DE10123173A1

DE10123173A1 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE10123173A1
Application number: DE10123173A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-05-12
Filing date: 2001-05-12
Publication date: 2002-11-14
Also published as: US20040041111A1; WO2002093002A1; EP1389277A1; JP2004519615A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Piezoaktor (2), einem Übersetzer zur Übersetzung des Hubes des Piezoaktors (2) und einem durch den Übersetzer betätigbaren Steuerventil (14). Weiterhin ist eine Vorrichtung (27) zum Temperaturausgleich einer durch eine Temperaturänderung bedingten Längenänderung des Piezoaktors (2) vorgesehen. Der Übersetzer ist dabei als Membran (3) ausgebildet und übersetzt den Hub des Piezoaktors mit einem Übersetzungsverhältnis a/b. Gleichzeitig wird eine Abdichtung des Piezoaktors (2) von der zu steuernden Flüssigkeit durch die Membran (3) bereitgestellt.

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten und insbesondere ein Kraftstoffeinspritzventil.

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. Des Weiteren sind zwei Rückstellfedern vorgesehen, um die Ventilnadel 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 nicht 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, ist der Aufwand bei den bekannten mechanischen oder hydraulischen Übersetzern relativ groß.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat dem gegenüber den Vorteil, dass es nur eine geringe Teileanzahl aufweist und dadurch sehr einfach aufgebaut ist und kostengünstig hergestellt werden kann. Erfindungsgemäß wird dabei zur Übersetzung des Hubes eines Piezoaktors ein Membranübersetzer verwendet. Bei der Verwendung einer Membran zur mechanischen Übersetzung des Hubes des Piezoaktors kann dabei insbesondere auf die sonst mit hoher Genauigkeit herstellbaren, notwendigen Hebel verzichtet werden, welche üblicherweise einen sehr großen Anteil an den Herstellungskosten bei mechanischen Übersetzern aufweisen. Eine Membran kann dem gegenüber sehr kostengünstig bereitgestellt werden. Weiterhin stellt die Membran eine Abdichtfunktion bereit. Dadurch wird im erfindungsgemäßen Übersetzer eine Abdichtung gegen Lecköl erreicht. Darüber hinaus ist weiterhin eine Vorrichtung zum Temperaturausgleich vorgesehen, um eine Längenänderung des Piezoaktors bei Temperaturerhöhungen während des Betriebes auszugleichen.

Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Membran derart angeordnet, dass sie den Piezoaktor gegen das Steuerventil abdichtet. Somit ist die Übersetzermembran gleichzeitig auch als Abdichtelement ausgebildet. Im Gegensatz dazu ist bei den bekannten mechanischen und hydraulischen Übersetzern eine zusätzliche Abdichtung notwendig, um den Piezoaktor gegenüber der zu steuernden Flüssigkeit abzudichten. Hierzu wird üblicherweise eine separate Abdichtung unmittelbar am Piezoaktor verwendet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung weist die Membran somit eine Doppelfunktion der Übersetzung des Piezoaktorhubes und der Abdichtung des Piezoaktors auf. Dadurch kann insbesondere die Teilezahl weiter verringert werden und die Herstellungskosten gesenkt werden.

