DE2402085A1 - DEVICE FOR REGULATING MEDIUM FLOWS - Google Patents
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Description
"Vorrichtung zur Regelung von Mediums tr ömen" ."Device for controlling medium flows".
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung von Mediumströmen, wie Servoventile und Kraftstoff einspritzventil, welche Vorrichtung ein Gehäuse enthält, das mit einem oder mehreren Zuführungskanälen und mit einem oder mehreren Abführungskanälen versehen ist, in welchem Gehäuse ein Körper hin- und herbeweglich ist zum Regeln der Verbindung zwischen einem oder mehreren der Zuführungskanäle und einem oder mehreren der Abführungskanäle, wobei die Vorrichtung weiter Antriebsmittel, zum Hin- und Herbewegen des Körpers enthält.The invention relates to a device for regulating medium flows, such as servo valves and fuel injection valve, which device includes a housing with one or more supply channels and is provided with one or more discharge channels, in which housing a body is movable to and fro to regulate the connection between one or more of the supply channels and one or more of the discharge channels, the device further including drive means for reciprocating the body.
Vorrichtungen der obenstehend beschriebenenDevices of the type described above
Art sind bekannt. Zu der genannten Art gehören u.a. Servoventile zur Regelung von Mediumströmen in Servosystemen,Kind are known. Servovalves belong to the type mentioned for controlling medium flows in servo systems,
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wie diese beispielsweise bei numerischer Steuerung, in der "Prozessindustrie, Flugzeugindustrie und so weiter angewandt werden. Auch gehören dazu Kraftstoffeinspritzventil, die für die Kraftstoffeinspritzung in Verbrennungsmotoren verwendet werden.such as applied to numerical control, process industry, aircraft industry and so on will. Also includes fuel injector that used for fuel injection in internal combustion engines will.
Bei den bekannten Vorrichtungen sind dieIn the known devices are
Antriebsmittel zum Bewegen des Körpers meistens durch ein elektromagnetisches System gebildet.Drive means for moving the body mostly formed by an electromagnetic system.
Ein Nachteil eines derartigen elektromagnetischen Systems ist, dass solche Systeme ziemlich schwer ausgebildet sein müssen, damit entgegenwirkende Kräfte Hiberwunden werden können. Ein derartiges System weist dadurch eine sehr beschränkte Bandbreite auf, d.h. die Geschwindigkeit, mit der auf ein Steuersignal reagiert wird, ist sehr niedrig. Weiter gibt es keinen linearen Zusammenhang zwischen dem Steuersignal und der Verschiebung des Körpers über den ganzen Hub.A disadvantage of such an electromagnetic system is that such systems are quite heavy must be trained so that counteracting forces can overcome them can be. Such a system therefore has a very limited bandwidth, i.e. the speed with which it reacts to a control signal is very low. There is also no linear relationship between the control signal and the displacement of the body over the entire stroke.
Die Erfindung bezweckt nun, diese Nachteile auszuschalten und eine Vorrichtung der genannten Art zu schaffen mit einer einfachen Konstruktion, einem grossen Widerstand gegen Belastungsänderungen und mit einer grossen Bandbreite und Linearität, d.h. mit einem über den ganzen Weg gleichen linearen Zusammenhang zwischen dem Steuersignal und der Verschiebung des Körpers zu schaffen.The invention now aims to eliminate these disadvantages and to provide a device of the type mentioned create with a simple construction, a large resistance to load changes and with a large Bandwidth and linearity, i.e. with the same linear relationship between the control signal over the entire path and to create the displacement of the body.
Dazu weist die erfindungsgemässe Vorrichtung das Kennzeichen auf, dass die Antriebsmittel durch einen stabförmigen Körper gebildet sind, der aus einer AnzahlTo this end, the device according to the invention is characterized in that the drive means are driven by a Rod-shaped bodies are formed from a number
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gestapelter Lamellen aus piezoelektrischem Material aufgebaut i*st, welche Lamellen je an einer Seite einen elektrischen Leiter berühren, der eine Elektrode kontaktiert bzw. einen Teil derselben bildet, welche Elektrode an eine Seite einer Spannungsquelle angeschlossen werden kann, während die andere Seite jeder der Lamellen einen elektrischen Leiter berührt, der mit einer Elektrode kontaktiert ist bzw. einen Teil derselben bildet, welche Elektrode an die andere Seite einer Spannungsquelle angeschlossen werden kann, wobei der stabförmige Körper mit der einen Endfläche mit dem Gehäuse verbunden ist und mit der anderen Endfläche mit dem beweglichen Körper zusammenarbeitet.stacked lamellas made of piezoelectric material, which lamellae each have an electrical one on one side Touch conductor that contacts an electrode or forms part of it, which electrode to one side of a Voltage source can be connected while the other side of each of the slats is touching an electrical conductor, which is in contact with an electrode or forms part of it, which electrode is connected to the other side of a Voltage source can be connected, the rod-shaped Body is connected to the one end face with the housing and with the other end face with the movable Body works together.
