EP0445340A1 - Ventil mit piezoelektrischem Antrieb - Google Patents

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EP0445340A1 EP90104537A EP90104537A EP0445340A1 EP 0445340 A1 EP0445340 A1 EP 0445340A1 EP 90104537 A EP90104537 A EP 90104537A EP 90104537 A EP90104537 A EP 90104537A EP 0445340 A1 EP0445340 A1 EP 0445340A1
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    • 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
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means

Definitions

  • the present invention relates to a valve with a piezoelectric drive.
  • Valves with short reaction times are required for certain control processes.
  • injection valves with extremely short opening and closing times are required to achieve short injection times (less than 0.2 ms). Valves that only close slowly tend to form drops and offer only low dosing accuracy.
  • the injection valves designed according to the prior art generally have a valve drive based on the electromagnetic principle. Such a valve is opened by an electromagnet. A return spring closes the valve after the excitation current is switched off. In order to achieve a short opening time, such valves are briefly activated with a high pulse of high excitation current before switching to the lower holding current. The closing process cannot be influenced electrically in the case of electromagnetic valves with a single solenoid coil because of the quadratic current / force behavior. It only depends on the spring constant of the required return spring and the mass of the valve needle to be moved.
  • the invention is based on the finding that by using a piezoelectric drive with an approximately linear relationship between the control voltage for a piezoelectric actuator and the deflection caused, the valve can be actively opened and closed in order to achieve short and defined opening and closing times. This allows the desired proportionality of the injection quantity to Injection time can be achieved even with very short injection times.
  • a disadvantage of piezoelectric displacement sensors is that only relatively small deflections (1-2%) can be achieved, so that they cannot be used directly as an actuator for valves.
  • the present invention has for its object to provide a valve of the type mentioned, which is simple and inexpensive to manufacture and meets the requirement of extremely short response times with defined achievable valve positions.
  • a valve with a piezoelectric drive for which, according to the invention, a lever mechanism provided with a predetermined lever arm ratio is provided for the amplitude transformation of the deflection of a piezoelectric actuator, a valve tappet being attached to a deflectable end thereof.
  • the valve is driven by a rod-shaped piezoceramic element 1 which acts as a piezoelectric actuator and which preferably has a square cross section and is formed with the dimensions 10 mm ⁇ 10 mm ⁇ 32 mm. It is controlled with a voltage of up to 150 V and achieves a deflection of 40 ⁇ m at 150 V.
  • the piezoelectric actuator is clamped on the inner side of a U-shaped spring-hard steel fork 2, cf. the figure. When the piezoelectric actuator is deflected, the free ends of the Steel fork 2 pushed apart by the leverage that occurs.
  • the steel fork 2 is preferably designed so that the change in distance between the free ends thereof is higher by a factor of 4 than the change in surface distance in question of the piezoelectric actuator.
  • a 100 mm long valve stem 4 at the front end of which the valve seat is located, is firmly attached to a bushing.
  • a valve tappet 1 which is inserted through the bushing and is guided in the valve stem 4 and at the front end of which there is a valve needle.
  • the valve stem 4 and the valve lifter 1 can be displaced relative to one another.
  • the valve tappet 3 is sealed at the bushing.
  • the fuel inlet is at the rear end of the valve stem 4.
  • the valve needle When the piezoelectric actuator is not deflected, the valve needle is on the valve seat and thus closes the valve. If the piezoelectric actuator is deflected (40 ⁇ m maximum), the valve needle experiences a stroke of up to 160 ⁇ m due to the amplitude transformation of the steel fork 2 and opens the valve.
  • the spring constant of the steel frame namely the steel fork 2
  • the spring constant of the steel frame can be chosen so high that the actuator is constantly - even with contraction - under the mechanical prestress of the steel frame. This means that the valve can also be actively closed.
  • opening and closing times of less than 100 ⁇ s can be achieved. This behavior is sufficient even at an engine speed of 10,000 rpm. Due to the extremely short injection times ( ⁇ 0.2 ms), multiple injections per working cycle can advantageously be realized, which can be used to optimize the combustion process as desired.
  • the valve also has the advantage that the injection quantity can be controlled via the valve lift which is variable by the control voltage. This provides an additional possibility of fuel metering compared to injectors with only two fixed end positions of the valve needle.
  • the drive system can be arranged relatively far (100 mm) from the valve seat due to a long valve stem in order to gain space for other components close to the engine.

