EP1996424A1 - Fluiddosiervorrichtung und system zur fluiddosierung - Google Patents

Fluiddosiervorrichtung und system zur fluiddosierung

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EP1996424A1
EP1996424A1 EP07727197A EP07727197A EP1996424A1 EP 1996424 A1 EP1996424 A1 EP 1996424A1 EP 07727197 A EP07727197 A EP 07727197A EP 07727197 A EP07727197 A EP 07727197A EP 1996424 A1 EP1996424 A1 EP 1996424A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
drive
fluiddosiervorrichtung
fluid metering
pressure
Prior art date
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Pending
Application number
EP07727197A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Gottlieb
Andreas Kappel
Tim Schwebel
Carsten Wallenhauer
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.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP1996424A1 publication Critical patent/EP1996424A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
    • F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
    • F02M21/0218—Details on the gaseous fuel supply system, e.g. tanks, valves, pipes, pumps, rails, injectors or mixers
    • F02M21/0221—Fuel storage reservoirs, e.g. cryogenic tanks
    • 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
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    • F02M21/0218—Details on the gaseous fuel supply system, e.g. tanks, valves, pipes, pumps, rails, injectors or mixers
    • F02M21/023—Valves; Pressure or flow regulators in the fuel supply or return system
    • F02M21/0233—Details of actuators therefor
    • 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
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    • F02M21/023—Valves; Pressure or flow regulators in the fuel supply or return system
    • F02M21/0239—Pressure or flow regulators therefor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the invention relates to a system for metering pressurized fluids and to a device suitable for this purpose.
  • Example ⁇ a suction pipe also be fed directly into a motor vehicle or via injectors.
  • the widest possible Be ⁇ operating pressure is bandwidth to adapt to the erforder- nit desirable.
  • Particularly desirable is the groove ⁇ wetting of the entire operating pressure range of conventional gas supply inserted pressurized gas reservoir which is bounded by a lower and an upper extreme value.
  • the degree of filling of the accumulator is directly related to the prevailing pressure therein.
  • High gas pressures for example, pose a high risk potential in accidents.
  • the upper permeable to ⁇ limit value of a pressure gas reservoir is in Chen Wesentli ⁇ determined by the effort that is necessary for safe handling of high gas pressures in the motor vehicle. At a given upper operating pressure limit, the maximum in the
  • the demand is derived from the requirement placed on gas supply systems in motor vehicles to achieve a high range at safety-related and economically sensible maximum operating pressures and the lowest possible accumulator volume At gas injectors, for a given maximum operating pressure to allow the lowest possible lower operating pressure of about 10 bar to 20 bar, as this minimizes the unusable amount of residual gas and in return the decisive for the range gas extraction amount is maximized.
  • a two-stage fuel supply system is designed. It consists in the first stage of a gas sampling system for gas removal from the pressure accumulator.
  • the accumulator-side Ent ⁇ is as low as possible by a lower limit of about 20 bar acquisition operating pressure range and an upper limit corresponding to the maxi- mum operating pressure of the accumulator of up to about 300 bar limited.
  • the injector-dispensing operation ⁇ pressure of the gas extraction system is at a constant ⁇ an adjustable value in the range of about 10 bar to about 20 bar.
  • the second stage consists of low-pressure injectors, which meter the gas provided by the gas sampling system with constant low pressure into the intake manifold of an internal combustion engine.
  • the object underlying the invention is to provide an improved fluid metering device and an improved system for fluid metering. This object is achieved for a fluid metering by the invention according to the features of claim 1 and for a system for fluid metering by the invention according to the features of claim 15.
  • a fluid metering device has a metering valve, which is arranged in the fluid metering region and driven by at least two elongatable drive elements which effect a rotation of a drive shaft, which is mechanically coupled to the metering valve.
  • a self-locking valve drive option is advantageously presentable and it can be precisely introduced via suitable drive elements, such as piezo actuators, a strong force.
  • the present invention Fluiddosier- device in a further development, a metering valve, which is rigidly disposed on a service area and having a valve seat which is subjected to the reservoir pressure, because in this way the force of the reservoir EXISTING ⁇ which high pressure for resetting of the valve can be used.
  • a fluid metering device in a further development of the invention at least two electromechanical drive elements, at least enable a drive ring in a circumferential displacement movement, and a drive shaft, which is enclosed by this driving ring and frictionally or due to the higher it ⁇ targetable force and positioning accuracy is positively connected in the form of a micro-toothing with him.
  • the diameter differences of the outer diameter of the drive shaft and the inner diameter of the drive ring or the Verzah ⁇ voltage pairing between the drive ring and drive shaft in the case of the positive connection are adapted to the stroke differences of the actuators.
  • the drive shaft is coupled to the valve via a cam, in a development of the invention shown SEN fluid metering device.
  • a uniform rotation of the drive shaft as a non-linear thrust movement can be achieved by the eccentric disk or the cam plate ver ⁇ borrowed a suitable contour.
  • the eccentric or cam plate over a
  • Fluiddosiervoriques according to an embodiment of the invention, a valve seat of the valve downstream valve interior, which is connected to the dosing, because thus under technically minimal construction effort, a constant pressure environment, for example, for use in motor vehicles can be created.
  • valve with an inner seat, because here the pressure for opening the valve, which is present in the pressure accumulator, can be used.
  • a metering valve with an outer seat is present, since with such a valve, the pressure of the pressure accumulator can be used to close the valve. As a result, the valve drive does not have to generate a constant closing force.
  • the fluid metering device advantageously has a measuring sensor arranged in the fluid metering region in order to determine the current operating states.
  • sensors ⁇ designated manipulated variables for the valve drive are geeig predetermined, in order to achieve as constant as possible operating pressure in Fluiddosier Scheme.
