(57)【要約】本発明は、液体を制御するための弁に関する。この弁は、ピエゾアクチュエータ（２）と、ピエゾアクチュエータ（２）の行程を変換するための変換装置（３）と、戻し部材（４）と、弁部材（５）とを備えている。この場合、変換装置はロッカアーム（３）として形成されていて、弁部材（５）はロッカアームに組み込まれており、これにより、最小の部品数で高いシステム剛性が得られる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を制御するための弁であって、ピエゾアクチュエータ（２）と、ピエゾアクチュエータ（２）の行程を変換するための変換装置と、戻し部材（４）と、弁部材（５）とを備えた形式のものにおいて、
変換器がロッカアーム（３）として形成されていて、弁部材（５）はロッカアーム（３）に組み込まれていることを特徴とする、液体を制御するための弁。
【請求項２】
ロッカアーム（３）と弁部材（５）とが一体に形成されている、請求項１記載の液体を制御するための弁。
【請求項３】
弁部材（５）が球として形成されている、請求項１記載の液体を制御するための弁。
【請求項４】
ロッカアーム（３）が、弁部材（５）を収容するために切欠（１１）を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の液体を制御するための弁。
【請求項５】
戻し部材（４）が、ロッカアーム（３）に直接に作用する、請求項１から４までのいずれか１項記載の液体を制御するための弁。
【請求項６】
変換器がガイドスリーブ（２０）に配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の液体を制御するための弁。
【請求項７】
弁部材（５）が二重座弁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項記載の液体を制御するための弁。
【請求項８】
ロッカアーム（３）がタイロッド（２１）を介してピエゾアクチュエータ（２）に結合されている、請求項７記載の液体を制御するための弁。
【請求項９】
ロッカアーム（３）に貫通孔（１４）が形成されていて、該貫通孔には別個の弁部材（５）が収容されている、請求項７記載の液体を制御するための弁。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか１項記載の液体を制御するための弁の使用法であって、コモンレールシステムのための噴射装置において使用することを特徴とする、液体を制御するための弁の使用法。
【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液体を制御するための弁に関する。
【０００２】
液体を制御するための弁は種々様々な構成が公知である。例えば、ＵＳ−４０２２１６６により、圧電式の燃料噴射弁が公知である。この公知の燃料噴射弁では、弁部材の制御が圧電式のエレメントによって行われる。この場合、圧電式のエレメントの行程は、レバーを介して直接に弁ニードルに伝えられる。さらに２つの戻しばねが設けられていて、弁ニードルとレバーとをその都度出発位置に保持している。レバーを介して互いに結合された２つの戻しばねを備えたこのような構成に基づき、極めて振動に敏感な構成となり、これは特に、振動に揺れ動く恐れがあるので、高圧噴射には適していない。
【０００３】
さらに、ピエゾアクチュエータの行程を変換するために、液圧的な変換装置を使用するインジェクタが公知である。しかしながらこのような手段は、一般に、比較的複雑な構成を有していて、多数の部品から成っている。ピエゾアクチュエータは極めて小さな行程能力しか有していないので、公知の機械的または液圧的な変換装置における手間は比較的大きい。
【０００４】
発明の効果
請求項１の特徴を有する、本発明による液体を制御するための弁は、これに対して、極めて簡単に構成でき、安価に製造できるという利点を有している。変換器をロッカアームとして構成し、弁部材をロッカアームに組み込むことにより、本発明による液体を制御するための弁は、ごく僅かな数の構成部分しか有さない。従って本発明による弁の特にコンパクトな構成形式が得られる。これによりアクチュエータから弁座へのシステムの最大の剛性が得られ、この場合、個々の構成部分間の最小の数の接触領域が得られる。さらに場合によっては生じるシステムの行程誤差は変換器を介して補償できる。変換器は、弁の、燃料が充填された室内に配置されているので、良好に潤滑され、これにより僅かな摩耗しか生じない。
【０００５】
