ES2228394T3 - Dispositivo hidraulico para transmitir el movimiento de un actuador. - Google Patents
Dispositivo hidraulico para transmitir el movimiento de un actuador.Info
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Abstract
Dispositivo para transmitir el movimiento de un actuador (8) a un órgano de ajuste (3) con un elemento de transmisión que genera una unión activa entre el actuador (8) y el órgano de ajuste (3) y que determina una cámara hidráulica (22) y una cámara acumuladora (24), que están llenas de un líquido hidráulico y que están unidas entre sí mediante al menos un intersticio de estrangulación (36, 37), presentando el elemento de transmisión un primer y un segundo elemento de émbolo (21, 23; 121), estando unidos el primer elemento de émbolo (21; 121) fijamente con el actuador (8) y el segundo elemento de émbolo (23) fijamente con el órgano de ajuste (3), estando configurada entre el primer elemento de émbolo (21; 121) y el segundo elemento de émbolo (23) la cámara hidráulica (22) e incluyendo la cámara acumuladora (24) una zona de cámara acumuladora (242, 243) cargada con presión, que está delimitada mediante fuelles metálicos, caracterizado porque los fuelles metálicos forman un sistema de fuellesondulados (25, 26, 125) y están pretensados mediante un elemento de resorte de tal manera que la zona de la cámara acumuladora está cargada con presión y cuya presión es aproximadamente constante.
Description
Dispositivo hidráulico para transmitir el
movimiento de un actuador.
La invención se refiere a un dispositivo
hidráulico para transmitir el movimiento de un actuador a un órgano
de ajuste según el concepto general de la reivindicación 1, en
particular para su utilización en un dosificador de fluidos. Un
dispositivo así, denominado en lo que sigue elemento de transmisión,
se conoce por la DE 197 08 304 A1 y por la US 4858439.
En la técnica de los vehículos automotores se
utilizan cada vez más sistemas de inyección con acumulador, en los
que se trabaja con presiones de inyección muy altas. En estos
sistemas de inyección conocidos por ejemplo bajo la denominación
sistemas "Common-Rail" se aplica combustible
bajo elevada presión en las válvulas de inyección dispuestas en los
cilindros de la máquina de combustión. El proceso de inyección en
los cilindros se activa mediante apertura y cierre de las válvulas
de inyección, siendo controladas las válvulas de inyección mediante
actuadores, que funcionan según el principio electromagnético y,
para lograr elevadas velocidades de maniobra, también según el
principio piezoeléctrico, electroestrictivo o magnetoestrictivo. Los
actuadores de las válvulas de inyección accionan entonces, dado el
caso intercalando una servovávula, una aguja de válvula en la
válvula de inyección.
A una válvula de inyección de combustible de
serie se le formulan en particular las siguientes exigencias:
La aguja de válvula ha de estar dispuesta en la
válvula de inyección, bien sin carga, o bien cargada con una fuerza
dependiente de la presión. Caso de que exista una presión de
combustible creciente en la aguja de la válvula, ha de garantizarse,
para asegurar una estanqueidad suficiente con una presión del
combustible creciente, que la aguja de la válvula presione siempre
fijamente sobre el asiento de la válvula.
Además, la válvula de inyección ha de ser
insensible frente a alargamientos térmicos o inducidos por la
presión. Tampoco debe verse afectada la funcionalidad de la válvula
de inyección por efectos de la fatiga, activados por ejemplo por
procesos de envejecimiento del actuador. Para evitar modificaciones
en la longitud de la válvula de inyección provocados por efectos
térmicos, de la presión o bien de la fatiga, se fabrican usualmente
las agujas de la válvula y los otros elementos de la válvula de
inyección de aceros especiales, que no obstante son muy costosos.
Además, es necesario también cuando se utilizan tales aceros
especiales costosos prever una distancia suficiente entre los
distintos elementos, para poder absorber eventuales alargamientos
entre los elementos. Esta distancia de seguridad necesaria de 3
\mum a 5 \mum se pierde no obstante como carrera útil del
actuador, lo cual, especialmente cuando se utiliza un piezoactuador
que sólo aporta una carrera pequeña, puede dar lugar a problemas al
abrir la aguja de la válvula.
Para no tener que prever intersticio alguno entre
las distintas piezas de la válvula de inyección, se propone en la DE
197 08 304 A1 un elemento hidráulico de transmisión, que transmite
la deflexión del actuador en la válvula de inyección a una columna
de accionamiento de la servoválvula o bien a un eje de guía de la
aguja de la válvula. El elemento de transmisión hidráulico está
configurado entonces esencialmente con forma cilíndrica y presenta
una cámara hidráulica, que queda limitada por una membrana flexible.
Sobre la membrana flexible se apoya la columna de accionamiento de
la servoválvula o bien del eje de guía de la aguja de la válvula.
Desde la cámara hidráulica, un agujero de unión con efecto de
estrangulación conduce a una cámara acumuladora, prevista en el
interior del elemento de transmisión y que está cerrada mediante una
placa de resorte pretensada. Sobre la placa de resorte está
dispuesta en la cámara hidráulica una placa de tapa rígida, que se
apoya en el actuador de la válvula de inyección. La cámara
hidráulica y la cámara acumuladora están llenas de un medio
hidráulico.
