０】
制御弁（１４）が、外向きに開放する弁として構成されている請求項１から９までのいずれか１項記載の弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は、液体制御用の弁、特に燃料噴射弁に関する。
【０００２】
背景技術
液体制御用の弁は、種々異なった実施形態で公知になっている。例えば米国特許第４０２２１６６号明細書により公知の圧電式の燃料噴射弁では、弁部材の制御は、圧電素子を介して行われる。この場合、圧電素子のストロークはレバーを介して弁ニードルに直接に伝達される。更にまた、弁ニードルとレバーを夫々の起点位置に保持するために２つの戻しばねが設けられている。レバーを介して互いに連結している２つの戻しばねを備えたこのような構成によって、著しく振動に敏感な構造が生じ、このような構造は、振動を増幅することがあるので、特に高圧噴射のためには適していない。
【０００３】
更に、ピエゾアクチュエータのストロークを伝達するために油圧変換器を使用するインジェクタが公知である。この形式の解決手段は、しかしながら一般に比較的複雑な構造を有しており、かつ多数の部品から成っている。その上に漏れ損失を補償するために油圧変換器には油圧を常時給圧充填することが必要になり、これが、この形式の弁構造を複雑にし、かつ製作費をコスト・アップすることになる。
【０００４】
ピエゾアクチュエータは、著しく小さなストローク性能しか有さず、この小さなストローク性能を変換せねばならないので、公知の機械式又は油圧式の変換器にかかる経費は比較的大きくなる。
【０００５】
発明の開示
請求項１に記載した構成手段を有する、本発明の液体制御用の弁は、従来技術に対比して、僅かな部品個数しか必要とせず、これによって構造が著しく単純化され、かつ製作コストが節減されるという利点を有している。本発明では、ピエゾアクチュエータのストロークの変換のために膜（ダイヤフラム）変換器が使用される。ピエゾアクチュエータのストロークを機械的に変換するために膜を使用する場合には特に、通常高い精度で製作されねばならない所要レバーを省くことができ、このようなレバーは通常、機械式変換器の場合、製作費の著しく大きな部分を占めることになる。これに対比して膜の製作費は著しく低廉である。更に膜は封止機能を有している。これによって本発明の変換器では、漏れオイルに対する封止作用が得られる。更に、運転中の昇温によるピエゾアクチュエータの長さ変化を補償するために、温度補償装置が設けられている。
【０００６】
有利には本発明の膜は、ピエゾアクチュエータを制御弁に対して封止するように配置されている。従って変換器膜は同時に封止エレメントとしても構成されている。これに対して公知の機械式及び油圧式の変換器の場合には、ピエゾアクチュエータを被制御液体に対して封止するために、付加的な封止装置が必要になる。このために通常は、ピエゾアクチュエータに直接沿って別個の封止装置が使用される。本発明の実施形態によって膜は、ピエゾアクチュエータのストローク変換作用とピエゾアクチュエータの封止作用という二重の機能を有している。これによって特に部品個数が更に削減され、かつ製作費がコストダウンされる。
【０００７】
温度補償装置はピエゾアクチュエータに直接配置されているのが有利である。これによって本発明の弁では格別コンパクトな構造が得られる。
【０００８】
本発明の有利な実施形態によれば温度補償装置は、第１基座部分、第２基座部分並びにスリーブを有している。第１基座部分及び第２基座部分はピエゾアクチュエータの両端面側にそれぞれ１つ配置されている。スリーブは、両基座部分とピエゾアクチュエータを包囲している。第１及び第２の基座部分並びにピエゾアクチュエータの、温度に起因した長さ変化は、スリーブの、温度に起因した長さ変化に実質的に等しい。ピエゾアクチュエータは熱伝導媒体によって包囲されているのが特に有利である。更にまたケーシングは、例えばアンバー（Ｉｎｖａｒ）のような、ピエゾに類似の膨張係数を有する材料から成っているのが有利である。両基座部分は、温度補償を最適化するために例えばアルミニウムから製作することができる。この場合ピエゾアクチュエータは一般に負の膨張係数を有し、かつアルミニウム製基座部分は正の膨張係数を有しているので、膨張の和はケーシングの膨張にほぼ等しい。
