(57)【要約】本発明は、液体を制御するための弁であって、弁体（７）の孔（１０）内で軸方向に移動可能な弁部材（３）を操作するためのアクチュエータユニット（４）が少なくとも設けられており、弁部材（３）が、弁室（１８）内に配置された、少なくとも１つの第１の弁座（１４）と協働する弁閉鎖部材（１２）と、第１のピストン（９）と、第２のピストン（１１）とを少なくとも有している形式のものに関する。両ピストン（９，１１）の間には、液圧式の増圧装置として作業する液圧室（１３）が配置されている。該液圧室（１３）は、漏れ損失を補償するために充填装置（２４）を有している。該充填装置は、圧力補償通路（２４）から成っている。該圧力補償通路（２４）は、主として、弁室（１８）内に形成された圧力を液圧室（１３）に伝達するので、いわば力補償式の弁が付与されている。
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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、弁体（７）の孔（１０）内で軸方向に移動可能な弁部材（３）を操作するためのアクチュエータユニット（４）、特に圧電式のユニットが少なくとも設けられており、弁部材（３）が、弁室（１８）内に配置された、少なくとも１つの第１の弁座（１４）と協働する弁閉鎖部材（１２）と、第１のピストン（９）と、第２のピストン（１１）とを少なくとも有しており、両ピストン（９，１１）の間に、液圧式の増圧装置として作業する液圧室（１３）が配置されており、該液圧室（１３）が、漏れ損失を補償するために充填装置（２４）を有している形式のものにおいて、充填装置が、主として、圧力補償通路（２４）から成っており、該圧力補償通路（２４）によって、弁室（１８）内に形成された圧力が液圧室（１３）に伝達可能であることを特徴とする、液体を制御するための弁。
【請求項２】
圧力補償通路（２４）が、ほぼ一定の横断面を有している、請求項１記載の弁。
【請求項３】
圧力補償通路（２４）が、弁室（１８）から分岐している、請求項１または２記載の弁。
【請求項４】
圧力補償通路（２４）が、第２のピストン（１１）の高さで、弁部材（３）を案内するための孔（１０）に開口している、請求項１から３までのいずれか１項記載の弁。
【請求項５】
弁部材（３）を案内するための孔（１０）への圧力補償通路（２４）の開口が、液圧室（１３）から間隔を置いて配置されている、請求項４記載の弁。
【請求項６】
第２のピストン（１１）の直径（Ａ１）が、第１の弁座（１４）の直径（Ａ２）にほぼ相当している、請求項１から５までのいずれか１項記載の弁。
【請求項７】
両ピストン（９，１１）の、液圧室（１３）を仕切る端面の面積比が、１．１〜１．３である、請求項１から６までのいずれか１項記載の弁。
【請求項８】
第２のピストン（１１）が、少なくともほぼ２ｍｍ〜３ｍｍの直径を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の弁。
【請求項９】
第２のピストン（１１）を、少なくともほぼ１μｍ〜１．３μｍの幅を備えた環状ギャップ（２５）が取り囲んでいる、請求項１から８までのいずれか１項記載の弁。
【請求項１０】
アクチュエータユニット（４）が操作されていない場合に弁閉鎖部材（１２）が第１の弁座（１４）に位置しているように、弁閉鎖部材（１２）をアクチュエータユニット（４）の方向に負荷するばね（２７）が設けられている、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】
背景技術
本発明は、請求項１の上位概念部に詳しく規定した形式の、液体を制御するための弁から出発する。
【０００２】
液体を制御するためのこのような形式の弁は実際に知られている。この弁は、たとえば自動車の燃料インジェクタ、特にコモンレールインジェクタまたはポンプにおいて種々異なる構成で使用される。
【０００３】
