DE19946841A1 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten - Google Patents

Abstract

Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, mit einem in einer Bohrung (7) eines Ventilkörpers (6) axial verschiebbaren Ventilglied (2), das an einem Ende ein Ventilschließglied (8) aufweist, das mit einem an dem Ventilkörper (6) vorgesehenen Sitz (9, 10) zum Öffnen und Schließen des Ventils (1) zusammenwirkt, mit einer piezoelektrischen Einheit (3) zur Betätigung des Ventilglieds (2), sowie mit einem Toleranzausgleichselement (22) zum Ausgleich von Längungstoleranzen der piezoelektrischen Einheit (3). Die Auslenkung der piezoelektrischen Einheit (3) ist über ein Umlenkelement (20) auf das Ventilglied (2) übertragbar, wobei die piezoelektrische Einheit (3) in Bewegungsrichtung des Ventilglieds (2) mit ihrem Piezokopf (17) diesem zugewandt im wesentlichen innerhalb einer Längserstreckung des Umlenkelements (20) angeordnet ist und mit diesem über das Toleranzausgleichselement (22) verbunden ist. Letzteres ist parallel zu der piezoelektrischen Einheit (3) angeordnet und weist ein gleichartiges toleranzbedingtes Längenänderungsverhalten auf (Figur).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Aus der EP 0 477 400 A1 ist ein derartiges Ventil, welches über einen piezoelektrischen Aktor betätigbar ist, bereits bekannt. Dieses bekannte Ventil weist eine Anordnung für einen in Hubrichtung wirkenden adaptiven, mechanischen Toleranzausgleich für einen Wegtransformator des piezoelek­ trischen Aktors auf, bei der die Auslenkung des piezoelek­ trischen Aktors über eine Hydraulikkammer übertragen wird.

Die Hydraulikkammer, welche als eine sogenannte hydrauli­ sche Übersetzung arbeitet, schließt zwischen zwei sie begrenzenden Kolben, von denen ein Kolben mit einem kleineren Durchmesser ausgebildet ist und mit einem anzusteuernden Ventilglied verbunden ist und der andere Kolben mit einem größeren Durchmesser ausgebildet ist und mit dem piezoelektrischen Aktor verbunden ist, ein gemein­ sames Ausgleichsvolumen ein.

Die Hydraulikkammer ist derart zwischen den beiden Kolben eingespannt, daß der Betätigungskolben des Ventilgliedes, das in seiner Ruhelage mittels einer oder mehrerer Federn relativ zu einer vorgegebenen Position gehalten ist, einen um das Übersetzungsverhältnis des Kolbendurchmessers vergrößerten Hub macht, wenn der größere Kolben durch den piezoelektrischen Aktor um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird. Das Ventilglied, die Kolben und der piezoelektrische Aktor liegen dabei auf einer gemeinsamen Achse hintereinan­ der.

Über das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer können Toleranzen aufgrund von Temperaturgradienten im Bauteil oder unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien sowie eventuelle Setzeffekte ausgeglichen werden, ohne daß dadurch eine Änderung der Position des anzusteuernden Ventilgliedes auftritt.

Ein Ausgleich von Längenänderungen des piezoelektrischen Aktors, des Ventilgliedes oder des Ventilgehäuses durch die zwischen zwei Kolben angeordnete Hydraulikkammer erfordert jedoch eine aufwendige Konstruktion und ist hinsichtlich der auftretenden Leckageverluste und der Wiederbefüllung der Hydraulikkammer problematisch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil zur Steuerung von Flüssigkeiten mit einer piezoelektrischen Einheit zu schaffen, bei dem insbesondere ein Toleranzaus­ gleichselement zum Ausgleich von Längungstoleranzen der piezoelektrischen Einheit und/oder weiterer Ventilbauteile mit geringem Bauraumbedarf bei einem einfachen Aufbau realisiert ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ventil zur Steuerung von Flüssigkeiten mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, daß es mit einer hohen Eigenfrequenz arbeitet, da eine direkte Kraftübertragung über das Umlenkelement ohne eine Übersetzung, mit der die Eigenfrequenz quadra­ tisch abnimmt, vorgesehen ist.

