EP1125055A1 - Ventil zum steuern von flüssigkeiten - Google Patents

Ventil zum steuern von flüssigkeiten

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EP1125055A1
EP1125055A1 EP00960338A EP00960338A EP1125055A1 EP 1125055 A1 EP1125055 A1 EP 1125055A1 EP 00960338 A EP00960338 A EP 00960338A EP 00960338 A EP00960338 A EP 00960338A EP 1125055 A1 EP1125055 A1 EP 1125055A1
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EP
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valve
piezo actuator
piston
lever
hydraulic
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EP00960338A
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Friedrich Boecking
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M59/466—Electrically operated valves, e.g. using electromagnetic or piezoelectric operating means
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    • F02M2200/701—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger mechanical
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic

Definitions

  • the invention relates to a valve for controlling liquids according to the preamble of claim 1.
  • Such a valve is described in EP-0 477 400 AI.
  • an actuating piston of the valve member is slidably arranged in a part of the stepped bore with a small diameter in a stepped bore of the valve housing.
  • a larger piston movable by a piezo actuator is arranged in part of the stepped bore with a larger diameter.
  • a hydraulic pressure chamber filled with a pressure medium is formed between the two pistons, so that a hydraulic translation of a movement of the piezo actuator takes place.
  • split hydraulic translators have been used for some time. With these divided translators, two hydraulic translators are connected in series so that their gear ratios can be added up. As a result, the requirements for each individual hydraulic translator are to be classified lower, so that the specified transmission ratio, approximately 1: 8, is nevertheless maintained even with external influences. On the other hand, these split hydraulic translators have shown a sensitivity to vibration, which in turn leads to inaccuracy.
  • the valve according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the combination of hydraulic and mechanical translator solves the vibration problem in a simple form, since the hydraulic translator no longer has to be divided. At the same time, the hydraulic translator takes over the temperature compensation between the piezo actuator and the housing, so that the usual disadvantages of temperature changes are compensated for with purely mechanical translators.
  • the valve according to the invention for controlling liquids can thus achieve a uniform repeatability of the injections, so that exactly defined injection times and / or injection quantities of fuel can be guaranteed.
  • a mechanical translator is simple and inexpensive to produce, so that there are advantages with regard to a second hydraulic translator.
  • the mechanical translator does not have any problems with trashing hydraulic fluid, so that the maintenance effort in relation to a second hydraulic translator is considerably reduced.
  • the mechanical translator can have a lever which transmits the stroke of the piston element to the valve member. Levers are simple and inexpensive to manufacture and lead to a robust embodiment of the valve.
  • the lever is advantageously mounted on a support which divides the lever into two lever arms. This is a simple form
  • the piston element is preferably designed as a push rod.
  • Push rods are common components in the present field of art, which are simple and inexpensive to manufacture.
  • the transmission surface of the push rod and the assigned surface of the piezo actuator cause a transmission ratio from 2: 1.
  • This low transmission ratio of the hydraulic translator ensures a low sensitivity to vibrations of the hydraulic translator.
  • this gear ratio with the specified lever arm length ratio of 4: 1 adds up to a total gear ratio of 8: 1, so that the desired gear ratio is achieved without vibration problems.
