DE3037078A1 - Elektrisch angesteuertes stellglied - Google Patents
Elektrisch angesteuertes stellgliedInfo
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Description
Daimler-Sehg Aktiengesellschaft Daim 13 387/4
Stuttgart-Un-fcertürkheim 29. Sept. I98O
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"Elektrisch angesteuertes Stellglied"
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisch angesteuertes
Stellglied mit einem auf einen Stempel einwirkenden, aus einem Stapel von Piezooxydscheiben bestehenden piezoelektrischen
Wandler, der zwischen einer mit ihm verbundenen Basisplatte und einer mit dieser durch Abstandselemente
verbundenen Führungsplatte angeordnet ist.
Stellglieder in Form piezoelektrischer Wandler sind an sich bekannt und es ist bezüglich demselben auch bekannt, daß
sie Schaltzeiten ermöglichen, die im Bereich von 50 bis 100 Mikrosekunden liegen. Sie ermöglichen aber nur sehr
kleine Stellwege, die bei vertretbaren Stapelgrößen bei etwa 0,03 mm liegen. Dies reicht zwar, wie bereits vorgeschlagen,
für die Verwendung als Vorsteuerventil in Verbindung mit Logistoren, jedoch nicht für eine direkte Anwendung
als Stellglied für hydraulische Ventile, Pumpen usw.
Diese bekannten piezoelektrischen Stellglieder haben neben der Tatsache, daß sie nur sehr geringe Arbeitswege zulassen,
auch den Nachteil, daß sie nur für einen begrenzten Temperaturbereich, für den sie ausgelegt sind, einsetzbar
sind. Durch den üblicherweise vorliegenden konstruktiven
— 3 —
ORIGINAL INSPECTED
Daim 13 387A
Aufbau (Kombination Keramik - Stahl) verhalten sie sich über der Temperatur so, daß sich der Arbeitsweg werkstoff
bedingt vielfach reduziert oder aufhebt. Bei stark schwankenden Temperaturen sind solche Stellglieder
nicht verwendbar.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Stellglied nach dem piezoelektrischen Prinzip zu schaffen, welches außer
seiner bekannt schnellen Schaltgeschwindigkeit einen ausreichend großen Arbeitsweg aufweist, der ausschließlich von
der angelegten Spannung, nicht aber von Temperaturänderungen beeinflußbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
jedes Abstandselement aus einem Stapel von Piezooxydscheiben besteht, dessen Polarisationsachse senkrecht zur
Polarisationsachse des piezoelektrischen Wandlers angeordnet ist und daß die Abstandselemente und der Wandler
sowohl einzeln als auch gleichzeitig elektrisch ansteuerbar sin·
Dadurch wird gegenüber bisher bekannten Lösungen ein etwa doppelt so großer Arbeitsweg erreicht und ein Einsatz
auch unter stark schwankenden Temperaturen ermöglicht. Diese Eigenschaften erlauben es, das erfindungsgemäße
Stellglied beispielsweise für die direkte oder indirekte Kraftstoffeinspritzung für Brennkraftmaschinen, für das
digitale Positionieren von Stellzylinder-i hydraulischer
Regelsysteme usw. einzusetzen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeipieles
näher erläutert, das ia schematischer Darstellung ein piezoelektrisches Stellglied und ein von diesem
betätigtes 3-Wege-Plattenventil zeigt.
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13 387A
In der Zeichnung zeigen;
Fig. 1 einen Längsschnitt durch das Stellglied und durch ein von ihm betätigtes Ventil,
Fig. 2 einen Querschnitt des Stellgliedes,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel als Kraftstoffeinspritzventil
im Längsschnitt und
Fig. k ein weiteres Kraftstoffeinspritzventil.
Der in Fig. 1 dargestellte Längsschnitt durch ein piezoelektrisches
Stellglied zeigt eine Basisplatte 1 und eine Führungsplatte 2, welche durch in diesem Beispiel vier Abstandselemente
3 miteinander verbunden sind. Jedes Abstandselement 3 besteht aus einem Stapel von geschichteten
Piezooxydscheiben, deren Polarisationsachse quer zur Hauptachse des Stellgliedes verläuft. Hier sei angemerkt,
daß sich eine Piezooxydscheibe beim Anlegen einer elektrischen Spannung entsprechend der Höhe dieser Spannung
in Richtung seiner Polarisationsachse ausdehnt und sich dementsprechend in Richtung quer zu dieser Polarisationsachse zusammenzieht.
