DE19946838C1 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten - Google Patents

Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten

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Abstract

Es ist ein Ventil (1) zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem in einer Bohrung (5) eines Ventilkörpers (3) axial verschiebbaren Ventilglied (2) vorgesehen, das einen ein Ventilschließglied bildenden Ventilkopf (6) aufweist, der mit einem an dem Ventilkörper (3) vorgesehenen Sitz (7) zum Öffnen und Schließen des Ventils (1) zusammenwirkt. Des weiteren sind eine piezoelektrische Einheit (4) zur Betätigung des Ventilglieds (2) sowie ein Toleranzausgleichselement (12) zum Ausgleich von Längungstoleranzen der piezoelektrischen Einheit (4) und/oder anderer Ventilbauteile (3) vorgesehen. Die piezoelektrische Einheit (4) ist hinsichtlich ihrer Wirkrichtung im wesentlichen im rechten Winkel zur axialen Bewegungsrichtung des Ventilgliedes (2) angeordnet und mit elektrischem Strom derart beaufschlagbar, daß die piezoelektrische Einheit (4) auf ein als Habelarm dienendes, mit dem Ventilglied (2) in Wirkverbindung stehendes Stellglied (12) eine Kippbewegung ausübt. Das Ventil ist insbesondere als Bestandteil eines Kraftstoffeinspritzventils vorgesehen (Figur).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1 aus.
Aus der EP 0 477 400 A1 ist eine Anordnung für ein gat­ tungsgemäßes Ventil bekannt, bei der die Auslenkung des piezoelektrischen Aktors über eine Hydraulikkammer übertra­ gen wird. Dabei ist ein in Hubrichtung wirkender adaptiver, mechanischer Toleranzausgleich für einen Wegtransformator des piezoelektrischen Aktors vorgesehen.
Bei der bekannten Anordnung arbeitet die Hydraulikkammer als eine sogenannte hydraulische Übersetzung. Die Hydrau­ likkammer schließt zwischen zwei sie begrenzenden Kolben, von denen ein Kolben mit einem kleineren Durchmesser ausgebildet ist und mit einem anzusteuernden Ventilglied verbunden ist und der andere Kolben mit einem größeren Durchmesser ausgebildet ist und mit dem piezoelektrischen Aktor verbunden ist, ein gemeinsames Ausgleichsvolumen ein.
Das Ventilglied, die Kolben und der piezoelektrische Aktor liegen dabei auf einer gemeinsamen Achse hintereinander.
Die Hydraulikkammer ist derart zwischen den beiden Kolben eingespannt, daß der Betätigungskolben des Ventilgliedes, das in seiner Ruhelage mittels einer oder mehrerer Federn relativ zu einer vorgegebenen Position gehalten ist, einen um das Übersetzungsverhältnis des Kolbendurchmessers vergrößerten Hub macht, wenn der größere Kolben durch den piezoelektrischen Aktor um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird.
Das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer ermöglicht es, daß Toleranzen aufgrund von Temperaturgradienten im Bauteil oder unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien sowie eventuelle Setzeffekte ausgeglichen werden können, ohne daß dadurch eine Änderung der Position des anzusteuernden Ventilgliedes auftritt.
Ein Ausgleich von Längenänderungen des piezoelektrischen Aktors, des Ventilgliedes oder des Ventilgehäuses durch die zwischen zwei Kolben angeordnete Hydraulikkammer erfordert jedoch eine aufwendige Konstruktion und ist hinsichtlich der auftretenden Leckageverluste und der Wiederbefüllung der Hydraulikkammer problematisch.
