DE3325660A1 - Vorrichtung zum sperren von fluessigen medien - Google Patents

Description

Vorrichtung zum Sperren von flüssigen Medien

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Sperren von flüssigen Medien, und zwar insbesondere eine Vorrichtung von der Art, die aus einem Körper besteht, in welchem eine flüssigkeitsführende Leitung, ein in einem entsprechenden Sitz verschiebbar montierter Kolben und ein Bauteil zur Sperrung der genannten Leitung sowie Steuerungsteile zum Verschieben des Kolbens in seinem Sitz zwischen einer ersten und einer zweiten Arbeitsstellung angebracht sind, wobei das erwähnte, als Endstück montierte Bauteil die flüssigkeitsführende Leitung verschließt bzw. freigibt.

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Derartige Sperrvorrichtungen werden in vielfältiger Weise für unterschiedliche Zwecke eingesetzt. Sie dienen beispielsweise als Hilfsventile mit proportionaler Kennlinie bzw. als Hilfsventile mit ON-OFF-Funktion oder als Kraftstoff einspritzdüsen bei Verbrennungsmotoren. Insbesondere bei Dieselmotoren wurden zur Verbesserung der Motorleistung verschiedene Einspritzlösungen entwickelt, und zwar speziell im Hinblick auf die Erhöhung des Einspritzdrucks, die Reduzierung der Einspritzdauer und generell unter dem Aspekt der besseren Kontrolle des Einspritzvorganges in allen seinen Phasen.

In diesem Zusammenhang sind Entwicklungen bekannt, die bei der Ausgestaltung der Kolbensteuerungsteile die Verwendung von piezoelektrischen Werkstoffen vorsehen. Bekannt ist hier insbesondere eine Ausführungsart einer Einspritzdüse, bei der zur Betätigung des Kolbens ein Arbeitszylinder eingesetzt wird, dessen Stellglied aus piezoelektrischem Material hergestellt ist. Allerdings ist ein solcher Arbeitszylinder nur als Versuchsentwicklung bekannt, da seine diversen Nachteile eine Großserienfertigung bisher noch nicht zuließen. In der Tat besteht bei diesem piezoelektrischen Arbeitszylinder die Gefahr der Depolarisierung, sobald während des Betriebs ein bestimmter·, kritischer Druckwert überschritten wird. Darüber hinaus hat dieser Zylinder einen ziemlich mäßigen Volumenausdehnungskoeffizienten und muß während des Betriebs in einem dehnbaren, zylindrischen Behälter gehalten werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Sperren von flüssigen Medien ohne die Nachteile der bisher bekannten und oben erwähnten Vorrichtunggen dieser Art zu verwirklichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die genannten Steuerungsteile des Kolbens aus mindestens einem im wesentlichen hohlförmig ausgebildeten, aus piezoelektrischem Material gefertigtem, im Inneren einer Kammer in dem genannten Körper angeordneten Element bestehen, das mit einem radialen Teil der Oberfläche des genannten Kolbens kommuniziert und wobei die Kammer eine flüssigkeit enthält, die ebenfalls auf den genannten radialen Teil der Oberfläche des genannten Kolbens wirkt; daß die Innen- und Außenseite des genannten piezoelektrischen Elementes mit einer elektrisch leitenden Beschichtung versehen sind und über außerhalb des Körpers angebrachte Steckverbinder elektrisch versorgt werden.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden im folgenden einige nicht verbindliche Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Aufriss und eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung in vergrößertem Maßstab, entsprechend der Schnittebene H-II nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Aufriss und eine Schnittdarstellung eines Teiles einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen ^ Vorrichtung.