【０００９】
本発明の有利な実施形態によれば、ピエゾアクチュエータから膜への力の伝達はブシュ（円筒体）によって行われる。これによってブシュと膜との間にはリング状の接触域が生じるので、膜への力導入を均等に行うことが可能である。
【００１０】
弁の不作動状態では膜とブシュとの間に間隔が介在しているのが有利である。これに基づいて、場合によってはなお発生するところの、構成部品の温度に起因した長さ変化が補償され、従ってまた、場合によって残存する温度補償の残留誤差を補償することも可能になる。膜と制御弁の弁部材との間に間隔を介在させておくことも可能である。しかしながら温度補償のための間隔は、膜とブシュとの間に設ける方が有利である。それというのは、このようにすれば温度補償誤差が一緒に変換されることがないからである。
【００１１】
膜に作用する引張り応力を最小限にするために、膜はサイド固定部位において、角度をとってピエゾアクチュエータの力方向とは逆向きに湾曲されているのが有利である。
【００１２】
本発明の有利な実施形態によれば膜はそのサイド固定部位の領域に、特定の曲率半径で湾曲された領域を有している。これによって膜の緊締域から膜の本来の変換域への連続的な移行が生じるので、これによって、膜にかかる応力を更に減少させることが可能になる。膜はその外周域でねじリングによって緊締されているのが有利である。これによって膜は、膜強度を低下させることになる貫通孔などを膜に穿設する必要なしに、簡単な形式で固定される。膜はこの場合、ねじリングと、該ねじリングに対向した面との間に緊締される。この場合、膜の外縁域には、同じくねじリングによって緊締されるパッキン、例えばＯリングを設けておくのが有利である。
【００１３】
ピエゾアクチュエータの戻りを可能にするために、ピエゾアクチュエータと膜との間には戻しエレメントを配置しておくのが有利である。制御弁は、外向きに開く弁として構成されているのが有利である。
【００１４】
本発明の弁は、例えばコモンレールシステムのような蓄圧式噴射システムにおける燃料噴射弁として使用されるのが特に有利である。
【００１５】
発明を実施するための最良の形態
次に図面に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。図１は、本発明によるコモンレールシステム用の燃料噴射弁の概略断面図である。
【００１６】
図１に示すように弁１は、ピエゾアクチュエータ２並びに温度補償装置２７を有している。温度補償装置２７は第１基座部分４と第２基座部分５とスリーブ６と熱伝導媒体７とから成っている。第１基座部分４と第２基座部分５は夫々ピエゾアクチュエータ２の各端面側に配置されている。熱伝導媒体７はピエゾアクチュエータ２のサイド域を包囲している。スリーブ６はケーシングとして使用され、かつ両基座部分４，５並びに熱伝導媒体７を包囲している。両基座部分４，５はアルミニウムから製作され、またスリーブ６は、ピエゾアクチュエータに類似した膨張係数を有するアンバーから製作されている。ピエゾアクチュエータ２は負の膨張係数を有し、かつ両アルミニウム製基座部分は大きな正の膨張係数を有しているので、その膨張係数の和は、スリーブ６の膨張にほぼ等しい。また第１基座部分４内には、電気接続部２６用の導線を通すための貫通孔が設けられている。
【００１７】
更に本発明では、保持域３０、力導入域３１及び力放出域３２（図２参照）を有する膜３が設けられている。膜３の縁域に相当する保持域３０で膜は、ケーシング段部１２とねじリング１１との間に固定的に緊締されている。力導入域３１は隆起形状に形成されており、しかもピエゾアクチュエータの力方向Ｆｐ とは逆向きに湾曲されている（図２、参照）。力導入域３１は、膜３とピエゾアクチュエータ２の第２基座部分５との間に配置されたブシュ８に接触している。力放出域３２はフラットに形成されており、かつ加圧子１３が力放出域３２に沿って形成されている。図１に示すように加圧子１３は、膜３の、制御弁１４寄りの側に設けられている。
【００１８】
