EP1317618A1 - Ventil zum steuern von flüssigkeiten - Google Patents

Ventil zum steuern von flüssigkeiten

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EP1317618A1
EP1317618A1 EP01951348A EP01951348A EP1317618A1 EP 1317618 A1 EP1317618 A1 EP 1317618A1 EP 01951348 A EP01951348 A EP 01951348A EP 01951348 A EP01951348 A EP 01951348A EP 1317618 A1 EP1317618 A1 EP 1317618A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
rocker arm
controlling liquids
valve element
seat
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01951348A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Friedrich Boecking
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1317618A1 publication Critical patent/EP1317618A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0014—Valves characterised by the valve actuating means
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
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    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0031—Valves characterized by the type of valves, e.g. special valve member details, valve seat details, valve housing details
    • F02M63/0033—Lift valves, i.e. having a valve member that moves perpendicularly to the plane of the valve seat
    • F02M63/0036—Lift valves, i.e. having a valve member that moves perpendicularly to the plane of the valve seat with spherical or partly spherical shaped valve member ends
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/004—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by piezoelectric means
    • F16K31/007—Piezoelectric stacks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • 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
    • F02M2200/701—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger mechanical

Definitions

  • injectors which use hydraulic translators to translate the stroke of a piezo actuator.
  • such solutions generally have one relatively complicated structure and consist of a large number of parts. Since the piezo actuators only have a very small lifting capacity, the effort involved in the known mechanical or hydraulic translators is relatively great.
  • the rocker arm and the valve element are formed in one piece.
  • the valve element is integrated directly in the rocker arm.
  • the geometric shape of the area of the rocker arm, which serves as a valve element can be arbitrary. It is only important to note that there is sufficient sealing properties on the valve seat. they are.
  • the area of the rocker arm serving as a valve element can be hemispherical or conical.
  • valve element is designed as a separate ball which can be actuated via the rocker arm.
  • a recess is preferably formed in the rocker arm to accommodate the valve element.
  • the recess can either be designed in such a way that the valve element is fixed in the recess (e.g. by means of an interference fit) or in such a way that the valve element is arranged loosely in the recess.
  • the restoring element preferably engages directly on
  • a spring such as e.g. used a coil spring.
  • a spring seat is particularly preferably formed in the rocker arm. This can be formed, for example, by a recess arranged in the rocker arm, which receives one end of the spring.
  • the translator is preferably arranged in a guide sleeve.
  • the translator is then guided in this guide sleeve during operation.
  • the guide sleeve can be easily manufactured in advance with very low component tolerances. Thus the transfer only minimal play, which gives the entire system maximum rigidity.
  • the valve element is designed as a double-seat valve.
  • the two seats are preferably arranged on a lever side of the rocker arm.
  • the valve can be designed in such a way that it can assume three positions, namely a first position in which the valve element lies against and closes the first valve seat, a second position in which the valve element lies against and closes the second valve seat. and a third position in which the valve element is not in contact with either of the two valve seats, so that both valve seats are open (middle position).
  • the rocker arm is preferably connected to the piezo actuator via a drawstring. This enables the valve to be easily held in the central position.
  • a through opening is preferably formed in the rocker arm, in which a separate valve element, such as e.g. a ball is picked up.
  • the valve according to the invention is preferably used to control liquids in an injection device for a co-mon-rail system. It is particularly preferably used as a control valve of an injector.
  • a valve for controlling liquids is thus provided which, due to its small number of components, provides a compact design and thus maximum system rigidity. This allows the The injection process, in particular in the case of fuel injection in storage injection systems, can be carried out more precisely and further improved.
  • Figure 1 is a schematic partial sectional view of a
  • Control valve for a fuel injection valve according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a schematic partial sectional view of a control valve for a fuel injection valve according to a second exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a schematic partial sectional view of a control valve for a fuel injection valve according to a third exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows a schematic partial cross-sectional view of a control valve for a fuel injection valve according to a fourth exemplary embodiment of the present invention
  • Figure 5 is a graphical representation of the nozzle position of the fuel injection valve as a function of the control valve
  • Figure 6 is a graphical representation of the position of the control valve shown in Figure 4 over time.