Konzentrisch zur Hauptachse des Stellgliedes ist ein weiterer, mit der Basisplatte verbundener Stapel von Piezooxydscheiben,
deren Polarisationsachse in Richtung der Hauptachse verläuft,
angeordnet, dessen anderes Ende mit dem Stempel 5 des Stellgliedes
verbunden ist. Dieser Plattenstapel bildet den piezoelektrischen Wandler 4. Um diesen piezoelektrischen Wandler
k sind die Abstandselemente 3> welche die Basisplatte 1 mit
der Führungsplatte 2 verbinden, symmetrisch angeordnet, wie
dem Grundriß nach Fig. 2 zu entnehmen ist. Der Stempel 5 des Stellgliedes ist durch eine konzentrisch zur Hauptachse verlaufende
Bohrung in der Führungsplatte 2 geführt.
ORtGiNAL INSPECTED
■-■&-'- '--"*-" Daim I3 387A
Die piezoelektrischen Plattenstapel des Wandlers 4 und
der Abstandselemente 3 sind, was nicht dargestellt ist, in üblicher Weise mit den entsprechenden elektrischen Zuleitungen
verbunden. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Wandler 4 wird erreicht, daß dessen
Plattenstapel sich ausdehnt und den Stempel 5 von der Basisplatte 1 entfernt. Durch gleichzeitiges Anlegen
von elektrischen Spannungen an die Plattenstapel der Abstandselemente 3 ziehen diese sich in Richtung der
Hauptachse zusammen und ziehen dadurch die Führungsplatte 2 in Richtung zur Basisplatte 1. Hierdurch entsteht
zwischen Führungsplatte 2 und Stempel 5 eine Relativbewegung,
welche etwa dem doppelten Wert eines bisher bekannten piezoelektrischen Stellgliedes vergleichbarer
Größe entspricht. Da die Plattenstapel der Abstandselemente und des Wandlers aus gleichem Material
mit gleichem Temperaturkoeffizienten bestehen und untereinander gleiche Länge aufweisen, bewirken Temperaturschwankungen
keine Relativbewegungen zwischen Stempel und Führungsplatte.
Je nach Anwendungsfall können die Richtungen der Polarisationsachsen
von Wandler 4 und Abstandselementen 3 untereinander vertauscht werden, so daß bei Anlegen
einer elektrischen Spannung der Stempel 5 in Richtung zur Basisplatte gezogen wird und die Führungsplätte 2
von der Basisplatte weg bewegt wird.
Als Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße Stellglied
ist dieses in Fig. 1 mit einem 3-Wege-Plattenventil
zusammengeschaltet, dessen Gehäuse 6 mit der Führungsplatte 2 fest verbunden ist. In dem zwischen Gehäuse
und Führungsplatte gebildeten Kohlraum befindet sich eine Ventilplatte 7» welche von einer Tellerfeder
Bairn 13 387/4
gegen den Stempel 5 gedruckt wird= In nicht betätigtem Zustand des Stellgliedes verschließt die Ventilplatte 7 einen
in der Führungsplatte 2 angeordneten Ringkanal 9>
welcher mit einer Rücklaufleitung C verbunden ist. Dem Ringkanal 9
gegenüber der Ventilplatte 7 befindet sich ein zweiter Ringkanal 10 im Ventilgehäuse 6, welcher mit einer Druckleitung
A verbunden ist. Im Ventilgehäuse 6 befindet sich eine konzentrisch zur Hauptachse angeordnete Auslaßöffnung
B. In der Ventilplatte 7 sind Bohrungen 11 angeordnet, welche dem Strömungsmittel - Gas oder Flüssigkeit - einen
ungehinderten D.urchfluß durch das Ventil ermöglichen sollen.
In der gezeichneten Stellung ist die Druckleitung A mit der Auslaßöffnung B verbunden, so daß Druckmittel von A nach B
strömen kann. Durch Betätigen des Stellgliedes wird die Ventilplatte 7 gegen die Kraft der Tellerfeder 8 nach unten
gedrückt. Dadurch wird der Ringkanal 10 und mit ihm die
Druckleitung A verschlossen. In dieser Stellung ist die Auslaßöffnung B mit der Rücklaufleitung C verbunden, so
daß ein sofortiger Druckabfall erfolgen kann.
Es wäre auch denkbar, das erfindungsgemäße Stellglied als
Pumpe auszubilden und die dafür erforderlichen 2-tfege~
Ventile ebenfalls nach Art des erfindungsgemäßen Stellgliedes
auszubilden. Dazu müßte die Ventilplatte 7 in Fig. 1 als Kolben ausgebildet werden und es müßten die
erforderlichen Saug- und Druckleitungen geschaffen werden»
Das Fördermedium würde bei Anlegen einer Spannung an der Unterseite des Kolbens angesaugt und an der Oberseite des
Kolbens ausgedrückt werden und bei Abschalten der Spannung an der Unterseite ausgedrückt und an der Oberseite angesaugt
.
