CZ20021504A3 - Ventil k řízení kapalin - Google Patents

Description

Ventil k řízení kapalin

Oblast techniky

Vynález se týká ventilu k řízení kapalin, zahrnujícího nejméně jednu jednotku ovladače, zejména piezoelektrickou jednotku, k ovládání ventilového členu, axiálně posuvného ve vrtaném otvoru tělesa ventilu, který má nejméně jeden uzavírací člen ventilu, uspořádaný ve ventilovém prostoru, spolupůsobící s nejméně jedním prvním sedlem ventilu, a dále zahrnujícího první píst a druhý píst, mezi nimž je uspořádána hydraulická komora, pracující jako hydraulický převod, která má pro vyrovnávání únikových ztrát plnicí zařízení.

Dosavadní stav techniky

Ventily k řízení kapalin tohoto druhu jsou známé z praxe. Používají se například jako injektory paliva, zejména injektory se společným tlakovým zásobníkem (common rail) nebo také u čerpadel motorových vozidel nejrůznějších provedení.

Ventil to.hoto druhu je známý také ze spisu EP 0 477 400 Al, Tento^ ventil je ovládán pomocí piezoelektrického ovladače. Vychýlení ovladače je na uzavírací člen ventilu přenášeno přes hydraulickou komoru, sloužící jako hydraulický převod a vyrovnávací element tolerancí. Hydraulická komora leží mezi čelními stranami dvou pístů s různými průměry, z nichž jeden, totiž ten s větším průměrem je spojen s piezoelektrickým ovladačem, a druhý píst s menším průměrem, je spojen s uzavíracím členem ventilu.

··· ·

Hydraulická komora je vytvořena tak, že píst spojený s uzavíracím členem ventilu vykonává oproti pístu spojenému s piezoelektrickým ovladačem s větším průměrem zdvih, zvětšený o převodový poměr průměrů pístů, jestliže tento píst s větším průměrem změní prostřednictvím elektrického ovladače svou polohu. Dále mohou být přes pracovní objem hydraulické komory vyrovnávány tolerance, například na základě rozdílných součinitelů tepelné roztažnosti použitých materiálů, i případně se vyskytující usazovací efekty, aniž by se poloha uzavíracího členu ventilu měnila.

V hydraulickém systému, zejména v hydraulickém spínáci, je takzvaný systémový tlak, který zajišťuje funkci ventilů tohoto druhu. Tento tlak může na základě úniků klesat. Z tohoto důvodu je potřebné dostatečné doplňování hydraulické kapaliny.

Naplňování oblasti systémového tlaku je, například u z praxe známých injektorů se společným tlakovým zásobníkem (common rail), u kterých se systémový tlak účelně ve ventilu sám vytváří a může být také při systémovém startu udržován pokud možno konstantní, realizováno přiváděním hydraulické kapaliny. Naplňování je často prováděno přes únikové štěrbiny, které představují únikové, popřípadě plnicí kolíky. Nastavení systémového tlaku je prováděno zpravidla pomocí ventilu. Systémový tlak může být udržován konstantní například také u většího počtu ventilů common rail.

-Trotože piezoelektrický ovladač musí u známých ventilů v úvodu jmenovaného typu pracovat proti velkému tlaku, který panuje ve ventilovém prostoru, je jednotka ovladače dimenzována v odpovídající velikosti. Dimenzování hydraulického převodu podle dosavadního stavu techniky se vyznačuje poměrem ploch mezi pístem a sedlem ventilu asi 10:1. Tím je omezen maximální možný tlak hydraulického spínače na jednu desetinu tlaku, který existuje ve společném vysokotlakém prostoru (common rail). Nastavení a zkoušení nastavovacího hydraulického spínacího tlaku je však náročné a nákladné.

