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Stand der
Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten
gemäß der Gattung des
Patentanspruchs 1.
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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 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.
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Desweiteren
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.
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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.
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Aus
der
DE 196 06 040
A1 ist ein schnellschaltendes Hydraulikventil bekannt,
das einen Piezoaktor mit hydraulischem Übersetzer aufweist. Eine mit
Fluid gefüllte
Kammer des Übersetzers
ist mit einer Membran abgedichtet. Die Membran hat keine Übersetzungsfunktion.
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Aus
der
DE 199 39 476
A1 ist ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten bekannt, das von
einem Piezoaktor über
eine als mechanischer Übersetzer dienende
Membran betätigt
wird. Die Membran ist an ihrem Rand frei und weist somit keine Abdichtfunktion
auf.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Ventil
zum Steuern von Flüssigkeiten
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den
Vorteil, dass es nur eine geringe Teileanzahl aufweist und dadurch
sehr einfach aufgebaut ist und kostengünstig hergestellt werden kann.
Dabei wird erfindungsgemäß 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 demgegenüber
sehr kostengünstig bereitgestellt
werden. Weiterhin stellt die Membran eine Abdichtfunktion bereit.
Dadurch wird im erfindungsgemäßen Übersetzer
eine Abdichtung gegen Lecköl
erreicht. Darüberhinaus
kann mit dem erfindungsgemäßen Membranübersetzer
ein einfacher Wärmeausgleich
für das
Ventil bereitgestellt werden.
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Weiterhin
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. Erfindungsgemäß kann nun
die Übersetzermembran
auch als Abdichtelement ausgebildet sein, um den Piezoaktor gegenüber dem
Steuerventil abzudichten. Gemäß dieser
besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung hat
die erfindungsgemäße Membran
somit eine Doppelfunktion der Übersetzung
des Piezoaktorhubes und der Abdichtung des Piezoaktors. Dadurch
kann die Teilezahl weiter verringert werden und die Herstellungskosten
gesenkt werden.
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Vorzugsweise
ist das Steuerventil angrenzend an einen mittleren Bereich der Membran
angeordnet. Um eine Übersetzung
eines Hubes des Piezoaktors zu ermöglichen, ist die Membran an
mindestens einem Lager zwischen dem mittleren Bereich und einem
Randbereich der Membran gelagert. Der Hub des Piezoaktors wird dabei
auf den Membranbereich übertragen,
welcher zwischen dem Randbereich und dem Lager der Membran liegt.
Das Übersetzungsverhältnis wird
dabei durch den Abstand des Punktes, an welchem der Piezoaktorhub
auf die Membran übertragen
wird, zur Lagerstelle der Membran und des Abstandes zwischen der
Lagerstelle und dem Punkt, an welchem der durch die Membran übersetzte
Hub auf das Steuerventil abgegeben wird, bestimmt. Es sei angemerkt,
dass selbstverständlich der
Hub des Piezoaktors auch auf den mittleren Bereich der Membran übertragen
werden kann, und am Membranbereich zwischen dem Lager und dem Randbereich
auf das Steuerventil abgegeben werden kann.
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Bei
Ausbildung des erfindungsgemäßen Ventils
mit einer Lagerung an einem Zwischenbereich der Membran wird erfindungsgemäß eine Kraftumkehr
des auf die Membran eingeleiteten Hubes des Piezoaktors erhalten.
Erfindungsgemäß kann somit
in vorteilhafter Weise eine Hubübersetzung
und eine Abdichtung des Piezoaktors in einem Bauteil zusammengefasst
werden.
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Besonders
bevorzugt ist die Membran an einem ringartigen Lager gelagert, welches
um den mittleren Bereich herum angeordnet ist. Dabei wird der Hub
des Piezoaktors bevorzugterweise im vom ringartigen Lager umgebenen
Mittelpunkt zur Membran übertragen
bzw. von der Membran abgegeben.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt
eine Übertragung
des Piezoaktorhubes auf die Membran über ein Brückenelement. Die Verwendung
des Brückenelements
ermöglicht
es, dass der Piezoaktorhub an zwei einander gegenüberliegenden
Positionen auf die Membran übertragen
werden kann. Dadurch können
Kräfte
gleichmäßig auf
die Membran übertragen werden.
