EP1399664A1 - Ventil zum steuern von flüssigkeiten - Google Patents

Ventil zum steuern von flüssigkeiten

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Publication number
EP1399664A1
EP1399664A1 EP02740339A EP02740339A EP1399664A1 EP 1399664 A1 EP1399664 A1 EP 1399664A1 EP 02740339 A EP02740339 A EP 02740339A EP 02740339 A EP02740339 A EP 02740339A EP 1399664 A1 EP1399664 A1 EP 1399664A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
membrane
piezo actuator
valve
valve according
piezo
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02740339A
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1399664A1 publication Critical patent/EP1399664A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0014—Valves characterised by the valve actuating means
    • F02M63/0015—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid
    • F02M63/0026—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators
    • 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
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure

Definitions

  • the present invention relates to a valve for controlling liquids and, in particular, to a fuel injection valve.
  • Valves for controlling liquids are known in different configurations.
  • US Pat. No. 4,022,166 discloses a piezoelectric fuel injection valve in which the valve member is controlled via a piezoelectric element. The stroke of the piezoelectric element is transmitted directly to the valve needle via a lever. Furthermore, two return springs are provided to hold the valve needle and the lever in their initial position. Because of this configuration with two return springs, which are connected to one another via the lever, a very vibration-sensitive structure is created, which is not particularly suitable for high-pressure injection, since the vibrations can build up.
  • injectors are known which use hydraulic translators to translate the stroke of a piezo actuator.
  • such solutions generally have a relatively complicated structure and consist of a large number of parts. Furthermore, a constant filling of the hydraulic translator is necessary to compensate for leakage losses, which makes such valves relatively complicated and increases the cost of production.
  • the valve according to the invention for controlling liquids with the features of claim 1 has the advantage over the fact that it has only a small number of parts and is therefore very simple in construction and can be produced inexpensively.
  • a diaphragm translator is used to translate the stroke of a piezo actuator.
  • the membrane can be provided very inexpensively.
  • the membrane is prestressed according to the invention and provides a sealing function. As a result, a seal against leakage oil is achieved in the translation according to the invention.
  • Temperature compensation is provided to compensate for a change in length of the piezo actuator in the event of temperature increases during operation.
  • the combination of temperature compensation according to the invention with a prestressed membrane translator enables a stroke of a piezo actuator to be translated with high accuracy and without a time delay, the valve having only a small number of components and being very compact. As a result, only a small space is required for the valve according to the invention.
  • the membrane is preferably prestressed by means of a spring element.
  • a disc spring or a spiral spring is particularly preferably used.
  • the membrane is particularly preferably biased against the piezo actuator. This also enables the piezo actuator to be pretensioned. This means that a separate biasing element for the piezo actuator can be saved.
  • the membrane is designed such that it has an annular force introduction region which projects to the side of the piezo actuator.
  • a force delivery area is preferably formed in the interior of the force introduction area.
  • the spring element for biasing the membrane particularly preferably engages on the underside of the force introduction area.
  • the biasing force of the spring element can act directly on the piezo actuator.
  • To protect the membrane from damage are preferably between the Contact areas of the membrane and the biasing element or components of the piezo actuator intermediate elements are provided.
  • the membrane according to the invention is preferably arranged in such a way that it seals the piezo actuator against the control valve.
  • the translator membrane is also designed as a sealing element.
  • an additional seal is necessary in order to seal the piezo actuator from the liquid to be controlled.
  • a separate seal is usually used directly on the piezo actuator.
  • the device for temperature compensation is advantageously arranged directly on the piezo actuator.
  • a particularly compact construction of the valve according to the invention can thereby be achieved.
  • the temperature compensation device comprises a first foot part, a second foot part and a sleeve.
  • the first and the second foot part are each arranged on the end faces of the piezo actuator.
  • the sleeve surrounds the foot parts and the piezo actuator.
  • the temperature-related change in length of the first and second foot parts and the piezo actuator essentially corresponds to the temperature-related change in length of the sleeve.
  • the piezo actuator is particularly preferably surrounded by a heat conducting medium.
  • the sleeve is preferably made of a material with a coefficient of expansion similar to that of the piezo actuator, such as Invar.
  • the foot parts can be made of aluminum, for example, to optimize temperature compensation.
