DE3237258C1 - Elektrisch vorgesteuerte Ventilanordnung - Google Patents

Description

a) die in der Vorsteuerventilkammer (8) axial bewegliche Vorsteuerventilplatte (10) von einer Vorsteuerventilfeder (12) gegen die dem Stellglied (11) zugewandte Bezugsfläche (13) gedrückt wird,

b) das Stellglied (11) an seinem dem Vorsteuerventil (8, 10) abgewandten Ende mit einem Stellgliedsockel (14) verbunden ist,

c) eine zwischen diesem Stellgliedsockel (14) und dem Ventilgehäuse (1) liegende Stellgliedfeder (15) das Stellglied (11) gegen die Vorsteuerventilplatte (10) drückt, wobei die Kraft, der Vorsteuerventilfeder (12) größer als die Kraft der Stellgliedfeder (15) ist, und

d) das Ventilgehäuse (1) im Bereich des Stellgliedsockels (14) einen mit der Zuleitung (5a) verbundenen Ringkanal (16) aufweist, der zur Stellgliedkammer (Wb) hin mit einer mit dem Ventilgehäuse stoffschlüssig verbundenen Klemmhülse (17) verschlossen ist, in welcher das Stellglied mittels des Stellgliedsockels (14) axial verschiebbar, jedoch blockierbar geführt ist.

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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrisch vorgesteuerte Ventilanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Ein Ventil mit diesen Merkmalen ist aus der Patentanmeldung DE-OS 31 39 830 bekannt.

Stellglieder mit kleinem Stellweg sind z. B. magnetostriktive oder piezokeramische Einrichtungen. Charakteristische Eigenschaften von piezoelektrischen Stellgliedern sind kurze Schaltzeiten um 50 μβ bei Stellwegen von etwa 0,05 mm mit Stellkräften bis über 1 kN. Probleme können auftreten, wenn eine exakte Positionierung des Stellweges erforderlich ist, etwa bei hydraulischen Systemen, bei denen die Hydraulikmenge in Abhängigkeit vom Stellweg zu steuern ist.

Bekannte piezoelektrische Stellglieder haben eine Baulänge zwischen 50 und 100 mm. Betrachtet man deren mittleren linearen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten von öc = 20 · 10-⁶/°C, so bedeutet dies bei einer Temperaturänderung von 100⁰C mit ΔΙ=1ο ■ oc ■ ΔΤ eine Längenänderung von 0,01 mm. Bezogen auf den Stellweg von 0,05 mm ergibt sich damit ein Verlust von 20%.

Wird ein solches Stellglied in Hochdruckhydrauliksystemen z.B. bei etwa 1000bar eingesetzt, kommen zusätzlich hydraulisch bedingte mechanische Verformungen hinzu, die den nutzbaren Stellweg ■ weiter

verringern.

Aus der DE-PS 30 37 078 ist ein Stellglied bekannt, welches eine Kompensation der thermischen Längenänderungen dadurch erreicht, daß Piezoelement und Abstandselement aus dem gleichen Material bestehen.

Diese Lösung ist fertigungstechnisch und kostenmäßig sehr aufwendig. Außerdem dürfte eine Anwendung bei Hochdrucksystemen infolge der spröden Materialien kaum möglich sein.

Aus der DE-OS 29 31 874 ist eine Lösung bekannt, bei welcher das Stellglied über ein Feder-Masse-System mit einem Dämpfer arbeitet und auf diese Weise einen Temperaturausgleich bewirkt. Dieses Stellglied ist jedoch nur für kurze, dynamische Betätigungen geeignet; eine bestimmte Stellgliedposition statisch einzuhalten ist damit jedoch nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisch betätigbares Ventil für Stellglieder mit kleinem Stellweg und mit geringen Kosten zu schaffen, welches auch bei einem Einsatz in Hochdrucksystemen automatisch temperaturbedingte und mechanische Veränderungen des Stellweges ausgleicht und auch für längere als kurze dynamische Ansteuerzeiten geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs genannten Merkmale gelöst.

Diese Lösung hat den Vorteil, daß jede Längenänderung des Stellgliedes bis unmittelbar vor der Stellgliedbetätigung berücksichtigt wird und somit bei jeder Betätigung unabhängig von temperaturbedingten und/ oder mechanischen Verformungen der volle Stellweg des Stellgliedes zur Verfügung steht. Damit ist es auch möglich, das Stellglied statisch zu betätigen, d.h., das Ventil langer offenzulassen, zumindest so lange, als in der Zwischenzeit keine Verformungen des Stellgliedes zu erwarten sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

In der schematischen Zeichnung ist im Querschnitt ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen dargestellt.

In einem gemeinsamen Ventilgehäuse 1 befindet sich im unteren Teil eine Düsennadel 2, welche von einer Düsendruckfeder 3 gegen die Düsenöffnung 4 gepreßt wird. Eine Kraftstoffzuleitung 5 ist über einen Druckkanal 6 mit einem Druckraum 4a verbunden, welcher die Düsenöffnung 4 aufweist.

Die Kraftstoffzuleitung 5 führt auch zu einem Ringkanal 7 in einer Vorsteuerventilkammer 8, welche mit der Kraftstoffrückleitung 9 verbunden ist. Die Kraftstoffrückleitung 9 ist auch mit dem Raum, in welchem sich die Dü-endruckfeder 3 befindet, über die Rückleitung 9a verbunden.