Ein bedeutender Vorteil der Erfindung besteht des weiteren darin, daß das Ventil mit der erfindungsgemäßen Anordnung von piezoelektrischer Einheit, Umlenkelement und Toleranz­ ausgleichselement einen kompakten Aufbau aufweist.

Das Toleranzausgleichselement für insbesondere durch Temperaturänderungen bedingte Längungstoleranzen ist dabei erfindungsgemäß mit einfachen mechanischen Mitteln kosten­ günstig realisiert.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ventils zur Steuerung von Flüssigkeiten ist in der Zeichnung darge­ stellt und wird in der folgenden Beschreibung näher erläutert.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung bei einem Kraftstoffeinspritzventil für Brenn­ kraftmaschinen im Längsschnitt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils bei einem Kraftstoffeinspritzventil 1 für Brennkraftmaschi­ nen von Kraftfahrzeugen. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 ist dabei vorliegend als ein Common-Rail-Injektor zur Einspritzung von Dieselkraftstoff ausgebildet.

Zur Einstellung eines Einspritzbeginns, einer Einspritzdau­ er und einer Einspritzmenge über Kräfteverhältnisse in dem Kraftstoffeinspritzventil 1 wird ein Ventilglied 2 über eine piezoelektrische Einheit 3 mit einem piezoelektrischen Aktor 4 angesteuert, welcher auf einer brennraumabgewandten Seite des Ventilgliedes 2 in einer Piezokammer 5 angeordnet ist, die wiederum in einem Ventilkörper bzw. Ventilgehäuse 6 ausgebildet ist.

Das kolbenförmige Ventilglied 2 ist axial verschiebbar in einer als Längsbohrung ausgeführten Bohrung 7 des Ventil­ körpers 6 angeordnet und weist an seinem brennraumseitigen Ende einen ein Ventilschließglied bildenden Ventilkopf 8 auf. Das Ventilglied 2 ist vorliegend als 2/2-Ventil ausgebildet, wobei der Ventilkopf 8 mit einem an dem Ventilkörper 6 ausgebildeten ersten Sitz 9 und einem zweiten Sitz 10 zusammenwirkt. Dabei wird in abgehobenem Zustand des Ventilkopfes 8 eine Verbindung zu einem Federraum 11 mit einer eine Rückstellkraft auf den nach außen öffnenden Ventilkopf 8 ausübenden Federeinrichtung 12 hergestellt.

Selbstverständlich kann in einer alternativen Ausführung auch vorgesehen sein, daß das Ventilglied als 2/3-Ventil mit einer Mittelstellung arbeitet.

An den Federraum 11 schließt sich brennraumseitig eine Ablaufdrossel 13 an, die zu einem Ventilsteuerraum 14 führt, in welchen eine in der Figur nur symbolisch angedeu­ tete Einspritzleitung 15 mündet, die ihrerseits von einem für alle Kraftstoffeinspritzventile gemeinsamen Hochdruck­ speicherraum (Common-Rail) 16 abführt. Der Hochdruckspei­ cherraum 16 wird dabei in bekannter Weise von einer Kraftstoffhochdruckförderpumpe mit Kraftstoff hohen Druckes aus einem Vorratstank befüllt.

Der piezoelektrische Aktor 4 zur Betätigung des Ventil­ glieds 2 ist aus mehreren dünnen Schichten aufgebaut und weist auf seiner brennraumzugewandten Seite einen Piezokopf 17 sowie auf seiner brennraumabgewandten Seite einen Piezofuß mit einer elektrischen Kontaktierung 19 auf. Der Piezokopf 17 ist mit einem Umlenkelement 20, mittels dem eine Auslenkung des piezoelektrischen Aktors 4 auf das Ventilglied 2 übertragbar ist, verbunden, wobei die piezoelektrische Einheit 3 in Bewegungsrichtung des Ventilglieds 2 mit ihrem Piezokopf 17 diesem zugewandt innerhalb einer Längserstreckung des Umlenkelements 20 angeordnet ist. Das Umlenkelement 20 stellt dabei eine im wesentlichen geschlossene und einen Innenraum 21 begrenzen­ de Umlenkhülse dar.

