DE4422943A1

DE4422943A1 - Vorrichtung für den Antrieb eines Mikroventils

Info

Publication number: DE4422943A1
Application number: DE19944422943
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Ing Dr Mettner; Gerhard Dipl Ing Stockmaier; Armin Dipl Ing Schuelke; Thomas Dipl Phys Dr Grauer; Thanh-Hung Dip Nguyen-Schaefer; Christian Dipl Ing Doering; Thomas Dipl Phys Dr Schittny; Werner Dipl Phys Dr Uhler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-06-30
Filing date: 1994-06-30
Publication date: 1996-01-04

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem mikromechanisches Mehrstufen ventil nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs aus.

Aus der DE-OS 39 19 876 A1 ist ein mikromechanisches Ven til bekannt, das in einer aus der Halbleitertechnik ver wendeten Mehrschichtstruktur hergestellt ist. Das Mikroven til weist primär drei Schichten auf. Die mittlere Schicht trägt ein tellerförmiges Schließglied, das in der Schicht mittels einer Membrane geführt ist. Des weiteren ist in dieser Schicht ein Zulaufanschluß integriert. Unter der mittleren Schicht ist eine Trägerschicht mit einem zur Mem brane hin ausgerichteten Hohlraum angeordnet. In dem Hohl raum befindet sich ein Betätigungsorgan. Oberhalb der mitt leren Schicht ist eine Deckschicht mit einem zentralen Aus laßanschluß aufgebracht. Der erweiterte Rand des Auslaß anschlusses bildet den Ventilsitz. Der Auslaßanschluß, das Schließglied und der Ventilsitz haben rotationssymmetrische Formen und sind koaxial zueinander angeordnet. Beim Betrieb des Ventils strömt eine Flüssigkeit durch den Zu laufanschluß in der mittleren Schicht ein. Dort umströmt sie das offene Schließglied, um sich auf der Rückseite des Schließgliedes vor einem zentralen Auslaßanschluß für das Ausströmen zu sammeln.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Mehrstufenventil mit den kennzeichnen den Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber der bekann ten Kombination aus diskret verschalteten, separaten Mikro ventilen u. a. die Vorteile eines geringen Platzbedarfs und einer kurzen Reaktionszeit. Das Bauvolumen ist klein durch den engen Lateral- und/oder Vertikalaufbau bzw. durch das raumsparende Schachteln von Vorsteuer- und Hauptstufenven til. Die kurze Reaktionszeit ist bedingt durch die relativ kurzen Hydraulikkanäle bzw. -leitungen, die die erfindungs gemäße Bauweise ermöglicht. Besonders viel Raum wird ge spart, wenn z. B. einige Hauptstufenventile im Kreis um je weils ein Vorsteuerstufenventil angeordnet sind. Ferner ist es von Vorteil, daß sowohl das Vorsteuerstufenventil als auch das Hauptstufenventil mit derselben Flüssigkeit ver sorgt wird. An den Zuläufen beider Ventilarten steht zudem der Systemdruck an. Durch die Nutzung der hydraulischen Hilfsenergie des Hauptstufenventils hat das Gesamtventil darüberhinaus eine hohe Antriebsenergiedichte.

Bei in den Unteransprüchen 11 und 12 beschrieben Ventilkom binationen ergibt sich zusätzlich der Vorteil, daß bei ei ner betriebsbedingten Steuerdruckabsenkung der Kraftstoff direkt ins Saugrohr eingespritzt wird.

In den weiteren Unteransprüchen werden Maßnahmen auf ge führt, die eine vorteilhafte Weiterbildung und Ausgestal tung des im Hauptanspruch beschriebenen Gegenstands dar stellen. So werden hier u. a. folgende konstruktive Details vorgestellt: a) wie die Flüssigkeit durch die einzelnen Ventilbereiche geleitet wird, b) wie das Vorsteuerstufen ventil angetrieben wird, c) wo der Feinfilter angeordnet ist und d) wie die Vorsteuerstufenventile mit den Hauptstu fenventilen bei einfachem Aufbau und sicherer Funktion kom binierbar sind.