制御弁１４は弁部材１５、第１弁座１６及び第２弁座１７を有している。弁部材１５は球形区分と円筒形区分とから形成されている。起点位置において弁部材１５は第１弁座１６に位置し、かつ該弁座を閉鎖している。更にまた制御弁１４は導管１８を介して漏れオイル接続部１９に接続されている。絞り２０を介して制御弁１４は、更に制御室２１に接続されており、制御室内にはピストン２２が配置されており、ピストンを介して、図示を省いた弁ニードルが作動される。制御室２１は絞り２４を介して、コモンレールからの供給路２３に連通している。供給路２３から分岐する分岐導管２５はこの場合、ノズルに通じている。
【００１９】
更にまたピエゾアクチュエータに予荷重をかけるために予荷重ばね９が設けられている。予荷重ばね９は、ねじリング１１に形成された段部に支持され、かつ第２基座部分５を介してピエゾアクチュエータ２を押圧する。予荷重ばね９はこの場合、皿形ばねとして構成されている。
【００２０】
次に本発明の弁１の機能態様を説明する：ピエゾアクチュエータ２が作動されると、ピエゾアクチュエータのストロークは、第２基座部分５とブシュ８を介して膜３に伝達される。より正確に言えば、ピエゾアクチュエータ３のストロークは、膜３の力導入域３１へ伝達される。膜３はその場合、ねじリング１１とケーシング段部１２との間に固定的に緊締されている。膜３の前記緊締域を封止するために、Ｏリング１０が使用される。
【００２１】
図２に示すように、膜３の力導入域３１は、保持域３０に対して角度αをとって配置されている。その場合、保持域３０と力導入域３１との間の移行域には、曲率半径Ｒ１をもって形成された湾曲域が設けられている。膜３の緊締部位をこのように構成することによって、膜３における引張り応力を最小限に抑えることが可能である。これによって膜３の高い耐用寿命が保証される。ピエゾアクチュエータ２によって膜に及ぼされる力Ｆｐ は、膜変換比ａ／ｂによって変換され、かつ力放出域３２で加圧子１３を介して変換力ＦＭとして制御弁１４に伝達される。この場合、区間ａは、ピエゾアクチュエータの導入された力Ｆｐ の中点と緊締された膜の内縁域との距離であり、区間ｂは、導入された力Ｆｐ の中点から弁中心軸線Ｘ−Ｘに至る距離である（図２、参照）。
【００２２】
ピエゾアクチュエータの変換ストロークが、制御弁１４の弁部材１５に伝達され、これによって制御弁は第１弁座１６から離間する。その場合制御弁は、第２弁座１７に座止しない程度に離間する。これによって制御室２１と漏れオイル接続部１９との間に連通路が形成されているので、制御室２１内の圧力は低下する。これによってピストン２２は、ピエゾアクチュエータ２の方に向かって動かされ、かつ、ピストン２２に結合された弁ニードルはその弁座から離間する。これによって弁ニードルに沿って燃料噴射が始まる。
【００２３】
ところで噴射を終了させようとする場合には、ピエゾアクチュエータ２がもう一度作動制御され、これによってピエゾアクチュエータは再びその起点位置へ復帰する。これによって弁部材１５は再びその第１弁座１６へ向かって運動し、ひいては制御室２１と漏れオイル接続部１９との間の連通路を閉鎖する。これによって制御室２１内には再び圧力が増成され、該圧力はピストン２２を再びその起点位置へ動かし、ひいては弁ニードルが再び噴射オリフィスを閉鎖するので、燃料噴射は終了する。ピエゾアクチュエータ２の戻りはその場合、予荷重ばね９によって助成される。膜３の戻りはこの場合、その固有張力に基づいて行われる。膜３の戻りは、例えば力放出域３２に作用するばねエレメントを介して行うこともできる。
【００２４】
本発明によれば弁の稼働中、昇温に基づくピエゾアクチュエータ２の長さ変化を機械的に補償することを温度補償装置２７が保証する。温度補償装置２７によって補償されなかった場合にピエゾアクチュエータ２の長さ変化を補正するために、図１に示すように、弁部材１５と膜３の加圧子１３との間には、ピエゾアクチュエータ２のストロークよりも遥かに小さな間隔ｈ１が設けられており、これによって、ピエゾアクチュエータ２の、補償されなかった長さ変化を補正することが可能になる。
【００２５】
従って本発明の膜によってピエゾアクチュエータ２のストロークは膜変換比ａ／ｂでもって変換される。その場合、ブシュ８の直径を変化することによって、変換比を比較的簡単な形式で変化することが可能である。
【００２６】
