DE3205654A1 - Dosierventil - Google Patents

Dosierventil

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DE3205654A1
DE3205654A1 DE19823205654 DE3205654A DE3205654A1 DE 3205654 A1 DE3205654 A1 DE 3205654A1 DE 19823205654 DE19823205654 DE 19823205654 DE 3205654 A DE3205654 A DE 3205654A DE 3205654 A1 DE3205654 A1 DE 3205654A1
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housing
valve
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axial
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DE19823205654
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English (en)
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Kenji Yokohama Kanagawa Masaki
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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    • F02D41/20Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
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Abstract

1 Ein Dosierventil, beispielsweise ein Öl-Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine umfaßt ein hohles Gehäuse (1) mit einer Einlaßleitung (28, 27, 35) und einer Auslaßöffnung (32), eine Membran (22), die das Innere des Gehäuses (1) in zwei getrennte Kammern unterteilt, ein piezoelektrisches Stellglied (11) in einer der beiden Kammern, das durch eine Anzahl übereinander gestapelter hierzu elektrischer Scheiben gebildet ist und an einem Ende mit der Membran (22) verbunden ist, eine Stellschraube (14) zur Verbindung des anderen Endes des Stellgliedes (11) mit dem Gehäuse (1) zur Einstellung der axialen Position des Stellgliedes (11) in dem Gehäuse (1) und eine koaxial zu dem Stellglied (11) ausgerichtete Ventilspindel (24) in der anderen Kammer des Gehäuses (1), die durch Längenänderungen des Stellgliedes (1) bei Anlegen und Abschalten einer Spannung in Längsrichtung zwischen einer Position, in der sie die Auslaßöffnung (32) verschließt, und zwischen einer geöffneten Stellung verschiebbar ist, in der eine Fluidverbindung zwischen der Einlaßleitung (28, 27, 35) und der Auslaßöffnung (32) besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Dosierventil gem. dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem Dosierventil, das als Stellglied ein piezoelektrisches Element aufweist.
Herkömmliche, durch Magnetspulen betätigte Dosierventile werden aufgrund ihrer Eignung für den Einsatz in Verbindung mit zentralen Steuersystemen und aufgrund ihrer hervorragenden Ansprecheigenschaften in einer Vielzahl verschiedener Anwendungsgebiete verwendet. Derartige spulenbetätigte Dosierventile werden herkömmlicherweise jedoch in der Regel zum Dosieren von unter niedrigem Druck stehenden Fluiden benutzt und sind nicht für die Dosierung unter hohem Druck stehender Fluide geeignet, da in diesem Fall die Ansprechcharakteristik nicht zufriedenstellend ist und keine hinreichende Dosiergenauigkeit erreicht wird. Dies liegt in erster Linie daran, daß die Regulierung von Hochdruckfluiden außerordentlich hohe elektromagnetische Kräfte erfordert, so daß entsprechend große und schwere Erregerspulen und Stellglieder benötigt werden, die aufgrund ihrer Trägheit die Ansprechcharakteristik des Ventils beeinträchtigen.
Für die Regulierung von Hochdruckfluiden werden daher herkömmlicherweise elektrisch oder hydraulisch betätigte Servoventile verwendet. Die mit derartigen Servoventilen erreichbaren Ansprechzeiten betragen in der Regel jedoch mehr als 0,5 msec. und können in keinem Fall unter 0,1 msec. verringert werden.
Die Erfindung ist daher darauf gerichtet, ein Dosierventil, insbesondere zur Regulierung unter hohem Druck stehender Fluide zu schaffen, das eine kürzere Ansprechzeit aufweist.
Die Erfindung ergibt sich im Einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Ein erfindungsgemäßes Dosierventil umfaßt ein hohles Gehäuse mit einem Fluid-Einlaß und einem Fluid-Auslaß, ein flexibles Trennelement, beispielsweise in Form einer Membran, die das Innere des Gehäuses in zwei getrennte Kammern unterteilt, ein in einer der Kammern untergebrachtes piezoelektrisches Stellglied, das durch eine Vielzahl übereinandergestapelter piezoelektrischer Scheiben gebildet und mit elektrischen Leitungen zum Anlegen einer Spannung an das Stellglied versehen ist, sowie eine in der anderen Kammer koaxial zu dem Stellglied ausgerichtete Ventilspindel, die in axialer Richtung zwischen einer geschlossenen Stellung, in der die Verbindung zwischen dem Einlaß und dem Auslaß unterbrochen ist und einer geöffneten Stellung, in der eine Fluidverbindung zwischen dem Ein- und Auslaß besteht, verschiebbar ist. Das Stellglied ist durch Anlegen einer Spannung in seinen axialen Abmessungen veränderbar und am anderen Ende über eine Stellschraube derart mit dem Gehäuse verbunden, daß die axiale Position des Stellgliedes in dem Gehäuse mit Hilfe der Stellschraube einstellbar ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Stellglied an dem mit der Membran verbundenen Ende mit der Ventilspindel verbunden. In einer anderen Ausführungsform weist das Stellglied einen vorgegebenen axialen Abstand zu der Ventilspindel auf, wenn sich diese in ihrer geschlossenen Stellung befindet. In diesem Fall umfaßt das Gehäuse bevorzugt zwei getrennte und einstellbare, miteinander verbundene Wandabschnitte. Das Stellglied ist dann über die Stellschraube derart mit einem der Wandabschnitte verbunden, daß eine axiale Position in bezug auf den anderen Wandabschnitt einstellbar ist.