En estado de reposo se transmite a través del
agujero de unión la presión del medio hidráulico que reina en la
cámara acumuladora a la cámara hidráulica, con lo que la membrana
flexible siempre se apoya en la columna de accionamiento de la
servoválvula o bien en el eje de guía de la aguja de la válvula,
incluso cuando debido a los efectos térmicos o bien a procesos de
envejecimiento resultan desplazamientos en la disposición de los
distintos componentes en la válvula de inyección de combustible.
Cuando se acciona el actuador, permanece esencialmente invariable la
deflexión de este actuador a través del elemento de transmisión
sobre la columna de accionamiento de la servoválvula o bien el eje
de guía de la aguja de válvula. El agujero de unión entre la cámara
hidráulica y la cámara acumuladora está entonces diseñado de tal
manera que, debido a que los tiempos de mando se encuentran en la
gama de milisegundos, no puede fluir esencialmente ninguna cantidad
de medio hidráulico hacia fuera de la cámara hidráulica hacia la
cámara acumuladora.
No obstante, el elemento de transmisión conocido
por la DE 197 08 304 A1 se caracteriza por una estructura
complicada. Además, con este elemento de transmisión conocido es
difícil asegurar unacompensación de la temperatura a lo largo de
toda la gama de trabajo de la válvula de inyección de combustible de
unos -40ºC a +150ºC. En esta gran gama de temperaturas puede
llegarse a una variación del volumen del medio hidráulico utilizado
en el elemento de transmisión de hasta un 20%. Pero una variación de
volumen tan grande sólo puede dominarse con mucha dificultad en la
estructura prevista en la DE 197 08 304 A1.
Es tarea de la presente invención poner a
disposición un dispositivo hidráulico sin juego para transmitir el
movimiento de un actuador a un órgano de ajuste, que se caracterice
por una elevada fiabilidad para elevadas cargas permanentes y
fuertes oscilaciones de temperatura.
Esta tarea se resuelve mediante un dispositivo
según la reivindicación 1. Otros perfeccionamientos ventajosos se
indican en las reivindicaciones secundarias.
El dispositivo correspondiente a la invención se
caracteriza por un elemento de transmisión que presenta un primer
elemento de émbolo, unido fijamente con un actuador, y un segundo
elemento de émbolo, unido fijamente con un órgano de ajuste, estando
configurada entre el primer elemento de émbolo y el segundo elemento
de émbolo una cámara hidráulica, e incluyendo una cámara acumuladora
unida con la cámara hidráulica mediante un intersticio de
estrangulación, una zona cargada con presión, los límites de cuya
zona están configurados de forma elástica. Esta estructura garantiza
de manera fiable una compensación automática de grandes variaciones
de distancia entre el actuador y el órgano de ajuste, que pueden
venir provocadas por efectos térmicos de presión o de fatiga.
Además, mediante el diseño elástico de una zona de la cámara
acumuladora queda asegurado que el elemento de transmisión conserva
su funcionalidad a lo largo de una amplia gama de temperaturas, en
particular toda la gama de trabajo de una válvula de inyección de
combustible de aprox. -40ºC a 150ºC. El elemento de transmisión
correspondiente a la invención puede además aplicarse tanto en una
válvula de inyección de combustible que abre hacia dentro como en
una que abre hacia fuera. Además, se caracteriza el elemento de
transmisión por una forma constructiva muy compacta, un rendimiento
de transmisión hidromecánica muy elevado y propiedades de
transmisión dinámicas sobresalientes, ya que sólo se necesita una
cámara hidráulica muy pequeña entre el primer y el segundo elemento
de émbolo.
Según la invención, la zona elástica de la cámara
acumuladora está delimitada por un sistema de fuelle ondulado,
preferentemente compuesto por unidades de fuelle metálico. Tales
unidades de fuelle metálico están diseñadas radialmente muy rígidas,
pero muy blandas en dirección axial y pueden de esta manera absorber
de manera fiable variaciones de volumen del líquido hidráulico
contenido en el elemento de transmisión.
Según otra forma constructiva preferente, se
pretensa el actuador mediante un elemento de resorte, que está unido
fijamente con el primer elemento de émbolo del elemento de
transmisión. Mediante este perfeccionamiento puede dimensionarse un
resorte de reposición, que repone el órgano de ajuste a su posición
de partida tras el final del proceso de mando del actuador, tal que
sea muy pequeño, ya que el funcionamiento del resorte de reposición
es apoyado por el movimiento de retraimiento del actuador, que actúa
a través del elemento de transmisión sobre el órgano de ajuste.
Según otra forma constructiva preferente,
mediante la elección adecuada de las relaciones de tamaños entre las
superficies efectivas para la presión del primer elemento de émbolo
y del segundo elemento de émbolo, puede tener lugar una
transformación de la carrera del movimiento del actuador sobre el
órgano de ajuste. Así se logra que también cuando se utiliza un
piezoelemento como actuador se genere una carrera suficiente para
accionar el órgano de ajuste.
