DE10100392C1 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten - Google Patents

Abstract

Es wird ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten vorgeschlagen, umfassend eine Aktuator-Einheit (4), insbesondere einen piezoelektrischen Aktuator, zur Betätigung eines in einem Ventilkörper angeordneten Ventilglieds (3), dem ein mit mindestens einem Ventilsitz (18) zusammenwirkendes Ventilschließglied (12) zugeordnet ist und das einen Stellkolben (7), der mit der Aktuator-Einheit (4) verbunden ist, und einen Betätigungskolben (10) aufweist, der über eine Hydraulikkammer (13) mit dem Stellkolben (7) in Wirkverbindung steht und mit dem Ventilschließglied (12) verbunden ist. Zur Bauraum- und Bauteilreduzierung sind der Stellkolben (7) und der Betätigungskolben (10) in nebeneinander angeordneten Bohrungen (8, 11) des Ventilkörpers geführt (Figur 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssig­ keiten gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.

Ein derartiges Ventil ist beispielsweise aus der EP 0 477 400 A1 bekannt. Dieses Ventil weist einen piezo­ elektrischen Aktor auf, dessen Auslenkung über einen Stell­ kolben, eine Hydraulikkammer sowie einen Betätigungskolben auf ein Ventilschließglied übertragen wird. Die Hydraulik­ kammer arbeitet hier einerseits als hydraulische Überset­ zung und andererseits als Toleranzausgleichselement. Sie schließt zwischen den beiden Kolben, von denen einer mit einem kleineren Durchmesser ausgebildet ist und mit dem an­ zusteuernden Ventilschließglied verbunden ist und der ande­ re Kolben einen größeren Durchmesser aufweist und mit dem piezoelektrischen Aktor verbunden ist, ein gemeinsames Ausgleichsvolumen ein. Die Hydraulikkammer ist derart zwischen den beiden Kolben eingespannt, daß der Betätigungskolben einen um das Übersetzungsverhältnis der Kolbendurchmesser vergrößerten Hub macht, wenn der Kolben größeren Durchmes­ sers mittels des piezoelektrischen Aktors um eine bestimmte Wegstrecke verfahren wird. Das Ventilschließglied, die Kol­ ben, die Hydraulikkammer sowie der piezoelektrische Aktor sind dabei in axialer Richtung des Ventils hintereinander angeordnet, was eine entsprechende Baulänge bedingt.

Der Ventilkörper des bekannten Ventils weist mehrere axial aneinandergrenzende Bauteile auf, wobei der Betätigungskol­ ben und der Stellkolben jeweils in einer Bohrung eines se­ paraten Ventilkörperbauteils geführt sind. Diese Bohrungen können je nach Ausführung achsversetzt zueinander angeord­ net sein, so daß die Hydraulikkammer im Bereich der gemein­ samen Durchmesserschnittfläche der Bohrungen für die Kolben und im Bereich der Trennebene zwischen den die Bohrungen enthaltenden Bauteilen gebildet wird. Die Flächenpressung zwischen diesen Bauteilen darf einen bestimmten Grenzwert nicht überschreiten. Durch eine relativ geringe Flächen­ pressung besteht jedoch die Gefahr, daß beim Übertragen der Kräfte von dem Stellkolben auf den Betätigungskolben Leck­ verluste auftreten, die wiederum zu Kraftverlusten bei der hydraulischen Übersetzung führen. Nachteilhafterweise be­ stehen aufgrund dieser Tatsache große Exemplarstreuungen bei einer Serie.

Die beschriebenen Nachteile der bekannten Lösung treffen vor allem auf Servoventile zur Ansteuerung von als Common- Rail-Injektoren ausgebildeten Kraftstoffeinspritzventilen zu, bei denen eine hocheffiziente und präzise Funktion erwünscht ist sowie ein nur begrenzter Bauraum zur Verfügung steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, daß die genannten Nachteile vermieden werden und ein kompaktes, Bauteile und Bauraum sparendes Ventil erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Insbesondere bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung gemäß Patentanspruch 2 besteht der Vorteil, daß innere Leckagen vermieden werden können.