Bevorzugt weist das erfindungsgemäße Dosierventil ferner einen in axialer Richtung zwischen der Membran und der Ventilspindel angebrachten Abstandshalter auf. Der Abstandshalter ist mit einer Öffnung versehen, durch die die Ventilspindel in axialer Richtung von der Membran weg und auf die Membran zu beweglich und über die Membran mit dem Stellglied in Berührung bringbar ist. In diesem Fall ist die Ventilspindel bevorzugt derart in dem Gehäuse angebracht, daß sie in ihrer geschlossenen Stellung einen vorgegebenen Abstand zu dem Abstandshalter aufweist, der größer ist als der zuvor erwähnte Abstand zwischen der Ventilspindel und dem Stellglied.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein Dosierventil gem. einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 A ist ein Weg-Spannungs-Diagramm für das Dosierventil aus Fig. 1;
Fig. 2 B ist ein Last-Spannungs-Diagramm für das Dosierventil aus Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Diagramm, in dem der gestrichelte Graph den Spannungsverlauf und der durchgezogene Graph den zugehörigen Verschiebungsweg eines piezoelektrischen Stellgliedes des Ventils aus Fig. 1 angibt;
Fig. 4 ist ein Längsschnitt ähnlich Fig. 1 und zeigt ein Dosierventil gem. einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Dosierventil mit einem im wesentlichen hohlzylindrischen Gehäuse 1, das ein Stellglied-Gehäuse 2 mit einem axialen Außengewinde-Abschnitt 3 und ein Ventilgehäuse 4 mit einem axialen Innengewindeabschnitt 5 umfaßt. Das Ventilgehäuse 4 ist mit seinem Innengewindeabschnitt 5 auf den Außengewindeabschnitt 3 des Stellglied-Gehäuses 2 aufgeschraubt. Das Stellglied-Gehäuse 2 umfaßt zwei Wandbereiche, nämlich eine erste Wand oder Stirnwand 6 mit einer axialen Gewindebohrung 7 und eine zylindrische zweite Wand oder Umfangswand 8 mit Kabelöffnungen 9, 9' und einer Belüftungsöffnung 10. Das Stellglied-Gehäuse 2 nimmt ein piezoelektrisches Stellglied 11 auf. Das Stellglied 11 ist durch einen Stab gebildet, der seinerseits aus einer Anzahl übereinandergestapelter piezoelektrischer Scheiben besteht. Das Stellglied 11 weist isolierende Stirnplatten 12, 13 auf, die an den gegenüberliegenden Stirnflächen des Stabes befestigt sind und ist mit Hilfe einer Stellschraube 14 an der Innenfläche der Stirnwand 6 des Gehäuses 2 befestigt. Die Stellschraube 14 ist an ihrem freien Ende fest mit der Stirnplatte 12 verbunden und in die Gewindebohrung 7 eingeschraubt. Die axiale Position des piezoelektrischen Stellgliedes 11 innerhalb des Gehäuses 2 ist somit dadurch einstellbar, daß die Stellschraube 14 in bezug auf das Gehäuse 2 in die eine oder andere Richtung um ihre Längsachse gedreht wird. Das auf diese Weise mit der Stirnwand 6 verbundene Stellglied 11 reicht im Inneren des Gehäuses 2 bis dicht an das der Stellschraube 14 gegenüberliegende Ende des Gehäuses 2. Das piezoelektrische Stellglied 11 ist über durch die Kabelöffnungen 9 bzw. 9' verlaufende elektrische Leitungen 15 und 15' mit einer geeigneten, nicht gezeigten Gleich- spannungsquelle verbunden. Durch die Belüftungsöffnung 10 wird ständig eine Verbindung zwischen dem Inneren des Stellglied-Gehäuses 2 und der Umgebung aufrecht erhalten.
Das Ventilgehäuse 4 weist einen in axialer Richtung entgegengesetzt zu dem Stellglied-Gehäuse 2 vorspringenden hohlzylindrischen Hülsenabschnitt 16 mit einer koaxial zu der Gewindebohrung 7 des Gehäuses 2 ausgerichteten Axialbohrung 17 auf. In dem Hülsenabschnitt 16 ist eine zylindrische Ventil-Führungsbuchse 18 befestigt, die Teil des Gehäuses 1 ist und eine Stirnwand 19 mit einer koaxial zu der Axialbohrung 17 ausgerichteten und in diese übergehenden Öffnung 20 versehen ist. Das Stellglied-Gehäuse 2 und die Führungsbuchse 18 sind in axialer Richtung durch einen im wesentlichen ringförmigen Abstandhalter 21 voneinander getrennt, der an der inneren Oberfläche der Umfangswand des Ventilgehäuses 4 befestigt ist. Eine flexible Membran 22 ist mit ihrem äußeren Umfangsrand fest zwischen dem Abstandshalter 21 und dem inneren Ende des Stellglied-Gehäuses 2 eingefügt. Die Membran 22 bildet eine flexible Trennwand des erfindungsgemäßen Dosierventils und definiert innerhalb des ringförmigen Abstandhalters 21 eine hermetisch gegenüber dem Inneren des Stellglied-Gehäuses 2 abgeschlossene Ventilkammer 21. Eine Ventilspindel 24 ist in axialer Richtung in der Führungsbuchse 18 verschiebbar und weist einen in Richtung auf die Öffnung 20 in der Stirnwand 19 der Buchse 18 vorspringenden, spitz zulaufenden Endabschnitt auf. Somit dient die mit der Öffnung 20 versehene Stirnwand 19 der Führungsbuchse 18 als Ventilsitz für die Ventilspindel 24. Die Ventilspindel 24 weist in ihrer äußeren Umfangswand eine Anzahl axial verlaufender Kanäle 25 auf, durch die eine Fluidverbindung in Axialrichtung über die Länge der Ventilspindel 24 hergestellt wird. Die Ventilspindel 24 ist über einen axialen, entgegengesetzt zu dem spitz zulaufenden Endabschnitt vorspringenden Schaft 26 fest mit der Membran 22 und dem piezoelektrischen Stellglied verbunden.
