CZ2002569A3 - Ventil k řízení kapalin - Google Patents

Description

Ventil k řízení kapalin

Oblast techniky

Vynález se týká ventilu k řízení kapalin, s piezoelektrickým ovladačem, jehož zdvih je pomocí přenosového elementu přenášen na ventilový člen, přičemž v odstupu od piezoelektrického ovladače je upraven vyrovnávací element, který vyrovnává teplotní kolísání piezoelektrického ovladače, a přičemž poměr součinitelů tepelné roztažnosti piezoelektrického ovladače a součinitelů tepelné roztažnosti vyrovnávacího elementu je podobný nebo stejný.

Dosavadní stav techniky

Ventil tohoto druhu je znám například ze spisu EP 0 477 400 Al. V tomto spisu je ovládací píst ventilového členu uspořádán v části odstupňovaného vrtaného otvoru s menším průměrem, kdežto píst s větším průměrem, který se pohybuje pomocí piezoelektrického ovladače, je uspořádán v části odstupňovaného vrtaného otvoru s větším průměrem. Mezi oběma písty je umístěn hydraulický prostor takovým způsobem, že pokud se větší píst pohybuje působením piezoelektrického ovladače, ovládací píst ventilového členu se pohne o dráhu, zvětšenou o převodový poměr průměrů odstupňovaného vrtaného otvoru. Ventilový člen, ovládací píst, píst s větším průměrem a piezoelektrický ovladač leží za sebou na společné ose.

Aby mohl být piezoelektrický ovladač použit jako řídicí element, je nutné upravit kompenzaci délkového roztažení jako funkci teploty. Protože zdvih, který může piezoelektrický ovladač • · • · · · dosáhnout, činí jen asi 1/1000 až 1,5/1000 jeho délky, musí být tento malý zdvih pro více použití upravován převáděním. Díky rozdílným součinitelům tepelné roztažnosti různých použitých materiálů vznikají usazovací efekty, které jsou ve směru zdvihu z části větší než možný zdvih vyvolaný piezoelektrickým ovládacím elementem.

Pro vyrovnávání tolerancí je u ventilu podle spisu EP 0 477 400 Al upravena v hydraulické komoře definovaná netěsnost. Při pomalých změnách v uspořádání ventilu, které jsou způsobeny například teplotními změnami, může hydraulická kapalina netěsnostmi unikat a tak vyrovnávat efekty ve směru zdvihu ventilu. Viskozita hydraulické kapaliny je zvolena tak, že při rychlých změnách, které jsou způsobovány piezoelektrickým ovladačem, tato hydraulická kapalina netěsností neuniká a vychýlení piezoelektrického ovladače je přenášeno na ovládací píst. Toto vyrovnávání je velmi nákladné a drahé, protože při výrobě pístu jsou vyžadovány velmi malé tolerance, aby mohla být vytvořena definovaná netěsnost ve formě prstencové Štěrbiny mezi pístem a jej obklopující stěnou válce. Dále musí být odvedená hydraulická kapalina opět přivedena zpátky do hydraulického prostoru, k čemuž musí být upravena odpovídající zařízení.

Podstata vynálezu

Tyto nevýhody odstraňuje ventil k řízení kapalin, s piezoelektrickým ovladačem, jehož zdvih je pomocí přenosového elementu přenášen na ventilový člen, přičemž v odstupu od piezoelektrického ovladače je upraven vyrovnávací element, který vyrovnává teplotní kolísání piezoelektrického ovladače, a přičemž poměr součinitelů tepelné roztažnosti piezoelektrického ovladače a součinitelů tepelné roztažnosti vyrovnávacího elementu je podobný x

• · nebo stejný, podle vynálezu, jehož podstatou je, že vyrovnávací element je vytvořen ve formě tyče a je uspořádán rovnoběžně s piezoelektrickým ovladačem a s odstupem od něj.