La invención se describe a continuación más en
detalle en base a los esquemas. Se muestra en
fig. 1 una válvula de inyección de combustible
que se abre hacia fuera con un elemento de transmisión hidráulico
correspondiente a la invención en una primera forma
constructiva;
fig. 2 una válvula de inyección de combustible
que se abre hacia dentro, con un elemento de transmisión hidráulico
correspondiente a la invención en una primera forma constructiva;
y
fig. 3 una válvula de inyección de combustible
que se abre hacia fuera con un elemento de transmisión hidráulico
correspondiente a la invención en una segunda forma
constructiva;
La válvula de inyección de combustible mostrada
en la figura 1, que se abre hacia fuera en una cámara de combustión
de una máquina de combustión, funciona con combustible que se
encuentra bajo elevada presión. En esta válvula de inyección está
alojada en la parte superior de una carcasa 1 una unidad de
accionamiento, que presenta como pieza esencial un actuador
multicapa piezoeléctrico 8 en técnica de bajo voltaje. Este actuador
multicapa piezoeléctrico 8 está rodeado por un resorte tubular 9,
que está soldado entre una placa de cabecera 10 y una placa de fondo
11, estando pretensado el resorte tubular 9 de tal manera que el
actuador multicapa piezoeléctrico 8 se encuentra bajo una tensión
previa mecánica. La carcasa 1 está unida además con una placa de
fondo 11 de la unidad de accionamiento de manera lo más rígida
posible, preferentemente mediante un cordón de soldadura 12.
El actuador multicapa piezoeléctrico 8 actúa,
cuando el mismo recibe una orden eléctrica a través de sus líneas de
entrada 19, mediante un elemento hidráulico de transmisión sobre el
extremo posterior de una aguja de válvula 3. La aguja de válvula 3
está dispuesta en la parte anterior de la carcasa 1 de la válvula de
inyección en un agujero de paso interior 30 y obtura en estado de
reposo, mediante un plato de válvula 4 dispuesto en el extremo
anterior de la aguja de la válvula 3, un asiento de válvula 2 en la
carcasa 1. El estado de partida de cierre en la válvula de inyección
queda asegurado al respecto mediante un resorte de tobera 5
pretensado, que está unido con la aguja de la válvula 3 mediante un
anillo de sujeción 6 y que oprime el plato de la válvula 4 sobre el
asiento de la válvula 2. Cuando el actuador multicapa piezoeléctrico
8 recibe una señal de mando, la deflexión transmitida por el
elemento de transmisión 3 al extremo posterior de la aguja de la
válvula 3, levanta el plato de la válvula 4 del asiento de la
válvula 2, con lo que el combustible que se introduce en una cámara
de combustible 13 en la carcasa 1 a través de una tubería de entrada
de combustible 7, puede ser inyectado pasando por la aguja de la
válvula 3 en la cámara de combustible de la máquina de
combustión.
Puesto que el combustible se encuentra bajo una
presión muy elevada en la cámara de combustible 13 en la carcasa 1,
esta zona ha de permanecer impermeabilizada de manera fiable frente
a las demás zonas en la carcasa 1 de la válvula de inyección, en
particular frente a la zona de accionamiento. Para la
impermeabilización hermética y para una conducción axial muy suave
de la aguja de la válvula 3 desde la cámara de combustible 13 hacia
la zona en la que se alojan el elemento de transmisión y la unidad
de accionamiento, sirve un fuelle metálico 15. Con la cámara de
combustible 13 limita un saliente 14 con forma anular, que penetra
en el agujero interior 30. En la aguja de la válvula 3 se aloja
además una pieza de conexión 16 con forma anular. Entre la pieza de
conexión 16 de la aguja de la válvula 3 y el saliente 14 anular que
va alrededor en la carcasa 1, está soldado el fuelle metálico 15,
que discurre en paralelo a la aguja de la válvula 3, y que sirve
para la impermeabilización hermética de la cámara de combustible 13
frente a las otras zonas de carcasa en las que se encuentra la
unidad de accionamiento y el elemento de transmisión. Además, la
aguja de la válvula 3 está asegurada mediante el fuelle metálico 15
frente al giro. Esto puede resultar especialmente ventajoso cuando
está alojado en la válvula de inyección de combustible un tope que
limita la carrera para la aguja de la válvula 3.
La utilización del fuelle metálico 15 para la
conducción de la aguja permite una impermeabilización perfecta,
duradera y fiable de la zona de alta presión en la válvula de
inyección frente a las demás zonas. El fuelle metálico 15 soporta,
tal como han mostrado los cálculos y los ensayos, y a pesar del
pequeño espesor de las paredes de por ejemplo 50 \mum hasta 500
\mum, y debido a su muy elevada rigidez radial, presiones muy
elevadas, sin sufrir ninguna deformación irreversible. El fuelle
metálico 15 puede además estar diseñado de manera que, mediante una
suficiente cantidad de ondulaciones, se logre una elevada
flexibilidad axial, es decir, un bajo coeficiente elástico en la
dirección del movimiento de la aguja de la válvula 3, para no
afectar a la deflexión de la aguja de la válvula 3 y para mantener
tan pequeñas como sea posible las fuerzas generadas por las
variaciones de longitud debidas a la temperatura de la zona de paso
de la aguja en la aguja de la válvula 3. Además, mediante la
utilización del fuelle metálico 15 puede evitarse con gran
fiabilidad una fuga de combustible en la guía de la aguja.
La zona de paso de la aguja formada por el
saliente 14 con forma anular, el fuelle metálico 15 y la pieza de
conexión 16, puede además estar perfeccionada de tal manera que las
fuerzas debidas a la presión que actúan sobre la aguja de la válvula
3 se compensen entre sí, con lo que la aguja de la válvula 3 es, en
su conjunto, mantenida libre de esfuerzos. Esto permite diseñar la
válvula de inyección de tal manera que sea posible un comportamiento
en la conexión prácticamente independiente de la presión del
combustible, puesto que las fuerzas de apertura y cierre sólo vienen
determinadas entonces por el actuador multicapa piezoeléctrico 8 y
la fuerza del resorte de tobera 5 pretensado.