Aus der DE 196 46 511 C1 ist ein piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement bekannt, welches zur Erzeugung von Kippbewegungen in hohen Frequenzbereichen Verwendung findet. Bei dem Antriebs- oder Verstellelement ist ein erster und ein zweiter Bereich aus piezoelektrisch aktivem Material vorgesehen, wobei diese beiden Bereiche über einen dritten Bereich miteinander verbunden sind. Der dritte Bereich ist aus piezoelektrisch passivem Material. Durch Anlegen einer Spannung z. B. an den ersten Bereich des Antriebselements wird dieser Bereich in seiner Längsrich­ tung entsprechend gedehnt, so daß an dem gesamten piezo­ elektrischen Antriebselement entlang seiner Symmetrieachse eine entsprechende Biegung vollzogen wird. Eine Umkehrung der Biegung bzw. des Kippwinkels des Antriebselements kann durch Anlegung einer Spannung an den zweiten Bereich des Antriebselements erreicht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil zur Steuerung von Flüssigkeiten zu schaffen, bei dem eine Anordnung mit einer piezoelektrischen Einheit und einem Toleranzausgleich vorgesehen ist, welche einen einfachen konstruktiven Aufbau mit möglichst wenigen Bauteilen und geringem Platzbedarf aufweist.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil zur Steuerung von Flüssigkeiten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, daß durch das Zusammenwirken des Stellgliedes und der piezoelektrischen Einheit eine Ansteuerung des Ventils ohne ein zusätzliches Toleranzausgleichselement für insbesondere temperaturbedingte Längungstoleranzen reali­ siert ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Ventil ist das als Hebelarm dienende Stellglied derart mit der piezoelektrischen Einheit verbunden, daß bei elektrischer Beaufschlagung nur eines piezoelektrischen Aktors durch die daraus resultie­ rende Längendehnung das Stellglied bezüglich seiner Längsrichtung gekippt wird. Das Stellglied wirkt somit quasi als Kipphebel. Je nach Kipprichtung des Stellgliedes wird das mit dem Stellglied verbundene Ventilglied entspre­ chend in der Längsbohrung des Ventilkörpers bewegt. Das Ventilglied führt somit eine Hubbewegung aus, wodurch das Ventil in Schließ- bzw. Öffnungsstellung gebracht wird.
Durch Temperaturänderungen dehnen sich beide piezoelektri­ schen Aktoren etwa gleich aus, so daß das Stellglied, welches etwa im rechten Winkel zur Bewegungsrichtung des Ventilgliedes angeordnet ist, in vorteilhafter Weise keine Hubbewegung des Ventigliedes bewirkt. Somit haben insbeson­ dere temperaturbedingte Längungstoleranzen keinen Einfluß auf die Steuerung des Ventils.
Dadurch daß bei dem erfindungsgemäßen Ventil auf ein zusätzliches Temperaturausgleichselement verzichtet werden kann, ist eine vorteilhaft einfache konstruktive Ausgestal­ tung des Ventils möglich.
Das erfindungsgemäße Ventil eignet sich besonders zum Einsatz als ein Kraftstoffeinspritzventil. Es versteht sich jedoch, daß auch andere Einsatzgebiete möglich sind, bei denen Ventile mit hochfrequenten Ansteuerungen erforderlich sind.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ventils zur Steuerung von Flüssigkeiten ist in der Zeichnung darge­ stellt und wird in der folgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung bei einem Kraftstoffeinspritzventil für Brenn­ kraftmaschinen im Längsschnitt.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils bei einem Kraftstoffeinspritzventil 1 für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 ist vorliegend als ein Common-Rail-Injektor ausgebildet.
Zur Einstellung eines Einspritzbeginns, einer Einspritzdau­ er und einer Einspritzmenge über Kräfteverhältnisse in dem Kraftstoffeinspritzventil 1 wird ein in einem Ventilkörper 3 angeordnetes Ventilglied 2 über eine piezoelektrische Einheit 4 angesteuert.