  • the fluid metering device is connected fluid-conductive in their Fluiddosier Scheme with a pressure-fluid injector also advantageous in a further development of the invention because as advantageous a technically simple Konstrukti on ⁇ provided is to allow the operation of the fluid metering device in a motor vehicle.
  • control device with the fluid metering device coupled, which receives measurement signals from the sensor and which is coupled to the drive being so depen the drive can ⁇ gig control of the delivered by the measuring sensor signals, so that no control of the drive is required.
  • the invention provides a system for fluid metering, which has a Fluiddosiervorraum and a controller, where a relationship between a rotation angle of the drive shaft and the measured value of the measuring sensor and associated control instructions for a Antriebsele ⁇ ment is stored and the system so the drive controls that in the Fluiddosier Scheme a predeterminable pressure is set.
  • ver ⁇ can be dispensed with and a constant operating pressure as possible be achieved in Fluiddosier Symposium
  • advantageous to a regulation a regulation.
  • the relationship in the form of a characteristic field is also advantageously stored.
  • Fig. 1 shows an electromechanical motor which is particularly suitable for driving the fluid metering device according to the invention.
  • Fig. 2 shows an embodiment of a fluid metering device according to the invention.
  • FIG 3 shows a further exemplary embodiment of a fluid metering device according to the invention.
  • Fig. 1 shows an example of a drive an electromechanical ⁇ African engine.
  • this consists of at least one mechanical base plate 1000, in which the shaft 22 of the motor is rotatably guided as free of play as possible by means of a bearing.
  • a first mechanical drive element 131 and a second mechanical drive element 132 are present, each having a piezoelectric low-voltage
  • the PMAs 23 can each be controlled by an electrical amplifier via electrical leads 24.
  • an electromechanical drive element (PMA) 23 can also use any other controlled longitudinally extending actuator, such as an electromagnetic, electrodynamic, electrostrictive or magnetostrictive actuator or in the form of a linear drive.
  • an electromagnetic, electrodynamic, electrostrictive or magnetostrictive actuator or in the form of a linear drive.
  • an electromagnetic, electrodynamic, electrostrictive or magnetostrictive actuator or in the form of a linear drive.
  • Each PMA 23 is between a top plate, which has a plunger 26 and a bearing block 27 and a mecha ⁇ African soft as possible, for example, slotted Rohrfe- 28 installed under high mechanical pressure prestress.
  • the mechanical compressive prestressing serves to prevent damage to the PMA 23 by tensile forces which otherwise can
  • the bearing block can be fixedly connected to the base plate 1000 through guided through slots 20 screws. This connection can also be made by other means, for example by welding the bearing block 27 to a base plate 1000.
  • the electromechanical motor has a stiff and low-mass concentric Drive ring 111, with a diameter dR, which is slightly larger than the diameter dM of the shaft 22. The drive ring 111 is welded to the plungers 26 so that it has a distance to Grund ⁇ plate 1000, he thus above the base plate 1000 free is mobile.
  • the drive elements 131, 132 fixedly connected to the base plate 1000 via the bearing blocks 27 are arranged at an angle of 90 ° to each other in the plane of the base plate 1000, which here corresponds to the plane of movement, with their main direction of action directed towards the center of the drive ring 111 is.
  • This exporting ⁇ approximate shape avoids the disadvantages of the previously known piezoelectric actuators by the rolling of the rotatably mounted shaft 12 to the inside of the periodically circularly shifted by the drive elements 131, 132, drive ring 111, whereby the typical advantages remain hold a piezo motor fully he ⁇ .
  • the two drive elements 131, 132 are preferably driven with two sinusoidal voltage signals of the same peak amplitude shifted by 90 ° phases.
  • the gap between the shaft 22 and the inner surface of the driving ring ⁇ 111 is designed in conjunction with the properties of the PMAs 23 and a mounting of the motor so that during each phase of the rolling motion, a strong frictional engagement between the shaft 22 and the drive ring 111 exists, especially with the engine off, in which both PMAs 23 are de-energized.
  • a micro-toothing 30 is provided between the shaft 22 and the drive ring 111, which ensures a positive connection between the shaft 22 and the drive ⁇ ring 111.
  • both the power transmission is improved and increases the positioning accuracy. This means that the engine under all operating conditions even hem ⁇ mend and especially good for the valve drive of the gas pressure relief valve or metering valve in the inventive
  • Fluiddosiervoriques can be used, since it is acted upon even in the idle state caused by the high pressures high pressure forces and withstand these.
  • a drive motor which uses PMAs, is disclosed for example in EP 1098429 Bl, where further details and embodiments of such drives are given.
  • Fig. 2 shows an embodiment of a fluid metering device according to the invention in construction.
  • a high-pressure region 1 of the gas pressure accumulator is limited by a container wall 2.
  • a carrier 3 is mechanically rigidly attached, which serves for mecha ⁇ nically stiff attachment of the drive 4 shown schematically. Due to the high forces required and the desired self-locking and the compact dimensions piezoelectric actuator drives are particularly advantageous.
  • an eccentric disk 6a or a cam disk 6b provided with a suitably designed outer contour is arranged on the drive shaft 22 of the drive 4 rotatably mounted with respect to its axis of symmetry.
  • the eccentric disc or the cam is fitted by means of a mechanically rigid connection technology, such as a key, a toothing, a press fit or the like. The cam rolls in this
  • the valve element 8 is ⁇ form solution in the form of a narrow Spielpas- at the upper end of the valve body 9 is guided axially so that it has as little leakage and forms at entge ⁇ genforceen lower end of the valve body 9 with the valve ⁇ body a seat valve 12.
  • the valve element is sealed against the environment.