Das freie Ende des Schaftes 26 ist an der Membran 22 und an der Stirnplatte 13 des Stellgliedes 11 befestigt. Somit sind die Ventilspindel 24, die Membran 22 und die Stirnplatte 13 des Stellgliedes 11 gemeinsam in Axialrichtung in bezug auf die Gehäuse 2 und 4 beweglich.
Die Axialbohrung 17 des Hülsenabschnittes 16 des Ventilgehäuses 4 und die Öffnung 20 in der Stirnwand 19 der Führungsbuchse 18 sind Teil einer Fluid-Einlaßleitung, die mit einer geeigneten Fluidquelle, beispielsweise einer nicht gezeigten Ölpumpe oder eines Ölreservoirs einer Brennkraftmaschine in Verbindung steht. Während des Betriebs des Dosierventils ist die Ventilspindel 24 dauernd oder periodisch dem Druck des von der Fluidquelle geförderten Öls ausgesetzt. Andererseits bilden die Ventilkammer 23 innerhalb des ringförmigen Abstandshalters 21 und die axialen Kanäle 25 in der äußeren Umfangswand der Ventilspindel 24 einen Teil einer Fluid-Auslaßleitung, die ferner einen Kanal 27 in dem Abstandshalter 21 und einen in der Umfangswand 8 des Stellglied-Gehäuses 2 ausgebildeten Kanal 28 umfaßt. Die durch die Ventilkammer 23 und die Kanäle 25, 27, 28 gebildete Auslaßleitung führt zu einer geeigneten Fluid abgebenden Einrichtung, beispielsweise einer nicht gezeigten Öl-Einspritzdüse einer Brennkraftmaschine.
Jede der piezoelektrischen Scheiben, die den oben erwähnten Stab des Stellgliedes 11 bilden, besteht aus einem piezoelektrischen Material wie beispielsweise piezoelektrischer Keramik, Quarz, Rochellesalz oder Polyvinyliden. Ein typisches Beispiel einer piezoelektrischen Keramik ist eine Zweikomponenten-Keramik wie Bleititanat-Bleizirkonat (PbZrO[tief]3-PbTiO[tief]3), die zu einer Serie im Handel unter dem Namen PZT erhältlicher piezoelektrischer Keramiken gehört.
Wenn an eine beispielsweise aus piezoelektrischer Keramik bestehende Scheibe eine Spannung angelegt wird, führt dies auf- grund des bekannten piezoelektrischen Effektes je nach Polarität der angelegten Spannung zu einer Ausdehnung oder Kontraktion der Scheibe. Die Ausdehnung oder Kontraktion einer einzelnen piezoelektrischen Scheibe ist von verhältnismäßig geringer Größenordnung und beträgt beispielsweise nicht mehr als 0,4 µm, bei einer Scheibendicke von 0,5 mm, einem piezo-elektrischen Modul von 400 x 10 - 12 m/V und einer angelegten Gleichspannung von 400 Volt. Wenn jedoch eine Anzahl von n derartiger Scheiben übereinandergestapelt sind, addieren sich die Verformungen der einzelnen Scheiben, so daß sich insgesamt für den piezoelektrischen Stab eine Verformung von n x 0,4 µm, beispielsweise 40 µm bei insgesamt 100 Scheiben ergibt. Während somit das piezoelektrische Stellglied 11 des in Fig. 1 gezeigten Dosierventiles aus einer bestimmten Anzahl von Scheiben besteht, die jeweils einen Durchmesser von 10 mm und eine Dicke von 0,5 mm aufweisen und derart gewählt sind, daß sich bei einer angelegten Gleichspannung von 400 Volt eine Gesamtverformung des aus den Scheiben gebildeten Stabes von 40 µm ergibt, erhält man eine Weg-Spannungs-Charakteristik wie sie durch die hystere Schleife a, a' in Fig. 2 A angegeben ist. Unter "Weg" ist in diesem Zusammenhang der Weg zu verstehen, um den sich der aus den Scheiben gebildete Stab insgesamt zusammenzieht oder ausdehnt. Diese Weg-Spannungs-Charakteristik entspricht einer Weg-Last-Charakteristik, wie sie durch den Graphen b in Fig. 2 B angegeben ist. Dabei entspricht die auf der Abszisse aufgetragene Last einer in Axialrichtung auf den Stab ausgeübten mechanischen Kraft.