In der Vorsteuerventilkammer 8 befindet sich eine Vorsteuerventilplatte 10, welche von einem piezoelektrischen Stellglied 11 bei dessen Erregung durch ein elektrisches Stellsignal gegen den Ringkanal 7 bewegt wird und in seiner Endstellung diesen verschließt. Diese Bewegung erfolgt gegen die Kraft einer Vorsteuerventilfeder 12, welche die Vorsteuerventilplatte 10 bei nicht erregtem Stellglied gegen die als Bezugsfläche 13 dienende, dem Stellglied zugewandte Grenzfläche der Vorsteuerventilkammer 8 preßt.

Das aus piezokeramischen Material bestehende Stellglied 11 ist an seinem dem Vorsteuerventil abgewandten Ende mit einem metallischen Stellglied 14 fest verbunden. Eine Stellgliedfeder 15, die sich am

Ventilgehäuse 1 abstützt, drückt das Stellglied über den Stellgliedsockel 14 und einen Stempel 11a gegen die Vorsteuerventilplatte 10. Die Kraft der Vorsteuerventilfeder 12 ist größer als die der Stellgliedfeder 15, in diesem Ausführungsbeispiel etwa lOfach, wodurch die Bezugsfläche 13 bei jeder Temperatur und jedem Druck die Anfangsstellung für jede Stellgliedbewegung darstellt.

Die Stellgliedkammer 116 weist im Bereich des Stellgliedsockels 14 einen über den Kanal 5a mit der Kraftstoffzuleitung 5 verbundenen Ringkanal 16 auf, der mit einer mit dem Ventilgehäuse 1 stoffschlüssig verbundenen Klemmhülse 17 verschlossen ist. In dieser Klemmhülse ist das Stellglied mittels des Stellgliedsokkels 14 axial verschiebbar geführt. '⁵

Die Funktion des Kraftstoffeinspritzventils wird im folgenden beschrieben. Eine nicht dargestellte Kraftstoffpumpe führt den Kraftstoff mit max. Drücken um 1000 bar intermittierend-mechanisch synchronisiert von einem rotierenden Bauelement der zu steuernden Brennkraftmaschine — dem Kraftstoffeinspritzventil zu. In Ruhelage ist die Kraftstoffzuleitung 5 mit der Kraftstoffrückleitung 9 über den Ringkanal 7 und den maximal etwa 0,05 mm breiten Spalt in der Vorsteuerventilkammer 8 verbunden. Dieser schmale Spalt bildet eine Drosselstelle.

Wird nun von der Kraftstoffpumpe Kraftstoff zugeführt, baut sich vor der Drosselstelle ein Druck von einigen bar — etwa 10 bis 30 bar — auf, der sich über den Druckkanal 6 in den Druckraum 4a und über den Kanal 5a in die Ringkammer 16 fortpflanzt. Durch diesen relativ geringen Überdruck kann die Düsennadel 2 die Düsenöffnung 4 nicht freigeben, da die.

Düsendruckfeder auf einen Wert von etwa 1000 bar eingestellt ist. Er reicht aber aus, um das Stellglied über die auf den Stellgliedsockel 14 wirkende Klemmhülse 17 ausreichend festzuspannen. Im geeigneten Augenblick erfolgt anschließend — synchronisiert über eine Einspritzelektronik — ein elektrischer »Einspritzimpuls« an das Stellglied 11, wodurch sich dieses ausdehnt und die Steuerventilplatte 10 gegen die Kraft der Steuerventilfeder 12 nach unten drückt, wodurch der Ringkanal 7 verschlossen wird und sich der volle Druck an der Düsennadel 2, aber auch an der Klemmhülse 17 aufbauen kann. Dadurch wird das Stellglied weiter verspannt. Bei Erreichen des durch die Düsendruckfeder 3 festgelegten Druckes gibt die Düsennadel 2 die Düsenöffnung 4 frei und Kraftstoff wird unter hohem Druck eingespritzt.

Nach dem Ende des »Einspritzimpulses« wird die Steuerventilplatte 10 wieder gegen die Bezugsfläche 13 gedrückt, der hohe Druck bricht zusammen und die Düsennadel 2 verschließt wieder die Düsenöffnung. Der Einspritzvorgang ist beendet. Der durch die Drosselstelle verursachte geringe Überdruck und damit die Klemmung des Stellgliedes bleiben jedoch so lange bestehen, bis die Kraftstoffpumpe die Förderung beendet. Das dann freigegebene Stellglied kann in dieser zwischen zwei Förderzyklen liegenden Zeit seine durch Temperatur oder Verformungen bedingte Längenänderung nur gegen die Kraft der Stellglieder 15 durchführen, bevor es beim nächsten Förderzyklus wieder festgeklemmt wird, da es auf der anderen Seite über den Stempel 11a auf der Bezugsfläche 13 infolge der stärkeren Vorsteuerventilfeder 12 aufliegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Elektrisch vorgesteuerte Ventilanordnung für flüssige oder gasförmige Medien, insbesondere für Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem elektrisch angesteuerten Stellglied mit kleinem Stellweg, welches auf ein Vorsteuerventil einwirkt, das in Ruhelage die Zuleitung des Mediums mit einer Rückleitung verbindet, in Arbeitsstellung diese Verbindung jedoch unterbricht, und mit einer bei einem bestimmten Druck in der Zuleitung eine Düsenöffnung freigebenden Düsennadel, dadurch gekennzeichnet, daß