  • Figure 1 shows a control valve for a fuel injector in a Comrrton rail system.
  • the control valve 1 comprises a piezo actuator 2, a mechanical translator designed as a rocker arm 3 and a helical spring 4 used as a reset element.
  • the rocker arm is arranged in a space 25 in the valve.
  • the rocker arm 3 has a hemispherical area 5 which is designed as a valve element.
  • the hemispherical region 5 closes a valve seat 6.
  • the rocker arm 3 is rotatably mounted at two points, namely a first bearing 9 and a second bearing 10.
  • the rocker arm 3 rotates about an imaginary point P, which lies in the middle of the distance between the two bearing points 9 and 10.
  • the rocker arm 3 has a support surface 13 on which a piston 8 rests, which is connected to the piezo actuator 2.
  • the area 5 of the rocker arm 3 closes an outlet from a control chamber 18, in which a control piston 19 is arranged.
  • the control piston 19 is indirectly or directly connected to a valve needle of the fuel injection valve in order to open or close it.
  • a fuel supply line 17 is connected to the control chamber 18 via a throttle 16.
  • the ratio of the rocker arm is a: b, where a is the length of the lever arm between a straight line AA through the bearing points 9 and 10 and a center line BB for a bore to the control chamber 18, which is closed or closed by the area 5 of the rocker arm 3. is opened.
  • the length b is the distance between the axis AA and an axis CC, which forms the center line of the piston 8, which presses the rocker arm 3.
  • control valve The function of the control valve according to the first embodiment is described below. If fuel which is in contact with an injection needle of the injector under high pressure via the supply line 17 is to be injected, the piezo actuator 2 is activated such that it carries out a stroke in the direction of the piston. This stroke of the piezo actuator 2 is transmitted via the piston 8 to the first lever b of the rocker arm 3. As a result, the rocker arm 3 rotates about the point P on the axis A-A, so that the region 5 of the rocker arm is lifted off the valve seat 6 against the force of the coil spring 4. As a result, the control chamber 18 is connected via a throttle 15 to the chamber 25 in which the rocker arm is arranged. Control chamber 18 is also connected to fuel supply line 17 via throttle 16.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a control valve for an injector for injecting fuel.
  • the same or functionally the same parts are denoted by the same reference numerals as in the first embodiment. Since the second exemplary embodiment essentially corresponds to the first exemplary embodiment, only differences are explained in detail below.
  • the rocker arm 3 of the second exemplary embodiment is designed such that it has a cutout 11 in which a separate valve element 5 is arranged.
  • the valve element is designed as a valve ball 5.
  • the valve ball 5 is loosely arranged in the recess 11 of the rocker arm 3.
  • the rocker arm 3 is only stored at a bearing 9.
  • the pivot point of the rocker arm 9 is at the contact area of the bearing 9 with the rocker arm 3 on the line A-A.
  • two protruding bulges 23 and 24 are formed on the side walls of the space 25 for receiving the rocker arm, between which the rocker arm 3 is arranged. These curvatures 23 and 24 serve to guide the rocker arm 3 and further increase the rigidity. system.
  • the lever ratio of the rocker arm 3 is determined by the length of the two arms a: b and can be changed depending on the application by changing the lever arm lengths. To do this, another rocker arm element 3 must simply be installed in the injector, the bearing point 9 of which is shifted to the left or right.
  • the function of the injector shown in FIG. 2 essentially corresponds to the function of the injector of the first exemplary embodiment, so that reference can be made to the description in the first exemplary embodiment.
  • FIG. 3 shows a control valve for an injector for injecting fuel in accordance with a third exemplary embodiment of the present invention.
  • the same or functionally identical parts are identified by the same reference numerals as in the two previously described exemplary embodiments. Since the third exemplary embodiment essentially corresponds to the second exemplary embodiment, only differences are explained in detail below.
  • no curvatures 23 and 24 are provided in the third exemplary embodiment.
  • a guide sleeve 20 is provided in the third exemplary embodiment in order to guide the rocker arm 3.
  • the guide sleeve 20 can be easily manufactured in advance and can meet high tolerance requirements, the rigidity of the system can be further improved. Otherwise, the third exemplary embodiment corresponds to the second exemplary embodiment, so that a further description is not necessary.