Dadurch, dass an die Elektroden eine Spannung angelegt wird, wird jede der Lamellen eine Längenänderung erfahren. Die gesamte Längenänderung des Stabes ist die Summe der einzelnen Längenänderungen der Lamellen. Zu jeder Spannung gehört eine bestimmte Länge. Da sich der Stab zwischen dem Gehäuse und dem beweglichen Körper befindet, wird sich dieser Körper durch die Längenänderungen des Stabes verschieben. Zu jeder Spannung gehört also auch eine gewisse Lage des Körpers und folglich eine bestimmte Mediumströmung. Da piezoelektrisches Material praktisch unmittelbar auf Spannungsänderungen, ungeachtet der Grosse der auftretenden Belastung, reagiert, werden sehr schnelle Verschiebungen hin .' und her möglich sein, mit anderen Worten, die Vorrichtung hat eine sehr grosse Bandbreite, die bis zum Zwanzigfachen der Bandbreite der bekannten Servoventile betragen kann.By applying a voltage to the electrodes, each of the lamellas changes in length Experienced. The total change in length of the rod is the sum of the individual changes in length of the lamellas. For everyone Tension belongs to a certain length. Since the rod is located between the housing and the movable body, will This body shifts due to the changes in length of the rod. So there is also a certain tension associated with every tension Position of the body and consequently a certain medium flow. Since piezoelectric material is practically immediately on Changes in tension, regardless of the magnitude of the load that occurs, reacts to very rapid shifts . ' and be possible, in other words, the device has a very large bandwidth, up to twenty times as much the bandwidth of the known servo valves.
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Der Widerstand gegen Belastungsänderungen der Vorrichtung ist gross, was bedeutet, dass die Verschiebung des Körpers unter dem Einfluss darauf ausgeübter hydraulischer Kräfte sehr klein ist. Der Elastizitätsmodul des piezoelektrischen Materials beträgt et\ia ein Viertel von dem von Stahl, so dass eine Belastungsänderung an diesem Material eine Längenänderung herbeiführt, die nur das Vierfache von der bei einem stählernen Stab mit denselben Abmessungen beträgt.The resistance to changes in the load of the device is great, which means that the displacement of the body is very small under the influence of hydraulic forces exerted on it. The modulus of elasticity of the piezoelectric material is about a quarter of that of steel, so that a change in the load on this material leads to a change in length that is only four times as large of that for a steel bar with the same dimensions.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sindEmbodiments of the invention are
in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:shown in the drawings and are described in more detail below. Show it:
Fig. 1 ein Servoventil im Längsschnitt,1 shows a servo valve in longitudinal section,
Fig. 2a und 2b Ausführungsformen des Anschlusses der piezoelektrischen Lamellen an die beiden Elektroden,2a and 2b embodiments of the connection the piezoelectric lamellae to the two electrodes,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Kraftstoff einspritzventil .Fig. 3 is a longitudinal section through a fuel injection valve.
In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 einIn Fig. 1, the reference numeral 1 is a
Gehäuse angegeben, in das ein beweglicher Körper 2 aufgenommen ist.Housing indicated in which a movable body 2 is received.