Además, la zona de paso de la aguja de la
válvula formada por el saliente 14 con forma anular, el fuelle
metálico 15 y la pieza de conexión 16, puede además estar diseñada
también de tal manera que con una presión del combustible creciente
resulte en la cámara de combustible 13 una fuerza creciente, con la
que el plato de la válvula 4 es oprimido contra el asiento de la
válvula aguja 2. Eligiendo el diámetro hidráulico, que viene
determinado por el saliente 14, el fuelle metálico 15 y la pieza de
conexión 16, existe así la posibilidad de mantener la aguja de la
válvula 3 del inyector de la manera deseada en cuanto a esfuerzos de
presión, es decir, casi libre de esfuerzos de presión,
sobrecompensada o bien subcompensada.
El fuelle metálico 15 dispone además, debido a su
material metálico, de una funcionalidad uniforme en una amplia zona
de temperatura de trabajo. Las propias variaciones de longitud
térmicas del fuelle metálico 15 dan lugar, debido a la baja
constante elástica axial del fuelle metálico 15, sólo a unos
esfuerzos introducidos tan pequeños que son despreciables en la
aguja de la válvula 3 en dirección axial. El fuelle metálico 15
puede además, debido a su efecto mecánico de resorte en dirección
axial, sustituir también total o parcialmente al resorte de tobera
5.
Para transmitir la carrera del actuador multicapa
piezoeléctrico 8 a la aguja de la válvula 3, se prevé un elemento de
transmisión entre la unidad de accionamiento y la aguja de la
válvula 3. Este elemento de transmisión sirve entonces primeramente
como elemento hidráulico de compensación de juego, para excluir todo
juego entre el actuador multicapa piezoeléctrico 8 y la aguja de la
válvula 3. Además, puede realizarse mediante el elemento de
transmisión una transformación de la carrera.
El elemento de transmisión presenta un émbolo
primario 21 y un émbolo secundario 23, que están dispuestos en un
tramo de agujero que limita con el saliente 14 de forma anular en la
carcasa 1. Este tramo de agujero está configurado en dos escalones,
con un primer tramo de agujero 31 más ancho que va a continuación de
la unidad de accionamiento, en el cual se asienta el émbolo primario
21 y un segundo tramo de agujero más pequeño 32 que limita con el
tope 14 de la carcasa 1 y en el que está dispuesto el émbolo
secundario 23. El émbolo primario 21 está configurado esencialmente
de forma cilíndrica y alojado en la placa de cabecera 10 de la
unidad de accionamiento o bien, preferentemente, está unido con ésta
fijamente mediante una soldadura. Preferentemente están compuestos
la placa de cabecera 10 y el émbolo primario por una pieza. El
émbolo secundario 23 está configurado como cilindro hueco e
insertado en el extremo posterior de la aguja de válvula 3, estando
dispuesta la superficie frontal orientada hacia el émbolo primario
21 del émbolo secundario 23 esencialmente en el mismo plano que la
superficie final de la aguja de válvula 3. La aguja de válvula 3 y
el émbolo secundario 23 están unidos entre sí igualmente de forma
preferente mediante una soldadura, pero al menos libres de juego y
de manera lo más rígida posible mecánicamente.
El émbolo primario 21 y el émbolo secundario 23,
están además distanciados entre sí de tal manera que entre las
superficies frontales contrapuestas en la zona de la transición del
primer tramo de agujero 31 al segundo tramo de agujero 32, está
configurada una cámara hidráulica 22. Además, se prevé en el
elemento de transmisión una cámara acumuladora 24 compuesta por dos
partes, que presenta una primera zona de cámara acumuladora 241 en
el agujero interior 30, que viene delimitada por la superficie
frontal inferior del émbolo secundario 23 y mediante la pieza de
conexión 16 del fuelle metálico 15 en la aguja de la válvula 3. Esta
primera zona de cámara acumuladora 241 está conectada mediante un
agujero de unión 223 configurado sin estrangulación en la carcasa 1
con una segunda zona de cámara acumuladora 242, que está dispuesta
en la zona de carcasa 34 que delimita con el primer tramo de agujero
31 alrededor de la unidad de accionamiento. La segunda zona de
cámara acumuladora 242 viene delimitada por dos fuelles ondulados
25, 26, dispuestos concéntricamente uno respecto a otro y un anillo
de presión 27, que a su vez es sostenido por un resorte de presión
28, que se apoya en una placa agujereada 29 en la zona de la carcasa
34. El fuelle ondulado 25 que se encuentra en el interior está
soldado entonces entre la cara interior del anillo de presión 27 y
la cara frontal posterior del émbolo primario 21, que sobresale del
primer tramo de agujero 31. El fuelle ondulado exterior 26 está
soldado en la cara exterior del anillo de presión 27 y a un escalón
de la carcasa 30 que limita con el primer tramo de agujero 31. En el
escalón de la carcasa 30 entre ambos fuelles ondulados 25, 26
desemboca el agujero de unión 223.
