DE10003892C2 - Piezoelektrisches Mikroventil, insbesondere zur Kraftstoffeinspritzung bei Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Mikroventil, ins­ besondere zur Kraftstoffeinspritzung bei Verbrennungsmotoren, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Mikroventile werden allgemein benötigt, um definierte Mengen von Flüssigkeiten abzugeben oder weiteren Einrichtungen zuzu­ führen. Beispielsweise werden Brennkraftmaschinen bzw. Ver­ brennungsmotoren mit Kraftstoffeinspritzanlagen betrieben, bei denen der Kraftstoff über Mikroventile in einen Brennraum ein­ gespritzt wird.

In der DE 197 02 066 C2 ist ein piezoelektrischer Injektor für Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen gezeigt, bei dem ein Piezo-Aktuator über einen Druckstift ein Ventil öffnet, so dass Kraftstoff im ausgedehnten Zustand des Piezo- Aktuators aus dem Injektor austreten bzw. in den Brennraum ei­ ner Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Durch eine vorgespannte Druckfeder wird der Piezo-Aktuator zusammenge­ drückt, wenn er sich im nicht geladenen Zustand befindet.

Obwohl Piezo-Injektoren gegenüber elektromagnetischen Injekto­ ren gewisse Vorteile aufweisen, wie z. B. höhere Schnelligkeit, geringerer Bauraum bzw. Injektordurchmesser und höhere Schließkraft, sind sie auch mit grundsätzlichen Nachteilen be­ haftet. Ein Problem liegt z. B. in der relativ geringen Ausdeh­ nung der Piezoelemente, die im allgemeinen bei ca. 1 Promille (‰) liegt. Um die Bewegung einer Ventilnadel von ca. 100 µm zu realisieren braucht man daher einen mindestens 10 cm langen Piezostack bzw. Stapel von Piezoelementen. Daraus ergibt sich eine große Länge des Piezo-Injektors, was diesen unhandlich macht und die Designfreiheit einschränkt. Weiterhin ergeben sich hohe Kosten, da die Piezostacks derzeit die den Preis be­ stimmenden Bauteile von Piezo-Injektoren sind.

Ein weiteres Problem liegt in der hohen Vorspannkraft, die notwendig ist, um derartig lange Piezostacks zusammenzudrüc­ ken. Dies erfordert Federn mit hoher Rückstellkraft bzw. hoher Federkonstante, was den Bauraumbedarf weiter erhöht.

Ein zusätzliches Problem besteht darin, dass der Piezo- Aktuator beim Betrieb Wärme erzeugt, die zu einer thermischen Ausdehnung des Einspritzventils bzw. einzelner Komponenten desselben führt, und die mit zunehmender Länge des Piezo- Aktuators ebenfalls zunimmt. Durch hohe thermische Belastungen und entsprechende Dehnungen kann die Präzision des Ventilhubs beeinträchtigt werden bzw. können Funktionsstörungen auftre­ ten.

Werden andererseits kleine Piezo-Aktuatoren in derartigen Mi­ kroventilen verwendet, so ergibt sich ein zu geringer Hub der Ventilnadel und darüber hinaus eine zu geringe Schließ- bzw. Öffnungskraft des Ventiles. Eine mögliche Lösung, die in der Integration mehrerer Ventile in einem Injektor besteht, ist zu teuer und erfordert zu viel Bauraum.

Um den angesprochenen Nachteilen wenigstens teilweise zu be­ gegnen wird in der US 4 695 034 ein piezoelektrisches Mikro­ ventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgesehen, bei dem mit Hubübersetzung für den Piezo-Aktuator gearbeitet wird, wobei im Übergang vom Aktuator zur Ventilnadel als Hubüberset­ zungsglied ein Hebelelement vorgesehen ist. Dieses umfasst ei­ ne Mehrzahl radialer Hebelarme, die von der Stirnseite eines umschließenden, zylindrischen Ringkörpers ausgehen, der zum Gehäuse derart festgelegt ist, dass die Hebelarme bei film­ scharnierartiger, elastischer Anlenkung gegenüber dem Ringkörper in Hubrichtung verschwenkbar zwischen Piezo-Aktuator und Ventilnadel liegen. Den Hebelarmen sind axial entgegengesetzte Abstützungen in Richtung auf das Ventilglied und in Richtung auf den Piezo-Aktuator in radial zueinander versetzten Berei­ chen zugeordnet, derart, dass die Hebellänge zwischen den ent­ gegengesetzten, gegen das Ventilglied und den Piezo-Aktuator gerichteten Abstützungen größer ist als die Hebellänge zwi­ schen der Abstützung in Richtung auf den Piezo-Aktuator und der axialen Abstützung des bei dieser Lösung zylindrischen Ringkörpers.

Der Ringkörper liegt somit mit seiner Achse im wesentlichen senkrecht zu den Hebelarmen, so dass diese eingebogen werden müssen, wobei die Übergangszone eine scharnierartige Funktion im Hinblick auf die Schwenkbeweglichkeit der Hebelarme mit der Funktion einer axial steifen Abstützung verbinden muß. Daraus ergibt sich eine fertigungstechnisch komplexe Konstruktion, zumal die Hebelarme in sich zwischen den jeweiligen Abstützun­ gen biegesteif gestaltet sind.