Vorzugsweise ist die Vorrichtung zum Temperaturausgleich unmittelbar am Piezoaktor angeordnet. Dadurch kann ein besonders kompakter Aufbau des erfindungsgemäßen Ventils erreicht werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung zum Temperaturausgleich ein erstes Fußteil, ein zweites Fußteil sowie eine Hülse. Das erste und das zweite Fußteil sind dabei jeweils an den Stirnseiten des Piezoaktors angeordnet. Die Hülse umgibt die Fußteile und den Piezoaktor. Dabei entspricht die temperaturbedingte Längenänderung des ersten und des zweiten Fußteils und des Piezoaktors im Wesentlichen der temperaturbedingten Längenänderung der Hülse. Besonders bevorzugt ist der Piezoaktor dabei von einem Wärmeleitmedium umgeben. Weiterhin besteht das Gehäuse bevorzugt aus einem Material mit ähnlichem Ausdehnungskoeffizienten wie der Piezo, wie beispielsweise Invar. Die Fußteile können beispielsweise aus Aluminium hergestellt werden, um den Temperaturausgleich zu optimieren. Dabei weist der Piezoaktor im Allgemeinen einen negativen Ausdehnungskoeffizienten auf und die Aluminiumfußteile einen positiven Ausdehnungskoeffizienten auf, so dass die Ausdehnung in der Summe ungefähr der Ausdehnung des Gehäuses entspricht.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt die Kraftübertragung vom Piezoaktor auf die Membran mittels einer Buchse. Dadurch ergibt sich ein ringförmiger Kontaktbereich zwischen der Buchse und der Membran, so dass eine gleichmäßige Krafteinleitung in die Membran erfolgen kann.

Vorzugsweise ist zwischen der Membran und der Buchse im unbetätigten Zustand des Ventils ein Abstand vorhanden. Dadurch können eventuell noch auftretende temperaturbedingte Längenänderungen der Bauteile ausgeglichen werden und somit ein eventuell vorhandener Restfehler des Temperaturausgleichs kompensiert werden kann. Es sei angemerkt, dass es auch möglich ist, dass der Abstand zwischen der Membran und einem Ventilglied des Steuerventils vorgesehen ist. Es ist jedoch bevorzugt, den Abstand zum Temperaturausgleich zwischen der Membran und der Buchse vorzusehen, da dadurch der Fehler des Temperaturausgleichs nicht mitübersetzt wird.

Um die Zugspannungen an der Membran zu minimieren, ist die Membran vorzugsweise an ihrer seitlichen Befestigung mit einem Winkel entgegen der Kraftrichtung des Piezoaktors gebogen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Membran im Bereich ihrer seitlichen Befestigung einen mit einem bestimmten Radius gebogenen Bereich auf. Dadurch ergibt sich ein kontinuierlicher Übergang vom Einspannbereich der Membran zum eigentlichen Übersetzungsbereich der Membran, wodurch die Spannungen an der Membran weiter verringert werden können. Bevorzugt ist die Membran mittels eines Gewinderinges an ihrem äußeren Bereich eingespannt. Dadurch kann die Membran auf einfache Weise befestigt werden, ohne dass Durchgangsbohrungen o. Ä. an der Membran vorgesehen werden müssen, welche ihre Festigkeit herabsetzen. Die Membran wird dabei zwischen den Gewindering und eine dem Gewindering entgegengesetzte Fläche eingespannt. Vorzugsweise ist dabei am äußeren Randbereich der Membran eine Abdichtung, beispielsweise ein O-Ring vorgesehen, welcher ebenfalls durch den Gewindering eingespannt wird.

Um eine Rückstellung des Piezoaktors zu ermöglichen, ist bevorzugt ein Rückstellelement zwischen dem Piezoaktor und der Membran angeordnet.

Vorzugsweise ist das Steuerventil als nach außen öffnendes Ventil ausgebildet.

Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Ventil als Kraftstoffeinspritzventil in einem Speichereinspritzsystem, wie beispielsweise einem Common-Rail-System verwendet.

Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Ventils zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und

Fig. 2 eine schematische vergrößerte Teilschnittsansicht der in Fig. 1 dargestellten Membran.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 Zeit eine Schnittansicht eines Kraftstoffeinspritzventils für ein Common-Rail-System gemäß der vorliegenden Erfindung.

