DE2931874A1

DE2931874A1 - Elektrisch betaetigbares ventil

Info

Publication number: DE2931874A1
Application number: DE19792931874
Authority: DE
Inventors: Gottlieb Dr Ing Wilmers
Original assignee: Audi NSU Auto Union AG; Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1979-08-06
Filing date: 1979-08-06
Publication date: 1981-02-12
Also published as: FR2463347A1; SU1132798A3; IT1212442B; GB2056559B; IT8023641A0; DE2931874C2; NL8004230A; JPS5624269A; US4437644A; GB2056559A

Description

Elektrisch bet a tiirbare s Ventil

Die EriMiidung betrifft ein elektrisch betätigbares Ventil, insbesondere für Kraf t st of f -Einspritzarilagen für Brennkraftmaschinen .

Aiif vielen GeMeten der Technik besteht die Aufgabe, sehr kleine, aber variable Flüssigkeitsmengen zuzumessen. Hierfüi" werden im allgemeinen elektromagnetisch betätigte Ventile verwendet, deren Offnungsquerschiiitt konstant ist und bei denen die Durchtrittsnienge durch die Offnungsdauer bestimmt ist. Bei Kraftstoff-Einspritzanlagen für Breunkraftmaschinen beispielsweise werden dertirtige Ventile in der Kraftstoff-Zuleitung zu den Einspritzdüsen angeordnet oder selbst als Einspritzventile ausgebildet. Elektromagnetische Ventile sind jedoch verhältnismäßig träge, so daß sie den Befehlen eines die Einspritzmenge in Abhängigkeit von Motor- und Umweltparametern bestimmenden elektronischen Steuergeräten nur mit Verzögerung folgen können. Insbesondere bei stark wechselnden Lastzuständen, wie sie beispielsweise bei Kraftfahrzeugen auftreten, ist ein optimaler Betrieb der Brennkraftmaschine nicht gewährleistet.

Ventile mit wesentlich kürzeren Schaltzeiten und entsprechend geringer Trägheit lassen sich mit Hilfe von piezokeramischen oder magnetostriktiven Einrichtungen herstellen, die mit dem Ventilkörper verbunden sind und sich beim Stromdurchfluß fast verzögerungsfrei verkürzen und dadurch ein ebenfalls fast verzögerungsfreies Abheben des Ventilkörpers von seinem Sitz bewirken. Die Schaltzeit derartiger Ventile beträgt etwa 0,05 bis 0,1 ms im Gegensatz zu elektromagnetisch betätigten Ventilen, bei denen die Schaltzeit mindestens 1 ms beträgt. Der praktische Einsatz derartiger Ventile mit magnetostriktiven oder piezokeramischen Einrichtungen scheiterte bisher daran,

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daß bei diesen Ventilen der Ventilhub bei praktisch vertretbaren Abmessungen nur etwa 20 t/ra beträgt. Dies bedeutet, daß Tcmperaturschwankungen, Verschleiß und Fertigungstoleranzen den effektiven Ventilhub und damit die Durchströmmenge nachhaltig beeinflussen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei derartigen elektromechanischen Ventilen den Einfluß von Temperaturschwankungen, Verschleiß und Fertigungstoleranzen auf den Veiitilhub weitgehend auszuschalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ventilkörper über die magnetostriktive oder piezokeramische Einrichtung mit einem in Schließrichtung des Ventilkörpers federbelasteten Dämpf ei" verbunden ist, der so beschaffen ist, daß er bei kurzzeitigen Längenänderungen der Einrichtung aufgrund des Stromdurchflusses als stationäres Widerlager für das vom Ventilkörper abgewandte Ende der Einrichtung dient.

Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag wird erreicht, daß der Ventilkörper unabhängig von irgendwelchen Temperaturschwankungen, Fertigungstoleranzen oder vom Verschleiß zwischen Ventilkörper und Ventilsitz durch die Feder über den Dämpfer auf den Ventilsitz gedrückt wird. Wird nun die Einrichtung von Strom durchflossen, so wirkt der Dämpfer aufgrund seiner Trägheit während der überaus kurzen Schaltzeit als stationäres Widerlager, so daß der konstruktiv vorgesehene Ventilhub stets in voller Größe erreicht wird.