Eine weitere Form einer Hebelübersetzung zwischen einem Piezo- Aktuator und einem Ventilglied ist aus der DE 31 16 687 A1 be­ kannt. Bei dieser soll das verwendete Hebelsystem temperatur­ kompensierend arbeiten. Hierfür wird mit einem zweiarmigen He­ bel gearbeitet, der mit dem piezoelektrischen Stellglied, der Hebellagerstütze und dem Träger des zu betätigenden Aggregates auf einer gemeinsamen Basisplatte befestigt ist, wobei, bezo­ gen auf die Basisplatte, die Stütze des Hebellagers, der Trä­ ger und das piezoelektrische Stellglied gleiche Abmessungen aufweisen und aus Materialien gleichen Temperaturverhaltens bestehen sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein piezoelektri­ sches Mikroventil der eingangs genannten Art mit dem zugehöri­ ges Hebelelement zu einer bauraumgünstigen, funktional vor­ teilhaften Gesamtkonstruktion zu vereinen.

Erreicht wird dies gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruches 1, wobei durch die scheibenförmige Ausbildung des Hebelelementes und die Bildung der Hebelarme durch durch ra­ diale Schlitze voneinander getrennte Scheibenzungen eine sehr flach bauende Konstruktion erreicht wird, die günstige Voraus­ setzungen für die Übertragung auch großer Stellkräfte bei gro­ ßen Übersetzungsverhältnissen und einfacher Einbindung in die Konstruktion des Mikroventiles bietet. Letzteres wird dadurch erreicht, dass die Scheibe gegen das Gehäuse und gegen ein im Übergang zum Piezo-Aktuator liegendes Stellelement jeweils zwischen einander gegenüberliegenden Halteringen eingespannt abgestützt wird, die gegenüber dem Stellelement über die Scheibe durchgreifende Halteklammern festgelegt sind. Diese Art der Befestigung ermöglicht die Realisierung geringer ra­ dialer Abstände zwischen den Halteringen, wobei die Halteklam­ mern bevorzugt radial zwischen den Halteringpaaren verlaufen und eine günstige Zusammenfassung von Stellelement und Hebele­ lement ermöglichen.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die die Hebelarme ausge­ hend von einer zentralen Öffnung der Scheibe auf konzentrisch liegende, radial äußere Öffnungen auslaufen und die Übergangs­ bereiche zwischen den Öffnungen die elastischen Anlenkungen für die Hebelarme zum gegenüber dem Gehäuse abgestützten Ring­ körper der Scheibe bilden, da sich so über die Größe der Öff­ nungen der zwischen diesen verbleibende tragende Querschnitt für die jeweiligen Hebelarme festlegen lässt, die sich jeweils als zwischen benachbarten Schlitzen radial nach außen aufwei­ tender Sektor der Scheibe darstellen.

Im Rahmen der Erfindung ist es desweiteren von Vorteil, wenn die Scheibe als Federscheibe ausgebildet ist, wobei durch die Ausgestaltung der Halteringe mit kreisförmigem Querschnitt auch bei Verwölbung der Scheibe noch günstige Spannungsver­ hältnisse in der Scheibe erreicht werden.

In Verbindung mit einer Vorspannung in die eine oder andere Richtung lässt sich das scheibenförmige Hebelelement auch dazu nutzen, die Ventilnadel in Richtung auf ihre Öffnungs- oder Schließstellung zu belasten, so dass zum Piezo-Aktuator über­ lagerte Stellkräfte gegeben sind, die bauraumsparend eine Ver­ kleinerung der Federelemente ermöglichen, die den Piezo- Aktuator in Richtung auf seine unbestromte Ruhelage belasten.

Ergänzend, oder auch unabhängig hiervon kann es zweckmäßig sein, den Piezo-Aktuator zumindest teilweise hydrostatisch vorzuspannen, wobei es auch zweckmäßig ist, das Ventilglied, insbesondere in seiner Ausgestaltung als Ventilnadel hydrau­ lisch in Schließrichtung zu beaufschlagen.

In einfacher Weise lässt sich eine solche hydrostatische Vor­ spannung bzw. Belastung dadurch erreichen, das der Piezo- Aktuator und/oder die Ventilnadel durch die unter Druck ste­ hende Einspritzflüssigkeit beaufschlagt werden, wobei bevor­ zugt die druckbeaufschlagte Fläche des Piezo-Aktuators, die mit Vorteil durch das Stellelement gebildet wird, größer ist als die druckbeaufschlagte Fläche der Ventilnadel.

In Verbindung mit einer derartigen Nutzung der Einspritzflüs­ sigkeit erweist es sich desweiteren auch als zweckmäßig, diese zur Kühlung des Piezo-Aktuators heranzuziehen, wobei sich die damit verbundene Erhöhung der Temperatur der einzuspritzenden Flüssigkeit, insbesondere also des Kraftstoffes auch vorteil­ haft auf die Kraftstoffaufbereitung und Gemischbildung aus­ wirkt.

Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielhaft anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt in schematischer Darstellung durch ein Mikroventil, das eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist,

Fig. 2 eine Ansicht des in dem Mikroventil gemäß Fig. 1 ver­ wendeten Hebelelements,

Fig. 3 eine schematische perspektivische Darstellung in einer teilweisen Explosionsansicht, um den inneren Aufbau des Mikroventils zu verdeutlichen.

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt eines Mikroventiles 10 in einer bevorzugten Ausführungsform. Das Mikroventil 10 hat ein Ven­ tilnadel 20 mit einem Nadelkopf 21, der eine Ventilöffnung 22 verschließt. Die Ventilnadel 20 ist in ihrer Längsrichtung be­ weglich gelagert und gibt bei ihrer Bewegung nach außen die Ventilöffnung 22 frei. Ein Piezo-Aktuator dient zum Antrieb der Ventilnadel 20, wobei ein Stellelement 40 zwischen dem Piezo-Aktuator 30 und der Ventilnadel 20 angeordnet ist, um einen durch den Piezo-Aktuator 30 verursachten Hub auf die Ventilnadel 20 zu übertragen. Zwischen dem Stellelement 40 und der Ventilnadel 20 ist ein mechanisches Hebelelement 50 ange­ ordnet, das das Stellelement 40 an die Ventilnadel 20 koppelt.

Durch das Hebelelement 50 wird eine Hubübersetzung zwischen dem Stellelement 40 und der Ventilnadel 20 verursacht. Bei­ spielsweise bewirkt eine Ausdehnung des Piezo-Aktuators 30, dass sich das Stellelement 40 in Richtung auf die Ventilöff­ nung 22 bewegt und dabei das Hebelelement 50 betätigt, das ei­ ne im Vergleich zur Ausdehnung des Piezo-Aktuators 30 sehr große Auslenkung an seinem mit der Ventilnadel 20 verbundenen Ende erfährt.

Ein strahlformendes Element 23 bildet die axiale Führung für die Ventilnadel 20, welches als Swirlplatte bzw. Drallerzeuger ausgebildet ist, der den Kraftstoff beim Austritt aus der Ven­ tilöffnung 22 in Rotation versetzt und eine besonders gute Zerstäubung des Kraftstoffs bewirkt. Das strahlformende Ele­ ment 23 bzw. der Swirler ist in die Nadelführung integriert bzw. selbst Teil der Nadelführung, so dass der Platzbedarf re­ duziert ist. Die Swirlplatte ist scheibenförmig bzw. kreisförmig ausgestaltet und hat in ihrer Mitte eine durchgehende, kreisförmige Öffnung, durch die sich die Ventilnadel 11 er­ streckt.

Die Ventilnadel 20 hat an ihrem innen gelegenen Ende eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut 24. Das Hebelelement 50 greift mit seinem radial innen gelegenen Ende in die Nut 24 ein und ist dadurch mit der Ventilnadel 20 fest verbunden. Das Hebele­ lement 50 ist als Scheibe ausgestaltet, wobei einzelne Segmen­ te als Hebelarme aus unterschiedlichen radialen Richtungen in die Nut 24 eingreifen. Die Ventilnadel 20 erstreckt sich mit ihrem innen gelegenen Ende durch eine Öffnung 57 in der Mitte der Scheibe, die das Hebelelement 50 bildet und steht durch ihre Nut 24 mit dem Hebelelement 50 in gegenseitigem Eingriff.

Das scheibenförmige Hebelelement 50 ist an seinem äußeren Rand durch zwei äußere Halteringe 51, 52 im Mikroventil 10 fixiert. Der radial außen gelegene Bereich des Hebelelements 50 befin­ det sich zwischen den beiden Halteringen 51, 52 und ist zusam­ men mit diesen in einer Ausnehmung 11 innerhalb des Mikroven­ tils 10 befestigt. Die Ausnehmung 11 ist kreis- bzw. ringför­ mig ausgebildet und erstreckt sich in Umfangsrichtung im Inne­ ren des Mikroventils 10.

Auf beiden Seiten des Hebelelements 50 befindet sich radial weiter innen gelegen jeweils ein innerer Haltering 53, 54, so dass ein radial weiter innen gelegener Bereich des Hebelele­ ments 50 zwischen den beiden inneren Halteringen 53, 54 aufge­ nommen ist. Die beiden inneren Halteringe 53, 54 sind durch Halteklammern 41 am Hebelelement 50 und am Stellelement 40 be­ festigt. Die Halteklammern 41 erstrecken sich vom Stellelement 40 in Längsrichtung des Mikroventils 10 bzw. parallel zur Ven­ tilnadel 20 durch Öffnungen 59 im scheibenförmigen Hebelele­ ment 50 und umschließen von der dem Stellelement 40 abgewand­ ten Seite des Hebelelements 50 den dort gelegenen Haltering 54.

Der zwischen den inneren Halteringen 53, 54 gelegene Bereich des Hebelelements 50 bildet einen Betätigungspunkt 55 für die jeweiligen Hebelarme 63, während der radial weiter außen gele­ gene Bereich des Hebelelements 50, der sich zwischen den äuße­ ren Halteringen 51, 52 befindet, eine kreisförmige, äußere Fi­ xierung 56 des Hebelelements 50 bzw. die Vielzahl von dessen Hebelarmen 63 bildet.