  • the low-pressure region or fluid-metering region consists of a valve interior downstream of the valve seat or annular space 11 and a low-pressure line 13, which leads, for example, to the intake manifold, or to Niederbuchinjektoren, and is hermetically sealed from the environment. It is advantageous, as shown here in this embodiment, arranged in the low-pressure line, a temperature sensor 14 or a pressure sensor, with which the instantaneous gas flow in the low-pressure region via an electronic control unit can be determined.
  • the pressure is here, for example, up to 300 bar.
  • the valve element 8 in this embodiment with a pressure force of up to 1500 N load.
  • the carrier 3 may be designed, for example, as a rigid honeycomb construction.
  • the drive shaft are mounted double, with the eccentric cam or is located between two firmly anchored bridge pillars of a carrier, which each take a shaft bearing ⁇ .
  • the drive is caused to set the shaft 22 in rotation ver ⁇ , whereby the center distance between the motor shaft and the line of contact of the roller with the cam shortens and driven the valve element, for example moved upwards by the pressure force.
  • a gap between the valve element and the Ven ⁇ tilifies so that pressurized gas is throttled through the valve of the high pressure area 1 can flow rich in Fluiddosierbe- and can flow through the low pressure line.
  • Fig. 3 shows another embodiment of an inventions ⁇ to the invention Fluiddosiervoriques.
  • the valve element has an outer seat 12.
  • the valve shown in FIG. 3 is closed by the high pressure present in the gas pressure region 1 and must be opened by a suitable driving force which acts on the seat via the shaft 5, the disk 6, the roller drive 7 and the valve element 8. Otherwise, the function is the same as in the embodiment shown in Fig. 2.
  • the fluid metering device has the following be ⁇ particular advantages.
  • a piezoelectric actuator according to EP 1 098 429 Bl with micro-toothing has an extremely high positioning accuracy and has a repeatability with respect to the Winkelposi ⁇ tion, which is very high. Therefore, the valve element can be ert gesteu ⁇ about this Piezoak- door operator with very high precision.
  • the Piezoaktorantrieb has due to its Prin ⁇ zips a high drive rigidity and is therefore unaffected leh against a load change, as it is caused for example by dynamic pressure changes in the valve area. This feature promotes precise control and rapid control of the valve element.
  • the power output of the piezo actuator drive can be optimally adapted to the be adjusted for the movement of the valve element in the entire operating pressure range.
  • a mechanically compact drive is coupled to a high-pressure valve and in this way a fluid metering device of simple construction and small dimensions is provided.
  • the mechanical properties of the drive and the valve used are such that they can be used particularly suitable for use in a gas-fired internal combustion engine for the local preparation of the gas mixture.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fluiddosiervorrichtung mit einem Dosierventil, welches zwischen einem Versorgungsbereich und einem Fluiddosierbereich angeordnet ist, einem Aktorantrieb, der eine Elongation von mindestens zwei Antriebselementen in eine Rotation einer Antriebswelle umsetzt, die mechanisch mit dem Dosierventil gekoppelt ist und dieses zur Dosierung antreibt.

Description

Fluiddosiervorrichtung und System zur Fluiddosierung
Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Dosierung von unter Druck stehenden Fluiden und auf eine hierfür geeignete Vorrichtung. Dosiert werden zum Beispiel Gase, die beispiels¬ weise in einem Kraftfahrzeug über Injektoren oder auch direkt einem Saugrohr zugeführt werden, um zur Verbrennung im Zylin- der eines Verbrennungsmotors aufbereitet zu werden.
Bei Injektoren, die für den Einsatz in gasbetriebenen Kraftfahrzeugen vorgesehen sind, ist eine möglichst weite Be¬ triebsdruckbandbreite zur Anpassung an die Einsatzerforder- nisse wünschenswert. Insbesondere wünschenswert ist die Nut¬ zung des gesamten Betriebsdruckbereiches üblicher zur Gasversorgung eingesetzter Druckgasspeicher, der durch einen unteren und einen oberen Extremwert begrenzt wird. Der Füllgrad des Druckspeichers steht in direktem Zusammenhang mit dem darin vorherrschenden Druck. Hohe Gasdrücke bergen zum Beispiel bei Unfällen ein hohes Gefahrenpotential. Der obere zu¬ lässige Grenzwert eines Druckgasspeichers wird im Wesentli¬ chen durch den Aufwand bestimmt, der zur sicheren Handhabung der hohen Gasdrücke im Kraftfahrzeug notwendig ist. Bei einer vorgegebenen oberen Betriebsdruckgrenze wird die maximal im
Kraftfahrzeug vorrätige Gasmenge durch das Volumen des Druck¬ gasspeichers festgelegt. Die Reichweite des Kraftfahrzeuges wird hingegen durch die maximale Entnahmemenge bestimmt. In¬ jektoren besitzen eine untere Betriebsdruckgrenze unterhalb dieser eine Gaszumessung von hinreichender Güte für den nachfolgenden Verbrennungsvorgang nicht mehr gewährleistet ist. Die untere Betriebsdruckgrenze des Injektors steht in einem direkten Zusammenhang mit einer im Druckgasspeicher mitgeführten, aber nicht nutzbaren Restgasmenge. Aus der an Gas- Versorgungssysteme bei Kraftfahrzeuge gestellten Anforderung bei sicherheitstechnisch und ökonomisch sinnvollen maximalen Betriebsdrücken und möglichst geringem Druckspeichervolumen eine hohe Reichweite zu erzielen, leitet sich die Anforderung an Gasinjektoren ab, bei gegebenem maximalen Betriebsdruck einen möglichst tief liegenden unteren Betriebsdruck von ca. 10 bar bis 20 bar zu ermöglichen, da hierdurch die nicht nutzbare Restgasmenge minimiert und im Gegenzug die für die Reichweite entscheidende Gasentnahmemenge maximiert wird.
