DE19802495A1

DE19802495A1 - Liquid control valve

Info

Publication number: DE19802495A1
Application number: DE19802495A
Authority: DE
Inventors: Roger Potschin; Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-06-19
Filing date: 1998-01-23
Publication date: 1998-12-24

Abstract

The valve has a valve member (22) that has an operating piston (34) subjected from a pressure spring (24) in the closing direction of the valve member to the installation on a valve seat (20). The valve member forms a movable wall of a pressure chamber which is restricted from an actuator piston of a piezo-actuator. Movement of the piston results in a pressure increase in the pressure chamber, whereby the operating piston can be adjusted against the force of the pressure spring. The pressure chamber is restricted from two differently sized pressure surfaces, of which one is formed from a thin- walled membrane.

Description

State of the art

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssig keiten gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1. Durch die EP-A-0 477 400 ist ein solches Ventil bereits bekannt. Bei diesem bekannten Ventil ist der Betätigungskolben des Ventilgliedes in einem im Durchmesser kleineren Teil einer Stufenbohrung abdichtend verschiebbar angeordnet, 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 hydraulischen Raum eingespannt, derart, daß, wenn der größere Kolben durch den Aktor um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird, der Betätigungskolben des Ventilgliedes einen um das Übersetzungsverhältnis der Stufenbohrungsdurchmesser vergrößerten Weg macht. Das Ventilglied, der Betätigungs kolben, der im Durchmesser größere Kolben sowie der Piezo aktor sind auf einer gemeinsamen Achse hintereinander angeordnet. Eine solche Bauart beansprucht wegen der zwei Kolben viel Raum. Es wurde deshalb auch schon vorgeschlagen, einen der beiden Kolben durch eine Membran zu ersetzen (EP 0 477 400 A1). Damit ist zwar die Bauhöhe etwas reduziert, aber die bekannte Membran hat wegen ihrer Dicke eine die Arbeit des Ventils störende Hysterese. Andererseits ist aber die Verwendung einer dünneren Membran hier nicht möglich, weil die Membran die hydraulische Kraft völlig allein aufnehmen müßte. Druck und/oder Membranfläche sind damit beschränkt. Darüberhinaus befaßt sich die bekannte Bauart mit dem Problem der Leckage, die bei der Verwendung von Kolben nicht zu vermeiden ist, weil eine Kolbenführung nie 100%ig dicht sein kann.The invention relates to a valve for controlling liquid keiten according to the genus of claim 1. By the Such a valve is already known from EP-A-0 477 400. At this known valve is the actuating piston of the Valve member in a part of a smaller diameter Stepped bore sealingly arranged, while a larger diameter piston with the piezo actuator is moved in a larger part of the diameter Stepped bore is arranged. Is between the two pistons a hydraulic space clamped in such a way that when the larger pistons through the actuator by a certain distance is moved, the actuating piston of the valve member the gear ratio of the stepped bore diameter makes enlarged path. The valve member, the actuator piston, the larger piston and the piezo Actuators are in a row on a common axis arranged. Such a design claims because of the two Pistons a lot of space. It has therefore already been suggested to replace one of the two pistons with a membrane (EP 0 477 400 A1). So the overall height is something reduced, but the known membrane has because of its thickness a hysteresis disturbing the work of the valve. On the other hand is not the use of a thinner membrane here possible because the membrane fully hydraulic power would have to record alone. Pressure and / or membrane area are so limited. In addition, the well-known deals Type with the problem of leakage when using of pistons cannot be avoided because of a piston guide can never be 100% tight.

Das erfindungsgemäße Steuerventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Anordnung weniger Bauraum beansprucht. Außerdem hat die dünnwandige Membran keine Hysterese und kann sehr preis wert hergestellt werden und schließlich ist die Leckage auf ein vernachlässigbares Maß reduziert bzw. völlig eliminiert.The control valve according to the invention with the characteristic In contrast, features of the main claim have the advantage that the arrangement takes up less space. Also has The thin-walled membrane has no hysteresis and can be very expensive worth producing and finally the leakage is on a negligible amount reduced or completely eliminated.

