DE4442649A1

DE4442649A1 - Elektrohydraulischer Antrieb

Info

Publication number: DE4442649A1
Application number: DE4442649A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kappel; Randolf Dr Mock
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1994-11-30
Filing date: 1994-11-30
Publication date: 1996-07-18
Anticipated expiration: 2014-12-01
Also published as: DE4442649C2; JPH10509790A; WO1996017165A1; EP0795081A1; US5875632A; EP0795081B1; DE59502365D1

Description

1. Einleitung und Stand der Technik

Das aus /1/ bekannte Einspritzventil enthält einen kompakt aufgebauten Antrieb, der sehr gute dynamische Eigenschaften besitzt und auch bei hohen Betätigungsfrequenzen (f<1kHz) noch zuverlässig arbeitet. Da der Antrieb Ventilöffnungs- und Schließzeiten im Bereich von τ0,1 ms ermöglicht, lassen sich auch kleinste Kraftstoffmengen genau dosiert und re produzierbar in den Brennraum eines Motors einspritzen. Hauptkomponenten des Antriebs sind ein den primären Stellweg erzeugender Piezoaktor und ein hydraulischer Hubtransforma tor, der im wesentlichen aus einem vom Piezoaktor angetriebe nen Druckkolben und einem in einer Druckkolbenbohrung axial verschiebbar gelagerten, mit der Ventilnadel verbundenen Hub kolben besteht. Der in einer der Hydraulikkammern angeordnete Piezoaktor stützt sich gehäuseseitig auf einer Kugelkappenla gerung ab. Diese Maßnahme gewährleistet, daß der Aktor auch bei einer herstellungsbedingten Nichtparallelität seiner End flächen immer ganz flächig am Druckkolben anliegt und keine Hubeinbußen auftreten.

Der Aufbau des bekannten Ventils stellt hohe Anforderungen an die Axialsymmetrie und Maßhaltigkeit der einzelnen Kompo nenten. Insbesondere den mehrfach geführten Hubkolben muß man bis auf wenige um genau fertigen, um ein Verkanten bzw. Klem men zu verhindern. Dies erschwert die Massenproduktion und verteuert die Herstellung des Ventils erheblich.

2. Ziele und Vorteile der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines betriebssicheren elektrohydraulischen Antriebs, der einen kompakten Aufbau be sitzt, innerhalb eines großen Temperaturbereichs arbeitet und gute dynamische Eigenschaften aufweist. Elektrohydraulische Antriebe mit den in den Ansprüchen 1 und 8 angegebenen Merk malen besitzen diese Eigenschaften.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß auch eine vergleichsweise große Dezentrierung ei nes der mehrfach geführten Teile die Funktionsfähigkeit des Antriebs nicht beeinträchtigt. Der Antrieb läßt sich daher mit deutlich weniger Aufwand fertigen und kostengünstiger herstellen.

3. Zeichnungen

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläu tert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 den elektrohydraulischen Antrieb für ein Kraftstoff- Einspritzventil im Schnitt;

Fig. 2 einen aus zwei Teilen bestehenden Hubkolben der Kraft-Wegübersetzung des Antriebs im Schnitt

4. Beschreibung eines Ausführungsbeispiels 4.1 Aufbau und Funktionsweise des elektrohydraulischen An triebs

Die Fig. 1 zeigt im wesentlichen nur die den erfindungsgemä ßen Antrieb betreffenden Komponenten eines schnellen Kraft stoff-Einspritzventils, wie es beispielsweise aus /1/ bekannt oder in der älteren deutschen Anmeldung /2/ näher beschrieben ist. Als Antriebselement enthält das Einspritzventil einen auf einen hydraulischen Hubtransformator DK/HK wirkenden elektromechanischen Aktor P, den man über eine druckdichte Gehäusedurchführung LD mit den erforderlichen Betriebsspan nungen versorgt. Als elektromechanischer Aktor P kommt insbe sondere ein piezoelektrischer Multilayerstack in Betracht, der auch bei moderaten Betriebsspannungen noch vergleichswei se große Primärhübe erzeugt (relative Längenänderungen Δl/l ≈1 × 10^-3; Antriebskraft F = 10² bis 10⁵ N).