Um die beschriebenen hohen technischen Anforderungen an Injektoren, die direkt mit dem Druckgasspeicher verbunden werden und nur aufwändig realisierbar sind herabzusetzen wird ein zweistufiges Kraftstoffversorgungssystem konzipiert. Es besteht in der ersten Stufe aus einem Gasentnahmesystem zur Gasentnahme aus dem Druckspeicher. Der speicherseitige Ent¬ nahmebetriebsdruckbereich ist durch eine möglichst tiefe untere Grenze von ca. 20 bar und eine obere Grenze, die dem ma- ximalen Betriebsdruck des Druckspeichers von bis zu ca. 300 bar entspricht begrenzt. Der injektorseitige Abgabebetriebs¬ druck des Gasentnahmesystems liegt bei einem konstant ein¬ stellbaren Wert im Bereich von ca. 10 bar bis ca. 20 bar. Die zweite Stufe besteht aus Niederdruck Injektoren, die das vom Gasentnahmesystem mit konstantem Niederdruck bereitgestellte Gas in das Saugrohr eines Verbrennungsmotors dosieren. Eine derartige technische Lösung hat den Vorteil, dass bei kon¬ stantem Niederdruck kostengünstige Magnetventile zur Gasmen- genzumessung eingesetzt werden können. Weiterhin besteht der Vorteil dieser Lösung darin, dass bei einer Niedrig Preis Variante, die zum Beispiel in Ländern mit höheren Emissions¬ grenzwerten zum Tragen kommen kann, das Gasentnahmesystem alleine die Gasmengenzumessung steuern kann.
Aus dem Stand der Technik sind zum Beispiel handelsübliche federbelastete Druckminderer oder geregelte Magnetventile zur Regelung von Gasentnahmesystemen mit auf der Entnahmeseite entsprechenden niedrigeren Drücken bekannt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Fluiddosiervorrichtung und ein verbessertes System zur Fluiddosierung anzugeben. Diese Aufgabe wird für eine Fluiddosiervorrichtung durch die Erfindung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 und für ein System zur Fluiddosierung durch die Erfindung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 15 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen .
Besonders vorteilhaft weist eine erfindungsgemäße Fluiddo- siervorrichtung ein Dosierventil auf, welches im Fluiddosier- bereich angeordnet ist und dessen Antrieb über wenigstens zwei elongierbare Antriebselemente erfolgt, die eine Rotation einer Antriebswelle bewirken, die mechanisch mit dem Dosierventil gekoppelt ist. Auf diese Weise ist vorteilhaft eine selbst hemmende Ventilantriebsmöglichkeit darstellbar und es kann über geeignete Antriebselemente, wie zum Beispiel Piezo- aktoren, eine starke Kraftwirkung präzise eingebracht werden.
Weiterhin vorteilhaft weist die erfindungsgemäße Fluiddosier- Vorrichtung bei einer Weiterbildung ein Dosierventil auf, das starr an einem Versorgungsbereich angeordnet ist und einen Ventilsitz aufweist, der mit dem Reservoirdruck beaufschlagt wird, weil auf diese Weise die Kraft des im Reservoir vorhan¬ denen hohen Druckes zur Rückstellung des Ventils verwendet werden kann.
Weiterhin vorteilhaft weist eine Fluiddosiervorrichtung bei einer Weiterbildung der Erfindung mindestens zwei elektrome- chanische Antriebselemente auf, die mindestens einen An- triebsring in eine umlaufende Verschiebungsbewegung versetzen, und eine Antriebswelle, die von diesem Antriebsring umschlossen ist und reibschlüssig oder aufgrund der höheren er¬ zielbaren Stellkraft und Stellgenauigkeit formschlüssig in Form einer Mikroverzahnung mit ihm verbunden ist. Die Durch- messerunterschiede des Außendurchmessers der Antriebswelle und des Innendurchmessers des Antriebsringes bzw. die Verzah¬ nungspaarung zwischen Antriebsring und Antriebswelle im Falle des Formschlusses, sind an die Hubunterschiede der Aktoren angepasst .
Auf diese Weise kann vorteilhaft bei der Verwendung von MuI- tilayer-Piezoaktoren eine starke, für die Steuerung der Gasbemessung im Hochdruckbereich erforderliche Kraft aufgebracht werden und der Stellvorgang des Ventils sehr exakt dosiert werden .
Vorteilhaft wird bei einer Weiterbildung der erfindungsgemä¬ ßen Fluiddosiervorrichtung die Antriebswelle mit dem Ventil über einen Exzenter gekoppelt.
Dies kann vorteilhaft ebenfalls über eine Nockenscheibe ge- schehen. Bei gleichmäßiger Drehung der Antriebswelle ist so eine nicht-lineare Schubbewegung erreichbar, indem der Exzenterscheibe bzw. der Nockenscheibe eine geeignete Kontur ver¬ liehen wird.
Vorteilhaft ist die Exzenter- oder Nockenscheibe über eine
Rollenkonstruktion mit dem Ventil verbunden, damit eine möglichst reibungsarme und fein dosierbare und ruckfreie Stell¬ möglichkeit des Ventils erreicht wird.
Weiterhin vorteilhaft weist die Fluiddosiervorrichtung gemäß einer Weiterbildung der Erfindung einen dem Ventilsitz des Ventils nachgeordneten Ventilinnenraum auf, der mit dem Dosierbereich verbunden ist, weil somit unter technisch geringstem Aufbauaufwand eine Umgebung mit konstantem Druck, zum Beispiel für den Einsatz in Kraftfahrzeugen geschaffen werden kann.
