EP0947690B1 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten - Google Patents

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EP0947690B1
EP0947690B1 EP98123744A EP98123744A EP0947690B1 EP 0947690 B1 EP0947690 B1 EP 0947690B1 EP 98123744 A EP98123744 A EP 98123744A EP 98123744 A EP98123744 A EP 98123744A EP 0947690 B1 EP0947690 B1 EP 0947690B1
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valve
pressure
piston
control
pressure chamber
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Friedrich Boecking
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
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    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic

Definitions

  • the invention relates to a valve for controlling liquids according to the preamble of claim 1.
  • a valve for controlling liquids according to the preamble of claim 1.
  • Actuating piston of the valve member in one in diameter smaller part of a stepped bore is arranged so that it can be moved, whereas a piston with a larger diameter, with the piezo actuator is moved in a larger diameter Part of the stepped bore is arranged.
  • a piston with a larger diameter, with the piezo actuator is moved in a larger diameter Part of the stepped bore is arranged.
  • Between the two A hydraulic space is clamped in the piston, such that when the larger piston through the actuator by a certain Distance is moved, the actuating piston of the valve member one around the gear ratio of the stepped bore diameter enlarged stroke makes.
  • the piston and the piezo actuator lie on a common axis behind each other.
  • the valve according to the invention with the characteristic features of claim 1 has the advantage that the pressure chamber does not lose any liquid.
  • A is disadvantageous change in length of the entire device avoided, even if the piezo actuator, the valve or the housing its length changes, for example, when heated.
  • the facility has a simple structure, and it a safe and reliable seal is created.
  • the valve according to the invention is used in a Fuel injection valve, which in the main in Section is shown in Figure 1.
  • This injector has a valve housing 1, in which in a longitudinal bore 2 a valve needle 3 is guided. On her one The end is the valve needle with a conical sealing surface 4 provided at the tip 5 projecting into the combustion chamber of the valve housing cooperates with a seat from which Discharge injection openings that lead into the interior of the injection valve, here the valve needle 3 surrounding, below Injection standing fuel filled annular space 7 and connect it to the combustion chamber to create one To perform injection when the valve needle of her Has lifted the seat.
  • the annulus is with another Pressure chamber 8 connected, which is constantly in connection with a Pressure line 10 is through which the fuel injector from a high-pressure fuel reservoir not shown Fuel is supplied under injection pressure.
  • This high fuel pressure also acts in the pressure chamber 8 and there on a pressure shoulder 11, over which in known Way the valve needle in suitable conditions of their Valve seat can be lifted off.
  • valve needle At the other end of the valve needle is in a cylinder bore 12 out there and closes with its end face 14 a control pressure chamber 15, which via a throttle connection 16 is permanently connected to an annular space 17 which, like the pressure chamber 8, continuously with the high-pressure fuel accumulator communicates.
  • Axial leads from the control pressure chamber 15 a throttle bore 19 from to a valve seat 20 of a control valve 21.
  • the valve seat 20 acts Valve member 22 of the control valve 21 together, which is in the off State a connection between the control pressure chamber 15 and a spring chamber 18, which in turn constantly is connected to a relief room.
  • valve member 22 loading in the closing direction Compression spring 23 arranged, the valve member 22 on the Valve seat 20 acted out so that in the normal position of the Control valve 21 this connection of the control pressure chamber 15th is closed. Because the face of the valve needle 3 in the area of the control pressure chamber 15 is greater than that Surface of the pressure shoulder 11 holds the same fuel pressure in the control pressure chamber, which also prevails in the pressure chamber 8, now the valve needle 3 in the closed position. If the valve member 22 is lifted off, however, the pressure in the control pressure chamber decoupled via the throttle connection 16 15 relieved. With the now missing closing force opens the valve needle 3 quickly and on the other hand can be in the closed position be brought as soon as the valve member 22 again comes into the closed position. From that point on, it builds up then quickly over the throttle 16 of the original high Fuel pressure in the control pressure chamber 15 again.
  • the valve according to the invention has as an actuator a piezo actuator 24, which has a hydraulic Translator 25 with a hydraulic pressure chamber 26 engages on a shaft 27 of the valve member 22.
  • the Pressure chamber 26 is on the one hand by a piston 28 of the piezo actuator 24 limited, on the other hand it has a piston 29 as movable wall that communicates with the valve member shaft 27 stands.
  • control chamber 32 and 33 Seen from the pressure chamber 26 on the back 30 or 31 of each piston 28 and 29 form a control chamber 32 and 33, the actuator or valve side of a membrane 34 or 35 is tightly closed.
  • the pressure chamber 26 is in the Work of the injector under high pressure, which over the Piston guides of the two pistons 28 and 29 a small Leakage oil flow in the control rooms 32 and 33 causes. Thereby these control rooms 32 and 33 are filled with leak oil, which but the pressure chamber 26 must be returned to the hydraulic translator 25 to keep constant length.
  • each control room 32 or 33 there is one at its other Throttle bore 36 or 37 closed with a ball connected.
  • the throttle bores 36 and 37 have over a drain hole 40 connection to a not shown Low pressure source.
  • Each throttle bore 36 or 37 is in Relief direction with a sharp-edged transition 38 and provided with a rounded transition 39 in the filling direction. This measure ensures that a liquid flow, the entrance on the sharp-edged transition 38 hits, is throttled more than a liquid flow, the return flow over the rounded transition 39 flows, which means that a drain from the control rooms 32nd and 33 is more hampered than refilling the Pressure chamber 26 serving inflow.
  • the piezo actuator stroke is smaller, it generates depending on the larger the valve lift.
  • FIG. 5 shows an initial one using a pressure curve 41 great pressure in the control room 32, the one with the piezo stroke begins and then drops with the movement of the valve piston 29. If the piezo is switched off and thus enables one Return stroke, a pressure drop occurs at 42 until the Valve piston followed the piezo. About this pressure change the control chamber 32 is refilled.