La cámara hidráulica 22 y la cámara acumuladora
24 están unidas entre sí mediante un intersticio de estrangulación
36, configurado entre la pared perimetral del émbolo secundario 23 y
la pared interior del segundo tramo de agujero 32, y mediante un
intersticio de estrangulación 37 que está configurado entre la pared
perimetral del émbolo primario 21 y la pared interior del primer
tramo de agujero 31. Además, todo el espacio interior del elemento
de transmisión está lleno de un líquido hidráulico, que se encuentra
bajo una pequeña sobrepresión, generada mediante el resorte de
presión 28, que carga mediante el anillo de presión 27 la segunda
zona de cámara acumuladora 242. Antes de llenar el espacio interior
del elemento de transmisión de líquido hidráulico, se desgasifica
este líquido hidráulico, para soltar las eventuales pequeñas
burbujas de gas existentes en el líquido.
La válvula de inyección con el elemento de
transmisión funciona como sigue:
Para iniciar el proceso de inyección, se carga el
actuador multicapa piezoeléctrico 8 a través de las líneas
eléctricas de entrada 19. Esto da lugar a que el actuador multicapa
piezoeléctrico 8 se desvíe axialmente y mediante la placa de
cabecera 10 desplace el émbolo primario 21 en el tramo de agujero
31.
En el elemento de transmisión, el intersticio de
estrangulación 36 en el émbolo secundario 23 y el intersticio de
estrangulación 37 en el émbolo primario 21, que generan una unión
entre la cámara hidráulica 22 y la cámara acumuladora 24, están
dimensionados de tal manera que durante los tiempos típicos de
control del actuador multicapa piezoeléctrico 8 de 1 a 5 ms sólo
pueda tener lugar un intercambio extremadamente pequeño de líquido
hidráulico entre la cámara hidráulica 22 y la cámara acumuladora 24.
Esto significa que el volumen del líquido hidráulico durante el
tiempo de inyección sólo viene determinado por la compresibilidad
del líquido hidráulico, y que la cámara hidráulica 22 puede de ser
considerada así como émbolo rígido. La constante elástica c de la
cámara hidráulica 22 puede estimarse entonces como sigue
k = -1/V *
\delta
\hskip0.5cmy
\hskip0.5cmV = A*H \Rightarrow dP = -1/(k V) * A dh
- k: Compresibilidad del líquido hidráulico
- V: Volumen de la cámara hidráulica
- P: Presión
- A: superficie de sección de la cámara hidráulica
- h: altura de la cámara hidráulica
con dF = dP/A
\Rightarrow dF -1/(k V) * A^{2}
dh
- F: Fuerza
resulta
c = -dF/dh
\Rightarrow c = A/(k
h)
La igualdad anterior muestra que la constante
elástica c de la cámara hidráulica 22 es tanto más grande cuanto más
pequeña sea su altura y cuanto más grande sea su superficie de
sección efectiva. Los cálculos de simulación han mostrado además que
hay que contar con alargamientos térmicos e inducidos por la presión
de un máximo de 50 \mum. Para poder considerar la cámara
hidráulica 22 como émbolo rígido, la constante elástica c de la
cámara hidráulica 22 ha de encontrarse en la gama de 10^{8} N/m o
mayor. Esto significa que, bajo el supuesto de que la
compresibilidad k del líquido hidráulico sea aprox.
10*10^{-10}m^{2}/N, lo cual corresponde a un valor típico para
un líquido hidráulico, puede lograrse el valor deseado para la
constante elástica c, por ejemplo con una superficie de sección de 1
cm^{2} y una altura de 0,1 cm. El dimensionamiento exacto de la
altura y la superficie de sección de la cámara hidráulica 22 puede
no obstante adaptarse en cada caso a las condiciones en la cámara de
inyección, para lograr una forma constructiva compacta.
Mediante el diseño de la cámara hidráulica 22
como émbolo rígido, se transmite el movimiento del émbolo primario
21, que es activado por el actuador multicapa piezoeléctrico 8,
directamente y con escasas pérdidas al émbolo secundario 23. El
movimiento del émbolo secundario 23 es amortiguado entonces sólo
débilmente por el líquido hidráulico que se encuentra en la primera
zona de la cámara acumuladora 241, puesto que el líquido hidráulico
excedente, debido al rápido aumento de presión en la primera zona de
la cámara acumuladora 241, es impulsado fuera a través del agujero
de unión sin estrangulamiento 223 hacia la segunda zona de la cámara
acumuladora 242. Ambos fuelles ondulados 25, 26 dispuestos
concéntricamente uno respecto a otro, que delimitan la segunda zona
de la cámara acumuladora 242, están diseñados de tal manera que son
radialmente muy rígidos, pero no obstante en dirección axial muy
blandos. Preferentemente se utilizan entonces como fuelles ondulados
fuelles metálicos, que esencialmente se corresponden con el fuelle
metálico 15 de la guía de la aguja. En este lugar es no obstante
igualmente posible la utilización de materiales elastómeros para los
fuelles ondulados 25, 26. Cuando se impulsa líquido hidráulico desde
la primera zona de la cámara acumuladora 241 a través del agujero de
unión 223 hacia la segunda zona de la cámara acumuladora 242, se
expande la segunda zona de la cámara acumuladora 242 contra la
fuerza de retención del resorte de presión 28 que carga sobre el
anillo de presión 27 axialmente en la dirección de la placa de fondo
11 de la unidad de accionamiento.