  • a piston assigned to the piezo actuator can be arranged between the pressure chamber and the piezo actuator.
  • this piston transmits the linear expansion from that of the piezo actuator to the push rod and, on the other hand, means that the piezo actuator does not come into contact with the hydraulic fluid.
  • the transition area between the piezo actuator and the associated piston is sealed with a sealing element.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a fuel injection valve according to a first exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a fuel injection valve according to a second exemplary embodiment of the present invention. Description of the embodiments
  • the valve according to the invention is used in an injection system in which the injection pump and the injection nozzle form a unit (so-called pump-nozzle unit (PDE)).
  • PDE pump-nozzle unit
  • FIG. 1 An injection system is shown in FIG. 1.
  • the injection valve 1 consists of a pump unit 2 and a control unit 3.
  • the control unit 3 comprises a piezo actuator 5 arranged in a housing 4.
  • the piezo actuator 5 is connected to a hydraulic pressure chamber 7 via a piston 6.
  • the piezo actuator 5 is biased by a biasing spring 8 against the housing 4 and a sealing element 9 is arranged at the transition area between the piston 6 and the piezo actuator 5 such that the
  • Piezo actuator is not exposed to the fluid in the hydraulic pressure chamber 7.
  • a pressure rod 10 with an end region 11 connects to the pressure chamber 7 at a 90 ° angle to the piston 6.
  • the pressure rod 10 including the pressure chamber 7 and piston 6 form the hydraulic translator.
  • the transmission ratio results from the ratio of the transmission surfaces 12 of the pressure rod 10 and the transmission surface 13 of the piston 6.
  • the respective diameter d1 of the piston 6a and the diameter d2 of the pressure rod 10 can of course also be used ,
  • a gear ratio of 1: 2 from the piston 6 to the push rod 10 has been found to be particularly advantageous.
  • the longitudinal extension planes of the piston 6 as well as the push rod 10 do not have to be at right angles to one another, but can also be aligned with one another or assume other angular shapes, depending on the space requirements.
  • the lower end 14 in FIG. 1 of the push rod 10 is in contact with a spherical surface of a lever 15.
  • the lever 15 rests on a support 16 of the housing 4 and is divided into a short lever arm B and a long lever arm A by this bearing.
  • the lever 15 forms the mechanical translator and the two lever arms A, B determine the transmission ratio.
  • a transmission ratio of 4: 1 has emerged as particularly preferred.
  • the second end 17 of the lever 15 is biased by a spring 18 against a control valve 18 and is in the idle state of the piezo actuator 5 and the associated idle states of the piston 6, the push rod 10 and the lever 15 in the open position.
  • control valve 18 is connected in a conventional manner to a further piston 19 together with two springs 20 and 21 and a nozzle 22. Furthermore, a high-pressure bore 23 is also provided for the conduction of the pressure to the nozzle 22, which is built up in a control chamber 24 by a piston 25, which in turn is driven by a cam, not shown.
  • the embodiment of the valve according to the invention for controlling liquids with a piezo actuator 5 shown in FIG. 2 differs from that of FIG. 1 in that not the left end 17 of the lever 15 in FIG. 1, but the right end in FIG. 2 14 of the lever 15 is biased by the spring 18 in the rest position.
  • the springs 20 and 21 are arranged spatially separate from one another and the fuel line 23 does not run directly from the pressure chamber 24 to the nozzle, but instead extends to the nozzle following the control valve 18.
  • the present invention can of course also be used in valves of a different design with a hydraulic and mechanical translator.