Außerdem ist es so einfach möglich, den Dosierdruck im Fluid- dosierbereich zu steuern.
Weiterhin vorteilhaft weist eine Weiterbildung der Fluiddo¬ siervorrichtung gemäß der Erfindung ein axial betreibbares den Ventilsitz verschließendes Ventilelement auf, wobei zwi- sehen dem Ventilelement und einem Ventilkörper zur Abdichtung ein Dichtelement angeordnet ist.
Aufgrund dieser technischen Lösung wird vorteilhaft erreicht, dass nicht der Hochdruck des Druckspeichers gegenüber der Um¬ welt abgedichtet werden muss, sondern lediglich der im Fluid- dosierbereich vorhandene Dosierdruck. Wodurch kostengünstige Metallfaltenbälge oder Membranen beim Abdichten zum Einsatz kommen können. Gegebenenfalls können auch preisgünstige Elas- tomerdichtungen oder O-Ringe als Dichtelemente zum Einsatz kommen .
Vorteilhaft ist bei einer Weiterbildung der Vorrichtung ein Ventil mit Innensitz vorgesehen, weil hier der Druck zum Öff- nen des Ventils verwendet werden kann, der im Druckspeicher vorhanden ist.
Vorteilhaft ist bei einer Weiterbildung der Vorrichtung ein Dosierventil mit einem Außensitz vorhanden, da bei einem der- artigen Ventil der Druck des Druckspeichers zum Schließen des Ventils verwendet werden kann. Dadurch muss der Ventilantrieb keine konstante Schließkraft erzeugen.
Weiterhin vorteilhaft weist eine Weiterbildung der erfin- dungsgemäßen Fluiddosiervorrichtung einen im Fluiddosierbe- reich angeordneten Messfühler auf, um die aktuellen Betriebs- zustände zu ermitteln. Durch derartige Messfühler sind geeig¬ nete Stellgrößen für den Ventilantrieb vorgebbar, um einen möglichst konstanten Betriebsdruck im Fluiddosierbereich zu erreichen. Weiterhin vorteilhaft ist bei einer Weiterbildung der Erfindung die Fluiddosiervorrichtung in ihrem Fluiddosierbereich mit einem Druck-Fluidinjektor fluidleitend verbunden, da so vorteilhaft eine technisch einfache Konstrukti¬ on bereitgestellt wird, die den Betrieb der Fluiddosiervor- richtung in einem Kraftfahrzeug ermöglicht.
Weiterhin vorteilhaft wird bei einer Weiterbildung der Erfindung eine Steuervorrichtung mit der Fluiddosiervorrichtung gekoppelt, welche Messsignale vom Messfühler erhält und die mit dem Antrieb gekoppelt ist, weil sie so den Antrieb abhän¬ gig von den vom Messfühler gelieferten Signalen steuern kann, sodass keine Regelung des Antriebs erforderlich ist.
Weiterhin vorteilhaft stellt die Erfindung ein System zur Fluiddosierung bereit, welches eine Fluiddosiervorrichtung aufweist und eine Steuerung, wo ein Zusammenhang zwischen einem Drehwinkel der Antriebswelle und dem Messwert des Mess- sensors und zugehörige Steueranweisungen für ein Antriebsele¬ ment gespeichert ist und das System den Antrieb so steuert, dass im Fluiddosierbereich ein vorgebbarer Druck eingestellt wird. Auf diese Weise kann vorteilhaft auf eine Regelung ver¬ zichtet werden und ein möglichst konstanter Betriebsdruck im Fluiddosierbereich erreicht werden.
Weiterhin vorteilhaft ist bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems der Zusammenhang als Modell gespeichert.
Weiterhin vorteilhaft ist bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems der Zusammenhang in Form eines Kennfeldes gespeichert.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren und Aus- führungsbeispielen weiter erläutert.
Fig. 1 zeigt dabei einen elektromechanischen Motor, der zum Antrieb der erfindungsgemäßen Fluiddosiervorrichtung besonders geeignet ist.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Fluiddosiervorrichtung.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfin- dungsgemäßen Fluiddosiervorrichtung.
Fig. 1 zeigt als Beispiel eines Antriebs einen elektromecha¬ nischen Motor. Bevorzugt besteht dieser mindestens aus einer mechanischen Grundplatte 1000, in der die Welle 22 des Motors mittels eines Lagers möglichst spielfrei drehbar geführt ist. Weiterhin sind ein erstes mechanisches Antriebselement 131 und ein zweites mechanisches Antriebselement 132 vorhanden, jeweils aufweisend einen piezoelektrischen Niedervolt-
Multilayer-Aktor 23 (PMA) . Die PMAs 23 können jeweils von einem elektrischen Verstärker über elektrische Zuleitungen 24 angesteuert werden. Ein elektromechanisches Antriebselement (PMA) 23 kann im Falle der Erfindung aber auch einen beliebi- gen anderen sich gesteuert longitudinal ausdehnenden Aktor verwenden, wie zum Beispiel einen elektromagnetischen, elektrodynamischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Aktor oder in Form eines Linearantriebes. Durch elektrische Ansteu¬ erung des PMA 23 kann sich dieser gemäß dem Verhalten eines piezoelektrischen Längsaktors näherungsweise proportional der angelegten elektrischen Spannung in axialer Richtung ausdehnen. Jeder PMA 23 ist zwischen einer Kopfplatte, die einen Stößel 26 aufweist und einem Lagerblock 27 und einer mecha¬ nisch möglichst weichen, beispielsweise geschlitzten Rohrfe- der 28 unter hoher mechanischer Druckvorspannung verbaut. Die mechanische Druckvorspannung dient einerseits zur Vermeidung einer Schädigung des PMA 23 durch Zugspannungskräfte, die sonst im hochfrequenten Dauerbetrieb auftreten können und andererseits zur Rückstellung des PMA 23, wenn dieser elekt- risch entladen wird.