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß der Gattung des Patentanspruches 1. Durch die EP 0 477 400 A1 ist ein solches Ventil bekannt, Dort ist der Betätigungskolben des Ventilgliedes in einem im Durchmesser kleineren Teil einer Stufenbohrung dicht verschiebbar angeordnet, wogegen ein im Durchmesser größerer Kolben, der mit dem Piezoaktor bewegt wird, in einem im Durchmesser größeren Teil der Stufenbohrung angeordnet ist. Zwischen den 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 Ventilgliedes einen um das Übersetzungsverhältnis des Stufenbohrungsdurchmesser vergrößerten Hub macht. Das Ventilglied, der Betätigungskolben, der im Durchmesser größere Kolben und der Piezoaktor liegen auf einer gemeinsamen Achse hintereinander.
Bei solchen Ventilen besteht das Problem, Längenänderungen des Piezoaktors, des Ventils oder des Ventilgehäuses durch den hydraulischen Kopplungsraum, der im folgenden kurz Druckraum genannt wird, auszugleichen. Da der Piezoaktor zum Öffnen des Ventils im Druckraum einen Druck erzeugt, führt dieser Druck auch zu einem Verlust an Druckraum-Flüssigkeit. Um ein Leerpumpen des Druckraumes zu verhindern, ist eine Wiederbefüllung notwendig. Einrichtungen, die dieses Problem lösen, sind zwar bereits bekannt, dabei ist aber weder ein Ventil zur Überwachung der Nachfüllung vorgesehen, noch ist ausgesagt, ob das Vorratsmittel nachlieferbar ist.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß der Druckraum keinen Flüssigkeitsverlust erleidet. Eine nachteilige Längenänderung der Gesamteinrichtung ist damit vermieden, auch wenn der Piezoaktor, das Ventil oder das Gehäuse seine Länge zum Beispiel bei Erwärmung ändert. Des weiteren hat die Einrichtung einen einfachen Aufbau, und es ist eine sichere und zuverlässige Abdichtung geschaffen.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
  • Figur 1 ein Kraftstoffeinspritzventil im Schnitt,
  • Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Druckübersetzers mit Flüssigkeitsnachspeiseventil,
  • Figur 3 eine Einzelheit aus Figur 2 in vergrößertem Maßstab,
  • Figur 4 ein Diagramm der Hübe über der Zeit und
  • Figuren 5 bis 7 drei Diagramme über die Druckverläufe.
    • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
    Das erfindungsgemäße Ventil findet Anwendung bei einem Kraftstoffeinspritzventil, das in wesentlichen Teilen im Schnitt in der Figur 1 wiedergegeben ist. Dieses Einspritzventil weist ein Ventilgehäuse 1 auf, in dem in einer Längsbohrung 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 in das Innere des Einspritzventils, hier den die Ventilnadel 3 umgebenden, unter Einspritzdruck stehendem Kraftstoff gefüllten Ringraum 7 führen und diesen 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 nicht weiter gezeigten Kraftstoffhochdruckspeicher Kraftstoff unter Einspritzdruck zugeführt wird. Dieser hohe Kraftstoffdruck wirkt auch in dem Druckraum 8 und dort auf eine Druckschulter 11, über die in bekannter Weise die Ventilnadel bei geeigneten Bedingungen von ihrem Ventilsitz abgehoben werden kann.