本発明の特に有利な構成によれば、ロッカアームと弁部材とが一体に形成されている。換言すると、弁部材はロッカアームに直接的に組み込まれている。これにより、個々の構成部分の数を減じることができる。何故ならば別個の弁部材は必要ないからである。弁部材として働くロッカアームの領域のジオメトリ的な構成は、この場合、任意のものである。この場合、弁座において充分なシール特性が存在することが注意されればよい。例えば、ロッカアームの、弁部材として働く領域は半球状または円錐状に形成されてよい。
【０００６】
本発明の別の有利な構成によれば、弁部材が別個の球として形成されていて、この球がロッカアームを介して操作可能である。
【０００７】
有利には、ロッカアームには、弁部材を収容するための切欠が形成されている。この場合、切欠は、弁部材が不動に切欠に配置されているように（例えばプレス嵌めによって）、または弁部材がルーズに切欠に配置されているように形成されていてよい。切欠に弁部材をルーズに配置した場合には、勿論、弁の開放時にロッカアームの経路が制限され、これによりルーズな弁部材がなくなってしまわないことが保証されなければならない。
【０００８】
有利には戻し部材がロッカアームに直接に作用する。有利には戻し部材としては、例えばコイルばねのようなばねが使用される。特に有利には、この場合、ばねの座はロッカアームに形成されている。この座は、例えば、ロッカアームに配置された切欠によって形成されていてよく、この切欠がばねの端部を収容する。
【０００９】
ロッカアームとして形成された変換器ができるだけ小さな遊びを有するように、変換器は有利にはガイドスリーブに配置されている。変換器は運転中にこのガイドスリーブにガイドされる。この場合、ガイドスリーブを簡単に予め僅かな構成誤差で製造することができる。従って、変換器は最小の遊びしか有しておらず、これによりシステム全体は最大の剛性を有している。
【００１０】
本発明の別の有利な構成によれば、弁部材が二重座弁として形成されている。有利にはこの場合、両座が、ロッカアームの１つのアーム側に配置されている。この場合、この弁は、３つの位置をとることができるように形成することができる。即ち、弁部材が第１の弁座に接していて、これを閉鎖している第１の位置と、弁部材が第２の弁座に接していて、これを閉鎖している第２の位置と、弁部材が両弁座のどちらとも接しておらず、両弁座が開放されている第３の位置（中間位置）である。
【００１１】
有利にはロッカアームは、タイロッドを介してピエゾアクチュエータに結合されている。これにより、弁を簡単に中間位置に保持することができる。
【００１２】
二重座弁で弁部材を簡単にロッカアームに組み込むために、ロッカアームには有利には貫通孔が形成されていて、この貫通孔には、例えば球のような別個の弁部材が収容されている。
【００１３】
有利には本発明による液体を制御するための弁は、コモンレールシステムのための噴射装置で使用される。特に有利には、この場合、インジェクタの制御弁として使用される。
【００１４】
従って本発明によれば、構成部品数が少ないことに基づきコンパクトな構成形式であって、従ってシステムの最大の剛性を有するような、液体を制御するための弁が提供される。これにより噴射過程は、特に蓄え式噴射システムにおける燃料噴射装置でより正確に行え、さらに改良される。
【００１５】
実施例の説明
次に本発明の複数の実施例を詳しく説明する。
【００１６】
図１には、コモンレールシステムにおける燃料噴射弁のための制御弁が示されている。図１に示したように、制御弁１はピエゾアクチュエータ２と、ロッカアーム３として形成された機械的な変換器と、戻し部材として使用されるコイルばね４とを有している。ロッカアームはこの場合、弁に設けられた室２５に配置されている。
【００１７】
ロッカアーム３は、図１に示したように半球状の領域５を有している。この領域５は弁部材として形成されている。この場合、半球状の領域５は弁座６を閉鎖している。さらにロッカアーム３は２つの点で、即ち第１の支承部９と第２の支承部１０とで回転可能に支承されている。この場合、ロッカアーム３は、両支承個所９，１０の間の距離の真ん中に位置する仮想点Ｐを中心として回転する。さらに、ロッカアーム３は載置面１３を有しており、この載置面１３にピストン８が載置される。このピストン８はピエゾアクチュエータ２に結合されている。ロッカアーム３の領域５は制御室１８の出口をｗ閉鎖している。制御室１８内には制御ピストン１９が配置されている。制御ピストン１９は、燃料噴射弁の弁ニードルを開閉するために、これに間接的または直接的に結合されている。燃料供給導管１７は絞り１６を介して制御室１８に接続されている。
【００１８】