Des weiteren können die Bohrungen jeweils als zylindrische Durchgangsbohrung ausgebildet sein. Eine solche Bohrung kann mittels Durchgangsschleifen behandelt sein. Dies führt zu einer hohen Qualität der den Kolben zugeordneten Bohrungen und damit des gesamten Ventils.

Zur Übertragung der Kräfte von dem Stellkolben auf den Betätigungskolben sind die Bohrungen, in denen diese geführt sind, vorzugsweise über einen sogenannten Hydraulikkanal miteinander verbunden, welcher der Hydraulikkammer zugeordnet ist. Die Hydraulikkammer ist dann vorzugsweise so aus­ gebildet, daß sie einen Teil des der Aktuator-Einheit abge­ wandten Bereichs der Kolbenbohrung, die zur Aufnahme des Stellkolbens vorgesehen ist, den Hydraulikkanal sowie einen Teil des dem Ventilschließglied abgewandten Bereichs der dem Betätigungskolben zugeordneten Kolbenbohrung umfaßt.

Der Querschnitt des Hydraulikkanals kann beispielsweise in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung einen Durch­ messer von etwa 0,8 mm aufweisen. Der Durchmesser des Stellkolbens beträgt beispielsweise etwa 2,5 mm und derje­ nige des Betätigungskolbens etwa 1,5 mm.

Das die Kolbenbohrungen aufweisende Ventilkörperbauteil kann beispielsweise mittels einer Spannschraube mit dem an­ grenzenden Ventilkörperbauteil verspannt sein. Dadurch, daß der Koppler in das beispielsweise als Zwischenplatte ausge­ führte Ventilkörperbauteil integriert ist, kann mittels der Spannschraube durch Einleiten großer Axialkräfte eine gute Abdichtung des Kopplers erreicht werden.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen des Ge­ genstandes nach der Erfindung ergeben sich aus der Be­ schreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des Ventils zum Steuern von Flüs­ sigkeiten nach der Erfindung ist in der Zeichnung schema­ tisch vereinfacht dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine ausschnittsweise Darstellung eines Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten in Verbindung mit einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen im Längs­ schnitt; und

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Verwendung des Ventils nach der Erfindung bei einem Kraftstoffeinspritzventil 1 für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen. Das hier dargestellte Kraftstoffein­ spritzventil 1 ist ein Common-Rail-Injektor, der zur Ein­ spritzung von vorzugsweise Dieselkraftstoff dient und bei dem die Kraftstoffeinspritzung über das Druckniveau in ei­ nen Ventilsteuerraum 2 gesteuert wird, der mit einer Hoch­ druckzufuhrleitung 5 verbunden ist, welche mit einem für mehrere Einspritzventile gemeinsamen Hochdruckspeicher, ei­ nem sogenannten Common-Rail, in Verbindung steht.

Zur Einstellung eines Einspritzbeginns, einer Einspritzdau­ er und einer Einspritzmenge über Kräfteverhältnisse in dem Kraftstoffeinspritzventil 1 wird ein Ventilglied 3 über ei­ ne als piezoelektrischer Aktor 4 ausgebildete Aktuator-Ein­ heit angesteuert, welche auf der ventilsteuerraum- und brennraumabgewandten Seite des Ventilgliedes 3 angeordnet ist. Der piezoelektrische Aktor 4 ist in üblicher Weise aus mehreren Schichten aufgebaut und weist auf seiner dem Ven­ tilglied 3 zugewandten Seite einen Aktorkopf 6 auf, der mit einem dem Ventilglied 3 zugeordneten sogenannten Stellkol­ ben 7 verbunden ist.