Das Gehäuse 1- ist mit zwei Nuten 3 und 4The housing 1- is with two grooves 3 and 4
versehen, während im Körper 2 eine Nut 3 vorgesehen ist. Die Nut 3 kann über eine Flüssigkeitszufuhr 6 an eine Flüssigkeitsquelle mit hohem Druck angeschlossen werden« Die Nut k kann über eine Flüssigkeitsabfuhr 7 mit einem Flüssigkeitsbehälter mit niedrigerem Druck verbunden werden,provided, while a groove 3 is provided in the body 2. The groove 3 can be connected to a liquid source with high pressure via a liquid supply 6. The groove k can be connected to a liquid container with lower pressure via a liquid discharge 7,
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während die Nut 5 über einen Flüssigkeitsanschluss 8 mit 'einem Raum mit einem Druck zwischen den beiden genannten Drücken verbunden werden kann, welchem Raum, beispielsweise einem Zylinderraum in einem hydraulischen Motor, Flüssigkeit zu- bzw. abgeführt Airerden muss.while the groove 5 via a liquid connection 8 with 'a space can be connected to a pressure between the two mentioned pressures, which space, for example a cylinder space in a hydraulic motor, fluid has to be supplied or discharged.
Es sei bemerkt, dass statt durchlaufenderIt should be noted that instead of continuous
Nuten 3» ^ und 5 auch unterbrochene Nuten oder Aussparungen verwendbar sind. Statt Flüssigkeit ist auch Gas verwendbar.Grooves 3 »^ and 5 also interrupted grooves or recesses are usable. Instead of liquid, gas can also be used.
In der Wand des Gehäuses 1 ist weiter eineIn the wall of the housing 1 is also one
Stellschraube 10 vorgesehen, mit der das Ventil zunächst eingestellt werden kann und die einen Konstruktionsteil trägt, an dem ein stabförmiger Körper 12 befestigt ist. Dieser stabförmige Körper 12 besteht aus einer Anzahl Lammelen 13 aus piezoelektrischem Material. Das Ende Ik des Körpers 12 arbeitet mittels eines hydrostatischen Lagers 15 mit dem Körper 2 zusammen. Dem hydrostatischen Lager wird von der Zufuhr 6 über den Kanal 16, die Nut 17» den Kanal 18 und die Vordros.sel 19 Flüssigkeit zugeführt.Adjustment screw 10 is provided with which the valve can initially be adjusted and which carries a structural part to which a rod-shaped body 12 is attached. This rod-shaped body 12 consists of a number of lamellae 13 made of piezoelectric material. The end Ik of the body 12 cooperates with the body 2 by means of a hydrostatic bearing 15. The hydrostatic bearing 17 is "19 supplied liquid from the supply 6 via the channel 1 to 6, the groove channel 18 and the Vordros.sel.
Es sei bemerkt, dass statt einer LagerungIt should be noted that instead of a storage
zwischen der Stirnfläche 14 und dem Körper 2 gegebenenfalls die Stirnfläche 14 auch unmittelbar mit dem Körper 2 verbunden sein kann. ·between the end face 14 and the body 2, if necessary the end face 14 is also directly connected to the body 2 can be. ·
Die piezoelektrischen Lamellen 13 sind jeThe piezoelectric lamellae 13 are each
auf beiden Seiten mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen,-wobei die eine Schicht mit einer Elektrode 20 und die andere mit einer Elektrode 21 verbunden ist, welche Elektroden an eine Spanriungsquelle angeschlossen werdenProvided with an electrically conductive layer on both sides, one layer with an electrode 20 and the other is connected to an electrode 21, which electrodes are connected to a voltage source
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können. Bel dieser Ausbildung, die teilweise in Fig. 2a dargestellt ist, sind alle Lamellen in derselben Richtung polarisiert und zwischen den Lamellen befindet sich eine Isolierschicht 9·can. Bel this training, which is partially shown in Fig. 2a is shown, all of the louvers are polarized in the same direction and there is one between the louvers Insulating layer 9
■ Bei der in Fig. 2b dargestellten AusbildungIn the training shown in Fig. 2b
sind die Lamellen 13 wechselweise entgegengesetzt polarisiert, wobei dann die Elektroden 20 und 21 auch wechselweise mit zwei einander zugewandten Seiten zweier benachbarter Lamellen kontaktiert sind. Die Lamellen werden nun jedoch wieder alle gleichmässig dehnen bzw. schrumpfen und zwar abhängig von dem angelegten Spannungsunterschied. Ein Vorteil ist^, dass dabei keine Isolierschicht zwischen den Lamellen notwendig ist.the lamellae 13 are alternately polarized in opposite directions, in which case the electrodes 20 and 21 also alternately with two mutually facing sides of two adjacent lamellae are contacted. The lamellas will now all stretch or shrink evenly again, depending on the situation of the applied voltage difference. One advantage is ^, that no insulating layer is necessary between the slats.
