DE19709794A1 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten - Google Patents
Ventil zum Steuern von FlüssigkeitenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssig
keiten gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1. Durch die
US-PS 4,813,601 ist ein solches Ventil bekannt. Dort ist der
Betätigungskolben des Ventilglieds in einem im Durchmesser
kleineren Teil einer Stufenbohrung dicht verschiebbar ange
ordnet, wogegen ein im Durchmesser größerer Kolben, der mit
dem Piezoaktor bewegt wird, in einem im Durchmesser größeren
Teil der Stufenbohrung angeordnet ist. Zwischen beiden
Kolben ist ein hydraulischer Raum eingespannt, derart, daß
wenn der größere Kolben durch den Aktor um eine bestimmte
Wegstrecke bewegt wird, der Betätigungskolben des
Ventilglieds um einen um das Übersetzungsverhältnis der
Stufenbohrungsdurchmesser vergrößerten Weg bewegt wird. Das
Ventilglied, der Betätigungskolben, der im Durchmesser
größere Kolben und der Piezoaktor liegen auf einer
gemeinsamen Achse hintereinander. Diese Anordnung hat den
Nachteil, daß sie insbesondere im Bezug auf die Länge einen
großen Bauraum beansprucht unter der Berücksichtigung der
Tatsache, daß für eine wirksame Betätigung ein Piezoaktor
recht groß ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäße Steuerventil mit den Merkmalen des
Kennzeichens des Patentanspruchs 1 hat dem gegenüber den
Vorteil, daß die Lage des Piezoaktors vor dem eigentlichen
Ventilglied mit seinem Betätigungskolben getrennt angeordnet
werden kann, d. h. in räumlicher seitlicher Entfernung vom
Ventilglied. Damit wird bei der notwendigen großen Bauform
eines Piezoaktors neben dem zentral angeordneten Ventilglied
Platz zur Unterbringung dieses Aktors geschaffen. Aktor und
Ventilglied können sich dabei in weiten Bereichen parallel
nebeneinander befinden.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich
nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschrei
bung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein erstes Ausfüh
rungsbeispiel eingebaut in einem elektrisch gesteuerten
Kraftstoffeinspritzventil, von dem der zur Steuerung wesent
liche Teil dargestellt ist - in der Ausführung als
2/2-Ventil und Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des
Steuerventils als 3/2-Ventil.
Das erfindungsgemäße Ventil findet Anwendung bei einem
Kraftstoffeinspritzventil, das in wesentlichen T;eilen im
Schnitt in der Fig. 1 wiedergegeben ist. Dieses Einspritz
ventil weist ein Ventilgehäuse 1 auf, in dem in einer Längs
bohrung 2 eine Ventilnadel 3 geführt ist. An ihrem einen
Ende ist die Ventilnadel mit einer kegelförmigen Dichtfläche
4 versehen, die an der in den Brennraum ragenden Spitze 5
des Ventilgehäuses mit einem Sitz zusammenwirkt, von dem aus
Einspritzöffnungen abführen, die das Innere des
Einspritzventils, hier den die Ventilnadel 3 umgebenden mit
unter Einspritzdruck stehendem Kraftstoff gefüllten Ringraum
7 mit dem Brennraum verbinden, um so eine Einspritzung zu
vollziehen, wenn die Ventilnadel von ihrem Sitz abgehoben
hat. Der Ringraum ist mit einem weiteren Druckraum 8
verbunden, der ständig in Verbindung mit einer Druckleitung
10 steht, über die dem Kraftstoffeinspritzventil von einem
hier nicht weiter gezeigten Kraftstoffhochdruckspeicher
Kraftstoff unter Einspritzdruck zugeführt wird. Dieser hohe
Kraftstoffdruck wirkt auch in den Druckraum 8 und dort auf
eine Druckschulter 11, über die in bekannter Weise die
Düsennadel bei geeigneten Bedingungen von ihrem Ventilsitz
abgehoben werden kann.
