DE19802495A1 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssig­ keiten gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1. Durch die EP-A-0 477 400 ist ein solches Ventil bereits bekannt. Bei diesem bekannten Ventil ist der Betätigungskolben des Ventilgliedes in einem im Durchmesser kleineren Teil einer Stufenbohrung abdichtend 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 hydraulischen 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 der Stufenbohrungsdurchmesser vergrößerten Weg macht. Das Ventilglied, der Betätigungs­ kolben, der im Durchmesser größere Kolben sowie der Piezo­ aktor sind auf einer gemeinsamen Achse hintereinander angeordnet. Eine solche Bauart beansprucht wegen der zwei Kolben viel Raum. Es wurde deshalb auch schon vorgeschlagen, einen der beiden Kolben durch eine Membran zu ersetzen (EP 0 477 400 A1). Damit ist zwar die Bauhöhe etwas reduziert, aber die bekannte Membran hat wegen ihrer Dicke eine die Arbeit des Ventils störende Hysterese. Andererseits ist aber die Verwendung einer dünneren Membran hier nicht möglich, weil die Membran die hydraulische Kraft völlig allein aufnehmen müßte. Druck und/oder Membranfläche sind damit beschränkt. Darüberhinaus befaßt sich die bekannte Bauart mit dem Problem der Leckage, die bei der Verwendung von Kolben nicht zu vermeiden ist, weil eine Kolbenführung nie 100%ig dicht sein kann.

Das erfindungsgemäße Steuerventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Anordnung weniger Bauraum beansprucht. Außerdem hat die dünnwandige Membran keine Hysterese und kann sehr preis­ wert hergestellt werden und schließlich ist die Leckage auf ein vernachlässigbares Maß reduziert bzw. völlig eliminiert.

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Kraftstoffeinspritz­ ventil im Schnitt, Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Druckübersetzers mit einer aktorseitig vorgesehenen Membran, Fig. 3 eine zweite Bauart mit einer Membranordnung in betätigungskolbenseitigen Einbau und Fig. 4 eine andere Membranbauart, ebenfalls betätigungskolbenseitig eingebaut.

Beschreibung

Das erfindungsgemäße Ventil findet eine bevorzugte Anwendung bei einem Kraftstoffeinspritzventil, das sich in seinen wesentlichen Teilen im Schnitt in der Fig. 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 6 zusammenwirkt, von dem aus Einspritzöffnungen abführen, die das Innere des Einspritzventils, hier den die Ventilnadel 3 umgebenden, mit unter Einspritzdruck stehendem kraftstoffgefüllten Ringraum 7 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 Kraftstoffein­ spritzventil von einem Kraftstoffhochdruckspeicher 9 Kraftstoff unter Einspritzdruck zugeführt wird. Dieser hohe Kraftstoffdruck wirkt auch in den Druckraum 8 und dort auf eine Druckschulter 11, über die in bekannter Weise die Düsennadel bei geeigneten Bedingungen von ihrem Ventilsitz abgehoben werden kann.

Am anderem Ende der Ventilnadel ist diese in einer Zylinder­ bohrung 12 geführt und schließt dort mit ihrer Stirnseite 14 einen Steuerdruckraum 15 ein, der über eine Drosselver­ bindung 16 ständig mit einem Ringraum 17 verbunden ist, der wie auch der Druckraum 8 ständig mit dem Kraftstoffhoch­ druckspeicher in Verbindung steht. Axial führt vom Steuer­ druckraum 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 im abgeho­ benen Zustand eine Verbindung zwischen dem Steuerdruckraum 15 und einem Entlastungsraum 18 herstellt.

Das Ventilglied 22 wird durch eine Druckfeder 24 in Schließ­ richtung, also auf den Ventilsitz 20 hin beaufschlagt, so daß in Normalstellung des Steuerventils diese Verbindung des Steuerdruckraums 15 verschlossen ist. Da die stirnseitige Fläche der Ventilnadel im Bereich des Steuerdruckraums 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 geschlos­ sener Stellung. Ist das Ventilglied 22 jedoch abgehoben, so wird der Druck im Steuerdruckraum 15 entlastet aufgrund der drosselnden Wirkung der Drosselverbindung 16. Bei der nun fehlenden Schließkraft öffnet die Ventilnadel 3 schnell und kann andererseits in Schließstellung gebracht werden, sobald das Ventilglied 22 wieder geschlossen wird. Von diesem Zeitpunkt an baut sich dann schnell über die Drossel 16 der ursprüngliche hohe Kraftstoffdruck im Steuerdruckraum 15 wieder auf.

Das erfindungsgemäße Ventil hat einen Betätiger, der mit einem Druckübersetzer 25 versehen ist. Dieser greift mit einem Betätigungskolben 34 am Ventilglied 22 an und ist andererseits der Betätigungskraft eines nicht näher darge­ stellten Piezoaktors ausgesetzt.

Der Druckübersetzer 25 kann erfindungsgemäß verschiedenartig ausgebildet sein. In der Fig. 2 ist aktorseitig ein Aktor­ kolben 28 vorgesehen, der an seinem unteren Ende mit einer kugelabschnittförmigen Druckfläche 29 versehen ist. An dieser Druckfläche 29 liegt eine dünne Membran 30 satt an und findet somit hier eine vollkommene Abstützung. Außerhalb der Druckfläche 29 ist die Membran 30 mit einer umlaufenden Tigge 31 versehen, um ihr eine Bewegungsmöglichkeit in axialer Richtung zu geben. An ihrem Außenrand 32 ist die Membran 30 zwischen zwei Gehäuseteilen des Ventils dicht und fest eingespannt. Durch eine solche Einspannung und durch ihre großflächige Abstützung am Aktorkolben 28 wird die dünne Membran 30 nur wenig beansprucht. Unter der Membran 30 befindet sich ein flüssigkeitsgefüllter Druckraum 33, den ein Betätigungskolben 34 des Ventilgliedes begrenzt. Die Oberfläche dieses Betätigungskolbens 34 bildet eine zweite Druckfläche 35 des Druckraums 33.