ピエゾアクチュエータ２は、極めて小さな行程しか運動せず、この行程はピストン８を介してロッカアーム３に伝えられる。この場合、ロッカアーム３の変換比はａ：ｂであって、この場合、ａは支承個所９，１０を通る直線Ａ−Ａと、ロッカアーム３の領域５によって開閉される制御室１８に続く孔の中心線との間のロッカアームの長さである。長さｂは、この場合、軸線Ａ−Ａと、ロッカアーム３を押すピストン８の中心軸線を形成する軸線Ｃ−Ｃとの間の距離である。
【００１９】
以下に、第１の実施例による制御弁の作用を記載する。供給導管１７を介して高圧下でインジェクタの噴射ニードルに当接する燃料が、噴射される場合、ピエゾアクチュエータ２は、ピストンの方向で行程運動を行うように作動される。ピエゾアクチュエータ２のこのような行程運動はピストン８を介してロッカアーム３の第１のレバーｂに伝えられる。これにより、ロッカアーム３は、軸線Ａ−Ａ上の点Ｐを中心として回転するので、ロッカアーム３の領域５はコイルばね４の力に抗して弁座６から持ち上げられる。これにより、制御室１８が、絞り１５を介して、ロッカアーム３が配置されている室２５に接続される。絞り１６を介して制御室１８は燃料供給通路１７にも接続されている。制御弁が開かれた状態では、燃料は絞り１５を介して室２５に流れ込む。これにより制御室１８の領域における圧力が減少し、これにより制御ピストン１９はロッカアーム３の方向に運動される。これによりインジェクタの弁ニードルはその座から持ち上がり、燃料が燃焼室内に噴射される。
【００２０】
ピエゾアクチュエータ２が停止されると、ロッカアーム３は、戻しばね４を介して再び出発位置に戻される。これによりロッカアーム３の領域は再び弁座６に当接する。これにより制御室１８の領域における圧力は上昇し、これにより制御ピストン１９は逆方向に動かされる。これにより、弁ニードルは再びインジェクタの座をシールし、燃料噴射は終了される。
【００２１】
ロッカアーム３が、弁座６における弁部材として開閉する領域５と一体に形成されていることにより、少ない構成部分を有する極めてコンパクトな構成形式が得られる。さらにこれにより、制御弁は極めて剛性的なシステムとして形成でき、従って特に噴射精度は、先行技術のものと較べて改良される。
【００２２】
図２には、燃料を噴射するためのインジェクタのための制御弁の第２の実施例が示されている。同じ部分もしくは機能的に同等の部分は、第１実施例と同じ符号を付与する。第２の実施例は、第１の実施例にほぼ相応するので、以下には相違点のみを詳説する。
【００２３】
第１の実施例とは異なり、第２の実施例のロッカアーム３は、切欠１１を有していて、この切欠に、別個の弁部材５が配置されている。図２に示したように、弁部材は弁球５として形成されている。弁球５はロッカアーム３の切欠１１にルーズに配置されている。
【００２４】
図２に示したように、ロッカアーム３は、支承個所９でしか支承されていない。従って、ロッカアーム３の旋回点は、Ａ−Ａ線上の軸受個所９とロッカアーム３との接触領域にある。
【００２５】
システムの剛性を高めるために、室２５の側壁には、ロッカアーム３を受容するために２つの突出した隆起部２３，２４が形成されている。これらの隆起部２３，２４の間にロッカアーム３が配置されている。これらの隆起部２３，２４は、ロッカアーム３をガイドするために働き、さらにシステムの剛性を高める。ロッカアーム３のてこ比は、両アームの長さａ：ｂによって規定され、使用例に応じてレバーアームの長さを変更することによって変更することができる。このためには、単に別のロッカアーム部材３をインジェクタに組み込めばよく、その支承点９は左右に移動される。
【００２６】
図２に示したインジェクタの作用は、第１実施例のインジェクタの作用にほぼ相応しているので、第１実施例の説明を参照されたい。
【００２７】
図３には、本発明の第３実施例による燃料を噴射するためのインジェクタのための制御弁が示されている。同じ部分もしくは機能的に同等の部分は、前記両実施例と同じ符号を付与する。第３の実施例は、第２の実施例にほぼ相応するので、以下には相違点のみを詳説する。
【００２８】
第２の実施例との相違点は、第３の実施例では、隆起部２３，２４が設けられていないことである。その代わりに、第３の実施例では、ロッカアーム３をガイドするためにガイドスリーブ２０が設けられている。ガイドスリーブ２０は予め簡単に製造することができ、この場合、高い製造誤差の要求が満たされるので、システムの剛性はさらに改良される。その他の点は、第３の実施例は第２の実施例に相応するので、さらなる説明は省略する。
【００２９】
図４には、本発明の第４実施例による液体を制御するための弁が示されている。同じ部分もしくは機能的に同等の部分は、前述の実施例と同じ符号を付与する。
