DE10101796A1 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, welches einen Piezoaktor (2), einen mechanischen Übersetzer (3) zur Übersetzung des Hubes des Piezoaktors (2), ein Rückstellelement (4) und einen Betätigungskolben (6) zur Betätigung eines Ventilglieds aufweist. Dabei ist der mechanische Übersetzer (3) in Betätigungsrichtung des Piezoaktors zwischen dem Piezoaktor (2) und dem Rückstellelement (4) angeordnet. Somit übersetzt der mechanische Übersetzer (3) in Betätigungsrichtung den Piezoaktorhub und in umgekehrter Richtung die Rückstellkraft des Rückstellelements (4).

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1.

Ventile zum Steuern von Flüssigkeiten sind in unterschied­ lichen Ausgestaltungen bekannt. Dabei wird in jüngster Zeit verstärkt die Verwendung von Piezoaktoren zur Auslösung des Ventils vorgeschlagen. Da die Piezoaktoren einen relativ geringen Hub aufweisen, wurde vorgeschlagen, diesen Hub mittels Übersetzern in eine größere Hubbewegung zu überset­ zen. Dabei können mechanische oder hydraulische Übersetzer verwendet werden. Bei der Verwendung von hydraulischen Übersetzern wurde festgestellt, dass die Steifigkeit von Ventilen mit hydraulischen Übersetzern im Vergleich zu de­ nen mit mechanischen Übersetzern relativ gering ist. Diese geringe Steifigkeit wirkt sich nachteilig auf die Ein­ spritzgenauigkeit des Ventils aus. Im Vergleich mit hydrau­ lischen Übersetzern weisen mechanische Übersetzer eine hohe Steifigkeit auf, jedoch besitzen sie eine relativ hohe An­ zahl von Einzelteilen, so dass ihr Aufbau kompliziert ist. Weiter wird aufgrund der Anzahl der Einzelteile auch ein relativ großer Bauraum für mechanische Übersetzer benötigt, was insbesondere in beengten Motorraumgeometrien nachteilig ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass es einen mechanischen Übersetzer auf­ weist, welcher eine relativ hohe Steifigkeit aufweist, wo­ bei der Übersetzer zwischen dem Piezoaktor und einem Rück­ stellelement angeordnet ist. Dadurch wirkt der Übersetzer in Hubrichtung des Piezoaktors als mechanischer Übersetzer des Piezoaktorhubes und in umgekehrter Richtung als Kraftübersetzer für die Kraft des Rückstellelements. Mit anderen Worten ist der Übersetzer derart ausgebildet, dass er in eine Richtung (der Hubrichtung des Piezoaktors) als Wegübersetzer arbeitet und in die entgegengesetzte Richtung (Rückstellrichtung) als Kraftübersetzer arbeitet. Somit wird die Federkraft zum Rückstellen des Piezoaktors eben­ falls durch den mechanischen Übersetzer übersetzt, so dass eine Feder mit einer deutlich kleineren Kraft und einer deutlich kleineren Federrate eingesetzt werden kann. Da­ durch kann der Aufbau des erfindungsgemäßen Ventils sehr kompakt ausgebildet werden.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Zwi­ schenglied zwischen dem Übersetzer und dem Rückstellelement angeordnet. Somit wird die Rückstellkraft des Rückstellele­ ments zuerst auf das Zwischenglied und anschließend auf den mechanischen Übersetzer übertragen. Dadurch können insbe­ sondere geometrische Vereinfachungen der einzelnen Bauteile des Übersetzers ermöglicht werden.

Vorzugsweise ist das Zwischenglied im Schnitt T-förmig aus­ gebildet. Dabei kann der vorstehende Bereich des T-förmigen Zwischengliedes als Anschlag für das Rückstellelement ver­ wendet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Er­ findung ist das Rückstellelement als Schraubenfeder ausge­ bildet. Bei Verwendung eines T-förmigen Zwischenglieds kann dabei insbesondere der zylinderförmige Stamm des Zwi­ schengliedes in den inneren Hohlbreich der Schraubenfeder eingeführt werden.

Vorzugsweise weist der mechanische Übersetzer Rollkörper zur Übertragung des Piezoaktorhubes auf. Beispielsweise können die Rollkörper als Walzen oder Kugeln ausgebildet sein. Besonderes bevorzugt werden dabei zwei Rollkörper verwendet. Die Verwendung der Rollkörper ermöglicht es, dass der mechanische Übersetzer besonders kompakt ausgebil­ det werden kann, wobei durch die Rollkörper nur geringe Reibungswiderstände auftreten.