  • the piezo actuator generally has a negative coefficient of expansion and the aluminum base parts have a positive coefficient of expansion, so that the total expansion corresponds approximately to the expansion of the sleeve.
  • the membrane is in direct contact with the second foot part of the temperature compensation device.
  • the membrane is preferably bent at its lateral fastening at a predetermined angle against the direction of force of the piezo actuator.
  • a predetermined distance can be present between the membrane and the second foot part when the valve is not actuated.
  • Temperature compensation can be compensated. It should be noted that it is also possible to provide the distance between the membrane and a valve member of the control valve. However, it is preferred to provide the distance from the temperature compensation between the membrane and the second foot part, since this does not translate the temperature compensation error by the membrane translator.
  • the control valve is preferably designed as an outward opening valve.
  • the valve according to the invention is particularly preferably used as a fuel injection valve in a storage injection system, such as, for example, a common rail system.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a valve for injecting fuel according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic enlarged
  • Figure 1 shows a sectional view of a
  • Fuel injection valve 1 for a common rail system according to the present invention.
  • the valve 1 comprises a piezo actuator 2, a device 27 for temperature compensation and a biasing element 9. Die
  • Temperature compensation device 27 comprises a first foot part 4, a second foot part 5, a sleeve 6 and a heat conducting medium 7.
  • the first and second foot parts 4 and 5 are each on the end faces of the piezo actuator 2 arranged.
  • the heat-conducting medium 7 surrounds the side areas of the piezo actuator 2.
  • the sleeve 6 serves as a housing and surrounds the two base parts 4 and 5 and the heat-conducting medium 7.
  • the base parts 4 and 5 are made of aluminum and the sleeve 6 is made of Invar, which is similar Expansion coefficient as the piezo actuator has.
  • the piezo actuator 2 has a negative expansion coefficient and the aluminum base parts have a large positive expansion coefficient, so that their sum is approximately equal to the expansion of the sleeve 6.
  • 4 through holes are provided in the first foot part in order to lead lines for electrical connections 26 through them.
  • the membrane 3 according to the invention is shown enlarged in FIG.
  • the membrane 3 comprises a holding area 30, a force introduction area 31 and a force output area 32.
  • the membrane 3 is firmly clamped between a housing shoulder 12 and an injector holding body 10. The clamping takes place by means of a screw connection 11 which passes through the membrane 3.
  • the force introduction area 31 of the membrane is formed in a bead shape and is bent in the opposite direction to the force F p of the piezo actuator (cf. FIG. 2).
  • the force introduction area 31 projects from the membrane 3 to the side of the piezo actuator 2.
  • the force introduction area 31 is in direct contact with the second foot part 5.
  • intermediate elements 17 and 19 are arranged at the contact points between the membrane and the second foot part 5 or between the membrane and the spring element 9.
  • the power output area 32 is flat and circular and lies in the middle of the annular force introduction area 31.
  • the stroke of the piezo actuator 2 which is translated by the membrane 3 is delivered to a control valve 14. More precisely, the stroke is delivered to a valve member 15, which is connected to the membrane via a pressure element 13 to protect the membrane 3 (cf. FIG. 1).
  • the control valve 14 includes the valve member 15 and releases or closes a valve seat 16.
  • the valve member 15 consists of a cylindrical area with an annular groove and a closure area with inclined contact surfaces. In the starting position, valve member 15 is located on valve seat 16 and closes it. Via the annular groove in the valve member 15, the control valve 14 is further connected to a leak oil line 18, which leads to a leak oil connection (see FIG. 1).
  • the control valve 14 is also connected via a throttle 20 to a control chamber 21, in which a piston 22 is arranged.
  • a valve needle not shown, is actuated in a known manner via the piston 22.
  • the control chamber 21 is connected via a throttle 24 to an inlet 23 from the Com on-Rail.
  • a line 25 branching off from the inlet 23 leads to the nozzle.
  • the spring element 9 is designed as an annular disc spring which is arranged in a recess 8 formed in the injector holding body 10.
  • the spring element 9 biases the membrane in the direction of the piezo actuator 2.
  • the piezo actuator 2 itself is also biased by the spring element 9.
  • valve 1 The operation of the valve 1 according to the invention is described below.