In Fig. 1 wird eine erfindungsgemäß ausgeführte Vorrichtung zum Sperren von flüssigen Medien in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnet, die im wesentlichen einen in einen oberen Teil 3 und in einen unteren Teil 4 unterteilten Körper 2 umfaßt, dessen beide Teile durch ein mit einem Innengewinde versehenes, rohrförmiges Bauteil miteinander verbunden sind und in dem eine Leitung verläuft, in der während des Betriebs das flüssige Medium geführt wird, das je nach Bedarf gesperrt oder freigegeben werden soll. Der untere Teil 4 des Körpers 2 ist axial so aufgebohrt, daß ein zylindrischer Sitz 8 entsteht, in dem der Kolben 9 verschiebbar montiert ist. An seiner dem oberen Teil 3 des Körpers zugewandten Seite weist de„ Kolben 9 einen Kopf 10 mit reduziertem Durchmesser und eine R.ngnut 11 auf, die im Zusammenwirken mit dem zylindrischen Sitz 8 zwei ringförmige Kammern 13,12 bilden. An der dem Kopf 10 gegenüberliegenden Seite weist der Kolben zudem einen Schaft 15 auf, der im Zusammenwirken mit dem unteren Teil 4 des Körpers 2 einen Zwischenraum 16 bildet, der über eine ringförmige Kammer 17 mit der Leitung 6 verbunden ist. An der der Kammer 17 gegenüberliegenden Seite ist der Schaft 15 mit einer Düsennadel versehen, vermittels derer die im unteren Teil 4 des Körpers 2 angebrachten Austrittsbohrungen 19 verschlossen werden können.

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Erfindungsgemäß sind die Kammern 12 und 13 über die Kanäle 22,23 mit den kugelig ausgebildeten Kammern 24,25 im Kopf des oberen Teiles 3 des Körpers 2 verbunden, die ihrerseits je ein als kugelförmige Halbschale ausgestaltetes Element 26,27 aus piezoelektrischem Material aufnehmen. Im einzelnen werden die Kammern 24,25 durch zwei halbkugelförmige Lagersitze gebildet, deren erster in einen mit den Schrauben 29 am oberen Teil 3 des Körpers 2 befestigten Deckel 28 eingearbeitet ist. Im Bereich einer jeden Kammer 24,25 weist der Deckel 28 je eine Entlüftungsborung 31,32 auf, die mit je einem Ventil 33,34 bekannter Bauart versehen ist.

In Fig. 2 wird gezeigt, daß das piezoelektrische Element 26 sowohl an seiner Innenseite wie an seiner Außenseite mit einer aus leitfähigem Material hergestellten Beschichtung 35,36 versehen ist. Die innenseitige Beschichtung 35 steht dabei über einen radial angeordneten, leitfähigen Steg 38 mit dem mit 37 bezeichneten, leitfähigen Teilstück der Außenbeschichtung des Elements 26 in Verbindung. An das Teilstück 37 ist das Ende eines stromführenden Kabels 39 angeschlossen, das seinerseits mit seinem anderen Ende an einen Steckverbinder 40 angelegt wird. Die leitfähige Außenbeschichtung 36 ist zweckmaßigerweise in Höhe des leitfähigen Teilstücks 37 unterbrochen und wird über geeignete Kontaktfedern 42 mit Strom versorgt, deren eines Ende mit dem oberen Teil 3 des Körpers 2 verschweißt ist, während ihr anderes, hakenförmig ausgebildetes Ende in eine entsprechende, an der Außenseite des Elements 26 angebrachte Vertiefung 43 eingreift. Auf diese Weise erfüllen die Federn 42 gleichermaßen die Funktion der Stromversorgung der Außenbeschichtung 36 und die Funktion der positionsgenauen Ausrichtung des piezoelektrischen Elements 26 im Inneren der Kammer 24. Die elektrische Verbindung der Beschichtung 36 nach außen wird über ein Stromkabel 44 hergestellt, dessen eines Ende am oberen Teil 3 des Körpers 2 angeschweißt und dessen anderes Ende an einen Steckverbinder 45 angelegt wird.

