DE19743299A1 - Vorrichtung zum Steuern eines Stellgliedes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern eines Stellgliedes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus DE 35 33 085 A1 ist ein Zumeßventil zur Dosierung von Flüssigkeiten bekannt, bei dem ein piezoelektrischer Aktor direkt mit einer Ventilnadel in Wirkverbindung steht. Die Ventilnadel wird über Druckmittel gegen einen Ventilsitz ge­ drückt. In der Ruheposition ist der Ventilsitz durch die Ven­ tilnadel verschlossen. Bei einer Ansteuerung des piezoelek­ trischen Aktors dehnt sich der piezoelektrische Aktor aus, wobei sich der piezoelektrische Aktor über Dämpfungsmittel gegen das Ventilgehäuse abstützt und die Ventilnadel vom Ven­ tilsitz nach außen abhebt.

Die Aufgabe der Erfindung beruht darin, eine Vorrichtung zum Steuern eines Stellgliedes bereitzustellen, bei dem das Stellglied nach innen bewegt wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patent­ anspruchs 1 gelöst. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung beruht darin, daß der Aktor auf einem Widerlager aufliegt und sich bei einer Ansteuerung vom Widerlager wegbewegt. Dadurch wird ein mit dem Aktor verbundenes Stellglied nach innen in Richtung auf das Widerlager bewegt.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen und Verbesserungen der Er­ findung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Er­ findung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Einspritzventil mit einem Aktor, der von einem Federmittel vorgespannt ist,

Fig. 2 ein Einspritzventil mit einem Halteelement für den Aktor,

Fig. 3 ein Einspritzventil mit einem Aktor, der über eine Rohrfeder vorgespannt ist,

Fig. 4 ein Einspritzventil, dessen Aktor gegen ein Stützele­ ment vorgespannt ist, und

Fig. 5 ein Stellglied und einen zugeordneten Ventilsitz.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zum Zumessen von Flüssigkeiten, die beispielsweise als Einspritz­ ventil verwendet wird. Das Einspritzventil weist ein Gehäuse 10 auf, das durch eine Trennplatte 6 in einen Steuerraum 11 und in einen Aktorraum 12 unterteilt ist. Die Trennplatte 6 weist mittig eine Durchführung 13 auf, in der gleitend gela­ gert eine Ventilnadel 9 geführt ist. Die Spitze der Ventilna­ del 9 ist als Schließglied 40 ausgebildet und einem Ventil­ sitz 7 zugeordnet, der in einer Bodenplatte 14 des Gehäuses 10 eingebracht ist. Im Aktorraum 12 ist ein ansteuerbarer piezoelektrischer Aktor 4 angeordnet, der hohlzylinderförmig ausgebildet ist. Durch den Hohlzylinder des Aktors 4 ist die Ventilnadel 9 geführt. Der Aktor 4 liegt über eine Einstell­ scheibe 5, die kreisförmig ausgebildet ist und eine mittige Ausnehmung zur Durchführung der Ventilnadel 9 aufweist, an der Trennplatte 6 an.

Am rückseitigen Ende der Ventilnadel 9 ist ein Druckkolben 2 ausgebildet, der zylinderförmig ausgebildet ist und dessen Durchmesser größer als der Hohlzylinder des piezoelektrischen Aktors 4 ist. Der Druckkolben 2 liegt über eine Druckplatte 3 auf dem piezoelektrischen Aktor 4 auf. Zwischen dem Druckkol­ ben 2 und dem Gehäuse 10 ist eine Feder 1 eingespannt, die über den Druckkolben 2 den Aktor 4 gegen die Einstellscheibe 5 und die Trennplatte 6 drückt. Zugleich wird über den Druck­ kolben 2 die Ventilnadel 9 durch die Feder 1 mit dem ausge­ bildeten Schließglied 40 gegen den Ventilsitz 7 gedrückt. In einer Ruheposition ist der Ventilsitz 7 durch die Ventilnadel 9 verschlossen. Es besteht zwischen dem Steuerraum 11 und ei­ nem Zumeßraum 8, der sich unterhalb der Bodenplatte 14 befin­ det, keine Verbindung.