Der Stellkolben 7 ist in einer Bohrung 8 eines Bauteiles 9B, welches Teil eines Ventilkörpers 9 ist, geführt. Das Bauteil 9B des Ventilkörpers 9 grenzt in axialer Richtung des Einspritzventils, d. h. parallel zur Achse der Bohrung 8, einerseits an ein Bauteil 9A und andererseits an ein Bauteil 9C des Ventilkörpers 9 an und ist mit diesen über eine hier nicht dargestellte Spannmutter verpreßt.

Das Ventilglied 3 umfaßt neben dem Stellkolben 7 einen zweiten Kolben 10, der in einer zweiten Bohrung 11 des Ven­ tilkörperbauteils 9B axial verschiebbar angeordnet ist. Dieser Kolben 10 ist mit einem Ventilschließglied 12 ver­ bunden und dient zur Betätigung des letzteren, weshalb er auch als Betätigungskolben bezeichnet wird.

Der Stellkolben 7 und der Betätigungskolben 10 sind über eine hydraulische Übersetzung miteinander gekoppelt. Die hydraulische Übersetzung ist als Hydraulikkammer 13 ausge­ bildet, welche aus drei Teilbereichen besteht, nämlich ei­ nem ersten Bereich 14, der innerhalb der Bohrung 8 angeord­ net ist und auf der dem piezoelektrischen Aktor 4 abgewand­ ten Seite des Stellkolbens 7 angeordnet ist, einem als Hy­ draulikkanal 15 ausgebildeten zweiten Bereich, der hier ei­ nen Durchmesser von etwa 0,8 mm aufweist, sowie einem drit­ ten Bereich 16, der innerhalb der Bohrung 11 angeordnet ist und auf der dem Ventilschließglied 12 abgewandten Seite des Betätigungskolbens 10 an denselben angrenzt.

Der Durchmesser d1 des Stellkolbens 7 ist größer als der Durchmesser d2 des Betätigungskolbens 10. Daher macht der Betätigungskolben 10, wenn der Stellkolben 7 mittels des piezoelektrischen Aktors 4 um eine bestimmte Wegstrecke verfahren wird, einen um das Übersetzungsverhältnis der Kolbendurchmesser vergrößerten Hub.

Der Durchmesser d1 des Stellkolbens 7 beträgt im vorliegen­ den Fall etwa 2,5 mm. Der Durchmesser d2 des Betätigungs­ kolbens 10 beträgt hier etwa 1,5 mm.

Die aus dem Teilbereich 14, dem Hydraulikkanal 15 und dem Teilbereich 16 bestehende Hydraulikkammer 13 bildet zudem ein Ausgleichsvolumen, mittels dem Toleranzen aufgrund von Temperaturgradienten im Bauteil oder unterschiedlicher Tem­ peraturausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Materiali­ en sowie eventuelle Setzeffekte ausgeglichen werden können, ohne daß dadurch eine Änderung der Position des anzusteu­ ernden Ventilschließglieds 12 erfolgen würde.

Die Kolbenbohrungen 11 und 8, die dem Betätigungskolben 10 bzw. dem Stellkolben 7 zugeordnet sind, sind jeweils in dem nach Art einer Zwischenscheibe ausgebildeten Bauteil 9B des Ventilkörpers angeordnet. Das als Zwischenscheibe ausgebil­ dete Bauteil 9B weist zudem den Hydraulikkanal 15, der die Bohrung 8 mit der Bohrung 11 verbindet, sowie eine weitere Bohrung 17 auf, die vorzugsweise parallel zu den achsparal­ lel ausgerichteten Kolbenbohrungen 11 und 8 ausgerichtet ist und Teil des Hochdruckzulaufkanals 5 ist.