また、このような形式の弁は、ヨーロッパ特許出願公開第０４７７４００号明細書に基づき公知である。この弁は圧電式のアクチュエータによって操作される。このアクチュエータの変位は、液圧式の変換装置もしくは増圧装置および誤差補償エレメントとして働く液圧室を介して弁閉鎖部材に伝達される。液圧室は、互いに異なる直径を備えた２つのピストンの端面の間に位置している。両ピストンのうちの一方、つまり、大きい方の直径を備えたピストンはアクチュエータに結合されており、他方、つまり、小さい方の直径を備えたピストンは弁閉鎖部材に結合されている。液圧室は、大きい方の直径を備えたピストンが圧電式のアクチュエータによって、規定された位置変化を被った場合に、弁閉鎖部材に結合されたピストンが、大きい方の直径を備えた、圧電式のアクチュエータに結合されたピストンに比べて、ピストン直径の増圧比の分だけ増加させられた行程を実施するように形成されている。さらに、弁閉鎖部材の位置を変化させることなしに、液圧室の作業容積を介して、たとえば使用される材料の種々異なる熱膨張係数に基づく誤差ならびに場合によって生ぜしめられる永久歪み作用を補償することができる。
【０００４】
液圧式のシステム、特に液圧式の連結器は、いわゆる「システム圧」を有している。このシステム圧は、このような形式の弁の機能を確保している。システム圧は漏れに基づき減少する。したがって、ハイドロリック液体の十分な後充填が必要となる。
【０００５】
システム圧領域の充填は、たとえば実際に知られているコモンレールインジェクタにおいてハイドロリック液体の供給によって実現される。コモンレールインジェクタでは、システム圧が有利には弁自体に発生させられ、特定のシステムモードで可能な限り一定に保持される。充填はしばしば漏れギャップを介して行われる。この漏れギャップは漏れピンもしくは充填ピンによって形成される。システム圧の調整は原則的に弁によって行われる。システム圧は、たとえば複数のコモンレール弁でも一定に保持することができる。
【０００６】
冒頭で述べた形式の公知の弁における圧電式のアクチュエータは、弁室内に形成される高い圧力に抗して作業しなければならないので、アクチュエータユニットは適宜に大きく設計されなければならない。液圧式の増圧装置の従来の設計は、ピストンと弁座との間の約１０：１の面積比によって特徴付けられている。これによって、最大限に可能な液圧連結器圧が、共通の高圧室（コモンレール）内に形成される圧力の１／１０に制限されている。しかし、調整したい液圧式の連結器圧の調整および検査は手間のかかるものであると同時に高価である。
【０００７】
発明の利点
請求項１の特徴を備えた、液体を制御するための本発明による弁は従来のものに比べて、いわば力補償式の切換弁が付与されており、この切換弁の液圧式の増圧装置が廉価に実現可能であり、さらに、組み込まれたシステム圧供給部を有しているという利点を有している。
【０００８】
さらに、場合によって燃料に含まれるパティキュレートに対しても敏感でない頑丈なシステム圧供給部が付与されている。なぜならば、液圧室の、漏れ時に必要となる充填がバイパス流で行われるからである。
【０００９】
本発明による弁の別の主要な利点は、圧力補償通路によって行われる、液圧室と弁室との間の圧力補償に基づき、アクチュエータユニットの、公知先行技術による弁に比べて僅かな力が必要となる点にある。これによって、たとえばより小さな構造サイズを備えた圧電式のアクチュエータの使用も可能となる。
【００１０】
本発明による弁の有利な構成によれば、圧力補償通路が、弁室から分岐している。圧力補償通路が、第２のピストンの高さで、弁部材を案内するための孔に開口していると有利である。これは特に廉価な構成である。なぜならば、このような形式で形成された圧力補償通路は難なく弁体内に組込み可能であるからである。
【００１１】
システムに良好な保圧能を付与するためには、圧力補償通路が、液圧室から間隔を置いて、弁部材を案内するための孔に開口していると有利である。
【００１２】
液圧結合器圧を弁室内の圧力に調整することができるようにするためには、第２のピストンの直径が、第１の弁座の直径にほぼ相当していると有利である。この場合、弁が誤って開放することはあり得ない。しかし、弁を開放するためには、連結器容積内の僅かな圧力上昇しか必要とならない。