  • FIG. 4 shows a valve for controlling liquids in accordance with a fourth exemplary embodiment of the present invention. shown. Identical or functionally identical parts are identified by the same reference symbols as in the exemplary embodiments described above.
  • the fourth embodiment of the present invention is designed as a double seat valve.
  • a first valve seat 6 and a second valve seat 7 are provided, which can each be opened or closed via a common valve element 5.
  • the rocker arm 3 of the valve is designed such that it has a through opening 14.
  • a valve element 5 designed as a ball is fixed e.g. secured with a press fit.
  • the rocker arm 3 is rotatably mounted on a first bearing 9.
  • a helical spring 4 is again provided as a resetting device, which acts on the rocker arm 3 via a piston 22.
  • the spring 4 is arranged such that it lies on a common axis C-C with a piston 8, via which the stroke of the
  • Piezo actuator 2 is transferred to the rocker arm 3.
  • the leverage ratio is again a: b.
  • the valve on seat 6 is closed.
  • the piezo actuator 2 When the piezo actuator 2 is actuated, the valve is moved against the force of the spring 4 via the rocker arm 3 from the valve seat 6 to the valve seat 7, so that the valve seat 7 is closed.
  • the piezo actuator 2 By pulling the piezo actuator 2 by means of a biasing spring (not shown), the rocker arm 3 is pulled over a tension band 9, which is firmly connected to the piston 8 and surrounds the right lever arm of the rocker arm 3 in a U-shape, again lifted off the seat 7, so that a continuous opening from a line 26 to a control chamber 18 is present.
  • a fluid can flow from the control chamber 18 to the line 26, so that a negative pressure arises in the control chamber 18 and the control piston 19 moves in the direction of the valve ball 5 and, for example, a valve needle connected to the control piston 19 is lifted from its seat by one Allow fuel injection.
  • the valve 1 is reset via the spring 4, so that the ball 5 rests against the seat 6.
  • FIGS. 5 and 6 show the stroke of the control valve 1 (FIG. 6) or the stroke of the injection valve (FIG. 5) over time.
  • the seat 6 is closed in the initial state of the valve 1.
  • the piezo actuator 2 is now activated, the valve 1 closes briefly on the seat 7, a central position between the seat 6 and the seat 7 then being assumed due to the above-mentioned reset of the piezo actuator, in which a vacuum acts on the control piston 19.
  • the needle valve of the injection valve opens during the central position of the control valve, as shown in FIG. 5, in order to inject fuel into a combustion chamber. After deactivating the piezo actuator 2, this takes
  • Control valve again its basic position on the valve seat 6, which also stops the injection of fuel (see FIGS. 5 and 6).
  • FIG. 5 shows a small needle stroke before the actual injection, which theoretically occurs in the meantime between the opening of the valve seat 6 and the closing of the valve seat 7.
  • this is of no importance in practice, especially since the switching times of the control valve are very short.
  • the present invention relates to a valve for controlling liquids.
  • the valve comprises a piezo actuator 2, a translator 3, which translates a stroke of the piezo actuator 2, a resetting element 4 and a valve element 5.
  • the translator is designed as a rocker arm 3 and the valve element 5 is integrated in the rocker arm, which means a high level System rigidity is achieved with a minimized number of parts.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten. Das Ventil umfasst einen Piezoaktor (2), einen Übersetzer (3), welcher einen Hub des Piezoaktors (2) übersetzt, ein Rückstellelement (4) und ein Ventilelement (5). Dabei ist der Übersetzer als Kipphebel (3) ausgebildet und das Ventilelement (5) ist in den Kipphebel integriert, wodurch eine hohe Systemsteifigkeit bei minimierter Teilezahl erreicht wird.

Description

Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssig- keiten gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1.