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Abstract

Es wird ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten vorgeschlagen, welches einen Piezoaktor (5) und einen den Hub des Piezoaktors (5) übertragenen hydraulischen Übersetzer aufweist. Der hydraulische Übersetzer umfasst einen Druckraum (7) und ein Kolbenelement (10) mit einer Übersetzungsfläche (12). Über den hydraulischen Übersetzer ist ein mit dem Kolbenelement (10) in Verbindung stehendes Ventilglied (18) betätigbar. Zudem ist zwischen dem hydraulischen Übersetzer und dem Ventilglied (18) ein mechanischer Übersetzer zwischengeschaltet.

Description

Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssig- keiten gemäß der Gattung des Patentanspruches 1.
In der EP-0 477 400 AI ist ein derartiges Ventil beschrieben. Dort ist in einer Stufenbohrung des Ventilgehäuses ein Betätigungskolben des Ventilgliedes in einem Teil der Stu- fenbohrung mit kleinem Durchmesser verschiebbar angeordnet. Ein durch einen Piezoaktor bewegbarer größerer Kolben ist in einem Teil der Stufenbohrung mit größerem Durchmesser angeordnet. Zwischen den beiden Kolben ist ein mit einem Druckmedium gefüllter hydraulischer Druckraum ausgebildet, so daß eine hydraulische Übersetzung einer Bewegung des Piezoaktors erfolgt. Das heißt, wenn der größere Kolben durch den Piezoaktor um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird, macht der Betätigungskolben des Ventilgliedes einen um das Übersetzungsverhältnis der Kolbendurchmesser vergrößerten Hub, da der Kolben des Piezoaktors eine größere Fläche als der Betätigungskolben des Ventilgliedes aufweist. Dabei liegen das Ventilglied, der Betätigungskolben des Ventilgliedes, der durch den Piezoaktor bewegte Kolben und der Piezoaktor auf einer gemeinsamen Achse hintereinander. Bei derartigen Ventilen besteht das Problem, daß ein höheres Übersetzungsverhältnis, wie etwa 1:8 nur mit entsprechend hohen Fehlertoleranzen erreichbar ist, da äußere Einflüsse, wie z.B. die Erwärmung im Motorraum oder auch Verluste im Druckmedium sehr stark als Fehlerkomponente in das Übersetzungsverhältnis eingehen.
Um dieses Problem bei einem hohen Übersetzungsverhältnis zu vermeiden, werden seit geraumer Zeit geteilte hydraulische Übersetzer eingesetzt. Bei diesen geteilten Übersetzern sind zwei hydraulische Übersetzer in Reihe geschaltet, so daß sich deren Übersetzungsverhältnisse aufaddieren lassen. Hierdurch sind die Anforderungen an jeden einzelnen hydraulischen Übersetzer niedriger einzustufen, so daß auch bei äußeren Einflüssen dennoch das vorgegebene Übersetzungsverhältnis, etwa 1:8 eingehalten wird. Andererseits hat sich bei diesen geteilten hydraulischen Übersetzern eine Schwingungsempfindlichkeit herausgestellt, welche wiederum zu einer Ungenauigkeit führt.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die Kombination aus hydraulischem und mechanischem Übersetzer in einfacher Form das Schwingungsproblem löst, da der hydraulische Übersetzer nicht mehr geteilt werden muß. Gleichzeitig übernimmt der hydraulische Übersetzer den Temperaturausgleich zwischen Piezoaktor und Gehäuse, so daß bei reinen mechanischen Übersetzern übliche Nachteile bei Temperaturänderungen kompensiert werden. Somit kann durch das er- findungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten eine gleichmäßige Wiederholbarkeit der Einspritzungen erreicht werden, so daß exakt definierte Einspritzzeitpunkte und/oder Einspritzmengen von Kraftstoff gewährleistbar sind. Ferner ist ein mechanischer Übersetzer einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar, so daß sich auch diesbezüglich Vorteile im Hinblick auf einen zweiten hydraulischen Übersetzer ergeben. Desweiteren treten bei dem mechanischen Übersetzer keine Probleme durch Schund von Hydraulikflüssigkeit auf, so daß der Wartungsaufwand in Bezug auf einen zweiten hydraulischen Übersetzer erheblich verringert ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsform kann gemäß Patentanspruch 2 der mechanische Übersetzer einen Hebel aufweisen, welcher den Hub des Kolbenelementes auf das Ventilglied überträgt. Hebel sind in einfacher Form und kostengünstig herstellbar und führen zu einer robusten Ausführungsform des Ventils.
Vorteilhaft ist entsprechend Patentanspruch 3 der Hebel auf einem Auflager gelagert, welcher den Hebel in zwei Hebelarme unterteilt. Hierdurch besteht in einfacher Form die