【００１３】
本発明による対象の別の利点および有利な構成は、実施例の説明、図面の簡単な説明および特許請求の範囲から知ることができる。
【００１４】
実施例の説明
以下に、液体を制御するための本発明による弁の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００１５】
図１には、自動車の内燃機関に用いられる燃料噴射弁１の構成部分である本発明による弁が示してある。燃料噴射弁１は、図示の事例では、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。燃料噴射は、弁制御室２内に形成される圧力を介して制御される。弁制御室２は高圧供給部（図示せず）に接続されている。
【００１６】
燃料噴射弁１の操作は弁部材３を介して行われる。この弁部材３は弁体７の孔１０内に案内されている。さらに、弁部材３は、ここでは圧電式のアクチュエータ４として形成されたアクチュエータユニットを介して制御される。圧電式のアクチュエータ４は、弁部材３の、弁制御室および燃焼室とは反対の側に位置していて、慣用の形式で複数の層から成っている。圧電式のアクチュエータ４は、弁部材３に面した側にアクチュエータヘッド５を有していて、弁部材３とは反対の側にアクチュエータベース６を有している。このアクチュエータベース６は弁体７の壁に支持されている。
【００１７】
アクチュエータヘッド５には、支持体８を介して増圧ピストン９１が続いている。さらに、この増圧ピストン９１は、より大きな直径の第１のピストン９に結合されている。この第１のピストン９は弁部材３に対応配置されている。
【００１８】
弁体７の長手方向孔１０内に軸方向で運動可能に挿嵌されている弁部材３は、第１のピストン９の他に第２のピストン１１を有している。この第２のピストン１１は球形の弁閉鎖部材１２を操作するので、以下では、操作ピストンとも呼ばれる。第２のピストン１１の直径Ａ１は第１のピストン９の直径Ａ０よりも小さく寸法設定されている。
【００１９】
両ピストン９，１１は液圧式の増圧装置によって互いに分離されている。この増圧装置は液圧室１３から成っていて、圧電式のアクチュエータ４の変位を第１のピストン９、いわゆる「作動ピストン」を介して操作ピストンひいては弁閉鎖部材１２に伝達する。
【００２０】
システム圧ｐ＿ｓｙｓが形成されている液圧室１３は、この液圧室１３を仕切る両ピストン９，１１の間に共通の補償容積を形成している。液圧室１３の補償容積は、構成部材における温度勾配に基づく誤差または使用される材料の種々異なる熱膨張係数に基づく誤差ならびに万一の永久歪み作用を、操作したい弁閉鎖部材１２の位置に影響を与えることなしに補償するために役立つ。
【００２１】
圧電式のアクチュエータ４と、増圧ピストン９１と、作動ピストン９と、液圧室１３と、操作ピストン１１と、弁閉鎖部材１２とは、１つの共通の軸線に相前後して配置されている。
【００２２】
両ピストン９，１１の互いに異なる直径と、これによって設定された、液圧室１３の増圧比とに基づき、操作ピストン１１は圧電式のアクチュエータ４の操作時に、作動ピストン９よりも増圧比の分だけ大きな行程を実施する。
【００２３】
弁部材３の、弁制御室２寄りの端部に配置された球形の弁閉鎖部材１２は、弁体７に形成された弁座１４，１５と協働する。両弁座１４，１５は、弁体７によって仕切られた弁室１８内に位置している。この弁室１８内には弁閉鎖部材１２も配置されている。また、弁室１８からは、弁座１４の、圧電式のアクチュエータ４に面した側で漏れ流出通路１９が分岐している。弁座１４の、圧電式のアクチュエータ４とは反対の側では、弁室１８が第２の弁座１５と流出絞り２０とを介して、高圧供給部１７に接続された弁制御室２に接続されている。この弁制御室２内には、いわゆる「レール圧ｐ＿Ｒ」が形成されている。
【００２４】
弁制御室２は図１には概略的にしか示されていない。この弁制御室２内には、軸方向に移動可能な弁制御ピストン（図示せず）が配置されている。この弁制御ピストンの軸方向の運動によって、燃料噴射弁１の噴射特性が、自体公知の形式で制御される。弁制御室２は慣用のように噴射管路に接続されている。この噴射管路は、複数の燃料噴射弁に対して共通の高圧蓄え室、いわゆる「コモンレール」に接続されている。
