DE19743640A1

DE19743640A1 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE19743640A1
Application number: DE19743640A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr Heinz; Dieter Kienzler; Roger Potschin; Klaus-Peter Dr Schmoll; Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-10-02
Filing date: 1997-10-02
Publication date: 1999-04-08
Also published as: JPH11166653A; EP0907017A1; US6155532A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssig keiten gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1. Durch die EP 0 477 400 ist ein solches Ventil bekannt. Dort ist der Betä tigungskolben des Ventilgliedes in einem im Durchmesser kleineren Teil einer Stufenbohrung dicht verschiebbar ange ordnet, wogegen ein im Durchmesser größerer Kolben, der mit dem Piezoaktor bewegt wird, in einem im Durchmesser größeren Teil der Stufenbohrung angeordnet ist. Zwischen den beiden Kolben ist ein hydraulischer Kopplungsraum eingespannt, der art, daß, wenn der größere Kolben durch den Piezoaktor um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird, der Betätigungskolben des Ventilgliedes um einen um das Übersetzungsverhältnis der Stufenbohrungsdurchmesser vergrößerten Weg bewegt wird. Das Ventilglied, der Betätigungskolben, der im Durchmesser grö ßere Aktorkolben und der Piezoaktor liegen auf einer gemein samen Achse hintereinander.

Bei solchen Ventilen besteht das Problem, Längenänderungen des Piezoaktors, des Ventils oder des Ventilgehäuses durch den hydraulischen Kopplungsraum auszugleichen. Da der Piezo aktor zum Öffnen des Ventils im Kopplungsraum einen Druck erzeugt, führt dieser Druck auch zu einem Verlust an Kopp lungsraum-Flüssigkeit. Um ein Leerpumpen des Kopplungsraums zu verhindern, ist eine Wiederbefüllung notwendig. Eine Ein richtungen, die eine solche Wiederfüllung bewirken soll, ist zwar durch den eingangs genannten Stand der Technik bereits bekannt, doch hat diese den Nachteil, daß eine ständig in den beiden möglichen Flußrichtungen offene Verbindung zwi schen dem Kopplungsraum und einem Vorratsbehälter vorgesehen ist, die das Arbeitsverhalten des Piezoaktors wesentlich be einflußt. Insbesondere führt ein somit vergrößertes Volumen zu einer die Übertragungssteifigkeit der durch den Kopplungs raumes gebildeten hydraulischen Säule reduzierende Kompres sibilität.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ventil mit den kennzeichnenden Merkma len des Patentanspruchs 1 hat dem gegenüber den Vorteil, daß der Kopplungsraum immer ausreichend gefüllt bleibt und nur Kopplungsflüssigkeit in Richtung Kopplungsraum nachströmen kann. Eine nachteilige Längenänderung der Gesamteinrichtung ist damit vermieden. Dies gilt auch, wenn der Piezoaktor, das Ventil oder das Gehäuse seine Länge z. B. bei Erwärmung ändern sollte, weil eine solche Längenänderung im Kopplungs raum durch Lecken kompensiert wird. Des weiteren ist es von Vorteil, daß die Einrichtung einen einfachen Aufbau hat und sicher und zuverlässig arbeitet.