In Fig. 3 wird das erfindungsgemäß ausgeführte Endstück einer (nicht vollständig dargestellten) Absperrvorrichtung in seiner Gesamtheit mit 46 bezeichnet. Vergleicht man dieses Endstück 46 im einzelnen mit dem in Fig. 1 dargestellten Endstück, so unterscheidet sich diese Ausführung von der zuvor beschriebenen durch einen Zwischenraum 47, durch welchen das zu sperrende flüssige Medium hindurchgeführt wird, sowie durch einen Kolben 48, der die Funktion des sperrenden Elementes übernimmt, und durch die analog zu den Bohrungen 19 der Fig. 1 angebrachten Austrittsbohrungen 49. Der Zwischenraum 47 wird an je einer Seite durch die Wandungen eines zylindrischen Innenkörpers 50 und an der anderen Seite durch einen rohrförmigen Außenkörper 51 begrenzt, an dessen Ende die genannten Austrittsbohrungen 49 angebracht sind.

Der Kolben 48 weist einen Schaft 53 mit kleinerem Querschnitt auf, der verschiebbar in einen zylindrischen Sitz 54 des Innenkörpers 50 eingepaßt ist; darüber hinaus ist der Kolben 48 mit einer axial angeordneten Durchgangsbohrung 55 versehen, über welche die Verbindung zwischen einer oberen, durch die kopfseitigen Flächen des Schaftes 53 und durch die entsprechenden Flächen des Innenkörpers 50 begrenzten Kammer 56 und einer unteren Kammer 57 hergestellt wird, in der sich im Betrieb das durch den Zwischenraum hindurch^retende flüssige Medium sammelt, um zu den Austrittsbohringen 4 9 geleitet zu werden. Ferner weist der Kolben 48 einen aus dem Schaft 53 entwickelten, verschiebbar angeordneten Kopf 58 auf, der im Zusammenwirken mit dem Sitz 59 des Innenkörpers 50 eine ringförmig ausgebildete Kammer 60 bildet. Diese ist wiederum über einen Kanal 61 mit einer weiteren Kammer verbunden, die als Aufnahme für ein (nicht dargestelltes) halbkugelig ausgebildetes, piezoelektrisches Adapterelement dient, wobei dieses Element beispielsweise die gleichen Ausführungsmerkmale wie das in Fig. 2 dargestellte Element 26 aufweisen kann.

Die Wirkungsweise der mit 1 bezeichneten Vorrichtung ist ebenso einfach wie komplikationsfrei. Tatsächlich erfolgt der Zulauf des unter Druck stehenden flüssigen Mediums, das gesperrt werden soll, im Betrieb über die Leitung 6, während in die Kanäle 22,23 und in die Kammern 12,13 und 24,25 die Steuerflüssigkeit eingeleitet wird, die im übrigen von der gleichen Art sein kann wie das zu sperrende flüssige Medium. Wird die mit 1 bezeichnete Vorrichtung beispielsweise als Einspritzdüse verwendet, so könnte diese Flüssigkeit Dieselkraftstoff sein. Durch Beaufschlagung eines jeden der piezoelektrischen Elemente 26,27 mit einer geeigneten Gleichstromspannung wird in jedes dieser Elemente eine Volumenänderung induziert, die in eine Änderung der Druckwirkung der Steuerflüssigkeit umgewandelt wird, die die Kanäle 22,23 durchströmt und damit eine Verschiebung des Kolbens 9 in axialer Richtung bewirkt. Durch entsprechende Abstimmung der in die piezoelektrischen Elemente 26,27 einzuleitenden Spannungswerte kann folglich das über die Leitung 6 zugeführte und zu den Austrittsbohrungen 19 geleitete flüssige Medium gesperrt oder freigegeben werden.

Analog zu der Beschreibung in bezug auf Fig. 1 und 2 erfolgt bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführung das Absperren des flüssigen Mediums gleichfalls durch den Kolben 48, dessen Verschiebungen in axialer Richtung durch Beeinflussung des im Inneren der Kammer 60 vorherrschenden Drucks über das genannte piezoelektrische Element herbeigeführt werden. In diesem Fall zeigt es sich, daß sich der Kolben 48 dank der seine beiden Endbereiche miteinander verbindenden Durchgangsbohrung 5 5 in einem hydraulischen Gleichgewicht befindet und folglich nur einer angemessen mäßigen Druckbeaufschlagung bedarf, um sich von der Sperrstellung in die Freigabestellung zu verschieben.