Die Flüssigkeit, die bei der vorliegenden Erfindung ggf. in einen Gasstrom eingespritzt wird (sogenannte Luftumfas sung), ist vorzugsweise ein Kraftstoff bzw. Treibstoff oder ein anderes Medium, das sich mit einem Gas technisch ver wertbar mischen läßt. Das verwendete Gas ist beispielsweise Luft.

Zeichnungen

Vier Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeich nungen schematisch in vergrößertem Maßstab dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Schaltprinzip eines zweistufigen Ventils;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein mikromechanisches Zweistufenventil mit Vertikalaufbau;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein mikromechanisches Zweistufenventil mit Lateralaufbau;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein mikromechanisches Zweistufenventil, wobei das Vorsteuerstufenventil im Hauptstufenventil angeordnet ist und

Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein mikromechanisches Zweistufenventil, wobei das Hauptstufenventil im Vor steuerstufenventil angeordnet ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Neben einer Prinzipdarstellung gemäß Fig. 1 zeigen

Fig. 2 bis 5 jeweils einen Längsschnitt durch ein mikromechani sches Mehrstufenventil bei dem eine Vorsteuerstufe die Hauptstufe steuert, die ggf. ein Einspritzventil ist. Die einzelnen Ventilvarianten sind vergrößert und vereinfacht dargestellt. Zur Herstellung der dargestellten Mehr schichtstruktur werden Fertigungstechnologien verwendet, die u. a. aus der Halbleitertechnik und der Leiterplatten technologie in der Elektronik stammen. Diese Technologien sind beispielsweise unter Namen wie Siliziumtechnologie, Dünn- und/oder Dickschichttechnologie bekannt. Aber auch die LIGA-Technik, eine Technik, mit der Werkstoffe wie Me talle, Kunststoffe und Keramiken in den Aufbau integriert werden, kann hier eingesetzt werden. Die Verwendung der vorgenannten Technologien zur Herstellung von vorgegebenen dreidimensionalen Formen in einer Mehrschichtenstruktur und ihr Vermögen durch Strukturdetails bestimmte mechanische Elemente herauszubilden gehören zum Stand der Technik.

Die Fig. 1 zeigt das Prinzip der Ansteuerung eines Haupt stufenventils 14 durch das in Form eines Schaltbildes dar gestellten Vorsteuerstufenventils 110. Das Vorsteuerstufen ventil ist ein elektrisch betätigbares 2/2-Wegeventil mit Sperr-Nullstellung und Durchflußstellung. Im unbestromten Zustand wird es durch eine Rückstellfeder in Sperr-Nullstellung gehalten. Am symbolisch gezeichneten Hauptstu fenventil 14 steht über eine Hauptkraftstoffleitung 101 der Kraftstoff mit dem Systemdruck p_i an. Von dieser Leitung zweigt eine Steuerkraftstoffleitung 102 ab. Sie führt über einen Feinfilter 106 und eine Drossel 107 zum Vorsteuerstu fenventil 110. Zwischen dem Drosselventil 107 und dem Vor steuerstufenventil 110 zweigt eine Steuerleitung 103 zum Hauptstufenventil 14 ab. Das Vorsteuerstufenventil 110 ist über die Tankrücklaufleitung 104 mit einem Rücklauftank 108 verbunden.

Zum Öffnen des Hauptsteuerventils 14 bzw. zum Einspritzen des Kraftstoffs wird der Steuerdruck p_v in der Steuerlei tung 103 gedrosselt. Dazu wird das Vorsteuerstufenven til 110 durch Bestromen geöffnet; ein Teil des Kraftstoffs fließt in den Rücklauftank 108 und ein anderer Teil fließt in die Einspritzzone ab, womit der Steuerdruck p_v auf ein Minimum sinkt.