Zeichnung

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Kraftstoffeinspritz ventil im Schnitt, Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Befüllungsventils, Fig. 3 ein zweites Ausführungsbei spiel eines Befüllungsventils und Fig. 4 ein drittes Aus führungsbeispiel eines Befüllungsventils.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das erfindungsgemäße Ventil findet Anwendung bei einem Kraftstoffeinspritzventil, das in wesentlichen Teilen im Schnitt in der Fig. 1 wiedergegeben ist. Dieses Einspritz ventil weist ein Ventilgehäuse 1 auf, in dem in einer Längs bohrung 2 eine Ventilnadel 3 geführt ist, die auch in hier nicht weiter gezeigter, bekannter Weise durch eine Schließ feder in Schließrichtung vorbelastet sein kann. An ihrem ei nen Ende ist die Ventilnadel mit einer kegelförmigen Dicht fläche 4 versehen, die an der in den Brennraum ragenden Spitze 5 des Ventilgehäuses mit einem Sitz 6 zusammen wirkt, von dem aus Einspritzöffnungen abführen, die in das Innere des Einspritzventils, hier den die Ventilnadel 3 umgebenden unter Einspritzdruck stehenden Kraftstoff gefüllten Ringraum 7 mit dem Brennraum verbinden, um so eine Einspritzung zu vollziehen, wenn die Ventilnadel von ihrem Sitz abgehoben hat. Der Ringraum ist mit einem weiteren Druckraum 8 verbun den, der ständig in Verbindung mit einer Druckleitung 10 steht, über die dem Kraftstoffeinspritzventil von einem Kraftstoffhochdruckspeicher 9 Kraftstoff unter Einspritz druck zugeführt wird. Dieser hohe Kraftstoffdruck wirkt auch in den Druckraum 8, und dort auf eine Druckschulter 11, über die in bekannter Weise die Düsennadel bei geeigneten Bedin gungen von ihrem Ventilsitz abgehoben werden kann.

Am anderen Ende der Ventilnadel ist diese in einer Zylinder bohrung 12 geführt und schließt dort mit ihrer Stirnseite 14 einen Steuerdruckraum 15 ein, der über eine Drosselverbin dung 16 ständig mit einem Ringraum 17 verbunden ist, der, wie auch der Druckraum 8 immer mit dem Kraftstoffhochdruck speicher in Verbindung steht. Axial führt von Steuerdruck raum 15 eine Drosselbohrung 19 ab zu einem Ventilsitz 20 ei nes Steuerventils 21. Mit dem Ventilsitz wirkt ein Ventil glied 22 des Steuerventils zusammen, das in abgehobenem Zu stand eine Verbindung zwischen dem Steuerdruckraum 15 und einem Federraum 18 herstellt, der wiederum ständig mit einem Entlastungsraum verbunden ist. In dem Federraum 18 ist eine das Ventilglied 22 in Schließrichtung belastende Druckfeder 24 angeordnet, die das Ventilglied 22 auf den Ventilsitz 20 hin beaufschlagt, so daß in Normalstellung des Steuerven tils diese Verbindung des Steuerdruckraumes 15 verschlossen ist. Da die stirnseitige Fläche der Ventilnadel 3 im Bereich des Steuerdruckraumes größer ist als die Fläche der Druck schulter 11, hält derselbe Kraftstoffdruck im Steuerdruck raum, der auch in dem Druckraum 8 vorherrscht nun die Ven tilnadel 3 in geschlossener Stellung. Ist das Ventilglied 22 jedoch abgehoben, so wird der Druck im über die Drosselver bindung 16 abgekoppelten Steuerdruckraum 15 entlastet. Bei der nun fehlenden oder reduzierten Schließkraft öffnet die Ventilnadel 3 ggfs. entgegen der Kraft einer Schließfeder schnell und kann andererseits sobald das Ventilglied 22 wie der in Schließstellung kommt, in Schließstellung gebracht werden, da sich von diesem Zeitpunkt an über die Drosselver bindung 16 der ursprüngliche hohe Kraftstoffdruck im Steuer druckraum 15 dann schnell wieder aufbaut.