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Abstract

Ein Ventil mit piezoelektrischem Antrieb, bei dem zur Amplitudentransformation der Auslenkung eines als piezoelektrisches Stellglied fungierenden Piezokeramikelement (3) ein mit einem vorgegebenen Hebelarmverhältnis versehener Hebelmechanismus, bestehend aus einer Stahlgabel (2), vorgesehen ist, wobei an einem auslenkbaren Ende derselben ein Ventilstößel (1) befestigt ist. <IMAGE>

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil mit piezoelektrischem Antrieb.
  • Bei bestimmten Steuerungsabläufen werden Ventile mit kurzen Reaktionszeiten benötigt. Insbesondere bei der elektronisch gesteuerten Kraftstoff-Einspritzung in Verbrennungsmotoren werden zum Erreichen von kurzen Einspritzzeiten (kleiner 0,2 ms) Einspritzventile mit extrem kleinen Öffnungs- und Schließzeiten benötigt. Ventile, die nur langsam schließen, neigen zur Tropfenbildung und bieten eine nur geringe Dosiergenauigkeit.
  • Die nach dem Stand der Technik ausgeführten Einspritzventile weisen im allgemeinen einen Ventilantrieb nach dem elektromagnetischen Prinzip auf. Ein derartiges Ventil wird durch einen Elektromagneten geöffnet. Eine Rückstellfeder schließt das Ventil nach Abschalten des Erregungsstroms. Um eine kleine Öffnungszeit zu erreichen, werden derartige Ventile kurzzeitig mit einem hohen Impuls hoher Erregungsstromstärke angesteuert, bevor auf den niedrigeren Haltestrom umgeschaltet wird. Der Schließvorgang kann bei elektromagnetischen Ventilen mit einer einzigen Magnetspule wegen des quadratischen Strom/Kraft-Verhaltens elektrisch nicht beeinflußt werden. Er hängt einzig von der Federkonstanten der erforderlichen Rückstellfeder und der zu bewegenden Masse der Ventilnadel ab.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch Verwendung eines piezoelektrischen Antriebs mit einem annähernd linearen Zusammenhang zwischen der Ansteuerspannung für ein piezoelektrisches Stellglied und der bewirkten Auslenkung das Ventil aktiv zu öffnen und zu schließen ist, um kurze und definierte Öffnungs- und Schließzeiten zu erreichen. Dadurch kann die gewünschte Proportionalität der Einspritzmenge zur Einspritzzeit auch bei sehr kleinen Einspritzzeiten erreicht werden.
  • Ein Nachteil piezoelektrischer Weggeber besteht jedoch darin, daß nur relativ kleine Auslenkungen (1 - 2 %o) erzielbar sind, so daß sie nicht unmittelbar als Stellglied für Ventile verwendbar sind.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs genannten Art zu schaffen, das auf einfache und kostengünstige Weise herstellbar ist und das Erfordernis extrem kleiner Reaktionszeiten bei definiert erzielbaren Ventilstellungen erfüllt.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Ventil mit piezoelektrischem Antrieb vorgeschlagen, für das erfindungsgemäß zur Amplitudentransformation der Auslenkung eines piezoelektrischen Stellgliedes ein mit einem vorgegebenen Hebelarmverhältnis versehener Hebelmechanismus vorgesehen ist, wobei an einem auslenkbaren Ende desselben ein Ventilstößel befestigt ist.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.
  • Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen anhand einer ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel betreffenden Figur beschrieben.
  • Erfindungsgemäß erfolgt der Antrieb des Ventils durch ein stabförmiges, als piezoelektrisches Stellglied fungierendes Piezokeramikelement 1, das vorzugsweise einen quadratischen Querschnitt hat und mit den Abmessungen 10 mm x 10 mm x 32 mm aus-gebildet ist. Es wird mit einer Spannung bis zu 150 V angesteuert und erreicht bei 150 V eine Auslenkung von 40 µm. Zur Erhöhung der Auslenkung auf Werte, die zum Öffnen eines Einspritzventils typisch sind (100 µm), ist das piezoelektrische Stellglied an der inneren Seite einer U-förmigen federharten Stahlgabel 2 eingespannt, vergl. die Figur. Bei der Auslenkung des piezoelektrischen Stellgliedes werden die freien Enden der Stahlgabel 2 durch die auftretende Hebelwirkung auseinandergedrückt. Die Stahlgabel 2 ist vorzugsweise so ausgelegt, daß die Abstandsänderung zwischen den freien Enden derselben um den Faktor 4 höher als die betreffende Oberflächenabstandsänderung des piezoelektrischen Stellglieds ist. An einem der freien Enden der Stahlgabel 2 ist über einer Durchführung ein 100 mm langer Ventilschaft 4, an dessen vorderen Ende sich der Ventilsitz befindet, fest angebracht. An dem anderen freien Ende der Stahlgabel 2 ist ein Ventilstößel 1, der durch die Durchführung gesteckt und in dem Ventilschaft 4 geführt ist und an dessen vorderem Ende sich eine Ventilnadel befindet, befestigt. Der Ventilschaft 4 und der Ventilstößel 1 sind relativ gegeneinander verschiebbar. Im inneren Teil des Ventilschafts 4 ist der Ventilstößel 3 an der Durchführung abgedichtet. Der Kraftstoffeinlaß befindet sich an dem hinteren Ende des Ventilschafts 4.
  • Im nicht ausgelenkten Zustand des piezoelektrischen Stellgliedes befindet sich die Ventilnadel am Ventilsitz und schließt somit das Ventil. Ist das piezoelektrische Stellglied ausgelenkt (40 µm maximal), so erfährt die Ventilnadel durch die Amplitudentransformation der Stahlgabel 2 einen Hub bis zu 160 µm und öffnet das Ventil.
  • Durch die sehr hohe Blockierkraft des piezoelektrischen Stellgliedes kann die Federkonstante des Stahlrahmens, nämlich der Stahlgabel 2, so hoch gewählt werden, daß das Stellglied ständig - auch bei Kontraktion - unter der mechanischen Vorspannung des Stahlrahmens steht. Somit kann das Ventil auch aktiv geschlossen werden.
  • Mit dem beschriebenen Ventil lassen sich Öffnungs- und Schließzeiten von kleiner als 100 µs realisieren. Dieses Verhalten ist selbst bei einer Motordrehzahl von 10 000 U/min ausreichend. Durch die extrem kurzen Einspritzzeiten ( < 0,2 ms) lassen sich vorteilhafterweise Mehrfacheinspritzungen je Arbeitsspiel realisieren, was zu einer gewünschten Optimierung des Verbrennungsvorgangs benutzt werden kann.
  • Das Ventil hat darüber hinaus den Vorteil, daß die Einspritzmenge über den durch die Ansteuerspannung variablen Ventilhub gesteuert werden kann. Dadurch ist im Vergleich zu Einspritzventilen mit nur zwei festen Endlagen der Ventilnadel eine zusätzliche Möglichkeit der Kraftstoffdosierung gegeben.
  • Aufgrund der hohen Blockierkraft des piezoelektrischen Stellgliedes kann das Antriebssystem durch einen langen Ventilschaft relativ weit (100 mm) vom Ventilsitz entfernt angeordnet sein, um einen Raumgewinn für andere, motornahe Komponenten zu erzielen.