Der Aktor 4 ist über Steuerleitungen mit einem Steuermittel 15 verbunden. Steuern die Steuermittel 15 den Aktor 4 an, so dehnt sich der Aktor 4 aus, wobei sich der Aktor 4 gegen die Trennplatte 6, die als Widerlager dient, abstützt und sich in Richtung auf den Druckkolben 2 verlängert. Als Folge davon wird die Feder 1 zusammengedrückt und die Ventilnadel 9 vom zugeordneten Ventilsitz 7 abgehoben. Damit wird der Steuer­ raum 11 mit dem Zumeßraum 8 verbunden.

Die Anordnung nach Fig. 1 kann beispielsweise dazu verwendet werden, um Kraftstoff, der im Steuerraum 11 unter einem vor­ gegebenen Druck vorliegt, in den Zumeßraum 8 beim Abheben der Ventilnadel 9 vom Ventilsitz 7 einzuspritzen. Dies ist bei­ spielsweise bei einer Benzindirekteinspritzung anwendbar, bei der der Kraftstoff im Steuerraum 9 unter einem Druck von bis zu 100 bar vorliegt.

Zudem kann die Anordnung nach Fig. 1 dazu verwendet werden, um Kraftstoff, der im Zumeßraum 8 unter einem vorgegebenen Druck steht, durch ein Öffnen des Ventilsitzes 7 in den Steu­ erraum 11 abzuführen. Der Steuerraum 11 ist dazu beispiels­ weise mit einer Rückleitung zum Kraftstofftank verbunden. Auf diese Weise kann der Zumeßraum 8 als Druckkammer verwendet werden, die beispielsweise einen Steuerkolben beaufschlagt, der direkt mit einer Einspritznadel in Verbindung steht. Da­ mit kann die Anordnung nach Fig. 1 als Servoventil verwendet werden.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung beruht darin, daß die Ventilnadel 9 gegen die Federkraft des piezoelektrischen Ak­ tors 4 mit dem Schließglied 40 auf dem zugeordneten Ventil­ sitz 7 aufliegt. Der piezoelektrische Aktor 4 wirkt dabei auch als Federmittel, das die Einspritznadel 9 vorspannt. Der Aktor 4 erfüllt damit die Funktion eines elastischen Anschla­ ges. Auf diese Weise werden automatisch thermische Längenän­ derungen, Abnutzungen und Ermüdungen des piezoelektrischen Aktors 4 oder der Ventilnadel 9 ausgeglichen.

Die Druckplatte 3 weist im wesentlichen die Fläche der Ober­ seite des Aktors 4 auf und verteilt den Druck des Druckkol­ bens 2 auf die gesamte Oberfläche des Aktors 4.

Die Einstellscheibe 5 dient dazu, um die Position der Ventil­ nadelspitze der Ventilnadel 9 bei nicht angesteuertem piezo­ elektrischen Aktor 4 einzustellen. Damit wird auch die Kraft definiert, mit der die Spitze der Ventilnadel 9 bei nicht an­ gesteuertem Aktor 4 in den Ventilsitz 7 gepreßt wird.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zum Zumessen von Flüssigkeiten, die insbesondere als Einspritz­ ventil verwendet werden kann. Die Funktionsweise der Fig. 2 entspricht der Funktionsweise der Fig. 1, wobei jedoch eine andere Ausführung der Verbindungsmittel zwischen dem Aktor 4 und der Ventilnadel 9 und zwischen dem Aktor 4 und dem Gehäu­ se 10 verwendet wird. Das Gehäuse 10 weist mittig in der Bo­ denplatte 14 einen Ventilsitz 7 auf, dem die Ventilnadel 9 zugeordnet ist. Die Ventilnadel 9 ist an einer Halteplatte 20 eines Halteelementes 17 befestigt. Das Halteelement 17 weist im wesentlichen die Form eines Käfigs auf, der an der linken und an der rechten Außenseite jeweils einen Führungsschlitz 18 aufweist. Durch die Führungsschlitze 18 ist ein Stützele­ ment 16 geführt, das beidseitig mit dem Gehäuse 10 verbunden ist. Zwischen einer Deckplatte 19 des Halteelementes 17 und dem Stützelement 16 ist der piezoelektrische Aktor 4 einge­ bracht. Das Halteelement 17 ist in Bewegungsrichtung der Ven­ tilnadel gegenüber dem Stützelement 16 frei beweglich. Die Deckplatte 19 ist über Federmittel 1 gegen das Gehäuse 10 in Richtung auf den Ventilsitz 7 vorgespannt.