Wenn die Ventilspindel 24 des in Fig. 1 gezeigten Dosierventils eine von dem Fluid beaufschlagte Querschnittsfläche von 3,14 mm² aufweist und in der mit der Fluidquelle verbundenen Einlaßleitung ein Fluiddruck von 2000 kN/cm² herrscht, wird die Ventilspindel 24 in Axialrichtung mit einer Kraft von 62,8 N von der Stirnwand 19 der Führungsbuchse 18 weggedrückt. Die Ventilspindel 24 kann daher gegen diese Kraft in einer Stellung gehalten werden, in der sie die Öffnung 20 der Stirnwand 19 verschließt, wenn die Stellschraube 14 in dem Stellglied-Gehäuse 2 soweit angezogen ist, daß das Stellglied 11 die Ventilspindel 24 mit einer Kraft gegen die Stirnwand 19 der Führungsbuchse 18 drückt, die größer als die durch den Fluiddruck auf die Ventilspindel 24 ausgeübte Kraft ist. Wenn das in Fig. 1 gezeigte Dosierventil in dieser Weise eingestellt ist, wird der Betrag der Längenänderung des das Stellglied 11 bildenden piezoelektrischen Stabes etwas kleiner als 40 µm, wie aus der Weg-Last-Charakteristik aus Fig. 2 B hervorgeht. Die ursprünglich durch die Stellschraube 14 auf das Stellglied 11 ausgeübte Kraft, die dem zum Verschieben der Ventilspindel 24 gegen die Kraft des Stellgliedes 11 erforderlichen Fluiddruck entspricht, kann somit dadurch eingestellt werden, daß die Stellschraube 14 in der einen oder anderen Richtung um die Längsachse in bezug auf das Stellglied-Gehäuse 2 gedreht wird. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Leitungen 15, 15' derart mit dem piezoelektrischen Stellglied 11 verbunden, daß sich dieses Stellglied insgesamt in Längsrichtung zusammenzieht, wenn eine Gleichspannung angelegt wird. Während bei den Leitungen 15/15' beispielsweise eine Gleichspannung von 400 V an das piezoelektrische Stellglied angelegt wird, bewegt sich die mit dem Stellglied 11 über den Schaft 26 verbundene Ventilspindel 24 in Axialrichtung um einen Weg von beispielsweise 40 µm von der Stirnwand 19 der Führungsbuchse 18 weg, so daß die Öffnung 20 dieser Stirnwand 19 zu den axialen Kanälen 25 in der Ventilspindel 24 hin geöffnet ist und über diese Kanäle 25 mit der hinter der Ventilspindel 24 gelegenen Ventilkammer 23 in Verbindung steht. Versuche des Erfinders haben gezeigt, daß die Ventilspindel 24, wenn sie sich in ihrer Schließstellung befindet, etwa 100 Mikrosec. nach dem Einschalten der Spannung ihre vollständig geöffnete Stellung erreicht, wie anhand der Kurven c, d in Fig. 3 zu erkennen ist. Die gestrichelte Kurve c in Fig. 3 gibt das Spannungsniveau und die durchgezogene Kurve d den daraus resultierenden Weg des Stellgliedes 11 in Abhängigkeit von der Zeit an. Das aus der Fluidquelle über die Axialbohrung 17 des Ventilgehäuses 4 zu der Öffnung 20 ge- langende Fluid strömt durch die Kanäle 25 und die Ventilkammer 23 zu den Kanälen 27, 28 in der Führungsbuchse 18, bzw. dem Stellglied-Gehäuse 2 und von da zu dem Verbraucher, beispielsweise einer Öl-Einspritzdüse einer Brennkraftmaschine. Wenn die Spannungsversorgung des piezoelektrischen Stellgliedes 11 unterbrochen ist, nimmt der Stab seine ursprüngliche Länge an und verschiebt die Ventilspindel 24 derart, daß sie wieder die Öffnung 20 in der Führungsbuchse 18 verschließt und die Fluidverbindung zwischen dieser Öffnung 20 und der Ventilkammer 23 unterbricht. Wenn das piezoelektrische Stellglied alternierend betätigt wird, so daß es sich abwechselnd ausdehnt und zusammenzieht, führt die Ventilspindel 24 eine hin und hergehende Bewegung in Axialrichtung aus, so daß die Öffnung 20 in der Führungsbuchse 18 abwechselnd geöffnet und geschlossen wird, dabei wird die zwischen dem Stellglied 11 und der Ventilspindel 24 angebrachte Membran 22 verformt oder teilweise mitbewegt. Wenn sich Fluid in der Ventilkammer 23 befindet, verhindert die Membran 22, daß das Fluid in das Innere des Stellglied-Gehäuses 2 eindringt.
Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Dosierventils. Das in Fig. 4 gezeigte Dosierventil ist besonders für den Einsatz in Verbindung mit einem Öl-Einspritzventil für eine Diesel-Brennkraftmaschine geeignet. In die Brennkammer einer derartigen Brennkraftmaschine muß innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalles von normalerweise 1,3 msec. eine genau abgemessene Kraftstoffmenge eingespritzt werden. Ähnlich wie das in Fig. 1 gezeigte Dosierventil umfaßt auch das Dosierventil gem. dem zweiten Ausführungsbeispiel ein im wesentlichen hohlzylindrisches Gehäuse 1, das ein Stellglied-Gehäuse 2 mit einem axialen Außengewindeabschnitt 3 an seinem inneren Ende und ein Ventilgehäuse 4 mit einem axialen Innengewindeabschnitt 5 umfaßt. Die Gehäuse 2 und 4 sind durch Einschrauben des axialen Abschnittes 3 des Stellglied-Gehäuses 2 in dem Innengewindeabschnitt 5 des Ventilgehäuses 4 miteinander verbunden. Die Wand des Stellglied-Gehäuses 2 ist durch eine mit einer Axialbohrung versehene Stirnwand 6 und eine zylindrische Umfangswand 8 gebildet.