Bevorzugt werden die Rollkörper mittels eines Betätigungs­ elements betätigt, welches einen sich verjüngenden Bereich aufweist, der mit den Rollkörpern in Kontakt ist. Dadurch können die Rollkörper an dem sich verjüngenden Bereich des Betätigungselements abrollen, wobei immer nur ein relativ kleiner, punktförmiger Kontaktbereich zwischen dem Betäti­ gungselement und den Rollkörpern vorhanden ist. Besonders bevorzugt ist der sich verjüngende Bereich als Kegel ausge­ bildet.

Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung rollen die Rollkörper über schiefe Ebenen ab, welche in einem Gehäuse des Ventils ausgebildet sind.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten in einem Speichereinspritzsystem zur Ein­ spritzung von Kraftstoff verwendet. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Ventil in einem Common-Rail-System (Die­ sel) oder einem Benzin-Direkt-Einspritzungssystem verwendet werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung nä­ her, erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines er­ findungsgemäßen Ventils zum Steuern von Flüssig­ keiten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein Ventil 1 zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei handelt es sich bei dem in Fig. 1 ge­ zeigten Ventil 1 um ein Steuerventil für ein Kraftstoffein­ spritzventil.

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst das Ventil 1 einen Piezoak­ tor 2, einen mechanischen Übersetzer 3 sowie ein Rückstell­ element 4. Der mechanische Übersetzer 3 weist zwei Walzen 7 auf, welche an einer schiefen bzw. geneigten Fläche 11, die in einem Gehäuse 10 des Ventils 1 gebildet ist, abrollen können. Der Piezoaktor 2 ist über ein Betätigungselement 8 mit dem mechanischen Übersetzer 3 verbunden. An dem zum me­ chanischen Übersetzer 3 gerichteten Ende weist das Betäti­ gungselement 8 einen sich kegelförmig verjüngenden Bereich 9 auf.

Weiter ist zwischen dem mechanischen Übersetzer 3 und dem Rückstellelement 4 ein Zwischenglied 5 angeordnet, welches im Schnitt T-förmig ausgebildet ist. Dadurch kann das Zwi­ schenglied 5 das als Schraubenfeder ausgebildete Rückstel­ lelement 4 aufnehmen und dient somit als Federsitz für die Schraubenfeder 4. Wie in Fig. 1 gezeigt, sind die Schrau­ benfeder 4 und das Zwischenglied 5 in einer im Gehäuse 10 des Ventils 1 vorgesehenen abgestuften Bohrung angeordnet, wobei eine Unterlegscheibe 12 in der Bohrung angeordnet ist, auf welcher die Schraubenfeder 4 lagert. Dadurch kann verhindert werden, dass das Gehäuse durch die Druckkraft der Schraubenfeder 4 beschädigt wird.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist das im Schnitt T-förmige Zwi­ schenglied 5 mit einem Betätigungskolben. 6 verbunden, wel­ cher seinerseits in bekannter Weise beispielsweise über ei­ nen Steuerraum den Injektor eines Kraftstoffeinspritzven­ tils (nicht dargestellt) betätigt.

Die Funktion des erfindungsgemäßen Ventils 1 ist dabei wie folgt:
Wenn der Piezoaktor 2 aktiviert wird, erfolgt eine Vergrö­ ßerung seiner Länge in Richtung des mechanischen Überset­ zers 3. Dieser Piezoaktorhub wird auf das Betätigungsele­ ment 8 übertragen, welches den sich verjüngenden Bereich 9 aufweist. An diesem sich verjüngenden Bereich 9 steht das Betätigungselement 8 mit den beiden Rollkörpern 7 an Punkten X in Verbindung. Weiter bilden die beiden Rollkörper 7 jeweils punktförmige Verbindungsstellen Y, Z mit den schrä­ gen Flächen 11 des Gehäuses 10 sowie dem Zwischenglied 5. Genauer stehen die Rollkörper 7 mit dem Gehäuse 10 an Punk­ ten Y in Verbindung und mit dem Zwischenglied 5 an Punkten Z in Verbindung.