El movimiento iniciado por el émbolo primario 21
en el émbolo secundario 23, desplaza la aguja de válvula 3 unida con
el émbolo secundario 23 contra la fuerza de reposición del resorte
de tobera 5 hacia abajo, con lo que el plato de la válvula 4 se
levanta del asiento de la válvula 2 y la válvula de inyección se
abre. El desplazamiento longitudinal del actuador multicapa
piezoeléctrico 8 se transforma entonces en un desplazamiento del
émbolo secundario 23 y con ello de la aguja de válvula 3, que se
corresponde con la relación entre las superficies efectivas para la
presión del émbolo primario 21 y del émbolo secundario 23 en la
cámara hidráulica 22. Mediante una coordinación adecuada entre la
superficie del émbolo primario y la superficie del émbolo
secundario, puede ajustarse por ejemplo un aumento de la carrera del
actuador multicapa piezoeléctrico 8 en relación con la carrera de la
aguja de la válvula 3. De esta manera puede asegurarse de manera
fiable que la carrera extremadamente corta del actuador multicapa
piezoeléctrico 8 es suficiente bajo cualquier condición de
funcionamiento de la válvula de inyección para abrir la aguja de la
válvula 3.
El proceso de inyección termina cuando el
actuador multicapa piezoeléctrico 8 se descarga de nuevo a través de
las líneas de entrada eléctricas 19. De esta manera se acorta el
actuador multicapa piezoeléctrico 8 hasta su longitud inicial,
impidiendo el resorte tubular 9 que la piezocerámica llegue a
encontrarse bajo tensión de tracción durante la contracción debido a
los efectos de la inercia de las masas. Puesto que el émbolo
primario 21 está unido mediante la placa de cabecera 10 fijamente
con la unidad de accionamiento, se retrae también mediante la
contracción del actuador multicapa piezoeléctrico 8 el émbolo
primario 21 desde el primer tramo de agujero 31. De esta manera
resulta en la cámara hidráulica 22 durante un breve tiempo una
reducción de la presión que, debido a los tiempos de conexión
extremadamente cortos del actuador multicapa piezoeléctrico 8 y a la
pequeña dimensión del intersticio de estrangulación 36 en el émbolo
secundario 23, no puede compensarse inmediatamente mediante una
fluencia posterior del líquido hidráulico desde la cámara
acumuladora 24 a través de los intersticios de estrangulación 36,
37. Este descenso de presión en la cámara hidráulica 22 en relación
con la presión que existe en la cámara acumuladora 24, da lugar a
una diferencia de presiones, que cae a través de la cara del émbolo
secundario 23 orientada a la cámara hidráulica y de la cara del
émbolo secundario 23 orientada a la primera zona de cámara
acumuladora 241. De esta manera se apoya la reposición de la aguja
de la válvula 3 mediante el resorte de tobera 5, con lo cual se
logra un cierre rápido de la válvula de inyección, lo cual repercute
favorablemente sobre el desarrollo de la combustión.
Mediante el diseño correspondiente a la invención
del elemento de transmisión, es posible además compensar
automáticamente todas las variaciones térmicas de longitud en la
válvula de inyección debidas a los efectos de fatiga de la unidad de
accionamiento o provocadas por la presión. Si por ejemplo se alarga
la aguja de la válvula 3 debido al alargamiento térmico o debido a
la presión de la válvula de inyección en relación con la carcasa 1,
entonces el émbolo secundario 23 es recogido en el segundo tramo de
agujero 32. El intersticio de estrangulación 36 en el émbolo
secundario 23 está dimensionado además de tal manera que durante los
procesos térmicos, que se encuentran en cuanto a tiempo en la gama
de unos segundos hasta varios minutos, puede ser intercambiado
líquido hidráulico a través de los intersticios de estrangulación
36, 37 entre la cámara acumuladora 24 y la cámara hidráulica 22.
Cuando el émbolo secundario 23 se adelanta por lo tanto debido a los
fenómenos térmicos en el segundo tramo de agujero 32, fluye líquido
hidráulico desde la cámara hidráulica 22 a través de los
intersticios de estrangulación 36, 37 hacia la cámara acumuladora 24
hasta que se llegue de nuevo en la cámara hidráulica 22 y en la
cámara acumuladora 24 a un equilibrio de presiones. La compensación
de longitud queda limitada entonces exclusivamente por la altura de
la cámara hidráulica 22.
Para un funcionamiento fiable del elemento de
transmisión es necesaria en particular una impermeabilización
hermética del líquido hidráulico respecto a la cámara de combustible
y a la unidad de accionamiento. Resultan así unas exigencias
elevadas a los fuelles ondulados 25, 26, que por lo tanto están
constituidos preferentemente como fuelles metálicos. Estos fuelles
metálicos están configurados con forma ondulada, ya que de esta
manera se puede lograr una constante elástica axial muy pequeña. La
deformación axial del fuelle metálico mediante una carga de presión
ciertamente no es baja, pero se elimina casi por completo, al igual
que las fuerzas que actúan sobre las diferentes ondulaciones del
fuelle, en su suma a lo largo de todo el fuelle metálico. Como forma
especialmente favorable para las ondulaciones del fuelle se ha
acreditado una geometría compuesta, considerada en su sección
longitudinal, por segmentos semicirculares unidos uno a otro con
tramos intermedios rectos. En relación con una evolución sinusoidal
de las ondulaciones, presentan las paredes compuestas por segmentos
semicirculares tensiones mecánicas inferiores en dirección axial,
con una elevada flexibilidad axial.