An dem ventilsteuerraumseiten Ende des Ventilglieds 3 wirkt das hier halbkugelartig ausgebildete Ventilschließglied 12 mit einem an dem Ventilkörperbauteil 9C ausgebildeten Ventilsitz 18 zusammen. Der Ventilsitz 18 ist in einem von dem Ventilkörperbauteil 9C umschlossenen Ventilraum 19 ausge­ bildet, in den ein von dem Ventilsteuerraum 2 abzweigender Kanal 22 mit einer sogenannten Ablaufdrossel mündet. In dem Ventilraum 19 ist auch das Ventilschließglied 12 angeord­ net, welches mittels mindestens einer Feder 20 in Richtung des Betätigungskolbens 10, d. h. in Sperrichtung, belastet ist.

In Sperrstellung trennt das Ventilschließglied 12 den Ven­ tilraum 19 von einem sogenannten Ablaufraum 21, von welchem ein hier nicht dargestellter Leckageablaufkanal abzweigt, der zu einem hier ebenfalls nicht dargestellten Kraftstoff­ vorratstank führt.

Der Ventilsteuerraum 2, der Ventilraum 19, das Ventil­ schließglied 12, die Kolbenbohrung 11 sowie der Betäti­ gungskolben 10 liegen in einer gemeinsamen Achse. Ebenfalls in einer gemeinsamen Achse liegen der piezoelektrische Ak­ tor 4, die Kolbenbohrung 8 sowie der Stellkolben 7. Diese beiden Achsen sind im vorliegenden Fall parallel zueinander ausgerichtet.

Dadurch, daß der gesamte hydraulische Koppler in dem als Zwischenscheibe ausgebildeten Ventilkörperbauteil 9B inte­ griert ist, ist eine gute Abdichtung des Kopplers möglich, denn beispielsweise mittels der erwähnten Spannmutter kann hier zur Verspannung der einzelnen Ventilkörperbauteile miteinander eine hohe Axialkraft in den Ventilkörper einge­ leitet werden.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Kraftstoffein­ spritzventil 1 arbeitet in nachfolgend beschriebener Weise.

In geschlossenem Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 1, d. h. wenn keine Spannung an dem piezoelektrischen Aktor 4 anliegt, liegt das Ventilschließglied 12 an dem Ventilsitz 18 an. In dieser Stellung dichtet das Ventilschließglied 12 den Ablaufraum 21 gegen den Ventilraum 19 ab. Das Ventil­ schließglied 12 wird zum einen mittels der Feder 20 und zum andern mittels des über den mit einer Ablaufdrossel verse­ henen Kanal wirkenden Fluiddrucks, der im wesentlichen dem Common-Rail-Druck entspricht, gegen den Ventilsitz 18 ge­ preßt.

Wenn das Kraftstoffeinspritzventil 1 geöffnet werden soll, d. h. wenn ein durch einen hier nicht dargestellten Ventil­ steuerkolben verschlossene, hier ebenfalls nicht darge­ stellte Einspritzdüse geöffnet werden soll, wird an dem piezoelektrischen Aktor 4 eine elektrische Spannung ange­ legt, worauf sich dieser schlagartig in axialer Richtung, d. h. in Richtung des Stellkolbens 7, ausdehnt. Letzterer wird dadurch in Richtung des Ventilkörperbauteils 9C ver­ schoben, wodurch in dem Hydraulikkammerbereich 14 befindli­ ches Fluid über den Hydraulikkanal 15 in den Hydraulikkam­ merbereich 16 verdrängt wird. Dadurch wird wiederum der Be­ tätigungskolben 10 und damit auch das Ventilschließglied 12 in Richtung des Ventilsteuerraums 2 verfahren, so daß eine Verbindung zwischen dem Ventilraum 19 und dem Ablaufraum 21 hergestellt wird.

In dieser Stellung des Ventilschließglieds 12 strömt sich in dem Ventilraum 19 befindlicher Kraftstoff in den Ablauf­ raum 21 und von dort über den nicht dargestellten Leckage­ ablaufkanal ab. Über den Kanal 22 und die in diesem ange­ ordnete Ablaufdrossel wird dadurch der Ventilsteuerraum 2 entlastet, so daß sich der Druck in demselben abbaut und sich der hier nicht dargestellte Ventilsteuerkolben in Richtung des Kanals 22 verschiebt. Dadurch wird die zu dem Verbrennungsraum der Verbrennungsmaschine führende Öffnung freigegeben und unter Hochdruck stehender, über den Hoch­ druckzufuhrkanal 5 herangeführter Kraftstoff wird in den Verbrennungsraum der Verbrennungsmaschine eingespritzt.

