DE10120709A1 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten - Google Patents

Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil (1) zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Piezoaktor (2), einem mechanischen Übersetzer (3) zum Übersetzen eines Hubes des Piezoaktors, einem Vorspannelement (6) zum Vorspannen des Piezoaktors und einem Ausgleichselement (10). Der Piezoaktor (2) und das Ausgleichselement (10) sind in einem gemeinsamen Raum (11) angeordnet. Dabei ist das Ausgleichselement (10) dem Übersetzer (3) nachgeschaltet angeordnet.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten und insbesondere ein Kraftstoffeinspritzventil für ein Speichereinspritzsystem.
Ventile zum Steuern von Flüssigkeiten sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Beispielsweise ist aus der US-4 022 166 ein piezoelektrisches Kraftstoffeinspritzventil bekannt, bei dem die Steuerung des Ventilgliedes über ein piezoelektrisches Element erfolgt. Dabei wird der Hub des piezoelektrischen Elements über einen Hebel unmittelbar auf die Ventilnadel übertragen. Desweiteren sind zwei Rückstellfedern vorgesehen, um die Ventilnadeln und den Hebel jeweils in ihrer Ausgangsposition zu halten. Aufgrund dieser Ausgestaltung mit zwei Rückstellfedern, welche über den Hebel miteinander in Verbindung stehen, entsteht ein sehr schwingungsempfindliches Gebilde, welches insbesondere für eine Hochdruckeinspritzung nur bedingt geeignet ist, da sich die Schwingungen aufschaukeln können.
Weiterhin sind Injektoren bekannt, welche zur Übersetzung des Hubes eines Piezoaktors hydraulische Übersetzer verwenden. Derartige Lösungen weisen jedoch im Allgemeinen einen relativ komplizierten Aufbau auf und bestehen aus einer Vielzahl von Teilen. Weiterhin ist eine ständige Befüllung des hydraulischen Übersetzers notwendig, um Leckageverluste auszugleichen, was derartige Ventile relativ kompliziert macht und die Herstellungskosten verteuert.
Da die Piezoaktoren nur ein sehr kleines Hubvermögen aufweisen, welches übersetzt werden muss, muss insbesondere auch ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Piezoaktors berücksichtigt werden, um eine genaue Einspritzung von Kraftstoff zu ermöglichen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass es einen sehr guten Wärmeausgleich für temperaturbedingte Änderungen der Länge des Piezoaktors aufweist. Erfindungsgemäß wird dabei ein mechanischer Übersetzer verwendet, dem ein Wärmeausgleichselement nachgeschaltet ist. Dabei sind das Ausgleichselement und der Piezoaktor in einem gemeinsamen Raum angeordnet. Erfindungsgemäß erfolgt somit die Übersetzung des Piezoaktorhubes auf der Primärseite des Systems und der Wärmeausgleich auf der Sekundärseite des Systems.
Besonders bevorzugt ist der Raum, in welchem der Piezoaktor und das Ausgleichselement angeordnet sind, mit einem Wärmeleitmedium gefüllt. Dadurch wird sichergestellt, dass unterschiedliche Temperaturen am Piezoaktor bzw. am Ausgleichselement durch das Wärmeleitmedium schnell ausgeglichen werden können, so dass im Raum eine möglichst konstante bzw. gleichmäßige Temperatur herrscht.
Besonders bevorzugt ist der Piezoaktor über ein Brückenelement mit dem mechanischen Übersetzer verbunden. Ein Vorspannelement für den Piezoaktor spannt den Piezoaktor dabei über das Brückenelement vor. Somit sind der Piezoaktor, der mechanische Übersetzer und das Vorspannelement vorteilhaft über das Brückenelement verbunden.
Besonders bevorzugt ist das Brückenelement im Schnitt U- förmig mit zwei Schenkeln ausgebildet. Der mechanische Übersetzer ist dabei zwischen den beiden Schenkeln angeordnet.
Um einen möglichst genauen Wärmeausgleich zu ermöglichen, weisen das Ausgleichselement und der Piezoaktor vorzugsweise den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Besonders bevorzugt ist dabei die Länge des Ausgleichselements gleich der Länge des Piezoaktors. Dadurch kann der Wärmeeinfluss auf den mechanischen Übersetzer minimiert werden und eine exakte Übersetzung des Piezoaktorhubes erreicht werden.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind der Piezoaktor und das Ausgleichselement derart ausgebildet, dass ein unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen dem Piezoaktor und dem Ausgleichselement durch eine entsprechend unterschiedliche Länge des Piezoaktors zum Ausgleichselement kompensiert wird.