Ventile zum Steuern von Flüssigkeiten sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Beispielsweise ist aus der US- 4022166 ein piezoelektrisches Kraftstoffeinspritzventil be- kannt, bei dem die Steuerung des Ventilglieds über ein piezoelektrisches Element erfolgt. Dabei wird der Hub des piezoelektrischen Elements über einen Hebel unmittelbar auf die Ventilnadel übertragen. Desweiteren sind zwei Rückstellfedern vorgesehen, um die Ventilnadel und den Hebel jeweils in ihrer Ausgangsposition zu halten. Aufgrund dieser Ausgestaltung mit zwei Rückstellfedern, welche über den Hebel miteinander in Verbindung stehen, entsteht ein sehr schwingungsempfindliches Gebilde, welches insbesondere für eine Hochdruckeinspritzung nicht geeignet ist, da sich die Schwingun- gen aufschaukeln können.
Desweiteren sind Injektoren bekannt, welche zur Übersetzung des Hubes eines Piezoaktors hydraulische Übersetzer verwenden. Derartige Lösungen weisen jedoch im Allgemeinen einen relativ komplizierten Aufbau auf und bestehen aus einer Vielzahl von Teilen. Da die Piezoaktoren nur ein sehr kleines Hubvermögen aufweisen, ist der Aufwand bei den bekannten mechanischen oder hydraulischen Übersetzern relativ groß.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass es sehr einfach aufgebaut ist und kostengünstig hergestellt werden kann. Durch die Ausbildung des Übersetzers als Kipphebel und die Integration des Ventilelements in den Kipphebel weist das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nur eine geringe Anzahl von Bauteilen auf. Somit wird eine besonders kompakte Bauweise des erfindungsgemäßen Ventils erreicht. Dadurch wird eine maximale Steifigkeit des Systems vom Aktor bis zum Ventilsitz bereitgestellt, wobei eine minimale Anzahl von Kontaktbereichen zwischen den einzelnen Bauteilen erhalten wird. Weiterhin können eventuell auftretende Hubtoleranzen des Systems über die Übersetzung ausgeglichen werden. Da der Übersetzer in einem mit Kraftstoff gefüllten Raum im Ventil angeordnet ist, wird eine gute Schmierung bereitgestellt, woraus ein geringer Verschleiß resultiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind der Kipphebel und das Ventilelement einstückig ausgebildet. Mit anderen Worten ist das Ventilelement unmittelbar im Kipphebel integriert. Dadurch können die Anzahl der einzelnen Bauteile minimiert werden, da kein separates Ventilelement notwendig ist. Die geometrische Gestalt des Bereichs des Kipphebels, welcher als Ventilelement dient, kann dabei beliebig sein. Hierbei ist nur zu beachten, dass ausreichende Abdichtungseigenschaften am Ventilsitz vorhan- den sind. Beispielsweise kann der als Ventilelement dienende Bereich des Kipphebels halbkugelförmig oder kegeförmig ausgebildet sein.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Ventilelement als separate Kugel ausgebildet, welche über den Kipphebel betätigbar ist.
Vorzugsweise ist im Kipphebel eine Aussparung ausgebildet, um das Ventilelement aufzunehmen. Dabei kann die Aussparung entweder derart ausgebildet werden, dass das Ventilelement fest in der Aussparung angeordnet ist (z.B. mittels einer Presspassung) oder derart ausgebildet sein, dass das Ventilelement lose in der Aussparung angeordnet ist. Bei der lo- sen Anordnung des Ventilelements in der Aussparung ist selbstverständlich sicherzustellen, dass beim Öffnen des Ventils der Weg des Kipphebels begrenzt ist, so dass das lose Ventilelement nicht verloren gehen kann.
Vorzugsweise greift das Rückstellelement unmittelbar am
Kipphebel an. Vorzugsweise wird als Rückstellelement eine Feder wie z.B. eine Schraubenfeder verwendet. Besonders bevorzugt ist dabei ein Federsitz im Kipphebel ausgebildet. Dieser kann beispielsweise durch eine im Kipphebel angeord- nete Aussparung gebildet sein, welche ein Ende der Feder aufnimmt .