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst das Ventil 1 einen Piezoaktor 2 sowie eine Vorrichtung 27 zum Temperaturausgleich. Die Temperaturausgleichsvorrichtung 27 umfasst ein erstes Fußteil 4, ein zweites Fußteil 5, eine Hülse 6 und ein Wärmeleitmedium 7. Das erste und das zweite Fußteil 4, 5 sind jeweils an den Stirnseiten des Piezoaktors 2 angeordnet. Das Wärmeleitmedium 7 umgibt die Seitenbereiche des Piezoaktors 2. Die Hülse 6 dient als Gehäuse und umgibt die beiden Fußteile 4, 5 sowie das Wärmeleitmedium 7. Die Fußteile 4, 5 sind aus Aluminium hergestellt und die Hülse 6 ist aus Invar hergestellt, welches einen ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten wie der Piezoaktor aufweist. Der Piezoaktor 2 weist einen negativen Ausdehnungskoeffizienten auf und die Aluminiumfußteile einen großen positiven Ausdehnungskoeffizienten auf, so dass deren Summe ungefähr gleich der Ausdehnung der Hülse 6 ist. Weiterhin sind im ersten Fußteil 4 Durchgangsbohrungen vorgesehen, um Leitungen für elektrische Anschlüsse 26 hindurchzuführen.

Weiterhin ist erfindungsgemäß eine Membran 3 vorgesehen, welche einen Haltebereich 30, einen Krafteinleitungsbereich 31 und einen Kraftabgabebereich 32 aufweist (vgl. Fig. 2). Am Haltebereich 30, welcher dem Randbereich der Membran 3 entspricht, ist die Membran zwischen einem Gehäuseabsatz 12 und einem Gewindering 11 fest eingespannt. Der Krafteinleitungsbereich 31 ist wulstförmig gebildet und dabei entgegen der Kraftrichtung F_P des Piezoaktors gebogen (vgl. Fig. 2). Der Krafteinleitungsbereich 31 befindet sich mit einer Buchse 8 in Kontakt, welche zwischen der Membran und dem zweiten Fußteil 5 des Piezoaktors 2 angeordnet ist. Der Kraftabgabebereich 32 ist flach ausgebildet und ein Druckelement 13 ist am Kraftabgabebereich 32 ausgebildet. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist das Druckelement 13 an der zum Steuerventil 14 gerichteten Seite der Membran 3 vorgesehen.

Das Steuerventil 14 umfasst ein Ventilglied 15, einen ersten Ventilsitz 16 und einen zweiten Ventilsitz 17. Das Ventilglied 15 ist aus einem kugelförmigen Abschnitt und einem zylinderförmigen Abschnitt gebildet. In der Ausgangsstellung befindet sich das Ventilglied 15 am ersten Ventilsitz 16 und verschließt diesen. Das Steuerventil 14 ist weiterhin über eine Leitung 18 mit einem Leckölanschluss 19 verbunden. Über eine Drossel 20 ist das Steuerventil 14 des Weiteren mit einem Steuerraum 21 verbunden, in welchem ein Kolben 22 angeordnet ist, über welchen eine nicht gezeigte Ventilnadel betätigt wird. Der Steuerraum 21 befindet sich über eine Drossel 24 mit einem Zulauf 23 aus dem Common-Rail in Verbindung. Eine vom Zulauf 23 abzweigende Leitung 25 führt dabei zur Düse.

Weiterhin ist eine Vorspannfeder 9 vorgesehen, um den Piezoaktor vorzuspannen. Die Vorspannfeder 9 stützt sich an einem am Gewindering 11 ausgebildeten Absatz ab und drückt über das zweite Fußteil 5 auf den Piezoaktor 2. Die Vorspannfeder 5 ist dabei als Tellerfeder ausgebildet.

Nachfolgend wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Ventils 1 beschrieben.

Wenn der Piezoaktor 2 aktiviert wird, wird dessen Hub über das zweite Fußteil 5 und die Buchse 8 auf die Membran 3 übertragen. Genauer wird der Hub des Piezoaktors 2 auf den Krafteinleitungsbereich 31 der Membran 3 übertragen. Die Membran 3 befindet sich dabei fest zwischen dem Gewindering 11 und dem Gehäuseabsatz 12 eingespannt. Ein O-Ring 10 dient zur Abdichtung dieses eingespannten Bereichs an der Membran 3.