Am anderen Ende der Ventilnadel ist diese in einer Zylinder
bohrung 12 geführt und schließt dort mit ihrer Stirnseite 14
einen Steuerdruckraum 15 ein, der über eine Drosselver
bindung 16 ständig mit einem Ringraum 17 verbunden ist, der
wie auch der Ringraum 8 ständig mit dem Kraftstoffhochdruck
speicher in Verbindung steht. Axial führt vom Steuerdruck
raum 15 eine Drosselbohrung 19 ab zu einem Ventilsitz 20
eines Steuerventils 21 in der erfindungsgemäßen
Ausgestaltung. Mit dem Ventilsitz 20 wirkt ein Ventilglied
22 des Steuerventils 21 zusammen, das im abgehobenen Zustand
eine Verbindung zwischen dem Steuerdruckraum 15 und einem
Entlastungsraum herstellt.
Das Ventilglied 22 wird durch eine Druckfeder 24 in Schließ
richtung, also auf den Ventilsitz 20 hin beaufschlagt, so
daß in Normalstellung des Steuerventils diese Verbindung des
Steuerdruckraums 15 verschlossen ist. Da die stirnseitige
Fläche der Ventilnadel im Bereich des Steuerdruckraumes
größer ist als die Fläche der Druckschulter 11 hält derselbe
Kraftstoffdruck im Steuerdruckraum, der auch in dem Ringraum
8 vorherrscht nun die Ventilnadel 3 in geschlossener
Stellung. Ist das Ventilglied 22 jedoch abgehoben, so wird
der Druck im Steuerdruckraum 15 entlastet auf Grund der
drosselnden Wirkung der Drosselverbindung 16. Bei der nun
fehlenden Schließkraft öffnet die Ventilnadel schnell und
kann andererseits in Schließstellung gebracht werden sobald
das Ventilglied 22 wieder in Schließstellung kommt. Ab
diesem Zeitpunkt baut sich dann schnell über die Drossel 16
der ursprüngliche hohe Kraftstoffdruck im Steuerdruckraum 15
wieder auf.
Das erfindungsgemäße Steuerventil weist einen Betätigungs
kolben 25 auf, der fest mit dem Ventilglied 22 verbunden ist
und gegenüber dem im Gehäuse 26 geführten Schaft 27 einen
größeren Durchmesser aufweist. Der Kolben 25 ist in einer
Führungsbohrung 28 dicht geführt und begrenzt mit seiner
Ringschulter 29 am Übergang zum Schaft 27 einen Druckraum 31
des Steuerventils, der sich quer zur Achse des Betätigungs
kolbens 25 und seitlich ausdehnt. Dieser Raum wird ferner
durch eine Stirnseite 32 eines Aktorkolbens 33 begrenzt
derart, daß der Druckraum 31 allseitig eingeschlossen ist.
Die Achse des Betätigungskolbens liegt koaxial zur Achse der
Ventilnadel 3 und die Achse des Aktorkolbens 33 liegt
parallel zu dieser Achse. Der Aktorkolben 33 ist dabei
ebenfalls dicht im Gehäuse 26 geführt und wird von einem
hier nur angedeuteten Piezostack 30 bewegt. Bei Erregung des
Piezos erfolgt eine Ausdehnung derart, daß der Aktorkolben
das Volumen des Druckraumes 31 zu verringern sucht, was
sogleich dadurch kompensiert wird, daß der Betätigungskolben
25 angehoben wird. Da der Aktorkolben im Durchmesser eine
größere Fläche zum Druckraum 31 hat als die Ringschulter 29
des Betätigungskolbens, führt dieser eine um Flächenverhält
nisse übersetzte Bewegung aus und wird selbst bei kleinen
Piezo-Längenänderungen um eine wesentlich größere Wegstrecke
gegen die Rückstellkraft der Druckfeder 24 verstellt, wobei
das Steuerventil die Drosselbohrung 19 freigibt zur
Entlastung des Steuerdruckraumes 15.