Vorzugsweise ist im unbetätigten Zustand des Ventils zwischen dem Piezoaktor und dem mechanischen Übersetzer ein Abstand vorhanden, um zusätzlich temperaturbedingte Längenänderungen der Bauteile auszugleichen. Somit kann ein eventuell vorhandener Restfehler des Temperaturausgleichs kompensiert werden.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist im unbetätigten Zustand des Ventils ein Abstand zwischen dem Ausgleichselement und dem mechanischen Übersetzer vorhanden. Dies ermöglicht ebenfalls den Ausgleich von temperaturbedingten Längenänderungen der Bauteile und somit eine Kompensation eines eventuellen Restfehlers beim Temperaturausgleich.
Besonders bevorzugt sind der Piezoaktor und das Ausgleichselement möglichst nahe benachbart zueinander angeordnet. Dadurch sind die auf die beiden Bauteile wirkenden Temperatureinflüsse praktisch gleich, so dass die temperaturbedingten Längenänderungen der Bauteile gut ausgeglichen werden können.
Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Ventil als Kraftstoffeinspritzventil in einem Speichereinspritzsystem, wie beispielsweise einem Common-Rail-System, verwendet.
Zeichnungen
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Teilschnittsansicht eines Ventils zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und
Fig. 2 eine schematische Teilschnittsansicht eines Übersetzerbereiches eines Ventils zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt eine Teilschnittsansicht eines Kraftstoffeinspritzventils für ein Common-Rail-System gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst das Ventil 1 einen Piezoaktor 2, einen mechanischen Übersetzer 3 sowie ein Ausgleichselement 10. Der Piezoaktor 2, der mechanische Übersetzer 3 und das Ausgleichselement 10 sind dabei in einem in einem Gehäuse 25 gebildeten Raum 11 gemeinsam angeordnet. Der Raum 11 ist mit einem Wärmeleitmedium 12 gefüllt, so dass ein sehr guter Wärmeaustausch innerhalb des Raumes 11 gewährleistet ist.
Weiterhin ist ein Brückenelement 7 vorgesehen, welches zwischen dem Piezoaktor 2 und einem Vorspannelement 6 zum Vorspannen des Piezoaktors 2 angeordnet ist. Das Brückenelement 7 ist im Schnitt U-förmig ausgebildet und weist einen ersten Schenkel 8 sowie einen zweiten Schenkel 9 auf (vgl. Fig. 1). Der mechanische Übersetzer 3 wird durch einen Hebel 4 gebildet, welcher an seinen Enden jeweils wulstförmige Kontaktbereiche aufweist. Wie in Fig. 1 gezeigt, befindet sich ein wulstförmiger Kontaktbereich mit dem Ausgleichselement 10 in Kontakt und der andere wulstförmige Kontaktbereich befindet sich mit dem zweiten Schenkel 9 in Kontakt. Der Hebel 4 ist um einen Schwenkpunkt 5, welcher am Gehäuse 25 ausgebildet ist, verschwenkbar.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist das Ausgleichselement 10 parallel zum Piezoaktor 2 angeordnet. Hierbei sind das Ausgleichselement 10 und der Piezoaktor 2 benachbart zueinander angeordnet, wobei sie nur durch das Wärmeleitmedlum 12 voneinander getrennt sind. Der Abstand zwischen dem Piezoaktor 2 und dem Ausgleichselement 10 hängt dabei von der Länge des Hebels 4 des mechanischen Übersetzers 3 ab, und somit von dem gewünschten Übersetzungsverhältnis für den Hub des Piezoaktors 2.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist das Ausgleichselement 10 über ein Zwischenstück 13 mit einem Steuerventil 15 verbunden. Am Zwischenstück 13 greift eine Rückstellfeder 14 an, um ein Rückstellen des mechanischen Übersetzers 3 sowie des Ausgleichselements 10 in ihre Ausgangsstellungen zu unterstützen.