Möglichkeit, das Übersetzungsverhältnis an die entsprechenden Vorgaben anzupassen. Gleichzeitig kann durch das Zusammenwirken von Hebel und Auflager eine präzise Übertragung des Hubes des Piezoaktors auf das Ventilglied erreicht wer- den. Hierbei hat sich ein Hebelarm-Längenverhältnis von 4:1 als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Bevorzugt ist gemäß Patentanspruch 5 das Kolbenelement als Druckstange ausgebildet. Druckstangen sind im vorliegenden Fachgebiet übliche Bauteile, welche einfach und kostengünstig herstellbar sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Ventil zum Steuern von Flüssigkeit bewirkt die Übersetzungsfläche der Druckstange und die zuge- ordnete Fläche des Piezoaktors ein Übersetzungsverhältnis von 2:1. Durch dieses niedrige Übersetzungsverhältnis des hydraulischen Übersetzers ist eine geringe Schwingungsempfindlichkeit des hydraulischen Übersetzers sichergestellt. Andererseits addiert sich dieses Übersetzungsverhältnis mit dem vorgegebenen Hebelarm-Längenverhältnis von 4:1 zu einem gesamten Übersetzungsverhältnis von 8:1, so daß das erwünschte Übersetzungsverhältnis ohne Schwingungsprobleme erreicht wird.
Weiter kann bei dem erfindungsgemäßen Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten entsprechend Patentanspruch 7 zwischen Druckraum und Piezoaktor ein dem Piezoaktor zugeordneter Kolben angeordnet sein. Dieser Kolben überträgt einerseits die Längenausdehnung aus denen des Piezoaktors auf die Druckstange und bedingt andererseits, daß der Piezoaktor nicht mit der Hydraulikflüssigkeit in Kontakt tritt. Um diese Dichtigkeit zwischen Piezoaktor und Hydraulikflüssigkeit weiter zu verbessern, ist entsprechend Patentanspruch 8 der Ubergangsbereich zwischen Piezoaktor und zugeordneten Kolben mit einem Dichtelement abgedichtet.
Zeichnung
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfin- düng dargestellt. Die Ausführungsbeispiele werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Kraftstoffein- spritzventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Er- findung; und
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines Kraftstoffeinspritzventils gemäß einem zweiten Ausführungsbei- spiel der vorliegenden Erfindung. Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel findet das erfindungsgemäße Ventil Anwendung in einem Ein- spritzsystem, bei dem die Einspritzpumpe und die Einspritzdüse eine Einheit bildet (sogenannte Pumpe-Düse-Einheit (PDE) ) . Ein derartiges Einspritzsystem ist in Fig. 1 wiedergegeben. Das Einspritzventil 1 besteht aus einer Pumpeneinheit 2 und einer Steuereinheit 3. Die Steuereinheit 3 umfaßt einen in einem Gehäuse 4 angeordneten Piezoaktor 5. Der Piezoaktor 5 steht über einen Kolben 6 mit einem hydraulischen Druckraum 7 in Verbindung. Der Piezoaktor 5 ist hierbei durch eine Vorspannfeder 8 gegen das Gehäuse 4 vorgespannt und ein Dichtelement 9 ist am Übergangsbereich zwischen Kolben 6 und Piezoaktor 5 derart angeordnet, daß der
Piezoaktor nicht dem Fluid im hydraulischen Druckraum 7 ausgesetzt wird.
In Fig. 1 schließt im 90° Winkel zum Kolben 6 an den Druck- räum 7 eine Druckstange 10 mit einem Endbereich 11 an. Hierbei bilden die Druckstange 10 einschließlich Druckraum 7 und Kolben 6 den hydraulischen Übersetzer. Das Übersetzungsverhältnis ergibt sich aus dem Verhältnis der Übersetzungsflachen 12 der Druckstange 10 sowie der Übersetzungsfläche 13 des Kolbens 6. Anstelle des Flächenverhältnisses der beiden Flächen 12 und 13 können natürlich auch die jeweiligen Durchmesser dl des Kolbens 6a als auch der Durchmesser d2 der Druckstange 10 herangezogen werden. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei ein Übersetzungsverhältnis von 1:2 vom Kolben 6 auf die Druckstange 10 ergeben. Zudem müssen die Längserstreckungsebenen des Kolbens 6 als auch der Druckstange 10 nicht im rechten Winkel zueinander stehen, sondern können je nach Raumvorgabe auch miteinander fluchten oder andere Winkelformen einnehmen. Das in Fig. 1 untere Ende 14 der Druckstange 10 ist mit einer sphärischen Fläche eines Hebels 15 in Kontakt. Der Hebel 15 liegt auf einem Auflager 16 des Gehäuses 4 auf und wird durch diese Lagerung in einen kurzen Hebelarm B und einen langen Hebelarm A unterteilt. Hierbei bildet der Hebel 15 den mechanischen Übersetzer und die beiden Hebelarme A, B legen das Übersetzungsverhältnis fest. Als besonders bevorzugt hat sich ein Übertragungsverhältnis von 4:1 herauskristallisiert .