  • the piezo actuator 2 When the piezo actuator 2 is activated, its stroke is transmitted to the membrane 3 via the second foot part 5. More precisely, the stroke of the piezo actuator 2 on the
  • the membrane 3 is firmly clamped between the threaded ring 11 and the housing shoulder 12.
  • an O-ring can be provided on the outer circumference of the membrane 3 to seal the clamped area.
  • the force introduction area 31 of the membrane 3 is arranged at an angle ⁇ to the holding area 30. It is also at a transition area between the holding area 30 and the
  • Force introduction area 31 is provided a curved area with a predetermined radius. The tensile stresses in the membrane can be minimized by this design at the clamping point of the membrane 3. This ensures a long service life of the membrane 3.
  • the force F p exerted by the piezo actuator 2 on the membrane 3 is translated by the membrane ratio a / b and is transmitted to the control valve 14 at the force output area 32 via the pressure element 13.
  • the distance a corresponds to the distance between the center of the applied force F p of the piezo actuator 2 and the inner edge area of the clamped membrane 3.
  • the distance b corresponds to the distance from the center of the introduced F P to the central axis XX of the valve 1 (cf. Figure 2).
  • the prestressing of the diaphragm 3 by means of the spring element 9 causes high tensile stresses on the underside, ie the side facing the control valve 14, and high compressive stresses on the top, ie the side facing the piezo actuator 2, at the clamping point 30 of the diaphragm 3. which however by the above-mentioned curved design are limited with a given radius. These stresses are reduced during the movement of the membrane.
  • the translated stroke of the piezo actuator 2 is transmitted to the valve member 15 of the control valve 14, which thereby lifts it from its valve seat 16. This creates a connection between the control chamber 21 and the leakage oil line 18, so that the pressure in the control chamber 21 drops.
  • the piston 22 is moved upward in the direction of the piezo actuator 2 and a valve needle (not shown) connected to the piston 22 lifts off its seat. This starts the fuel injection at the valve needle.
  • the piezo actuator 2 is actuated again, as a result of which it returns to its starting position.
  • the return to its starting position is supported by the spring element 9.
  • the spring element 9 further ensures that the membrane 3 also returns to its initial position, so that the valve member 15 rests on the valve seat 16 and closes the passage.
  • pressure can build up again in the control chamber 21, as a result of which the piston 22 is moved downward again into its starting position.
  • the valve needle connected to the piston 22 closes the injection opening again, so that the injection of fuel is completed.
  • the temperature compensation device 27 ensures that a change in length of the piezo actuator 2 due to an increase in temperature can be compensated mechanically.
  • a predetermined distance can be provided between the membrane 3 and the second foot part 5, which is a much smaller distance than the stroke of the piezo actuator. This distance can be determined by the
  • Temperature compensation device 27 compensate for uneven length change of the piezo actuator 2.
  • the stroke of the piezo actuator 2 is thus translated with a transmission ratio a / b.
  • the transmission ratio can be changed in a relatively simple manner.
  • the membrane 3 according to the invention also performs a sealing function of the piezo actuator from the fuel area of the valve. This ensures that no fuel can reach the piezo actuator 2 and thus could impair its functionality. It is therefore possible to dispense with the sealing element that is otherwise required when using piezo actuators, which is usually arranged directly on the piezo actuator 2. As a result, the manufacturing costs for the valve according to the invention can be reduced further.
  • the angle ⁇ is the angle between the horizontal Holding area 30 of the membrane and the slope at the force introduction area 31, as shown in FIG. 2.
  • the present invention thus relates to a valve for controlling liquids with a piezo actuator 2, a translator for translating the stroke of the piezo actuator 2 and a control valve 14 which can be actuated by the translator intended.
  • the translator is designed as a membrane 3 and arranged in a prestressed state.
  • the membrane 3 translates the stroke of the piezo actuator with a gear ratio a / b.
  • the piezo actuator 2 is sealed from the liquid to be controlled by the membrane 3.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Piezoaktor (2), einem Übersetzer zur Übersetzung des Hubes des Piezoaktors (2) und einem durch den Übersetzer betätigbaren Steuerventil (14). Weiterhin ist eine Vorrichtung (27) zum Temperaturausgleich einer durch eine Temperaturänderung bedingten Längenänderung des Piezoaktors (2) vorgesehen. Der Übersetzer ist dabei als Membran (3) ausgebildet und in einem vorgespannten Zustand angeordnet. Die Membran (3) übersetzt den Hub des Piezoaktors mit einem Übersetzungsverhältnis a/b. Gleichzeitig wird eine Abdichtung des Piezoaktors (2) von der zu steuernden Flüssigkeit durch die Membran (3) bereitgestellt.