Das erfindungsgemäße Steuerventil weist einen zu seiner Be tätigung bestimmten Kolben 25 auf, der auf das Ventilglied 22 wirkt und durch einen in Fig. 2 näher dargestellten Pie zoaktor 32 betätigbar ist. Der Kolben 25 ist in einer Füh rungsbohrung 28 dicht geführt und begrenzt mit seiner Stirn fläche 29 einen Kopplungsraum 30, der auf seiner gegenüber liegenden Wand von einem Aktorkolben 31 größeren Durchmes sers abgeschlossen ist, der Teil des Piezoaktors 32 ist und der durch eine im Kopplungsraum 30 angeordnete Federscheibe 27 in Kontakt mit dem Piezoaktor 32 gehalten wird. Beide Kolben 25 und 31 sind in ihren Bohrungen dicht geführt. Der Kopplungsraum 30 dient aufgrund der unterschiedlichen Kol benflächen der beiden Kolben 25 und 31 als Übersetzerraum, indem er einen konstruktionsbedingten kleinen Hub des Piezo aktorkolbens 31 in einen größeren Hub des das Steuerventil 21 betätigenden Kolbens 25 übersetzt. Bei Erregung des Pie zoaktors wird der Kolben 25 so verstellt daß das Ventilglied 22 von seinem Sitz 20 abgehoben. Das hat eine Entlastung des Steuerdruckraumes zur Folge, was wiederum das Öffnen der Ventilnadel 3 bewirkt. Bei der Arbeit des Ventils und bei der Druckübersetzung treten im Kopplungsraum 30 sehr hohe Drücke auf. Um es trotz dieser Belastung der eingeschlosse nen Flüssigkeit nicht zu einem Füllungsverlust aufgrund von Leckage entlang der Kolbenführung kommen zu lassen und um Füllungsverluste durch Volumenänderung bei Temperaturwech seln schnell auszugleichen ist ein Befüllungsventil 33 vor gesehen, das an den Kopplungsraum 30 angeschlossen ist.

Gemäß der Erfindung ist ein solches Befüllungsventil bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 2, 3 und 4 so pla ziert, daß es unmittelbar radial an den Kopplungsraum 30 an gebaut ist, um das Schadvolumen im Kopplungsraum 30 so ge ring wie möglich zu halten und die Steifigkeit des Übertra gungsvolumen für die Stellbewegung so groß wie möglich zu halten.

In der Fig. 2 ist ein Befüllungsventil 33 dargestellt, das ein kugelförmiges Schließglied 34 hat, welches unmittelbar von einer Schraubendruck-Ventilfeder 35 belastet ist. Schließglied 34 und Ventilfeder 35 sind in einer Ventil kammer 36 angeordnet. Die Ventilfeder 35 drückt das Schließ glied 34 gegen einen Ventilsitz 37, der im Gehäuse 26 vorge sehen ist. Zentrisch zum Ventilsitz 37 mündet ein Zulaufka nal 38, der unter Niederdruck steht. In einer Zylinderwand des federbestückten Kopplungsraumes 30 ist eine Verbindungs bohrung 39 vorgesehen, über die das Befüllungsventil 33 an den Kopplungsraum 30 angeschlossen ist. Sowohl der Aktorkol ben 31 als auch der Kolben 25 sind im Gehäuse 26 dicht ge führt, trotzdem tritt bei beiden wegen des hohen Druckes im Kopplungsraum 30 eine Leckage in den Führungen 40 bzw. 41 auf.

Wenn bei der Arbeit des Ventils Flüssigkeit aus dem Kopp lungsraum 30 über die Führungen 40 und 41 verloren geht, sich also das Volumen des Kopplungsraumes 30 verkleinert, wird dieser Verlust über das Befüllungsventil 33 sofort aus geglichen, indem Flüssigkeit aus dem Zulaufkanal 38 über die Ventilkammer 36 und das sich von seinem Ventilsitz 37 abhe bende Ventilglied 34 nachgefüllt wird. Dies wird durch die Federscheibe 57 unterstützt, die bestrebt ist, den Kopp lungsraum 30 immer so groß wie möglich zu halten, indem sie den Kolben 31 zum Piezoaktor 32 hin verstellt. Der Zulauf druck, der Ventilsitz 37 und die Ventilfeder 35 müssen ent sprechen abgestimmt werden. Das Befüllungsventil (33) ist bei dieser Ausgestaltung von den beschleunigten Bewegungen der Kolben (25, 31) d. h. von deren Beschleunigungskräften unabhängig.

Wichtig ist, daß durch die Ventilkammer 36 das Volumen des Kopplungsraumes 30 nicht wesentlich vergrößert wird. Im Hin blick darauf noch weiter optimiert ist ein Befüllungsventil 42, wie es in der Fig. 3 dargestellt ist. Bei dieser Kon struktion ist die Ventilkammer 36 der Bauart nach der Fig. 2 in Wegfall gekommen.

