SE534897C2 - Piezoelektriskt styrd högtrycksventil samt förfarande för styrning av en högtrycksventil - Google Patents

Abstract

lO ll SAMANDRAG Ett system och en metod beskrivs for att omvandla enliten rorelse från en piezoelektrisk aktuator till enstorre rorelse på en ventilmekanism. En piezoelektriskaktuator seriekopplas med en mekanisk forstarkare,mekaniskt temperaturkompenseringselement, mekaniskttrimelement, alla med samma verkningsriktning som den piezoelektriska aktuatorn. Att publiceras med Fig. l

Description

25 30 35 534 897' teknik. Ett exempel där elektromagneter bytts ut mot piezoaktuatorer är bränsleinsprutningsventiler inom bilindustrin. Detta har lett till en ny generation bilmotorer med lägre bränsleförbrukning och mindre utsläpp.

Detta har möjliggjorts eftersom det med piezoaktuatortekniken är möjligt att styra bränsleinsprutningen på millisekunden när för varje kolvslag.

Dessvärre är det inte helt enkelt att byta en elektromagnet till en piezoaktuator eftersom den rörelse som genereras från en sådan är mycket liten, om än kraften är stor. Därför måste piezoaktuatorns genererade rörelse förstärkas. Vidare är temperaturutvidgningskoefficienten mycket låg på en piezoelektrisk aktuator, vilket vid första åsyn kan tyckas fördelaktigt, men är ett problem då omgivande material som arbetar som mekanisk referenspunkt till den piezoelektriska aktuatorn också måste ha en mycket låg temperaturutvidgningskoefficient. Mycket få material har denna egenskap, särskilt om det dessutom finns krav på hållfasthet m.m. Ett annat problem med piezokeramiktekniken är att toleranserna bearbetningsbarhet, korrosion, pris, på delarna ofta är flera gånger större än den rörelse som de kan generera. Detta ställer krav på mekanisk trimning. Även om väldigt stora krafter genereras från piezoelektriska aktuatorer måste beaktas att rörelsen samtidigt är mycket liten. En förstärkning av rörelsen leder i motsvarande magnitud till en reducerad kraft.

Därför bör en högtrycksventil konstrueras på sådant sätt att ingångstrycket får så liten inverkan som möjligt på I US 5,265,594 finns beskrivet en högtrycksventil med en ventilmekanism utgörande änden på ett rör med ett fjäderförspänt mjukt säte som trycker mot röränden. ventilsätet.

Hela rörets tvärsnittsarea kommer att medverka till en kraft orsakad av íngångstrycket, en kraft som nämnda fjäder måste hålla emot, och en kraft som elektromagneten skall övervinna. Detta gör att en stor, 10 15 20 25 30 35 534 B57 stark, dyr och energislukande elektromagnet behövs i denna konstruktion.

Syftet med uppfinningen är att eliminera nämnda tekniska problem och åstadkomma en piezoelektriskt styrd högtrycksventil med ett lågt beroende av ingångstrycket.

Sammanfattning av uppfinning Dessa syften åstadkommes med hjälp av anordningen enligt de bifogade oberoende kraven, varvid särskilda utföringsformer behandlas i de beroende kraven.

Den föreliggande uppfinningen söker således framför allt motverka, förbättra eller eliminera en eller flera av ovan identifierade tillkortakommanden och nackdelar inom konventionell teknik, individuellt eller i någon kombination, och löser åtminstone delvis de ovan nämnda problem genom att erbjuda en utrustning enligt de vidlagda patentkraven.

Enlig en aspekt av uppfinningen tillhandahålls en aktuatorstyrd högtrycksventil med ett ventilinlopp och ett ventilutlopp. Högtrycksventilen innefattar en piezoelektrisk aktuator, ett mekaniskt förstärkarelement, och en ventilmekanism verkande mot ett ventilsäte.

Aktuatorn, det mekaniska förstärkarelementet och ventilmekanismen är anordnade längs en gemensam axel.

Aktuatorn är anordnad att generera en rörelse för att styra ut ventilmekanismen och det mekaniska förstärkarelementet är anordnad att förstärka aktuatorns rörelse till ventilmekanismens slutande eller öppnande rörelse.

Genom denna konstruktion av högtrycksventilen kan man utnyttja fördelarna med piezokeramiktekniken jämfört med till exempel elektromagnetisk teknik. Men samtidigt undgår man problemen som är förknippade med piezoaktuatorernas små rörelser och deras låga temperaturutvidgningskoefficient.