In Fig. 2 ist ein mikromechanisches Mehrstufenventil 100 dargestellt, das ein Hauptstufenventil 14 mit hydraulischem Antrieb und darüber ein beispielsweise elektrostatisch angetriebenes Vorsteuerstufenventil 110 enthält. Die ein zelnen Schichten des Vorsteuer- und Hauptstufenventils 110, 14 liegen hier übereinander, wobei die meisten Membranen, Stempel, Ringkanäle und Ausnehmungen rotationssymmetrisch oder rechteckig um eine zu den Schichten senkrecht stehende Achse 15 angeordnet sind.

Das Hauptstufenventil 14 umfaßt zumindest vier verschiedene Schichten. Die aufeinanderliegenden Schichten sind der Reihe nach: eine Auslaßschicht 30, eine Schließglied schicht 40, eine Arbeitsmembranschicht 50 und eine Steuer druckschicht 60.

Das zentrale Bauteil bildet die Schließgliedschicht 40. Sie enthält mittig ein scheibenförmiges Schließglied (Schließ gliedplatte) 42, die von einem Ringkanal 43 umgeben ist. Letzterer wird über einen Kraftstoffzulaufkanal 45 mit un ter Systemdruck p_i stehenden Kraftstoff versorgt. Der un tere Teil des Schließgliedes 42 hat eine Ausnehmung 48. Der mittlere Radius der Ausnehmung 48 ist hier kleiner als der mittlere Außenradius des unteren Teils des Schließ gliedes 42, womit am Rand der Ausnehmung 48 eine Dicht kante 49 gestaltet ist.

Diese Dichtkante 49 ragt in die, unter der Schließglied schicht 40 liegende, Auslaßschicht 30 hinein. Diese Schicht 30 enthält eine ebene Ventilsitzfläche 31, die unterhalb des Schließgliedes 42 in einen Einspritzraum 35 übergeht.

Oberhalb der Schließgliedschicht 40 befindet sich die Arbeitsmembranschicht 50. Diese Schicht besteht größten teils aus einer Arbeitsmembrane 51, die durch den Rand der Arbeitsmembranschicht 50 eingespannt ist. Die Arbeitsmem brane 51 hat einen scheibenförmigen Aufbau. Die Oberfläche der Arbeitsmembrane 51 liegt im unbelasteten Zustand wenig stens annähernd in einer Ebene. Die Arbeitsmembrane 51 ist dabei im oberen Bereich der Arbeitsmembranschicht 50 ange ordnet. Somit bildet der Hohlraum 52 unter der Arbeitsmem brane 51 zusammen mit dem Ringkanal 43 die kraftstoffüh rende Kammer. In der Mitte der Arbeitsmembrane 51 ist ein nach unten gerichteter Stempel 53 ausgebildet, der das dar unterliegende Schließglied 42 trägt.

Über der Arbeitsmembranschicht 50 ist die Steuerdruck schicht 60 angeordnet. Ungefähr die obere Hälfte der Steuerdruckschicht 60 besteht aus einer steifen Trag platte 65. Die untere Hälfte beinhaltet eine nahezu schei benförmige, mit unter dem Steuerdruck p_v stehende Kraft stoff befüllte Gegendruckkammer 61. Der Kraftstoff wird der Gegendruckkammer 61 über eine Drossel 107 von außen zuge führt. Im Bereich oberhalb des Stempels 53 der Arbeitsmem brane 51 ist in der Steuerdruckschicht 60 ein Anschlagbal ken 63 an der Tragplatte 65 angeordnet, der ggf. einen elektrischen Antrieb für das Vorsteuerstufenventil 110 ent hält. Einzelne Antriebsteile können sich auch in die Trag platte 65 erstrecken.