Somit wird der Hub des Piezoaktors 2 über das Betätigungs­ element 8 auf die Rollkörper 7 übertragen, welche durch den sich verjüngenden Bereich 9 des Betätigungselements 8 nach aussen gedrückt werden. Durch die schrägen Flächen 11 am Gehäuse 10 wird diese nach aussen gerichtete Bewegung in eine nach unten gerichtete Bewegung der Rollkörper 7 teil­ weise umgewandelt. Dadurch drücken die beiden Rollkörper 7 auf das Zwischenglied 5, welches somit den Betätigungskol­ ben 6 betätigt. Gleichzeitig wird die Schraubenfeder 4 durch das Zwischenglied 5 zusammengedrückt. Dadurch kann in bekannter Weise eine Ventilnadel am Injektor öffnen und ei­ ne Kraftstoffeinspritzung erfolgen. Somit ist der relativ kleine Hub des Piezoaktors 2 durch den mechanischen Über­ setzer mit einem Übersetzungsverhältnis von A : B übersetzt worden (vgl. Fig. 1).

Wenn der Piezoaktor 2 deaktiviert wird, erfolgt wieder eine Verkürzung des Piezoaktors 2, so dass durch die Rückstell­ kraft der Schraubenfeder der mechanisches Übersetzer 3 sowie das Betätigungselement 8 wieder in ihre Ausgangsposition zurückgestellt werden. Dabei wird die Rückstellkraft der Schraubenfeder 4 über den mechanischen übersetzer 3 im Ver­ hältnis B : A rückübersetzt, wodurch eine Kraftübersetzung der Rückstellkraft erfolgt. Aufgrund dieser Kraftüberset­ zung ist es möglich, dass die Rückstellfeder 4 kleiner als im Stand der Technik ausgebildet werden kann. Somit kann die üblicherweise benötigte hohe Vorspannkraft von 800 bis 1000 N für die Vorspannung des Piezoaktors 2 durch den me­ chanischen Übersetzer 3 mit einer Feder 4 mit kleinerer Fe­ derrate erreicht werden. Je nach Kraftübersetzungsverhält­ nissen B : A ist dabei die Federrate der Schraubenfeder 4 zu wählen. Somit stellt der mechanische Übersetzer 3 in Hubrichtung des Piezoaktors 2 eine Wegübersetzung des Pie­ zoaktorhubes bereit und in entgegengesetzter Richtung, d. h. in Rückstellrichtung des Ventils, eine Kraftübersetzung der Kraft der Schraubenfeder 4 bereit. Somit kann ein besonders kompaktes Ventil, insbesondere ein Steuerventil für Kraft­ stoffeinspritzventile, erhalten werden.

Demnach betrifft die vorliegende Erfindung ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, welches einen Piezoaktor 2, ei­ nen mechanischen Übersetzer 3 zur Übersetzung des Hubes des Piezoaktors 2, ein Rückstellelement 4 und einen Betäti­ gungskolben 6 zur Betätigung eines Ventilglieds aufweist. Dabei ist der mechanische Übersetzer 3 in Betätigungsrich­ tung des Piezoaktors zwischen dem Piezoaktor 2 und dem Rückstellelement 4 angeordnet. Somit übersetzt der mechani­ sche Übersetzer 3 in Betätigungsrichtung den Piezoaktorhub und in umgekehrter Richtung die Rückstellkraft des Rück­ stellelements 4.

Die vorhergehende Beschreibung des Ausführungsbeispiels ge­ mäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfin­ dung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims (10)

1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Piezo­ aktor (2), einem mechanischen Übersetzer (3) zur Übersetzung des Hubes des Piezoaktors (2), einem Rückstellelement (4) und einem Betätigungskolben (6), dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Überset­ zer (3) in Betätigungsrichtung des Piezoaktors zwi­ schen dem Piezoaktor (2) und dem Rückstellelement (4) angeordnet ist, so dass der Übersetzer (3) in Betäti­ gungsrichtung den Hub des Piezoaktors (2) übersetzt und in umgekehrter Richtung die Rückstellkraft des Rückstellelements (4) übersetzt.

2. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenglied (5) zwischen dem Übersetzer (3) und dem Rückstellelement (4) angeordnet ist.

3. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenglied (5) im Schnitt T-förmig ausgebildet ist.

4. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Rück­ stellelement (4) als Schraubenfeder ausgebildet ist.

5. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanischen übersetzer (3) Rollkörper (7) zur Über­ tragung des Hubes des Piezoaktors (2) aufweist.

6. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rollkörper (7) mit­ tels eines Betätigungselements (8) betätigt werden.

7. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (8) einen sich verjüngenden Bereich (9) aufweist.

8. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der sich verjüngende Be­ reich (9) als Kegel ausgebildet ist.

9. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rollkörper (7) über schiefe Flächen (11) abrollen, welche in einem Gehäuse (10) des Ventils ausgebildet sind.

10. Verwendung eines Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Speichereinspritzsystem.