Ventil podle vynálezu je výhodný v tom, že jeho konstrukce je velmi jednoduchá a ventil může být cenově příznivě vyroben. Pod pojmem poměr součinitelů tepelné roztažnosti blížící se nebo rovný 1 se přitom rozumí hodnoty mezi 1,0 a asi 1,1. V ideálním případě činí poměr 1. U ventilu podle vynálezu je tak dosaženo výrazně zmenšeného počtu součástí. Z toho vyplývá jednodušší stavba ventilu a redukce měřicích procesů, protože musí být měřeno jen málo dílů. Výrobní a montážní náklady ventilu tím mohou být výrazně sníženy,

Podle přednostního příkladu provedení vynálezu je vyrovnávací element vytvořen jako válcovitý prstencový element, který obklopuje piezoelektrický ovladač. Díky tomuto provedení vyrovnávacího elementu může být zajištěn optimální vyrovnávací účinek, protože n i p 7 η p 1 p V t r i pV v η v 1 a H íi p.

vvrnvnavflr.i pipmpnt icmi vvctnvpnv ~ - - — - — * JU/WV* τ J u. V W T - — J stejným tepelným účinkům. Toto provedení vyrovnávacího elementu podmiňuje také jednoduchou konstrukci ventilu podle vynálezu.

Alternativně existuje také možnost uspořádat podle výhodné formy provedení vyrovnávací element rovnoběžně s piezoelektrickým ovladačem. Díky tomu může mít vyrovnávací element různé tvary, například válcovitý, v průřezu trojúhelníkový nebo čtyřúhelníkový a podobně. Vyrovnávací element tak může být s ohledem na svůj tvar přizpůsoben prostorovým podmínkám ventilu. Může tak být rovněž zajištěno, že piezoelektrický ovladač a vyrovnávací element leží velmi blízko vedle sebe, takže vlivy teploty na oba elementy působí ve stejném rozsahu.

• · • · • 4»

Podle dalšího provedení piezoelektrický ovladač a vyrovnávací element prostorově sousedí a přednostně jsou uspořádány ve společném prostoru. Teplotní změny pak působí na oba díly stejným způsobem, takže změny délky piezoelektrického ovladače a vyrovnávacího elementu se kompenzují.

Jsou-li součinitele tepelné roztažnosti piezoelektrického ovladače a vyrovnávacího elementu stejné, je výhodně volena konstrukce, u které účinná délka vyrovnávacího elementu odpovídá délce piezoelektrického ovladače. Účinnou délkou se přitom rozumí roztažení vyrovnávacího elementu rovnoběžně s osou piezoelektrického ovladače, které je pro toto roztažení vyrovnávacího elementu k dispozici ve směru osy piezoelektrického elementu.

Jako vhodné pro provoz ventilu se prokázalo, sestává-li vyrovnávací element z Invaru®.

Ve výhodné formě provedení je mezi přenosovým elementem a převodníkem upravena vzduchová mezera. Vzduchová mezera měří jen několik μπι. Nemají-li piezoelektrický ovladač a vyrovnávací element přesně stejné součinitele tepelné roztažnosti, může být tímto způsobem dosaženo vyrovnání zbytkové chyby.

Ve výhodném způsobu provedení obsahuje přenosový element táhlo a vyrovnávací element je částí tohoto táhla. Díky tomu lze přenosový element vyrábět velmi jednoduše a s výrobními tolerancemi se vyskytuje pouze velmi málo potíží.

Robustního provedení ventilu lze dosáhnout, pokud je převodníkem převodník mechanický, zejména provedený jako páka.

• · · · ····

Ve výhodném provedení vynálezu leží opera páky v ose piezoelektrického ovladače.

Pokud si součinitele roztažnosti piezoelektrického ovladače a vyrovnávacího elementu přesně neodpovídají nebo má být kromě délkového roztahování piezoelektrického ovladače vyrovnáváno délkové roztažení dalších materiálů, je výhodné, když se účinná délka vyrovnávacího elementu délce piezoelektrického ovladače nerovná.

Přehled obrázků na výkresech

Příklady provedení vynálezu jsou blíže vysvětleny v následujícím popisu a podle obrázků, na kterých znamená obr. 1 vstřikovací ventil paliva podle prvního příkladu provedení v řezu, obr. 2 provedení ventilového členu jako dvojitě spínajícího ventilu, obr. 3 vstřikovací ventil paliva podle druhého příkladu provedení v řezu, obr. 4 vstřikovací ventil paliva podle třetího příkladu provedení v řezu a obr. 5 vstřikovací ventil paliva podle čtvrtého příkladu provedení v řezu.