Die Überprüfung der kennzeichnenden Merkmale der erfindungsgemäß ausgeführten Vorrichtungen läßt erkennen, daß sie der zuvor beschriebenen Aufgabenstellung gerecht zu werden ver-

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mögen. Tatsächlich sind bei der Verwendung eines halbkugelformigen piezoelektrischen Adapterelementes praktisch keinerlei mechanische Einwirkungen zu gewärtigen, die zu einer Depolarisierung des Materials führen könnten, da der mechanische Druck auf den kugelig (oder im weitesten Sinne als Hohlkörper) ausgebildeten Adapter keine mechanische Störung der Dipole als die eigentlichen, den piezoelektrischen Effekt auslösenden Elemente mit sich bringt. Darüber hinaus können mit diesem Adaptertyp erhebliche Vorteile im Hinblick auf den Volumenänderungskoeffizienten erzielt werden, zumal da er keinen besonderen Behälter benötigt und somit frei beweglich in der Steuerflüssigkeit arbeiten kann, sofern das piezoelektrische Material nicht durchlässig ist.

Selbstverständlich können an den oben beschriebenen Ausführungsformen der Sperrvorrichtungen Änderungen und Varianten vorgenommen werden, ohne damit dem Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Beispielsweise sind weitgehende Änderungen des in Fig. 2 dargestellten Systems der elektrischen Verbindung zwischen innerer und äußerer Beschichtung vorstellbar. Darüber hinaus könnte jedes der piezoelektrischen Elemente 26,27 aus mehreren, übereinander angeordneten Schichten piezoelektrischen Materials mit einer leitenden Zwischenlage und geeigneten Anschlüssen für die Stromversorgung der einzelnen Schichten bestehen. Hieraus ergäbe sich der Vorteil, ein einziges elektrisches Feld mit im Vergleich zum dargestellten Ausführungsbeispiel stark reduzierten Spannungswerten zu erhalten.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform könnte jedes piezoelektrische Element 26,27 eine andere als die oben beschriebene halbkugelförmige Struktur aufweisen, sofern als Mindestforderung ein Hohlraum im Inneren des Elementes gegeben ist.

Schließlich könnte der Innenraum eines jeden Elementes 26,27 anstatt mit Luft mit einem beliebigen Gas oder mit einem ge-

eigneten, elastisch verformbaren Material, beispielsweise Schaumstoff mit geschlossenen Zellen, gefüllt sein, oder es könnte in dem genannten Innenraum ein Vakuum erzeugt werden.

L e e r s e i t e

Claims (18)

1. Pat entanspräche

   Vorrichtung (1) zum Sperren von flüssigen Medien, bestehend aus einem Körper (2) mit einer flüssigkeitsführenden Leitung (6), einem verschiebbar in einem Sitz (8) im Körper (2) montierten Kolben (9) und einem zum Absperren der Leitung (6) geeigneten Bauteil (15) sowie aus den Steuerungsteilen zum Verschieben des Kolbens (9) im Bereich des Sitzes (8) zwischen einer ersten und einer zweiten Arbeitsstellung, in welcher das genannte Bauteil (15) die Sperrung bzw. die Freigabe der genannten Leitung (6) bewirkt; dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Steuerungsteile des Kolbens (9) aus mindestens einem im wesentlichen hohlförmig ausgebildeten, aus piezoelektrischem Material gefertigtem, im Inneren einer Kammer (24, 25) in dem genannten Körper (2) angeordneten Element (26, 27) bestehen, das mit einem radialen Teil der Oberfläche des genannten Kolbens (9) kommuniziert und wobei die Kammer eine Flüssigkeit enthält, die ebenfalls auf den genannten radialen Teil der Oberfläche des genannten Kolbens (9) wirkt, daß die Innen- und Außenseite des genannten piezoelektrischen Elementes (26, 27) mit einer elektrisch leitenden Beschichtung (35» 36) versehen sind und über außerhalb des Körpers (2) angebrachte Steckverbinder (40, 55) elektrisch versorgt werden.