Der piezoelektrische Aktor 4 ist mit der Umlenkhülse 21 über ein Toleranzausgleichselement 22 zum Ausgleich von Längungstoleranzen der piezoelektrischen Einheit 3 oder weiterer Ventilbauteile wie z. B. des Ventilglieds 2 oder des Ventilkörpers 6 verbunden. Das Toleranzausgleichsele­ ment 22 ist dabei parallel zu der piezoelektrischen Einheit 3 angeordnet, wobei es einerseits mit dem Piezokopf 17 und andererseits mit einem Auflager 23 an der Umlenkhülse 20 in einem an den Piezofuß 18 angrenzenden Bereich verbunden ist.

Wie der Figur zu entnehmen ist, ist das Toleranzaus­ gleichselement 22 ist mit zwei sich parallel zu der piezoelektrischen Einheit 3 erstreckenden Ausgleichsbolzen 24 ausgebildet, welche an dem auflagerartig über den Durchmesser des piezoelektrischen Aktors 4 überkragenden Piezokopf 17 befestigt sind.

Selbstverständlich kann in einer alternativen Ausführung auch vorgesehen sein, daß das Toleranzausgleichselement mit einer hiervon abweichenden Anzahl an Ausgleichsbolzen oder beispielsweise hülsenartig ausgebildet ist.

Das Toleranzausgleichselement 22 weist ein im Vergleich zu der piezoelektrischen Einheit 3 gleichartiges toleranzbe­ dingtes Längenänderungsverhalten auf, ohne eine auf die Stellung des Ventilglieds 2 einwirkende Bewegung des Umlenkelements 20 zu verursachen. Hierzu weist das Tole­ ranzausgleichselement 20 annähernd eine Länge und einen Temperaturausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Aktors 4 auf.

Da zum Temperaturausgleich eine gut leitende Wärmebrücke zwischen dem piezoelektrischen Aktor und dem Toleranzaus­ gleichselement 20 nötig ist, ist der diese umgebende Innenraum 21 des Umlenkelements 20 mit einem Wärmeleitmedi­ um 32 befüllt, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Dabei dient das Umlenkelement 20 gleichsam als Behälter für das Wärmeleitmedium 32.

In der vorliegenden Ausführung ist als Wärmeleitmedium eine Wärmeleitpaste aus Silikonöl gewählt, jedoch bieten sich hierfür auch andere Medien, insbesondere aus synthetischem Öl an.

Die piezoelektrische Einheit 3 ist gegenüber der das Ventilglied 2 aufnehmenden Bohrung 7 und darin befindlichem Kraftstoff abgedichtet, wozu ein Dichtelement 25 vorgesehen ist, das hier als eine Dichtplatte ausgebildet ist, welche in dem an dieser Stelle zweiteilig ausgeführten Ventilkör­ per 6 gelagert ist. Die Dichtplatte 25 weist zur Kontaktie­ rung des Umlenkelements 20 mit dem Ventilglied 2 jeweils mit einer Dichteinrichtung 26, welche ein O-Ring oder eine Membran ist, versehene Durchtrittsöffnungen 27 auf. Durch die Durchtrittsöffnungen 27 reichen an dem Umlenkelement 20 vorgesehene Durchtrittsbolzen 28 in die Bohrung 7 hinein.

Zur Kontaktierung mit den Durchtrittsbolzen 28 des Umlenk­ elements 20 ist das Ventilglied 2 mit einem Teller 29 ausgebildet, dessen Durchmesser im wesentlichen dem des Umlenkelements 20 entspricht.

Das Ventilglied 2 bzw. dessen Teller 29 ist im nicht aktivierten Zustand des piezoelektrischen Aktors 4 durch einen Lüftspalt 30 von dem Umlenkelement 20 getrennt ist. Dieser Luftspalt 30 ist derart dimensioniert, daß bei einem möglichen Temperaturausgleich Bewegungen des Umlenkelements von einigen wenigen Mikrometern ausgeglichen werden können.