Drei 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 Druckübersetzers mit einer aktorseitig vorgesehenen Membran, Fig. 3 eine zweite Bauart mit einer Membranordnung in betätigungskolbenseitigen Einbau und Fig. 4 eine andere Membranbauart, ebenfalls betätigungskolbenseitig eingebaut.Three embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description. In the drawings: Figure 1 is a fuel injection valve in section, Figure 2 shows a first embodiment of a pressure intensifier with an actuator side provided membrane, Figure 3 shows a second type having a membrane-order in the actuating piston-side mounting, and Fig 4 shows another membrane type also incorporated actuating piston side.....

description

Das erfindungsgemäße Ventil findet eine bevorzugte Anwendung bei einem Kraftstoffeinspritzventil, das sich in seinen wesentlichen Teilen im Schnitt in der Fig. 1 wiedergegeben ist. Dieses Einspritzventil weist ein Ventilgehäuse 1 auf, in dem in einer Längsbohrung 2 eine Ventilnadel 3 geführt ist. An ihrem einen Ende ist die Ventilnadel mit einer kegelförmigen Dichtfläche 4 versehen, die an der in den Brennraum ragenden Spitze 5 des Ventilgehäuses mit einem Sitz 6 zusammenwirkt, von dem aus Einspritzöffnungen abführen, die das Innere des Einspritzventils, hier den die Ventilnadel 3 umgebenden, mit unter Einspritzdruck stehendem kraftstoffgefüllten 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 verbunden, der ständig in Verbindung mit einer Druckleitung 10 steht, über die dem Kraftstoffein spritzventil von einem Kraftstoffhochdruckspeicher 9 Kraftstoff unter Einspritzdruck 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 Bedingungen von ihrem Ventilsitz abgehoben werden kann.The valve according to the invention finds a preferred application in a fuel injection valve, the essential parts of which are shown in section in FIG. 1. This injection valve has a valve housing 1 , in which a valve needle 3 is guided in a longitudinal bore 2 . At one end the valve needle is provided with a conical sealing surface 4 , which cooperates with a seat 6 on the tip 5 of the valve housing protruding into the combustion chamber, from which injection openings lead away, which open the interior of the injection valve, here the valve needle 3 surrounding it. connect with the fuel-filled annular space 7 under injection pressure to the combustion chamber so as to carry out an injection when the valve needle has lifted off its seat. The annular space is connected to a further pressure chamber 8 , which is constantly in communication with a pressure line 10 , via which the fuel injector from a high-pressure fuel reservoir 9 fuel is supplied under injection pressure. This high fuel pressure also acts in the pressure chamber 8 and there on a pressure shoulder 11 , via which the nozzle needle can be lifted from its valve seat in a known manner under suitable conditions.

Am anderem 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 Drosselver bindung 16 ständig mit einem Ringraum 17 verbunden ist, der wie auch der Druckraum 8 ständig mit dem Kraftstoffhoch druckspeicher in Verbindung steht. Axial führt vom Steuer druckraum 15 eine Drosselbohrung 19 ab zu einem Ventilsitz 20 eines Steuerventils 21. Mit dem Ventilsitz 20 wirkt ein Ventilglied 22 des Steuerventils 21 zusammen, das im abgeho benen Zustand eine Verbindung zwischen dem Steuerdruckraum 15 und einem Entlastungsraum 18 herstellt.At the other end of the valve needle, this is guided in a cylinder bore 12 and includes there with its end face 14 a control pressure chamber 15 which is constantly connected via a throttle connection 16 to an annular space 17 , which, like the pressure chamber 8, is constantly pressure-storing with the high fuel communicates. Axially from the control pressure chamber 15, a throttle bore 19 leads to a valve seat 20 of a control valve 21 . With the valve seat 20, a valve member 22 of the control valve 21 interacts, which in the abgeho benen state creates a connection between the control pressure chamber 15 and a relief chamber 18 .

