DE10104016A1 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten - Google Patents

Abstract

Es wird ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten vorgeschlagen, mit einem in einem Ventilkörper (5) axial bewegbaren Ventilglied (3), welches mit einem Ventilschließglied (9) zum Öffnen und Schließen des Ventils zusammenwirkt, und mit einer als hydraulische Übersetzung arbeitenden Hydraulikkammer (10), welche zum Ausgleich von Leckageverlusten mit Flüssigkeit befüllbar ist. Dabei ist vorgesehen, daß die Hydraulikkammer (10) direkt mit wenigstens einem zu einem Hochdruckbereich führenden Befüllkanal (12) verbunden ist, welcher zumindest ein Drosselelement (13) zum Einstellen einer Befüllmenge in der Hydraulikkammer (10) aufweist (Figur 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Ventil zum Steuern von Flüs­ sigkeiten gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1 aus.

Aus der Praxis sind Ventile zum Steuern von Flüssigkeiten bekannt, die ein Ventilglied und eine hydraulische Überset­ zung aufweisen. Die hydraulische Übersetzung umfaßt übli­ cherweise eine Hydraulikkammer, die zum Ausgleich von Lec­ kageverlusten mit Flüssigkeit befüllt werden muß.

Aus der EP 0 477 400 A1 ist ein derartiges Ventil zum Steu­ ern von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoff bei ei­ nem Common-Rail-Injektor, bekannt. Das Ventil ist über eine piezoelektrische Einheit betätigbar, die zumindest einen piezoelektrischen Aktor und eine Anordnung für einen in Hubrichtung wirkenden Wegtransformator der piezoelektri­ schen Einheit aufweist. Dabei wird die Auslenkung des Aktors über die Hydraulikkammer übertragen, welche als Tole­ ranzausgleichselement dient.

Die Hydraulikkammer schließt zwischen zwei sie begrenzenden Kolben, von denen ein Kolben mit einem kleineren Durchmes­ ser ausgebildet ist und mit einem anzusteuernden Ventil­ schließglied verbunden ist, und der andere Kolben mit einem größeren Durchmesser ausgebildet ist und mit dem piezoelek­ trische Aktor verbunden ist, ein gemeinsames Arbeitsvolumen ein. Die Hydraulikkammer ist so zwischen den Kolben einge­ spannt, daß der Betätigungskolben einen um das Überset­ zungsverhältnis des Kolbendurchmessers vergrößerten Hub macht, wenn der größere Kolben durch den piezoelektrischen Aktor um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird. Daneben können über das Arbeitsvolumen der Hydraulikkammer Toleran­ zen z. B. aufgrund von unterschiedlichen Temperaturausdeh­ nungskoeffizienten der verwendeten Materialien sowie even­ tuelle Setzeffekte ausgeglichen werden, ohne daß das Ven­ tilschließglied eine Änderung seiner Position erfährt.

Zur Sicherstellung der Funktion derartiger Ventile benötigt die Hydraulikkammer, welche sich beispielsweise in einem Niederdruckbereich des Ventils befindet, einen Systemdruck. Dieser Systemdruck fällt aufgrund von Leckagen ab, falls keine ausreichende Nachfüllung von Flüssigkeit erfolgt.

Die Wiederbefüllung der Hydraulikkammer wird z. B. bei den aus der Praxis bekannten Common-Rail-Injektoren durch Zu­ führung von Flüssigkeit aus einem Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich des Ventils realisiert. Häufig geschieht diese Wiederbefüllung mit Hilfe von Leckspalten, die durch Leck- bzw. Befüllstifte dargestellt werden. Der Systemdruck wird in der Regel durch ein Ventil eingestellt, wobei der Systemdruck zum Beispiel auch für mehrere Common-Rail-Ven­ tile konstant gehalten werden kann. Üblicherweise erfolgt die Befüllung der Hydraulikkammer über einen Leckspalt, welcher wenigstens einen der beiden die Hydraulikkammer be­ grenzenden Kolben und/oder den Befüllstift umgibt.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei dem bekannten Ventil ein Konflikt zwischen ausreichender Befüllung und stabilen Druckhaltevermögen in der Hydraulikkammer auftritt. Insbe­ sondere die Länge des Dichtspaltes und die Höhe eines ange­ strebten statischen Druckes in der Hydraulikkammer beein­ flussen stark die Robustheit der hydraulischen Übersetzung.