Podstata vynálezu

Tyto nedostatky odstraňuje ventil k řízení kapalin, zahrnující nejméně jednu jednotku ovladače, zejména piezoelektrickou jednotku, k ovládání ventilového členu, axiálně posuvného ve vrtaném otvoru tělesa ventilu, který má nejméně jeden uzavírací člen ventilu, uspořádaný ve ventilovém prostoru, spolupůsobící s nejméně jedním prvním sedlem ventilu, a první píst a druhý píst, mezi nimž je uspořádána hydraulická komora, pracující jako hydraulický převod, která má pro vyrovnávání únikových ztrát plnicí zařízení, podle vynálezu, jehož podstatou je, že plnicí zařízení sestává v podstatě z kanálu pro vyrovnávání tlaku, s jehož pomocí je možné přenést tlak panující ve ventilovém prostoru do hydraulické komory.

Výhodou provedení podle vynálezu je, že je upraven kvazi silově vyrovnaný spínací ventil, jehož hydraulický převod je možné realizovat cenově příznivě, a který kromě toho disponuje integrovaným zásobováním systémovým tlakem.

Dále je upraveno intenzívní zásobování systémovým tlakem, které je necitlivé vůči pevným částicím, které se za určitých okolností mohou v palivu vyskytovat, protože v případě úniku je potřebné doplňování hydraulické komory prováděno bočním přítokem.

Další podstatná výhoda ventilu podle vynálezu spočívá v tom, že na základě tlakového vyrovnání, prováděného kanálem pro vyrovnávání tlaků, mezi hydraulickou komorou a ventilovým prostorem, je oproti ventilům podle dosavadního stavu techniky »· «···

potřebná menší síla jednotky ovladače. Tím je také umožněno použití piezoelektrických ovladačů s menší konstrukční velikostí.

Podle přednostní formy provedení ventilu podle vynálezu odbočuje kanál pro vyrovnávání tlaků z ventilového prostoru. Ústí zejména ve výši druhého pístu do vrtaného otvoru pro vedení ventilového členu. To je obzvlášť cenově příznivá forma provedení, protože tímto způsobem vytvořený kanál pro vyrovnávání tlaků je možné bez dalších opatření integrovat do tělesa ventilu.

Aby se v sytému udržoval pokud možno stálý tlak, ústf kanál pro vyrovnávání tlaků účelným způsobem do vrtaného otvoru pro vedení ventilového členu s určitým odstupem od hydraulické komory.

Aby bylo možně nastavit hydraulický spínací tlak shodně s tlakem ve ventilovém prostoru, odpovídá průměr druhého pístu výhodně v podstatě průměru prvního sedla ventilu. Přitom nemůže dojít k otevření ventilu nedopatřením. K otevření, respektive k sepnutí ventilu je však potřebný jen malý tlakový nárůst v hydraulickém objemu.

Další výhody a výhodná provedení předmětu podle vynálezu jsou patrné z popisu, obrázků a z dodatkových nároků.

/

Přehled obrázků na výkresech

Příklad provedení ventilu podle vynálezu k řízení kapalin je schématicky znázorněn na jediném obrázku a blíže vysvětlen v následujícím popisu. Jediný obrázek výkresové části představuje ve výřezu schématické znázornění příkladu provedení ventilu podle vynálezu ve spojení se vstřikovacím ventilem paliva pro spalovací motory v podélném řezu.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. je znázorněn ventil podle vynálezu, který je součástí vstřikovacího ventilu £ paliva pro spalovací motory automobilů. Vstřikovacím ventilem 1_ paliva je v tomto případě injektor common rail pro vstřikování zejména dieselového paliva. Řízeno je vstřikování paliva, a to přes tlak, panující v řídicím prostoru 2 ventilu. Řídicí prostor 2 ventilu je spojen se zásobníkem s vysokým tlakem, který zde není znázorněn.

