DE19939476C2 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssig­ keiten gemäß der Gattung des Patenanspruches 1.

In der EP 0 477 400 A1 ist ein derartiges Ventil beschrie­ ben. Dort ist in einer Stufenbohrung des Ventilgehäuses ein Betätigungskolben des Ventilgliedes in einem Teil der Stu­ fenbohrung mit kleinem Durchmesser verschiebbar angeordnet. Ein durch einen Piezoaktor bewegbarer größerer Kolben ist in einem Teil der Stufenbohrung mit größerem Durchmesser angeordnet. Zwischen den beiden Kolben ist ein mit einem Druckmedium gefüllter hydraulischer Druckraum ausgebildet, so daß eine hydraulische Übersetzung einer Bewegung des Piezoaktors erfolgt. Das heißt, wenn der größere Kolben durch den Piezoaktor um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird, macht der Betätigungskolben des Ventilgliedes einen um das Übersetzungsverhältnis der Kolbendurchmesser vergrößerten Hub, da der Kolben des Piezoaktors eine größere Fläche als der Betätigungskolben des Ventilgliedes aufweist. Dabei liegen das Ventilglied, der Betätigungskolben des Ventilgliedes, der durch den Piezoaktor bewegte Kolben und der Piezoaktor auf einer gemeinsamen Achse hintereinander.

Bei derartigen Ventilen besteht das Problem, dass die beiden Kolben des hydraulischen Übersetzers einer gewissen Reibung bei ihrer Bewegung in und entgegengesetzt zur Hubrichtung unterworfen sind, sodass ein damit einhergehender Verschleiß auftritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden. Diese Aufgabe wird durch das Ventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Es hat den Vorteil, dass ein mechanischer Übersetzer mit einer Membran eingesetzt wird, welche eine reibungsarme und verschleißneutrale Lösung ermöglicht. Zudem besteht durch die Verwendung des mechanischen Übersetzers mit Membran, im Gegensatz zum Einsatz eines hydraulischen Übersetzers nicht das Problem hinsichtlich der Leckverluste des hydraulischen Mediums im Druckraum eines hydraulischen Übersetzers. Somit kann durch das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten eine gleichmäßige und über lange Zeit gleichbleibende Wiederholbarkeit der Einspritzungen erreicht werden, sodass exakt definierte Einspritzzeitpunkte und/oder Einspritzmengen von Kraftstoff gewährleistbar sind. Zudem ist ein mechanischer Übersetzer mit Membran einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar, sodass sich auch diesbezüglich Vorteile im Hinblick auf einen hydraulischen Übersetzer ergeben.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist gemäß Patentanspruch 2 die Membran als Biegebalken ausgebildet. Hierdurch kann in einfacher Form der Hub des Piezoaktors auf das Kolbenelement des Ventilgliedes übertragen werden. Zusätzlich ist bei dem Biegebalken-Prinzip eine sehr präzise Kraftübertragung möglich, wodurch wiederum der exakt definierte Einspritzzeitpunkt und/oder Einspritzmenge von Kraftstoff gewährleistet wird.

Vorteilhafterweise ist gemäß Patentanspruch 3 die Membran auf einem Auflager, vorzugsweise einem Lagerring gelenkig gelagert. Durch das Zusammenspiel zwischen Auflager und Membran kann in einfacher Form die erfindungsgemäße Funktion der Membran sichergestellt werden und zusätzlich stellt diese Kombination eine einfache Anordnung dar, welche einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Bei herkömmlichen Ventilen zum Steuern von Flüssigkeiten sind aufwendige Anordnungen vorgesehen, um ein adequates Übersetzungsverhältnis zwischen Längenausdehnung des Piezo­ aktors bei Erregung und Kolbenelement des Ventilgliedes zu erzielen. Diese aufwendige Anordnung wird bei dem erfin­ dungsgemäßen Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß Pa­ tentanspruch 4 dadurch vermieden, daß der Lagerring die Membran in zwei Hebelarme unterteilt. Die Hebelarme können hierbei entsprechend im gewünschten oder erforderlichen Übersetzungsverhältnis ausgebildet werden. Auch besteht die Möglichkeit nachträglich, das Übersetzungsverhältnis eines Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten zu verändern, indem lediglich eine bestehende Membran durch eine neue Membran mit zugeordnetem Lagerring und verändertem Hebelarmverhält­ nis eingesetzt wird.