El líquido hidráulico en la cámara hidráulica 22
y en la cámara acumuladora 24 se encuentra, tal como se ha indicado,
bajo una pequeña sobrepresión, generada por el resorte de presión
28, que carga el anillo de presión 27 de la segunda zona de la
cámara acumuladora 242. Mediante esta pequeña sobrepresión, cuando
se llena a la vez con líquido hidráulico libre de burbujas el
elemento de transmisión, queda asegurado que los rápidos procesos de
conexión del actuador multicapa piezoeléctrico 8 no dan lugar a
cavitaciones en el líquido hidráulico. El resorte de presión 28
puede estar sustituido también alternativamente, en parte o por
completo, por el efecto de resorte de los fuelles ondulados 25, 26.
Además, existe la posibilidad de prever los intersticios de
estrangulación 36, 37 en cada caso sólo en émbolos secundarios 23 o
en émbolos primarios 21, con lo que tienen lugar un intercambio de
líquido hidráulico entre una de las zonas de la cámara acumuladora
241, 242 y la cámara hidráulica 22. No obstante, pueden estar
previstos también intersticios de estrangulación en el émbolo
primario 21 y en el émbolo secundario 23.
En la figura 1 se representa una válvula de
inyección que se abre hacia fuera. Existe no obstante la posibilidad
de emplear el elemento de transmisión correspondiente a la invención
en una válvula de inyección que se abra hacia dentro. Tal como se
muestra en la figura 2, queda entonces sometida la aguja de la
válvula 3 por parte del resorte de tobera 5 a una tensión de presión
en lugar de a una tensión de tracción, con lo que la aguja de
válvula 3 se asienta en estado de reposo con una punta de aguja
cónica 104 sobre un asiento de válvula cónico 102 en la válvula de
inyección, por debajo del cual está configurado un agujero de
inyección 103 para inyectar combustible en la máquina de
combustión.
La válvula de inyección mostrada en la figura 2
funciona exactamente en contraposición a la válvula de inyección
mostrada en la figura 1. Por razones de seguridad, la válvula de
inyección está diseñada entonces de tal manera que cuando no exista
acción de mando sobre el actuador multicapa piezoeléctrico 8, la
válvula de inyección está cerrada, es decir, la punta de la aguja
102 es oprimida contra el asiento de la válvula 104.
Cuando arranca la máquina de combustión, se
realiza a la vez el mando del actuador multicapa piezoeléctrico 8.
Este se extiende y desliza así el émbolo primario 21 hacia el primer
tramo de agujero 31. El aumento de presión que así resulta en la
cámara hidráulica 22 es compensado a través del intersticio de
estrangulación 36 en el émbolo secundario 23 y el intersticio de
estrangulación 37 en el émbolo primario 21, que se ocupan de un
intercambio de líquido hidráulico con la cámara acumuladora 24. De
esta manera se genera entonces en fracciones de segundo de nuevo un
estado de equilibrio en el que la válvula de inyección sigue
permaneciendo cerrada. La válvula de inyección funciona tal que la
aguja de la válvula 3 abre siempre que el actuador multicapa
piezoeléctrico 8 se descarga y de esta manera retrocede el émbolo
primario 21 y con ello también el émbolo secundario 23, al que está
fijada la aguja de válvula 3.
La figura 3 muestra otra forma constructiva de
una válvula de inyección que se abre hacia fuera, en la que la
presión básica sobre el líquido hidráulico se genera en el elemento
de transmisión mediante un resorte de presión 128 dispuesto
centralmente en el émbolo primario 121. Para ello, el émbolo
primario 121 está configurado en forma de marmita, estando
configurada entre la placa de cabecera 10 y una superficie del fondo
del émbolo primario 121 una tercera zona adicional de cámara
acumuladora 243. El émbolo primario 121 está entonces dispuesto de
tal manera que el mismo se extiende con su superficie de fondo en el
primer tramo de agujero 31. Las paredes laterales del émbolo
primario 21 se encuentran por el contrario esencialmente en la zona
de la carcasa 34, en la que está dispuesta la unidad de
accionamiento.
El resorte de presión 128, dispuesto en la
tercera zona de la cámara acumuladora 243, está soldado entre la
placa de cabecera 10 de la unidad de accionamiento y una placa de
presión 127 que está prevista en la tercera zona de la cámara
acumuladora 243. El resorte de presión queda protegido entonces en
relación con la tercera zona de la cámara acumuladora 243 por un
fuelle metálico 125.
La segunda zona de la cámara acumuladora 242 está
configurada entre la placa de cabecera 10 del actuador multicapa
piezoeléctrico 8 y el escalón de la carcasa 35 alrededor de la pared
del émbolo primario 121. Esta segunda zona de la cámara acumuladora
242 está unida mediante un agujero de unión 136 con la tercera zona
de la cámara acumuladora 243 en el émbolo primario 121. El
funcionamiento del elemento de transmisión mostrado en la figura 3
se corresponde con el elemento de transmisión representado en la
figura 1. Al prever un resorte de presión 128 situado en el
interior, puede no obstante lograrse una elevada presión básica, así
como una forma constructiva dado el caso más compacta del elemento
de transmisión.
En lugar del resorte de presión 128 situado
interiormente, puede cargarse también el volumen delimitado de forma
hermética al gas por el fuelle metálico 125 y la placa de cabecera
10 por un gas de presión, de manera que en lugar del resorte de
presión mecánico 128, se ocupa un resorte de presión de gas del
mantenimiento de la presión básica en las zonas de la cámara
acumuladora 241, 242, 243.