Dadurch, dass die Spannung an die Elektroden angelegt wird, werden die Lamellen 13 eine Längenänderung erfahren. Der Stab 12 wird dabei eine Längenänderung aufweisen, die der Summe der einzelnen Längenänderungen der Lamellen 13 entspricht.The fact that the voltage is applied to the electrodes causes the lamellae 13 to change in length Experienced. The rod 12 will have a change in length that is the sum of the individual changes in length Lamella 13 corresponds.
Durch diese Längenänderung wird der Körper 2' verschoben, was bedeutet, dass die Toröffnungen zwischen den Nuten 3, 4 und 5 ihre Grosse ändern, wodurch mehr oder weniger Flüssigkeit aus der Zufuhr 6 zu den AbführungsÖffnungen 7 und 8 strömen kann.As a result of this change in length, the body 2 'is displaced, which means that the gate openings between the grooves 3, 4 and 5 change their size, as a result of which more or less liquid can flow from the supply 6 to the discharge openings 7 and 8.
Aus der Zufuhr 6 wird immer eine Flüssigkeitsmenge zum Lager 15 strömen. Von daraus kann die Flüssigke'it über den Raum 22 und die Lecköffnung 23 zu einem Vorratsbehälter zurückströmen.A quantity of liquid will always flow from the supply 6 to the bearing 15. From there the liquid can Flow back via the space 22 and the leak opening 23 to a storage container.
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Auf diese Weise ist ein Servoventil erhaltenIn this way a servo valve is obtained
worden mit einer gedrängten Konstruktion, einer sehr grossen Bandbreite und einem hohen Widerstand gegen Belastungsänderungen. with a compact construction, a very large bandwidth and a high resistance to load changes.
In einer praktischen Ausführungsform bestandIn a practical embodiment there was
der stabförmige Körper 12 aus -6O Lamellen. Die Dehnung des Stabes betrug 0,036 /um/V.the rod-shaped body 12 made of -6O lamellae. The elongation of the Bar was 0.036 / µm / V.
Die Durchschlagspannung war 1200 V.The breakdown voltage was 1200 V.
Mit Lagenrückkopplung des Schiebers betrug die Bandbreite minimal 1500 Hz.With position feedback from the slide, the bandwidth was a minimum of 1500 Hz.
Die Hysterese, d.h. der Unterschied zwischenThe hysteresis, i.e. the difference between
dem Hin- und Rücklauf des Körpers 2 war nicht messbar.the back and forth of the body 2 was not measurable.
Der Zusammenhang zwischen der Spannung undThe relationship between the tension and
der Verschiebung ist über die ganze Laufstrecke des Schie- . bers linear. Dabei ist an eine analoge Steuerung gedacht worden. Die Steuerung kann auch vom Impulsbreite-Modulationstyp sein. Es ist dann nicht notwendig, die Verschiebung zu messen.the shift is over the entire running distance of the slide. bers linear. An analog control is thought of been. The control can also be of the pulse width modulation type. It is then not necessary to make the shift measure up.
Die genannte bereits sehr grosse Bandbreite lässt sich noch vergrössern, wenn die Stirnfläche des stabförmigen Körpers 12 unmittelbar am Schieber 2 befestigt wird. Die Bandbreite kann uann um mehr als das Fünffache höher sein. Obsction in der Zeichnung ein Ventil dargestellt ist mit nur zwei Toren, also ein Ventil mit sogenannter Doppelsextensteuerung, kann dasselbe Bewegungsprinzip des Schiebers auch für Ventile mit Mehrsextensteuerung und auch für ein Ventil mit nur einem Tor .angewandt werden.The already very large bandwidth mentioned can be increased if the face of the rod-shaped body 12 attached directly to the slide 2 will. The bandwidth can be more than fivefold be higher. Obsction in the drawing a valve is shown with only two gates, so a valve with so-called Double extender control, the same movement principle of the slide can also be used for valves with multiple extender control and also can be used for a valve with only one gate.