Um ein einfaches Zusammenwirken zwischen Membran und Kol­ benelement des Ventilgliedes zu erreichen, ist gemäß Patentanspruch 5 die Membran kreisförmig sowie mittig mit einer Öffnung ausgebildet, in welche das Kolbenelement des Ventilgliedes eingreift. Hierdurch wird einerseits in einfacher Form eine Verbindung zwischen Membran und Kolbenelement sichergestellt, aber gleichzeitig eine exakte Hubübertragung von Piezoaktor auf Membran und weiter auf das Kolbenelement ermöglicht.

Bei herkömmlichen Ventilen zum Steuern von Flüssigkeiten ist dem Ventilglied eine Ventildichtfeder zugeordnet. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten kann bei gleicher Funktionsweise diese Ventildichtfeder weggelassen werden. Hierzu ist gemäß Patentanspruch 6 die Membran in Richtung der Schließstellung des Ventilgliedes vorgespannt. Mit anderen Worten, die Membran übernimmt die Funktion der bekannten Ventildichtfeder.

Um Temperaturdrifts des Piezoaktors und damit einhergehende fehlerhafte Hubübertragungen auf das Ventilglied zu kompen­ sieren, ist gemäß Patentanspruch 7 dem Piezoaktor zumindest ein Ausgleichselement zugeordnet, welches den Hub des Piezoaktors auf einen Hebelarm der Membran überträgt.

Vorzugsweise ist ein Luftspalt zwischen Ausgleichselement und Membran ausgebildet (Patentanspruch 8), welcher Län­ genausdehnungsunterschiede auf Grund von Temperaturunter­ schieden zwischen Piezoaktor und Ausgleichselement kompen­ siert. Zusätzlich kann zur Kompensation dieses Temperatur­ problemes ein Wärmeleitmaterial zwischen Piezoaktor und Ausgleichselement gemäß Patentanspruch 9 vorgesehen sein. Dieses Wärmeleitmaterial vermindert die Temperaturunterschiede zwischen Piezoaktor und Ausgleichselement und die damit einhergehenden Ausdehnungsunterschiede. Hierbei ist natürlich Grundvoraussetzung, daß der Piezoaktor und das Ausgleichs­ element im wesentlichen gleiche Wärmeausdehnungskoeffizien­ ten aufweisen. Insofern dient natürlich der Luftspalt zwi­ schen Ausgleichselement und Membran auch zur Kompensierung unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten von Piezoaktor und Ausgleichselement.

Zeichnung

In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung dargestellt. Die Ausführungsbeispiele werden in nach­ folgender Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Kraftstoffeinspritzventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Teilansicht der Membran und eines Ausgleichselementes von Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht eines Kraftstoffeinspritzventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 4 eine schematische Schnittansicht eines Kraftstoffeinspritzventils gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel findet das erfindungsgemäße Ventil Anwendung in einem Ein­ spritzsystem, bei dem die Einspritzpumpe und die Einspritz­ düse eine Einheit bildet (sogenannte Pumpe-Düse-Einheit (PDE)). Ein derartiges Einspritzsystem ist in Fig. 1 schematisch wiedergegeben. Das Einspritzventil umfaßt eine Steuereinheit 2, die wiederum einen in einem Gehäuse 3 angeordneten Piezoaktor 4 aufweist. Der Piezoaktor 4 stützt sich hierbei in Fig. 1 an seinem unteren Ende gegen das Gehäuse 3 ab. Das in Fig. 1 obere Ende des Piezoaktors 4 ist mit einem Kolben 5 verbunden, der durch ein Vorspannelement 6, etwa eine Schraubenfeder, im nicht bestromten Zustand des Piezoaktors 4 in seine Ruhelage vorgespannt wird.