Eine Kraft, die auf das Stellelement 40 in Längsrichtung des Mikroventils 10 wirkt, wird über den inneren Haltering 53, der sich zwischen dem Stellelement 40 und dem Hebelelement 50 be­ findet, auf den Betätigungspunkt 55 übertragen. Der Betäti­ gungspunkt 55 wird nach vorne gedrückt, wodurch die in die Nut 24 eingreifenden Hebelarme die Ventilnadel 20 nach vorne schieben. Dabei wird ein Hebelmechanismus betätigt, der die Ventilnadel 20 öffnet. Wenn die Kraft auf das Stellelement 40 in der entgegengesetzten Richtung wirkt, wird die Ventilnadel 20 geschlossen.

Das Hebelelement 50 ist als elastische Feder ausgestaltet, die sich im Bereich zwischen dem Betätigungspunkt 55 und der Fi­ xierung 56 verbiegt, wenn eine Kraft auf den Betätigungspunkt 55 wirkt. Durch die in ihrem Querschnitt runde Ausgestaltung der Halteringe 51, 52 kann der dort gelegene Bereich der Feder bzw. des Hebelelements 50 über den jeweiligen Haltering 51, 52 abrollen, so dass eine gleichmäßige Verbiegung der Feder er­ folgt. D. h., die Krafteinleitung in die Feder erfolgt über die Halteringe 51, 52, 53, 54, um den jeweiligen Hebelarm 63 zu betätigen.

Der Abstand von der Nut 24, d. h. dem radial innen gelegenen Ende des Hebelelements 50, zum jeweiligen Betätigungspunkt 55 ist groß im Vergleich zum Abstand zwischen dem jeweiligen Be­ tätigungspunkt 55 und der Fixierung 56. Eine Bewegung des Stellelements 40 in axialer Richtung bewirkt somit eine sehr viel größere Bewegung der Ventilnadel 20 in axialer Richtung, wodurch ein Ventilnadelhub erzielt wird, der sehr viel größer ist als der Hub des Stellelements 40. Es erfolgt eine Hubüber­ setzung, die dem Verhältnis der Abstände zwischen dem Ansatz­ punkt des Hebelarmes 63 an der Ventilnadel 20 und dem Betäti­ gungspunkt 55 sowie zwischen dem Betätigungspunkt 55 und der Fixierung 56 entspricht.

Anstatt das Hebelelement 50 über die Nut 24 mit der Ventilna­ del 20 zu verbinden ist es ebenso möglich, hier eine andere Art der Verbindung, wie beispielsweise eine Schraubverbindung oder sonstige Fixierung oder Befestigung vorzusehen, die dem Fachmann geläufig ist. Es ist auch möglich, das Hebelelement 50 starr auszubilden, wobei in diesem Fall jedoch eine schwenkbare Halterung als Fixierung 56 vorgesehen werden muß, die eine Auslenkung der Hebelarme erlaubt.

Bei einer Rückstellung des Hebelelements 50, d. h. bei einer Kraft, die in Schließrichtung, d. h. in Fig. 1 nach links auf das Stellelement 40 wirkt, wird die Kraft über die Halteklam­ mern 41 und über den inneren Haltering 54, der von der Halte­ klammer 41 umschlossen wird, auf das Hebelelement 50 übertra­ gen. Dadurch wird die Ventilnadel 20 zurückgezogen, d. h. der Nadelkopf 21 wird in den Ventilsitz 12 gezogen, der im vorde­ ren Bereich des Mikroventils 10 ausgestaltet ist und die Ven­ tilöffnung 22 bildet.

Das Stellelement 40 ist in axialer Richtung beweglich in einem Führungselement 13 gelagert. Das Stellelement 40 wird durch einen Druckstift oder -stab 44 gebildet, der sich in Längs­ richtung des Mikroventils 10, beziehungsweise in axialer Rich­ tung erstreckt, sowie durch eine scheibenförmige Platte 42, die parallel zum Hebelelement 50, beziehungsweise senkrecht zum Stab 44 ausgerichtet ist. Am äußeren Rand der Platte 42 sind eine Vielzahl der Halteklammern 41 ausgebildet, die ring­ förmig angeordnet sind.

Das Führungselement 13 zum Führen des Stellelements 40 ist ebenfalls ringförmig ausgestaltet und hat auf seiner Innenseite eine treppenförmige Abstufung. Dadurch wird eine Führung sowohl für die Platte 42 mit relativ großem Radius, als auch für den Stab 44 mit relativ kleinem Radius gebildet. Die trep­ penförmige Abstufung im Führungselement 13 bildet einen innen gelegenen Ringraum 13a aus, in dem ein Dichtelement 43, in Form eines O-Rings aus Gummi, angeordnet ist, das den Stab 44 umschließt und zur Abdichtung im Bereich des Führungselements 13 dient. Dadurch kann z. B. kein Kraftstoff aus dem Bereich der Ventilnadel 20 zum Piezo-Aktuator 30 gelangen. Anstatt ei­ nes O-Rings kann die Abdichtung aber auch über eine Membran erfolgen, die beide Räume oder Bereiche voneinander trennt und flexibel ist, um eine Bewegung des Stellelements 40 zu erlau­ ben.

