DE10155229A1

DE10155229A1 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE10155229A1
Application number: DE2001155229
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Stoecklein; Dietmar Schmieder
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-11-09
Filing date: 2001-11-09
Publication date: 2003-05-22
Anticipated expiration: 2021-11-10
Also published as: DE10155229B4; WO2003040550A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Aktor (2), einem Ventilglied (9) und einem dazwischen angeordneten hydraulischen Koppler (3). Der hydraulische Koppler (3) koppelt den Aktor (2) mit dem Ventilglied (9) und weist einen ersten Kolben (4), einen zweiten Kolben (8) und einen zwischen den beiden Kolben angeordneten Druckraum (5) auf. Ein Spalt (7) zwischen wenigstens einem Kolben des hydraulischen Kopplers (3) und einer Kolbenführung (6) ist sich verjüngend ausgebildet.

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten und insbesondere ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, bei dem ein hydraulischer Koppler zwischen einem Aktor und einem Ventilglied angeordnet ist.

Ventile zum Steuern von Flüssigkeiten sind beispielsweise als Kraftstoffeinspritzventile in vielgestaltigen Ausführungsformen bekannt. Derartige Einspritzventile können beispielsweise über einen Piezoaktor gesteuert werden und werden vorzugsweise bei Common-Rail-Einspritzsystemen verwendet. Um einen Temperaturausgleich bei einer beispielsweise durch den Motorbetrieb erzeugten Temperaturänderung des Piezoaktors ausgleichen zu können, werden hydraulische Koppler verwendet. Der hydraulische Koppler wird dabei üblicherweise auch zur Übersetzung des nur sehr kleinen Piezoaktorhubes verwendet. Dieser hydraulische Koppler muss zwischen den einzelnen Ansteuerungen des Piezoaktors jeweils wiederbefüllt werden, da während der Ansteuerphase eine Leckage am hydraulischen Koppler auftritt. Damit die Wiederbefüllung des hydraulischen Kopplers in einer ausreichend kurzen Zeit realisiert werden kann, sind an die Genauigkeit der Bauteile des Kopplers hohe Anforderungen zu stellen. Während der Ansteuerung des Piezoaktors ist der Druck im hydraulischen Kopplerraum hoch, so dass eine Leckage zwischen den Kolben und den jeweiligen Kolbenführungen auftritt. Eine Wiederbefüllung erfolgt nun zwischen den einzelnen Ansteuerungen des Kolbens ebenfalls über den vorhandenen Spalt. Damit zwischen den Ansteuerungen der hydraulische Koppler ausreichend befüllt werden kann, muss das Spiel im Kolben eine gewisse Größe aufweisen. Damit während der Ansteuerphase allerdings nicht zuviel Leckage am Koppler auftritt, darf das Spiel nicht größer als ein anderer bestimmter Wert sein. Somit ist die Toleranz des Spiels sehr klein, wodurch sich die Herstellung der Bauteile des Kopplers entsprechend verteuert.

Ein bekannter Koppler ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. Dabei wirkt ein Piezoaktor 2 über einen ersten Kolben 4 auf einen Druckraum 5 des hydraulischen Kopplers. Der Kolben 4 ist dabei in einer Kolbenführung 6 geführt, wobei zwischen dem Kolben 4 und der Kolbenführung 6 ein Spalt 7 vorhanden ist. Sowohl der Kolben 4 als auch die Kolbenführung 6 sind beide zylindrisch ausgebildet, so dass sich ein durchgehend zylinderringförmiger Spalt 7 am Kolben 4 ergibt.

