DE19939523A1 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten - Google Patents

Abstract

Es wird ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten vorgeschlagen, welches einen Piezoaktor (5) und einen den Hub des Piezoaktors (5) übertragenen hydraulischen Übersetzer aufweist. Der hydraulische Übersetzer umfaßt einen Druckraum (7) und ein Kolbenelement (10) mit einer Übersetzungsfläche (12). Über den hydraulischen Übersetzer ist ein mit dem Kolbenelement (10) in Verbindung stehendes Ventilglied (18) betätigbar. Zudem ist zwischen dem hydraulischen Übersetzer und dem Ventilglied (18) ein mechanischer Übersetzer zwischengeschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssig­ keiten gemäß der Gattung des Patentanspruches 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 ver­ größerten Hub, da der Kolben des Piezoaktors eine größere Fläche als der Betätigungskolben des Ventilgliedes auf­ weist. Dabei liegen das Ventilglied, der Betätigungskolben des Ventilgliedes, der durch den Piezoaktor bewegte Kolben und der Piezoaktor auf einer gemeinsamen Achse hintereinan­ der.

Bei derartigen Ventilen besteht das Problem, daß ein höhe­ res Übersetzungsverhältnis, wie etwa 1 : 8 nur mit entspre­ chend hohen Fehlertoleranzen erreichbar ist, da äußere Ein­ flüsse, wie z. B. die Erwärmung im Motorraum oder auch Ver­ luste im Druckmedium sehr stark als Fehlerkomponente in das Übersetzungsverhältnis eingehen.

Um dieses Problem bei einem hohen Übersetzungsverhältnis zu vermeiden, werden seit geraumer Zeit geteilte hydraulische Übersetzer eingesetzt. Bei diesen geteilten Übersetzern sind zwei hydraulische Übersetzer in Reihe geschaltet, so daß sich deren Übersetzungsverhältnisse aufaddieren lassen. Hierdurch sind die Anforderungen an jeden einzelnen hydrau­ lischen Übersetzer niedriger einzustufen, so daß auch bei äußeren Einflüssen dennoch das vorgegebene Übersetzungsver­ hältnis, etwa 1 : 8 eingehalten wird. Andererseits hat sich bei diesen geteilten hydraulischen Übersetzern eine Schwin­ gungsempfindlichkeit herausgestellt, welche wiederum zu ei­ ner Ungenauigkeit führt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ventil mit den kennzeichnenden Merkma­ len des Patentanspruches 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die Kombination aus hydraulischem und mechanischem Übersetzer in einfacher Form das Schwingungsproblem löst, da der hydraulische Übersetzer nicht mehr geteilt werden muß. Gleichzeitig übernimmt der hydraulische Übersetzer den Temperaturausgleich zwischen Piezoaktor und Gehäuse, so daß bei reinen mechanischen Übersetzern übliche Nachteile bei Temperaturänderungen kompensiert werden. Somit kann durch das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten eine gleichmäßige Wiederholbarkeit der Einspritzungen erreicht werden, so daß exakt definierte Einspritzzeitpunkte und/oder Einspritzmen­ gen von Kraftstoff gewährleistbar sind. Ferner ist ein me­ chanischer Übersetzer einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar, so daß sich auch diesbezüglich Vorteile im Hinblick auf einen zweiten hydraulischen Übersetzer erge­ ben. Desweiteren treten bei dem mechanischen Übersetzer keine Probleme durch Schund von Hydraulikflüssigkeit auf, so daß der Wartungsaufwand in Bezug auf einen zweiten hy­ draulischen Übersetzer erheblich verringert ist.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsform kann gemäß Patentanspruch 2 der mechanische Übersetzer einen Hebel aufweisen, welcher den Hub des Kolbenelementes auf das Ventilglied überträgt. Hebel sind in einfacher Form und kostengünstig herstellbar und führen zu einer robusten Aus­ führungsform des Ventils.

Vorteilhaft ist entsprechend Patentanspruch 3 der Hebel auf einem Auflager gelagert, welcher den Hebel in zwei Hebel­ arme unterteilt. Hierdurch besteht in einfacher Form die Möglichkeit, das Übersetzungsverhältnis an die entspre­ chenden Vorgaben anzupassen. Gleichzeitig kann durch das Zusammenwirken von Hebel und Auflager eine präzise Über­ tragung des Hubes des Piezoaktors auf das Ventilglied er­ reicht werden. Hierbei hat sich ein Hebelarm-Längenver­ hältnis von 4 : 1 als besonders vorteilhaft herausgestellt.