Der Piezo-Aktuator 30 ist durch ein Koppelglied 31 mit dem Stab 44 des Stellelements 40 verbunden. Das Koppelglied 31 um­ fasst einen inneren Bereich 31a zur Kraftübertragung zwischen dem Piezo-Aktuator 30 und dem Stellelement 40 und einen äuße­ ren Bereich 31b zur Führung an einer inneren Wandung 14 des Mikroventils 10. Das Koppelglied 31 ist fest mit dem Stellele­ ment 40 und dem Piezo-Aktuator 30 verbunden, so dass es sich bei einer Ausdehnung bzw. beim Zusammenziehen des Piezo- Aktuators 30 zusammen mit dem Stellelement 40 in axialer Rich­ tung bzw. in Längsrichtung des Mikroventils 10 bewegt.

Das Koppelglied 31 ist stufenförmig ausgestaltet, wobei in seinem radial außen gelegenen Bereich sechs Tellerfedern 32 ringförmig angeordnet sind. Die Tellerfedern 32 befinden sich in vorgespanntem Zustand zwischen dem Führungselement 13 und dem äußeren Bereich 31b des Koppelglieds 31 und drücken somit das Koppelglied 31 gegen eine vordere Fläche 33 des Piezo- Aktuators 30. Dadurch wird der Piezo-Aktuator entgegen seiner Ausdehnungsrichtung zusammengedrückt, wenn er nicht mit Strom bzw. Spannung beaufschlagt wird. Somit wirkt über das Stelle­ lement 40 und das Hebelelement 50 eine Kraft auf die Ventilna­ del 20 in Schließrichtung.

Der Piezo-Aktuator 30 ist aus Piezostacks gebildet und befin­ det sich in einer neutralen Flüssigkeit wie z. B. Öl. Die inne­ re Wandung 14 umschließt den in Öl gelagerten Piezo-Aktuator in Form einer inneren, zylindrischen Hülle. Durch die besonde­ ren Druckverhältnisse im inneren des Mikroventils 10 wird die notwendige Vorspannung durch die Tellerfedern 32 reduziert. Im Betrieb befindet sich der Kraftstoff bzw. die Flüssigkeit, die durch das Mikroventil 10 eingespritzt werden soll, in einem Raum 60, in den sich sowohl die Vorderseite des Stellelements 40, als auch die Rückseite der Ventilnadel 20 erstreckt. Dabei befindet sich die Flüssigkeit bzw. der Kraftstoff im Raum 60 unter Druck, der zum einen auf die Ventilnadel 20 und zum an­ deren auf das Stellelement 40 wirkt. Da die dem Flüssigkeits­ druck ausgesetzte Fläche der Ventilnadel 20 kleiner ist als die dem Flüssigkeitsdruck ausgesetzte Fläche des Stellelements 40, überwiegt insgesamt die Kraft auf das Stellelement 40, so dass die Ventilnadel 20 zurückgezogen wird, um die Ventilöff­ nung 22 zu schließen.

Durch die relativ große Fläche der Platte 42 des Stellelements 40 im Raum 60 staucht der Flüssigkeitsdruck den Piezo-Aktuator 30 und hält so die Ventilnadel 20 im Ventilsitz 12. Durch die­ ses hydraulische Gleichgewicht kann die mechanische Vorspan­ nung des Piezostapels durch die Tellerfedern 32 gering gehal­ ten werden. Aufgrund der reduzierten Vorspannung der Tellerfe­ dern 32 wird ein zusätzlicher Gewinn beim Hub erzielt. Anders ausgedrückt, ein erheblicher Verlust im Hub, der sich aus ei­ ner großen Vorspannung der Tellerfedern 32 ergeben würde, wird vermieden.

Die Einstellung der Rückstellkraft auf den Piezo-Aktuator 30 und der Kraft auf die Ventilnadel 20 erfolgt über das Verhält­ nis der Fläche der Vorderseite der Platte 42 zur Fläche der Rückseite der Ventilnadel 20, wobei die Flächen senkrecht zur jeweiligen Bewegungsrichtung ausschlaggebend sind. Insgesamt wird also eine hydrostatische Vorspannung des Piezo-Aktuators 30 entgegen seiner Ausdehnungsrichtung bewirkt. Gleichzeitig ergibt sich eine Kraft auf die Ventilnadel 20 in Schließrich­ tung, die jedoch geringer ist als die Rückstellkraft auf den Piezo-Aktuator 30.