Wie in Fig. 2 gezeigt, ist der Krafteinleitungsbereich 31 der Membran 3 in einem Winkel α zum Haltebereich 30 angeordnet. Dabei ist an einem Übergangsbereich zwischen dem Haltebereich 30 und dem Krafteinleitungsbereich 31 ein gebogener Bereich mit einem Radius R1 vorgesehen. Durch diese Ausbildung an der Einspannstelle der Membran 3 können die Zugspannungen in der Membran minimiert werden. Dadurch kann eine hohe Lebensdauer der Membran 3 sichergestellt werden. Die vom Piezoaktor 2 auf die Membran ausgeübte Kraft F_P wird durch die Membranübersetzung a/b übersetzt und am Kraftabgabebereich 32 über das Druckelement 13 als übersetzte Kraft F_M auf das Steuerventil 14 übertragen. Die Strecke a ist hierbei der Abstand zwischen der Mitte der eingeleiteten Kraft F_P des Piezoaktors und dem inneren Randbereich der eingespannten Membran und die Strecke b ist der Abstand von der Mitte der eingeleiteten Kraft F_P zur Mittelachse X-X des Ventils (vgl. Fig. 2).

Der übersetzte Hub des Piezoaktors wird auf das Ventilglied 15 des Steuerventils 14 übertragen, welches dadurch von seinem ersten Ventilsitz 16 abhebt. Dabei hebt es so weit ab, dass es noch nicht am zweiten Ventilsitz 17 aufliegt. Dadurch ist eine Verbindung zwischen dem Steuerraum 21 und dem Leckölanschluss 19 hergestellt, so dass der Druck im Steuerraum 21 sinkt. Dadurch wird der Kolben 22 in Richtung des Piezoaktors 2 bewegt und eine mit dem Kolben 22 verbundene Ventilnadel hebt von ihrem Sitz ab. Dadurch beginnt die Kraftstoffeinspritzung an der Ventilnadel.

Wenn nun die Einspritzung beendet werden soll, wird der Piezoaktor 2 nochmals angesteuert, wodurch er wieder in seine Ausgangslage zurückkehrt. Dadurch kann sich das Ventilglied 15 wieder auf seinen ersten Ventilsitz 16 bewegen und verschließt somit die Verbindung zwischen dem Steuerraum 21 und dem Leckölanschluss 19. Dadurch baut sich im Steuerraum 21 wieder ein Druck auf, welcher den Kolben 22 wieder in seine Ausgangslage bewegt und damit die Ventilnadel wieder die Öffnung verschließt, so dass die Einspritzung von Kraftstoff abgeschlossen ist. Die Rückstellung des Piezoaktors 2 wird dabei weiter durch die Vorspannfeder 9 unterstützt. Die Rückstellung der Membran 3 erfolgt dabei aufgrund ihrer Eigenspannung. Es sei angemerkt, dass die Rückstellung der Membran 3 auch über ein Federelement erfolgen könnte, welches beispielsweise am Kraftabgabebereich 32 angreift.

Erfindungsgemäß stellt während des Betriebes des Ventils dabei die Temperaturausgleichsvorrichtung 27 sicher, dass eine Längenänderung des Piezoaktors 2 infolge eines Temperaturanstiegs mechanisch ausgeglichen werden kann. Um eine eventuell durch die Temperaturausgleichsvorrichtung 27 nicht ausgeglichene Längenänderung des Piezoaktors 2 zu kompensieren, ist, wie in Fig. 1 gezeigt, zwischen dem Ventilglied 15 und dem Druckelement 13 an der Membran 3 ein Abstand h1 vorgesehen, welcher sehr viel kleiner als der Hub des Piezoaktors 2 ist und eine nicht ausgeglichene Längenänderung des Piezoaktors 2 kompensieren kann.

Mit der erfindungsgemäßen Membran wird somit der Hub des Piezoaktors 2 mit einem Übersetzungsverhältnis a/b übersetzt. Durch eine Änderung des Durchmessers der Buchse 8 kann dabei das Übersetzungsverhältnis auf relativ einfache Weise geändert werden.