Ventile mit einem Ventilkörper, der durch eine Feder auf seinen Sitz gedrückt wird, sind selbstverständlich bekannt. Ohne den erfindungsgemäßen Dämpfer würde jedoch der Ventilkörper nicht von seinem Sitz abgehoben, wenn die Einrichtung von Strom durchflossen und damit verkürzt wird, sondern es würde durch die Verkürzung lediglich eine geringfügige Ver-

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ringerung der Vorspannung der Feder erfolgen.

Der Dämpfer kann eine solche Masse aufweisen, daß er aufgrund seiner Massenträgheit unter dem Einfluß der Feder nur langsamen Längenänderungen der Einrichtung folgen kann, wie sie durch Verschleiß oder durch Temperaturschwankungen auftreten. Bei schnellen Längenänderungen, wie sie beim Stromdurchfluß auftreten, bleibt der Dämpfer in Ruhe. Vorteilhaft ist es, den Dämpfer mit einer hydraulischen Dämpfungseinrichtung zu koppeln, wobei ein hydraulischer Dämpferkolben vorgesehen ist, der in einer im Gehäuse vorgesehenen, mit Flüssigkeit gefüllten Dämpferkammer angeordnet ist. Um eine einfache Abdichtung der Dämpferkammer gegenüber dem Raum zu erreichen, in welchem, die Einrichtung und der Ventilkörper angeordnet sind, kann der Dämpferkolben über eine Kolbenstange mit der Einrichtung verbunden werden, wobei die Kolbenstange gegenüber dem Gehäuse durch eine Scheibe abgedichtet, die einerseits mit Gleitsitz auf der Kolbenstange sitzt und andererseits federnd auf einer senkrecht zur Bewegungsrichtung liegenden Fläche am Gehäuse aufliegt. Durch diesen Vorschlag werden Doppelzentrxerungen vermieden.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele der Erfindung im Prinzip dargestellt sind. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Einspritzventiles,

Fig. 2 eine Abwandlung der Ausführung von Fig. 1, und

Fig. 3 einen Teillängsschnitt ähnlich Fig. 1, jedoch mit einem anders ausgebildeten magnetostriktiven Element.

Es sei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, in der mit 1 ein Ventilgehäuse bezeichnet ist, das einen Ventilkörper 2 auf-

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nimmt, der mit einem Ventilsitz 3 zusammenwirkt. Der Ventilsitz 3 ist in einem Einsatz k angeordnet, der in ein Gewinde 5 am unteren Ende des Gehäuses 1 eingeschraubt ist. Der Ventilkörper 2 ist längsverschieblich in einer Bohrung 6 in dem Einsatz k gelagert und am unteren Ende eines magnetostriktiven Stabes 7 angebracht, der sich durch einen Hohlraum 8 im Gehäuse 1 in der Zeichnung nach oben erstreckt. Der Stab 7 ist mit seinem oberen Ende an der Kolbenstange 9 eines Dämpferkolbens 10 befestigt, der in einer Dämpferkammer 11 im Gehäuse 1 längsverschieblich angeordnet ist. Der Stab 7 ist von einer elektrischen Spule 12 umgeben, deren unteres Ende mit dem Gehäuse 1 in elektrisch leitender Verbindung steht, während ihr oberes Ende über einen Kontaktteller 13 mit einem elektrischen Anschluß lh verbunden ist. Auf den Dämpferkolben 10 wirkt eine Tellerfeder 15, die sich an einem in das Gehäuse 1 eingeschraubten Deckel 16 abstützt und bestrebt ist, den Ventilkörper 2 auf den Ventilsitz 3 zu drücken. Im Gehäuse 1 ist ein Kraftstoff-Zuflußkanal 17 vorgesehen, der eine Abzweigung l8 zur Dämpferkammer 11 aufweist und über einen Querkanal 19 mit dem Hohlraum 8 in Verbindung steht. Dieser Hohlraum 8 ist über eine Bohrung 20 mit einem Raum 21 im Einsatz h stromaufwärts des Ventilsitzes 3 verbunden. Der Einsatz 4 weist einen oder mehrere Düsenlöcher 22 auf. Zur Abdichtung der Dämpferkammer 11 gegenüber dem Hohlraum 8 ist eine Scheibe vorgesehen, die mit seitlichem Spiel in einer Verlängerung der Dämpferkammer 11 und mit Gleitsitz auf der Kolbenstange sitzt. Diese Scheibe 23 wird durch eine Feder 26, die sich am Dämpferkolben 10 abstützt, gegen eine Ringschulter 27 des Gehäuses 1 angedrückt.

