DE2931874C2

DE2931874C2 - Elektrisch betätigbares Ventil

Info

Publication number: DE2931874C2
Application number: DE2931874A
Authority: DE
Inventors: Gottlieb Dr.-Ing. 7106 Neuenstadt Wilmers
Original assignee: Audi NSU Auto Union AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1979-08-06
Filing date: 1979-08-06
Publication date: 1983-08-04
Also published as: FR2463347A1; GB2056559B; US4437644A; NL8004230A; IT1212442B; IT8023641A0; GB2056559A; SU1132798A3; DE2931874A1; JPS5624269A

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch betätigbares Ventil, insbesondere für Kraftstoff-Einspritzanlagen von Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiges Ventil ist durch die DE-OS 24 02 085 bekanntgeworden. Dabei ist die stabförmige piezokeramische Einrichtung mit der einen Endfläche mit dem Gehäuse verbunden, während -eine andere Endfläche mit dem Verschlußstück zusammenarbeitet. Wird die Einrichtung von Strom durchflossen, so verlängert sie sich und hebt dabei das Verschlußstück vom Ventilsitz ab.

Solche Ventile haben gegenüber elektromagnetisch betätigten Ventilen wesentlich kürzere Schaltzeiten und eine entsprechend geringere Trägheit, da sich die piezokeramische oder magnetostriktive Einrichtung beim Stromdurchfluß fast verzegerungsfrei in ihrer Länge verändert und dadurch ein ebenfalls fast verzögerungsfreies A\bheben des Verschlußstücks vom Ventilsitz bewirkt. Die Schaltzeit derartiger Ventile beträgt etwa 0,05 bis 0,1 ms gegenüber einer Schaltzeit von mindestens I ms bei elektromagnetisch betätigten Ventilen. Der praktische Einsatz derartiger Ventile mit magnetostriktiven oder piezokeramischen Einrichtungen scheiterte bisher daran, daß bei diesen Ventilen der Ventilhub bei praktisch vertretbaren Abmessungen nur etwa 20itm beträgt. Dies bedeutet, daß Temperaturschwankungen, Verschleiß und Fertigungstoleranzen den effektiven Ventilhub und damit die Durchströmmenge nachhaltig beeinflussen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei derartigen elektrisch betätigbaren Ventilen den Einfluß von Tcmperatiirschwankungen, Verschleiß und Fertiijiingsioleranzcn auf den Ventilhub weitgehend auszuschalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruches 1 gelöst

Bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag ist die piezokeramische oder magnetostriktive Einrichtung gewissermaßen schwimmend gelagert, also nicht wie bei dem bekannten Ventil zwischen Gehäuse und Verschlußstück eingespannt, so daß unterschiedliche Wärmedehnungen des Gehäuses und der Einrichtung sowie Verschleiß an den Ventilflächen den effektiven Ventilhub nicht beeinflussen können. Wird die Einrichtung von Strom durchflossen, so wirkt das Widerlager aufgrund seiner Trägheit während der überaus kurzen Schaltzeit als stationäres Widerlager, so daß der konstruktiv vorgesehene Ventiihub stets in voller Größe erreicht wird. Ohne das erfindungsgemäße Widerlager könnte sich die Einrichtung beim Stromdurchfluß in jeder Längsrichtung ausdehnen oder zusammenziehen, wäre also nicht gezwungen, das Verschlußstück von seinem Sitz abzuheben.

Das Widerlager kann eine solche Masse aufweisen, daß es aufgrund seiner Massenträgheit nur iangsamen Längenänderungen der Einrichtung folgen kann, wie sie durch Verschleiß oder durch Temperaturschwankungen auftreten. Bei schnellen Längenänderungen, wie sie beim Stromdurchfluß auftreten, bleibt das Widerlager in Ruhe. Vorteilhaft ist es, das Widerlager mit einer hydraulischen Dämpfungseinrichtung zu koppeln, wobei das Widerlager einen hydraulischen Dämpferkolben bildet, der in einer im Gehäuse vorgesehenen, mit Flüssigkeit gefüllten Dämpferkammer angeordnet ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Einspritzventiles mit einer magnetostriktiven Einrichtung,

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

Fig.3 einen Teillängsschnitt ähnlich Fig. 1, jedoch mit einer anders ausgebildeten r.:agnetostriktiven Einrichtung.

In Fig. 1 ist mit I ein Ventilgehäuse bezeichnet, das einen Ventilsitz 3 aufweist, mit dem ein Verschlußstück 2 zusammenwirkt. Der Ventilsitz3 ist in einem Einsatz 4 angeordnet, der in ein Gewinde 5 am unteren Ende des Gehäuses 1 eingeschraubt ist. Das Verschlußstück 2 ist Idngsverschieblich in einer Bohrung 6 in dem Einsatz 4 gelagert und am unteren Ende eines magnetostriktiven Stabes 7 angebrach!, der sich durch einen Hohlraum 8 im Gehäuse 1 in der Zeichnung nach oben erstreckt. Der Slab 7 ist mit seinem oberen Ende an der Kolbenstange 9 eines als bewegliches und bedampftes Widerlager dienenden 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 14 verbunden ist. Auf den Dämpferkolben 10 wirkt eine Tellerfeder 15. die sich an einem in das Gehäuse 1 eingeschraubten Deckel !6 abstützt und bestrebt ist, das Verschlußstück 2 auf den Ventilsitz 3 zu drücken. Im Gehäuse 1 ist ein Kraftstoff-Zuflußkanal 17 vorgesehen, der eine Abzweigung 18 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 4 stromaufwärts des Ventilsitzes 3 verbunden. Der Einsät/ 4 weist einen oder