Da sich die Einzelteile des Ventils beispielsweise bei einer Verwendung
als Kraftstoffeinspritzventil in einem Motor aufgrund der Wärmeentwicklung
ausdehnen können,
ist vorzugsweise zwischen dem Piezoaktor und der Membran ein Vorhub
ausgebildet. Dadurch kann auf einfache Weise eine Temperaturausgleichsmöglichkeit
bereitgestellt werden. Dabei ist die Hubhöhe des Vorhubes sehr viel kleiner
als der eigentlichen Hub des Piezoaktors. Bei Verwendung eines Elements
zur Übertragung
des Piezoaktorhubes wie beispielsweise des oben genannten Brückenelements,
kann der Vorhub selbstverständlich
auch zwischen diesem Übertragungselement und
der Membran vorgesehen werden.
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Um
einen kompakten Aufbau des erfindungsgemäßen Ventils zu ermöglichen,
ist das Rückstellelement
vorzugsweise zwischen dem Piezoaktor und der Membran angeordnet.
Dabei kann das Rückstellelement
sowohl das Steuerventil in seine Ausgangsstellung zurückstellen,
als auch gleichzeitig eine Vorspannung auf den Piezoaktor ausüben. Vorzugsweise
ist das Rückstellelement
als Schraubenfeder ausgebildet. Zum Schutz der Membran und zur besseren
Kraftverteilung auf die Membran wirkt das Federelement vorzugsweise über einen
Federsitz auf die Membran.
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Gemäß einer
anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann zur Vorspannung
und Rückstellung
des Piezoaktors ein zweites Rückstellelement
vorgesehen sein. Vorzugsweise ist das zweite Rückstellelement als Tellerfeder
ausgebildet.
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Vorzugsweise
ist das Steuerventil als I-Ventil ausgebildet. Unter einem I-Ventil
wird ein Ventil verstanden, welches bei Betätigung ein zurückziehendes,
d.h. nach innen öffnendes
Ventilglied aufweist. Besonders bevorzugt ist das erfindungsgemäße Steuerventil
weiterhin als Kugelventil, d.h. mit einer Kugel als Ventilglied,
ausgebildet. Dabei kann das erfindungsgemäße Steuerventil als 2/2-Wegeventil ausgebildet
sein.
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Besonders
bevorzugt wird das erfindungsgemäße Ventil
als Kraftstoffeinspritzventil in einem Speichereinspritzsystem wie
beispielsweise einem Common-Rail-System verwendet.
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Zeichnungen
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht
eines Ventils zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung und
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2 eine schematische Schnittansicht
der in 1 dargestellten
Membran.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt ein Kraftstoffeinspritzventil
für ein Common-Rail-System. Wie in 1 gezeigt, umfasst das Ventil 1 einen
Piezoaktor 2, eine als Übersetzer dienende
Membran 3 sowie ein Steuerventil 14. Der Piezoaktor 2 ist
von einem Wärmeleitmedium 26 umgeben
und in einem Gehäuse 25 angeordnet.
Das Wärmeleitmedium 26 dient
zur Ableitung von Wärme,
welche während
der Betätigung
des Piezoaktors 2 entsteht.
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Wie
in 1 gezeigt, gibt der
Piezoaktor 2 seinen Hub über ein Brückenelement 4 auf
die Membran 3 ab. Das Brückenelement 4 weist
zwei vorstehende Bereiche 5 auf, welche symmetrisch zu
einer Mittelachse X-X des Ventils 1 angeordnet sind. Es
sei angemerkt, dass an Stelle von zwei vorstehenden Bereichen 5 auch ein
ringförmig
ausgebildeter vorstehender Bereich vorgesehen werden kann, dessen Mittelpunkt
auf der Achse X-X liegt. Über
eine Tellerfeder 27, welche auf einen äußeren Randbereich des Brückenelements 4 wirkt,
ist der Piezoaktor 2 vorgespannt. Die Tellerfeder 27 stützt sich
dabei an einem Federsitz ab, welcher an einem Gewindering 11 ausgebildet
ist und dient gleichzeitig zur Rückstellung des
Brückenelements 4.
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Der
Gewindering 11 dient weiter dazu, die Membran 3 an
einem Randbereich 29 der Membran zwischen sich und eine
Unterlegscheibe 10 zu halten. Somit ist die Membran 3 zwischen
dem Gewindering 11 und der Unterlegscheibe eingeklemmt.
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Wie
in 1 gezeigt, sind weiter
zwei Lager 7 vorgesehen, um die Membran 3 zu lagern.
Hierbei sind an der Membran 3 zwei halbkugelförmige Lagerelemente 9 vorgesehen,
welche in einer Lagerschale 8 gelagert sind. Die Lagerschalen 8 sind
an einem Hauptkörper 13 des
Ventils ausgebildet. Der Hauptkörper 13 nimmt
ebenfalls das Steuerventil 14 sowie einen Betätigungskolben 22 für die Einspritzdüse auf. Es
sei angemerkt, dass anstelle von zwei Lagern 7 auch ein
ringförmiges
Lager verwendet werden kann. Der gedachte Mittelpunkt des ringförmigen Lagers liegt
dabei auf der Achse X-X.
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Das
Steuerventil 14 ist im Hauptkörper 13 angeordnet
und besteht aus einem Kolben 15 sowie einem Ventilglied 16,
welches an einem Ventilsitz 17 einen Durchlass versperrt
bzw. freigibt. Das Steuerventil 14 öffnet bzw. unterbricht dabei
eine Verbindung zwischen einem Steuerraum 21 und einem Leckölanschluss 18,
an welchem ein geringer Druck herrscht. Der Steuerraum 21 ist über ein
Drosselelement 24 mit einem Common-Rail-Zulauf 23 verbunden, welcher
Kraftstoff zur Einspritzdüse
führt.
Die Leitung 23 ist dabei in einem Haltekörper 12 des
Ventils vorgesehen.
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Nachfolgend
wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Ventils beschrieben. Wenn
eine Einspritzung in einen nicht dargestellten Verbrennungsraum
eines Motors erfolgen soll, wird der Piezoaktor 2 des Ventils 1 angesteuert,
so dass der Piezoaktor 2 einen Hub ausführt. Dieser Hub des Piezoaktors 2 wird
auf das Brückenelement 4 übertragen und über die
vorstehenden Bereiche 5 auf die Membran 3 übertragen.
In 1 ist ein Abstand
h1 zwischen den vorstehenden Bereichen 5 und der Membran 3 eingezeichnet.
Dieser Abstand beschreibt einen so genannten Vorhub, welcher sehr
viel kleiner als der eigentliche Hub des Piezoaktors ist und dazu dient,
dass temperaturbedingte Längenänderungen des
Piezoaktors ausgeglichen werden können, ohne dass das Steuerventil
aufgrund einer nur temperaturbedingten Längung des Piezoaktors angesteuert wird.
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Somit
wirkt durch den Hub des Piezoaktors 2 auf die Membran 3 eine
nach unten, d.h. in Richtung der Düse, wirkende Kraft. Dies ist
in 2 nochmals vergrößert dargestellt.
Wie in 2 gezeigt, wird
dadurch die Membran in ihrem Zwischenbereich zwischen dem Lager 7 und
dem Randbereich 29 um eine Wegstrecke h2 nach unten gedrückt, so
dass sie die in 2 gestrichelt
eingezeichnete Position einnimmt. Durch die Lagerung der Membran 3 an
den Lagern 7 erfolgt im mittleren Bereich 30 der
Membran 3 eine Bewegung nach oben, d.h. in Richtung des
Piezoaktors 2, mit einer Kraft F2, so dass die Membran in
diesem Bereich die in 2 ebenfalls
gestrichelt dargestellte Position einnimmt. Dabei legt die Membran 3 den
Weg h3 zurück.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist,
erfolgt die Bewegung im Mittelbereich 30 der Membran 3 dabei
gegen eine Federkraft einer Rückstellfeder 6,
welche über
einen Federsitz 28 auf die Membran 3 wirkt. Die Kraft
der Feder 6 stellt im nicht betätigten Zustand dabei sicher,
dass das Ventilglied 14 am Ventilsitz 17 anliegt.
Die Federkraft wird dabei über
einen Kolben 15 auf das Ventilglied 16 übertragen.
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Wenn
sich nun der Mittelbereich 30 der Membran 3 entgegen
der Federkraft 6 nach oben bewegt hat, kann aufgrund des
Druckunterschiedes zwischen dem Steuerraum 21 und dem hinter
dem Steuerventil 14 herrschenden Lecköldruck das Ventilglied 16 von
seinem Sitz 17 abheben, so dass über eine Verbindungsbohrung 19 und
eine Ringnut 20 der Steuerraum 21 zum Leckölanschluss 18 entlastet werden
kann. Dadurch bewegt sich der Betätigungskolben 22 nach
oben in Richtung des Piezoaktors und eine Ventilnadel gibt in bekannter
Weise eine Einspritzöffnung
an der Einspritzdüse
frei, so dass Kraftstoff in einen Verbrennungsraum eingespritzt werden
kann.
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Wenn
nun die Einspritzung beendet werden soll, wird der Piezoaktor 2 deaktiviert,
so dass das Brückenelement 4 über die
Tellerfeder 27 wieder in seine Ausgangsstellung zurückgestellt
wird. Dadurch kann die Rückstellfeder 6 die
Membran 3 wieder in ihre Ausgangsstellung zurückstellen,
wodurch gleichzeitig über
den Kolben 15 das Ventilglied 16 wieder auf den
Ventilsitz 17 gedrückt
wird. Dadurch ist die Verbindung zwischen dem Steuerraum 21 und
dem Leckölanschluss 18 unterbrochen,
so dass sich im Steuerraum 21 wieder der Ausgangsdruck
aufbauen kann. Dadurch wird der Kolben 22 nach unten bewegt
und die Düse
wird in bekannter Weise wieder mit einer Düsennadel verschlossen. Damit
ist die Einspritzung beendet.
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Mit
der erfindungsgemäßen Membran
wird somit der Hub des Piezoaktors 2 mit einem Übersetzungsverhältnis von
b/a übersetzt,
wobei b der Abstand zwischen dem Lagerbereich 7 der Membran 3 und
dem Kontaktbereich der vorstehenden Bereiche 5 des Brückenelements 4 mit
der Membran ist (vgl. 1 und 2) und a der Abstand zwischen
dem Lagerbereich 7 und der Mittelachse X-X ist, auf welcher auch
das Steuerventil 14 angeordnet ist. Je nach Anwendungsgebiet
kann somit durch unterschiedliche Anordnung. des Lagerbereichs 7 das Übersetzungsverhältnis auf
einfache Weise verändert
werden.
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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.
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Bei
dem in 1 gezeigten Steuerventil 14 handelt
es sich um ein so genanntes I-Ventil, welches nach innen öffnet. Da
durch die in 1 gezeigte Membran 3 eine
Kraftumkehr der vom Piezoaktor 2 eingeleiteten Kraft auftritt,
ermöglicht
die Ausbildung des Steuerventils als I-Ventil eine besonders geringe Anzahl
von Bauteilen. Erfindungsgemäß kann somit eine
besonders kostengünstige Übersetzung
des Hubes des Piezoaktors 2 erreicht werden.
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Somit
betrifft die vorliegende Erfindung ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten
mit einem Piezoaktor 2, einem Übersetzer zur Übersetzung
des Hubes des Piezoaktors 2, einem Steuerventil 14 sowie
einem Rückstellelement 6.
Der Übersetzer
ist dabei als Membran 3 ausgebildet und übersetzt
den Hub des Piezoaktors mit einem Übersetzungsverhältnis b/a.
Gleichzeitig wird eine Abdichtung des Piezoaktors 2 von
der zu steuernden Flüssigkeit
durch die Membran 3 bereitgestellt.