Činnost vstřikovacího ventilu X paliva nastává přes ventilový člen 3_, který je veden ve vrtaném otvoru 10 tělesa ]_ ventilu. Ventilový člen 3_ je pak regulován jednotkou ovladače, která je zde vytvořena jako piezoelektrický ovladač 4. Piezoelektrický ovladač 4 dosedá na ventilový člen na straně odvrácené od řídicího a spalovacího prostoru ventilu a sestává běžným způsobem z více vrstev. Na straně přivrácené k ventilovému členu 3. má piezoelektrický ovladač 4 hlavu 5. ovladače a na straně od tohoto ventilového členu 3. odvrácené patku 6. ovladače, která se opírá o stěnu tělesa 7 ventilu.

Na hlavu 5_ ovladače navazuje přes opěru 8. převáděcí píst 91, který je ^spojen s prvním pístem 9. o větším průměru, a který je přiřazen ventilovému členu 3_.

Ventilový člen 3_, který je axiálně pohyblivě vsazen do podélného vrtaného otvoru 10 tělesa 7. ventilu, má kromě prvního pístu 9 druhý píst 11, který ovládá kuželovitý uzavírací člen 12. ventilu a následně bude označován také jako ovládací píst. Průměr Al druhého pístu lije menší než průmět prvního pístu 9., • to • to toto·· • »· to to «

• · . ····

Písty 9. a 11 jsou vzájemně odděleny hydraulickým převodem, který sestává z hydraulické komory 13 a přenáší výchylku piezoelektrického ovladače 4 přes první píst, takzvaný nastavovací píst, na ovládací píst a tím na uzavírací člen 12 ventilu.

Hydraulická komora 13, ve které je systémový tlak p sys.

uzavírá mezi oběma písty, které ji ohraničují, společný vyrovnávací objem. Vyrovnávací objem hydraulické komory 13 slouží k vyrovnávání tolerancí na základě teplotních gradientů v konstrukčních prvcích nebo rozdílných součinitelů tepelné roztažnosti použitých materiálů i eventuálních usazovacích efektů, a to bez ovlivnění polohy ovládaného uzavíracího členu 12 ventilu.

Piezoelektrický ovladač 4, převáděcí píst 91, nastavovací píst 9, hydraulická komora 13, ovládací píst 11 a uzavírací člen 12 ventilu jsou uspořádány tak, že leží za sebou na společné ose.

Na základě různých průměrů pístů 9. a 11 a tím daného převodového poměru hydraulické komory 13 vykonává ovládací píst 11 při činnosti piezoelektrického ovladače 4. na základě uvedeného převodového poměru větší zdvih než nastavovací píst 9.

Kulovitý uzavírací člen 12 ventilu, uspořádaný na konci ventilového členu 3. přivráceném k řídicímu prostoru 2. ventilu, spolupůsobí se. sedly 14 a 15 ventilu vytvořenými na tělese 7. ventilu. Sedla 44 a 15 leží ve ventilovém prostoru 18, ohraničeném tělesem ]_ ventilu, ve kterém je také uspořádán uzavírací člen 12 ventilu a od kterého odbočuje na straně sedla 14 ventilu, přivrácené k piezoelektrickému ovladači 4, únikový odtokový kanál 19. Na straně sedla 14 ventilu odvrácené od piezoelektrického ovladače 4 je ventilový prostor 18 spojen přes druhé sedlo 15 ventilu a odtokové škrticí ústrojí 20 s řídicím prostorem 2 ventilu, spojeným se «4· · zásobováním 17. vysokým tlakem, ve kterém je takzvaný tlak p R zásobníku.

Řídicí prostor 2 ventilu je na obr. 1 pouze naznačen. V tomto prostoru 2. je uspořádán axiálně posuvný řídicí píst ventilu, který zde není blíže znázorněn. Prostřednictvím jeho axiálního pohybu je regulováno vstřikovací chování vstřikovacího ventilu £ paliva zpámým způsobem. Řídicí prostor 2_ ventilu je jako obvykle spojen se vstřikovacím potrubím, které je opět spojeno s vysokotlakým zásobníkem, společným pro více vstřikovacích ventilů paliva, takzvaným common rail. ^?