Zwischen dem Aktor 4 und dem Stützelement 16 ist vorzugsweise eine Einstellscheibe 5 vorgesehen. In der Ruheposition drückt das Federmittel das Halteelement 17 in Richtung auf den Ven­ tilsitz 7 und damit die Ventilnadel 9 auf den Ventilsitz 7. Dabei wird der piezoelektrische Aktor 4 durch die Deckplatte 19 gegen das Stützelement 16 gedrückt und vorgespannt. Wird nun der Aktor 4 durch die Steuermittel 15 angesteuert, so dehnt sich der Aktor 4 aus. Dabei stützt sich der Aktor 4 ge­ gen das Stützelement 16 ab und bewegt das Halteelement 17 ge­ gen die Federkraft der Federmittel 1 vom Ventilsitz 7 weg. Das Stützelement 16 dient als Widerlager. Dadurch wird die Ventilnadel 9 vom Ventilsitz 7 abgehoben und somit der Ven­ tilsitz 7 geöffnet.

Wird die Ansteuerung des Aktors 4 abgebrochen, so wird Aktor 4 von den Federmitteln 1 auf die ursprüngliche Länge zusam­ mengedrückt und damit die Ventilnadel 9 wieder auf den Ven­ tilsitz 7 gepreßt. Damit ist der Ventilsitz 7 wieder ver­ schlossen.

Die Anordnung nach Fig. 2 kann zum Einspritzen von Kraft­ stoff verwendet werden, wobei der Kraftstoff im Bereich der Ventilnadel 9 unter einem vorgegebenen Druck vorliegt und beim Öffnen des Ventilsitzes 7 nach außen aus dem Gehäuse 10 gespritzt wird. Eine andere Anwendung beruht darin, daß ein Druckmittel in einem Druckraum 35, der unter der Bodenplatte 14 angeordnet ist, durch ein Öffnen des Ventilsitzes 7 nach innen in das Gehäuse 10 abfließen kann. Der Druckraum kann beispielsweise zur Beaufschlagung eines Steuerkolbens und zur Ansteuerung einer Einspritznadel verwendet werden.

In den Fig. 1 und 2 wird vorzugsweise zur Übersetzung der Auslenkung des Aktors 4 eine Übersetzungsvorrichtung vorgese­ hen, die vorzugsweise zwischen der Trennplatte 6 bzw. dem Stützelement 16 und dem Aktor 4 eingebracht ist. Dabei kann beispielsweise ein mechanischer oder ein hydraulischer Hub­ transformator verwendet werden.

Fig. 3 zeigt eine detaillierte Ansicht des oberen Teils ei­ nes Einspritzventils wie z. B. Fig. 2 dargestellt ist. In das Gehäuse 10 ist ein Halteelement 17 eingebracht, das im wesentlichen eine Hohlzylinderform aufweist, in das seitlich an den vier gegenüberliegenden Seiten Führungsschlitze 18 eingebracht sind. Durch die Führungsschlitze 18 ist ein kreuzförmiges Stützelement 16 geführt, das am Ventilgehäuse 23 aufliegt. Das Stützelement hat die Funktion eines Widerla­ gers, das am Gehäuse 10 abgestützt ist. Zwischen dem Stütze­ lement 16 und der Deckplatte 19 des Halteelementes 17 ist ein piezoelektrischer Aktor 4 eingebracht. Der piezoelektrische Aktor 4 weist an beiden Enden jeweils eine Abdeckplatte 42, 43 auf, die über eine Rohrfeder 25 miteinander in Verbindung stehen und den Aktor 4 vorspannen. Auf diese Weise ist der Aktor 4 in sich selbst über die Rohrfeder 25 vorgespannt.

Im Gehäuse 10 ist eine Spiralfeder 36 vorgesehen, die das Halteelement 17 umfaßt, wobei die Spiralfeder 36 gegen das Gehäuse 10 und gegen einen Flansch 22 des Halteelementes 17 eingespannt ist. Auf diese Weise wird das Halteelement 17 in Richtung auf das Stützelement 16 gedrückt.

Die Halteplatte 20 des Halteelementes 17 geht in ein Stell­ glied 24 über, das in einer Führungsbohrung 38 des Ventilge­ häuses 23 geführt ist. Fig. 5 zeigt den unteren Teil des Einspritzventiles. Das untere Ende des Stellgliedes 24 geht in einen Dorn 28 über, der bis zu einer Steuerkammer 37 geführt ist. Die Führungsbohrung 38 geht in eine Steuerkam­ mer 37 über. Die Steuerkammer 37 mündet über einen zweiten Ventilsitz 30 in eine Ablaufdrossel 33, die zu einem Druck­ raum 35 geführt ist. Der Druckraum 35 ist in einer Drossel­ platte 40 im Ventilgehäuse 23 angeordnet und wird durch einen Steuerkolben 34 begrenzt. Der Druckraum 35 ist über eine Zu­ laufdrossel 32 mit einem Zulauf 27 verbunden, der Kraftstoff unter hohem Druck führt.