Da der Hub des PMA 23 durch die Rohrfeder 28 verringert wird, sollte diese in Bezug auf die Steifigkeit des Piezoaktors ei¬ ne möglichst kleine Federkonstante aufweisen.
Eine dauerhaft feste Verbindung vom PMA 23, Kopfplatte 25, Lagerblock 27 und Rohrfeder 28 erfolgt über Schweißverbindungen 29. Der Lagerblock kann mit der Grundplatte 1000 über durch Langlöcher 20 geführte Schrauben fest verbunden werden. Diese Verbindung kann auch mit anderen Mitteln, zum Beispiel durch Verschweißung des Lagerblocks 27 mit einer Grundplatte 1000 hergestellt werden. Der elektromechanische Motor weist einen möglichst steifen und massearmen konzentrischen An- triebsring 111 auf, mit einem Durchmesser dR, der etwas größer ist als der Durchmesser dM der Welle 22. Der Antriebsring 111 ist mit den Stößeln 26 so verschweißt, dass er zur Grund¬ platte 1000 einen Abstand aufweist, er über der Grundplatte 1000 somit frei beweglich ist. Die mit der Grundplatte 1000 über die Lagerblöcke 27 fest verbundenen Antriebselemente 131, 132 sind in der Ebene der Grundplatte 1000, die hier der Bewegungsebene entspricht, in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet, wobei ihre Hauptwirkungsrichtung auf den Mittel- punkt des Antriebsringes 111 gerichtet ist. Diese Ausfüh¬ rungsform vermeidet die Nachteile der bisher bekannten Piezo- antriebe durch das Abrollen der drehbar gelagerten Welle 12 auf der Innenseite des von den Antriebselementen 131, 132 periodisch kreisförmig verschobenen Antriebsringes 111, wobei die typischen Vorteile eines Piezomotors uneingeschränkt er¬ halten bleiben.
Zur Erzeugung der kreisförmigen Verschiebebewegung des Antriebsringes 111 werden die beiden Antriebselemente 131, 132 bevorzugt mit zwei um 90° Phasen verschobenen sinusförmigen Spannungssignalen gleicher Spitzenamplitude angesteuert. Das Spaltmaß zwischen der Welle 22 und der Innenfläche des An¬ triebsringes 111 ist in Verbindung mit den Eigenschaften der PMAs 23 und einer Montage des Motors so ausgelegt, dass wäh- rend jeder Phase der Abrollbewegung ein starker Reibschluss zwischen der Welle 22 und dem Antriebsring 111 besteht, insbesondere auch bei ausgeschaltetem Motor, bei dem beide PMAs 23 spannungslos sind. Vorzugsweise ist eine Mikroverzahnung 30 zwischen der Welle 22 und dem Antriebsring 111 vorgesehen, die einen Formschluss zwischen der Welle 22 und dem Antriebs¬ ring 111 gewährleistet. Hierdurch wird sowohl die Kraftübertragung verbessert als auch die Stellgenauigkeit erhöht. Das bedeutet, dass der Motor in jedem Betriebszustand selbst hem¬ mend ist und besonders gut für den Ventilantrieb des Gas- druckventils bzw. Dosierventils bei der erfindungsgemäßen
Fluiddosiervorrichtung verwendet werden kann, da er auch im betriebslosen Zustand mit den durch die hohen Drücke bewirkten hohen Druckkräfte beaufschlagt wird und diesen standhält. Ein derartiger Antriebsmotor, welcher PMAs verwendet, ist beispielsweise in EP 1098429 Bl offenbart, wo auch weitere Einzelheiten und Ausführungsformen solcher Antriebe angegeben sind.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Fluiddosiervorrichtung im Aufbau. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Hochdruckbereich 1 des Gasdruckspeichers durch eine Behälterwand 2 begrenzt. Anstelle eines Gases können auch Flüssigkeiten mit der Fluiddosiervorrichtung dosiert werden. Auf einem Teilstück der Behälterwand 2 ist ein Träger 3 mechanisch steif befestigt, welcher zur ebenfalls mecha¬ nisch steifen Befestigung des schematisch dargestellten An- triebes 4 dient. Aufgrund der hohen erforderlichen Kräfte und der gewünschten Selbsthemmung sowie der kompakten Abmessungen werden besonders vorteilhaft Piezoaktorenantriebe verwendet. Auf der bezüglich ihrer Symmetrieachse drehbar gelagerten Antriebswelle 22 des Antriebs 4 ist zum Beispiel eine Exzenter- scheibe 6a oder eine mit einer geeigneten gestalteten Außenkontur versehene Kurvenscheibe 6b angeordnet. Beispielsweise ist die Exzenterscheibe oder die Kurvenscheibe mittels einer mechanisch steifen Verbindungstechnik aufgesetzt, wie beispielsweise einer Passfeder, einer Verzahnung, einer Press- passung oder ähnlichem. Die Kurvenscheibe rollt in diesem
Ausführungsbeispiel vorteilhaft auf einer drehbar gelagerten Rollenkonstruktion 7 ab, die in mechanisch steifer Wirkverbindung mit dem Ventilelement 8 steht. In dieser Ausführungs¬ form wird das Ventilelement 8 in Form einer engen Spielpas- sung am oberen Ende des Ventilkörpers 9 axial so geführt, dass es möglichst wenig Leckage aufweist und bildet am entge¬ gengesetzten unteren Ende des Ventilkörpers 9 mit dem Ventil¬ körper ein Sitzventil 12. Mittels eines hermetisch dicht an das Ventilelement 8 und den Ventilkörper 9 angeschlossenen Dichtelementes, das zum Beispiel durch Verschweißen befestigt wird, wird das Ventilelement gegen die Umgebung abgedichtet. Hierfür ist vorteilhaft lediglich eine Druckbelastbarkeit des Dichtelementes bis ca. 40 bar erforderlich, wobei zum Bei- spiel als Dichtelement 10 ein Metallbalg oder eine Membrane oder auch Elastomerdichtungen oder O-Ringe verwendet werden können. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass sie genügend axialen Spielraum für die beim Betrieb auftretende Verstel- lung des Ventilelementes 8 erlauben. Der Niederdruckbereich, oder Fluiddosierbereich besteht aus einem dem Ventilsitz nachgeschalteten Ventilinnen- oder Ringraum 11 und einer Niederdruckleitung 13, die zum Beispiel zum Saugrohr, bzw. zu Niederdruckinjektoren führt, und hermetisch dicht gegen die Umgebung abgedichtet ist. Vorteilhaft ist wie hier in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt, in der Niederdruckleitung ein Temperaturfühler 14 oder auch ein Druckfühler angeordnet, mit welchem der momentane Gasstrom im Niederdruckbereich über eine Steuerelektronik ermittelbar ist.