Das Ventilglied 22 wird durch eine Druckfeder 24 in Schließ richtung, also auf den Ventilsitz 20 hin beaufschlagt, so daß in Normalstellung des Steuerventils diese Verbindung des Steuerdruckraums 15 verschlossen ist. Da die stirnseitige Fläche der Ventilnadel im Bereich des Steuerdruckraums größer ist als die Fläche der Druckschulter 11, hält derselbe Kraftstoffdruck im Steuerdruckraum, der auch in dem Druckraum 8 vorherrscht, nun die Ventilnadel 3 in geschlos sener Stellung. Ist das Ventilglied 22 jedoch abgehoben, so wird der Druck im Steuerdruckraum 15 entlastet aufgrund der drosselnden Wirkung der Drosselverbindung 16. Bei der nun fehlenden Schließkraft öffnet die Ventilnadel 3 schnell und kann andererseits in Schließstellung gebracht werden, sobald das Ventilglied 22 wieder geschlossen wird. Von diesem Zeitpunkt an baut sich dann schnell über die Drossel 16 der ursprüngliche hohe Kraftstoffdruck im Steuerdruckraum 15 wieder auf.The valve member 22 is acted upon by a compression spring 24 in the closing direction, that is to say on the valve seat 20 , so that this connection of the control pressure chamber 15 is closed in the normal position of the control valve. Since the end face of the valve needle in the area of the control pressure chamber is larger than the area of the pressure shoulder 11 , the same fuel pressure in the control pressure chamber that also prevails in the pressure chamber 8 now holds the valve needle 3 in the closed position. However, if the valve member 22 is raised, the pressure in the control pressure chamber 15 is relieved due to the throttling effect of the throttle connection 16 . If the closing force is now missing, the valve needle 3 opens quickly and, on the other hand, can be brought into the closed position as soon as the valve member 22 is closed again. From this point on, the original high fuel pressure in the control pressure chamber 15 then builds up again quickly via the throttle 16 .

Das erfindungsgemäße Ventil hat einen Betätiger, der mit einem Druckübersetzer 25 versehen ist. Dieser greift mit einem Betätigungskolben 34 am Ventilglied 22 an und ist andererseits der Betätigungskraft eines nicht näher darge stellten Piezoaktors ausgesetzt.The valve according to the invention has an actuator which is provided with a pressure booster 25 . This engages with an actuating piston 34 on the valve member 22 and, on the other hand, is exposed to the actuating force of a piezo actuator, not shown in detail.

Der Druckübersetzer 25 kann erfindungsgemäß verschiedenartig ausgebildet sein. In der Fig. 2 ist aktorseitig ein Aktor kolben 28 vorgesehen, der an seinem unteren Ende mit einer kugelabschnittförmigen Druckfläche 29 versehen ist. An dieser Druckfläche 29 liegt eine dünne Membran 30 satt an und findet somit hier eine vollkommene Abstützung. Außerhalb der Druckfläche 29 ist die Membran 30 mit einer umlaufenden Tigge 31 versehen, um ihr eine Bewegungsmöglichkeit in axialer Richtung zu geben. An ihrem Außenrand 32 ist die Membran 30 zwischen zwei Gehäuseteilen des Ventils dicht und fest eingespannt. Durch eine solche Einspannung und durch ihre großflächige Abstützung am Aktorkolben 28 wird die dünne Membran 30 nur wenig beansprucht. Unter der Membran 30 befindet sich ein flüssigkeitsgefüllter Druckraum 33, den ein Betätigungskolben 34 des Ventilgliedes begrenzt. Die Oberfläche dieses Betätigungskolbens 34 bildet eine zweite Druckfläche 35 des Druckraums 33.According to the invention, the pressure intensifier 25 can be designed in various ways. In Fig. 2, an actuator piston 28 is provided on the actuator side, which is provided at its lower end with a spherical segment-shaped pressure surface 29 . A thin membrane 30 fits snugly against this pressure surface 29 and thus finds complete support here. Outside the pressure surface 29 , the membrane 30 is provided with a circumferential tigge 31 in order to give it a possibility of movement in the axial direction. At its outer edge 32 , the membrane 30 is tightly and firmly clamped between two housing parts of the valve. Such a clamping and its large-area support on the actuator piston 28 means that the thin membrane 30 is only slightly stressed. Under the membrane 30 there is a liquid-filled pressure chamber 33 , which an actuating piston 34 of the valve member delimits. The surface of this actuating piston 34 forms a second pressure surface 35 of the pressure chamber 33 .