Wie erwähnt, wird dex- Ventilkörper 2 durch die Feder 15 auf seinen Sitz 3 gedrückt. Wird die Spule 12 vom Strom durchflossen, so findet eine schlagartige, kurzzeitige Verkürzung des Stabes 7 statt. Dabei wirkt der Dämpferkolben 10 als stationäres Widerlager für den Stab 7, da er aufgrund seiner Masse sowie der in der Dampferkanimer 10 enthaltenen Flüssigkeit von der Feder 15 nicht in der Zeichnung nach unten ce-

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drückt wird, sondern in Ruhe bleibt. Demzufolge wird der Yentilkörper 2 von seinem Sitz 3 aufgehoben und der Kraftstoff kann durch die Düsenlöcher 22 austreten. Die sehr kurzzeitigen Impulse von weniger als 1 ms zur Erregung der Spule 12 werden von einem bekannten, nicht dargestellten Steuergerät in Abhängigkeit von Motor- und Umweltparametern erzeugt. Der Hub ties Ventilkörpers 2 kann durch einen mechanischen Anschlag 28 oder durch die Länge des elektrischen Sigmils begrenzt werden. Wenn die Spule 12 entregt ist, drückt die Feder 15 den Ventilkörper 2 wieder auf seinen Sitz 3· Die Verkürzung des Stabes 7 beim Stromdurchfluß durch die Spule 12 ist sehr gering und beträgt nur etwa 20 um. Dadurch, daß einerseits der Ventilkörper 2 durch die Feder 15 im Ruhezustand unabhängig von unterschiedlichen Wärmedehnungen des Gehäuses 1 und der aus dem Ventilkörper 2. den Stab ~ und den Dämpferkolben 10 bestehenden Einheit stets auf seinen Ventilsitz 3 gedrückt wird, und andererseits bei Erregung der Spule 12 der Dämpferkolben 10 als festes Widerlager für den Stab 7 dient, steht der erwähnte sehr kleine Ventilhub stets in vollem Umfangs unabhängig von Temperatureinflüssen, Fertxgungstoleranzen oder Verschleiß zwischen Ventilkörper und Ventilsitz zur Verfügung. Dadurch ist eine exakte und reproduzierbare Einspritzmenge g e wä hrleistet.

Die Abdichtung der Dämpferkammer 11 mit Hilfe der Scheibe 23 vermeidet Doppelzentrierungen, da diese Scheibe 23, wie vorher erwähnt, mit radialem Spiel in der Verlängerung 25 der Dämpferkammer 11 angeordnet ist. Diese Scheibe 23 wirkt außerdem beim Füllen des Dämpfungssystems als Rückschlagventil .

Während beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 der Ventilkörper 2 fest mit dem Stab 7 verbunden ist, ist bei der Abwandlung gemäß Fig. 2 der Ventilkörper 2' nur in seiner