Auf der dem Hochdruckbereich 1 oder auch Gas-, Versorgungsbereich zugewandten Seite des Ventilelementes 8 wirkt der volle Betriebsdruck des Gasdruckspeichers ein. Der Austritt von Gas wird lediglich durch die Dichtlinie des Sitzventils ver- sperrt.
Der Druck beträgt hier beispielsweise bis zu 300 bar. Bei ei¬ nem typischen Dichtsitzdurchmesser von ca. 8 mm wird das Ventilelement 8 in diesem Ausführungsbeispiel mit einer Druck- kraft von bis zu 1500 N belastet.
Bei diesen hohen Belastungen kommt in Verbindung mit dem kleinen in der Praxis auftretenden Ventilhub der starren Konstruktion des Aufbaus seiner Ankoppelung an den Gasbehälter und der Verbindung der Teile untereinander besondere Bedeutung zu. So sollten der Träger 3, der Antrieb 4, die Antriebswelle 22 und Nocken- Kurvenscheibe 6, sowie die Rollen¬ konstruktion 7 auf jeden Fall bei derartigen Belastungen keine Verformungen aufweisen, oder diese sollten zumindest so klein sein, dass sie bei der Vorgabe der Stellgrößen des Antriebs korrigierend einbezogen werden können. Der Träger 3 kann beispielsweise als steife Wabenkonstruktion ausgeführt sein. In einem anderen nicht gezeigten Fall kann die An- triebswelle doppelt gelagert werden, wobei sich der Exzenter oder Nocken zwischen zwei fest verankerten Brückenpfeilern eines Trägers befindet, welche jeweils ein Wellenlager auf¬ nehmen .
An seinem oberen Ende stützt es sich das Ventilelement 8 über die Rollenkonstruktion 7 und die Kurvenscheibe 6 an der Antriebswellewelle 22 ab. Durch elektrische Ansteuerung bei¬ spielsweise über eine nicht näher dargestellte Steuerung wird der Antrieb dazu veranlasst, die Welle 22 in Drehung zu ver¬ setzen, wodurch sich der Achsabstand zwischen der Motorwelle und der Kontaktlinie der Rolle mit der Kurvenscheibe verkürzt und sich das Ventilelement beispielsweise getrieben durch die Druckkraft nach oben bewegt. Somit öffnet sich im Bereich der Dichtlinie ein Spalt zwischen dem Ventilelement und dem Ven¬ tilkörper, sodass unter Druck stehendes Gas gedrosselt durch das Ventil aus dem Hochdruckbereich 1 in den Fluiddosierbe- reich strömen kann und durch die Niederdruckleitung 13 abfließen kann. Mittels der vom Sensor 14 gelieferten Sensor- Signale über Druck und Temperatur wird von einer nicht darge¬ stellten Steuerelektronik der momentane Gasmassenstrom ermittelt und mit dem im System abgespeicherten Sollwert einer Motorsteuerung verglichen.
Da einerseits ein einfacher und eindeutiger Zusammenhang zwischen der Stellung des Ventilelementes und dem momentanen Gasmassenstrom besteht und des weiteren über die Kurvenschei¬ be ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Drehwinkelsteuerung der Motorwelle des Antriebs und der Stellung des Ventil- elementes besteht, wird durch die Steuerelektronik im Falle einer Sollwertabweichung ein neuer Drehwinkel der Motorwelle berechnet und kann gesteuert angefahren werden. Dieser Zusammenhang kann beispielsweise in der Steuerelektronik, die hier nicht dargestellt ist, als Modell hinterlegt sein, oder als Kennlinienfeld.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfin¬ dungsgemäßen Fluiddosiervorrichtung. Im Unterschied zu Aus- führung von Fig. 2 weist das Ventilelement einen Außensitz 12 auf. Es wird also das in Fig. 3 dargestellte Ventil durch den im Gasdruckbereich 1 vorhandenen Hochdruck verschlossen und muss durch eine geeignete Antriebskraft, die über die Welle 5, die Scheibe 6, den Rollentrieb 7 und das Ventilelement 8 auf den Sitz einwirkt, geöffnet werden. Ansonsten ist die Funktion gleich wie bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform.
Die erfindungsgemäße Fluiddosiervorrichtung hat folgende be¬ sondere Vorteile. Ein Piezoaktorantrieb gemäß EP 1 098 429 Bl mit Mikroverzahnung hat eine extrem hohe Stellpräzision und weist eine Wiederholgenauigkeit hinsichtlich der Winkelposi¬ tion auf, die sehr hoch ist. Daher kann über diesen Piezoak- torantrieb das Ventilelement mit sehr hoher Präzision gesteu¬ ert werden.