Des weiteren wird dieser Konflikt durch vorgegebene Form- und Lagetoleranzen bei der Fertigung des Ventils ver­ schärft, da bei dem bekannten Ventil zum Steuern von Flüs­ sigkeiten die Auswirkungen von Form- und Lagefehlern nach­ träglich nicht berücksichtigt werden können.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 hat den Vorteil, daß aufgrund der direkten Befüllung der Hydraulikkammer durch einen Befüllkanal mit einem Drosselelement negative Einflüsse von Form- und Lagetoleranzen bei Kolben bzw. Stiften eliminiert werden, womit der Konflikt zwischen der Realisierung einer großen Dichtlänge und den sich daraus ergebenden Fertigungsaufwand und dem Druckhaltevermögen der Hydraulikkammer gelöst wird. Insbesondere wird bei dem er­ findungsgemäßen Ventil durch den Einsatz eines Drossel­ elements zum Einstellen einer Befüllmenge eine stabile Wie­ derbefüllung der Hydraulikkammer ermöglicht, ohne dabei ei­ ne von dem Ventilglied über die Hydraulikkammer auf das Ventilschließglied übertragene dynamische Kraft F_dyn be­ sonders zu reduzieren. Somit wird z. B. bei der Verwendung einer piezoelektrischen Einheit zum Betätigen des Ventils der durch die hohe Dynamik des piezoelektrischen Aktors bei der Anregung verursachte Druckstoß, welcher auf die Hydrau­ likkammer wirkt, optimal auf das Ventilschließglied über­ tragen. Dementsprechend wird das Druckhaltevermögen bei dem erfindungsgemäßen Ventil verbessert und eine robuste hy­ draulische Übersetzung ermöglicht.

Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines Drosselventils als Drosselelement in dem in die Hydraulikkammer mündenden Befüllkanal. Dadurch ist neben einer vorteilhaften stabilen Wiederbefüllung der Hydraulikkammer zudem eine Einstellbar­ keit des jeweils vorgegebenen Druckniveaus in der Hydrau­ likkammer möglich.

Als Drosselventil kann in einer besonders bevorzugten Aus­ führung eine Kolbendrossel mit einem Drosselquerschnitt in Form eines gleichseitigen Dreiecks Verwendung finden, wel­ ches mit einem Rückschlagventil kombiniert werden kann, so daß ein Drossel-Rückschlagventil entsteht. Wenn der Dros­ seldurchmesser entsprechend klein gewählt wird, kann ein Drossel-Rückschlagventil auch entfallen. Selbstverständlich sind auch andere veränderliche Drosselquerschnitte möglich, so daß beispielsweise auch einstellbare Nadeldrosseln als Drosselventile eingesetzt werden können.

Daneben kann als Drosselelement auch eine Blende bzw. ein Staurand Verwendung finden, wobei eine kreisrunde Blende eine ideale, weitgehend viskositätsunabhängige Drosselstel­ le darstellt, welche sich für möglichst kurze Drosselstrec­ ken besonders eignet. Selbstverständlich ist es auch mög­ lich, daß andere dem Fachmann bekannte Drosselelemente, wie z. B. ein Venturi-Rohr oder eine Düse, etc. eingesetzt wer­ den können.

Es hat sich gezeigt, daß bei der Verwendung eines Drossel­ elements ein Strömungsquerschnitt etwa im Bereich von 80 µm bis 100 µm besonders vorteilhaft ist. Die Werte für den Durchmesser des Drosselelements hängen insbesondere von der Druckdifferenz zwischen dem Druck in der Hydraulikkammer beim Öffnen und dem anliegenden Hochdruck ab.