Detta löses genom att i ett utförande koppla minst en aktuatorenhet i serie med minst ett mekaniskt förstärkarelement som förstorar aktuatorenhetens amplitud som då kan styra så att en ventil öppnas och stängs. 10 15 20 25 30 35 534 897 I ett annat utförande av uppfinningen innefattar den aktuatorstyrda högtrycksventilen ett första flödesresistanselement som ligger mellan ventilsätet och ventilutloppet.

Flödesresistanselementet används här till att tryckutjämna flödet genom att bl a hjälpa till att förhindra turbulens samt öka det dynamiska flödesområdet.

Det kan också användas ihop med en differentialtrycksmätare som ett flödesmätarelement.

I ett annat utförande av den aktuatorstyrda högtrycksventilen är differentialtryckmätaren ansluten uppströms respektive nedströms flödesresistanselementet.

Differentialtrycket blir genom denna konstruktion en signal som kan linjäriseras och kompenseras för tryck, fluidtyp och temperatur för att ge ett mått på fluidflödet.

Sådana ytterligare parametrar kan mätas och mätdatan användas för linjärisering av flödesvärden.

I ytterligare ett utförande av den aktuatorstyrda högtrycksventilen ligger minst ett andra flödesresistanselement nedströms det första flödesresistanselement.

Detta andra flödesresistanselement har samma uppgift som det första, nämligen att utjämna fluidtrycket genom kanalen och förhindra turbulens samt öka det dynamiska flödesområdet eller användas som ett flödesmätarelement. De flödesresistanselementen kan här ha formen av ett cylinderformat rör eller formen av en kon. Men kan även konstrueras så att flödeskanalen, nedströms utsidan på första flödesresistanselementet, har en avtagande vidd.

I ett annat utförande av den aktuatorstyrda högtrycksventilen är minst ett temperaturutvidgningselement 114 kopplat i serie med aktuatorn.

Denna adderade enhet används till att justera aktuatorn för att kompensera för temperaturberoende utvidgningar av omkringliggande konstruktions material. 10 15 20 25 30 35 534 89? I ytterligare ett utförande av den aktuator styrda högtrycksventilen är minst ett mekaniskt trimelement 115 kopplat i serie med aktuatorn.

Det mekaniska trimelementet används till att justera så att aktuatorns slaglängd hamnar rätt gentemot övriga konstruktionens övriga enheter. Detta är mycket viktigt eftersom toleransen pà piezoaktuatorer oftast är flera gånger större än den rörelse som de kan generera.

I en andra aspekt innefattar uppfinningen ett förfarande för att styra en högtrycksventil där alla ingående enheter är seriekopplade längs en gemensam axel.

Förfarandet innefattar att ventilen styrs av en piezoelektrisk aktuator med en slaglängd som förstärks av ett mekaniskt förstärkarelement till en ventilmekanism verkande mot ett ventilsäte. Förfarandet innefattar vidare att generera en rörelse med aktuatorn, förmedla rörelsen till det mekaniska förstärkarelementet och att styra ut ventilmekanismen med den förstärkta rörelsen till en slutande eller öppnande rörelse hos ventilmekanismen.

Förfarandet kan, innefatta att trimma in ventilen med ett mekaniskt trimelement och vid behov, temperaturkompensera rörelsen med ett temperaturutvidgningselement.

Fördelarna med denna metod är som för ovan beskrivna utrustning att på ett enkelt och billigt sätt kunna utnyttja, företrädelsevis, piezoaktuatorer och deras fördelar till att styra en högtrycksventil men samtidigt lösa problemen associerade med piezoaktuatorer. Översiktlig beskrivning av ritningen Dessa och andra aspekter, särdrag och fördelar som uppfinningen åtminstone partiellt innehar blir tydligare och specificerade genom följande beskrivning av utförandeformer av föreliggande uppfinning, där referens görs till de vidliggande Figuren 1 som visar i en schematisk vy ett utförandeexempel på en piezoelektrisk ventil. 10 15 20 25 30 35 534 857 Beskrivning av utföranden Figur 1 visar i en schematisk vy ett utförandeexempel på en piezoelektrisk ventil.

Utifrån sett består ventilen av ett rör 10 med en inloppskanal 101, utloppskanal 102 och en trimskruv 50 på ett mekaniskt trimelement 115.