Description

Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten und insbesondere ein Kraftstoffeinspritzventil .
Ventile zum Steuern von Flüssigkeiten sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Beispielsweise ist aus der US-4 022 166 ein piezoelektrisches Kraftstoffeinspritzventil bekannt, bei dem die Steuerung des Ventilgliedes 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 Schwingungen aufschaukeln können. Weiterhin 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. Weiterhin ist eine ständige Befüllung des hydraulischen Übersetzers notwendig, um Leckageverlüste auszugleichen, was derartige Ventile relativ kompliziert macht und die Herstellungskosten verteuert .
Da die Piezoaktoren nur ein sehr kleines Hubvermögen aufweisen, welches übersetzt werden muss, 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 dem gegenüber den Vorteil, dass es nur eine geringe Teileanzahl aufweist und dadurch sehr einfach aufgebaut ist und kostengünstig hergestellt werden kann. Erfindungsgemäß wird dabei zur Übersetzung des Hubes eines Piezoaktors ein Membranübersetzer verwendet. Bei der Verwendung einer Membran zur mechanischen Übersetzung des Hubes des Piezoaktors kann dabei insbesondere auf die sonst mit hoher Genauigkeit herstellbaren, notwendigen Hebel verzichtet werden, welche üblicherweise einen sehr großen Anteil an den Herstellungskosten bei mechanischen Übersetzern aufweisen. Die Membran kann dem gegenüber sehr kostengünstig bereitgestellt werden. Weiterhin ist die Membran erfindungsgemäß vorgespannt und stellt eine Abdichtfunktion bereit. Dadurch wird im erfindungsgemäßen Übersetzung eine Abdichtung gegen Lecköl erreicht. Darüber hinaus ist weiterhin eine Vorrichtung zum
Temperaturausgleich vorgesehen, um eine Längenänderung des Piezoaktors bei Temperaturerhöhungen während des Betriebes auszugleichen. Durch die erfindungsgemäße Kombination des Temperaturausgleichs mit einem vorgespannten Membranübersetzer kann ein Hub eines Piezoaktors mit hoher Genauigkeit und ohne Zeitverzögerung übersetzt werden, wobei das Ventil nur eine geringe Anzahl von Bauteilen aufweist und sehr kompakt ist. Dadurch ist auch nur ein kleiner Bauraum für das erfindungsgemäße Ventil notwendig.
Vorzugsweise wird die Membran mittels eines Federelements vorgespannt . Besonders bevorzugt wird dabei eine Tellerfeder oder eine Spiralfeder verwendet .
Besonders bevorzugt ist die Membran gegen den Piezoaktor vorgespannt . Dadurch wird gleichzeitig auch eine Vorspannung des Piezoaktors ermöglicht. Dadurch kann ein separates Vorspannelement für den Piezoaktor eingespart werden .
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Membran derart ausgebildet, dass sie einen ringförmigen Kra teinleitungsbereich aufweist, welcher zur Seite des Piezoaktors vorsteht. Vorzugsweise ist dabei ein Kraf abgabebereich im Inneren des Krafteinleitungsbereichs ausgebildet .
Besonders bevorzugt greift das Federelement zur Vorspannung der Membran dabei an der Unterseite des Krafteinleitungsbereichs ein. Dadurch kann die Vorspannkraft des Federelements unmittelbar auf den Piezoaktor wirken. Zum Schutz der Membran vor Beschädigungen sind dabei vorzugsweise zwischen den Kontaktbereichen der Membran und dem Vorspannelement bzw. Bauteilen des Piezoaktors Zwischenelemente vorgesehen.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Membran derart angeordnet, dass sie den Piezoaktor gegen das Steuerventil abdichtet. Somit ist die Übersetzermembran gleichzeitig auch als Abdichtelement ausgebildet. Im Gegensatz dazu ist bei den bekannten mechanischen und hydraulischen Übersetzern eine zusätzliche Abdichtung notwendig, um den Piezoaktor gegenüber der zu steuernden Flüssigkeit abzudichten. Hierzu wird üblicherweise eine separate Abdichtung unmittelbar am Piezoaktor verwendet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung weist die Membran somit eine Doppelfunktion der Übersetzung des Piezoaktorhubes und der Abdichtung des Piezoaktors auf. Dadurch kann insbesondere die Teilezahl weiter verringert werden und die Herstellungskosten gesenkt werden.