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Das Kraftstoffeinspritzventil nach Fig. 3The fuel injection valve according to FIG. 3
enthält ein Gehäuse 30, in dem ein Körper 31 hin- und herbeweglich ist, in der dargestellten Situation in vertikalem Sinne, zusammen mit einer Membran 32, deren freies Ende am Gehäuse 30 befestigt ist.contains a housing 30 in which a body 31 is movable to and fro is, in the situation shown in the vertical sense, together with a membrane 32, the free end of the Housing 30 is attached.
Die Kraftstoffzufuhr 33 steht durch dieThe fuel supply 33 is through the
Bohrungen 35 in der Membran 32 mit dem Ringkanal 36 in offener Verbindung.Bores 35 in the membrane 32 with the annular channel 36 in open connection.
Der Körper 31 ist mit Radialbohrungen 37 versehen, die in einen zentralen Abführungskanal 38 münden.The body 31 has radial bores 37 which open into a central discharge channel 38.
Die Membran 32 liegt an der Unterseite desThe membrane 32 is located on the underside of the
Körpers 31 an. Die obere Seite des Körpers 3I ist mit dem stabförmigen Körper 39 verbunden, der wieder aus Lamellen aus piezoelektrischem Material 4o aufgebaut ist, wie dies obenstehend beschrieben wurde. Der stabförmige Körper 39 ist mit der oberen Seite am Gehäuse 30 befestigt.Body 31. The upper side of the body 3I is with the connected rod-shaped body 39, which is again made up of lamellae of piezoelectric material 4o, like this has been described above. The upper side of the rod-shaped body 39 is fastened to the housing 30.
Die Lamellen kO sind einerseits wieder mit einer durch die ¥and des Gehäuses 30 hindurchgeführten Elektrode 41 und andererseits mit einer ebenfalls durch die Gehäusewand geführten Elektrode hZ verbunden.The lamellae kO are on the one hand again connected to an electrode 41 passed through the and of the housing 30 and on the other hand to an electrode hZ also passed through the housing wall.
Die Verbindung zwischen dem Ringkanal 36 und den Radialbohrungen 37 bzw. dem Abführungskanal 38 istThe connection between the annular channel 36 and the radial bores 37 or the discharge channel 38 is
gesperrt, wenn die Membran 3^ am Sitz kk anliegt.locked when the membrane 3 ^ rests on the seat kk.
Beim Anschluss der Elektroden 41 und 42When connecting electrodes 41 and 42
an eine Spannungsquelle erfahren die Lamellen ho wieder eine Längenänderung. Der Stab 39 weist dann eine Längenänderung auf, die der Summe der jeweiligen Längenänderungenat a voltage source, the lamellas ho experience a change in length again. The rod 39 then has a change in length which is the sum of the respective changes in length
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der einzelnen Lamellen hO entspricht. Infolge der Längenänderung verschiebt sich der Körper 31· Bei einer Abwärtsbewegung schiebt der Körper 31 die Membran 32 vom Sitz kh weg und es kann Kraftstoff von der Zufuhr 33 über die Bohrungen 35» den Ringkanal 36 und am Sitz kk entlang zu den Radialbohrungen 37 strömen und von dort zum Abführungskanal 38. corresponds to the individual slats hO. As a result of the change in length, the body 31 shifts. During a downward movement, the body 31 pushes the membrane 32 away from the seat kh and fuel can flow from the supply 33 via the bores 35 »the annular channel 36 and along the seat kk to the radial bores 37 and from there to discharge duct 38.
Durch Änderung der Spannung der Spannungsquelle ändert sich der Durchgang zwischen dem Sitz 44 und der Membran 32. Die Membran 32 ist derart angeordnet, dass bei einer Spannung Null die Membran am Sitz hh anliegt,.- so dass das Kraftstoffventil dann geschlossen ist. Das Kraftstoff ventil weist eine sehr hohe Reaktionsgeschwindigkeit ' auf, d.h. es reagiert unmittelbar auf ein elektrisches Steuersignal. Bei einer sprunghaften Spannungsänderung hat die Membran 32 innerhalb 30 Mikrosekunden die gewünschte Lage erreicht.By changing the voltage of the voltage source, the passage between the seat 44 and the diaphragm 32 changes. The diaphragm 32 is arranged such that when the voltage is zero, the diaphragm rests against the seat hh , so that the fuel valve is then closed. The fuel valve has a very high reaction speed, ie it reacts directly to an electrical control signal. In the event of a sudden change in voltage, the membrane 32 has reached the desired position within 30 microseconds.
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