Die Kraftstoffzufuhr zum Raum 60 und damit zur Ventilöffnung 22 erfolgt über einen oder mehrere Kraftstoffkanäle, die ther­ misch an den Piezo-Aktuator 30 gekoppelt sind. Dadurch wird die vom Piezo-Aktuator 30 im Betrieb erzeugte Wärme über die Flüssigkeit, in der er gelagert ist, auf den daran vorbeiflie­ ßenden Kraftstoff übertragen. Dadurch wird einerseits eine Kühlung des Piezo-Aktuators 30 erzielt, andererseits wird der zur Einspritzung gebrachte Kraftstoff bzw. die einzuspritzende Flüssigkeit vorgewärmt. Der Zufuhrkanal für den Kraftstoff wird durch einen Zwischenraum zwischen der inneren Wandung 14, die den Piezo-Aktuator 30 umschließt, und einer äußeren Wan­ dung 15 gebildet. Die äußere Wandung 15 ist ebenfalls zylin­ drisch ausgestaltet, d. h. sie verläuft parallel zur inneren Wandung 14. Durch diese Kühlung des Piezo-Aktuators 30 auf­ grund des vorbeifließenden Kraftstoffs wird die Zuverlässig­ keit des Mikroventils 10 noch weiter erhöht. Gleichzeitig er­ folgt eine effektivere Verbrennung des Kraftstoffs aufgrund der erfolgten Vorwärmung.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Hebelelements 50 in schematischer Darstellung. Das Hebelelement 50 ist eine Fe­ der, die scheibenförmig ausgestaltet ist. In ihrem Zentrum hat sie eine durchgehende Öffnung 57 zur Aufnahme eines Teilstücks der Ventilnadel 20. Ausgehend von der Öffnung 57 erstrecken sich radial nach außen mehrere Schlitze 58, die jeweils in ei­ ne Öffnung 59 münden. Die Öffnungen 59 sind ringförmig in ei­ nem radial weiter außen gelegenen Bereich der Feder bzw. des Hebelelements 50 ausgebildet. Die radial verlaufenden Schlitze 58 und die ringförmig angeordneten äußeren Öffnungen 59 er­ strecken sich durchgehend durch die Dicke der das Hebelelement 50 bildenden Federscheibe, so dass zwischen jeweils zwei Schlitzen 58 ein Scheibensektor ausgebildet ist, der einen He­ belarm 63 bildet.

Die Öffnungen 59 sind oval gestaltet, wobei ihre jeweilige Ausdehnung in Umfangsrichtung länger ist als ihre Ausdehnung in radialer Richtung. Zwischen jeweils zwei Öffnungen 59 be­ findet sich ein Teilbereich 64 des als Federscheibe ausgebil­ deten Hebelelementes 50, an den sich jeweils integral, d. h. einstückig als Hebelarm 63 ein Scheibensektor anschließt. Ein Randbereich 65 des Hebelelements 50 liegt radial weiter außen als die Öffnungen 59 und bildet somit am äußeren Rand einen Ring, der mit einer Vielzahl von radial weiter innen gelege­ nen, pfeilförmigen Sektoren als Hebelarmen 63 über die Teilbe­ reiche 64 als elastische Anlenkungen einstückig verbunden ist. Die Teilbereiche 64 sind schmal im Vergleich zum radial außen gelegenen Rand des jeweiligen Hebelarmes 63, der sich daran anschließt. Durch die ovale Ausgestaltung der Öffnungen 59 sind die Ränder der Teilbereiche 64 gekrümmt. Zum Zweck der Darstellung der verschiedenen Bereiche sind in Fig. 2 gepunk­ tete Linien eingezeichnet.

Die besondere Ausgestaltung des Hebelelements 50 ermöglicht sehr hohe Frequenzen beim Öffnen und Schließen der Ventilnadel 20, d. h. es werden sehr kurze Schaltzeiten erzielt, die bei­ spielsweise 20 µsec betragen. Das als Federscheibe ausgebilde­ te Hebelelement 50 ist aus Stahl gefertigt, kann aber auch aus anderen Materialien bzw. einer für den jeweiligen Einsatz ge­ eigneten Legierung gefertigt sein.

In dem in Fig. 1 gezeigten Ventil oder Einspritzventil ist das hier gezeigte, als Federscheibe ausgebildete Hebelelement 50 so angeordnet, dass im Randbereich 65 an der Vorderseite und an der Rückseite jeweils ein äußerer Haltering 51, 52 anliegt. Der Randbereich 65 ist als Ringkörper also zwischen den beiden äußeren Halteringen 51, 52 im Mikroventil 10 fixiert.

Die inneren Halteringe 53, 54 (siehe Fig. 1) grenzen an die radial innen gelegenen Seiten der Öffnungen 59 an, so dass sie die in Fig. 2 gezeigten acht Hebelarme 63 zwischen sich aufnehmen. Durch jede der acht Öffnungen 59 erstreckt sich eine der oben besprochenen Halteklammern 41, von denen jeweils ein Ende den dort gelegenen Haltering 54 umschließt bzw. umgreift. Die kreisförmigen Kontakte zwischen den inneren Halteringen 53, 54 und den äußeren Bereichen der acht Hebelarme 63 bilden Angriffspunkte bzw. -flächen, um die Hebelarme 63 senkrecht zur Fläche des Hebelelements 50 auszulenken. Da das Hebelele­ ment 50 in seinem Randbereich 65 durch die äußeren Halteringe 51, 52 fixiert ist, verbiegen sich bei einer Auslenkung der Hebelarme 63 die Teilbereiche 64 elastisch. Durch die Hebelar­ me 63 erfolgt eine Hubübersetzung, so dass bei einer relativ kleinen Bewegung der inneren Halteringe 53, 54 eine relativ große Auslenkung an den radial innen gelegenen Enden der He­ belarme 63 stattfindet. Dadurch erfährt die dort angekoppelte Ventilnadel 20 einen im Vergleich zur ursprünglichen Stellbe­ wegung vergrößerten Hub.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische, teilweise Explosionsdar­ stellung des erfindungsgemäßen Mikroventils. Das Hebelelement 50 befindet sind in einem vorderen Teil des Mikroventils 10. Durch die im Hebelelement 50 befindlichen Öffnungen 59 er­ strecken sich die Halteklammern 41 und umgreifen den auf der Vorderseite des Hebelelements 50 gelegenen inneren Haltering 54. Durch die beiden äußeren Halteringe 51, 52 ist das Hebele­ lement 50 im Mikroventil 10 fixiert. Die einzelnen Hebelarme 63 des Hebelelements 50 stellen die Hubübersetzung zur Ventil­ nadel 20 dar, deren Nadelkopf 21 den Ventilsitz 12 verschließt. Wird die Ventilnadel 20 nach außen gedrückt, so hebt der Nadelkopf 21 vom Ventilsitz 12 ab und Kraftstoff kann z. B. in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Das Führungselement 13 zum Führen der Ventilnadel 20 ist als Drallerzeuger bzw. Swirlplatte ausgestaltet.