Der in die Hydraulikkammer mündende Befüllkanal ist mit dem Hochdruckbereich des Ventils verbunden, wobei üblicherweise ein Konstantdruck im Betrieb anliegt. Es ist auch denkbar, daß der Befüllkanal aus einer anderen Quelle gespeist wird und beispielsweise mit variablem Druck beaufschlagt sein kann.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Ge­ genstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeich­ nung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der folgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines erfindungsgemäßen Ventils zum Ansteuern eines Kraft­ stoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen im Längs­ schnitt, und

Fig. 2 mehrere Verläufe einer dynamischen Kraft während eines Druckstoßes.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung zeigt eine Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils bei einem Kraftstoffeinspritzventil 1 für Brennkraftmaschi­ nen von Kraftfahrzeugen. In der vorliegenden Ausführung ist das Kraftstoffeinspritzventil 1 als ein Common-Rail-Injek­ tor zur Einspritzung von vorzugsweise Dieselkraftstoff aus­ gebildet, wobei die Kraftstoffeinspritzung über das Druck­ niveau in einem in der Fig. 1 nur angedeuteten Ventilsteu­ erraum 2, der mit einer Hochdruckversorgung verbunden ist, gesteuert wird.

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 Aktoreinheit angesteuert, welche auf der ventilsteuerraum- und brenn­ raumabgewandten Seite des Ventilgliedes 3 angeordnet ist.

Der piezoelektrische Aktor 4 ist in üblicher Weise aus meh­ reren Schichten aufgebaut und weist auf seiner dem Ventilglied 3 zugewandten Seite einen Aktorkopf und auf seiner dem Ventilglied 3 abgewandten Seite einen Aktorfuß auf, der sich an einer nicht weiter dargestellten Wand eines Ventil­ körpers 5 abstützt.

Das Ventilglied 3 ist axial verschiebbar in einer Längsboh­ rung 6 des Ventilkörpers 5 angeordnet und umfaßt neben ei­ nem ersten Kolben 7, welches an dem Aktorkopf anliegt und auch als Stellkolben bezeichnet wird, einen weiteren zwei­ ten Kolben 8, welcher ein Ventilschließglied 9 betätigt und daher auch als Betätigungskolben bezeichnet wird.

Die Kolben 7 und 8 sind mittels einer hydraulischen Über­ setzung, welche als Hydraulikkammer 10 ausgebildet ist und die Auslenkung des piezoelektrischen Aktors 4 überträgt, miteinander gekoppelt. Die Hydraulikkammer 10 schließt zwi­ schen den beiden sie begrenzenden Kolben 7 und 8, bei denen der Durchmesser des zweiten Kolbens 8 kleiner ist als der Durchmesser des ersten Kolbens 7, ein gemeinsames Aus­ gleichsvolumen ein, in dem ein Systemdruck p_sys herrscht. Das Ventilglied 3, seine Kolben 7 und 8 und der piezoelek­ trische Aktor 4 liegen vorzugsweise auf einer gemeinsamen Achse hintereinander, sind also zentrisch zueinander ange­ ordnet, wobei der zweite Kolben 8 einen um das Überset­ zungsverhältnis des Kolbendurchmessers vergrößerten Hub macht, wenn der größere erste Kolben 7 durch den piezoelek­ trischen Aktor 4 um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird. Selbstverständlich ist es aber auch denkbar, daß die Kolben 7 und 8 in einer anderen Ausführung exzentrisch zueinander angeordnet sind.

Das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer 10 erlaubt den Ausgleich von Toleranzen aufgrund von Temperaturgradienten im Bauteil oder unterschiedlichen Temperaturausdehnungsko­ effizienten der verwendeten Materialien sowie eventueller Setzeffekte ohne Beeinflussung der Position des anzusteu­ ernden Ventilschließgliedes 9.

An dem den Ventilsteuerraum 2 zugewandten Ende des Ventil­ gliedes 3 wirkt das kugelartige Ventilschließglied 9 mit einem an dem Ventilkörper 7 ausgebildeten Ventilsitz 11 zu­ sammen, wobei das Ventilschließglied 9 einen Niederdruckbe­ reich von einem Hochdruckbereich mit einem Hochdruck bzw. Raildruck p_Rail trennt.

Um Leckageverluste der Hydraulikkammer 10 bei einer Betäti­ gung des Kraftstoffeinspritzventils 1 auszugleichen, ist eine Befüllung der Hydraulikkammer 10 erforderlich. Dazu ist ein Befüllkanal 12 vorgesehen, der in die Hydraulikkam­ mer 10 mündet und hier mit dem Hochdruckbereich des Kraft­ stoffeinspritzventils 1 verbunden ist.