Das kolbenförmige Ventilglied 2 ist axial verschiebbar in einer als Längsbohrung 5 ausgeführten Bohrung des Ventil­ körpers 3 des Kraftstoffeinspritzventils 1 angeordnet und weist an seinem brennraumseitigen, unteren Ende einen ein Ventilschließglied bildenden Ventilkopf 6 auf. Der Ventil­ kopf 6 wirkt mit einem an dem Ventilkörper 3 ausgebildeten Sitz 7 zusammen, wobei in abgehobenem Zustand des Ventil­ kopfes 6 eine Verbindung zu einem Federraum 8 mit einer eine Rückstellkraft auf den nach außen öffnenden Ventilkopf 6 ausübenden Feder 9 hergestellt wird.
Im Bereich des Ventilkopfes 6 ist die Längsbohrung 5 des Ventilkörpers 3 hinsichtlich ihres Durchmessers erweitert. Der erweiterte Bereich der Längsbohrung 5 weist eine Leckageablaufleitung 16 auf, durch die Kraftstoff, welcher die Längsbohrung zwischen dem Ventilkopf 6 und dem Sitz 7 durchströmt hat, abgeführt wird.
Das dem Ventilkopf 6 abgewandte, obere Ende des Ventilglie­ des 2 weist eine quer zur Bewegungsrichtung des Ventilglie­ des 2 verlaufende Ausnehmung 10 zur Aufnahme eines Stell­ gliedes 12 auf. Die Ausnehmung 10 ist in der Zeichnung als durch das Ventilglied 2 durchlaufende Bohrung ausgebildet. Selbstverständlich sind auch andere Formgebungen der Ausnehmung 10 möglich. Zum Flüssigkeitsausgleich zwischen der Ausnehmung 10 und einem Volumen an dem brennraumabge­ wandten Ende der Längsbohrung 5 in dem Ventilkörper 3 ist an dem Ventilglied 2 eine entsprechende Abflachung 33 vorgesehen.
Der Ventilkörper 3 weist in Höhe der Ausnehmung 10 eine quer zu der Längsbohrung 5 verlaufende und in diese einmündende Querbohrung 11 auf, die sich auf einen größeren Durchmesser erweitert. In der Querbohrung 11 ist die piezoelektrische Einheit 4 mit dem als Hebelarm dienenden Stellglied 12 angeordnet. Dabei ist ein Ende des Stellglie­ des 12 in der Ausnehmung 10 des Ventilgliedes 2 aufgenom­ men. Das andere, der piezoelektrischen Einheit 4 zugekehrte Ende des Stellgliedes 12 ist mit dieser verbunden.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann das Stellglied 12 und die piezoelektrische Einheit 4 in einem separaten Gehäuse untergebracht sein. Das Gehäuse könnte beispiels­ weise mit dem Ventilkörper 3 verbunden sein. Des weiteren kann in einer alternativen Ausgestaltung vorsehen sein, daß das Ventilglied 2 im Bereich der Ausnehmung 10 zweiteilig ausgebildet ist, wobei dann an den Anlageflächen der beiden Teile des Ventilgliedes 2 eine Ausnehmung vorgesehen ist.
Die piezoelektrische Einheit 4 weist zwei parallel zueinan­ der angeordnete piezoelektrische Aktoren 13, 14 auf, welche etwa im rechten Winkel zur Bewegungsrichtung des Ventil­ gliedes 2 angeordnet sind. Die aus mehreren parallel aneinander liegenden Schichten bestehenden piezoelektri­ schen Aktoren 13, 14 sind in einer Piezokammer 15 angeord­ net. Selbstverständlich kann die Anzahl der verwendeten piezoelektrischen Aktoren ohne weiteres auch abweichen.
Die piezoelektrischen Aktoren 13, 14 weisen Kopfabschnitte 17, 18 und Fußabschnitte 19, 20 auf. Die Kopfabschnitte 17, 18 der piezoelektrischen Aktoren 13, 14 sind mit dem zugekehrten Ende des Stellgliedes 12 verbunden. Die Fußabschnitte 19, 20 der piezoelektrischen Aktoren 13, 14 stehen mit einem Auflager 21 in Anlage, wobei die Fußab­ schnitte 19, 20 jeweils Kontaktierungen 22, 23 für die Stromversorgung der piezoelektrischen Aktoren 13, 14 aufweisen.