Wirkungsweise des Druckübersetzers

Wenn der Piezoaktor eingeschaltet wird, drückt der Aktor­ kolben 28 über seine gewölbte Druckfläche ganzflächig auf die Membran 30, die satt an ihm anliegt. Deshalb kann die Membran 30 sehr dünnwandig ausgebildet sein, was zudem den Vorteil einer geringen Hysterese hat. Dazu kommt, daß die Membran 30 durchweg die gleiche Wandstärke aufweist, was die Herstellungskosten gering hält. Die gesamte Bewegung der Membran wird von der Sicke 31 aufgenommen, die den freien Bereich, an dem der Druck angreift, nach außen begrenzt. Der Druckraum 33 ist zwischen den beiden Druckflächen 29 und 35 eingespannt und die Druckübersetzung des Druckübersetzers 25 ergibt sich aus deren beiden unterschiedlichen Abmessungen.

Die Fig. 3 zeigt einen Druckübersetzer 36, bei dem eine ebenfalls dünne, mit einer umlaufenden Sicke 37 versehenen Membran 38 an dem unteren Betätigungskolben 39 des Ventilgliedes 22 anliegt, während der Aktorkolben 40 freibleibt. Der Betätigungskolben 39 ist bei dieser Bauart mit einer kugelabschnittförmigen, gewölbten Druckfläche 41 versehen. Ein Übersetzerdruckraum trägt hier die Bezugszahl 42.

Die Arbeitsweise dieser Bauart entspricht der nach der Fig. 2. Hier ist jedoch der weitere Vorteil gegeben, daß eine thermische Ausdehnung des Piezoaktors nicht voll in den Hub der Membran 38 umgesetzt wird, wie es bei der Bauart nach der Fig. 2 der Fall ist.

Eine ebenso vorteilhafte Arbeitsweise hat der Drucküber­ setzer 43, der in der Fig. 4 dargestellt ist. In Abwandlung der Bauart nach der Fig. 3 ist hier eine Druckfläche 44 eines Druckraumes 45, an der eine dünnwandige Membran 46 anliegt, nur schwach gewölbt. Wichtig ist hier aber, daß zwischen einer Mantelfläche 47 eines Aktorkolbens 48 und einer Gehäuse-Bohrungswand 49 ein enger, definierter Ring­ zylinderspalt 50 vorgesehen ist. Ein Betätigungskolben des Ventilgliedes 22 trägt hier die Bezugszahl 51, und eine Membran ist mit der Bezugszahl 52 versehen.

Der in dem. Fig. 4 dargestellte Druckübersetzer 43 hat zwei Funktionen: Erstens Übersetzung des kleinen Hubvermögens des Piezoaktors von 1 bis 1,4 Promille und Fig. 2 thermischer Ausgleich des Aktormoduls. Letzteres aus folgenden Grund: Eine thermische Bewegung am Piezoaktor findet durch eine innere oder äußere Erwärmung statt. Da daß thermische Aus­ dehnungsvermögen des Piezoaktors ein anderes ist als das des Gehäuses, ergibt sich bei einer Erwärmung eine langsame Ausdehnung des Piezoaktors . Diese Verschiebung erzeugt dann im Druckübersetzer 43 einen Druck, der über den Ringzylinderspalt 50 ausgeglichen werden kann.

Claims (7)

1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Ventil­ glied (22), das einen Betätigungskolben (34) aufweist, der von einer Druckfeder (24) in Schließrichtung des Ventil­ gliedes (22) zur Anlage an einen Ventilsitz (20) beauf­ schlagt ist und der eine bewegliche Wand eines Druckraums (33, 42, 45) bildet, der von einem Aktorkolben (28, 40, 48) eines Piezoaktors begrenzt wird, durch dessen Bewegung eine Druckerhöhung im Druckraum (33, 42, 45) erzeugbar ist, durch die der Betätigungskolben (34, 39, 51) gegen die Kraft der Druckfeder (24) in Öffnungsrichtung verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (33, 42, 45) von zwei unterschiedlichen großen Druckflächen (29, 35) begrenzt ist, von denen eine von einer dünnwandigen Membran (30, 38, 46) gebildet ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (30, 38, 46) mittig durch eine Druckfläche (29, 41, 44) abgestützt und außerhalb der Druckfläche (29, 41, 44) mit einer umlaufenden Sicke (31, 37, 52) versehen ist.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (30, 38, 46) durchweg die gleiche Wandstärke aufweist.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (30, 38) zum Druckraum (33, 42) hin gewölbt ist.

5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Druckfläche (29) am Aktorkolben (28) des Piezoaktors vorgesehen ist.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Druckfläche (41, 44) am Betätigungskolben (39, 51) vorgesehen ist.

7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Mantelfläche (47) eines Aktorkolbens (48) und einer Gehäusebohrungswand (49) ein enger, definierter Ring­ zylinderspalt (50) vorgesehen ist.