In der Steuerkammer 37 ist ein kugelförmig ausgebildetes zweites Schließglied 29 angeordnet, das dem zweiten Ventil­ sitz 30 zugeordnet ist. Die Steuerkammer 37 ist zudem mit ei­ nem Rücklauf 31 verbunden, der beispielsweise zum Kraftstoff­ tank geführt ist.

Die Anordnung nach den Fig. 3 und 5 funktioniert wie folgt: In der Ruheposition wird der Aktor 4 nicht bestromt und die Spiralfeder 36 drückt das Halteelement 17 nach unten in Richtung auf den zweiten Ventilsitz 30. Dabei drückt der Dorn 28 das zweite Schließglied 29 gegen den zweiten Ventil­ sitz 30. Damit ist der Druckraum 35 nicht mit dem Rücklauf 31 verbunden.

Wird nun der Aktor 4 bestromt, so dehnt sich der Aktor 4 ge­ gen die Vorspannung der Rohrfeder 25 aus. Dabei stützt sich der Aktor gegen das Stützelement 16 ab und schiebt das Hal­ teelement 17 gegen die Kraft der Spiralfeder 36 nach oben. Als Folge davon bewegt sich das Stellglied 24 und der Dorn 28 vom zweiten Ventilsitz 30 weg. Folglich hebt das zweite Schließglied 29 vom zweiten Ventilsitz 30 ab. Als Folge davon ist der Druckraum 35 über die Ablaufdrossel 33 mit dem Ablauf 31 verbunden.

Da die Zulaufdrossel 32 kleiner ausgeführt ist als die Ab­ laufdrossel 33, fließt mehr Kraftstoff über die Ablaufdrossel 33 zum Ablauf 31 ab, als über die Zulaufdrossel 32 zufließt. Als Folge davon sinkt der Druck im Druckraum 35.

Der Steuerkolben 34 ist beispielsweise mit einer Einspritzna­ del verbunden, die beim Sinken des Drucks im Druckraum 35 nach oben bewegt wird und von einem zugeordneten Düsensitz abhebt. Als Folge davon beginnt die Einspritzung.

Wird die Bestromung des Aktors 4 abgebrochen, so wird der Ak­ tor 4 zum einen von der Kraft der Spiralfeder 36 und von der Kraft der Rohrfeder 25 auf seine ursprüngliche Länge ver­ kürzt. Als Folge davon wird das Halteelement 17 und das Stellglied 24 mit dem Dorn 28 nach unten in Richtung auf den zweiten Ventilsitz 30 durch die Kraft der Spiralfeder 36 ge­ drückt. Dadurch wird das zweite Schließglied 29 in den zwei­ ten Ventilsitz 30 gepreßt und die Verbindung zwischen dem Druckraum 35 und dem Ablauf 31 unterbrochen. Da nun nur über die Zulaufdrossel 32 Kraftstoff zufließt, steigt der Druck im Druckraum 35. Als Folge davon wird der Steuerkolben 34 nach unten gedrückt.

Ein wesentlicher Vorteil der Anordnung nach Fig. 3 und Fig. 5 beruht darin, daß zwischen dem Aktor 4 und dem Halteelement 17 ein Spiel 26 vorgegeben ist. Dies wird dadurch erreicht, daß der Aktor 4 in sich selbst durch die Rohrfeder 24 vorge­ spannt ist und einen vorgegebenen Abstand 26 zur Druckplatte 19 im unbestromten Zustand, d. h. im Ruhestand, aufweist. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß die Spiralfeder 36 über den Dorn 28 das zweite Schließglied 29 bei nichtbestromten Aktor 4 sicher auf den zweiten Ventilsitz 30 drückt. Thermi­ sche Längenänderungen oder Ermüdungserscheinungen werden durch den Abstand 26 sicher ausgeglichen und nicht in eine Auslenkung des Dorns 28 umgesetzt.