An der Oberseite der Steuerdruckschicht 60 ist die zweite Arbeitsmembranschicht 150 als unterste Schicht des Vorsteuerstufenventils 110 angeordnet. Sie enthält eine vorzugsweise kreisringförmige oder auch rechteckige Ar beitsmembrane 151, die in unbelastetem Zustand bzw. in ih rer Ruheposition weitgehend eben ist. Die Arbeits membrane 151 hat eine relativ schmale Ringfläche, die beispielsweise im unteren Bereich der zweiten Arbeits membranschicht liegt. Sie wird von der sie umgebenden Schicht 150 gehalten. Unmittelbar unter ihr liegt ein groß flächiger, niedriger Steuerhohlraum 66 mit gleichem Außen durchmesser. Über der Arbeitsmembrane 151 befindet sich eine kanalartige Vorventilkammer 152 mit vorzugsweise einem trapezförmigen Einzelquerschnitt. Sie wird zum Zentrum der Schicht hin durch den Arbeitsstempel 153 begrenzt. Die Vor ventilkammer 152 ist über einen vertikalen Verbindungska nal 157 mit der Gegendruckkammer 61 verbunden. Im Arbeits stempel 153 der zweiten Arbeitsmembranschicht 150 befindet sich ein gasgefüllter, beispielsweise rondenförmiger oder auch quadrat- bzw. pyramidenförmiger Hohlraum 158, der über eine Sicherheitsdrossel 159 mit dem Steuerhohlraum 66 in Verbindung steht.

Oberhalb der zweiten Arbeitsmembranschicht 150 ist eine zweite Schließgliedschicht 140 angeordnet. In der Mitte dieser Schicht 140 befindet sich ein nach unten zu öffnen des Schließglied 142, das am Arbeitsstempel 153 befestigt ist. Im Zentrum des Schließgliedes 142 ist eine Ausneh mung 148 gebildet, die mit einer dünnwandigen Druckaus gleichsmembrane 141 den Ausgleichsraum 158 im Arbeitsstem pel 153 verschließt. Um das Schließglied 142 herum ist ein Ringkanal 143 mit einem doppeltrapezförmigen Einzelquer schnitt angeordnet.

Auf dem oberen Randbereich der zweiten Schließglied schicht 140 ist eine zweite Auslaßschicht 130 befestigt. In ihr ist gegenüber dem Schließglied 142 der vorzugsweise ringförmige Ventilsitz 131 angeordnet. Um den Ventil sitz 131 herum ist ein relativ flacher Ringkanal 135 ausge bildet. Im Bereich innerhalb des ringförmigen Ventilsit zes 131 befindet sich eine Ausnehmung 132, die im Zentrum einen Rücklaufauslaß 133 hat.

In den Kanälen 43, 45 der Schließgliedschicht 40 und in dem Hohlraum 52 der Arbeitsmembranschicht 50 befindet sich Kraftstoff, der unter dem Systemdruck p_i steht. Die darüber liegenden Kammern 61, 152 und die Kanäle 135, 143, 157 wer den über einen hier nicht dargestellten Feinfilter und die Drossel 107 mit Kraftstoff befüllt. Sie sind mit dem Steuerdruck p_v beaufschlagt. Solange - bei einem neutralen Federverhalten der Arbeitsmembrane 51 - das Produkt aus wirksamer oberer Arbeitsmembranfläche und Steuerdruck grö ßer ist als das Produkt aus wirksamer unterer Arbeitsmem branfläche und Systemdruck, bleibt das Hauptstufenventil 14 geschlossen. Sobald jedoch der Steuerdruck fällt, wird der Stempel 53 nach oben gegen den Anschlag 63 gedrückt. Da durch wird die Schließgliedplatte 42 von der Ventilsitzflä che 31 abgehoben. Im Bereich der Dichtkante 49 wird der Kraftstoff in das Saugrohr eingespritzt.