Damit der als Kipphebel ausgebildete Übersetzer möglichst wenig Spielraum aufweist, ist der Übersetzer vorzugsweise in einer Führungshülse angeordnet. Während des Betriebes wird der Übersetzer dann in dieser Führungshülse geführt. Hierbei kann die Führungshülse einfach im Voraus mit sehr geringen Bauteiltoleranzen hergestellt werden. Somit weist der Über- setzer nur ein minimales Spiel auf, wodurch das gesamte System eine maximale Steifigkeit aufweist.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegen- den Erfindung ist das Ventilelement als Doppelsitzventil ausgebildet. Vorzugsweise sind dabei die beiden Sitze an einer Hebelseite des Kipphebels angeordnet. Dabei kann das Ventil derart ausgestaltet sein, dass es drei Stellungen einnehmen kann, nämlich eine erste Stellung, in der das Ven- tilelement am ersten Ventilsitz anliegt und diesen verschließt, eine zweite Stellung, in der das Ventilelement am zweiten Ventilsitz anliegt und diesen verschließt, und eine dritte Stellung, in der das Ventilelement an keinem der beiden Ventilsitze anliegt, so dass beide Ventilsitze geöff- net sind (Mittelstellung) .
Vorzugsweise ist der Kipphebel über ein Zugband mit dem Pie- zoaktor verbunden. Dies ermöglicht es, dass das Ventil auf einfache Weise in der Mittelstellung gehalten werden kann.
Um bei einem doppelsitzigen Ventil das Ventilelement einfach in den Kipphebel zu integrieren, ist im Kipphebel vorzugsweise eine Durchgangsöffnung ausgebildet, in welcher ein separates Ventilelement, wie z.B. eine Kugel aufgenommen ist.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten in einer Einspritzvorrichtung für ein Co - mon-Rail-System verwendet. Besonders bevorzugt wird es dabei als Steuerventil eines Injektors eingesetzt.
Erfindungsgemäß wird somit ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten bereitgestellt, welches aufgrund seiner geringen Bauteileanzahl eine kompakte Bauweise und somit eine maximale Steifigkeit des Systems bereitstellt. Dadurch kann der Einspritzvorgang insbesondere bei der Kraftstoffeinspritzung bei Speichereinspritzsystemen genauer ausgeführt und weiter verbessert werden.
Zeichnungen
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Teilschnittansicht eines
Steuerventils für ein Kraftstoffeinspritzventil gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 eine schematische Teilschnittansicht eines Steu- erventils für ein Kraftstoffeinspritzventil gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figur 3 eine schematische Teilschnittansicht eines Steuerventils für ein Kraftstoffeinspritzventil gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figur 4 eine schematische Teilquerschnittsansicht eines Steuerventils für ein Kraftstoffeinspritzventil gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figur 5 eine graphische Darstellung der Düsenstellung des Kraftstoffeinspritzventils in Abhängigkeit des Steuerventils und
Figur 6 eine graphische Darstellung der Stellung des in Figur 4 dargestellten Steuerventils über die Zeit.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Figur 1 zeigt ein Steuerventil für ein Kraftstoffeinspritzventil in einem Comrrton-Rail-System. Wie in Figur 1 gezeigt, umfasst das Steuerventil 1 einen Piezoaktor 2, einen als Kipphebel 3 ausgebildeten mechanischen Übersetzer und eine als Rückstellelement verwendete Schraubenfeder 4. Der Kipphebel ist dabei in einem Raum 25 im Ventil angeordnet.
Der Kipphebel 3 weist, wie in Figur 1 gezeigt, einen halbkugelförmigen Bereich 5 auf, welcher als Ventilelement ausge- bildet ist. Der halbkugelförmige Bereich 5 verschließt dabei einen Ventilsitz 6. Weiter ist der Kipphebel 3 an zwei Punkten, nämlich einem ersten Lager 9 und einem zweiten Lager 10 drehbar gelagert. Dabei dreht sich der Kipphebel 3 um einen imaginären Punkt P, welcher in der Mitte des Abstandes zwi- sehen den beiden Lagerstellen 9 und 10 liegt. Weiter weist der Kipphebel 3 eine Auflagefläche 13 auf, an welcher ein Kolben 8 aufliegt, der mit dem Piezoaktor 2 verbunden ist. Der Bereich 5 des Kipphebels 3 verschließt einen Ausgang von einem Steuerraum 18, in welchem ein Steuerkolben 19 angeord- net ist. Der Steuerkolben 19 steht mittelbar oder unmittelbar mit einer Ventilnadel des Kraftstoffeinspritzventils in Verbindung, um dieses zu öffnen bzw. zu schließen. Eine Kraftstoffzufuhrleitung 17 ist über eine Drossel 16 mit dem Steuerraum 18 verbunden.