Der Kolben 5 ist weiterhin mit zwei Ausgleichselementen 7, 8 verbunden, die sich parallel der Längsseite des Piezoaktors 4 erstrecken. Diese beiden Ausgleichselemente 7, 8 sind in Fig. 1 zwei Bolzen, welche die gleiche effektive Länge l wie der Piezoaktor 4 aufweisen. Natürlich sind auch andere geometrische Formen für die Ausgleichselemente 7, 8 denkbar. Die Ausgleichselemente 7, 8 sind an ihren dem Kolben 5 gegenüberliegenden Enden jeweils mit einem L-Stück 9, 10 verbunden, deren kurzer Schenkel in Fig. 1 nach innen gerichtet ist.

Die kurzen Schenkel der L-Stücke 9, 10 können mit einer Membran 11 in Kontakt gelangen, welche über ein Auflager, vorzugsweise einen Lagerring 12 am Gehäuse 3 gelenkig gelagert ist.

Die Membran 11 ist hierbei als Biegebalken ausgebildet und weist mittig eine Öffnung auf, in welche der Kolben 13 eines Ventilgliedes 14 des Ventils 1 eingreift.

Schließlich ist noch zwischen dem kurzen Schenkel der L- Stücke 9, 10 und der Membran 11 ein Luftspalt S ausgebildet, dessen Funktion später erläutert wird.

Desweiteren befindet sich zwischen den beiden Ausgleichselementen 7, 8 und dem Piezoaktor 4 ein Wärmeleitmaterial 15, welches für einen Temperaturausgleich zwischen dem Piezoaktor 4 und den beiden Ausgleichselementen 7, 8 dient. Der Grund für den Temperaturausgleich ist darin zu sehen, daß sich sowohl die beiden Ausgleichselemente 7, 8 als auch der Piezoaktor 4 in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ausdehnen bzw. zusammenziehen. Treten nunmehr Temperaturunterschiede am Piezoaktor 4 und den beiden Ausgleichselementen 7, 8 auf, führt dies zu unterschiedlichen Ausdehnungsgrößen dieser Elemente, was sich in Ungenauigkeit hinsichtlich der Einspritzmenge und dem Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffes niederschlägt. Um dieses Problem zu vermeiden, wird einerseits das Wärmeleitmaterial 15 eingesetzt, um sicher­ zustellen, daß die äußeren Temperatureinflüsse auf dem Pie­ zoaktor 4 als auch die Ausgleichselemente 7, 8 im wesentli­ chen ausgeglichen sind. Als zweite Maßnahme, um obengenann­ tes Problem zu vermeiden, wird ein Material für die Aus­ gleichselemente ausgewählt, welches im wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der Piezoaktor 4 aufweist. Schließlich dient der Spalt S als dritte Maßnahme dem gleichen Zweck. Der Spalt S kompensiert nämlich Ausdeh­ nungsunterschiede aufgrund äußerer Einflüsse, wie etwa der Temperatur, von Piezoaktor 4 und Ausgleichselementen 7, 8. Das heißt, trotz unterschiedlicher Längenausdehnung zwischen Piezoaktor und Ausgleichselementen 7, 8 gelangen die L-Stücke 9, 10 mit der Membran 11 in Kontakt, unmittelbar wenn der Piezoaktor 4 bestromt wird und damit einen Hub entgegen der Vorspannung des Vorspannungselementes 6 bewirkt.

Wirkungsweise

Bei einer Ansteuerung des Piezoaktors 4 des erfindungsge­ mäßen Ventils 1 zum Steuern von Flüssigkeiten wird die Län­ genausdehnung des Piezoaktors 4 auf den Kolben 5 entgegen der Vorspannungskraft durch das Vorspannelement 6 übertra­ gen. Zusammen mit dem Kolben 5 bewegen sich aber auch die Ausgleichselemente 7, 8 in Fig. 1 nach oben, wodurch mittels der kurzen Enden der L-Stücke 9, 10 die Membran 11 an ihren beiden äußeren Enden in Fig. 1 nach oben gebogen wird. Als Folge der gelenkigen Lagerung der Membran 11 auf dem Lagerring 12 wird der in Fig. 1 mittlere Bereich der Membran 11 entsprechend einem Biegebalken nach unten gespannt, so daß auch der Kolben 13 des Ventilgliedes 14 im Ventil 1 nach unten bewegt wird. Somit führt das Ventilglied 14 eine Bewegung vom ersten Ventilsitz 16 in den zweiten Ventilsitz 17 aus.