Inuti röret 10 sitter det mekaniska trimelementet 115, det mekaniska temperaturutvidqhingselementet 114, piezoaktuatorn 113 omsluten av förspänningsröret 112, buffertplattan 123, ventilmekanismen 118, ventilsäte 15 och flödesmätarnät 18 i serie. den mekaniska förstärkaren 119, Det mekaniska trimelementet 115 hålls fast i röret 10 med en fjäderring 117 och tätas från omgivningsmiljön med o-ringen 116.

Buffertplattan 123 tjänar som tätningsbricka och rörligt element mellan piezoaktuatorn 113 och högtryckskaviteten 100. O-ringarna 110 och lll tjänar som tätning mot röret 10 och flexelement för buffertplattans 123 rörelse. Till utrymmet mellan O-ringarna 110 och 111 går genom röret 10 en luftningskanal 19.

Den mekaniska förstärkaren 119 utsätts för en rörelse från buffertplattan 123 varpå den trycks mot fundamentskivan 120.

Mellan fundamentskivan 120 och flödeskanalskivan 14 sitter inklämt ett kompensationsmembran 16.

Kompensationsmembranets ytterkant sitter fast i ventilmekanismen 118.

Flödeskanalskivan 14 har genomgående kanaler 13 innanför flödeskanalsskivans yttre del 12 som häller det mjuka ventilsätet 15.

Delarna 120, 12, 14, fixt förbundna med varandra. 15 och röret 10 är mekaniskt Mellan flödeskanalskivan 14 och ändstycket 11 sitter ett gaspermeabelt rör 18 inklämt.

Mellan röret 10 och det gaspermeabla röret 18 sitter ett volymreduceringsrör med koniskt formad innersida.

Volymreduceringsröret 17 kan vara en integrerad del av röret 10. 10 15 20 25 30 35 534 897 Luftningskanalens 19 funktion är att vid läckage från högtryckskaviteten 100, förbi o-ringen 110, skall gasen läcka ut igenom luftningshálet 19. Tack vare luftningshälet 19 kommer inte o-ringen 111 att utsättas för något högre tryck, varpå läckage från högtryckskaviteten förhindras in till piezoaktuatorn 113. Detta kan exempelvis vara fördelaktigt i explosionskänsliga miljöer där det är viktigt att piezoaktuatorn ej kommer i kontakt med omgivningen, eller för att förhindra fuktig gas att läcka in till aktuatorn.

Anordning fungerar i drift på följande sätt. Genom en pålagd spänning på piezoaktuatorn 113 sker en expansion av densamma, aktuatorns rörelse fortsätter till buffertplattan 123 som vidare pressar ihop den mekaniska förstärkaren 119 mot fundamentskivan 120. Ventilmekanismen 118 lyfts då från ventilsätet 14 med aktuatorrörelsen gånger den mekaniska förstärkarens 119 förstärkning. Ett gasflöde kommer då att strömma genom flödeskanalsskivans 14 kanaler, avsmalnande kanalen 122 och vidare genom det gaspermeabla ner i den röret 18. En differentialtryckgivare, ej visad i figur, ansluts till kanalen 122 respektive under det gaspermeabla röret 18. Differentialtrycket blir då ett en signal som kan linjäriseras och kompenseras för tryck, gastyp och temperatur för att ge ett mått på qasflödet.

Insidan av det gaspermeabla röret 18 kan kläs med en folie med slitsade öppningar enligt ovan nämnda patentansökan med titeln ”Flödesrestriktor samt förfarande att reducera ett flödesmotstånd”, för att reducera differentialtrycket vid stora flöden och på så sätt öka dynamiken på flödesmätningen.

I stängt tillstånd kommer inloppsgasen att trycksätta högtryckskaviteten 100, och även ovansidan av kompensationsmembranet 16 eftersom förbindelsen mellan den mekaniska förstärkaren 119 och ventilmekanismen 118 består av smala länkarmar. Vid högt tryck i stängt läge strävar inloppsgasen att läcka mellan ventilmekanism 118 och 10 15 20 25 30 35 534 89? ventilsäte 15. Samtidigt kommer dock trycket att orsaka en kraft ovanpå kompensationsmembranet 16 som kommer att pressa ventilmekanismen 118 hårdare mot ventilsätet 15. På detta sätt förhindras läckage vid högt ingångstryck. Härav kan aktuatorns kraft, storlek och pris reduceras.