Da der Piezoaktor 2 nur einen sehr kleinen Hub ausführt, wird dieser Hub über den Kolben 8 auf den Kipphebel 3 übertragen. Dabei beträgt das Übersetzungsverhältnis des Kipphebels a:b, wobei a die Länge des Hebelarms zwischen einer Ge- rade A-A durch die Lagerstellen 9 und 10 und einer Mittellinie B-B für eine Bohrung zum Steuerraum 18, welche durch den Bereich 5 des Kipphebels 3 verschlossen bzw. geöffnet wird. Die Länge b ist dabei der Abstand zwischen der Achse A-A und einer Achse C-C, welche die Mittellinie des Kolbens 8 bildet, der auf den Kipphebel 3 drückt.
Nachfolgend wird die Funktion des Steuerventils gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Wenn Kraftstoff, welcher über die Zufuhrleitung 17 unter hohem Druck an einer Einspritznadel des Injektor anliegt, eingespritzt werden soll, wird der Piezoaktor 2 derart aktiviert, dass er einen Hub in Richtung des Kolbens ausführt. Dieser Hub des Piezo- aktors 2 wird über den Kolben 8 auf den ersten Hebel b des Kipphebels 3 übertragen. Dadurch dreht sich der Kipphebel 3 um den Punkt P auf der Achse A-A, so dass der Bereich 5 des Kipphebels entgegen der Kraft der Schraubenfeder 4 vom Ventilsitz 6 abgehoben wird. Dadurch wird eine Verbindung des Steuerraums 18 über eine Drossel 15 mit dem Raum 25, in welchem der Kipphebel angeordnet ist, hergestellt. Über die Drossel 16 ist Steuerraum 18 ebenfalls mit der Kraftstoffzufuhrleitung 17 verbunden. Wenn nun das Steuerventil in geöffnetem Zustand ist, strömt Kraftstoff über die Drossel 15 in den Raum 25. Dadurch sinkt der Druck im Bereich des Steuerraums 18, wodurch der Steuerkolben 19 in Richtung des Kipphebels 3 bewegt wird. Dadurch hebt die Ventilnadel des Injektors von ihrem Sitz ab, so dass Kraftstoff in einen Verbrennungsraum eingespritzt wird.
Wenn der Piezoaktor 2 deaktiviert wird, stellt sich der Kipphebel 3 über die Rückstellfeder 4 wieder in seine Ausgangsstellung, so dass der Bereich 5 des Kipphebels 3 wieder am Ventilsitz 6 anliegt. Dadurch steigt der Druck im Bereich des Steuerraums 18 an, wodurch der Steuerkolben 19 in entgegengesetzter Richtung bewegt wird. Dadurch dichtet die Ventilnadel wieder den Sitz des Injektors ab und die Kraftstoffeinspritzung ist beendet. Durch die integrale Ausbildung des Kipphebels mit dem Bereich 5, welcher als Ventilelement am Ventilsitz 6 öffnet und schließt, wird eine sehr kompakte Bauweise mit wenigen Bauteilen erhalten. Weiterhin kann dadurch das Steuerventil als sehr steifes System bereitgestellt werden, so dass insbesondere die Einspritzgenauigkeit im Vergleich mit dem Stand der Technik verbessert werden kann.
In Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Steuer- ventils für einen Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff dargestellt. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet. Da das zweite Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht, werden nach- folgend nur noch Unterschiede im Detail erläutert.
Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist der Kipphebel 3 des zweiten Ausführungsbeispiels derart ausgebildet, dass er eine Aussparung 11 aufweist, in welcher ein separa- tes Ventilelement 5 angeordnet ist. Wie in Figur 2 gezeigt, ist das Ventilelement als Ventilkugel 5 ausgebildet. Die Ventilkugel 5 ist lose in der Aussparung 11 des Kipphebels 3 angeordnet.