Es wurde nun festgestellt, dass sich während der Ansteuerphase des Piezoaktors eine Spaltaufweitung infolge des im Druckraum 5 ansteigenden Druckes ergibt. Diese Spaltaufweitung führt jedoch zu einer ungewünschten zusätzlichen Leckage, welche im nachfolgenden Wiederbefüllungsvorgang des Druckraumes 5 ersetzt werden muss.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass es bei einer geringeren Leckage insbesondere eine verbesserte Befüllung eines Kopplerraums eines hydraulischen Kopplers ermöglicht. Hierdurch wird insbesondere die Befüllzeit zwischen den jeweiligen Ansteuerungszeitpunkten eines Aktors verringert, so dass die Zeit zwischen zwei Ansteuerpunkten signifikant verkürzt werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein Spalt zwischen wenigstens einem Kolben des hydraulischen Kopplers und einer Kolbenführung zur Führung des Kolbens sich verjüngend ausgebildet ist. Mit anderen Worten weist der Spalt an einem Bereich der Kolbenführung eine kleinere Spaltweite und an einem anderen Bereich der Kolbenführung eine größere Spaltweite auf, wobei sich der Spalt von der kleineren Spaltweite zur größeren Spaltweite erweitert. Durch diese Ausbildung des Spaltes können die Herstellungskosten gesenkt werden, da die notwendigen engen Toleranzen nur noch mit einer hohen Genauigkeit an der kleinen Spaltweite hergestellt werden müssen, wohingegen an den anderen Bereichen des Spaltes die Toleranzen nicht mehr so eng bemessen sein müssen.

Besonders bevorzugt ist erfindungsgemäß die kleinere Spaltweite des sich verjüngenden Spaltes an einem zum Druckraum hin gerichteten Ende des Kolbens des hydraulischen Kopplers angeordnet. Somit erweitert sich der Spalt ausgehend vom Druckraum entlang des Kolbens in Richtung nach außen. Hierdurch kann einerseits sichergestellt werden, dass die Leckage über den Spalt am Kolben minimiert wird, da die kleinere Spaltweite unmittelbar am Kopplerraum gebildet ist, und andererseits kann eine Wiederbefüllung des Kopplerraums durch den Spalt erleichtert werden, da an dem vom Druckraum entfernten Ende des Kolbens eine größere Spaltweite vorhanden ist. Somit tritt einerseits nicht zuviel Leckage am Kolben auf und andererseits kann eine schnelle Wiederbefüllung ermöglicht werden. Trotz der Spaltaufweitung infolge des Druckanstiegs im Druckraum bei einer Betätigung des Aktors weist das erfindungsgemäße Ventil ein sehr gutes Druckhaltevermögen im Druckraum des Kopplers auf, so dass nur eine minimale Leckage auftritt. Dadurch ist einerseits die wiederzubefüllende Menge von Fluid für den Druckraum gering und andererseits kann durch die sich verjüngende Ausbildung des Spaltes ein schnelles Wiederbefüllen des Druckraums über den Spalt ermöglicht werden.

Um den Spalt zwischen dem Kolben und der Kolbenführung sich verjüngend auszubilden, ist vorzugsweise der Kolben selbst sich verjüngend ausgebildet. Dadurch können die Toleranzanforderungen an den Kolben im Vergleich mit dem Stand der Technik deutlich verringert werden, da der Kolben nur noch an der kleinen Spaltweite eine hohe Toleranzanforderung erfüllen muss.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Kolbenführung sich verjüngend ausgebildet. Dadurch können die Kosten zur Herstellung der Kolbenführung deutlich verringert werden.

Gemäß einer weiteren anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind sowohl der Kolben als auch die Kolbenführung sich verjüngend ausgebildet. Dadurch ergibt sich eine noch deutlichere Reduzierung der Herstellungskosten. Der Kolben ist dabei in der Kolbenführung vorzugsweise derart angeordnet, dass sich der Kolben in die Richtung verjüngt, in der sich die Kolbenführung erweitert.

Um die erfindungsgemäßen Vorteile an beiden Seiten des Kopplers zu erhalten, sind vorzugsweise die beiden Spalte am ersten und am zweiten Kolben des Kopplers sich verjüngend ausgebildet.

Um eine möglichst einfache Herstellung der einzelnen Bauteile des Kopplers zu ermöglichen, ist der Spalt vorzugsweise konisch ausgebildet. Dadurch können auch der Kolben bzw. die Kolbenführung bzw. sowohl der Kolben als auch die Kolbenführung konisch ausgebildet sein.

Um die Leckage möglichst gering zu halten, ist der Unterschied zwischen der kleinsten Spaltweite und der größten Spaltweite des Spaltes vorteilhaft ca. 2 µm.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beträgt die kleinste Spaltweite des Spaltes ca. 1 µm.

Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten wird vorzugsweise als Einspritzventil in einem Speichereinspritzsystem, wie z. B. einem Common-Rail-System eingesetzt. Dabei wird als Aktor vorzugsweise ein Piezoaktor verwendet. Hierbei kann der hydraulische Koppler einerseits nur als Koppler ausgebildet sein, welcher insbesondere einen Temperaturausgleich ermöglicht, und andererseits auch als hydraulischer Übersetzer ausgebildet sein, um den nur sehr geringen Hub des Piezoaktors zu übersetzen.

Durch die erfindungsgemäße Verbesserung der Feingeometrie zwischen dem Kolben und der Kolbenführer des hydraulischen Übersetzers können somit einerseits die Herstellungskosten verringert werden und andererseits die Leckage am hydraulischen Koppler minimiert werden, wobei gleichzeitig eine deutlich schnellere Wiederbefüllung des Druckraumes des Kopplers zum Ausgleich der Leckage möglich ist.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Fig. 1a zeigt eine schematische Schnittansicht eines Teiles eines Kopplers für ein Ventil gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 1b zeigt ein Diagramm der Änderung der Spalthöhe über die Länge des Kolbens,
Fig. 1c zeigt ein Diagramm, welches die Änderung des Druckes über die Spaltlänge zeigt,
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des Ventils gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und
Fig. 3 zeigt einen Koppler für ein Ventil gemäß dem Stand der Technik.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1a bis 2 ein Ventil 1 zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Wie insbesondere in Fig. 2 gezeigt, umfasst das erfindungsgemäße Ventil 1 einen Piezoaktor 2, ein Ventilglied 9 und einen zwischen dem Piezoaktor 2 und dem Ventilglied 9 angeordneten hydraulischen Übersetzer 3. Der hydraulische Übersetzer 3 umfasst einen ersten Kolben 4, einen zweiten Kolben 8 und einen zwischen den beiden Kolben angeordneten Druckraum 5. Die beiden Kolben 4, 8 sind jeweils in einer Kolbenführung 6 geführt. Dabei ist zwischen den Kolben 4, 8 und der Kolbenführung 6 jeweils ein Spalt 7 vorhanden, welcher zylinderringförmig um den Kolben vorhanden ist.
In Fig. 1a ist dieser Spalt 7 in einem vergrößerten Maßstab dargestellt. Wie aus Fig. 1a ersichtlich ist, ist der Spalt 7 konisch ausgebildet, wobei er von einer kleineren Spaltweite 10 zu einer größeren Spaltweite 11 kontinuierlich zunimmt. Der Spalt 7 ist dabei derart angeordnet, dass die kleinere Spaltweite 10 am Druckraum 5 gebildet ist und die größere Spaltweite 11 am Piezoaktor 2 gebildet ist. Wie aus Fig. 1a erkennbar ist, wird der konische Spalt 7 durch eine konische Ausbildung des ersten Kolbens 4 erreicht. Somit ist das Spiel des ersten Kolbens 4 infolge der unterschiedlichen Spaltweiten im Bereich des Druckraums 5 geringer als im Bereich des Piezoaktors 2.
Wenn nun der Piezoaktor 2 angesteuert wird, wird der Hub des Piezoaktors 2 auf den ersten Kolben 4 übertragen, welcher sich dadurch in den Druckraum 5 bewegt. Dadurch steigt der Druck im Druckraum 5 an und der Hub wird entsprechend dem Übersetzungsverhältnis, d. h. den Durchmessern der beiden Kolben 4, 8 auf den zweiten Kolben 8 übertragen und dadurch auch auf das Ventilglied 9 übertragen. Infolge des Druckanstiegs im Druckraum 5 ergibt sich eine Leckage durch den Spalt 7, wobei es zusätzlich zu einer Spaltaufweitung des Spaltes 7 zwischen dem ersten Kolben 4 und der Kolbenführung 6 kommt. Im Vergleich mit einem zylindrischen Kolben kann diese Spaltaufweitung jedoch gering gehalten werden, da an der kleinen Spaltweite 10 nur eine geringe Aufweitung erfolgt. Somit kann erfindungsgemäß die Leckage gering gehalten werden. Wenn die Ansteuerung des Piezoaktors 2 beendet wird, nimmt dieser wieder seine ursprüngliche Länge ein, so dass sich auch