Las particularidades de la invención dadas a
conocer en la anterior descripción, los dibujos y las
reivindicaciones, pueden ser significativos tanto individualmente
como también en cualquier combinación para la realización de la
invención en sus distintas configuraciones.
Claims (11)
1. Dispositivo para transmitir el movimiento de
un actuador (8) a un órgano de ajuste (3) con
un elemento de transmisión que genera una unión
activa entre el actuador (8) y el órgano de ajuste (3) y que
determina una cámara hidráulica (22) y una cámara acumuladora (24),
que están llenas de un líquido hidráulico y que están unidas entre
sí mediante al menos un intersticio de estrangulación (36, 37),
presentando el elemento de transmisión un primer
y un segundo elemento de émbolo (21, 23; 121), estando unidos el
primer elemento de émbolo (21; 121) fijamente con el actuador (8) y
el segundo elemento de émbolo (23) fijamente con el órgano de ajuste
(3), estando configurada entre el primer elemento de émbolo (21;
121) y el segundo elemento de émbolo (23) la cámara hidráulica (22)
e incluyendo la cámara acumuladora (24) una zona de cámara
acumuladora (242, 243) cargada con presión, que está delimitada
mediante fuelles metálicos,
caracterizado porque los fuelles metálicos
forman un sistema de fuelles ondulados (25, 26, 125) y están
pretensados mediante un elemento de resorte de tal manera que la
zona de la cámara acumuladora está cargada con presión y cuya
presión es aproximadamente constante.
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque la zona de cámara
acumuladora (242, 243) cargada con presión es cargada por un resorte
de presión (28) a través de una placa de presión (27; 127).
3. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque la zona de la cámara
acumuladora (242, 243) cargada con presión es cargada por un resorte
de presión de gas.
4. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 3,
caracterizado porque el primer elemento de
émbolo (21; 121) y el segundo elemento de émbolo (23) están
dispuestos en una zona de un agujero interior de la carcasa (1)
configurada en dos escalones, estando distanciados el primer
elemento de émbolo (21; 121) y el segundo elemento de émbolo (23)
entre sí de tal manera que entre las superficies frontales
contrapuestas en la zona de la transición de un primer tramo de
agujero (31) a un segundo tramo de agujero (32) está configurada la
cámara hidráulica (22), siendo transformada la carrera del primer
elemento de émbolo (21; 121) en función de la relación entre las
superficies frontales sobre el segundo elemento de émbolo (23).
5. Dispositivo según la reivindicación 4,
caracterizado porque la cámara acumuladora
(24) está configurada en dos partes, con una primera zona de cámara
acumuladora (241), delimitada por la superficie frontal inferior del
segundo elemento de émbolo (23) y una zona de paso (14, 15, 16) en
el órgano de ajuste (3) y una segunda zona de cámara acumuladora
(242), que está dispuesta en una zona de carcasa (34) que aloja el
actuador y que mediante un agujero de unión (223) está conectada con
la primera zona de cámara acumuladora (241), quedando limitada la
segunda zona de cámara acumuladora (242) por dos fuelles ondulados
(25, 26) dispuestos concéntricos uno respecto a otro y un anillo de
presión (27), sobre el que carga un resorte de presión (28).
6. Dispositivo según la reivindicación 4,
caracterizado porque el primer elemento de
émbolo (121) está configurado con forma de marmita y la cámara
acumuladora (24) está configurada en tres partes, con una primera
zona de cámara acumuladora (241), delimitada por la superficie
frontal inferior del segundo elemento de émbolo (23) y una zona de
paso (14, 15, 16) en el órgano de ajuste (3), una segunda zona de
cámara acumuladora (242), que está configurada en una zona de
carcasa (34) que aloja el actuador (8) alrededor del primer elemento
de émbolo (121) y una tercera zona de cámara acumuladora (243),
configurada en el primer elemento de émbolo (121), estando unida la
primera zona de cámara acumuladora (241) con la segunda zona de
cámara acumuladora (242) mediante un primer agujero de unión (223)
en la carcasa (1) y la segunda zona de cámara acumuladora (242) con
la tercera zona de cámara acumuladora (243) mediante un segundo
agujero de unión (136) en el primer elemento de émbolo (121) y
estando dispuesto en la tercera zona de cámara acumuladora (243) un
resorte de presión (128), que está tensado entre una placa de
cabecera (10) del actuador (8) y una placa de presión (127) y que es
delimitado por un fuelle ondulado (125) o bien un resorte de presión
de gas.
7. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 6,
caracterizado porque el actuador (8) es un
actuador piezoeléctrico multicapa, que es pretensado por un elemento
de resorte (9) y porque el primer elemento de émbolo (21; 121) está
alojado fijamente en una placa de cabecera (10) del actuador
multicapa (8).
8. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 6,
caracterizado porque el actuador funciona
según el principio electroestrictivo o magnetoestrictivo.
9. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 8,
caracterizado porque los fuelles ondulados
(25, 26; 125) son fuelles metálicos, que se componen preferentemente
por segmentos semicirculares con tramos rectos que se encuentran en
cada caso entre los mismos.
10. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 9,
caracterizado porque los fuelles ondulados
(25, 26; 125) están fabricados por un material elastómero.
11. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 10,
caracterizado porque la cámara hidráulica
(22) está diseñada de tal manera que la constante elástica de la
cámara hidráulica (22) es de al menos 10^{8} N/m.
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