Wie weiter in Figur 2 gezeigt, ist der Kipphebel 3 nur noch an einer Lagerstelle 9 gelagert. Somit befindet sich der Drehpunkt des Kipphebels 9 am Kontaktbereich der Lagerstelle 9 mit dem Kipphebel 3 auf der Linie A-A.
Um die Steifigkeit des Systems zu erhöhen, sind an den Seitenwänden des Raums 25 zur Aufnahme des Kipphebels zwei vorstehende Wölbungen 23 und 24 ausgebildet, zwischen denen der Kipphebel 3 angeordnet ist. Diese Wölbungen 23 und 24 dienen zur Führung des Kipphebels 3 und erhöhen weiter die Steifig- keit des Systems. Das Hebelverhältnis des Kipphebels 3 wird durch die Länge der beiden Arme a:b bestimmt und kann je nach Anwendungsfall durch Änderung der Hebelarmlängen verändert werden. Dazu muss einfach ein anderes Kipphebelelement 3 in den Injektor eingebaut werden, dessen Lagerpunkt 9 nach links oder rechts verschoben ist.
Die Funktion des in Figur 2 dargestellten Injektors entspricht im Wesentlichen der Funktion des Injektors des er- sten Ausführungsbeispiels, so dass auf die Beschreibung im ersten Ausführungsbeispiel verwiesen werden kann.
In Figur 3 ist ein Steuerventil für einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß einem dritten Ausführungsbei- spiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den beiden vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispielen bezeichnet. Da das dritte Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dem zweiten Ausführungsbeispiel entspricht, wer- den nachfolgend nur Unterschiede im Detail erläutert.
Im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel sind beim dritten Ausführungsbeispiel keine Wölbungen 23 und 24 vorgesehen. Stattdessen ist im dritten Ausführungsbeispiel eine Führungshülse 20 vorgesehen, um den Kipphebel 3 zu führen.
Da die Führungshülse 20 im Voraus einfach hergestellt werden kann und dabei hohen Toleranzanforderungen genügen kann, kann die Steifigkeit des Systems noch weiter verbessert werden. Ansonsten entspricht das dritte Ausführungsbeispiel dem zweiten Ausführungsbeispiel, so dass auf eine weitergehende Beschreibung verzichtet werden kann.
In Figur 4 ist ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er- findung dargestellt. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispielen bezeichnet.
Das vierte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist als Doppelsitzventil ausgebildet. Dabei ist ein erster Ventilsitz 6 und ein zweiter Ventilsitz 7 vorgesehen, welche über ein gemeinsames Ventilelement 5 jeweils geöffnet oder geschlossen werden können.
Wie in Figur 4 gezeigt, ist der Kipphebel 3 des Ventils derart ausgebildet, dass er eine Durchgangsöffnung 14 aufweist. In dieser Durchgangsöffnung 14 ist ein als Kugel ausgebildetes Ventilelement 5 fest z.B. mittels einer Presspassung be- festigt. Der Kipphebel 3 ist an einem ersten Lager 9 drehbar gelagert. Als Rückstellvorrichtung ist wieder eine Schraubenfeder 4 vorgesehen, welche über einen Kolben 22 auf den Kipphebel 3 wirkt. Wie in Figur 4 dargestellt, ist die Feder 4 dabei derart angeordnet, dass sie auf einer gemeinsamen Achse C-C mit einem Kolben 8 liegt, über den der Hub des
Piezoaktors 2 auf den Kipphebel 3 übertragen wird. Das Hebelverhältnis beträgt wie in den vorhergehenden Beispielen wieder a:b.
Weiter sind zwei vorstehende Wölbungen 23 und 24 im Gehäuse angeordnet, welche zur Führung des Kipphebels 3 dienen.