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ORfGINAL INSPECTED
Daim I3 387Λ
In Fig. 3 ist als weiteres Ausführungsbeispiel ein Kraftstoff-Einspritzventil
im Längsschnitt dargestellt. Der prinzipielle Aufbau des Stellgliedes ist aus Fig. 1 bekannt,
Basisplatte 1, Führungsplatte 2, Abstandselemente 3« Wandler k und Stempel 5 sind, wie bereits beschrieben, angeordnet.
Mit dem Stempel 5 fest verbunden ist ein Ventilteller 12, der bei nicht betätigtem Stellglied an der Führungsplatte
2 anliegt und einen in der Führungsplatte befindlichen
Ringkanal 95 welche mit einer Kraftstoffzuleitung
A verbunden ist, verschließt. Die Kraftstoffzuleitung
steht unter hohem Druck. Beim Anlegen einer Spannung an die piezoelektrischen Plattenstapel bildet sich zwischen
Führungsplatte 2 und Ventilteller 12 ein Ringspalt, dessen Spaltbreite etwa proportional der angelegten Spannung ist
und der Kraftstoff strömt vom Ringkanal 9 radial nach außen und wird, je nach Spaltbreite und Kraftstoffdruck
mehr oder weniger vernebelt.
Zur Ausbildung geeigneter KraftStoffverteilung ist die
Führungsplatte in diesem Bereich mit einer gekrümmten Leitfläche 13 a versehen, welche z. B. mit verschieden gekrümmten
oder spiralenförmig zugeordneten Nuten versehen sein kann, um z. B. glockenförmige Vernebelung, Strahlen
mit verschiedenen Ablenkwinkeln, Verwirbelung des Kraftstoffs usw. in bekannter Art zu erreichen.
Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Krriftstoffeinspritzventils
für ein Stellglied mit vertauschten piezoelektrischen Plattenstapeln, wobei der Stempel 5 beim Anlegen einer Spannung
zur Basisplatte 1 gezogen wird, ist in Fig. k dargestellt.
Innerhalb der Führungsplatte 2 ist ein Hohlraum ausgespart, gegen dessen untere Fläche der mit dem Stempel- 5 fest ver-
Daini 13 387A
bundene Ventilteller 12 im Ruhezustand drückt und einen in
diese Fläche eingelassenen Ringkanal 10, der wieder mit der Kraftstoffzuleitung A verbunden ist, verschließt. Der Ventilteller
12 ist mit einem Ansatz 13 versehen, welcher bereits bei Fig. 3 beschriebene Leitflächen I3 b zur besseren Verteilung
des Kraftstoffs aufweist. Bei Anlegen einer Spannung öffnet der Ringspalt und Kraftstoff strömt unter
hohem Druck radial nach innen, wird an den Leitflächen abgelenkt und in den Brennraum eingespritzt.
Neben d"er spannungsproportionalen Spaltbreitensteuerung ist
auch sowohl eine frequenzporportionale als auch eine impulsdauerproportionale Durchflußmengensteuerung möglich,
so daß von dem Einspritzgesetzt folgenden Kurven bis zu intermittierender Einspritzung (innerhalb einer Einspritzung
von z. B. 18 Grad Kurbelwellendrehung) jeder gewünschte
Verlauf darstellbar ist.
Es ist auch denkbar, ein Kraftstoffeinspritzventil als
Dreiwegeventil nach Fig. 1 mit einer Rücklaufleitung auszubilden,
in welche ein Rückschlagventil oder eine Drosselstelle oder beide parallel eingebaut sind.
ORIGINAL INSPiECTED
Leerseite
Claims (1)
- AnspruchElektrisch angesteuertes Stellglied mit einem auf einen Stempel einwirkenden, aus einem Stapel von Piezooxydscheiben bestehenden piezoelektrischen Wandler, der zwischen einer mit ihm verbundenen Basisplatte und einer mit dieser durch Abstandselemente verbundenen Führungsplatte angeordnet ist, da dvu rch gekennzeichnet, daß jedes Abstandselement (3) aus einem Stapel von Piezooxydscheiben besteht, dessen Polarisationsachse senkrecht zur Polarisationsachse des piezoelektrischen Wandlers (4) angeordnet ist und daß die Abstandselemente und der Wandler sowohl einzeln als auch gleichzeitig elektrisch ansteuerbar sind.ο _ORIGINAL INSPECTED
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