Im Bereich des Anschlags 63 und dem Arbeitsstempel 153 sind elektrische Betätigungsorgane (Antriebe) integriert. Diese arbeiten beispielsweise nach einem magnetischen, elektro statischen oder piezoelektrischen Prinzip. Bei einer An steuerung des Betätigungsorgans wird der Arbeitsstempel 153 gegen die Tragplatte 65 gezogen. Dabei wird das im Steuer hohlraum 66 befindende Gas durch die Sicherheitsdrossel 159 in den Ausgleichsraum 158 verdrängt. Durch den Druckanstieg im Ausgleichsraum 158 wird die Druckausgleichsmembrane 141 verformt. Auf der Kraftstoffseite bewirkt die Bestromung durch das Absenken des Schließgliedes 142 ein öffnen des Vorsteuerstufenventils 110. Der Kraftstoff fließt aus den Kammern 61, 152 und Kanälen 135, 143, 157 über den Rück laufauslaß 133 zum Rücklauftank 108. Aufgrund des schmalen Spaltes (Arbeitshub) zwischen dem Schließglied 142 und dem Ventilsitz 131 werden zumindest das Vorsteuerstufen ventil 110 mit fein gefiltertem Kraftstoff versorgt.

Fig. 3 zeigt das lateral aufgebaute Mehrstufenventil 99. Es umfaßt primär vier aufeinanderliegende Schichten. Diese sind der Reihe nach die Auslaßschicht 30, die Schließglied schicht 40, die Arbeitsmembranschicht 50 und die Steuer druckschicht 60.

Der rechte Teil des Mehrstufenventils 99 hat einen mit dem Mehrstufenventil 100 vergleichbaren Aufbau. Die Kraftstoff zuläufe 45, 102 werden ebenso wie der Verbindungskanal 157 vertikal durch die Schichten 60 und 50 zu den ent sprechenden Kammern bzw. Kanälen geführt. Der linke Teil des Mehrstufenventils 99 hat einen parallelen Aufbau. Die Arbeitsmembranen 51, 151, Schließglieder 42, 142, die Ventilsitzflächen 31, 131 und Auslaßkanäle 35, 133 sind in den selben Schichten nebeneinander angeordnet. Der Kraft stoff fließt hierbei in senkrechter Richtung in den Rückl auftank 108 ab.

In Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch ein mikromechanisches Mehrstufenventil 98 schematisch dargestellt, bei dem das Vorsteuerstufenventil im Hauptstufenventil angeordnet ist. Dazu ist der Ventilsitz 31 des Hauptstufenventils in einem Außenaufbau 161 integriert. Im Außenaufbau 161 ist das rahmenförmige Schließglied des Hauptstufenventils als In nenaufbau 162 mit Hilfe einer Arbeitsmembrane 51 gelagert. Der zwischen dem Außenaufbau 161 und dem Innenaufbau 162 liegende Ringkanal 43 wird über die Hauptkraftstofflei tung 101 mit Kraftstoff versorgt.

In den Innenaufbau 162 bzw. den Ringkanal 143 fließt der Kraftstoff über die Steuerkraftstoffleitung 102, den Fein filter 106, die Drossel 107, die Gegendruckkammer 61 und den Verbindungskanal 157. Im Innenaufbau 162 ist das Schließglied 142 über die Arbeitsmembrane 151 gelagert. Ober- und unterhalb des Steuerhohlraums 66 befinden sich die Teile der Betätigungsorgane des Vorsteuerstufenventils.

In Fig. 5 ist ein schematisch dargestellter Längsschnitt durch ein mikromechanisches Mehrstufenventil 97 gezeigt, bei dem das Hauptstufenventil in dem Vorsteuerstufenventil angeordnet ist;
Dazu ist der Ventilsitz 131 des Vorsteuerstufenventils in einem Außenaufbau 163 integriert. Im Außenaufbau 163 ist das rahmenförmige Schließglied des Vorsteuerstufenventils als Innenaufbau 164 mit Hilfe einer Arbeitsmembrane 151 ge lagert. Im Innenaufbau 164 ist das Schließglied 42 mittels der Arbeitsmembrane 51 gelagert. Der Kraftstoff für die Haupteinspritzung fließt in den Innenaufbau 164 bzw. den Ringkanal 43 über die Hauptkraftstoffleitung 102. Des wei teren strömt Kraftstoff über die Steuerkraftstofflei tung 102, den Feinfilter 106 und die Drossel 107 in die Gegendruckkammer 61 und von dort über den Verbindungska nal 157 in den Ringkanal 143. Ober- und unterhalb des Steu erhohlraums 66 befinden sich die Teile der Betätigungsor gane des Vorsteuerstufenventils.