In geschlossenem Zustand ist das Ventil am Sitz 6 geschlossen. Wenn der Piezoaktor 2 betätigt wird, wird das Ventil gegen die Kraft der Feder 4 über den Kipphebel 3 vom Ventilsitz 6 zum Ventilsitz 7 bewegt, so dass der Ventilsitz 7 geschlossen ist. Durch Zurückziehen des Piezoaktors 2 mittels einer Vorspannfeder (nicht dargestellt) wird der Kipphebel 3 über ein Zugband 9, welches mit dem Kolben 8 fest verbunden ist und den rechten Hebelarm des Kipphebels 3 u-förmig umgibt, wieder vom Sitz 7 abgehoben, so dass eine durchgehende Öffnung von einer Leitung 26 zu einem Steuerraum 18 vorhanden ist. Dadurch kann ein Fluid vom Steuerraum 18 zur Lei- tung 26 strömen, so dass ein Unterdruck im Steuerraum 18 entsteht und sich der Steuerkolben 19 in Richtung der Ventilkugel 5 bewegt und z.B. eine mit dem Steuerkolben 19 verbundene Ventilnadel von ihrem Sitz abgehoben wird, um eine Kraftstoffeinspritzung zu ermöglichen. Die Rückstellung des Ventils 1 erfolgt wieder über die Feder 4, so dass die Kugel 5 wieder am Sitz 6 anliegt.
In den Figuren 5 und 6 ist der Hub des Steuerventils 1 (Figur 6) bzw. der Hub des Einspritzventils (Figur 5) über die Zeit dargestellt. Wie in Figur 6 gezeigt, ist im Ausgangszustand des Ventils 1 der Sitz 6 geschlossen. Wenn nun der Piezoaktor 2 aktiviert wird, schließt das Ventil 1 kurzzeitig am Sitz 7, wobei dann aufgrund der oben erläuterten Rückstellung des Piezoaktors eine Mittelstellung zwischen dem Sitz 6 und dem Sitz 7 eingenommen wird, bei der ein Unterdruck auf den Steuerkolben 19 wirkt. Infolge dieses Unterdrucks öffnet das Nadelventil des Einspritzventils während der Mittelstellung des Steuerventils, wie in Figur 5 dargestellt, um Kraftstoff in einen Verbrennungsraum einzu- spritzen. Nach Deaktivierung des Piezoaktors 2 nimmt das
Steuerventil wieder seine Grundstellung am Ventilsitz 6 ein, wodurch auch die Einspritzung von Kraftstoff beendet wird (vgl. Figuren 5 und 6).
In Figur 5 ist vor der eigentlichen Einspritzung noch ein kleiner Nadelhub dargestellt, welcher in der Zwischenzeit zwischen dem Öffnen des Ventilsitzes 6 und dem Schließen des Ventilsitzes 7 theoretisch auftritt. Aufgrund der Trägheiten des Systems hat dies jedoch in der Praxis keine Bedeutung, insbesondere, da auch die Schaltzeiten des Steuerventils sehr kurz sind.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten. Das Ventil umfasst einen Piezoaktor 2, einen Übersetzer 3, welcher einen Hub des Piezoaktors 2 übersetzt, ein Rückstellelement 4 und ein Ventilelement 5. Dabei ist der Übersetzer als Kipphebel 3 ausgebildet und das Ventilelement 5 ist in den Kipphebel integriert, wodurch ei- ne hohe Systemsteifigkeit bei minimierter Teilezahl erreicht wird.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der 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 zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Piezoaktor (2) , einem Übersetzer zur Übersetzung eines Hubes des Piezoaktors (2), einem Rückstellelement (4) und einem Ventilele- ent (5) , dadurch gekennzeichnet, dass der Übersetzer als Kipphebel (3) ausgebildet ist und das Ventilelement (5) in den Kipphebel (3) integriert ist.
2. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 1, da- durch gekennzeichnet, dass der Kipphebel (3) und das Ventilelement (5) einstückig ausgebildet sind.
3. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (5) als Kugel ausgebildet ist.
4. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kipphebel (3) eine Aussparung (11) aufweist, um das Ventilelement (5) aufzunehmen.
5. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstellelement (4) unmittelbar am Kipphebel (3) angreift.
6. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Übersetzer in einer Führungshülse (20) angeordnet ist.
7. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (5) als Doppelsitzventil ausgebildet ist.
8. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kipphebel (3) über ein Zugband (21) mit dem Piezoaktor (2) verbunden ist.
9. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Kipphebel (3) eine Durchgangsöffnung (14) ausgebildet ist, in welcher ein separates Ventilelement (5) aufgenommen ist.
10. Verwendung eines Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einer Einspritzvorrichtung für ein Common-Rail-System.
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