Die Umfangswand 8 weist Kabelöffnungen 9, 9' und eine Belüftungsöffnung 10 auf. Gemäß Fig. 4 handelt es sich bei der Stirnwand 6 und der Umfangswand 8 um getrennte Bauteile, die mit einem Außengewinde- bzw. Innengewindeabschnitt versehen sind. Die Stirnwand 6 und die Umfangswand 8 sind zusammen mit einer zwischengelegten Spannmutter 29 mit ihren Gewindeabschnitten einstellbar miteinander verschraubt. In dem Stellglied-Gehäuse 2 ist ein piezoelektrisches Stellglied 11 angebracht, das ebenfalls durch einen Stab aus aufeinander gestapelten piezoelektrischen Scheiben gebildet ist. An der dem inneren Ende des Stellglied-Gehäuses 2 zugewandten Stirnfläche des Stellgliedes 11 ist eine Stirnplatte 13 befestigt. Das der Stirnwand 6 des Gehäuses 2 zugewandte Ende des Stellgliedes 11 ist fest mit einer Stellschraube 14 verbunden, die sich beweglich durch die Axialbohrung 7 in der Stirnwand 6 des Gehäuses 2 erstreckt. Die Stellschraube 14 ragt in axialer Richtung von der Stirnwand 6 des Gehäuses 2 aus nach außen und ist mit Hilfe einer an der Außenfläche der Stirnwand 6 befestigten Stellmutter 30 einstellbar an der Stirnwand 6 des Gehäuses 2 festgelegt. Durch Drehen der Stellmutter 30 auf der Stellschraube 14 in der einen oder anderen Drehrichtung in bezug auf die Mittelachse der Stellschraube 14 ist die axiale Position des piezoelektrischen Stellgliedes 11 in dem Gehäuse 2 einstellbar. Das auf diese Weise mit der Stirnwand 6 des Gehäuses 2 verbundene Stellglied 11 reicht innen bis in die Nähe des der Stellschraube 14 gegenüberliegenden Endes des Stellglied-Gehäuses 2. Über durch die Kabelöffnungen 9, 9' verlaufende elektrische Leitungen 15, 15' ist das piezoelektrische Stellglied 11 mit einer geeigneten, nicht gezeigten Gleichspannungsquelle verbunden.
Das Ventilgehäuse 4 weist an dem von dem Stellglied-Gehäuse 2 abgewandten Ende einen hohlzylindrischen axialen Vorsprung 16 auf. Der Vorsprung 16 ist mit einer Axialbohrung 17 versehen, die mit der Axialbohrung 7 des Stellglied-Gehäuses 2 fluchtet. In dem Vorsprung 16 ist eine rohrförmige Führungsbuchse 18 befestigt, die Teil des Gehäuses 1 ist und mit einer axialen Bohrung 31 versehen ist. Der Querschnitt der Bohrung 31 ist an dem von dem Stellglied 11 abgewandten, äußeren Ende der Führungsbuchse 18 zu einer Düse 32 verringert. Das Stellglied-Gehäuse 2 und die Führungsbuchse 18 sind innerhalb des Ventilgehäuses 4 durch einen an der inneren Umfangswand des Ventilgehäuses 4 befestigten, im wesentlichen ringförmigen Abstandshalter 21 voneinander getrennt. Eine flexible Membran 22 ist mit ihrem äußeren Umfangsrand fest zwischen den Abstandshalter 21 und das innere Ende des Stellglied-Gehäuses 2 eingefügt und bildet somit innerhalb des ringförmigen Abstandhalters 21 eine hermetisch gegenüber dem Inneren des Stellglied-Gehäuses 2 abgeschlossene Ventilkammer 23. In der axialen Bohrung 31 der Führungsbuchse 18 ist eine in Axialrichtung verschiebbare Ventilspindel 24 mit einem spitz in Richtung auf die Düse 32 der Führungsbuchse 18 zulaufenden Ende angebracht. Die an dem piezoelektrischen Stellglied 11 befestigte isolierende Stirnplatte 13 weist einen Vorsprung auf, der an einem zentralen Bereich der Membran 22 befestigt ist. Die Membran 22 und das Stellglied 11 sind somit gemeinsam in Längsrichtung in bezug auf die Gehäuse 2, 4 beweglich. Das Stellglied 11 und die Membran 22 sind in geeigneter Weise in Richtung auf die Ventilspindel 24 vorgespannt. Zum Vorspannen des Stellglieds 11 und der Membran 22 ist beispielsweise eine belastete Schraubendruckfeder 33 vorgesehen, die mit einem Ende auf einem scheibenförmigen Abschnitt der Stellschraube 14 und mit dem anderen Ende an der inneren Oberfläche der Stirnwand 6 des Gehäuses 2 abgestützt ist. Die Ventilspindel 24 weist einen Vorsprung 34 auf, der in axialer Richtung durch die Mittelöffnung des ringförmigen Abstandhalters 21 und durch die zwischen dem Abstandshalter 21 und der Membran 22 gebildete Ventilkammer 23 in Richtung auf den Vorsprung der Stirnplatte 13 vorspringt.
Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Leitungen 15, 15' derart mit dem piezoelektrischen Stellglied 11 verbunden, daß sich das Stellglied 11 insgesamt in Längsrichtung ausdehnt, wenn über die Leitungen 15, 15' eine Spannung angelegt wird. Wenn beispielsweise eine Spannung von 400 Volt angelegt wird, bewegt sich die Stirnplatte 13 des Stellgliedes 11 in Richtung auf den axialen Vorsprung 34 der Ventilspindel 24.
Der Abstandshalter 21 und das Stellglied-Gehäuse 2 sind ähnlich den entsprechenden Bauteilen des Ausführungsbeispieles aus Fig. 1 mit Kanälen 27, 28 versehen. Die Kanäle 27, 28 sind Teil einer Fluid-Einlaßleitung, zu der ferner ein in der Führungsbuchse 18 gebildeter Kanal 35 gehört, durch den eine Fluidverbindung zwischen dem Kanal 27 in dem Abstandshalter 21 und der Axialbohrung 31 der Führungsbuchse 18 hergestellt wird. Die durch die Kanäle 27, 28 und 35 gebildete Einlaßleitung ist mit einer geeigneten, nicht gezeigten Fluidquelle, beispielsweise einer Ölpumpe oder einem Öl-Reservoir einer Brennkraftmaschine verbunden. Ein Fluid-Auslaß ist durch die Düse 32 in der Führungsbuchse 18 gebildet. Wenn das in Fig. 4 gezeigte Dosierventil zur Kraftstoffeinspritzung in einer Diesel-Brennkraftmaschine benutzt wird, bildet die Düse 32 die Öl-Einspritzdüse dieser Brennkraftmaschine. Während des Betriebs des Dosierventils ist die Ventilspindel 24 dem Druck des aus der Fluidquelle zugeführten Fluids ausgesetzt. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiels ist die Umfangswand 8 des Stellglied-Gehäuses 2 ferner mit einer Fluid-Rückführungsleitung 36 versehen, die mit der Ventilkammer 23 in Verbindung steht. Die Rückführungsleitung 36 ist Teil eines Leitungssystems, durch das Fluid, das durch den Kanal 35 und weiter an der Ventilspindel 24 vorbei durch die Axialbohrung 31 der Führungsbuchse 18 in die Ventilkammer 23 eingedrungen ist, wieder zu der Fluidquelle, d.h. der Ölpumpe oder dem Öl-Reservoir, zurückgeleitet wird.
Wenn sich die Ventilspindel 24 in einer axialen Position befindet, in der sie die in der Führungsbuchse 18 gebildete Düse 32 verschließt, besteht zwischen dem axialen Vorsprung 34 der Ventilspindel 24 und dem Vorsprung der Stirnplatte 13 des Stellgliedes 11 ein Abstand g, und zwischen der inneren Stirnfläche der Ventilspindel 24 und der äußeren Stirnfläche des ringförmigen Abstandhalters 21 besteht ein Abstand g'. Der Abstand g zwischen den Vorsprüngen der Ventilspindel 24 und der Stirnplatte 13 des Stellgliedes 11 ist dadurch einstellbar, daß die axiale Position der Stirnwand 6 des Stellglied-Gehäuses 2 in bezug auf die Umfangswand 8 dieses Gehäuses 2 verändert wird, indem die Stirnwand 6 in der einen oder anderen Drehrichtung um die Mittelachse des Stellglied-Gehäuses 2 gedreht wird. Wenn somit die Stirnwand 6 des Stellglied-Gehäuses 2 derart gedreht wird, daß die axiale Länge des Stellglied-Gehäuses 2 insgesamt zunimmt, bewegt sich das über die Stellschraube 14 mit der Stirnwand 6 verbundene piezoelektrische Stellglied 11 in axialer Richtung von dem ringförmigen Abstandshalter 21 weg, so daß der Abstand g vergrößert wird. Wenn andererseits die Stirnwand 6 derart in bezug auf das Stellglied-Gehäuse 2 gedreht wird, daß die axiale Länge dieses Gehäuses insgesamt verringert wird, bewegt sich das Stellglied 11 in Richtung auf den Abstandshalter 21, so daß sich der Abstand g verringert. Die axialen Längen des Vorsprungs 34 und des Vorsprungs der Stirnplatte 13 sind derart bemessen, daß der Abstand g völlig verschwindet und die Vorsprünge einander berühren, wenn die Stirnwand 6 so weit auf die Umfangswand 8 des Stellglied-Gehäuses 2 aufgeschraubt ist, daß die zwischen der Stirnwand 6 und der Umfangswand 8 eingefügte Spannmutter 29 fest eingeklemmt wird. Die über die Schraubendruckfeder 33 auf das piezoelektrische Stellglied 11 ausgeübte Vorspannung und damit der zum Öffnen des Ventils durch Verschieben der Ventilspindel 24 gegen die Kraft der Feder 33 erforderliche Fluiddruck wird in folgender Weise eingestellt. Zunächst wird die Stirnwand 6 so weit auf die Umfangswand 8 des Stellglied-Gehäuses 2 aufgeschraubt, daß die Spannmutter 29 fest zwischen der Stirnwand 6 und der Umfangswand 8 einge- klemmt ist und der Abstand g verschwindet, wobei das piezoelektrische Stellglied 11 nicht erregt ist. Sodann wird die Vorspannung der Schraubendruckfeder 33 durch Drehen der Stellmutter 30 auf der Stellschraube 14 auf seinen gewünschten Wert eingestellt. Danach wird die Stirnwand 6 derart in bezug auf die Umfangswand 8 gedreht, daß die Spannmutter 29 Spiel erhält und der Abstand g einen Wert annimmt, der der gewünschten Längenausdehnung des Stellgliedes 11 bei Anlegen einer vorgegebenen Spannung von beispielsweise 400 Volt entspricht. Der Abstand g' zwischen der inneren Stirnfläche der Ventilspindel 24 und der äußeren Stirnfläche des Abstandhalters 21 legt den Hub der Ventilspindel 24 beim Öffnen und Schließen der Düse 32 fest. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Dosierventil sind die Abstände g und g' derart gewählt, daß der Abstand g kleiner als der Abstand g' ist.