'9 '9

9 4 49 «··«

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 znázorňuje ventil k řízení kapalin podle prvního příkladu provedení vynalezu. Ventil zahrnuje těleso j_, ve kterém je uspořádán piezoelektrický ovladač 2_. Na volný konec piezoelektrického ovladače 2 navazuje přenosový element 3_, který obsahuje táhlo 5_, probíhající rovnoběžně s osou 4 piezoelektrického ovladače 2_. Piezoelektrický ovladač 2_ je předepínán talířovou pružinou 6_. Do táhla 8. je integrován vyrovnávací element 7_, který je vyroben z invaru. Vyrovnávací element 7. je zde spojen pomocí závitového spojení s táhlem 5_. Jiné druhy spojení, například lepením, mohou však být rovněž použity. Vyrovnávací element 7_ a piezoelektrický ovladač 2_ jsou přibližně stejně dlouhé a prostorově jsou uspořádány v úzkém odstupu ve společném prostoru. Táhlo A pokračuje ramenem 8_, které tvoří opěru s osou 9. pro páku 10. Na obr. 1 nelícuje osa £ opěry s osou 4 piezoelektrického ovladače. Ve výhodné formě provedení ventilu k řízení kapalin podle vynálezu však nsa 9 nněrv s nsnn 4 ni eznel ektrickéhn ovladače 7 Henvat může

Mezi ramenem 8_ a pákou 10 je v klidové poloze vytvořena vzduchová mezera 11. Vzduchová mezera 11 měří přitom jen několik pm. Páka 10 je uložena v ložisku 12, které páku 10 rozděluje na kratší rameno páky s délkou B_ a delší rameno páky s délkou A. Poměrem A/B je určován převodový poměr. Páka 10 je ve směru otevírání ventilového členu 13 předepnuta tlačnou pružinou 14, působící na delší rameno páky. Delší rameno páky s délkou A působí na píst 15 ventilového členu 13. V klidové poloze je píst 15 stlačován tlačnou pružinou 16, která má větší pružinovou konstantu než tlačná pružina 14, proti sedlu 17 ventilu.

• · · ♦ 9 9 9

9 9 9 9 9 99 9 9

Na obr. 1 je znázorněn ventil podle vynálezu jako jednoduše spínající odtokový, popřípadě přítokový ventil. Je však také možné provedení ventilu s dvojitým spínáním. Tato forma provedení je znázorněna na obr. 2. Ventil se od ventilu znázorněného na obr. 1 odlišuje jen ve ventilovém členu. Na obr. 2 je proto znázorněn pouze jeho výřez. Píst 15 může přitom dosedat na horní sedlo 18 i na spodní sedlo 19. Přítok, k ventilu je prováděn přes přítokové vedení 20, které je na znázorněném ventilu přiváděno do tělesa ventilu zespoda, kdežto odtokové vedení 21 je uspořádáno naproti přítokovému vedení 20 nad horním sedlem ventilu.

Následně je popsán způsob činnosti ventilu.

Při provozu ventilu za použití piezoelektrického ovladače 2_ je nezbytné vyrovnávat délkové změny tohoto piezoelektrického ovladače 2_, samotného ventilu nebo tělesa 1_ ventilu. Pro tento účel slouží vyrovnávací element 7_, ke korekturám zbytkové chyby vzduchová mezera 11.

Pokaždé když je piezoelektrický ovladač 2_ zapojen, zvedá se přenosový element 3. proti předpětí talířové pružiny 6_. Zdvih je přenášen přes táhlo 5_ a rameno 8. na kratší rameno páky 10. Zdvih piezoelektrického ovladače 2., určený poměrem délek A/B_ ramen páky, je převáděn do odpovídajícího zdvihu delšího ramene (A) páky. Rameno (A) páky se pohybuje ve směru otevírání ventilového členu 13 a pohybuje pístem 15 proti síle pružiny 16 nahoru, čímž je otevřeno vedení 21. Pokud je piezoelektrický ovladač 2_ vypnut, klesá přenosový element 3_ opět zpátky do své klidové polohy a píst 15 je silou pružiny 16 stlačen opět k sedlu 17, čímž je vedení 21 zase uzavřeno. Silou pružiny 14 je páka 10 převedena opět do své klidové polohy a vzduchová mezera 11 se znovu vytvoří.