Vorzugsweise ist anstelle des Abstands 26, eine Ausgleichs­ scheibe zwischen der Deckplatte 19 und der Abdeckplatte 42 vorgesehen, die thermische Längenänderungen des Aktors 4 aus­ gleicht. Die Ausgleichsscheibe ist dazu beispielsweise aus einem Memorymetall oder aus einem Material gebildet, das ei­ nen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Aktors 4 im Vorzei­ chen entgegengesetzt ist und dem Betrage nach dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Aktors 4 entspricht.

Fig. 4 zeigt eine Detailansicht eines oberen Teils eines Einspritzventiles, bei dem der Aktor 4 direkt über die Spi­ ralfeder 36 und das Halteelement 17 gegen das Stützelement 16 vorgespannt ist. In diesem Fall kann die Rohrfeder 25 entfal­ len. Die Funktionsweise der Fig. 4 ist entsprechend Fig. 3, wobei jedoch der piezoelektrische Aktor 4 in der Ruheposition gegen die Ventilnadel 9, und die Ventilnadel 9 in den zuge­ ordneten Ventilsitz 7 gedrückt wird. Der Aktor wirkt als ela­ stisches Vorspannmittel mit dem die Ventilnadel 9 vorgespannt wird. Thermische Änderungen, Alterserscheinungen, Abnützungs­ erscheinungen des Aktors 4 und der Ventilnadel 9 werden durch die Elastizität und Vorspannung des Aktors 4 ausgeglichen.

Das Stellglied 24 geht, wie in Fig. 1 oder 2 dargestellt ist, in eine Ventilnadel über, die dem Ventilsitz 7 zugeord­ net ist.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Steuern eines Stellgliedes (24, 9), insbe­ sondere Einspritzventil, mit einem Gehäuse (10),
mit einem steuerbaren Aktor (4), der im Gehäuse (10) beweg­ lich angeordnet ist,
mit einem Stellglied (24, 9), das im Gehäuse (23) beweglich geführt ist und mit dem Aktor (4) in Wirkverbindung steht,
mit Spannmittel (36), die das Stellglied (24, 9) in eine Vor­ spannrichtung vorspannen, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Widerlager (16, 6) am Gehäuse (10) ausgebildet ist,
daß sich der Aktor (4) bei einer Ausdehnung am Widerlager (16, 6) abstützt, und
daß dabei das Stellglied (24) gegen die Vorspannrichtung be­ wegt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (1, 19, 36) vorgesehen sind, die den Aktor (4) gegen das Widerlager (16) vorspannen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Vorspannmittel (25) vorgesehen sind, die den Aktor (4) in sich vorspannen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Vorspannmittel (25) vorgesehen sind, die den Aktor (4) in sich vorspannen, daß Mittel (1, 19, 36) vorgesehen sind, die den Aktor (4) gegen das Widerlager (16) vorspannen, wenn sich der Aktor (4) mehr als eine vorgebbare Länge ausdehnt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckmittel Federmittel (1) verwendet werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (9) als Ventilnadel (9) ausgebildet ist, die einen Druckkolben (2) aufweist, daß der Aktor (4) mindestens teilweise parallel zur Ventilnadel (9) angeordnet ist, und daß der Aktor (4) zwischen dem Druckkolben (2) und dem Wider­ lager (16, 6) eingespannt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Übersetzungsvorrichtung vorgehen ist, die die Auslenkung des Aktors (4) in eine größere Bewegung des Stellgliedes (24, 9) umsetzt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (24, 9) mit einem Halteelement (17, 20) verbun­ den ist, das von dem Spannmittel (1, 36) in Richtung auf einen Ventilsitz (7, 30) mit Kraft beaufschlagt wird, daß das Hal­ teelement (19) den Aktor (4) in einer Ausdehnungsrichtung be­ grenzt, daß der Aktor mit dem anderen Ende auf einem Stütze­ lement (16, 6) aufliegt, das mit dem Gehäuse (10) verbunden ist, daß das Halteelement (17, 19) gegenüber dem Stützelement (16, 6) im Gehäuse (10) beweglich gelagert ist, und daß bei einer Auslenkung des Aktors (4) das Halteelement (17, 19) und das Stellglied (24, 9) gegenüber dem Stützelement (16, 6) be­ wegt werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (4) über ein Ausgleichselement in Wirkverbindung mit dem Halteelement (19) oder dem Stützelement (16, 6) steht, das thermische Ausdehnungen des Aktors (4) ausgleicht.