Um einen möglichst großen Hub zu erzielen, sind die piezoelektrischen Aktoren 13, 14 in an sich bekannter "Multilayer"-Bauart aus mehreren dünnen Schichten aufge­ baut. Damit sich diese Schichten bei einer Bestromung der piezoelektrischen Aktoren 13, 14 nicht voneinander lösen, müssen diese vorgespannt werden, wobei die dabei aufzubrin­ gende Kraft annähernd 1000 N betragen kann.
Hierzu werden die zwischen dem Stellglied 12 und dem Auflager 21 angeordneten piezoelektrischen Aktoren 13, 14 mittels eines Vorspannelements 24 zusammengepreßt. Das Vorspannelement 24 ist in der gezeigten Ausführung mit einem Zugband 25 ausgebildet. Alternativ sind selbstver­ ständlich andere z. B. hydraulische, mechanische oder dergleichen Vorspannelemente einsetzbar.
Zwischen der Längsbohrung 5 des Ventilkörpers 3 und den piezoelektrischen Aktoren 13, 14 ist eine Dichteinrichtung 34 vorgesehen, die verhindern soll, daß der in der Längs­ bohrung 5 befindliche Kraftstoff mit der piezoelektrischen Einheit 4 in Kontakt tritt. Die Dichteinrichtung 34 ist in der Zeichnung als Membran 35 ausgebildet. Die Membran 35 erstreckt sich über den gesamten Durchmesser der Querboh­ rung 11 und liegt formschlüssig an dem Stellglied 12 an.
Selbstverständlich sind auch andere konstruktive Ausgestal­ tungen der Dichteinrichtung 34 möglich.
Oberhalb des Sitzes 7 des Ventilkörpers 3 weist das Ventilglied 2 eine in ihrem Querschnitt etwa parabelförmige Einschnürung 26 auf. Im Bereich des Scheitelpunktes der parabelförmigen Einschnürung 26 schließt sich an die Längsbohrung 5 des Ventilkörpers 3 eine radial zur Längs­ bohrung 5 verlaufende Ablaufleitung 27 an, die eine Ablaufdrossel 28 aufweist. Die Ablaufleitung 27 mündet in einen sich brennraumseitig anschließenden Ventilsteuerraum 29. In dem Ventilsteuerraum 29 ist ein bewegbarer Ventil­ steuerkolben 30 angeordnet, der in der Zeichnung nur ausschnittsweise dargestellt ist. Durch axiale Bewegungen des Ventilsteuerkolbens 30 in dem Ventilsteuerraum 29 wird eine nicht weiter dargestellte Einspritzdüse des Kraftstof­ feinspritzventils 1 gesteuert.
In den Ventilsteuerraum 29 mündet auch eine Einspritzlei­ tung 31, welche die Einspritzdüse mit Kraftstoff versorgt. Die Einspritzleitung 31 ist mit einem für mehrere Kraft­ stoffeinspritzventile gemeinsamen Hochdruckspeicherraum (Common-Rail) 32 verbunden. Der Hochdruckspeicherraum 32 wird dabei in bekannter Weise von einer Kraftstoffhoch­ druckförderpumpe mit Kraftstoff hohen Druckes aus einem Vorratstank gespeist.
Das in der Zeichnung dargestellte Kraftstoffeinspritzventil 1 arbeitet dabei in nachfolgend beschriebener Weise.
Die übereinander angeordneten piezoelektrischen Aktoren 13, 14 werden abwechselnd mit elektrischem Strom beaufschlagt, so daß das Stellglied 12 aufgrund der Längsdehnung eines der beiden piezoelektrischen Aktoren 13, 14 quasi als Kipphebel fungiert und das Ventilglied 2 entsprechende Hubbewegungen in der Längsbohrung 5 des Ventilkörpers 3 ausführen läßt.