• ·

U provedení znázorněného na obr. 2, kde ventil pracuje jako dvojitý, se odpovídajícím způsobem při zapnutém piezoelektrickém ovladači 2. stlačuje píst 15 ke spodnímu sedlu 19 ventilu a přítokově vedení 20 se uzavírá a odtokové vedení 21 otevírá. Ve vypnutém stavu je tedy přítok 20 otevřen a odtok 2 1 uzavřen.

Při změnách teploty se roztažení piezoelektrického ovladače 2_ ve směru zdvihu podél jeho osy mění. Ke kompenzaci této změny délky je upraven vyrovnávací element 7.· Ten je vyroben například z invaru a má podobný součinitel tepelné roztažnosti jako -piezoelektrický ovladač 2.. Při stejné změně teploty tedy vykazuje srovnatelné změny délky. Protože piezoelektrický ovladač 2 a vyrovnávací element 7. jsou uspořádány prostorově blízko ve stejném prostoru, podléhají oba stejným teplotním vlivům. Proto vykazují oba díly přibližně stejné změny délky. Malé rozdíly v součinitelích .tepelné roztažnosti, které vytvářejí zbytkovou chybu, jsou zachyceny vzduchovou mezerou 11. Ta se může v určitých mezích zvětšovat nebo zmenšovat, aniž by to funkci ventilu ovlivňovalo. Dimenzování vzduchové mezery 11 je zvoleno tak, že se jak ve studeném stavu, tak při vyšších teplotách nevyskytují žádná pnutí, respektive velké tolerance v přenosu zdvihu piezoelektrického ovladače 2 na píst 15. Pokud se piezoelektrický ovladač 2_ roztahuje s přibývající teplotou více než vyrovnávací element 7, musí být ve stavu při pokojové teplotě upravena o něco větší vzduchová mezera 11, která se při vzrůstající teplotě zmenšuje. Jestliže se naproti tomu se vzrůstající teplotou roztahuje více vyrovnávací element 7., musí být ve stavu při pokojové teplotě upravena velmi malá vzduchová mezera 11, která se se vzrůstající teplotou zvětšuje.

·· · ······ ·« ·· • · · · ♦ ··· · · • · · · · · · · · · • ····· · · · ···· · • · · ···· · · · • · · · · ·· ·<·····

Obr. 3 znázorňuje ventil k řízení kapalin podle druhého příkladu provedení vynálezu. Ačkoliv tento ventil 30 se od ventilu 1_ v prvním příkladu provedení značně liší, je ve ventilu 30 použitý vyrovnávací element 3 1 funkčně stejný jako vyrovnávací element 7_ v prvním příkladu provedení.

Ventil 30 zahrnuje těleso 32, ve kterém je uspořádán piezoelektrický ovladač 33. Piezoelektrický ovladač 33 je zde uvnitř tělesa 32 předepínán pomocí předpínacího elementu 34 ve formě těsnicí pružiny a pístu 35. Současně je také vyrovnávací element 3 1, který se v podstatě koncentricky prstencovitě rozprostírá okolo piezoelektrického ovladače 33, předepínán těsnicí pružinou 34 proti tělesu 32 ventilu 30.

Na konec piezoelektrického ovladače 33, protilehlý pístu 3 5, navazuje píst 36, který se na svém volném konci zužuje a po zúžení přechází do koule 37. Koule 37 zde má, jak je znázorněno na obr. 3, obvodový kroužek 3 8, s jehož pomocí je tato koule 37 nředepínána pružinou 39 do prvního sedla 40.

Při zavedení proudu do piezoelektrického ovladače 33 je píst 36 na obr. 3 přemístěn i s koulí 37 směrem dolů, takže koule 37 se dostane do kontaktu s druhým sedlem 41.