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Schließrichtung formschlüssig, nämlich durch Anlage seiner Stirnfläche 30 am unteren Ende 31 des Stabes 7', mit diesem verbunden. Kenn die Spule 12' von Strom durchflossen wird und sich in der vorher beschriebenen Weise verkürzt, so kann der Ventilkörper 2' durch den auf die Flächen 2a wirkenden Druck des in der Kammer 21' enthaltenen Kraftstoffes von seinem Ventilsitz 3' abgehoben werden, so daß die Einspritzung in der vorher beschriebenen Weise durchgeführt werden kann. Bei dieser Anordnung ist der Hohlraum 8' im Geliäuse 1 ' nicht von unter Druck stehendem Kraftstoff durchflossen, sondern er nimmt nur die aus der Dämpferkamnier abströmende Leckflüssigkeit auf. Zu diesem Zweck ist in diesem Fall an den Hohlraum 8' ein Rücklauf angeschlossen. Der Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, daß keine Zugverbindungen zwischen dem Ventilkörper 2' und dem Dämpferkolben vorgesehen werden muß. Vielmehr wird hierbei, wie erwähnt, der Ventilkörper 2', nachdem er von dem Stab 7' freigegeben wurde, durch den Kraftstoffdruck in der Kammer 21 von seinem Ventilsitz 3' weggedrückt.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 1 und 2 im wesentlichen nur dadurch, daß das Verbindungselement zwischen dem Ventilkörper 2" und dem Dämpferkolben 10" nicht von einem magnetostriktiven Stab gebildet ist, sondern von einem magnetostriktiven Element 7"i das aus einem mit der Kolbenstange 9" verbundenen Halter 32 besteht, der die Spule 12" aufnimmt und der eine Bimetallscheibe 33 hält, die aus einem magnetostriktiven Blech 3^± und einem damit fest verbundenen Blech 35 aus neutralem Werkstoff besteht. Das in der Zeichnung obere Ende des Ventilkörpers 2" ist mittels eines Kopfes 36 und einer Schulter 37 mit dieser Bimetallscheibe 33 verbunden. Beim Stromdurchfluß durch die Spule 12" erfolgt aufgrund der radialen Verkürzung des Bleches 3k eine Verwölbung bzw. Durchbiegung der Scheibe 33 in der Zeichnung nach oben, wodurch der Ventilkörper 2" von seinem Ventilsitz 3" abge-

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hoben wird. Im Ruhezustand wird der Ventilkörper 2" in der vorher beschriebenen Weise durch die Tellerfeder 15" über den Dämpferkolben 10", die Kolbenstange 9", den Halter 32 und die Bimetallscheibe 33 auf seinen Ventilsitz 3" gedrückt .

Anstelle des magnetostriktiven Stabes 7 bzw. 7' in Fig. 1 und 2 kann auch eine aus piezokeramischen Plättchen bestehende Säule verwendet werden, wie sie z. B. in der US-PS 3 055 631 beschrieben ist.

2. August 1979
N/EXP, Sp/tk

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Leerseite

Claims

160/79

AUDI NSU AUTO UXION AKTIENGESELLSCHAFT, Neckarsulm/Württ.

Elektrisch betäticbares Ventil

Pat entansprüche

/l.J Elektrisch betätigbares Ventil, insbesondere für Kraftstoff-Einspritzanlagen für Brennkraftmaschinen, mit einem Gehäuse, das einen Ventilsitz aufweist und in den ein

Ventilkörper verschiebbar ist, der durch eine bei Stromdurchfluß erfolgende Längenänderung einer magnetostriktiven oder piezokeramischen Einrichtung vom Ventilsitz abgehoben werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (2) über die magnetostriktive oder piezokeramische Einrichtung (7) mit einem in Schließrichtung des Ventilkörpers federbelasteten Dämpfer (10) verbunden ist, der so beschaffen ist, der er bei den aufgrund des Stroiiidurchflusses erfolgenden kurzzeitigen Längenänderungen der Einrichtung (7) als stationäres Widerlager für das vom Ventilkörper (2) abgewandte Ende der Einrichtung (7) dient.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfer (10) eine solche Masse aufweist, daß er aufgrund seiner Massenträgheit nur langsamen Längenänderungen der Einrichtung (7) folgen kann.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfer einen hydraulischen Dämpferkolben (10) aufweist, der in einer Im Gehäuse (1) vorgesehenen, mit Flüssigkeit gefüllten Dämpferkammer (11) angeordnet ist.

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4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpferkolben (10) über eine Kolbenstange (9) mit der Einrichtung (7) verbunden ist und daß die Kolbenstange (9) gegenüber dem Gehäuse (l) durch eine Scheibe (23) abgedichtet ist, die einerseits mit Gleitsitz auf der Kolbenstange sitzt und andererseits federnd auf einer senkrecht zur Bewegungsrichtung liegenden Fläche (27) am Gehäuse (l) aufliegt.

5· Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (2') nur in seiner Schließrichtung formschlüssig mit der Einrichtung (7¹) verbunden ist und von dem Arbeitsmedium in Offnungsrichtung beaufschlagbare Flächen (2a) aufweist.

6. Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetostriktive Element (7") eine Bimetallscheibe (33) ist, die aus einem magnetostriktiven Blech (3^1) und einem damit fest verbundenen Blech (35) aus neutralem Werkstoff besteht.

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