Wird nun die an dem piezoelektrischen Aktor 4 angelegte Spannung unterbrochen, so wird der Stellkolben 7 in Rich­ tung des Aktors 4 zurückgefahren, wodurch der Druck, der in der zwischen dem Stellkolben 7 und dem Betätigungskolben 10 liegenden Hydraulikkammer herrscht, reduziert wird. Das Ventilschließglied 12 und der Betätigungskolben 10 werden dann mittels der Feder 20 und des über den Kanal 22 auf die freie Stirnfläche des Ventilschließglieds 12 wirkenden Drucks in Richtung des Ventilkörperbauteils 9A verfahren, bis das Ventilschließglied 12 an dem Ventilsitz 18 zum An­ liegen kommt.

Die Erfindung ist nicht nur auf die beschriebene bevorzugte Verwendung bei Kraftstoffeinspritzventilen beschränkt. Vielmehr eignet sie sich bei allen Ventilen mit einer pie­ zoelektrischen Aktuatorik, bei denen ein Ventilschließglied einen Hochdruckbereich von einem Niederdruckbereich trennt, wie z. B. in Pumpen.

Die Erfindung ist auch bei einem sogenannten Doppelsitzven­ til, d. h. bei einem Ventil mit einem mit zwei Ventilsitzen zusammenwirkenden Ventilschließglied, anwendbar.

Claims (8)

1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, mit einer Aktua­ tor-Einheit (4), insbesondere mit einem piezoelektri­ schen Aktuator, zur Betätigung eines in einem Ventilkör­ per (9) angeordneten Ventilglieds (3), dem ein mit min­ destens einem Ventilsitz (18) zusammenwirkendes Ventil­ schließglied (12) zugeordnet ist und das einen Stellkol­ ben (7), der mit der Aktuator-Einheit (4) verbunden ist, und einen Betätigungskolben (10) aufweist, der über eine Hydraulikkammer (13) mit dem Stellkolben (7) in Wirkver­ bindung steht und mit dem Ventilschließglied (12) ver­ bunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellkolben (7) und der Betätigungskolben (10) in nebeneinander an­ geordneten Bohrungen (8, 11) des Ventilkörpers (9) ge­ führt sind.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (9) mehrteilig aufgebaut ist und die beiden Bohrungen (11, 8), die dem Stellkolben (7) und dem Be­ tätigungskolben (10) zugeordnet sind, in einem gemeinsa­ men Ventilkörperbauteil (9B) liegen.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Kolbenbohrungen (8, 11) parallel aus­ gerichtet sind.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Durchmesser (d1) des Stellkolbens (7) größer ist als der Durchmesser (d2) des Betätigungskol­ bens (10).

5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kolbenbohrungen (8, 11) über einen Hy­ draulikkanal (15) miteinander in Verbindung stehen, wel­ cher der Hydraulikkammer (13) zugeordnet ist.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hydraulikkanal (15) von dem der Aktua­ tor-Einheit (4) abgewandten Bereich der dem Stellkolben (7) zugeordneten Kolbenbohrung (8) zu dem dem Ventil­ schließglied (12) abgewandten Bereich der dem Betäti­ gungskolben (10) zugeordneten Kolbenbohrung (11) führt.

7. Ventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Hydraulikkanals (15) einen Durchmesser von wenigstens annähernd 0,8 mm hat.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das die Kolbenbohrungen (8, 11) aufweisen­ de Ventilkörperbauteil (9B) mittels einer Spannschraube mit den angrenzenden Ventilkörperbauteilen (9A, 9C) ver­ spannt ist.