    Am anderen Ende der Ventilnadel ist diese in einer Zylinderbohrung 12 geführt und schließt dort mit ihrer Stirnseite 14 einen Steuerdruckraum 15 ein, der über eine Drosselverbindung 16 ständig mit einem Ringraum 17 verbunden ist, der, wie auch der Druckraum 8, fortwährend mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher in Verbindung steht. Axial führt vom Steuerdruckraum 15 eine Drosselbohrung 19 ab zu einem Ventilsitz 20 eines Steuerventils 21. Mit dem Ventilsitz 20 wirkt ein Ventilglied 22 des Steuerventils 21 zusammen, das in abgehobenem Zustand eine Verbindung zwischen dem Steuerdruckraum 15 und einem Federraum 18 herstellt, der wiederum ständig mit einem Entlastungsraum verbunden ist. In dem Federraum 18 ist eine das Ventilglied 22 in Schließrichtung belastende Druckfeder 23 angeordnet, die das Ventilglied 22 auf den Ventilsitz 20 hin beaufschlagt, so daß in Normalstellung des Steuerventils 21 diese Verbindung des Steuerdruckraumes 15 verschlossen ist. Da die stirnseitige Fläche der Ventilnadel 3 im Bereich des Steuerdruckraumes 15 größer ist als die Fläche der Druckschulter 11, hält derselbe Kraftstoffdruck im Steuerdruckraum, der auch in dem Druckraum 8 vorherrscht, nun die Ventilnadel 3 in geschlossener Stellung. Ist das Ventilglied 22 jedoch abgehoben, so wird der Druck im über die Drosselverbindung 16 abgekoppelten Steuerdruckraum 15 entlastet. Bei der nun fehlenden Schließkraft öffnet die Ventilnadel 3 schnell und kann andererseits in Schließstellung gebracht werden, sobald das Ventilglied 22 wieder in Schließstellung kommt. Von diesem Zeitpunkt an baut sich dann schnell über die Drossel 16 der ursprüngliche hohe Kraftstoffdruck im Steuerdruckraum 15 wieder auf.
    Wie die Figur 2 erkennen läßt, hat das erfindungsgemäße Ventil als Betätiger einen Piezoaktor 24, der über einen hydraulischen Übersetzer 25 mit einem hydraulischen Druckraum 26 an einem Schaft 27 des Ventilgliedes 22 angreift. Der Druckraum 26 wird einerseits von einem Kolben 28 des Piezoaktors 24 begrenzt, andererseits hat er einen Kolben 29 als bewegliche Wand, der mit dem Ventilgliedschaft 27 in Verbindung steht.
    Vom Druckraum 26 aus gesehen ist auf der Rückseite 30 bzw. 31 jedes Kolbens 28 bzw. 29 ein Steuerraum 32 bzw. 33 gebildet, der aktor- bzw. ventilseitig von einer Membran 34 bzw. 35 dicht abgeschlossen ist. Der Druckraum 26 steht bei der Arbeit des Einspritzventils unter hohem Druck, der über die Kolbenführungen der beiden Kolben 28 und 29 einen geringen Leckölstrom in die Steuerräume 32 und 33 bewirkt. Dadurch sind diese Steuerräume 32 und 33 mit Lecköl gefüllt, das aber dem Druckraum 26 wieder zugeführt werden muß, um den hydraulischen Übersetzer 25 auf konstanter Länge zu halten.
    An jeden Steuerraum 32 bzw. 33 ist eine an ihrem anderen Ende mit einer Kugel verschlossene Drosselbohrung 36 bzw. 37 angeschlossen. Die Drosselbohrungen 36 und 37 haben über eine Leckölbohrung 40 Verbindung zu einer nicht dargestellten Niederdruckquelle. Jede Drosselbohrung 36 bzw. 37 ist in Entlastungsrichtung mit einem scharfkantigen Übergang 38 und in Füllrichtung mit einem gerundeten Übergang 39 versehen. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß ein Flüssigkeitsstrom, der eingangsseitig auf den scharfkantigen Übergang 38 trifft, stärker gedrosselt wird als ein Flüssigkeitsstrom, der im Rückfluß über den gerundeten Übergang 39 fließt, was bedeutet, daß ein Abfluß aus den Steuerräumen 32 und 33 mehr behindert wird als ein der Wiederbefüllung des Druckraumes 26 dienender Zufluß.
    Wirkungsweise