Im folgenden soll angenommen werden, daß das piezoelektrische Stellglied 11 des in Fig. 4 gezeigten Dosierventils derart konstruiert bzw. ausgewählt ist, daß es die durch die Kurven a, a' in Fig. 2 A angegebene Weg-Spannungs-Charakteristik und die durch die Kurve b in Fig. 2 B angegebene Weg-Last-Charakteristik aufweist. Wenn in diesem Fall die durch den Fluiddruck beaufschlagte Querschnittsfläche der Ventilspindel 24 25 mm² beträgt und wenn die Düse 32 durch axiale Verschiebung der Ventilspindel 24 bei einem Fluiddruck von 1000 N/cm² geöffnet werden soll, muß das Stellglied 11 durch die Schraubdruckfeder 33 mit einer Kraft von 250 vorgespannt sein. Die Längenänderung des derart belasteten Stellglieds 11 beträgt etwa 26,7 µm, wie sich aus der Kurve b Fig. 2 B ergibt. Der Abstand g zwischen der Stirnfläche des axialen Vorsprungs 34 der Ventilspindel 24 und der Stirnfläche des Vorsprungs der Stirnplatte 13 des Stellgliedes 11 muß daher 26,7 µm betragen. In diesem Fall kann für den Abstand g' zwischen der äußeren Stirnfläche des Abstandhalters 21 und der inneren Stirnfläche der in ihrer Schließstellung befindlichen Ventilspindel 24 ein Wert von beispielsweise 1 mm gewählt werden. Wenn an das piezoelektrische Stellglied 11 über die Leitungen 15, 15' eine Gleichspannung von beispielsweise 400 Volt angelegt wird, dehnt sich das Stellglied 11 in Längsrichtung aus, so daß die Stirnplatte 13 gegen den axialen Vorsprung 34 der Ventilspindel 24 mit der von der Schraubdruckfeder 33 erzeugten Kraft von 250 N angedrückt wird. Die Ventilspindel 24 bewegt sich dadurch in eine axiale Stellung, in der sie die Düse 32 in der Führungsbuchse 18 verschließt. Wenn die an den Leitungen 15, 15' anliegende Spannung abgeschaltet wird und das Stellglied 11 wieder seine ursprüngliche Länge annimmt, während in der durch die Kanäle 27, 28, 35 gebildeten Fluid-Einlaßleitung ein Fluiddruck von 1000 N/cm² herrscht, der das zugespitzte äußere Ende der Ventilspindel 24 beaufschlagt, verschiebt sich die Ventilspindel in der Führungsbuchse 18 in axialer Richtung von der Düse 32 weg. Wenn in diesem Fall der auf die Ventilspindel 24 wirkende Fluiddruck einen Wert von 1000 N/cm² beibehält, ist der Weg, den die Ventilspindel 24 zurücklegen kann gleich der Längenänderung des Stellgliedes 11, d.h. gleich dem Abstand g von annähernd 26,7 müm. Da der Abstand g geringer als der Abstand g' ist, wie zuvor erwähnt wurde, wird die Ventilspindel 24 unter diesen Bedingungen in einer axialen Position gehalten, in der ihre innere Stirnfläche einen Abstand zu der äußeren Stirnfläche des Abstandhalters 21 aufweist und in der der Vorsprung 34 der Ventilspindel 24 mit seinem freien Ende an den Vorsprung der Stirnplatte 13 des Stellgliedes 11 angedrückt wird. Wenn jedoch der Fluiddruck in der Fluidquelle über den Wert von 1000 N/cm² ansteigt, bewegt sich die Ventilspindel 24 weiter von der Düse 32 weg, bis die innere Stirnfläche der Ventilspindel 24 an der äußeren Stirnfläche des Abstandhalters 21 anschlägt.