Vorteilhaft ist die Vorrichtung zum Temperaturausgleich unmittelbar am Piezoaktor angeordnet . Dadurch kann ein besonders kompakter Aufbau des erfindungsgemäßen Ventils erreicht werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung zum Temperaturausgleich ein erstes Fußteil, ein zweites Fußteil sowie eine Hülse. Das erste und das zweite Fußteil sind dabei jeweils an den Stirnseiten des Piezoaktors angeordnet. Die Hülse umgibt die Fußteile und den Piezoaktor. Dabei entspricht die temperaturbedingte Längenänderung des ersten und des zweiten Fußteils und des Piezoaktors im Wesentlichen der temperaturbedingten Längenänderung der Hülse. Besonders bevorzugt ist der Piezoaktor dabei von einem Wärmeleitmedium umgeben. Weiterhin besteht die Hülse vorzugsweise aus einem Material mit ähnlichem Ausdehnungskoeffizienten wie der Piezoaktor, wie beispielsweise Invar. Die Fußteile können beispielsweise aus Aluminium hergestellt werden, um den Temperaturausgleich zu optimieren. Dabei weist der Piezoaktor im Allgemeinen einen negativen Ausdehnungskoeffizienten auf und die Aluminiumfußteile einen positiven Ausdehnungskoeffizienten auf, so dass die Ausdehnung in der Summe ungefähr der Ausdehnung der Hülse entspricht .
Um eine möglichst geringe Bauteileanzahl aufzuweisen, befindet sich die Membran unmittelbar mit dem zweiten Fußteil der Temperaturausgleichsvorrichtung in Kontakt.
Um die Zugspannungen an der Membran zu minimieren, ist die Membran vorzugsweise an ihrer seitlichen Befestigung mit einem vorbestimmten Winkel entgegen der Kraftrichtung des Piezoaktors gebogen.
Weiterhin kann erfindungsgemäß zwischen der Membran und dem zweiten Fußteil im unbetätigten Zustand des Ventils ein vorbestimmter Abstand vorhanden sein. Dadurch können eventuell noch auftretende temperaturbedingte Längenänderungen der Bauteile ausgeglichen werden und somit ein eventuell vorhandener Restfehler des
Temperaturausgleichs kompensiert werden. Es sei angemerkt, dass es auch möglich ist, den Abstand zwischen der Membran und einem Ventilglied des Steuerventils vorzusehen. Es ist jedoch bevorzugt, den Abstand zum Temperaturausgleich zwischen der Membran und dem zweiten Fußteil vorzusehen, da dadurch der Fehler des Temperaturausgleichs durch den Membranübersetzer nicht mitübersetzt wird. Vorzugsweise ist das Steuerventil als nach außen öffnendes Ventil ausgebildet.
Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Ventil als Kraftstoffeinspritzventil in einem Speichereinspritzsystem, wie beispielsweise einem Common-Rail-System verwendet.
Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Ventils zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und
Figur 2 eine schematische vergrößerte
Teilschnittsansicht der in Figur 1 dargestellten Membran.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Figur 1 zeigt eine Schnittansicht eines
Kraftstoffeinspritzventils 1 für ein Common-Rail-System gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wie in Figur 1 gezeigt, umfasst das Ventil 1 einen Piezoaktor 2, eine Vorrichtung 27 zum Temperaturausgleich sowie ein Vorspannelement 9. Die
Temperaturausgleichsvorrichtung 27 umfasst ein erstes Fußteil 4, ein zweites Fußteil 5, eine Hülse 6 und ein Wärmeleitmedium 7. Das erste und das zweite Fußteil 4 und 5 sind jeweils an den Stirnseiten des Piezoaktors 2 angeordnet. Das Wärmeleitmedium 7 umgibt die Seitenbereiche des Piezoaktors 2. Die Hülse 6 dient als Gehäuse und umgibt die beiden Fußteile 4 und 5 sowie das Wärmeleitmedium 7. Die Fußteile 4 und 5 sind aus Aluminium hergestellt und die Hülse 6 ist aus Invar hergestellt, welches einen ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten wie der Piezoaktor aufweist. Der Piezoaktor 2 weist einen negativen Ausdehnungskoeffizienten auf und die Aluminiumfußteile weisen einen großen positiven Ausdehnungskoeffizienten auf, so dass deren Summe ungefähr gleich der Ausdehnung der Hülse 6 ist. Weiterhin sind im ersten Fußteil 4 Durchgangsbohrungen vorgesehen, um Leitungen für elektrische Anschlüsse 26 hindurchzuführen.