Das Steuerventil 15 umfasst ein Ventilglied 16, welches einen Ventilsitz 17 freigibt bzw. verschließt. Über eine Ringnut am Ventilglied 16 kann das Steuerventil 15 dabei eine Verbindung zu einer Leckölleitung 18 herstellen. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist das Ventilglied 16 fest mit dem Zwischenstück 13 verbunden. Das Zwischenstück 13 und das Ventilglied 16 können auch als ein Bauteil ausgebildet sein. Weiterhin ist das Steuerventil 15 über eine Drossel 19 mit einem Steuerraum 20 verbunden. Im Steuerraum 20 ist ein Kolben 21 angeordnet, welcher mit einer nicht dargestellten Ventilnadel verbunden ist. Der Steuerraum 20 ist über eine Drossel 23 mit einem Zulauf 22 aus einem Common-Rail-System verbunden. Der Zulauf 22 führt über eine Leitung 24 zur Düsennadel und stellt den zur Einspritzung notwendigen Kraftstoff bereit.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Ventils 1 beschrieben.
Wenn der Piezoaktor 2 aktiviert wird, wird dessen Hub über den zweiten Schenkel 9 des Brückenelements 7 auf den Hebel 4 übertragen. Dabei muss die von dem Vorspannelement 6 aufgebrachte Vorspannkraft überwunden werden, wozu der Piezoaktor 2 über das Brückenelement 7 mit dem Vorspannelement 6 verbunden ist. Durch den Hub des Piezoaktors 2 schwenkt der Hebel 4 um den Schwenkpunkt 5. Dadurch drückt der Hebelbereich, welcher sich mit dem Ausgleichselement 10 in Kontakt befindet, auf das Ausgleichselement und drückt dieses nach unten in Richtung des Steuerventils 15. Dabei wird der Hub des Piezoaktors 2 durch die Hebelarme a, b des Hebels 4 mit einem Übersetzungsverhältnis a/b übersetzt. Dadurch hebt das Ventilglied 16 von seinem Ventilsitz 17 ab, so dass eine Verbindung zwischen dem Steuerraum 20 und der Leckölleitung 18 hergestellt wird, in welcher ein sehr geringer Druck herrscht. Dadurch sinkt der Druck im Steuerraum 20, wodurch der Kolben 21 nach oben in Richtung des Steuerventils 15 bewegt wird, so dass eine nicht dargestellte Ventilnadel von ihrem Ventilsitz abhebt. Dadurch wird Kraftstoff in einen Verbrennungsraum eingespritzt.
Wenn nun die Einspritzung beendet werden soll, wird der Piezoaktor 2 nochmals angesteuert, wodurch er wieder in seine Ausgangslage zurückkehrt. Hierbei wird der Piezoaktor 2 wieder über das Vorspannelement 6 und das Brückenelement 7 vorgespannt. Dadurch kehrt der Hebel 4 ebenfalls in seine Ausgangsposition zurück. Weiterhin wird das Ausgleichselement 10 über die Rückstellfeder 14 wieder in die Ausgangsposition zurückgestellt. Die Rückstellfeder 14 stellt dabei das Steuerventil 15 ebenfalls wieder in seine Ausgangsposition zurück, da das Zwischenstück 13 fest mit dem Ventilglied 16 verbunden ist. Dadurch verschließt das Ventilglied 16 wieder den Ventilsitz 17, so dass sich im Steuerraum 20 wieder ein Druck aufbauen kann. Somit bewegt sich der Kolben 21 wieder in seine Ausgangsposition nach unten und die Ventilnadel verschließt die Einspritzöffnung. Damit ist die Einspritzung abgeschlossen.
Da erfindungsgemäß das Ausgleichselement 10 derart angeordnet ist, dass es dem mechanischen Übersetzer 3 nachgeschaltet ist, und sich das Ausgleichselement 10 in einem gemeinsamen Raum 11 mit dem Piezoaktor 2 befindet, stellt das erfindungsgemäße Ventil sicher, dass temperaturbedingte Längenänderungen des Piezoaktors 2 vollständig und ohne Zeitverzug ausgeglichen werden können. Weiterhin wird durch das Vorsehen des Brückenelements 7 zwischen dem Piezoaktor 2 und dem Vorspannelement 6 ein schwingungsarmer Aufbau bereitgestellt, wodurch ein Aufschaukeln von Schwingungen verhindert werden kann. Weiterhin wird erfindungsgemäß ein sehr kompaktes Ventil bereitgestellt, da der mechanische Übersetzer 3 teilweise im Brückenelement 7 aufgenommen ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht die Länge L1 des Ausgleichselements 10 der Länge L2 des Piezoaktors 2. Da der Piezoaktor 2 und das Ausgleichselement 10 einen gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, sind die Temperatureinflüsse auf das erfindungsgemäße Ventil 1 minimiert.