Unterhalb des Ventils 1 ist in Fig. 1 noch der Steuerraum 18 sowie der Steuerkolben 19 dargestellt, welche in allge­ mein bekannter Form mit dem Einspritzventil zusammenwirken und daher wird auf diese Komponenten und deren Funktionsweise nicht näher eingegangen.

In Fig. 2 ist nochmals im Detail der Bereich zwischen Aus­ gleichselement 8 nebst L-Stück 10 und Membran 11 nebst La­ gerring 12 dargestellt. Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß der kurze Schenkel des L-Stücks 10 an seiner der Membran 11 zugewandten Seite sphärisch ausgebildet ist, um ein präzises Zusammenwirken zwischen den beiden Elementen 11, 10 und somit eine präzise Hubübertragung von Piezoaktor 4 auf die Membran 11 sicherzustellen. Aus dieser Figur ist aber auch ersichtlich, daß die Membran in Verbindung mit dem Lagerring 12 zwei Hebelarme A und B aufspannt, welche ein Übersetzungsverhältnis festlegen. Mit anderen Worten, der Hub des Piezoaktors 4 wird multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis A/B auf den Kolben 13 übertragen. Hierbei hat sich ein Übersetzungsbereich von 1 : 2 bis 1 : 8 als besonders bevorzugt herausgestellt.

Zudem ist Fig. 2 entnehmbar, daß das L-Stück 10 über ein Gewinde mit dem Ausgleichselement 8 verbunden ist. Diese Verbindung ermöglicht zum einen einen Austausch des L- Stücks, etwa bei Beschädigung, als auf den Einsatz anders dimensionierter L-Stücke, sofern die Anforderungen dies erfordern. Natürlich kann das Ausgleichselement 8 auch einstückig mit dem L-Stück 10 ausgestaltet sein.

In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfin­ dungsgemäßen Ventils 1 zum Steuern von Flüssigkeiten darge­ stellt. Nachdem der Aufbau des Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 im wesentlichen demjenigen von Fig. 1 gleicht, werden im folgenden lediglich die Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 erläutert.

Ein wesentlicher Unterschied besteht bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3, im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel von Fig. 1, darin, daß anstelle von L- Stücken 9, 10 zwei geradlinige Verlängerungen 20, 21 jeweils mit dem entsprechenden Ausgleichselement 7, 8 verbunden sind. Durch die Verwendung dieser Verlängerungen 20, 21 greifen nunmehr die Ausgleichselemente 7, 8 in Fig. 3 von oben und nicht wie in Fig. 1 gezeigt von unten an der Membran 12 an. Die Membran 11 ist hierbei entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel in der Nähe ihrer mittigen Öffnung auf einem Lagerring 12 gelenkig gelagert. Zusätzlich zu diesem Lagerring ist aber noch ein zweiter Lagerring 22 zwischen innerem Lagerring 12 und den beiden Verlängerungen 20, 21 angeordnet.

Im Ruhezustand der Membran 11 ist der Piezoaktor 4 bestromt. Für den Einspritzvorgang wird der Piezoaktor 4 abgeschaltet, so daß er sich "zusammenzieht". Hierdurch wird in Fig. 3 der Kolben 5 des Piezoaktors 4 und damit einhergehend die Ausgleichselemente 7, 8 nebst Verlängerungen 20, 21 in Richtung der Vorspannungskraft des Vorspannelementes 6 nach unten bewegt und biegen die äußeren Enden der Membran 11 in Fig. 3 nach unten. Durch die Lagerung der Membran auf dem zweiten Lagerring 22 bewegt sich der zwischen erstem Lagerring 12 und zweitem Lagerring 22 befindliche Bereich der Membran 11 entsprechend einem Biegebalken nach oben. Diese Bewegung wird anschließend im Bereich zwischen Kolben 13 und erstem Lagerring 12 in eine Biegung in Fig. 3 nach unten transformiert, so daß der Kolben 3 nebst zugehörigem Ventilglied in Fig. 3 nach unten wandert. Somit wird auch mit der Ausgestaltungsform gemäß Fig. 3 die gleiche Wirkung wie mit dem ersten Ausführungsbeispiel erzielt. Jedoch stellt die Membran gemäß Fig. 1 einen einfachen Biegebalken dar, wohingegen die Membran gemäß Fig. 3 als doppelter Biegebalken wirkt.