【００２５】
孔１０の、圧電式のアクチュエータ４寄りの端部には、別の弁室もしくは中空室２１が位置している。この中空室２１は、弁体７と、第１のピストン９と、この第１のピストン９および弁体７に結合されたシールエレメント２２とによって仕切られている。図示の事例でベローズ状のダイヤフラムとして形成されたシールエレメント２２は、圧電式のアクチュエータ４が、弁室２１内に含まれた燃料に接触しないことを保証している。漏れ液体を導出させるためには、漏れ管路２３が弁室２１から分岐している。
【００２６】
燃料噴射弁１の操作時の液圧室１３の漏れ損失を補償するためには、液圧室１３が充填装置を有している。この充填装置は圧力補償通路２４から成っている。ここではほぼ一定の横断面を有している圧力補償通路２４は、弁座１４の、圧電式のアクチュエータ４とは反対の側で弁室１８から分岐していて、弁体７を通過しかつ第２のピストン１１の高さで孔１０に開口している。この孔１０内には弁部材３が案内されている。孔１０への圧力補償通路２４の開口は、液圧室１３から間隔ｌを置いて配置されている。本来の連結器容積、すなわち液圧室１３に対するこの間隔ｌは、弁閉鎖部材１２が第２の弁座１４に位置している場合の保圧能を改善していて、したがって、シール長さと呼ばれる。
【００２７】
この場合、液圧室１３の充填は、圧力補償通路２４の開口から出発して、操作ピストン１１を取り囲む環状ギャップ２５を介して行われる。この環状ギャップ２５は約１〜１．３μｍの幅を有していてよい。操作ピストン１１自体は、たとえば２ｍｍ〜３ｍｍの直径Ａ１を有している。この直径Ａ１は弁座１４の直径Ａ２に相当している。第１のピストン９の直径Ａ０は、すでに上述したように、操作ピストン１１の直径Ａ１よりも大きく寸法設定されていて、たとえば両ピストン９，１１の、液圧室１３を仕切る端面の面積比が１．１〜１．３となるように選択されている。
【００２８】
いずれにせよ、液圧室１３の間接的な充填は、制御の間の液圧室１３内の保圧能の改善に役立つ。圧力補償通路２４が、ピストン９を取り囲む環状ギャップ２６に開口しているかまたは液圧室１３に直接開口していることも可能である。
【００２９】
圧力補償通路２４は、弁室１８と液圧室１３とに主として同じ圧力が形成されることを保証している。すなわち、システム圧ｐ＿ｓｙｓはほぼレール圧ｐ＿Ｒに相当している。これによって、弁閉鎖部材１２を僅かな力消費で圧電式のアクチュエータ４によって操作できることが可能となる。すなわち、いわば力補償式の切換弁が付与されている。
【００３０】
直径Ａ１が直径Ａ２に相当していることによって、切換弁が誤って開放することなしに、連結器圧、すなわち、液圧室１３内に形成された圧力は、弁室１８内に形成された圧力に相当することができる。切換弁を開放するためには、液圧室１３内の僅かな圧力上昇しか必要とならない。この圧力上昇は圧電式のアクチュエータ４によって発生させられる。
【００３１】
２ｍｍ〜３ｍｍの範囲内の小さなピストン直径と、１μｍ〜１．３μｍのシールギャップ高さ（両ピストン９，１１を取り囲む環状ギャップ２６，２５の幅）との組合せによって、コモンレール全システムの量バランスが補償されているように、システムの漏れを低く保持することが可能となる。
【００３２】
球形の弁閉鎖部材１２は、ばね２７、たとえばコイルばねによって圧電式のアクチュエータ４の方向に負荷されている。これによって、圧電式のアクチュエータ４に電圧が印加されていない場合、すなわち、圧電式のアクチュエータ４が作動させられていない場合には、弁閉鎖部材１２は第１の弁座に位置している。図示の事例では、ぱね２７は弁閉鎖部材１２に直接接触している。しかし、ばね２７は、弁閉鎖部材１２に結合された操作ピストン１１にも作用していてよい。
【００３３】
ただ１つの図面に示した燃料噴射弁は、以下に説明する機能形式で作業する。
【００３４】