In Figur 2 ist die erfindungsgemäße Membran 3 vergrößert dargestellt. Die Membran 3 umfasst einen Haltebereich 30, einen Krafteinleitungsbereich 31 und einen Kraftabgabebereich 32. Am Haltebereich 30, welcher dem Randbereich der Membran 3 entspricht, ist die Membran 3 zwischen einem Gehäuseabsatz 12 und einem Injektorhaltekδrper 10 fest eingespannt. Die Einspannung erfolgt mittels einer Verschraubung 11, welche durch die Membran 3 hindurchgeht .
Der Krafteinleitungsbereich 31 der Membran ist wulstförmig gebildet und dabei entgegen der Kraftrichtung Fp des Piezoaktors gebogen (vgl. Figur 2). Dabei steht der Krafteinleitungsbereich 31 von der Membran 3 zur Seite des Piezoaktors 2 vor. Der Krafteinleitungsbereich 31 steht mit dem zweiten Fußteil 5 unmittelbar in Kontakt. Zum Schutz der Membran 3 sind dabei an den Kontaktstellen zwischen der Membran und dem zweiten Fußteil 5 bzw. zwischen der Membran und dem Federelement 9 Zwischenelemente 17 und 19 angeordnet. Der Kraftabgabebereich 32 ist flach und kreisförmig ausgebildet und liegt in der Mitte des ringförmigen Krafteinleitungsbereichs 31. Am Kraftabgabebereich 32 wird der von der Membran 3 übersetzte Hub des Piezoaktors 2 auf ein Steuerventil 14 abgegeben. Genauer wird der Hub auf ein Ventilglied 15 abgegeben, welches über ein Druckelement 13 zum Schutz der Membran 3 mit der Membran in Verbindung steht (vgl. Figur 1) .
Das Steuerventil 14 umfasst das Ventilglied 15 und gibt einen Ventilsitz 16 frei bzw. verschließt diesen. Das Ventilglied 15 besteht aus einem zylindrischen Bereich mit einer Ringnut sowie einem Verschlussbereich mit geneigten Auflageflächen. In der Ausgangsstellung befindet sich das Ventilglied 15 am Ventilsitz 16 und verschließt diesen. Über die Ringnut im Ventilglied 15 ist das Steuerventil 14 weiterhin mit einer Leckölleitung 18 verbunden, welche zu einem Leckölanschluss führt (vgl. Figur 1).
Über eine Drossel 20 ist das Steuerventil 14 desweiteren mit einem Steuerraum 21 verbunden, in welchem ein Kolben 22 angeordnet ist. Über den Kolben 22 wird eine nicht gezeigte Ventilnadel in bekannter Weise betätigt. Der Steuerraum 21 befindet sich über eine Drossel 24 mit einem Zulauf 23 aus dem Com on-Rail in Verbindung. Eine vom Zulauf 23 abzweigende Leitung 25 führt dabei zur Düse.
Wie in Figur 1 gezeigt, ist das Federelement 9 als ringförmige Tellerfeder ausgebildet, welche in einer im Injektorhaltekörper 10 gebildeten Aussparung 8 angeordnet ist. Das Federelement 9 spannt die Membran in Richtung des Piezoaktors 2 vor. Gleichzeitig wird durch das Federelement 9 auch der Piezoaktor 2 selbst vorgespannt .
Nachfolgend wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Ventils 1 beschrieben. Wenn der Piezoaktor 2 aktiviert wird, wird dessen Hub über das zweite Fußteil 5 auf die Membran 3 übertragen. Genauer wird der Hub des Piezoaktors 2 auf den
Kraf einleitungsbereich 31 der Membran 3 übertragen. Die Membran 3 befindet sich dabei fest zwischen dem Gewindering 11 und dem Gehäuseabsatz 12 eingespannt . Hierbei kann am Außenumfang der Membran 3 ein O-Ring zur Abdichtung des eingespannten Bereichs vorgesehen werden.