Weiterhin besitzt der Piezoaktorantrieb aufgrund seines Prin¬ zips eine hohe Antriebssteifigkeit und ist daher unempfind- lieh gegenüber einer Laständerung, wie sie beispielsweise durch dynamische Druckänderungen im Ventilbereich hervorgerufen wird. Durch diese Eigenschaft wird eine präzise Steuerung und eine schnelle Steuerung des Ventilelementes begünstigt.
Mit Hilfe dieses Piezoaktorantriebs lassen sich prinzipbe¬ dingt hohe Stellwege des Ventilelementes im mm-Bereich reali¬ sieren, wodurch ein sehr weiter Druckbereich des Druckspeichers nutzbar wird.
Beim Halten eines eingestellten Winkels und einer damit verbundenen Ventilposition verbraucht der Piezoaktorantrieb kei¬ ne elektrische Energie, weil Piezoaktoren als kapazitive und hochohmige Bauelemente zum Halten eines Ladungszustandes kei¬ ne elektrische Energie aufnehmen.
Mittels einer geeignet gestalteten Kurvenscheibe kann die Leistungsabgabe des Piezoaktorantriebs optimal an den Leis- tungsbedarf zur Bewegung des Ventilelementes im gesamten Betriebsdruckbereich angepasst werden.
Durch die Erfindung wird ein mechanisch kompakter Antrieb mit einem Hochdruckventil gekoppelt und auf diese Weise eine FIu- iddosiervorrichtung von einfacher Konstruktion und geringen Abmessungen bereitgestellt. Die mechanischen Eigenschaften des Antriebs und des verwendeten Ventils sind derartig, dass sie besonders geeignet zur Verwendung in einer Gasbrennkraft- maschine zur dortigen Aufbereitung des Gasgemisches verwendet werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Fluiddosiervorrichtung mit a) einem Dosierventil (8,9), welches zwischen einem Versor- gungsbereich (1) und einem Fluiddosierbereich (11) angeordnet ist, b) einem Aktorantrieb (4), der eine Elongation von mindes¬ tens zwei Antriebselementen in eine Rotation einer Antriebswelle (22) umsetzt, die mechanisch mit dem Dosier- ventil gekoppelt ist und dieses zur Dosierung antreibt.
2. Fluiddosiervorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Dosierventil (8,9) am Versorgungsbereich (1) angeordnet ist und einen Ventilsitz (12) aufweist, der mit einem Reservoirdruck beaufschlagt ist.
3. Fluiddosiervorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebselemente als Linearantriebe ausgebildet sind.
4. Fluiddosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Aktorantrieb mindestens zwei elektromechanische Antriebselemente (23) aufweist, mindestens einen Antriebsring
(111), der durch die zwei Antriebselemente in eine umlaufende Verschiebebewegung versetzt wird, und eine Antriebswelle (22), die vom Antriebsring (111) umschlossen ist und reibschlüssig oder formschlüssig mit ihm verbunden ist, wobei der Außendurchmesser der Antriebswelle kleiner ist als der Innendurchmesser des Antriebsringes.
5. Fluiddosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Aktor (23) als piezoelektrischer Mehrschichtaktor ausgeführt ist.
6. Fluiddosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Aktorantrieb (4) an einem Träger (3) ange¬ ordnet, welcher direkt mit dem Druckreservoirbereich (1) gekoppelt ist.
7. Fluiddosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Antriebswelle (22) mit dem Ventil (8,9) über ein Exzenter (6a) oder eine Kurvenscheibe (6b) gekoppelt ist.
8. Fluiddosiervorrichtung nach Anspruch 7, bei der zwischen dem Exzenter oder der Kurvenscheibe und dem Dosierventil
(8,9) eine Rollenkonstruktion (7) angeordnet ist.
9. Fluiddosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei der dem Ventilsitz (12) ein Ventilinnenraum (11) folgt, der mit dem Fluiddosierbereich verbunden ist.
10. Fluiddosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, bei der ein den Ventilsitz verschließendes Ventilelement (8) axial antreibbar ist, wobei zwischen dem Ventilelement (8) und dem Ventilkörper (9) zur Abdichtung ein Dichtelement (10) angeordnet ist.
11. Fluiddosiervorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Ventil (8.9) einen Innensitz (12) aufweist.
12. Fluiddosiervorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, bei der das Ventil (8.9) einen Außensitz (12) aufweist.
13. Fluiddosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der im Fluiddosierbereich (11) ein Messfühler (14) angeordnet ist.
14. Fluiddosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Fluiddosierbereich (11) mit einem Druckfluidinjektor fluidleitend (13) verbunden ist.
15. Fluiddosiervorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, mit einer Steuervorrichtung, welche Messsignale vom Messfühler erhält und die mit dem Antrieb gekoppelt ist, um diesen in Ab¬ hängigkeit vom Messfühler gelieferter Signale zu steuern.
16. System zur Fluiddosiervorrichtung aufweisend eine Fluid- dosiervorrichtung nach Anspruch 14, wobei in der Steuerung ein Zusammenhang zwischen einem Drehwinkel der Antriebswelle (22) und einem Messwert des Messsensors (14) und Steueranwei¬ sungen für ein Antriebselement (23) gespeichert ist, und das System den Antrieb so steuert, dass im Fluiddosierbereich (11) ein vorgegebener Druck eingestellt wird.
17. System nach Anspruch 16, bei dem der Zusammenhang als Modell gespeichert ist.
18. System nach Anspruch 16, bei dem der Zusammenhang als Kennlinie gespeichert ist.
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