Zwischen der Dichtplatte 25 und dem Piezokopf 17 ist eine Federeinrichtung 31 vorgespannt eingebaut, welche als Vorspannelement für den aus mehreren Schichten in "Multi­ layer"-Bauart aufgebauten piezoelektrischen Aktor 4 vorgesehen ist und verhindert, daß sich dessen Schichten bei einer Bestromung voneinander lösen.

Das Kraftstoffeinspritzventil 1 gemäß der Figur arbeitet in nachfolgend beschriebener Weise.

In geschlossenem Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 1, d. h. bei unbestromtem piezoelektrischen Aktor 4 und einem wird der Ventilkopf 8 des Ventilglieds 2 in Anlage an den ihm zugeordneten ersten Sitz 9 gehalten, so daß kein Kraftstoff aus dem mit dem Hochdruckspeicherraum 16 verbundenen Ventilsteuerraum 14 in den Bereich der Längs­ bohrung 7 gelangen kann. Der piezoelektrische Aktor 4 ist dabei durch die Federeinrichtung 31 zwischen dem Piezokopf 17 und dem Piezofuß 18 eingespannt, und das mit dem Piezokopf 17 über das Toleranzausgleichselement 20 verbun­ dene Umlenkelement 20 ist durch den Lüftspalt 30 auf Distanz zu dem Ventilglied 2 gehalten.

Im Falle einer langsamen Betätigung, wie sie bei einer temperaturbedingten Längenänderung des piezoelektrischen Aktors 4 auftritt, längen sich die Ausgleichsbolzen 24 des Toleranzausgleichelements 22 in gleicher Weise wie der piezoelektrische Aktor 4, so daß das Umlenkelement 20 nicht bewegt wird oder nur eine minimale Auslenkung erfährt, welche geringer ist als die Breite des Lüftspalts 30. In jedem Fall hat dies keine Auswirkung auf die Schließ- und Öffnungsstellung des Ventilglieds 2 und des Kraftstoffven­ tils 1 insgesamt.

Wenn eine Einspritzung durch das Kraftstoffeinspritzventil 1 erfolgen soll, wird der piezoelektrische Aktor 4 be­ stromt, wodurch dieser seine axiale Ausdehnung schlagartig vergrößert. Bei einer derartigen schnellen Betätigung des piezoelektrischen Aktors 4 wird das mit dem Piezokopf 17 verbundene Umlenkelement 20 ebenso stark in Richtung des Ventilgliedes 2 verschoben, so daß das Umlenkelement 20 auf den Teller 29 des Ventilgliedes 2 auftrifft und das Ventilglied 2 von seinem ersten Sitz 9 abhebt und in eine geöffnete Stellung an dessen zweitem Sitz 10 bringt. Somit kann aus dem Ventilsteuerraum 14 Kraftstoff in die Längs­ bohrung 7 des Ventilkörpers 6 eintreten, wobei der einge­ tretene Kraftstoff durch eine Leckageablaufleitung 34 wieder entweichen kann.

Die Öffnung des Ventilglieds 2 hat in dem kraftausgeglichen ausgestalteten Kraftstoffeinspritzventil 1 zur Folge, daß ein Ventilsteuerkolben 33 in dem Ventilsteuerraum 14 nach oben bewegt wird und Kraftstoff durch eine nun freigebende Einspritzdüse in den nicht weiter dargestellten Brennraum eingespritzt wird.

Bei Deaktivierung des piezoelektrischen Aktors 4 schrumpft dessen Länge wieder auf seine Ausgangslänge zurück, und das Ventilglied 2 wird durch die Rückstellkraft der Federein­ richtung 12 an den ersten Sitz 9 an dem Ventilkörper 6 gedrückt.