Wie in Figur 2 gezeigt, ist der Krafteinleitungsbereich 31 der Membran 3 in einem Winkel α zum Haltebereich 30 eingeordnet. Dabei ist weiter an einem Übergangsbereich zwischen dem Haltebereich 30 und dem
Krafteinleitungsbereich 31 ein gebogener Bereich mit einem vorbestimmten Radius vorgesehen. Durch diese Ausbildung an der Einspannstelle der Membran 3 können die Zugspannungen in der Membran minimiert werden. Dies stellt eine hohe Lebensdauer der Membran 3 sicher.
Die vom Piezoaktor 2 auf die Membran 3 ausgeübte Kraft Fp wird durch die Membranübersetzung a/b übersetzt und am Kraftabgabebereich 32 über das Druckelement 13 auf das Steuerventil 14 übertragen. Die Strecke a entspricht hierbei dem Abstand zwischen der Mitte der eingeleiteten Kraft Fp des Piezoaktors 2 und dem inneren Randbereich der eingespannten Membran 3. Die Strecke b entspricht dabei dem Abstand von der Mitte der eingeleiteten FP zur Mittelachse X-X des Ventils 1 (vgl. Figur 2) . Durch die Vorspannung der Membran 3 mittels des Federelements 9 treten an der Einspannstelle 30 der Membran 3 hohe Zugspannungen auf der' Unterseite, d.h. der zum Steuerventil 14 gerichteten Seite, und hohe Druckspannungen an der Oberseite, d.h. der zum Piezoaktor 2 gerichteten Seite, auf, welche jedoch durch die oben genannte gebogene Ausbildung mit vorgegebenem Radius begrenzt sind. Während der Bewegung der Membran werden diese Spannungen verkleinert .
Der übersetzte Hub des Piezoaktors 2 wird auf das Ventilglied 15 des Steuerventils 14 übertragen, welches dadurch von seinem Ventilsitz 16 abhebt. Dadurch entsteht eine Verbindung zwischen dem Steuerraum 21 und der Leckölleitung 18, so dass der Druck im Steuerraum 21 sinkt. Dadurch wird der Kolben 22 in Richtung des Piezoaktors 2 nach oben bewegt und eine mit dem Kolben 22 verbundene Ventilnadel (nicht dargestellt) hebt von ihrem Sitz ab. Dadurch beginnt die Kraftstoffeinspritzung an der Ventilnadel .
Wenn nun die Einspritzung beendet werden soll, wird der Piezoaktor 2 nochmals angesteuert, wodurch er wieder in seine Ausgangslage zurückkehrt . Dabei wird die Rückkehr in seine Ausgangslage durch das Federelement 9 unterstützt. Das Federelement 9 sorgt weiter dafür, dass auch die Membran 3 wieder in ihre Ausgangslage zurückkehrt, so dass das Ventilglied 15 wieder auf dem Ventilsitz 16 anliegt und den Durchgang verschließt. Dadurch kann sich im Steuerraum 21 wieder ein Druck aufbauen, wodurch der Kolben 22 wieder in seine Ausgangslage nach unten bewegt wird. Dabei verschließt die mit dem Kolben 22 verbundene Ventilnadel wieder die Einspritzöffnung, so dass die Einspritzung von Kraftstoff abgeschlossen ist.
Erfindungsgemäß stellt während des Betriebes des Ventils dabei die TemperaturausgleichsVorrichtung 27 sicher, dass eine Längenänderung des Piezoaktors 2 infolge eines Temperaturanstiegs mechanisch ausgeglichen werden kann. Um eine eventuell durch die Temperaturausgleichsvorrichtung 27 nicht ausgeglichene Längenänderung des Piezoaktors 2 zu kompensieren, kann zwischen der Membran 3 und dem zweiten Fußteil 5 ein vorbestimmter Abstand vorgesehen werden, welcher sehr viel kleiner als der Hub des Piezoaktors ist. Dieser Abstand kann eine durch die
Temperaturausgleichsvorrichtung 27 nicht ausgeglichene Längenänderung des Piezoaktors 2 kompensieren.