Na druhé sedlo 41 navazuje obvyklým způsobem odtokové škrticí ústrojí 42 a řídicí prostor 43 s přítokovým škrticím ústrojím 44 až po neznázorněnou vstřikovací trysku. Protože dále uvedené konstrukční prvky jsou obecně známé, upouští se od jejich popisu i znázorňování.

• « • · • ·<

·« ·· ► · © «

Také u druhého příkladu provedení ventilu podle vynálezu se uplatňuje stejný princip činnosti piezoelektrického ovladače 33 a vyrovnávacího elementu 31 jako u prvního příkladu provedení. To znamená, že při změnách teploty se roztažení piezoelektrického ovladače 33 mění podél jeho osy ve směru zdvihu. Ke kompenzaci této změny délky je upraven vyrovnávací element 3 1. Ten je vyroben například z invaru nebo keramiky a má podobný nebo přednostně identický součinitel tepelné roztažnosti jako piezoelektrický ovladač 33. Při stejné změně teploty se tedy vyskytují srovnatelné změny délky. Protože piezoelektrický ovladač 33 a vyrovnávací element 3 1 jsou uspořádány v těsné blízkosti ve stejném prostoru, podléhají oba stejným teplotním vlivům. Oba díly tedy vykazují přibližně stejné změny délky.

Vyskytují-li se však určité malé rozdíly v součinitelích tepelné roztažnosti, které vytvářejí zbytkovou chybu, může být tato zbytková chyba zachycena mezerou 45, vytvořenou mezi pístem 36 a koulí 3 7. Vzduchovou mezeru 45 i e přitom možné v určitých mezích zvětšovat, popřípadě zmenšovat, aniž by to ovlivňovalo funkci ventilu. Dimenzování vzduchové mezery 45 je voleno tak, že jak ve studeném stavu, tak i při vyšších teplotách nedochází k žádným pnutím, respektive k velkým tolerancím v přenosu zdvihu piezoelektrického ovladače 33. na píst 36. Roztahuje-li se piezoelektrický ovladač 33 se vzrůstající teplotou více než vyrovnávací element 31, musí být při pokojové teplotě upravena o něco větší vzduchová mezera 45, která se se vzrůstající teplotou zmenšuje. Pokud se naproti tomu roztahuje se vzrůstající teplotou vyrovnávací element 31 více než piezoelektrický ovladač 33, musí být při pokojové teplotě upravena velmi malá vzduchová mezera 45, která se se vzrůstající teplotou zvětšuje.

• · · ·

Obr. 4 znázorňuje třetí příklad provedení ventilu 50 podle vynálezu. Podle toho, jak dalece se ventil 30 podle druhého příkladu provedení shoduje svou konstrukcí s ventilem 50 podle třetího příkladu provedení, budou následně vyznačovány pouze rozdíly mezi oběma ventily.

Také ventil 50 zahrnuje těleso, ve kterém je uspořádán piezoelektrický ovladač 53. Zde však není zdvih piezoelektrického ovladače 53 přenášen na píst 56 přímo, ale, jako u prvního příkladu provedení podle obr. 1, je s piezoelektrickým ovladačem 53 spojen přenosový element 52. Přenosový element 52 je dále spojen s vyrovnávacím elementem 51, přičemž vyrovnávací element 51 je uspořádán rovnoběžně s piezoelektrickým ovladačem 5 3.... Vyrovnávací element 51 nakonec zabírá do páky 54, která je zase spojena s pístem 56. Tak se u ventilu 50 podle třetího příkladu provedení, zejména vzhledem ke způsobu činnosti piezoelektrického ovladače 53 a vyrovnávacího elementu 51, získají stejné výsledky jako u odpovídajících konstrukčních prvků v prvním příkladu provedení podle obr. 1. V této souvislosti je třeba poukázat na to, že vyrovnávací elementy v prvním a třetím příkladu provedení, mohou vždy podle potřeby vykazovat v průřezu různé symetrické tvary. Nabízejí se zde například kruhové, trojúhelníkové nebo čtyřúhelníkové tvary průřezu.