der Kolben 4 an seine ursprüngliche Position zurückbewegt. Durch die konische Ausbildung des Spaltes 7 kann nun eine Wiederbefüllung des Druckraumes 5 über den Spalt 7 schneller erfolgen. Da die Toleranzanforderungen an den Kolben 4 nur noch im Bereich der kleinen Spaltweite 10 hoch sind, können die Herstellungskosten für den Kolben deutlich verringert werden. Aufgrund der konischen Ausbildung des Kolbens 4 und damit auch der konischen Ausbildung des Spaltes 7 sind die Toleranzanforderungen im Bereich der größeren Spaltweite 11 geringer, so dass eine kostengünstigere Herstellbarkeit möglich ist.
Es sei angemerkt, dass der zweite Kolben 8 in gleicher Weise wie der erste Kolben 4 ausgebildet ist, wobei der Spalt 7 derart gebildet ist, dass auch beim zweiten Kolben die kleinste Spaltweite in Richtung des Druckraumes 5 liegt und die größte Spaltweite in entgegengesetzter Richtung liegt.
Weiterhin sei angemerkt, dass die Herstellungskosten noch weiter gesenkt werden können, wenn auch die Kolbenführung 6, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel zylindrisch ausgebildet ist, ebenfalls sich verjüngend, insbesondere konisch, ausgebildet wird. Dadurch können auch die Toleranzanforderungen an die Kolbenführung 6 verringert werden. Wenn dabei sowohl der Kolben 4 als auch die Kolbenführung 6 sich verjüngend ausgebildet werden, sollte sich ein Spalt zwischen den beiden Bauteilen derart ergeben, dass die kleinste Spaltweite im Bereich des Druckraumes 5 liegt und die größte Spaltweite an dem dem Druckraum 5 entgegengesetzten Ende des Kolbens vorhanden ist.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Aktor 2, einem Ventilglied 9 und einem dazwischen angeordneten hydraulischen Koppler 3. Der hydraulische Koppler 3 koppelt den Aktor 2 mit dem Ventilglied 9 und weist einen ersten Kolben 4, einen zweiten Kolben 8 und einen zwischen den beiden Kolben angeordneten Druckraum 5 auf. Ein Spalt 7 zwischen wenigstens einem Kolben des hydraulischen Kopplers 3 und einer Kolbenführung 6 ist sich verjüngend ausgebildet.
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 umfassend einen Aktor (2), insbesondere einen Piezoaktor, ein Ventilglied (9) und einen zwischen dem Aktor (2) und dem Ventilglied (9) angeordneten hydraulischen Koppler (3) zur Koppelung des Aktors (2) mit dem Ventilglied (9), wobei der hydraulische Koppler (3) einen ersten Kolben (4), einen zweiten Kolben (8) und einen zwischen den beiden Kolben angeordneten Druckraum (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spalt (7) zwischen wenigstens einem Kolben (4, 8) und einer Kolbenführung (6) sich verjüngend ausgebildet ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine kleinere Spaltweite (10) des sich verjüngenden Spaltes (7) an dem zum Druckraum (5) gerichteten Ende des Kolbens (4) angeordnet ist.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) sich verjüngend ausgebildet ist.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenführung (6) sich verjüngend ausgebildet ist.

5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) und die Kolbenführung (6) sich verjüngend ausgebildet sind.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (7) am ersten Kolben (4) und am zweiten Kolben (8) des Kopplers sich verjüngend ausgebildet ist.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (7) konisch ausgebildet ist.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterschied zwischen der kleinsten Spaltweite (10) und der größten Spaltweite (11) des Spaltes (7) 2 µm beträgt.

9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die kleinste Spaltweite (10) des Spaltes (7) 1 µm beträgt.

10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Koppler (3) als hydraulischer Übersetzer zur Übersetzung eines Hubes des Aktors (2) ausgebildet ist.