Claims (13)

1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, mit einem in einer Bohrung (7) eines Ventilkörpers (6) axial verschiebbaren Ventilglied (2), das an einem Ende ein Ventilschließ­ glied (8) aufweist, das mit einem an dem Ventilkörper (6) vorgesehenen Sitz (9, 10) zum Öffnen und Schließen des Ventils (1) zusammenwirkt, mit einer piezoelektri­ schen Einheit (3) zur Betätigung des Ventilglieds (2), sowie mit einem Toleranzausgleichselement (22) zum Aus­ gleich von Längungstoleranzen der piezoelektrischen Einheit (3) und/oder weiterer Ventilbauteile (6), da­ durch gekennzeichnet, daß die Auslenkung der piezoelek­ trischen Einheit (3) über ein Umlenkelement (20) auf das Ventilglied (2) übertragbar ist, wobei die piezoelektri­ sche Einheit (3) in Bewegungsrichtung des Ventilglieds (2) mit ihrem Piezokopf (17) diesem zugewandt im wesent­ lichen innerhalb einer Längserstreckung des Umlenkele­ ments (20) angeordnet ist und mit diesem über das Tole­ ranzausgleichselement (22) verbunden ist, welches paral­ lel zu der piezoelektrischen Einheit (3) angeordnet ist und ein hierzu gleichartiges toleranzbedingtes Längenän­ derungsverhalten ohne eine auf die Stellung des Ventil­ glieds (2) einwirkende Bewegung des Umlenkelements (20) aufweist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Toleranzausgleichselement (20) wenigstens annähernd eine Länge und einen Temperaturausdehnungskoeffizienten der wenigstens einen piezoelektrischen Aktor (4) umfassenden piezoelektrischen Einheit (3) aufweist.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Toleranzausgleichselement (22) einerseits mit dem Piezokopf (17) und andererseits mit einem Auflager (23) an dem Umlenkelement (20) in einem an einen Piezo­ fuß (18) angrenzenden Bereich verbunden ist.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die piezoelektrische Einheit (3) und das Toleranzausgleichselement (22) umgebende Bereich (21) mit einem eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Wärmeleitmedium (32) befüllt ist.

5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitmedium (32) eine Wärmeleitpaste, insbesondere aus synthetischem Öl, darstellt.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Toleranzausgleichselement (22) mit sich parallel zu der piezoelektrischen Einheit (3) erstreckenden Ausgleichsbolzen (24) ausgebildet ist, welche einerseits an dem auflagerartig über den Durch­ messer der piezoelektrischen Einheit (3) überkragenden Piezokopf (17) befestigt sind.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkelement (20) als eine wenigstens teilweise geschlossene und einen Innenraum (21) begrenzende Umlenkhülse ausgebildet ist.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Einheit (3) gegenüber der das Ventilglied (2) aufnehmenden Bohrung (7) abgedichtet ist.

9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Einheit (3) gegenüber der das Ventil­ glied (2) aufnehmenden Bohrung (7) mittels einem Dicht­ element (25) abgedichtet ist, welches zur Kontaktierung des Umlenkelements (20) mit dem Ventilglied (2) wenig­ stens eine abgedichtete Durchtrittsöffnung (27) auf­ weist.

10. Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkelement (20) durch das als Dichtplatte ausgebilde­ te Dichtelement (25) in die das Ventilglied (2) aufneh­ mende Bohrung (7) reicht, wobei das Umlenkelement (20) im Bereich der wenigstens einen Durchtrittsöffnung (27) durch die Dichtplatte (25) Durchtrittsbolzen (28) auf­ weist.

11. Ventil nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Vorspannelement für die piezoelektrische Einheit (3) eine an dem Dichtelement (25) abgestützte Federein­ richtung (31) vorgesehen ist.

12. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (2) zur Kontaktie­ rung mit dem Umlenkelement (20) mit einem Teller (29) ausgebildet ist, dessen Durchmesser im wesentlichen dem des Umlenkelements (20) entspricht.

13. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Bestandteil eines Kraftstoff­ einspritzventils für Brennkraftmaschinen, insbesondere eines Common-Rail-Injektors (1).