Zum Schließen des Kraftstoffeinspritzventils 1 wird der untere piezoelektrische Aktor 13 bestromt, wodurch bei diesem eine schlagartige Ausdehnung quer zur Bewegungsrich­ tung des Ventilgliedes 2 erreicht wird, wobei sich der Fußabschnitt 19 des piezoelektrischen Aktors 13 auf dem Auflager 21 abstützt. Die Längung des Aktors 13 bewirkt, daß das Stellglied 12 wie ein Kipphebel arbeitet, wobei das Ventilglied 2 durch das Stellglied 12 in der Längsbohrung 5 axial nach oben bewegt wird. Dadurch wird der als Ventil­ schließglied dienende Ventilkopf 6 des Ventilgliedes 2 in Anlage an den ihm zugeordneten Sitz 7 gebracht, so daß keine Flüssigkeit, d. h. bei dem dargestellten Kraftstoff­ einspritzventil 1 kein Kraftstoff, aus dem mit dem Hoch­ druckspeicherraum 32 verbundenen Ventilsteuerraum 29 in den Bereich der Längsbohrung 5 gelangen kann.
Die in dem Federraum 8 angeordnete Feder 9 wirkt zusätzlich als Dichtfeder, da sie ebenfalls den Ventilkopf 6 des Ventilgliedes 2 gegen den am Ventilkörper 3 vorgesehenen Sitz 7 preßt. Die Feder 9 hält das Ventilglied 2 somit in geschlossener Stellung, auch wenn der untere piezoelektri­ sche Aktor 13 nicht weiter bestromt wird. Bei einer kraftausgeglichenen Ausgestaltung des Kraftstoffeinspritz­ ventils 1 wie im vorliegenden Fall kann die Feder 9 entsprechend gering dimensioniert sein.
Wenn eine Einspritzung durch das Kraftstoffeinspritzventil 1 erfolgen soll, wird nur der obere piezoelektrische Aktor 14 bestromt, wodurch bei diesem eine schlagartige Ausdeh­ nung quer zur Bewegungsrichtung des Ventilgliedes 2 erreicht wird, wobei sich der Fußabschnitt 20 des piezo­ elektrischen Aktors 14 ebenfalls an dem Auflager 21 abstützt. Die Längenänderung bewirkt somit, daß das als Hebelarm dienende Stellglied 12 nun eine entgegengesetzte Kippbewegung ausführt, da nur der oben angeordnete piezo­ elektrische Aktor 14 gedehnt wird. Dadurch wird das Ventilglied 2 durch das Stellglied 12 in der Längsbohrung 5 axial nach unten bewegt. Der Ventilkopf 6 des Ventilgliedes 2 wird dabei von seinem am Ventilkörper 3 vorgesehenen Sitz 7 in eine geöffnete Stellung entgegen der Federkraft der Feder 9 abgehoben. Somit kann aus dem Ventilsteuerraum 29 Kraftstoff im Bereich der Ablaufleitung 27 in die Längsboh­ rung 5 des Ventilkörpers 3 eintreten. Der eingetretene Kraftstoff kann durch die Leckageablaufleitung 16 wieder entweichen.
Dies hat zur Folge, daß der Ventilsteuerkolben 30 in dem Ventilsteuerraum 29 nach oben bewegt wird und Kraftstoff durch die nun freigebende Einspritzdüse in den nicht weiter dargestellten Brennraum eingespritzt wird.