Na konci vrtaného otvoru 10, přivráceném k piezoelektrickému ovladači 4, leží další dutý prostor 21, který je ohraničen tělesem 7. ventilu, prvním pístem 9 a těsnicím elementem 22, spojeným s prvním pístem 9 a tělesem 7. ventilu. Těsnicí element 22, který je v tomto případě vytvořen jako membrána na způsob skládaného měchu, zajišťuje, že piezoelektrický ovladač 4 nepřichází do styku s palivem, obsaženým ve ventilovém prostoru 21. K odvádění únikové kapaliny odbočuje od ventilového prostoru 21 únikové vedení 23.

Aby byly únikové ztráty z hydraulické komory 13 při činnosti vstřikovacího ventilu £ paliva vyrovnávány, má tento ventil £ doplňovací zařízení, které sestává z kanálu 24 pro vyrovnávání tlaků. Kanál 24 pro yyrovnávání tlaků, který zde má v podstatě konstantní průřez, odbočuje od ventilového prostoru 18 na straně sedla 14 ventilu, odvrácené od piezoelektrického ovladače 4, prochází tělesem £ ventilu a ústí ve výšce druhého pístu 11 do vrtaného otvoru 10, ve kterém je veden ventilový člen 3_. Ústí kanálu 24 pro vyrovnávání tlaků do vrtaného otvoru 10 je uspořádáno v odstupu 1 od hydraulické komory 13. Tento odstup I vůči vlastnímu spínacímu objemu, tedy k hydraulické komoře 13, zlepšuje možnosti udržení tlaku, pokud se ·· ···« » . frí · ft · · · · • · frfr··

uzavírací člen 12 ventilu nachází ve svém druhém sedle 14, a nazývá se proto těsnicí délkou.

Plnění hydraulické komory 13 pak nastává od ústí kanálu 24 pro vyrovnávání tlaků přes prstencovou štěrbinu 25 obklopující ovládací píst 11, která může mít šířku od asi 1 do 1,3 gm. Ovládací píst 11 sám má například průměr Al mezi 2 mm a 3 mm. Průměr Al odpovídá průměru A2 sedla 14 ventilu. Průměr AQ prvního pístu 9 je, jak již bylo zmíněno výše, větší než průměr Al ovládacího pístu 11 a je zvolen například tak, že poměry velikosti čelních ploch pístů 9. a 11, ohraničující hydraulickou komoru 13, leží mezi 1,1 a 1,3. ^?

Nepřímé plnění hydraulické komory 1 3 slouží v každém případe ke zlepšení možností udržení tlaku v této hydraulické komoře 13 v průběhu regulace. Je možné si také představit, že kanál 24 pro vyrovnávání tlaků ústí do prstencové štěrbiny 26, obklopující píst 9 nebo přímo do hydraulické komory 13..

Kanál 24 pro vyrovnávání tlaků zajišťuje, že ve ventilovém prostoru 18 a v hydraulické komoře 13 panuje v podstatě stejný tlak. Systémový tlak p sys odpovídá tedy v podstatě tlaku p R v zásobníku. Tak je možné, že uzavírací člen 12 ventilu může být ovládán pomocí piezoelektrického ovladače 4 s menším vynaložením síly. Jedna se tedy o spínací ventil s kvazi silovým vyrovnáním.

_ Tím, že průměr Al odpovídá průměru A2, může tlak spínače, to znamená tlak 13 vládnoucí v hydraulické komoře, odpovídat tlaku ve ventilovém prostoru 18, aniž by spínací ventil otevíral nedopatřením. Pro otevření spínacího ventilu je nyní potřebný jen malý tlakový nárůst v hydraulické komoře 13. Ten se vytváří pomocí piezoelektrického ovladače 4.