Im hinteren Bereich des Mikroventils 10 ist der Piezo-Aktuator 30 angeordnet. Er befindet sich in einer Kammer, die durch die innere Wandung 14 umschlossen wird, in einem Ölbad. An seiner Vorderseite ist der Piezo-Aktuator 30 mit mehreren Tellerfeder 32 kraftschlüssig verbunden, die bei einer Ausdehnung des Piezo-Aktuators 30 aufgrund eines Strom- oder Spannungsimpul­ ses zusammengedrückt werden. Andernfalls erzeugen die Teller­ federn 32 eine Rückstellkraft, um den Piezo-Aktuator 30 entge­ gen seiner Ausdehnungsrichtung zusammenzudrücken.

Das ringförmige Dichtelement 43 dichtet den Raum, in dem sich der Piezo-Aktuator 30 befindet, gegen den im vorderen Bereich des Mikroventils 10 gelegenen Raum 60 ab, in dem sich das He­ belelement 50 und die Ventilnadel 20 befindet. Somit kann kein Kraftstoff von dort zum Piezo-Aktuator 30 gelangen. Das Stel­ lelement 40 verbindet über die Halteklammer 41 und die Halte­ ringe 53, 54 das Hebelelement 50 mit dem Piezo-Aktuator 30.

Bei einer Ausdehnung des Piezo-Aktuators 30 wird das Stellele­ ment 40 entgegen der Federkraft der Tellerfedern 32 und entge­ gen dem Kraftstoffdruck im Bereich der Ventilnadel 20 nach vorne bewegt, wodurch das Hebelelement 50 betätigt wird und eine Auslenkung der Hebelarme 63 nach vorne erfolgt. Dadurch wird die Ventilnadel 20 nach vorne bewegt und der Nadelkopf 21 hebt sich vom Ventilsitz 12 ab. Wenn der Piezo-Aktuator 30 nicht aktiviert ist, wird er zum einen durch die Rückstell­ kraft der Tellerfedern 31 und zum anderen durch den Kraft­ stoffdruck, der von vorne auf das Stellelement 40 wirkt, zu­ sammengedrückt. Dadurch wird die Ventilnadel 20 mittels der Halteklammern 41 und des Halteringes 54 zurückbewegt.

Die Kraftstoffzufuhr erfolgt in Richtung des Pfeils F in Fig. 3 entlang der inneren Wandung 14 in einem Zufuhrkanal, der hier nicht dargestellt ist. Dieser Zufuhrkanal ist z. B. in Form einer weiteren Wandung oder Hülle gebildet, welche von der Wandung 14 beabstandet angeordnet ist, so dass der Kraft­ stoff zwischen diesen beiden Wandungen hindurch in den vorde­ ren Bereich und anschließend zur Ventilnadel 20 gelangen kann. Dadurch kann der an der Wandung 14 vorbeifließende Kraftstoff die vom Piezo-Aktuator 30 erzeugte Wärme aufnehmen und somit eine Kühlung bewirken.

Der hier gezeigte Piezo-Injektor bzw. das erfindungsgemäße Mi­ kroventil 10 ist in der bevorzugten Ausführungsform 50 mm lang und hat einen Durchmesser von 7 mm. Der Piezo-Injektor hat ei­ ne sehr hohe Resonanzfrequenz und damit sehr kurze Schallzei­ ten im Bereich von 20 µsec. Er kann darüber hinaus sehr hohe Drücke, beispielsweise im Bereich von 200 bar und mehr schal­ ten. Zum Öffnen des Mikroventils erfährt der Piezo-Aktuator einen Stromstoß, der z. V. bis zu 50 A bei 150 V Spannung be­ trägt. Der Stromstoß kann z. B. eine Dauer von 15 µsec haben. Der Piezohub erfährt durch das Hebelelement 50 eine Verstär­ kung. Der Kraftstoffzufluss zum Ventilsitz erfolgt durch die Swirlplatte, die zugleich auch die Ventilnadelführung dar­ stellt.