    In den beiden Steuerräumen 32 und 33 wird beim Hub der Kolben 28 und 29 über die Restflächen der Membranen 34 und 35 ein Gegendruck erzeugt. Beim Öffnen des Einspritzventils wirkt der Steuerraum 32, und beim Schließen des Einspritzventils wirkt der Steuerraum 33. Gleichzeitig werden in umgekehrter Arbeitsweise die Steuerräume 32 und 33 über die Drosselbohrungen 36 und 37 wieder befüllt. Über die lichte Weite des Drosselbohrungen 36 und 37 sowie über eine entsprechende Auslegung der scharfkantigen bzw. gerundeten Übergänge 38 und 39 kann in den Steuerräumen 32 und 33 der richtige Druck eingestellt werden, der gewährleistet, daß jeweils ein zum Wiederbefüllen des Druckraumes 26 ausreichender Mindestdruck zur Verfügung steht. Damit ist ein gleichbleibendes Volumen in dem Druckraum 26 sichergestellt, womit auch gewährleistet ist, daß beispielsweise durch Erwärmung auftretende Längeveränderungen ausgeglichen werden. Die Figuren 4 bis 7 zeigen zusammenhängende Diagramme, bei denen auf der Abzisse jeweils die Zeit aufgetragen ist. Und diese Zeitwerte sind mit gestrichelten Linien über die Gesamtdarstellung der Figuren 4 bis 7 vergleichend dargestellt.
    In dem Diagramm nach der Figur 4 sind auf der Ordinaten die Hübe des Piezoaktors 24 und des Ventil-Kolbens 29 aufgetragen. Der Piezoaktor-Hub ist kleiner, er erzeugt abhängig von der Übersetzung den größeren Ventilhub.
    Die Figur 5 zeigt anhand einer Druck-Kurve 41 einen anfänglichen großen Druck im Steuerraum 32, der mit dem Piezohub beginnt und dann mit der Bewegung des Ventilkolbens 29 abfällt. Wird der Piezo abgeschaltet und ermöglicht somit einen Rückhub, entsteht bei 42 eine Druckabsenkung bis der Ventilkolben dem Piezo gefolgt ist. Über diese Druckänderung wird die Wiederbefüllung des Steuerraumes 32 durchgeführt.
    Umgekehrte Verhältnisse herrschen dabei - wie das Diagramm nach der Figur 6 belegt - in dem Steuerraum 33. Dort verläuft eine Druckkurve 43 zunächst in ein Tal 44, wo eine Befüllung des Steuerraumes 33 durchgeführt wird. Anschließend folgt eine Druckspitze am Ende des Ventilhubes. Zum Schluß verläuft die Druckkurve 43 im Lecköldruckniveau.
    Schließlich ist in dem Diagramm nach der Figur 7 die Druckübersetzung des hydraulischen Übersetzers 25 dargestellt, die bei großen Hüben auf hohem Niveau liegt und nach der Schaltarbeit des Ventils ein niedrigeres Niveau erreicht.
    Obwohl beim Ausführungsbeispiel zwei Drosselbohrungen 36 und 37 und zwei Steuerräume 32 und 33 beschrieben sind, ist es auch denkbar, diese Einrichtungen nur auf einer Seite des Druckraumes 26 vorzusehen.
    Bezugszahlenliste
    1
    Ventilgehäuse
    2
    Längsbohrung
    3
    Ventilnadel
    4
    Dichtfläche
    5
    Spitze
    6
    -
    7
    Ringraum
    8
    Druckraum
    9
    -
    10
    Druckleitung
    11
    Druckschulter
    12
    Zylinderbohrung
    13
    -
    14
    Stirnseite
    15
    Steuerdruckraum
    16
    Drosselverbindung
    17
    Ringraum
    18
    -
    19
    Drosselbohrung
    20
    Ventilsitz
    21
    Steuerventil
    22
    Ventilglied
    23
    Druckfeder
    24
    Piezoaktor
    25
    hydraulischer Übersetzer
    26
    Druckraum
    27
    Schaft
    28
    Kolben
    29
    Kolben
    30
    Rückseite
    31
    Rückseite
    32
    Steuerraum
    33
    Steuerraum
    34
    Membran
    35
    Membran
    36
    Drosselbohrung
    37
    Drosselbohrung
    38
    Übergang
    39
    Übergang
    40
    Leckölbohrung
    41
    Druckkurve
    42
    Tal
    43
    Druckkurve
    44
    Tal