本発明の膜３は、変換機能以外に、弁の燃料域に対するピエゾアクチュエータ２の封止機能も果たすので、燃料がピエゾアクチュエータ２に達して、ひいては該ピエゾアクチュエータの性能を損なうような事態を確実に防止することが可能になる。これによって、ピエゾアクチュエータの使用時に通常必要になる封止エレメント、しかも一般にピエゾアクチュエータ２に直接配置されているような封止エレメントを省くことができる。これによって本発明の弁の製作コストを更に削減することが可能になる。
【００２７】
膜３はピエゾアクチュエータ２の力方向Ｆｐ に対して角度αをとって湾曲されているので、膜の緊締域における引張り応力を最小限に抑えることが可能である。角度αはその場合、図２に示すように水平な保持域３０と力導入域３１の勾配との間の角度である。
【００２８】
従って本発明は、ピエゾアクチュエータ２と、該ピエゾアクチュエータ２のストロークを変換する変換器と、該変換器によって作動可能な制御弁１４とを備えた液体制御用の弁に関する。更に本発明では、温度変動に起因したピエゾアクチュエータ２の長さ変化のための温度補償装置２７が設けられている。前記変換器はその場合、膜３として構成されており、かつピエゾアクチュエータのストロークを変換比ａ／ｂで変換する。制御すべき液体からのピエゾアクチュエータ２の封止が膜３によって同時に形成される。
【００２９】
本発明の実施例の以上の説明は、例示目的のためにだけ使用され、本発明を減縮する目的のために使用されるものではない。本発明では、発明の思想の範囲並びにその等価物を逸脱することなしに、種々異なった態様で実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施例による燃料噴射用の弁の概略断面図。
【図２】
図１に示した膜の半割部分の概略拡大断面図。
【符号の説明】
１    弁、  ２    ピエゾアクチュエータ、  ３    膜、  ４    第１基座部分、  ５    第２基座部分、  ６    スリーブ、  ７    熱伝導媒体、  ８    ブシュ、  ９    予荷重ばね、  １０    Ｏリング、  １１    ねじリング、  １２    ケーシング段部、  １３    加圧子、  １４    制御弁、  １５    弁部材、  １６    第１弁座、  １７    第２弁座、  １８    導管、  １９    漏れオイル接続部、  ２０    絞り、  ２１    制御室、  ２２    ピストン、  ２３    供給路、  ２４    絞り、  ２５    分岐導管、  ２６    電気接続部、  ２７    温度補償装置、  ３０    保持域、  ３１    力導入域、  ３２    力放出域、  Ｆｐ     ピエゾアクチュエータの力又はその力方向を示す矢印、  α    保持域に対する力導入域の角度、  Ｒ１    曲率半径、  ＦＭ    変換力、  ａ    ピエゾアクチュエータの導入された力の中点と緊締された膜の内縁域との距離、  ｂ    導入された力の中点から弁中心軸線に至る距離、  ａ／ｂ    膜変換比、  ｈ１    間隔、  Ｘ−Ｘ    弁中心軸線
【国際公開パンフレット】
2004519615.tif 000003
2004519615.tif 000004
2004519615.tif 000005
2004519615.tif 000006
2004519615.tif 000007
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2004519615.tif 000009
2004519615.tif 000010
2004519615.tif 000011
2004519615.tif 000012
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2004519615.tif 000019
2004519615.tif 000020
【国際調査報告】
2004519615.tif 000021
2004519615.tif 000022
2004519615.tif 000023
2004519615.tif 000024
2004519615.tif 000025
2004519615.tif 000026