mehrere Dusenlocher 22 auf. Zur Abdichtung der Dämpferkammer 11 gegenüber dem Hohlraum 8 ist eine Scheibe 23 vorgesehen, die mit seitlichem Spiel in einer Verlängerung 25 der Dämpferkammer 11 und mit Gleitsitz auf der Kolbenstange 3 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 das Verschlußstück 2 durch die Feder 15 auf den Ventilsitz 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 Dämpferkammer 10 enthaltenen Flüssigkeit von der π Feder 15 nicht in der Zeichnung nach unten gedrückt wird, sondern in Ruhe bleibt Demzufolge wird das Verschlußstück 2 vom Ventilsitz 3 abgehoben 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 eineTi bekannten, nicht dargestellten Steuergerät in Abhängigkeit von Motor- und Umweltparametern erzeugt. Der Hub des Verschlußstücks 2 kann durch einen mechanischen Anschlag 28 oder durch die Länge des elektrischen -?"> Signals begrenzt werden. Wenn die Spule 12 entregt ist, drückt die Feder 15 das Verschlußstück 2 wieder auf den Ventilsitz 3. Die Verkürzung des Stabes 7 beim Stromdurchfluß durch die Spule 12 ist sehr gering und beträgt nur etwa 20 μπι. Dadurch, daß einerseits das i') Verschlußstück 2 difch die Feder 15 im Ruhezustand unabhängig von unterschiedlichen Wärmedehnungen des Gehäuses 1 und der aus dem Ventilkörper 2, den Stab 7 und den Dämpferkolben 10 bestehenden Einheit stets auf den 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 unabhängig von Temperatureinflüssen, Fertigungstoleranzen oder Verschleiß zwischen Verschlußstück und Ventilsitz stets in -i" vollem Umfang zur Verfügung. Dadurch ist eine exakte und reproduzierbar^ Einspritzmenge gewährleistet.

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 F i g. 1 das Verschlußstück 2 fest mit dem Stab 7 verbunden ist ist bei der Abwandlung gemäß Fig.2 das Verschlußstück 2' nur in seiner Schließrichtung formschlüssig, nämlich durch Anlage seiner Stirnfläche 30 am unteren Ende 31 des Stabes 7', mit diesem verbunden. Wenn die Spule 12' von Strom durchflossen wird und sich in der vorher beschriebenen Weise verkürzt, so kann das Verschlußstück 2' durch den auf die Flächen la wirkenden Druck des in der Kammer 2V 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 Gehäuse 1' nicht von unter Druck stehendem Kraftstoff durchflossen, sondern er nimmt nur die aus der Dämpferkammer abströmende Leckflüssigkeit auf. Zu diesem Zweck ist in diesem Fall an den Hohlraum 8' ein Rücklauf angeschlossen. Der Vorteil dies« Anordnung ist darin zu sehen, daß keine Zugverbindun^en zwischen dem Verschlußstück 2' und dem Dämpferkolben vorgesehen werden muß.

Das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 unterscheidet sich von demjenigen gemäß F i g. 1 und 2 im wesentlichen nur dadurch, daß das Verbindungselement zwischen dem Verschlußstück 2" und dem Dämpferkelben 10" nicht von einem magnetostriktiven Stab gebildet ist, sondern von einem magnetostriktiven Element 7", das aus einem mit der Kolbenstange 9" verbundenen Halter 32 besteht, der die Spule 12" aufnimmt und der eine Bimetallscheibe 33 erhält die aus einem magnetostriktiven Blech 34 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 34 eine Verwölbung bzw. Durchbiegung der Scheibe 33 in der Zeichnung nach oben, wodurch das Verschlußstück 2" von seinem Ventilsitz 3" abgehoben wird. Im Ruhezustand wird das Verschlußstück 2" durch die Tellerfeder \5" über den Dämpferkolben 10", die Kolbenstange 9", deü Halter 32 und die Bimetallscheibe 33 auf seinen Ventilsitz 3" gedrückt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrisch betätigbares Ventil, insbesondere für Kraftstoff-Einspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem Gehäuse, das einen Ventilsitz aufweist, gegen den ein in Schließrichtung federbelastetes Verschlußstück anliegt, das durch eine bei Stromdurchfluß erfolgende Längenänderung einer magnetostriktiven oder piezokeramischen Einrichtung vom Ventilsitz abgehoben wird, dadurch to gekennzeichnet, daß das Verschlußstück (2) über die magnetostriktive oder piezokeramische Einrichtung (7) mit einem in Hubrichtung des Verschlußstücks beweglichen und bedämpften Widerlager (10) verbunden ist, das so beschaffen ist, daß es bei den aufgrund des Stromdurchflusses erfolgenden kurzzeitigen Längenänderungen der Einrichtung (7) als stationäres Widerlager für das vom Verschlußstück (2) abgewandte Ende der Einrichtung ^7) wirkt.

2. Ventii nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerlager (10) eine solche Masse aufweist, daß es aufgrund seiner Massenträgheit nur langsamen Längenänderungen der Einrichtung (7) folgen kann. 2ί

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerlager (10) einen hydraulischen Dämpferkolben bildet, der in einer im Gehäuse (1) vorgesehenen, mit Flüssigkeit gefüllten Dämpferkammer(11) angeordnet ist. jo