Wie bereits eingangs dargelegt bietet diese Ausgestaltung
den Vorteil, daß der Aktor mit Piezo und Aktorkolben neben
dem Betätigungskolben 25 angeordnet werden kann mit parallel
zur Achse des Kraftstoffeinspritzventils liegender Achse und
daß durch die Überlappung der Teile zueinander die Baulänge
verringert wird. Es wird weiterhin die Herstellung
vereinfacht, weil im Zusammenhang mit dem Aktor keine
koaxialen Bohrungen mit unterschiedlichen Durchmessern, die
eine Doppelpassung erforderlich machen würden, vorhanden
sind.
Der Druckraum 31 kann dabei so ausgeführt werden, daß in dem
Bereich zwischen den Stirnseiten des Aktorkolbens und des
Betätigungskolbens eine Drosselstrecke 34 realisiert werden
kann, mit der erreicht werden kann, daß eine Schwingung
aufgrund der sehr schnellen Aktorbewegung an dieser
Drosselstrecke abgebaut werden kann. Somit kann das Ventil
glied 22 des Steuerventils sicher und zügig in eine offene
Stellung oder eine Schließstellung gebracht werden.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich von
dem nach Fig. 1 dadurch, daß hier statt einem 2/2-Ventil
ein 3/2-Ventil verwirklicht ist. Das Ventilglied hat dabei
einen Ventilkopf 35, der wiederum über den Schaft 27 mit dem
Betätigungskolben 25 verbunden ist. Der Schaft 25 ist in
einer Führungsbohrung 39 geführt, die in einem erweiterten
Raum 40 mündet, in der der Ventilkopf 35 hin- und herbewegt
werden kann. Dieser Raum ist über einen Kanal 37 ständig mit
dem Steuerdruckraum 15 verbunden, der hier nicht weiter
dargestellt ist und der dem von Fig. 1 entspricht. Im
Übergang zwischen Raum 40 und Führungsbohrung 39 ist ein
erster Ventilsitz 41 gebildet, der mit einer kegeligen, zum
Betätigungskolben 25 weisenden Dichtfläche 42 des Ventil
kopfes zusammenwirkt. Anschließend an diesen Ventilkopf
weist der Schaft eine Ringnut 36 auf, die zusammen mit der
Führungsbohrung einen Ringraum 44 bildet, der über eine in
die Führungsbohrung 39 mündende Hochdruckleitung 45 ständig
mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher in Verbindung steht. In
der gezeigten Stellung kann dabei Kraftstoff über den
Ringraum 44 in den Raum 40 gelangen und von dort über den
Kanal 37 in den Steuerdruckraum 15, wo dieser Druck die
Ventilnadel 3 in Schließstellung hält. Der in Fig. 1
vorgesehene Zufluß über eine Drossel 16 in den
Steuerdruckraum 15 entfällt in diesem Fall.
Der Ventilkopf weist ferner eine plane Dichtfläche 46 an
seiner Stirnseite auf, mit der er in der gezeigten Stellung
auf einem Plansitz 47 dicht anliegt unter Einwirkung der
Druckfeder 24'. In dieser Position verschließt der
Ventilkopf eine Entlastungsleitung 48, über die der Raum 40
und auch der Steuerdruckraum 15 entlastet werden kann, wenn
sich der Ventilkopf 35 in Anlage am ersten Ventilsitz 41
befindet und den Hochdruckzulauf in den Raum 40 somit
sperrt. Diese Stellung erreicht der Ventilkopf wiederum
dann, wenn der Aktorkolben 33 über den Druckraum 31
Druckmittel, z. B. hier auch Kraftstoff verdrängt hat und
dabei über die Schulter 29 des Betätigungskolbens 25 diesen
angehoben hat. Auf diese Weise wird mit diesem 3/2-Ventil in
exakter Zuordnung der Steuerdruckraum in der einen
Ventilstellung entlastet und in der anderen Ventilstellung
mit Hochdruck beaufschlagt. Die Lösung hat den Vorteil, daß
bei einem nichtbestromten Piezo die Feder 24' dafür sorgt,
daß das Steuerventil in die gezeigte Ruhestellung gebracht
wird, bei der die Entlastungsleitung 48 verschlossen ist und
der Steuerdruckraum 15 auf hohem Kraftstoffdruck liegt.