【００３０】
本発明の第４の実施例は、二重弁として形成されている。この場合、第１の弁座６と第２の弁座７とが設けられており、これらの弁座６，７は共通の弁部材５を介してその都度、開閉される。
【００３１】
図４に示したように、弁のロッカアーム３は、貫通孔１４を有するように形成されている。この貫通孔１４には、球として形成された弁部材５が不動に、例えばプレス嵌めによって固定されている。ロッカアーム３は、第１の支承部９で回転可能に支承されている。戻し装置としてはやはり、コイルばね４が設けられている。このコイルばね４は、ピストン２２を介してロッカアーム３に作用する。図４に示したように、ばね４はこの場合、ピエゾアクチュエータ２の行程をロッカアーム３に伝えるピストン８と共通の軸線Ｃ−Ｃ上に位置するように配置されている。てこ比は、前述の実施例と同様にａ：ｂである。
【００３２】
さらに２つの突出する隆起部２３，２４がケーシングに配置されていて、ロッカアーム３をガイドするために働く。
【００３３】
閉鎖状態では、弁座６において弁が閉鎖されている。ピエゾアクチュエータ２が操作されると、弁はばね４の力に抗して、ロッカアーム３を介して弁座６から弁座７に動かされて、弁座７は閉鎖される。プレロードばね（図示せず）によるピエゾアクチュエータ２の引き戻しにより、ロッカアーム３は、ピストン８に不動に結合されていて、ロッカアーム３の右側のレバーアームをＵ字形に取り囲むタイロッド２１を介して再び弁座７から持ち上げられ、これにより一貫した開口が導管２６から制御室１８へと形成される。これにより、流体は制御室１８から導管２６へと流れ、これにより制御室１８において負圧が生じ、制御ピストン１９は弁球５の方向に動かされ、例えば、制御ピストン１９に結合された弁ニードルが弁座から持ち上げられ、燃料噴射を可能にする。弁１は再びばね４によって戻され、これにより球５が弁座６に再び接触する。
【００３４】
図５および図６には、制御弁１の行程（図６）もしくは噴射弁の行程（図５）が時間に関して示されている。図６に示したように、弁１の出発状態では弁座６は閉鎖されている。ピエゾアクチュエータ２が作動されると、弁１は短時間弁座７で閉鎖され、この場合、上述したピエゾアクチュエータの戻し作用に基づき、弁座６と弁座７との間の中間位置がとられる。この中間位置では、負圧が制御ピストン１９に作用する。この負圧に基づき、噴射弁のニードル弁は、図５に示したような制御弁の中間位置の間に、燃料を燃焼室に噴射するために開く。ピエゾアクチュエータ２が停止されると、制御弁は再び弁座６で基本位置をとり、これにより燃料の噴射は終了する（図５および図６参照）。
【００３５】
図５には、実際の噴射前に小さなニードル行程が示されている。このニードル行程は、論理的には弁座６の開放と弁座７の閉鎖との間の中間時間に生じる。しかしながらシステムの慣性により、特に制御弁の切替時間も極めて小さいので、このことは実際には意味がない。
【００３６】
本発明は、液体を制御するための弁に関するものである。この弁は、ピエゾアクチュエータ２と、ピエゾアクチュエータ２の行程を変換するための変換器３と、戻し部材４と、弁部材５とを有する。この場合、変換器はロッカアーム３として形成されていて、弁部材５はロッカアーム３に組み込まれていて、これにより最小の部品数で高いシステム剛性が得られる。
【００３７】
本発明の実施例の前述した説明は、実例でしかなく、本発明を制限するものではない。本発明の範囲では、本発明の範囲および本発明と同等のものの範疇を逸脱することなしに種々様々な変更および改良が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第１実施例による燃料噴射弁のための制御弁を概略的に示した部分断面図である。
【図２】
本発明の第２実施例による燃料噴射弁のための制御弁を概略的に示した部分断面図である。
【図３】
本発明の第３実施例による燃料噴射弁のための制御弁を概略的に示した部分断面図である。
【図４】
本発明の第４実施例による燃料噴射弁のための制御弁を概略的に示した部分断面図である。
【図５】
制御弁に応じた燃料噴射弁のノズル位置を示すグラフである。
【図６】
図４に示した制御弁の位置を時間に関して示したグラフである。
【図５】
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【図６】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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