Es sei angemerkt, dass zwischen dem Ausgleichselement 10 und dem Hebel 4 ein kleiner Abstand vorgesehen werden kann, um einen eventuell vorhandenen Restfehler beim Temperaturausgleich zu kompensieren. Der Abstand kann jedoch auch zwischen dem Hebel 4 und der Innenseite des Brückenelements 7 ausgebildet sein. Dies ist insofern vorteilhaft, da dadurch ein Fehler des Temperaturausgleichs nicht mit übersetzt wird.
In Fig. 2 ist eine Übersetzeranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Wie in Fig. 2 gezeigt, sind im zweiten Ausführungsbeispiel im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel der Piezoaktor 2 und das Vorspannelement 6 umgekehrt angeordnet. Dadurch ist der Hebel 4 derart ausgebildet, dass die wulstartigen Kontaktbereiche des Hebels 4 an dessen beiden Enden an einander entgegengesetzten Seiten angeordnet sind (vgl. Fig. 2). Der Schwenkpunkt 5 des Hebels 4 liegt dabei am unteren Bereich des Hebels. Der Hub des Piezoaktors 2 wird wieder mit einem Übersetzungsverhältnis a/b übersetzt und vom Ausgleichselement 10 auf ein nicht gezeigtes Steuerventil 15 abgegeben. Die Funktion des Ventils 2 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel entspricht dabei der des ersten Ausführungsbeispiels, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Ventil 1 zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Piezoaktor 2, einem mechanischen Übersetzer 3 zum Übersetzen eines Hubes des Piezoaktors, einem Vorspannelement 6 zum Vorspannen des Piezoaktors und einem Ausgleichselement 10. Der Piezoaktor 2 und das Ausgleichselement 10 sind in einem gemeinsamen Raum 11 angeordnet. Dabei ist das Ausgleichselement 10 dem Übersetzer 3 nachgeschaltet angeordnet.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims (10)

1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, umfassend einen Piezoaktor (2), einen mechanischen Übersetzer (3) zum Übersetzen eines Hubes des Piezoaktors (2), ein Vorspannelement (6) zum Vorspannen des Piezoaktors (2) und ein Ausgleichselement (10), wobei der Piezoaktor (2) und das Ausgleichselement (10) in einem gemeinsamen Raum (11) angeordnet sind und das Ausgleichselement (10) dem Übersetzer (3) nachgeschaltet angeordnet ist.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (11) mit einem Wärmeleitmedium (12) gefüllt ist.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (2) über ein Brückenelement (7) mit dem mechanischen Übersetzer (3) verbunden ist und das Vorspannelement (6) den Piezoaktor (2) über das Brückenelement (7) vorspannt.
4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Brückenelement (7) im Schnitt U-förmig mit zwei Schenkeln (8, 9) ausgebildet ist und der mechanische Übersetzer (3) zwischen den beiden Schenkeln (8, 9) angeordnet ist.
5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (10) den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der Piezoaktor (2) aufweist.
6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Ausgleichselements (10) gleich der Länge des Piezoaktors (2) ist.
7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen dem Piezoaktor (2) und dem Ausgleichselement (10) durch eine entsprechend unterschiedliche Länge zwischen dem Piezoaktor (2) und dem Ausgleichselement (10) kompensiert ist.
8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im unbetätigten Zustand des Ventils ein Abstand zwischen dem Piezoaktor (2) und dem Übersetzer (3) vorhanden ist, um zusätzliche, temperaturbedingte Längenänderungen der Bauteile auszugleichen.
9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im unbetätigten Zustand des Ventils ein Abstand zwischen dem Ausgleichselement (10) und dem Übersetzer (3) vorhanden ist, um zusätzliche, temperaturbedingte Längenänderungen der Bauteile auszugleichen.
10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (2) und das Ausgleichselement (10) benachbart zueinander angeordnet sind.
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