I ett annat utförande av uppfinningen innefattar den aktuatorstyrda högtrycksventilen ett första flödesresistanselement som ligger mellan ventilsätet och ventilutloppet, såsom flödesmätarnätet 18.

Det första flödesresistanselementet används här till att tryckutjämna flödet genom att bl a hjälpa till att förhindra turbulens samt öka det dynamiska flödesområdet.

Det kan också användas ihop med en differentialtryckmätare som ett flödesmätarelement.

I ytterligare ett utförande av den aktuatorstyrda högtrycksventilen ligger minst ett andra flödesresistanselement (visas ej) nedströms det första flödesresistanselement.

Detta andra flödesresistanselement har samma uppgift som det första, nämligen att utjämna fluidtrycket genom kanalen och förhindra turbulens samt öka det dynamiska flödesområdet eller användas som ett flödesmätarelement. De flödesresistanselementen kan här ha formen av ett cylinderformat rör eller formen av en kon. Men kan även konstrueras så att flödeskanalen, nedströms utsidan på första flödesresistanselementet, har en avtagande vidd.

Ovan beskrivna principer är fördelaktiga i kombination med aktuatorer med en liten rörelse, och förutom med piezoaktuatorer kan kombinationer göras med andra aktuatorer såsom elektrostriktiva, termiska eller kemiska.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 35 534 as? PATENTKRAV Aktuatorstyrd högtrycksventil med ett ventilinlopp och ett ventilutlopp, som innefattar - en piezoelektrisk aktuator (1l3); - ett mekaniskt förstärkarelement (119): - en ventilmekanism verkande mot ett ventilsäte (118): - två tätningar (110, 111) är anordnade mellan aktuatorn (113) och det mekaniska förstârkarelement (l19); - varvid aktuatorn, det mekaniska förstärkarelementet och ventilmekanismen är anordnade längs en gemensam axel där aktuatorn är anordnad att generera en rörelse för att styra ut ventilmekanismen och det mekaniska förstärkarelementet är anordnad att förstärka aktuatorns rörelse till ventilmekanismens slutande eller öppnande rörelse; kännetecknad av en luftningskanal (19) är anordnad mellan de två tätningar (110, 111). Högtrycksventilen enligt krav 1, där anordningen âr anordnat i ett rör med ventilinloppet och ventilutloppet. Högtrycksventilen enligt krav 1 eller 2, där ett första flödesresistanselement ligger mellan ventilsåtet och ventilutloppet. Högtrycksventilen enligt krav 3, där minst en differentialtryckmätare är ansluten uppströms respektive nedströms flödesresistanselementet. Högtrycksventilen enligt krav 3, där minst ett andra flödesresistanselement ligger nedströms det första flödesresistanselementet. 10 15 20 25 30 35 G) 10. 534 89? IO Högtrycksventilen enligt något av kraven 3-5, där det första flödesresistanselementet har formen av ett cylinderformat rör eller en kon. Högtrycksventilen enligt något av kraven 3-6, där en flödeskanal nedströms en utsida på första flödesresistanselementet har en avtagande vidd. Högtrycksventilen enligt något av kraven 1-7, där minst ett temperaturutvidgningselement (114) är kopplad i serie med aktuatorn. Högtrycksventilen enligt något av kraven 1-8, där minst ett mekaniskt trimelement (115) är kopplad i serie med aktuatorn. Förfarande för att styra en högtrycksventil där alla ingående enheter är seriekopplade längs en gemensam axel, som innefattar att ventilen styrs av en piezoelektrisk aktuator med en slaglängd som förstärks av ett mekaniskt förstärkarelement till en ventilmekanism verkande mot ett ventilsäte, och varvid förfarandet innefattar att generera en rörelse med aktuatorn, förmedla rörelsen till det mekaniska förstärkarelementet och att styra ut ventilmekanismen med den förstärkta rörelsen till en slutande eller öppnande rörelse hos ventilmekanismen; kânnetecknad av att vid läckage frán en högtryckskavitet leda ut en gas genom en luftningskanal anordnad mellan tvâ tätningar. 11. Förfarandet enligt krav 10, innefattandes att trimma in ventilen med ett mekaniskt trimelement (115) och temperaturkompensera rörelsen med ett temperaturutvidgningselement (114).