In dem Befüllkanal 12 ist ein Drosselelement 13 zum Ein­ stellen einer Befüllmenge vorgesehen. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung weist die Einrichtung zum Ein­ stellen der Befüllmenge ein Drosselventil auf. Mit dem Drosselventil 13 kann jeweils ein vorgegebenes Druckniveau in der Hydraulikkammer 10 direkt eingestellt und optimal gehalten werden.

In Fig. 2 ist ein Diagramm mit mehreren Verläufen 14, 15, 16 einer dynamischen Kraft F_dyn während eines Druckstoßes, d. h. bei der Betätigung des Ventilgliedes 3 durch den pie­ zoelektrischen Aktor 4, dargestellt.

Der durch eine strichpunktierte Linie dargestellte Verlauf 14 der Kraft F_dyn stellt die Kraftcharakteristik bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil 1 dar. Die bei­ den anderen Verläufen 15 und 16, welche mittels gestrichel­ ter Linie und durchgezogener Linie dargestellt sind, stel­ len jeweils Kraftverläufe von aus dem Stand der Technik be­ kannten Kraftstoffeinspritzventilen dar, wobei der Verlauf 15 ein Ventil mit zentrischer Anordnung der beiden die Hy­ draulikkammer begrenzenden Kolben und indirekter Befüllung der Hydraulikkammer über einen Ringspalt um einen der Kol­ ben kennzeichnet. Der Verlauf 16 stellt dagegen den Kraft­ verlauf bei einem Kraftstoffeinspritzventil mit exzentri­ scher Anordnung der beiden Kolben und ebenfalls indirekter Befüllung der Hydraulikkammer über einen Leckspalt an einem der Kolben dar.

Bei einem Vergleich der dargestellten Verläufe wird deut­ lich, daß bei den bekannten Kraftstoffeinspritzventilen mit der Befüllung durch einen Leckspalt an den Kolben sowohl bei zentrischer als auch bei exzentrischer Anordnung der Kolben die dynamische Kraft F_dyn während des Druckstoßes reduziert wird. Insbesondere bei kurzen Dichtlängen des Leckagespalts an dem Kolben fällt die dynamische Kraft F_dyn über die Zeit erheblich ab. Dies führt insbesondere zu einem negativen Einfluß auf das Druckhaltevermögen bei den bekannten Ventilen. Dieser negative Einfluß wird bei exzentrischer Lage der Kolben noch erheblich verstärkt, wie dies durch den Verlauf 16 in Fig. 2 angedeutet ist. Insgesamt wird dadurch keine stabile hydraulische Übersetzung gewährleistet.

Bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil 1 kann ein relativ stabiler Verlauf 14 der dynamischen Kraft F_dyn in der Hydraulikkammer 10 erreicht werden. Dies bedeutet, daß die Kraft des piezoelektrischen Aktors 4 optimal auf das Ventilschließglied 9 beim Druckstoß übertragen wird. Durch entsprechende Wahl des Drosselelements kann dieser Verlauf 14 auch beeinflußt werden, beispielsweise zum Ein­ stellen eines gewünschten Druckabfalles. Somit wird bei dem erfindungsgemäßen Ventil eine stabile und robuste hydrauli­ sche Übersetzung ermöglicht.

Claims (7)

1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, mit einem in einem Ventilkörper (5) axial bewegbaren Ventilglied (3), wel­ ches mit einem Ventilschließglied (9) zum Öffnen und Schließen des Ventils zusammenwirkt, und mit einer als hydraulische Übersetzung arbeitenden Hydraulikkammer (10), welche zum Ausgleich von Leckageverlusten mit Flüssigkeit befüllbar ist, wobei die Hydraulikkammer (10) direkt mit wenigstens einem zu einem Hochdruckbe­ reich führenden Befüllkanal (12) verbunden ist, welcher zumindest ein Drosselelement (13) zum Einstellen einer Befüllmenge der Hydraulikkammer (10) aufweist.

2. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselelement als Drosselventil (13) ausgebildet ist.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselventil (13) als ein Drossel-Rückschlagventil aus­ gebildet ist.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Drosselelement (13) als Blende ausge­ bildet ist.

5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Durchmesser der Drossel (13) etwa im Bereich von 80 µm bis 100 µm liegt.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Betätigung des Ventils eine piezoelek­ trische Einheit (4) dient.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch seine Verwendung zur Ansteuerung eines Kraftstoff­ einspritzventils (1) für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges.