DE10147483A1

DE10147483A1 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE10147483A1
Application number: DE10147483A
Authority: DE
Inventors: Patrick Mattes; Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2001-09-26
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2021-09-27
Also published as: JP2003120461A; ITMI20021997A1; DE10147483B4; US20040069963A1; FR2830068A1

Abstract

Es wird ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten vorgeschlagen, umfassend ein Ventilgehäuse (11), in welchem ein Aktorraum (12) ausgebildet ist, in dem ein piezoelektrisches Aktormodul (13) zur Betätigung eines in einem Ventilkörper (22) axial verschiebbaren Ventilglieds angeordnet ist, das einen Stellkolben (19), auf den das Aktormodul (13) wirkt, und einen mit dem Stellkolben (19) über einen hydraulischen Koppler (23) in Wirkverbindung stehenden Betätigungskolben (24) aufweist, der mit einem in einem Ventilraum (26) angeordneten Ventilschließglied (25) verbunden ist, das mit mindestens einem Ventilsitz (27) zusammenwirkt und stromab dessen ein Absteuerkanal (29) abzweigt. An dem Aktormodul (13) greift eine axial wirkende erste Vorspannfeder (33) an und der Stellkolben (19) ist in Richtung des Aktormoduls (13) belastet (Figur 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art aus.
Ein derartiges Ventil ist aus der Praxis bekannt und wird beispielsweise bei einem Kraftstoffeinspritzventil, insbesondere einem Common-Rail-Injektor, eines Kraftfahrzeuges eingesetzt.

Ein Ventil der einleitend genannten Art ist auch aus der BP 0 477 400 A1 bekannt. Dieses Ventil weist zur Betätigung einen piezoelektrischen Aktor auf. Eine Auslenkung des Aktors wird bei Betätigung des Ventils über eine Hydraulikkammer, welche als hydraulische Übersetzung bzw. Kopplungs- und Toleranzausgleichselement arbeitet, auf ein Ventilschließglied übertragen. Die Hydraulikkammer ist hierbei zwischen einem mit dem piezoelektrischen Aktor verbundenen Stellkolben und einem mit dem Ventilschließglied verbundenen Betätigungskolben angeordnet und wirkt so als hydraulischer Koppler. Der Stellkolben hat einen größeren Durchmesser als der Betätigungskolben, so daß der Betätigungskolben einen um das Übersetzungsverhältnis der Kolbendurchmesser vergrößerten Hub macht, wenn der Stellkolben mittels des piezoelektrischen Aktors eine bestimmte Auslenkung erfährt.

Die Hydraulikkammer ist in der Praxis derart ausgelegt, daß während des Betriebes auftretende Leckagen durch eine Wiederbefüllung ausgeglichen werden können. Hierzu wirkt beispielsweise über Leckspalte ein Fluiddruck, der sogenannte Systemdruck, auf die Hydraulikkammer.

Das Ventilschließglied, welches mit dem Betätigungskolben verbunden ist, ist in einem Ventilraum angeordnet und wirkt mit einem Ventilsitz derart zusammen, daß beim Öffnen des Ventilschließglieds ein Fluidstrom zu einem stromab des Ventilschließglieds abzweigenden Absteuerkanal steuerbar ist.

Der piezoelektrische Aktor, der einem Aktormodul zugeordnet ist, das zudem einen Aktorfuß und einen Aktorkopf aufweist, muß mittels eines Vorspannelements auf Druck belastet sein, um einer Zerstörung im Betrieb vorzubeugen. Die erforderliche Vorspannung, welche in dem Bereich von 800 N liegt, wird bisher mittels einer Rohrfeder über den Stellkolben in den piezoelektrischen Aktor eingeleitet. Hierbei wirken Querkräfte in dem Bereich von 30 N bis 70 N auf den Stellkolben. Bedingt durch diese Querkräfte ergeben sich starke Exemplarstreuungen, die bei Einsatz des Ventils bei einem Kraftstoffinjektor zu großen Unterschieden in der Einspritzmenge führen. Ferner bedingen die Querkräfte einen Verschleiß des Ventils im Bereich einer Führung für den Stellkolben, was gegebenenfalls zu einem Ausfall des Ventils führen kann.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei welchem an dem Aktormodul eine axial wirkende, erste Vorspannfeder angreift und der Stellkolben in Richtung des Aktormoduls belastet ist, hat den Vorteil, daß ein Vorspannelement direkt an dem Aktormodul angreift und die so auf den Stellkolben wirkenden Querkräfte klein sind. Ein Kraftschluß zwischen dem Aktormodul und dem Stellkolben erfolgt durch die Belastung des Stellkolbens in Richtung des Aktormoduls, so daß bei einer axialen Längung des Aktormoduls eine Kraftübertragung mittels des hydraulischen Kopplers auf den Betätigungskolben gewährleistet ist.

Das Ventil nach der Erfindung ist insbesondere zum Einsatz bei einem Kraftstoffeinspritzventil eines Dieselverbrennungsmotors einsetzbar.

Das Aktormodul, das in dem Aktorraum des Ventilgehäuses angeordnet ist, ist beispielsweise mittels einer Spiralfeder auf Druck belastet, welche die erste Vorspannfeder bildet und sich an dem ein- oder mehrteilig aufgebauten Ventilkörper abstützen kann, in welchem die Kolben geführt sind.

Durch eine Minimierung der auf den Übersetzerkolben wirkenden Querkräfte ergibt sich gegenüber dem Stand der Technik ein verbessertes Verschleißverhalten des Ventils. Ferner führen die geringen Querkräfte, die auf den Stellkolben wirken und zwischen 3 und 5 N liegen können, zu einer Verringerung der Mengentoleranzen, und zwar dadurch, daß an dem hydraulischen Übersetzer, welcher den Stellkolben, den hydraulischen Koppler und den Betätigungskolben umfaßt, definierte Kraftverhältnisse vorliegen.

Nach einer speziellen Ausführungsform des Ventils nach der Erfindung ist der Stellkolben mittels einer zweiten Vorspannfeder, welche als Schrauben- bzw. Spiralfeder ausgebildet sein kann, in Richtung des Aktormoduls belastet. Damit ist eine Wiederbefüllung des hydraulischen Kopplers nicht beeinträchtigt, da der Stellkolben stets an dem Aktormodul anliegt. Die Federkraft der zweiten Vorspannfeder beträgt beispielsweise etwa 50 N. Die zweite Vorspannfeder kann sich ebenfalls an dem Ventilkörper abstützen und an einer Stützplatte angreifen, die mit dem Stellkolben verbunden ist.

Nach einer alternativen Ausführungsform des Ventils nach der Erfindung ist der Aktorraum druckentlastet, so daß zwischen dem hydraulischen Koppler und dem Aktorraum ein Druckgefälle auftritt und der Stellkolben mittels des in dem hydraulischen Koppler wirkenden Drucks in Richtung des Aktormoduls belastet ist. Durch diese Maßnahme kann sich in dem Aktorraum kein Druck aufbauen, so daß das Aktormodul keinen Absteuerstößen ausgesetzt ist und die Gefahr einer Schädigung des Aktormoduls und damit eines Ausfalls des Ventils minimiert ist. Des weiteren ist bei dieser Ausführungsform eine querkraftarme Montage der Kolben bzw. des Ventilkörpers möglich, da der Stellkolben nur hydraulisch vorgespannt wird, und zwar erst bei Einleitung von Fluid in den als Hydraulikkammer ausgebildeten hydraulischen Koppler.

Der Absteuerkanal ist vorteilhaft an einer Ventilplatte ausgebildet, die den Ventilsitz umfaßt. Die Ventilplatte grenzt in der Regel an den Ventilkörper, in welchem der Stellkolben und der Betätigungskolben geführt sind und der hydraulische Koppler angeordnet ist: Durch die Anordnung des Absteuerkanals in der Ventilplatte wird die Absteuermenge umgeleitet, und zwar direkt in eine beispielsweise in dem Ventilgehäuse ausgebildete Absteuerbohrung. Dadurch ist im wesentlichen ausgeschlossen, daß sogenannte Absteuerstöße auf das Aktormodul wirken.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele des Ventils nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ventils nach der Erfindung im Längsschnitt, welches zum Einsatz bei einem Common-Rail-Injektor ausgebildet ist; und

Fig. 2 eine alternative Ausführungsform eines Ventils nach der Erfindung in einer Fig. 1 entsprechenden Darstellung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Ventil 10 zum Steuern von Flüssigkeiten bei einem Kraftstoffeinspritzventil für einen Diesel- Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges dargestellt. Das Ventil 10 dient als Steuermodul für ein hier nicht näher dargestelltes Düsenmodul des Kraftstoffeinspritzventils.
Das Düsenmodul schließt sich an das Steuermodul in axialer Richtung an und umfaßt eine in einem Düsenkörper angeordnete und geführte Düsennadel, die zu einem Brennraum des Verbrennungsmotors führende Öffnungen des Düsenkörpers steuert.
Die Düsennadel bildet mit einem Ventilsteuerkolben eine Baueinheit, der an einen sogenannten Ventilsteuerraum grenzt. Über das in dem Ventilsteuerraum herrschende Druckniveau wird die Lage des Ventilsteuerkolbens und damit diejenige der Düsennadel eingestellt. Das Druckniveau in dem Ventilsteuerraum wird mittels des in Fig. 1 dargestellten Steuermoduls bzw. Ventils 10 eingestellt.
Das Ventil bzw. Steuermodul 10 umfaßt ein Ventilgehäuse 11, in welchem ein Aktorraum 12 ausgebildet ist, in dem ein Aktormodul 13 angeordnet ist, das zur Betätigung des Ventils 10 dient.
Das Aktormodul 13 umfaßt einen piezoelektrischen Aktor 14, der sich über einen hier nicht näher dargestellten Aktorfuß an dem Ventilgehäuse 11 abstützt, sowie einen mit dem Aktor 14 verbundenen Aktorkopf 15 und eine Hülse 16 zur Dichtung. Im Bereich des Aktorkopfes 15 weist das Aktormodul 13 zudem einen Wellbalg 17 auf, der eine axiale Längung des Aktors 14 aufnehmen kann und zudem ebenfalls eine Dichtfunktion hat. Zur radialen Fixierung weist das Aktormodul 13 des weiteren einen Justierring 18 auf, der die Hülse 16 umgreift und in radialer Richtung an das Ventilgehäuse 11 grenzt.
In axialer Richtung grenzt an den Aktorkopf 15 an der dem piezoelektrischen Aktor 14 abgewandten Stirnseite ein Stellkolben 19, der einem Kopplermodul 20 zugeordnet ist und axial beweglich in einer zylindrischen Bohrung 21 eines ebenfalls dem Kopplermodul 20 zugeordneten Ventilkörpers 22 geführt ist. Der Ventilkörper 22 grenzt in radialer Richtung an das Ventilgehäuse 11.
Der Stellkolben 19 steht über eine als hydraulischer Koppler ausgebildete Hydraulikkammer 23 mit einem Betätigungskolben 24 in Wirkverbindung, welcher mit einem Ventilschließglied 25 verbunden ist, das zum Regeln des Druckniveaus in dem Ventilsteuerraum des Düsenmoduls dient und in einem Ventilraum 26 angeordnet ist. Das Ventilschließglied 25 wirkt mit einem Ventilsitz 27 zusammen, der an einer Ventilplatte 28 ausgebildet ist, die in axialer Richtung an der dem Aktormodul 13 abgewandten Stirnseite an den Ventilkörper 22 und über die gegenüberliegende Stirnseite an das Düsenmodul grenzt.
An der dem Ventilkörper 22 zugewandten Stirnseite ist an der Ventilplatte 28 eine als Absteuerkanal ausgebildete Nut 29 angeordnet, die zu einer in dem Ventilgehäuse 11 angeordneten Absteuerbohrung 30 führt. Die Absteuerbohrung 30 dient als Rücklaufkanal und führt über ein Rückschlagventil 31 zu einem hier nicht näher dargestellten Kraftstoffvorratstank. Das Rückschlagventil 31 öffnet bei einem Druck von etwa 30 bar, so daß stromab des Ventilschließglieds 25 ein Systemdruck von etwa 30 bar herrscht.
Von dem Aktorraum 12 zweigt ein Kanal 32 ab, der stromab des Rückschlagventils 31 in die Absteuerbohrung 30 bzw. in eine mit der Absteuerbohrung 30 verbundene Leitung mündet. Der Aktorraum 12 ist damit druckentlastet.
Des weiteren weist das Ventil 10 eine Platte 36 auf, die mit dem Aktorkopf 15 verbunden ist und an der eine Schraubenfeder 33 angreift, die sich an dem Ventilkörper 22 des Kopplermoduls 20 abstützt, so daß der piezoelektrische Aktor 14 in der dem Stellkolben 19 abgewandten Richtung vorgespannt ist. Die Vorspannung beträgt etwa 800 N.
Der Betätigungskolben 24 ist wiederum mittels einer sich ebenfalls an dem Ventilkörper 22 abstützenden Schraubenfeder 34, die an einer Platte 35 angreift, in Richtung des Ventilschließglieds 25 vorgespannt.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ventil herrscht in der Hydraulikkammer 23 der sogenannte Systemdruck von etwa 30 bar, wohingegen in dem über die Leitung 32 entlasteten Aktorraum 12 ein sogenannter Lecköldruck von etwa 1 bar herrscht. Aufgrund dieses Druckgefälles ist der Stellkolben 19 in Richtung des Aktormoduls 13 belastet. Der Stellkolben 19 liegt somit an der Stirnseite des Aktorkopfes 15 an. Damit ist eine Wiederbefüllung der Hydraulikkammer gewährleistet.
In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform eines Ventils 40 zum Steuern von Flüssigkeiten ausschnittsweise dargestellt, das ebenfalls zum Einsatz bei einem Kraftstoffeinspritzventil eines Dieselverbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges ausgebildet ist.
Das Ventil 40, das in Fig. 2 ohne Ventilgehäuse dargestellt ist, unterscheidet sich von dem Ventil nach Fig. 1 dadurch, daß eine Belastung des dem Kopplermodul 20 zugeordneten Stellkolbens 19 in Richtung des Aktorkopfes 15 mittels einer Schraubenfeder 41 erfolgt, die sich an dem Ventilkörper 22 abstützt und an einer Stützplatte 42 angreift, die mit einem bolzenartigen Vorsprung 43 des Stellkolbens 19 verbunden ist. Dadurch ist der Bolzen 19 in Richtung des Aktormoduls 13 vorgespannt. Die dem Betätigungskolben 24 abgewandte Stirnseite des bolzenartigen Vorsprungs 43 des Stellkolbens 19 liegt so stets an dem Aktorkopf 15 an.
Des weiteren ist bei dem Ventil 40 nach Fig. 2 der Ventilkörper 22 des Kopplermoduls 20 mit Absteuerkanälen 44 versehen, die zu einem Rücklaufkanal bzw. einem Kraftstoffvorratstank führen. Die Ventilplatte 28, in der der Ventilraum 26 für das Ventilschließglied 25 angeordnet ist, liegt vollflächig an dem Ventilkörper 22 an.
Das Ventilschließglied 25 ist mittels einer weiteren Feder 45, die sich an dem hier nicht dargestellten Düsenmodul abstützt, in Richtung des Betätigungskolbens 24, d. h. in Schließrichtung, belastet.

Claims

1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, mit einem Ventilgehäuse (11), in welchem ein Aktorraum (12) ausgebildet ist, in dem ein piezoelektrisches Aktormodul (13) zur Betätigung eines in einem Ventilkörper (22) axial verschiebbaren Ventilglieds angeordnet ist, das einen Stellkolben (19), auf den das Aktormodul (13) wirkt, und einen mit dem Stellkolben (19) über einen hydraulischen Koppler (23) in Wirkverbindung stehenden Betätigungskolben (24) aufweist, der mit einem in einem Ventilraum (26) angeordneten Ventilschließglied (25) verbunden ist, das mit mindestens einem Ventilsitz (27) zusammenwirkt und stromab dessen ein Absteuerkanal (29, 44) abzweigt, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Aktormodul (13) eine axial wirkende, erste Vorspannfeder (33) angreift und der Stellkolben (19) in Richtung des Aktormoduls (13) belastet ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellkolben (19) mittels einer zweiten Vorspannfeder (41) in Richtung des Aktormoduls (13) belastet ist.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zweite Vorspannfeder (41) an dem Ventilkörper (22) abstützt und an einer mit dem Stellkolben (19) verbundenen Stützplatte (42) angreift.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktorraum (12) druckentlastet ist, so daß zwischen dem hydraulischen Koppler (23) und dem Aktorraum (12) ein Druckgefälle auftritt und der Stellkolben (19) mittels des in dem hydraulischen Koppler (23) wirkenden Drucks in Richtung des Aktormoduls (13) belastet ist.

5. Ventil nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Entlastungskanal (32), der von dem Aktorraum (12) abzweigt und stromab eines Rückschlagventils (31), das in einer mit dem Absteuerkanal (29) verbundenen Absteuerleitung (30) angeordnet ist, in die Absteuerbohrung (30) mündet.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die erste Vorspannfeder (33) an dem Ventilkörper (22) abstützt.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Vorspannfeder (33) über eine mit dem Aktormodul (13) verbundene Platte (32) an dem Aktormodul (13) angreift.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Absteuerkanal (29) an einer Ventilplatte (28) ausgebildet ist, die den Ventilsitz (27) umfaßt.

9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Absteuerkanal von einer Nut (29) gebildet ist, die an einer dem Ventilkörper (22) zugewandten Stirnseite der Ventilplatte (28) ausgebildet ist.

10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungskolben (24) mittels einer dritten Vorspannfeder (34), welche sich an dem Ventilkörper (22) abstützt, in Richtung des Ventilschließglieds (25) vorgespannt ist.