Mode of operation of the pressure intensifier

Wenn der Piezoaktor eingeschaltet wird, drückt der Aktor kolben 28 über seine gewölbte Druckfläche ganzflächig auf die Membran 30, die satt an ihm anliegt. Deshalb kann die Membran 30 sehr dünnwandig ausgebildet sein, was zudem den Vorteil einer geringen Hysterese hat. Dazu kommt, daß die Membran 30 durchweg die gleiche Wandstärke aufweist, was die Herstellungskosten gering hält. Die gesamte Bewegung der Membran wird von der Sicke 31 aufgenommen, die den freien Bereich, an dem der Druck angreift, nach außen begrenzt. Der Druckraum 33 ist zwischen den beiden Druckflächen 29 und 35 eingespannt und die Druckübersetzung des Druckübersetzers 25 ergibt sich aus deren beiden unterschiedlichen Abmessungen.When the piezo actuator is switched on, the actuator presses the piston 28 over its curved pressure surface over the entire surface of the membrane 30 , which lies snugly against it. Therefore, the membrane 30 can be made very thin-walled, which also has the advantage of low hysteresis. In addition, the membrane 30 has the same wall thickness throughout, which keeps the manufacturing costs low. The entire movement of the membrane is absorbed by the bead 31 , which limits the free area to which the pressure acts, to the outside. The pressure chamber 33 is clamped between the two pressure surfaces 29 and 35 and the pressure ratio of the pressure intensifier 25 results from their two different dimensions.

Die Fig. 3 zeigt einen Druckübersetzer 36, bei dem eine ebenfalls dünne, mit einer umlaufenden Sicke 37 versehenen Membran 38 an dem unteren Betätigungskolben 39 des Ventilgliedes 22 anliegt, während der Aktorkolben 40 freibleibt. Der Betätigungskolben 39 ist bei dieser Bauart mit einer kugelabschnittförmigen, gewölbten Druckfläche 41 versehen. Ein Übersetzerdruckraum trägt hier die Bezugszahl 42. Fig. 3 shows a pressure booster 36, in which a likewise thin and provided with a peripheral bead 37 membrane 38 rests on the lower actuating piston 39 of the valve member 22 while the actuator piston 40 remains free. The actuating piston 39 is provided with a spherical segment-shaped, curved pressure surface 41 in this design. A translator print room has the reference number 42 here .

Die Arbeitsweise dieser Bauart entspricht der nach der Fig. 2. Hier ist jedoch der weitere Vorteil gegeben, daß eine thermische Ausdehnung des Piezoaktors nicht voll in den Hub der Membran 38 umgesetzt wird, wie es bei der Bauart nach der Fig. 2 der Fall ist.The method of operation of this type corresponds to that of FIG. 2. Here, however, there is the further advantage that thermal expansion of the piezo actuator is not fully converted into the stroke of the membrane 38 , as is the case with the type of FIG. 2 .