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2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des genannten Hohlraumelementes (26,27) ein gasförmiges Medium enthalten ist oder Unterdruck hergestellt wird.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte gasförmige Medium Luft ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren eines jeden der genannten Hohlraumelemente (26,27) ein elastisch wirkendes, komprimierbares Material enthalten ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte komprimierbare Material Schaumstoff mit geschlossenen Zellen ist.
6. 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte leitende Beschichtung (35) an der Innenseite des genannten Hohlraumelementes (26,27) mit einem leitenden Teilstück (37) an der Außenseite des genannten Hohlraumelementes (26,27) elektrisch verbunden und gegen die leitende Beschichtung (36) an der Außenseite des genannten Hohlraumelementes (26,27) isoliert ist.
7. 7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der genannten piezoelektrischen Elemente (26,27) im Inneren der dazugehörigen Kammer (24,25) über elastisch verformbare Bauteile abgestützt wird.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten, elastisch verformbaren Bauteile aus Federn (42) bestehen, die aus elektrisch leitendem Material gefertigt sind.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede der genannten Federn (42) mit einem Ende am Körper (2) befestigt ist, während das andere Ende in eine an der Außenfläche des genannten piezoelektrischen Elementes (26,27) angebrachte Vertiefung (43) eingreift, so daß zwischen dem genannten Körper (2) und dem genannten Element (26,27) sowohl eine mechanische Sicherung als auch eine elektrische Verbindung hergestellt wird.
10. 10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede der genannten Kammern (24, 25), die als Aufnahme für eines der genannten piezoelektrischen Elemente (26,27) dient, mit einer nach außen führenden Entlüftungsbohrung (31,32) und einem dazugehörigen Hydraulikventil (33,34) versehen ist.

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11. 11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Kolben (9) einen Kopf (10) mit kleinerem Querschnitt und im Bereich eines weiteren Zwischenabschnittes eine Ringnut (11) aufweist, die im Zusammenwirken mit dem genannten Körper (2) jeweils eine ringförmige Kammer (12,13) bilden, die jeweils mit der genannten Kammer (24,25) verbunden ist, die als Aufnahme für das genannte piezoelektrische Element (26,27) dient.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Kammer (24,25) räumlich durch die Innenflächen des Körpers (2) und durch einen entsprechend geformten, am Körper (2) befestigten Deckel (28) begrenzt wird.
13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Kammer (24,25) im wesentlichen kugelförmig ausgebildet ist.
14. 14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Kolben (48) zwei Teilstücke (53,58) mit unterschiedlichem Durchmesser umfaßt, die im Zusammenwirken mit dem genannten Körper (50) eine ringförmige Kammer (60) bilden, die mit der genannten Kammer (24,25) verbunden ist, die als Aufnahme für das genannte piezoelektrische Element (26,27) dient, während die beiden in axialer Richtung Enden des Kolbens (48) über eine Durchgangsbohrung (55) miteinander verbunden sind.
15. 15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte piezoelektrische Hohlraumelement (26,27) im wesentlichen als kugelige Halbschale ausgebildet ist.
16. 16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Hohlraumelement (26,27) aus einer Vielzahl von Schichten aus piezoelektrischem Material besteht, zwischen welche eine leitenden Zwischenlage eingefügt ist, die über entsprechende, außerhalb des Körpers (2) angeordnete Klemmen mit elektrischem Strom versorgt wird.
17. 17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Steuerflüssigkeit Kraftstoff ist.
18. 18. Vorrichtung zum Sperren von flüssigen Medien, im wesentlichen wie beschrieben und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.