Somit ist auch das Einspritzventil bei nicht erregtem Piezo
geschlossen. Dies ist ein wesentlicher Sicherheitsaspekt, da
bei Ausfall des Energieversorgungsteils des Kraftfahrzeugs
eine zu hohe Kraftstoffeinspritzmenge unterbunden wird.
Ferner ist auch der Energiebedarf für die Steuerung des
Steuerventils geringer, wenn dieses nur zum Zwecke der
Entlastung in der Zeit des kurzen Einspritzvorgangs bestromt
werden muß und während der langen Spritzpausen wiederum
stromlos sein kann. Die in der Fig. 2 gezeigte Ausführung
des Ventilkopfes hat dabei ebenfalls einen wesentlichen
Vorteil., der darin besteht, daß der eine Ventilsitz ein
Kegelsitz ist und der andere Ventilsitz ein Flachsitz ist.
Aufgrund des hier vorgesehenen Flachsitzes brauchen für die
Zuordnung der beiden Sitze zueinander keine besonderen
Maßnahmen getroffen werden, was anders wäre, wenn mit dem
Ventilkopf zwei Kegelsitzventile gesteuert werden müßten.
Durch entsprechende Ausgestaltung des Ventilkopfes kann bei
diesem Ausführungsbeispiel erreicht werden, daß die
Kräftebilanz am Ventilkopfes 35 unter Ausnutzung des auf ihn
wirkende Kraftstoffhochdrucks das Ventilglied in
Schließposition beaufschlagt.
Claims (5)
1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Ventil
glied (22), das einen Betätigungskolben (25) aufweist, der
von einer Feder (24) in Schließrichtung des Ventilglieds
(22) zur Auflage auf einen Ventilsitz (20) beaufschlagt ist
und einen Druckraum (29) begrenzt, der ferner noch von einem
Piezoaktor (30) begrenzt wird, durch dessen Bewegung eine
Druckerhöhung in dem Druckraum (29) erzeugbar ist, durch die
der Betätigungskolben (25) gegen die Kraft der Feder (24) in
Öffnungsrichtung verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Aktor (30) parallel zum Betätigungskolben (25) und
neben diesem liegend angeordnet ist und der Druckraum (29)
in einen ersten Teilraum und einen zweiten Teilraum aufge
teilt ist welche Teilräume über einen quer zur Achse des
Betätigungskolben verlaufenden Kanal (34) miteinander ver
bunden sind.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in
dem Kanal (34) eine Drosselstelle angeordnet ist.
3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
Ventilglied zwei Dichtflächen (42, 46) aufweist, von denen
die eine mit dem Ventilsitz (20) unter Einwirkung der Feder
(24) in einer ersten Position des Ventilgliedes (22) und die
andere mit einem zweiten Ventilsitz (47) in einer zweiten
Position des Ventilgliedes (22) bei erregtem Piezoaktor zur
Anlage kommt.
4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das
Ventilglied einen Ventilkopf (35) aufweist, mit einer
ersten, zusammen mit einem ersten Ventilsitz (20) einen
Hochdruckzulauf (45) zu einem Steuerdruckraum (15)
steuernden kegelförmigen Dichtfläche (42) und einer zweiten
Flachsitzdichtfläche (46), die mit einem Flachsitz (47)
zusammenwirkt und mit diesem zusammen eine Entlastungslei
tung (48) des Steuerdruckraumes (15) steuert.
5. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Ventil der Drucksteuerung eines
Steuerdruckraumes (15) eines Einspritzventils dient, das ein
Ventilschließglied (3) aufweist, das durch den Druck in dem
Steuerdruckraum (15) in Schließstellung haltbar ist entgegen
einem an Druckflächen (11) des Ventilgliedes (3) angreifen
den, von einem Kraftstoffhochdruckspeicher gelieferten
Kraftstoffdruck und bei Entlastung des Steuerdruckraumes
(15) unter Einwirkung dieses Kraftstoffdruckes in Öffnungs
stellung kommt.
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