Eine ebenso vorteilhafte Arbeitsweise hat der Drucküber setzer 43, der in der Fig. 4 dargestellt ist. In Abwandlung der Bauart nach der Fig. 3 ist hier eine Druckfläche 44 eines Druckraumes 45, an der eine dünnwandige Membran 46 anliegt, nur schwach gewölbt. Wichtig ist hier aber, daß zwischen einer Mantelfläche 47 eines Aktorkolbens 48 und einer Gehäuse-Bohrungswand 49 ein enger, definierter Ring zylinderspalt 50 vorgesehen ist. Ein Betätigungskolben des Ventilgliedes 22 trägt hier die Bezugszahl 51, und eine Membran ist mit der Bezugszahl 52 versehen.An equally advantageous mode of operation has the pressure converter 43 , which is shown in FIG. 4. In a modification of the type of FIG. 3 here is a pressure surface of a pressure chamber 45, on which a thin-walled membrane 46 is applied, only weakly curved 44th It is important here, however, that a narrow, defined ring cylinder gap 50 is provided between a lateral surface 47 of an actuator piston 48 and a housing bore wall 49 . An actuating piston of the valve member 22 here bears the reference number 51 , and a membrane is provided with the reference number 52 .

Der in dem. Fig. 4 dargestellte Druckübersetzer 43 hat zwei Funktionen: Erstens Übersetzung des kleinen Hubvermögens des Piezoaktors von 1 bis 1,4 Promille und Fig. 2 thermischer Ausgleich des Aktormoduls. Letzteres aus folgenden Grund: Eine thermische Bewegung am Piezoaktor findet durch eine innere oder äußere Erwärmung statt. Da daß thermische Aus dehnungsvermögen des Piezoaktors ein anderes ist als das des Gehäuses, ergibt sich bei einer Erwärmung eine langsame Ausdehnung des Piezoaktors . Diese Verschiebung erzeugt dann im Druckübersetzer 43 einen Druck, der über den Ringzylinderspalt 50 ausgeglichen werden kann.The one in the. . Pressure intensifier 43 illustrated Figure 4 has two functions: First, the translation of small lifting capacity of the piezo actuator from 1 to 1.4 per thousand and 2 thermal balance of the actuator module.. The latter for the following reason: Thermal movement on the piezo actuator takes place through internal or external heating. Since that thermal expansion capacity of the piezo actuator is different from that of the housing, there is a slow expansion of the piezo actuator when heated. This shift then generates a pressure in the pressure intensifier 43 , which can be compensated for via the annular cylinder gap 50 .

Claims

1. Valve for controlling liquids with a valve member ( 22 ) having an actuating piston ( 34 ) which is struck by a compression spring ( 24 ) in the closing direction of the valve member ( 22 ) for abutment against a valve seat ( 20 ) and which forms a movable wall of a pressure chamber ( 33 , 42 , 45 ), which is delimited by an actuator piston ( 28 , 40 , 48 ) of a piezo actuator, the movement of which can produce a pressure increase in the pressure chamber ( 33 , 42 , 45 ) through which the actuating piston ( 34 , 39 , 51 ) can be adjusted in the opening direction against the force of the compression spring ( 24 ), characterized in that the pressure chamber ( 33 , 42 , 45 ) is delimited by two differently large pressure surfaces ( 29 , 35 ), one of which one is formed by a thin-walled membrane ( 30 , 38 , 46 ).

2. Valve according to claim 1, characterized in that the membrane ( 30 , 38 , 46 ) is supported centrally by a pressure surface ( 29 , 41 , 44 ) and outside the pressure surface ( 29 , 41 , 44 ) with a circumferential bead ( 31 , 37 , 52 ) is provided.

3. Valve according to claim 1 or 2, characterized in that the membrane ( 30 , 38 , 46 ) has the same wall thickness throughout.

4. Valve according to one of claims 1 to 3, characterized in that the membrane ( 30 , 38 ) to the pressure chamber ( 33 , 42 ) is curved out.

5. Valve according to one of claims 1 to 4, characterized in that the pressure surface ( 29 ) on the actuator piston ( 28 ) of the piezo actuator is provided.

6. Valve according to one of claims 1 to 4, characterized in that the pressure surface ( 41 , 44 ) on the actuating piston ( 39 , 51 ) is provided.

7. Valve according to claim 6, characterized in that between a lateral surface ( 47 ) of an actuator piston ( 48 ) and a housing bore wall ( 49 ) a narrow, defined ring cylinder gap ( 50 ) is provided.