Die Dauer eines jeden Einspritzzyklus der Diesel-Brennkraftmaschine ist von der Geometrie eines Steuernockens der Ölpumpe abhängig und ändert sich entsprechend dem Betriebszu- stand der Maschine. Bei einer Drehzahl der Brennkraftmaschine von beispielsweise 500 1/min liegt bekanntlich die Dauer eines jeden Öl-Einspritzzyklus zwischen 1,2 und 1,3 msec, während während des Leerlaufs der Maschine die Dauer eines jeden Einspritzzyklus zwischen etwa 1,4 und 1,5 msec liegt. Wenn das oben an Hand von Fig. 4 beschriebene Dosierventil als Öl-Einspritzventil einer derartigen Diesel-Brennkraftmaschine verwendet wird, kann der Kraftstoff während dieser kurzen Einspritzzyklen mit genau steuerbarer Einspritz-Charakteristik in genau abgemessenen Mengen in die Brennkammer der Maschine eingespritzt werden. Ferner kann die Einspritz-Charakteristik und die einzuspritzende Kraftstoffmenge beliebig und mit hoher Genauigkeit eingestellt werden, indem die an das piezoelektrische Stellglied 11 angelegte Spannung variiert wird, so daß der Hubweg der Ventilspindel 24 zu- oder abnimmt, und/oder indem die durch die Schraubendruckfeder 33 bewirkte Vorspannung des Stellgliedes 11 variiert wird. Wenn in diesem Fall der Wert des Fluiddruckes, bei dem das Dosierventil öffnen soll, von 1000 N/cm² auf 1060 N/cm² erhöht werden soll, so kann bei dem oben beschriebenen Dosierventil die über die Schraubendruckfeder 33 auf das Stellglied 11 ausgeübte Vorspannung von 250 N auf etwa 270 N erhöht werden, so daß sich der Zwischenraum g von etwa 26,7 µm auf etwa 25,6 µm verringert.
Während bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Dosierventils ein piezoelektrisches Stellglied vorgesehen ist, das sich bei Anlegen einer Spannung aus seiner Ruhestellung ausdehnt oder zusammenzieht, kann in dem erfindungsgemäßen Dosierventil auch ein Stellglied verwendet werden, das zunächst durch Anlegen einer Spannung einer vorgegebenen Polarität auf eine erste Länge zusammengezogen oder ausgedehnt wird und bei dem die Längenänderung durch die
Umkehrung der Polarität der angelegten Spannung erfolgt.
Die Verwendung eines derartigen Dosierventils in einer Diesel-Brennkraftmaschine trägt zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs, zur Verringerung des Rauchanteils der Abgase und zur Verringerung der Emission von Schadstoffen, wie unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Benzopyrenen, bei. Darüberhinaus trägt die Verwendung eines erfindungsgemäßen Dosierventils in einer Diesel-Brennkraftmaschine zur Verringerung der Geräuschentwicklung und insbesondere zur Vermeidung eines Klopfens oder Nagelns der Brennkraftmaschine bei.

Claims (6)

1. Dosierventil mit einem hohlen Gehäuse mit einem Fluid-Einlaß und einem Fluid-Auslaß, einem flexiblen Trennelement, das das Gehäuse in zwei getrennte Kammern unterteilt, einem in einer der Kammern angebrachten Stellglied und einer koaxial zu dem Stellglied in der anderen Kammer angebrachten Ventilspindel, die mit Hilfe des Stellgliedes derart in axialer Richtung verschiebbar ist, daß in der einen Stellung eine Fluidverbindung zwischen dem Ein- und Auslaß besteht und diese Fluidverbindung in der anderen Stellung durch die Ventilspindel (24) unter- brochen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (11) durch eine Anzahl übereinandergestapelter piezoelektrischer Scheiben gebildet und mit elektrischen Leitungen (15, 15') zum Anlegen einer Spannung an das Stellglied (11) verbunden ist, durch welche Spannung das Stellglied (11) in seinen axialen Abmessungen veränderbar ist, und daß das Stellglied (11) an einem Ende mit dem flexiblen Trennelement (22) und am anderen Ende über eine Stellschraube (14) zum Einstellen der axialen Position des Stellgliedes (11) in dem Gehäuse (1) mit dem Gehäuse verbunden ist.
2. Dosierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (11) an dem mit dem Trennelement (22) verbundenen Ende fest mit der Ventilspindel (24) verbunden ist.
3. Dosierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stellglied (11) und der Ventilspindel (24) ein vorgegebener Abstand (g) besteht, wenn sich die Ventilspindel (24) in ihrer geschlossenen Position befindet.
4. Dosierventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) wenigstens zwei getrennte, einstellbar miteinander verbundene Wandabschnitte (6, 8) umfaßt und daß das Stellglied (11) über die Stellschraube (14) derart mit einem der Wandabschnitte (6) verbunden ist, daß die axiale Position des Stellgliedes (11) in Bezug auf den anderen der Wandabschnitte (8) einstellbar ist.
5. Dosierventil nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen in Axialrichtung zwischen dem Trennelement (22) und der Ventilspindel (24) angebrachten Abstandhalter (21) mit einer Öffnung, durch die die Ventilspindel (24) in Axialrichtung von dem Trennelement (22) weg und auf dieses zu beweglich und über das Trennelement (22) mit dem Stellglied (11) in Berührung bringbar ist.
6. Dosierventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilspindel (24) in ihrer geschlossenen Stellung einen vorgegebenen Abstand (g') zu dem Abstandhalter (21) aufweist, der größer als der Abstand (g) zwischen der Ventilspindel (24) und dem Stellglied (11) ist.
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