Zum Schließen des Mikroventils 10 erfolgt ein Kontrahieren des Piezostacks bzw. des Piezo-Aktuators 30 beim Entladen. Durch die Halteklammern 41 wird die Ventilnadel 20 zurückgezogen und die Ventilöffnung 22 wird geschlossen.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Mikroventil mit ge­ ringen Abmessungen geschaffen, das sogar mit einer Länge von 50 mm und weniger realisierbar ist. Es können Schaltzeiten mit einer Dauer von weniger als 20 µsec verwirklicht werden. Dabei erfolgt die Auslenkung der Ventilnadel 20 durch den Piezo- Aktuator 30. Der Betriebsdruck beträgt z. B. 200 bar. Der Ven­ tilnadelhub ist größer als die Ausdehnung des Piezo-Aktuators 30, wobei beispielsweise eine 2,5-fache Hubverstärkung folgt. Im hier realisierten Beispiel beträgt der Ventilnadelhub 180 µm. Das erfindungsgemäße Mikroventil hat eine nach außen öff­ nende Düse und bietet die Möglichkeit der Strahlformung durch die Swirlplatte. Der Piezo-Aktuator 30 wird mittels Kraftstoff gekühlt. Insgesamt wird eine hohe Schließ- und Öffnungskraft bei einem vergrößerten Ventilnadelhub ermöglicht. Der notwen­ dige Bauraum ist stark reduziert und es sind lediglich kurze Piezostacks notwendig. Damit kann das Mikroventil sehr preis­ wert hergestellt werden und ist somit für eine Serienfertigung geeignet. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, mehrere Ventile in einem Injektor zu integrieren. Die Form des Hebelelements bzw. das Federdesign würde durch eine Finite-Elemente-Analyse optimiert.

Claims (9)

1. Piezoelektrisches Mikroventil, insbesondere zur Kraftstoff­ einspritzung bei Verbrennungsmotoren, mit
einer Ventilnadel (20), die verschiebbar gelagert ist, zum Öffnen und Schließen einer Ventilöffnung (22);
einem Piezo-Aktuator (30) zum Antrieb der Ventilnadel (20);
einem Hebelelement (50), das als Hubübersetzungsglied für den Piezo-Aktuator (30) in dessen Übergang auf die Ventilnadel (20) liegt;
einem Ringkörper (65) als radial außen liegendem, gehäusefest abgestütztem Randbereich des Hebelelementes (50);
radialen Hebelarmen (63), die einstückig über elastische An­ lenkungen (64) mit dem Ringkörper (65) verbunden sind; und
axial entgegengesetzten Abstützungen (51, 52 bzw. 53, 54) der Hebelarme (63) in Richtung auf die Ventilnadel (20) und in Richtung auf den Piezo-Aktuator (30) in radial zueinander ver­ setzten Bereichen, wobei die Hebellänge zwischen den entgegen­ gesetzt gegen die Ventilnadel (20) und den Piezo-Aktuator (30) gerichteten Abstützungen größer ist als die Hebellänge zwi­ schen der Abstützung in Richtung auf den Piezo-Aktuator (30) und der axialen Abstützung des Ringkörpers (65),
dadurch gekennzeichnet,
dass das Hebelelement (50) als Scheibe mit durch radiale Schlitze (58) voneinander getrennten Hebelarmen (63) ausgebil­ det und gegen das Gehäuse und gegen ein im Übergang zum Piezo- Aktuator (30) liegendes Stellelement (40) jeweils zwischen einander gegenüberliegenden Halteringen (51, 52 bzw. 53, 54) eingespannt abgestützt ist, von denen die zum Stellelement (40) die Abstützung bildenden Halteringe (53, 54) über die Scheibe durchgreifende Halteklammern (41) festgelegt sind.

2. Piezoelektrisches Mikroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteringe (51, 52; 53, 54) Kreisquerschnitt aufwei­ sen.

3. Piezoelektrisches Mikroventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (58) ausgehend von einer zentralen Öffnung (57) der Scheibe auf konzentrisch liegende, radial äußere Öff­ nungen (59) auslaufen und die Übergangsbereiche zwischen den Öffnungen (53) die elastischen Anlenkungen für die Hebelarme (63) gegen den Ringkörper (65) bilden.

4. Piezoelektrisches Mikroventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe als Federscheibe ausgebildet ist.

5. Piezoelektrisches Mikroventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe über ihre Hebelarme (63) in eine ringförmige Nut (24) der Ventilnadel (20) eingreift.

6. Piezoelektrisches Mikroventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezo-Aktuator (30) zumindest teilweise hydrostatisch vorgespannt ist.

7. Piezoelektrisches Mikroventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (20) in Schließrichtung hydraulisch be­ aufschlagt ist.

8. Piezoelektrisches Mikroventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezo-Aktuator (30) und/oder die Ventilnadel (20) druckbeaufschlagt sind, wobei die druckbeaufschlagte Fläche des Piezo-Aktuators (30) größer ist als die druckbeaufschlagte Fläche der Ventilnadel (20).

9. Piezoelektrisches Mikroventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezo-Aktuator zur Kühlung mit einem Zufuhrkanal für die einzuspritzende Flüssigkeit thermisch gekoppelt ist.