Claims (7)

  1. Ventil mit piezoelektrischem Antrieb,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß zur Amplitudentransformation der Auslenkung eines piezoelektrischen Stellgliedes ein mit einem vorgegebenen Hebelarmverhältnis versehener Hebelmechanismus vorgesehen ist, wobei an einem auslenkbarem Ende desselben ein Ventilstößel (1) befestigt ist.
  2. Ventil nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß der Hebelmechanismus aus einer U-förmigen federharten Stahlgabel (2) besteht, zwischen deren Schenkel das piezoelektrische Stellglied eingespannt ist.
  3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß als piezoelektrisches Stellglied ein Piezokeramikelement (3) einer Charakteristik mit annähernd linearem Zusammenhang zwischen einer Ansteuerspannung und einer durch diese bewirkten Oberflächenabstandsänderung desselben und damit der Auslenkung des Ventilstößels (1) verwendet ist.
  4. Ventil nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß die Stahlgabel (2) derart ausgelegt ist, daß die Abstandsänderung zwischen den freien Enden der Stahlgabel (2) um den Faktor 4 höher ist als die Oberflächenabstandsänderung des Piezokeramikelements (3).
  5. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß das Piezokeramikelement (3) als stabförmiger Körper mit quadratischem Querschnitt mit den Abmessungen 10mm x 10mm x 32mm ausgebildet ist und bei Anlegen einer Spannung von 150 V eine Längenänderung von 40 µm erfährt.
  6. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß an dem anderen der freien Enden der Stahlgabel (2), das örtlich fixiert ist, ein Ventilschaft (4) angeordnet ist, an dessen vorderem Ende sich der Ventilsitz des Ventils befindet, und daß der an dem auslenkbaren Ende der Stahlgabel (2) befestigte Ventilstößel (1) durch eine Durchführung der Stahlgabel (2) gesteckt und in dem Ventilschaft (4) geführt ist, wobei der Ventilschaft (4) und der Ventilstößel (1) relativ gegeneinander verschiebbar sind.
  7. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß das Ventil ein Kraftstoff-Einspritzventil ist.
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