Bevorzugt ist gemäß Patentanspruch 5 das Kolbenelement als Druckstange ausgebildet. Druckstangen sind im vorliegenden Fachgebiet übliche Bauteile, welche einfach und kostengün­ stig herstellbar sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Ventil zum Steuern von Flüssig­ keit bewirkt die Übersetzungsfläche der Druckstange und die zugeordnete Fläche des Piezoaktors ein Übersetzungsver­ hältnis von 2 : 1. Durch dieses niedrige Übersetzungsverhält­ nis des hydraulischen Übersetzers ist eine geringe Schwin­ gungsempfindlichkeit des hydraulischen Übersetzers sicher­ gestellt. Andererseits addiert sich dieses Übersetzungsver­ hältnis mit dem vorgegebenen Hebelarm-Längenverhältnis von 4 : 1 zu einem gesamten Übersetzungsverhältnis von 8 : 1, so daß das erwünschte Übersetzungsverhältnis ohne Schwin­ gungsprobleme erreicht wird.

Weiter kann bei dem erfindungsgemäßen Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten entsprechend Patentanspruch 7 zwischen Druckraum und Piezoaktor ein dem Piezoaktor zugeordneter Kolben angeordnet sein. Dieser Kolben überträgt einerseits die Längenausdehnung aus denen des Piezoaktors auf die Druckstange und bedingt andererseits, daß der Piezoaktor nicht mit der Hydraulikflüssigkeit in Kontakt tritt. Um diese Dichtigkeit zwischen Piezoaktor und Hydraulikflüs­ sigkeit weiter zu verbessern, ist entsprechend Patentan­ spruch 8 der Übergangsbereich zwischen Piezoaktor und zuge­ ordneten Kolben mit einem Dichtelement abgedichtet.

Zeichnung

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung dargestellt. Die Ausführungsbeispiele werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Kraftstoff­ einspritzventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines Kraft­ stoffeinspritzventils gemäß einem zweiten Ausführungsbei­ spiel der vorliegenden 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 wie­ dergegeben. Das Einspritzventil 1 besteht aus einer Pum­ peneinheit 2 und einer Steuereinheit 3. Die Steuereinheit 3 umfaßt einen in einem Gehäuse 4 angeordneten Piezoaktor 5. Der Piezoaktor 5 steht über einen Kolben 6 mit einem hydraulischen Druckraum 7 in Verbindung. Der Piezoaktor 5 ist hierbei durch eine Vorspannfeder 8 gegen das Gehäuse 4 vorgespannt und ein Dichtelement 9 ist am Übergangsbereich zwischen Kolben 6 und Piezoaktor 5 derart angeordnet, daß der Piezoaktor nicht dem Fluid im hydraulischen Druckraum 7 ausgesetzt wird.

In Fig. 1 schließt im 90° Winkel zum Kolben 6 an den Druck­ raum 7 eine Druckstange 10 mit einem Endbereich 11 an. Hierbei bilden die Druckstange 10 einschließlich Druckraum 7 und Kolben 6 den hydraulischen Übersetzer. Das Über­ setzungsverhältnis ergibt sich aus dem Verhältnis der Übersetzungsflächen 12 der Druckstange 10 sowie der Über­ setzungsfläche 13 des Kolbens 6. Anstelle des Flächenver­ hältnisses der beiden Flächen 12 und 13 können natürlich auch die jeweiligen Durchmesser d1 des Kolbens 6a als auch der Durchmesser d2 der Druckstange 10 herangezogen werden. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei ein Über­ setzungsverhältnis von 1 : 2 vom Kolben 6 auf die Druckstange 10 ergeben. Zudem müssen die Längserstreckungsebenen des Kolbens 6 als auch der Druckstange 10 nicht im rechten Win­ kel zueinander stehen, sondern können je nach Raumvorgabe auch miteinander fluchten oder andere Winkelformen einneh­ men.

Das in Fig. 1 untere Ende 14 der Druckstange 10 ist mit ei­ ner sphärischen Fläche eines Hebels 15 in Kontakt. Der He­ bel 15 liegt auf einem Auflager 16 des Gehäuses 4 auf und wird durch diese Lagerung in einen kurzen Hebelarm B und einen langen Hebelarm A unterteilt. Hierbei bildet der He­ bel 15 den mechanischen Übersetzer und die beiden Hebelarme A, B legen das Übersetzungsverhältnis fest. Als besonders bevorzugt hat sich ein Übertragungsverhältnis von 4 : 1 her­ auskristallisiert.