Das zweite Ende 17 des Hebels 15 ist durch eine Feder 18 gegen ein Steuerventil 18 vorgespannt und befindet sich im Ruhezustand des Piezoaktors 5 und der damit einhergehenden Ruhezustände des Kolbens 6, der Druckstange 10 und des Hebels 15 in geöffneter Stellung.
An das Steuerventil 18 schließt sich in Fig. 1 in üblicher Weise ein weiterer Kolben 19 nebst zweier Federn 20 und 21 und Düse 22 an. Ferner sind noch eine Hochdruckbohrung 23 für die Leitung des Druckes zur Düse 22 vorgesehen, welcher in einem Steuerraum 24 durch einen Kolben 25 aufgebaut wird, der wiederum über einen nicht dargestellten Nocken angetrieben wird.
Wirkungsweise
Bei einer Ansteuerung des Piezoaktors 5 des erfindungsgemäßen Ventils 1 zum Steuern von Flüssigkeiten wird die Längenausdehnung des Piezoaktors 5 über den Kolben 6 mittels des hydraulischen Fluids im Druckraum 7 auf die Druckstange 10 etwa im Verhältnis 1:2 übertragen. Diese übersetzte Längenausdehnung wird anschließend von der Druckstange 10 auf das Ende 14 des Hebels 15 übertragen sowie vom zweiten Ende 17 des Hebels 15 wiederum an das Steuerventil 18 abgegeben. Hierbei addieren sich die Übersetzungsverhältnisse des hy- draulischen Übersetzers als auch des mechanischen Übersetzers auf, d.h. bei den bevorzugten Werten von etwa 1:2 beim hydraulischen Übersetzer und von etwa 1:4 beim mechanischen Übersetzer auf ein Gesamtübersetzungsverhältnis von 1:8.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Piezoaktor 5 unterscheidet sich von demjenigen von Fig. 1 dadurch, daß nicht das in Fig. 1 linke Ende 17 des Hebels 15, sondern in Fig. 2 das rechte Ende 14 des Hebels 15 durch die Feder 18 in die Ruhelage vorgespannt ist. Zudem sind die Federn 20 und 21 räumlich getrennt voneinander angeordnet und die Kraftstoffleitung 23 läuft nicht direkt vom Druckraum 24 zur Düse, sondern erstreckt sich im Anschluß an das Steuer- ventil 18 wiederum zur Düse. Trotz dieser konstruktiven Unterschiede ergibt sich jedoch auch bei dem Ausführungsbei- spiel gemäß Fig. 2 die gleiche Funktionsweise und das gleiche Zusammenspiel zwischen hydraulischem und mechanischem Übersetzer gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 1.
Die vorliegende Erfindung kann selbstverständlich auch bei anders ausgestalteten Ventilen mit hydraulischem und mechanischem Übersetzer verwendet werden.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zur Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Ventil (1) zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Piezo- aktor (5) und mit einem den Hub des Piezoaktors (5) übertragenen hydraulischen Übersetzer, wobei der hydraulische Übersetzer einen Druckraum (7) und ein Kolbenelement (10) mit einer Übersetzungsfläche (12) aufweist sowie über den hydraulischen Übersetzer ein mit dem Kolbenelement (10) in Verbindung stehendes Ventilglied (18) betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen hydraulischem Übersetzer und Ventilglied (18) ein mechanischer Übersetzer zwischengeschaltet ist .
2. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Übersetzer einen Hebel (15) aufweist, welcher den Hub des Kolbenelementes (10) auf das Ventilglied (18) überträgt.
3.Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel (15) auf einem Auflager (16) gelagert ist, welches den Hebel (15) in zwei Hebelarme (A, B) unterteilt.
4. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebelarm (A, B) ein Hebelarm- Längenverhältnis von 4:1 aufweist.
5. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kolbenelement (10) als Druckstange ausgebildet ist.
6. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übersetzungsflache (12) der Druckstange (10) und die zugeordnete Fläche (13) des Piezoaktors (5) ein Übersetzungsverhältnis von 2:1 bewirken.
7. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Druckraum (7) und Piezoaktor (5) ein dem Piezoaktor (5) zugeordneter Kolben (6) mit Fläche (13) angeordnet ist.
8. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dichtelement (9) den Ubergangsbereich zwischen Piezoaktor (5) und zugeordneten Kolben (6) abdichtet.
EP00960338A 1999-08-20 2000-08-01 Ventil zum steuern von flüssigkeiten Withdrawn EP1125055A1 (de)

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EP (1) EP1125055A1 (de)
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