·» ♦

·· ···· • · · ♦ 9 999

9 · • · * ·· ··· • · » 9 · • ·

Kombinace menšího průměru pístu v oblasti mezi 2 mm a 3 mm a výšky těsnicí štěrbiny (šířka prstencové štěrbiny 25 a 26 obklopující píst) mezi 1 μτη a 1,3 μτη dovoluje udržovat únik ze systému tak nízký, že množstevní bilance celého systému common rail je vyrovnána.

Kulovitý uzavírací člen 12 ventilu je ve směru piezoelektrického ovladače 4 zatížen prostřednictvím pružiny 27, například spirálové pružiny tak, že uzavírací člen 12 ventilu leží na prvním sedle 14 ventilu, pokud na piezoelektrický ovladač 4 nepůsobí žádné napětí, tedy pokud není tento ovladač aktivo'ván. V předkládaném případě přiléhá pružina 27 přímo na uzavírací člen 12 ventilu. Může však také zabírat do ovládacího pístu 11 spojeného s uzavíracím členem 12 ventilu.

Vstřikovací ventil paliva, znázorněný na jediném obrázku, pracuje podle následně popsaného funkčního způsobu.

V uzavřeném stavu vstřikovacího ventilu 1 paliva, to znamená pokud na piezoelektrický ovladač 4 nepůsobí napětí, dosedá uzavírací člen 12 ventilu na přiřazené sedlo 14. ventilu, na obrázku horní, a je přitlačován mimo jiné pružinou 27, která je vhodným způsobem předepnuta, a tlakem p R zásobníku k prvnímu sedlu 14 ventilu.

V případě pomalé činnosti, například v důsledku teplotně podmíněných změn délky piezoelektrického ovladače 4 a součástí ventilu, proniká první píst 9, sloužící jako nastavovací píst, do vyrovnávacího objemu hydraulické komory 13 a stahuje se z ní při poklesu teploty opět zpátky, aniž by to ovlivňovalo polohu uzavíracího členu 12 ventilu a tím celkový otevírací stav vstřikovacího ventilu 1 paliva.

•0 »»·· * ·

• · · • · ♦ «· ♦·· ·· ·· • II »

Κ otevření ventilu, to znamená pokud má být pomocí vstřikovacího ventilu J_ vstřikováno palivo, například do spalovacího motoru, působí na piezoelektrický ovladač 4 elektrické napětí, takže ten vykonává nárazové axiálně orientované délkové roztažení. Piezoelektrický ovladač 4 se přitom přes svou patku 6. opírá o těleso

7. ventilu a vytváří přes převáděcí píst 91 a nastavovací píst 9 otevírací tlak v hydraulické komoře 13. Pomocí hydraulického převodu, který existuje v hydraulické komoře 13, se druhý píst 11 pohybuje a tím stlačuje uzavírací člen 12 ventilu z horního sedla 14 ventilu do středové polohy mezi oběma sedly 14 a 15 ventilu. V časovém bodu aktivace piezoelektrického ovladače panuje v hydraulické komoře 13 v podstatě stejný tlak jako ve ventilovém prostoru 18, což je zaručeno prostřednictvím kanálu 24 pro r

vyrovnávání tlaků. Uniky, které případně nastávají přes prstencovou štěrbinu 25 jsou vyrovnávány pomocí tohoto kanálu 24 pro vyrovnávání tlaků.

Aby se mohl uzavírací člen 12 ventilu po dosažení svého druhého, na obrázku spodního sedla 15 ventilu, pohybovat opět zpátky do středové polohy a bylo tak zase zahájeno vstřikování paliva, je nutné přerušit napětí působící na piezoelektrický ovladač

4. Pomocí pružiny 27 se nyní uzavírací člen 12 ventilu pohybuje ve směru sedla 14 ventilu. Tlaková diference, která existuje mezi ventilovým prostorem 18 a hydraulickou komorou 13, je-li uzavírací člen 12 ventilu uspořádán v sedle 14 ventilu, je pak díky vytlačení paliva- z kanálu 33 pro vyrovnávání tlaků, probíhajícího v tělese ventilu mezi ventilovým prostorem 18 a hydraulickou komorou 13, opět vyrovnána.