Ein Ventilsitz 43 für ein kugelförmiges Schließglied 44 des Befüllungsventils 42 ist radial in eine Wand 45 des eben falls federbestückten Kopplungsraumes 30 eingearbeitet. Als Ventilfeder 46 dient hier eine Feder-Membran, die hochkant in den Kopplungsraum 30 hineinragt und im Gehäuse 26 veran kert ist.

Eine weitere optimierte Bauart eines Befüllungsventils 47 ist in der Fig. 4 gezeigt. Hier ist das Befüllungsventil 47 mit einer Zugstange 48 versehen, die mit einem kopfförmigen Schließglied 49 nahe an den Kopplungsraum 30 heranreicht. Ein Ventilsitz 50 ist an einer Scheibe 51 angeordnet, die von einer hohlen Spannmutter 52 an einer Gehäuseschulter 53 festgehalten wird.

Auf der Zugstange 48 ist ein Federteller 54 verschraubbar angeordnet, an dem sich eine Ventilfeder 55 abstützt, die bestrebt ist, das Schließglied 49 an seinem Ventilsitz 50 zu halten. Die Spannmutter 52 ist im Gehäuse 26 verschraubt und ist ringzylindrisch ausgebildet, um in ihrem Hohlzylinder 56 die Zugstange 48 und die Ventilfeder 55 aufzunehmen. Eine das Schließglied 49 aufnehmende Ventilkammer 57 ist über ei nen Radialdurchbruch 58 unmittelbar mit dem Kopplungsraum 30 verbunden.

Es ist zu erkennen, daß bei dieser Bauart das durch den An bau des Befüllungsventils 47 entstandene Schadvolumen eben falls sehr klein ist.

Claims

1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Ventil glied (22), das einen zu seiner Betätigung bestimmten von einer Rückstellkraft beaufschlagten Kolben (25) aufweist, der mit seiner Stirnseite einen hydraulischen Kopplungsraum (30) als bewegliche Wand abschließt, der andererseits von einem Aktorkolben (31) eines Piezoaktors (32) begrenzt wird, durch dessen Arbeitshub eine Druckerhöhung im Kopplungsraum (30) erzeugbar ist, durch den der Kolben (25) gegen eine Rückstellkraft verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungsraum (30) über ein in Richtung Kopplungsraum öffnendes Befüllungsventil (33, 42, 47) mit einer Flüssig keitsquelle verbindbar ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Befüllungsventil (33, 42, 47) unmittelbar radial an den Kopplungsraum (30) angebaut ist und als Rückschlagventil ausgebildet ist.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schließglied (34, 44) des Befüllungsventils (33, 42) unmittelbar von einer Ventilfeder (35, 46) belastet ist, die das Schließglied (34, 44) gegen einen Ventilsitz (37, 43) drückt, der im Gehäuse (26) vorgesehen ist.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilfeder (35) eine Schraubendruckfeder ist.

5. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilfeder (46) eine Feder-Membran ist.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß das Schließglied (34, 44) als Kugel ausgebil det ist.

7. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Befüllungsventil (47) eine Zugstange (48) aufweist, an der eine Ventilfeder (55) angreift, die bestrebt ist, ein an der Zugstange (48) angebrachtes Schließglied (49) auf ei nen Ventilsitz (50) zu ziehen.

8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (50) an einer Scheibe (51) angeordnet ist, die von einer hohlen Spannmutter (52) an einer Gehäuseschulter (53) festgehalten wird.

9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannmutter (52) im Gehäuse (26) verschraubt ist und ringzy lindrisch ausgebildet ist und in ihrem Hohlzylinder (56) die Zugstange (48) und die Ventilfeder (55) aufnimmt.

10. Ventil nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Vorspannung der Ventilfeder (55) durch ei nen auf der Zugstange (48) verschraubbaren Federteller (54) veränderbar ist.