Mit der erfindungsgemäßen Membran 3 wird somit der Hub des Piezoaktors 2 mit einem Übersetzungsverhältnis a/b übersetzt. Je nach Ausbildung der Membran und insbesondere des Krafteinleitungsbereichs 31, kann dabei das Übersetzungsverhältnis auf relativ einfache Weise geändert werden.
Neben der Übersetzung des Piezoaktorhubes übernimmt die erfindungsgemäße Membran 3 auch eine Abdichtfunktion des Piezoaktors vom Kraftstoffbereich des Ventils. Dadurch wird sichergestellt, dass kein Kraftstoff zum Piezoaktor 2 gelangen kann und somit dessen Funktionsfähigkeit beeinträchtigen könnte. Somit kann auf das sonst bei der Verwendung von Piezoaktoren erforderliche Abdichtelement verzichtet werden, welches üblicherweise unmittelbar am Piezoaktor 2 angeordnet ist. Dadurch können die Herstellungskosten für das erfindungsgemäße Ventil weiter verringert werden.
Da die Membran 3 mit einem Winkel α gegen die Kraftrichtung Fp des Piezoaktors 2 gebogen ist, können die Zugspannungen im Bereich der Einspannung der Membran minimiert werden, obwohl die Membran 3 mittels des Federelements 9 in Richtung des Piezoaktors 2 vorgespannt ist. Der Winkel α ist dabei der Winkeln zwischen dem waagerechten Haltebereich 30 der Membran und der Steigung am Krafteinleitungsbereich 31, wie in Figur 2 gezeigt.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Piezoaktor 2, einem Übersetzer zur Übersetzung des Hubes des Piezoaktors 2 und einem durch den Übersetzer betätigbaren Steuerventil 14. Weiterhin ist eine Vorrichtung 27 zum Temperaturausgleich einer durch eine Temperaturänderung bedingten Längenänderung des Piezoaktors 2 vorgesehen. Der Übersetzer ist dabei als Membran 3 ausgebildet und in einem vorgespannten Zustand angeordnet . Die Membran 3 übersetzt den Hub des Piezoaktors mit einem Übersetzungsverhältnis a/b. Gleichzeitig wird eine Abdichtung des Piezoaktors 2 von der zu steuernden Flüssigkeit durch die Membran 3 bereitgestellt .
Die vorhergehende Beschreibung des Ausführungsbeispiels 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 des Hubes des Piezoaktors (2) , einem durch den Übersetzer betätigbaren Steuerventil (14) und einer Vorrichtung
(27) zum Temperaturausgleich, wobei der Übersetzer als Membran (3) ausgebildet ist und die Membran (3) vorgespannt ist.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran mittels eines Federelements (9) , insbesondere einer Tellerfeder oder einer Spiralfeder, vorgespannt ist .
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (3) gegen den Piezoaktor (2) vorgespannt ist.
4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (3) einen ringförmigen Krafteinleitungsbereich (31) aufweist, welcher zur Seite des Piezoaktors (2) vorsteht.
5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (9) an der Unterseite des Krafteinleitungsbereichs (31) angreift.
6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (3) den Piezoaktor (2) gegen das Steuerventil (14) abdichtet.
7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (27) zum Temperaturausgleich unmittelbar am Piezoaktor (2) vorgesehen ist.
8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (27) zum Temperaturausgleich ein erstes Fußteil (4) , ein zweites Fußteil (5) und eine Hülse (6) umfasst, wobei das erste Fußteil (4) und das zweite Fußteil (5) jeweils an der Stirnseite des Piezoaktors (2) angeordnet sind und die Hülse (6) die Fußteile (4, 5) und den Piezoaktor (2) umgibt, wobei die temperaturbedingte Längenänderung des ersten und des zweiten Fußteils (4, 5) sowie des Piezoaktors (2) der temperaturbedingten Längenänderung der Hülse (6) im Wesentlichen entspricht .
9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Membran (3) unmittelbar mit dem zweiten Fußteil (5) in Kontakt befindet.
10. Ventil nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Krafteinleitungsbereich (31) der Membran (3) in einem Winkel (α) relativ zum Haltebereich (30) entgegen der Kraftrichtung (Fp) des Piezoaktors (2) gebogen ist.
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