Popsaný příklad provedení je označován jako takzvaný dvojsedlový ventil. Vynález je však samozřejmě použitelný také u jednoduše spínajících ventilů s pouze jedním sedlem.

9999

9 9

11.·

9 99*9 » 9 9 • 9 9*·

99

9 9 9

9 9 • 9 9

9 9

9* *999

Je také samozřejmé, že vynález není použitelný pouze u zde popsaného injektorů common rail, ale i u vstřikovacích ventilů paliva obecně nebo také u dalších systémů s hydraulickým převodem a s piezoelektrickou nebo magnetickou regulací v dalších oblastech, jako jsou například čerpadla.

<

IV Ίϋοι - kvoif *· *·_ ** ^r

Claims (10)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Ventil k řízení kapalin, zahrnující nejméně jednu jednotku (4) ovladače, zejména piezoelektrickou jednotku, k ovládání ventilového členu (3), axiálně posuvného ve vrtaném otvoru (10) tělesa (7) ventilu, který má nejméně jeden uzavírací člen (12) ventilu, uspořádaný ve ventilovém prostoru (18), spolupůsobící s nejméně jedním prvním sedlem (14) ventilu, a první píst (9) a druhý píst (11), mezi nimž je uspořádána hydraulická komora (13), pracující jako hydraulický převod, která má pro vyrovnávání únikových ztrát plnicí zařízení (24), vyznačující se tím, že^?plnicí zařízení sestává v podstatě z kanálu (24) pro vyrovnávání tlaku, s jehož pomocí je možné přenést tlak panující ve ventilovém prostoru (18) do hydraulické komory (13).
2. 2. Ventil podle nároku 1, vyznačující se tím, že kanál (24) pro vyrovnávání tlaku má v podstatě konstantní průřez.
3. 3. Ventil podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že kanál (24) pro vyrovnávání tlaku odbočuje z ventilového prostoru (18).
4. 4. Ventil podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že kanál (24) pro vyrovnávání tlaku ústí do vrtaného otvoru (10) pro vedení ventilového členu (3) ve výšce druhého pístu (11).

   -
5. 5. Ventil podle nároku 4, vyznačující se tím, že ústí kanálu (24) pro vyrovnávání tlaku ve vrtaném otvoru (10) pro vedení ventilového členu (3) má odstup od hydraulické komory (13).
6. 6. Ventil podle jednoho z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že průměr (Al) druhého pístu (11) v podstatě odpovídá průměru (A2) prvního sedla (14) ventilu.

   titi titititi • ti

   13.· : · ···· · titi titititi titi 99 tititi titititi • · ··· 9 9 9

   9 9 «tititi · ti · · · ti ti • ti *·· ·· ····
7. 7. Ventil podle jednoho z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že poměr čelních ploch obou pístů (9, 11), ohraničujících hydraulickou komoru (13) leží mezi 1,1 a 1,3.
8. 8. Ventil podle jednoho z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že druhý píst (11) má průměr od nejméně asi 2 mm až 3 mm.
9. 9. Ventil podle jednoho z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že druhý píst (11) obklopuje prstencová štěrbina (25) o šířce nejméně zhrubamezi 1 μτη a 1,3 gm. ^?
10. 10. Ventil podle jednoho z nároků 1 až 9, vyznačující se pružinou (27), která uzavírací člen (12) ventilu zatěžuje ve směru jednotky (4) ovladače tak, že uzavírací člen (12) ventilu leží při nečinné jednotce (4) ovladače ve svém prvním sedle (14) ventilu.

    «· ····

    9 9 9

    TV zooí• 6 ···· ·· *·

    9 9 9 9 9 9 9

    9 9 999 '99 ·