Natürlich ist auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ein Übersetzungsverhältnis vorgebbar. Hierbei ist die Strecke zwischen erstem Lagerring und Kolbenmittelpunkt als Hebelarm B festgelegt. Gleichzeitig definiert die Strecke von erstem Lagerring 12 zum zweiten Lagerring 22 den Hebelarm A. Die Strecke zwischen zweitem Lagerring 22 und Mittelpunkt der jeweiligen Verlängerungen 20 bzw. 21 ist frei einstellbar, jedoch hat sich hier eine Dimensionierung in der Größe des Hebelarmes A als bevorzugt herausgestellt.

Schließlich zeigt Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ventils 1 zum Steuern von Flüssigkeiten. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 3 dadurch, daß nur ein Lagerring 23 vorgesehen ist, auf welchem die Membran 11 durch die Ausgleichselemente 7, 8 nebst Verlängerungen 20, 21 vorgespannt ist. Ferner drückt eine Feder 24 im Bereich zwischen Kolben 13 und Lagerring 23 auf die Membran 11 in Richtung der Ruhestellung der Membran 11. Wird nun der Piezoaktor 4 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel bestromt bzw. aktiviert, führt er in Fig. 4 eine Hubbewegung entgegen der Vorspannungskraft der Vorspannelemente 6 nach oben aus. Hierdurch werden gleichzeitig die Ausgleichselemente 7, 8 nebst Verlängerungen 20, 21 in Fig. 4 nach oben bewegt, so daß die Membran 11 in Richtung der Vorspannungskraft der Feder 24 nach unten ausweichen kann, wodurch wiederum der Kolben 13 nebst Ventilglied eine Bewegung in den Ventilsitz ausführen kann.

Obgleich in Fig. 4 nicht dargestellt, ist natürlich auch bei diesem Ausführungsbeispiel das Hebelarmverhältnis A/B entsprechend den Ausführungen zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen einstellbar.

Die vorliegende Erfindung kann selbstverständlich auch bei anders ausgestalteten Ventilen mit mechanischem Übersetzer verwendet werden.

Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele ge­ mäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zur Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikatio­ nen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äqui­ valente zu verlassen.

Claims (9)

1. Ventil (1) zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Piezoaktor (4) und einem den Hub des Piezoaktors (4) übertragenden mechanischen Übersetzer, über welchen ein mit einem Kolbenelement (13) in Verbindung stehendes Ventilglied (14) betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Übersetzer eine Membran (11) aufweist, die den Hub des Piezoaktors (4) auf das Kolbenelement (13) des Ventilglieds (14) direkt überträgt und daß die Membran (11) auf wenigstens einem Auflager (12) gelenkig gelagert ist, welches die Membran (11) in wenigstens zwei Hebelarme (A und B) unterteilt.

2. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (11) als Biegebalken ausgebildet ist.

3. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Auflager (12) ein Lagerring ist.

4. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (11) kreisförmig ist, sowie mittig eine Öffnung aufweist, in welche das Kolbenelement (13) des Ventilglieds eingreift.

5. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (11) in Richtung der Schließstellung des Ventilgliedes (14) vorgespannt ist.

6. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Piezoaktor (4) zumindest ein Ausgleichselement (7, 8) zugeordnet ist, welches den Hub des Piezoaktors (4) auf einen Hebelarm (B) der Membran (11) überträgt.

7. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Luftspalt (S) zwischen Ausgleichselement (7, 8) und Membran (11) ausgebildet ist.

8. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmeleitmaterial (15) zwischen Piezoaktor (4) und Ausgleichselement (7, 8) angeordnet ist.

9. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichselement (7, 8) und der Piezoaktor (4) im wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.