Das zweite Ende 17 des Hebels 15 ist durch eine Feder 18 gegen ein Steuerventil 18 vorgespannt und befindet sich im Ruhezustand des Piezoaktors 5 und der damit einhergehenden Ruhezustände des Kolbens 6, der Druckstange 10 und des He­ bels 15 in geöffneter Stellung.

An das Steuerventil 18 schließt sich in Fig. 1 in üblicher Weise ein weiterer Kolben 19 nebst zweier Federn 20 und 21 und Düse 22 an. Ferner sind noch eine Hochdruckbohrung 23 für die Leitung des Druckes zur Düse 22 vorgesehen, welcher in einem Steuerraum 24 durch einen Kolben 25 aufgebaut wird, der wiederum über einen nicht dargestellten Nocken angetrieben wird.

Wirkungsweise

Bei einer Ansteuerung des Piezoaktors 5 des erfindungsge­ mäßen Ventils 1 zum Steuern von Flüssigkeiten wird die Län­ genausdehnung des Piezoaktors 5 über den Kolben 6 mittels des hydraulischen Fluids im Druckraum 7 auf die Druckstange 10 etwa im Verhältnis 1 : 2 übertragen. Diese übersetzte Län­ genausdehnung wird anschließend von der Druckstange 10 auf das Ende 14 des Hebels 15 übertragen sowie vom zweiten Ende 17 des Hebels 15 wiederum an das Steuerventil 18 abgegeben.

Hierbei addieren sich die Übersetzungsverhältnisse des hy­ draulischen Übersetzers als auch des mechanischen Überset­ zers auf, d. h. bei den bevorzugten Werten von etwa 1 : 2 beim hydraulischen Übersetzer und von etwa 1 : 4 beim mechanischen Übersetzer auf ein Gesamtübersetzungsverhältnis von 1 : 8.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Piezoaktor 5 unterscheidet sich von demjenigen von Fig. 1 dadurch, daß nicht das in Fig. 1 linke Ende 17 des Hebels 15, sondern in Fig. 2 das rechte Ende 14 des Hebels 15 durch die Feder 18 in die Ruhelage vorgespannt ist. Zudem sind die Federn 20 und 21 räumlich getrennt voneinander angeordnet und die Kraftstoffleitung 23 läuft nicht direkt vom Druckraum 24 zur Düse, sondern erstreckt sich im An­ schluß an das Steuerventil 18 wiederum zur Düse. Trotz dieser konstruktiven Unterschiede ergibt sich jedoch auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 die gleiche Funk­ tionsweise und das gleiche Zusammenspiel zwischen hydrau­ lischem und mechanischem Übersetzer gemäß dem ersten Aus­ führungsbeispiel von Fig. 1.

Die vorliegende Erfindung kann selbstverständlich auch bei anders ausgestalteten Ventilen mit hydraulischem und mecha­ nischem 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 Modifika­ tionen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims (8)

1. Ventil (1) zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Piezoaktor (5) und mit einem den Hub des Piezoaktors (5) übertragenen hydraulischen Übersetzer, wobei der hydraulische Übersetzer einen Druckraum (7) und ein Kolbenelement (10) mit einer Übersetzungsfläche (12) aufweist sowie über den hydraulischen Übersetzer ein mit dem Kolbenelement (10) in Verbindung stehendes Ventilglied (18) betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen hydraulischem Übersetzer und Ventilglied (18) ein mechanischer Übersetzer zwischengeschaltet ist.

2. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Übersetzer ei­ nen Hebel (15) aufweist, welcher den Hub des Kolbenelemen­ tes (10) auf das Ventilglied (18) überträgt.

3. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Hebel (15) auf einem Auflager (16) gelagert ist, welches den Hebel (15) in zwei Hebelarme (A, B) unterteilt.

4. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebelarm (A, B) ein Hebel­ arm-Längenverhältnis von 4 : 1 aufweist.

5. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kolbenele­ ment (10) als Druckstange ausgebildet ist.

6. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übersetzungsfläche (12) der Druckstange (10) und die zugeordnete Fläche (13) des Piezo­ aktors (5) ein Übersetzungsverhältnis von 2 : 1 bewirken.

7. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der An­ sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Druckraum (7) und Piezoaktor (5) ein dem Piezoaktor (5) zugeordneter Kolben (6) mit Fläche (13) angeordnet ist.

8. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dichtelement (9) den Über­ gangsbereich zwischen Piezoaktor (5) und zugeordneten Kol­ ben (6) abdichtet.