Neben der Übersetzung übernimmt die erfindungsgemäße Membran 3 auch eine Abdichtfunktion des Piezoaktors 2 vom Kraftstoffbereich des Ventils, so dass sichergestellt werden kann, dass kein Kraftstoff zum Piezoaktor 2 gelangen kann und somit dessen Funktionsfähigkeit beeinträchtigen könnte. Dadurch kann auf das sonst bei Verwendung von Piezoaktoren erforderliche Abdichtelement verzichtet werden, welches üblicherweise unmittelbar am Piezoaktor 2 angeordnet ist. Dadurch können die Herstellungskosten für das erfindungsgemäße Ventil weiter verringert werden.

Da die Membran 3 mit einem Winkel α gegen die Kraftrichtung F_P des Piezoaktors 2 gebogen ist, können die Zugspannungen im Bereich der Einspannung der Membran minimiert werden. Der Winkel α ist dabei der Winkel zwischen dem waagerechten Haltebereich 30 und der Steigung am Krafteinleitungsbereich 31, wie in Fig. 2 gezeigt.

Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Piezoaktor 2, einem Übersetzer zur Übersetzung des Hubes des Piezoaktors 2 und einem durch den Übersetzer betätigbaren Steuerventil 14. Weiterhin ist eine Vorrichtung 27 zum Temperaturausgleich einer durch eine Temperaturänderung bedingten Längenänderung des Piezoaktors 2 vorgesehen. Der Übersetzer ist dabei als Membran 3 ausgebildet und übersetzt den Hub des Piezoaktors mit einem Übersetzungsverhältnis a/b. Gleichzeitig wird eine Abdichtung des Piezoaktors 2 von der zu steuernden Flüssigkeit durch die Membran 3 bereitgestellt.

Die vorhergehende Beschreibung des Ausführungsbeispiels 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

1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Piezoaktor (2), einem Übersetzer zur Übersetzung des Hubes des Piezoaktors (2), einem durch den Übersetzer betätigbaren Steuerventil (14) und einer Vorrichtung (27) zum Temperaturausgleich, wobei der Übersetzer als Membran (3) ausgebildet ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (3) den Piezoaktor (2) gegen das Steuerventil (14) abdichtet.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (27) zum Temperaturausgleich unmittelbar am Piezoaktor (2) vorgesehen ist.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (27) zum Temperaturausgleich ein erstes Fußteil (4), ein zweites Fußteil (5) und eine Hülse (6) umfasst, wobei das erste Fußteil (4) und das zweite Fußteil (5) jeweils an der Stirnseite des Piezoaktors (2) angeordnet sind und die Hülse (6) die Fußteile (4, 5) und den Piezoaktor (2) umgibt, wobei die temperaturbedingte Längenänderung des ersten und des zweiten Fußteils (4, 5) sowie des Piezoaktors (2) der temperaturbedingten Längenänderung der Hülse (6) im Wesentlichen entspricht.

5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragung vom Piezoaktor (2) auf die Membran (3) mittels einer Buchse (8) erfolgt.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Membran (3) und einem Ventilglied (15) des Steuerventils (14) oder zwischen der Membran (3) und der Buchse (8) im unbetätigten Zustand ein Abstand (h1) vorhanden ist, um zusätzlich temperaturbedingte Längenänderungen der Bauteile auszugleichen.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (3) einen Krafteinleitungsbereich (31) aufweist, welcher mit einem Winkel (α) relativ zu einem Haltebereich (30) entgegen der Kraftrichtung (F_P) des Piezoaktors (2) gebogen ist.

8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (3) zwischen dem Haltebereich (30) und dem Krafteinleitungsbereich (30) einen mit einem Radius (R1) gebildeten Übergangsbereich aufweist.

9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (3) mittels eines Gewinderings (11) eingespannt ist.

10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (14) als nach außen öffnendes Ventil ausgebildet ist.