Na obr. 5 je nakonec znázorněn čtvrtý příklad provedení ventilu 60 podle vynálezu. Tento ventil 60 podle obr. 5 se odlišuje od ventilu 50 podle obr. 4 tím, že vyrovnávací element 61 je předepnut pružinovým elementem ve formě těsnicí pružiny 62. Vyrovnávací element 61 je proto spojen svým, na obr. 5 horním koncem, s pístem 63, který je zase spojen s přenosovým elementem 64 a do kterého zabírá těsnicí pružina 62.

444· ··

4 4 4 4 4 4

4444 4 · 4 · · 4

44444 444 4444 4

4 4444 >44

4 «4 44 44 >···

Dále je u ventilu 60 podle obr. 5, na rozdíl od ventilu 50 podle obr. 4, upraveno vedení 65., které se rozprostírá v ose vyrovnávacího elementu 61 vedle pístu 66, až k řídicímu ventilu s prvním sedlem 67 a s druhým sedlem 68.

Vyrovnávací element 61 ventilu 60 tím ve spojení s piezoelektrickým ovladačem 69 podmiňuje také stejný způsob činnosti jako u dříve jmenovaných příkladů provedení jedna až tři. U třetího a čtvrtého příkladu provedení může být samozřejmě navíc vytvořena podle obr. 4 a 5 také vzduchová mezera mezi pístem a přiřazeným ventilovým členem, aby byla kompenzována zbytková chyba, vysvětlená u prvního a druhého příkladu provedení na základě různých součinitelů tepelné roztažnosti mezi piezoelektrickým ovladačem a vyrovnávacím elementem.

Vyšlo také najevo, že zvlášť dobrého způsobu funkce ventilu podle vynálezu lze dosáhnout tehdy, pokud piezoelektrický ovladač a řídicí ventil leží kvazi ve stejné ose a piezoelektrický ovladač a vyrovnávací element leží velmi blízko u sebe.

Na závěr je třeba si všimnout toho, že ventil podle vynálezu může být podle různých příkladů provedení konstruován jako jednoduše nebo dvojitě spínající. Řešení podle vynálezu jsou také použitelná u 2/3 řídicích ventilů. Pro příklady provedení podle obr. 1 až 3 je dále společné, že aktuální piezoelektrický ovladač je předepínán předpínací pružinou s nižší tuhostí a vyšší předpínací silou.

Claims (8)

PATENTOVÉNÁROKY

1. Ventil k řízení kapalin, s piezoelektrickým ovladačem (2), jehož zdvih je pomocí přenosového elementu (3) přenášen na ventilový člen (13), přičemž v odstupu od piezoelektrického ovladače (2) je upraven vyrovnávací element (7), který vyrovnává teplotní kolísání piezoelektrického ovladače (2), a přičemž poměr součinitelů tepelné roztažnosti piezoelektrického ovladače (2) a součinitelů tepelné roztažnosti vyrovnávacího elementu (7) je podobný nebo stejný, vyznačující se tím, že vyrovnávací element (7, 51) je vytvořen ve formě tyče a je uspořádán rovnoběžně s piezoelektrickým ovladačem (2, 53) a s odstupem od něj.

2. Ventil k řízení kapalin podle nároku 1, vyznačující se tím, že piezoelektrický ovladač (2) a vyrovnávací element (7) prostorově sousedí, přednostně jsou uspořádány ve společném prostoru.

3. Ventil k řízení kapalin podle nároku 1, vyznačující se tím, že účinná délka vyrovnávacího elementu (7) odpovídá délce piezoelektrického ovladače (2).

4. Ventil k řízení kapalin podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že vyrovnávací element (7) sestává z Invaru® nebo keramiky.

5. Ventil k řízení kapalin podle jednoho z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že mezi přenosovým elementem (3) a převodníkem (10) je upravena vzduchová mezera (11).

• · · ···· ··· ·· · ·· ·· ·· ····

6. Ventil k řízení kapalin podle jednoho z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že přenosový element (3) zahrnuje táhlo (5) a vyrovnávací element (7) je částí táhla (5).

7. Ventil k řízení kapalin podle jednoho z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že přenosový element (3) přenáší na převodník (10) zdvih, přičemž převodník je proveden jako mechanický převodník, zejména jako páka.

8. Ventil k řízení kapalin podle nároku 7, vyznačující se tím, že opera páky (10) leží v ose (9) piezoelektrického ovladače.