燃料噴射弁１の閉鎖された状態、すなわち、電圧が圧電式のアクチュエータ４に印加されていない場合には、弁閉鎖部材１２が、この弁閉鎖部材１２に対応配置された、図面で見て上側の弁座１４に接触していて、とりわけ適切に予荷重もしくはプレロードがかけられているばね２７と、レール圧ｐ＿Ｒとによって第１の弁座１４に向かって押圧される。
【００３５】
圧電式のアクチュエータ４と別の弁構成部分との、たとえば温度による長さ変化に基づく緩慢な操作時には、弁閉鎖部材１２の位置ひいては燃料噴射弁１の開放状態に全体として影響を与えることなしに、作動ピストンとして働く第１のピストン９が液圧室１３の補償容積内に進入し、温度低下時に液圧室１３から再び引き戻される。
【００３６】
弁を開放するためには、すなわち、燃料噴射弁１によって燃料を、たとえば内燃機関に噴射したい場合には、圧電式のアクチュエータ４が電圧で負荷され、これによって、この圧電式のアクチュエータ４が、軸方向に向けられた急激な伸長を被る。この場合、圧電式のアクチュエータ４はそのベース６を介して弁体７に支持されていて、増圧ピストン９１と作動ピストン９とを介して開放圧を液圧室１３内に形成する。したがって、この液圧室１３から成る液圧式の増圧装置によって第２のピストン１１が運動させられ、これによって、弁閉鎖部材１２が上側の弁座１４から、両弁座１４，１５の間の中間位置に押圧される。圧電式のアクチュエータ４の作動の時点には、液圧室１３内に主として弁室１８内と同じ圧力が形成されている。このことは、圧力補償通路２４によって保証される。環状ギャップ２５，２６を介して生ぜしめられる万一の漏れは圧力補償通路２４によって補償される。
【００３７】
弁閉鎖部材１２を、図面で見て下側の第２の弁座１５への到達後に再び中間位置に後退させ、したがって、再び燃料噴射を達成するためには、圧電式のアクチュエータ４に印加されている電圧が中断される。いま、ばね２７によって、弁閉鎖部材１２が弁座１４の方向に運動させられる。弁閉鎖部材１２が弁座１４に配置されている場合に弁室１８と液圧室１３との間に形成されている圧力差は、弁体７内で延びる、弁室１８と液圧室１３との間に設けられた圧力補償通路２４からの燃料の戻し（Ｎａｃｈｄｒｕｅｃｋｅｎ）によって再び補償される。
【００３８】
上述した実施例は、いわゆる「複座弁」に関するものである。しかし、本発明は、当然ながら、ただ１つの弁座を備えた単純に切り換わる弁にも使用可能である。
【００３９】
当然ながら、本発明は、ここで有利な使用分野として説明したコモンレールインジェクタで使用することができるだけでなく、一般的に燃料噴射弁でも実現することができるし、別の環境、たとえばポンプにおける、ピエゾアクチュエータまたはソレノイドアクチュエータを備えた液圧的に増圧される別のシステムでも実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
内燃機関に用いられる燃料噴射弁に関連した本発明による弁の実施例の概略的な部分縦断面図である。
【符号の説明】
１　燃料噴射弁、　２　弁制御室、　３　弁部材、　４　アクチュエータ、　５　アクチュエータヘッド、　６　アクチュエータベース、　７　弁体、　８　支持体、　９　ピストン、　１０　孔、　１１　ピストン、　１２　弁閉鎖部材、　１３　液圧室、　１４　弁座、　１５　弁座、　１７　高圧供給部、　１８　弁室、　１９　漏れ流出通路、　２０　流出絞り、　２１　弁室、　２２　シールエレメント、　２３　漏れ管路、　２４　圧力補償通路、　２５　環状ギャップ、　２６　環状ギャップ、　２７　ばね、　９１　増圧ピストン、　Ａ０　直径、　Ａ１　直径、　Ａ２　直径、　ｐ＿ｓｙｓ　システム圧、　ｐ＿Ｒ　レール圧、　ｌ　間隔
【国際公開パンフレット】
2004508496.tif 000003
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2004508496.tif 000021
【国際調査報告】
2004508496.tif 000022
2004508496.tif 000023
2004508496.tif 000024
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