Claims

1. Mikromechanisches Mehrstufenventil, mit

- einem aus einer Mehrschichtstruktur gefertigten Aufbau mit jeweils mindestens einem Zulauf und Auslaß für ein Fluid, wobei in dem Aufbau membrangeführte, auf den jewei ligen Ventilsitzen aufliegende Schließglieder angeordnet sind, die mittels Betätigungsorganen (Antriebe) bewegbar sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

- das Mehrstufenventil (100) wenigstens ein hydraulisch betätigbares Hauptstufenventil (14) und mindestens ein Vor steuerstufenventil (110) umfaßt, daß
- das Haupt- und Vorsteuerstufenventil (14, 110) jeweils mit einem Systemdruck beaufschlagbar ist und daß
- mindestens ein Vorsteuerstufenventil (110) mit dem Betätigungsorgan (61-66) von wenigstens einem Hauptstufen ventil (14) hydraulisch in Verbindung steht.

2. Mehrstufenventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

- im Zulauf (102) für das Vorsteuerstufenventil (110) eine Drossel (107) integriert ist.

3. Mehrstufenventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Zulauf (102) für das Vorsteuerstufenventil (110) ent weder über die Drossel (107) und eine Vorventilkammer (152) mit einem Steuerdruckzulauf (62) des Hauptstufenven tils (14) in Verbindung steht oder der Zulauf (102) über die Drossel (107), eine Gegendruckkammer (61) und einen Verbindungskanal (157) erfolgt.

4. Mehrstufenventil nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß

- im Vorsteuerstufenventil (110) die Vorventilkammer (152) durch ein öffnen des Schließgliedes (142) mit einem Rückl auftank (108) in Verbindung steht.

5. Mehrstufenventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

- im Vorsteuerstufenventil (110) ein, in einer Arbeitsmem brane (151) gelagerter, Arbeitsstempel (153) angeordnet ist, der über einen rückwärtigen Spaltraum (66) hinweg mit elektromagnetischen oder elektrostatischen Betätigungs organen in Wirkverbindung steht.

6. Mehrstufenventil nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß

- der Spaltraum (66) über eine Sicherheitsdrossel (159) mit einem im Arbeitsstempel (153) integrierten Ausgleichs raum (158) in Verbindung steht, wobei zumindest ein Teil der Wandung des Ausgleichsraums (158) im Bereich des Schließgliedes (142) eine Druckausgleichsmembrane (141) ist.

7. Mehrstufenventil nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß

- die im Vorsteuerventil integrierte Sicherheitsdrossel (159) so ausgebildet ist, daß im Fall eines Bruchs der Ar beitsmembrane des Vorsteuerventils das Hauptstufenventil geschlossen wird.

8. Mehrstufenventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

- im oder vor dem Zulauf (102) für das Vorsteuer stufenventil (110) ein Feinfilter (106) angeordnet ist.

9. Mehrstufenventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

- das Vorsteuerstufenventil (110) über dem Hauptstufen ventil (14) angeordnet ist.

10. Mehrstufenventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

- das Vorsteuerstufenventil (110) neben dem Hauptstufen ventil (14) angeordnet ist.

11. Mehrstufenventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

- das Vorsteuerstufenventil im Schließglied (42, 162) des Hauptstufenventils angeordnet ist, wobei das Schließ glied (142) des Vorsteuerstufenventils in den Einspritz raum (35) öffnet.

12. Mehrstufenventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

- das Hauptstufenventil im Schließglied (142, 164) des Vor steuerstufenventils angeordnet ist, wobei beide Schließ glieder (42, 142) in den Einspritzraum (35) öffnen.