    Claims (2)

    1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem über einen hydraulischen Übersetzer (25) betätigbaren Ventilglied (22), das von einer Druckfeder (23) in Schließrichtung auf seinen Ventilsitz (20) beaufschlagt ist, wobei der hydraulische Übersetzer (25) einen Druckraum (26) aufweist, der einerseits von einem Kolben (28) eines Piezoaktors (24) begrenzt wird, durch dessen Bewegung eine Druckveränderung im Druckraum (26) entsteht, die andererseits auf einen ebenfalls den Druckraum (26) begrenzenden Kolben (29) des Ventilgliedes (22) einwirkt, durch den das Ventilglied (22) gegen die Kraft der Druckfeder (23) in Öffnungsrichtung verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Rückseite mindestens des einen Kolbens (28 bzw. 29) ein Steuerraum (32 bzw. 33) gebildet ist, der aktor- und/oder ventilseitig von einer Membran (34 bzw. 35) dicht abgeschlossen ist und der mit Lecköl aus dem Druckraum (26) gefüllt ist, und daß in den Steuerraum (32 bzw. 33) eine Drosselbohrung (36 bzw. 37) einmündet, die an eine Niederdruckquelle angeschlossen ist,
    2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselbohrung (36 bzw. 37) in Entlastungsrichtung einen scharfkantigen und in Füllrichtung einen gerundeten Übergang (38 und 39) aufweist.
    EP98123744A 1998-03-28 1998-12-14 Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten Expired - Lifetime EP0947690B1 (de)

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    DE19813983A DE19813983A1 (de) 1998-03-28 1998-03-28 Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten
    DE19813983 1998-03-28

    Publications (3)

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    US (1) US6089529A (de)
    EP (1) EP0947690B1 (de)
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