Die quer zur Bewegungsrichtung des Ventilgliedes 2 angeord­ neten piezoelektrischen Aktoren 13, 14 werden bei tempera­ turbedingten Längenänderung beide gleichmäßig gedehnt bzw. geschrupft, so daß das Stellglied keine Kippbewegung ausführt. Durch die Anordnung des Stellgliedes 12 in der Längsbohrung 5 quer zur Bewegungsrichtung des Ventilglieds 2 reicht es zur Realisierung des Toleranzausgleichs aus, daß das Stellglied 12 in der Längsbohrung einen ausreichen­ den axialen Bewegungsspielraum hat, welcher gegebenenfalls durch eine zusätzliche Nut in dem Ventilkörper 3 noch vergrößert werden kann.
Somit ist gewährleistet, daß die temperaturbedingten Längenänderungen der piezoelektrischen Aktoren 13, 14 keine Auswirkungen auf die Schließ- und Öffnungsstellung des Ventilgliedes 2 und des Kraftstoffventils 1 insgesamt haben.

Claims (10)

1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, mit einem in einer Bohrung (5) eines Ventilkörpers (3) axial verschiebbaren Ventilglied (2), das einen ein Ventilschließglied bil­ denden Ventilkopf (6) aufweist, der mit einem an dem Ventilkörper (3) vorgesehenen Sitz (7) zum Öffnen und Schließen des Ventils (1) zusammenwirkt, und mit einer piezoelektrischen Einheit (4) zur Betätigung des Ventil­ glieds (2) sowie mit einem Toleranzausgleichselement (12) zum Ausgleich von Längungstoleranzen der piezoelek­ trischen Einheit (4) und/oder anderer Ventilbauteile (3), dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Einheit (4) hinsichtlich ihrer Wirkrichtung im wesentli­ chen im rechten Winkel zur axialen Bewegungsrichtung des Ventilgliedes (2) angeordnet ist, und mit elektrischem Strom derart beaufschlagbar ist, daß die piezoelektri­ sche Einheit (4) auf ein als Hebelarm dienendes, mit dem Ventilglied (2) in Wirkverbindung stehendes Stellglied (12) eine Kippbewegung ausübt.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Einheit (4) wenigstens zwei parallel zueinander angeordnete piezoelektrische Aktoren (13, 14) aufweist, wobei die piezoelektrischen Aktoren (13, 14) abwechselnd mit elektrischem Strom beaufschlagbar sind.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (12) gleichzeitig als Toleranzaus­ gleichselement zum Ausgleich von Längenänderungen der piezoelektrischen Einheit (4) quer zur Bewegungsrichtung des Ventilgliedes (2) vorgesehen ist.
4. Ventil nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Ende des Stellgliedes (12) mit dem Ventilglied (2) und ein zweites Ende des Stellgliedes (12) mit Kopfabschnitten (17, 18) der pie­ zoelektrischen Aktoren (13, 14) verbunden sind.
5. Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Aktoren (13, 14) hinsichtlich der Bewegungsrichtung des Ventilgliedes (2) übereinander in einer Querbohrung (11) im Ventilkör­ per (3) angeordnet sind, wobei ein Anschlag (21) für Fußabschnitte (19, 20) der piezoelektrischen Aktoren (13, 14) vorgesehen ist.
6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Fußabschnitten (19, 20) der piezoelektrischen Akto­ ren (13, 14) jeweils Kontaktierungen (22, 23) für die Stromversorgung der piezoelektrischen Aktoren (13, 14) vorgesehen sind.
7. Ventil nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Aktoren (13, 14) zwischen dem Stellglied (12) und dem Anschlag (21) gehalten sind, und daß ein mit dem Stellglied (12) und dem Anschlag (21) verbundenes Vorspannelement (24) für die piezoelektrischen Aktoren (13, 14) vorgesehen ist.
8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorspannelement (24) mit einem Zugband (25) ausgebildet ist.
9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dichteinrichtung (34) zwischen der Längsbohrung (5) des Ventilkörpers (3) und der pie­ zoelektrischen Einheit (4) vorgesehen ist.
10. Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichteinrichtung (34) mit einer Membran (35) ausgebildet ist.
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