Bedingt durch die große mechanische Steifigkeit des pie zoelektrischen Sinterkörpers liegt dessen elektromechanische Resonanz im Bereich von etwa 10 bis 1000 kHz, so daß sich An sprechzeiten von etwa 0,001 bis 0,1 ms prinzipiell erzielen lassen. Die in der Praxis realisierten Ansprechzeiten sind allerdings größer und hängen unter anderem von der elektri schen Ansteuerung und Beschaltung des Piezostacks sowie von der Größe der vom Aktor P angetriebenen Massen ab. Da die elektrische Kapazität des Piezostacks typischerweise im Be reich von etwa Cp = 1 bis 100 µF liegt und der Innenwider stand der dem Aktor zugeordneten Spannungsquelle etwa R_i = 1 Ω beträgt, ergeben sich für die durch τ = Cp × R_i definierte Ladezeitkonstante Werte von etwa τ = 1 bis 100 µs. Die Ansprechzeiten des Piezoaktors P liegen also um 1 bis 2 Größenordnungen unter denen vergleichbarer elektromagneti scher Antriebe, was in Verbindung mit einem kompakten Ventil aufbau und kleinen bewegten Massen extrem kurze Ventilöff nungs- und -schließzeiten ermöglicht.

Um die Einspritzung des Kraftstoffs in den Verbrennungsraum des Motors einzuleiten, wird der Aktor P angesteuert und da durch in axialer Richtung elongiert. Die Längenänderung Δl des Aktors P hat eine entsprechende Verschiebung des in einer zylindrischen Bohrung des Gehäuses VG spielpassend gelagerten Druckkolbens DK nach oben zur Folge, so daß sich in der mit Hydrauliköl gefüllten Kammer KA1 ein Überdruck p₁₁ in den ebenfalls mit Hydrauliköl gefüllten und durch eine Druckkol benbohrung B1 strömungstechnisch miteinander verbundenen Kam mern KA2 und KA3 ein Unterdruck p_2/3 < p₁ aufbaut. Sobald die der Druckdifferenz Δp = p₁ - p_2/3 proportionalen hydrauli schen Kräfte einen von der Steifigkeit und Vorspannung der in der Kammer KA2 angeordneten Spiralfeder SF abhängigen Wert überschreiten, bewegt sich der topfförmige Hubkolben HK in der zylindrischen Druckkolbenbohrung ZY nach unten, hebt da mit die mit ihm verbundene Ventilnadel VN vom Dichtsitz ab und der Einspritzvorgang beginnt.

Beendet wird die Kraftstoffeinspritzung durch die elektrische Entladung des Piezoaktors P. Infolge der damit einhergehenden Kontraktion des Aktors P bewegt sich der Druckkolben DK unter dem Zwang der von einer starken Tellerfeder TF ausgeübten Rückstellkraft wieder in seine Ausgangslage nach unten. Un terstützt durch die Spiralfeder SF und die zwischen den Kam mern KA1 und KA2/KA3 bestehende Druckdifferenz führt der Hub kolben HK eine gegenläufige Bewegung nach oben aus, so daß sich die gedichtet aus dem Gehäuse VG geführte Ventilnadel VN auf den Dichtsitz absenkt und die Einspritzöffnung ver schließt.

Die transiente Arbeitsweise des Antriebs macht es erforder lich, den Piezoaktor P mechanisch vorzuspannen. Die dazu not wendige Kraft erzeugt die in der Kammer KA1 angeordnete Tel lerfeder TF, die auch die Rückführung des Druckkolbens DK in seine Ruhelage unterstützt. Strömungskanäle SK in der Kammer decke sorgen für einen ungehinderten Zu- und Abfluß des Hy drauliköls in das von der Tellerfeder TF und dem Ventilge häuse VG eingeschlossene Volumen.

4.2 Das Ausgleichselement

Um die geforderte Axialsymmetrie des Systems Primärantrieb- Kraft-/Wegübersetzung trotz fertigungsbedingter Toleranzen zu gewährleisten, ist zwischen dem Piezoaktor P und dem Hubtransformator ein sich in einer kegelstumpfförmigen Ver tiefung WL des Druckkolbens DK abstützendes Ausgleichsele ment AE angeordnet. Das die Form einer Kugelschicht aufwei sende Ausgleichselement AE besteht vorzugsweise aus Edelstahl oder einem Chrom-Nickelstahl. Aufgrund seiner polierten Ober flächen kann das Ausgleichselement AE während des Zusammen baus der Hydraulik auf der Piezokeramik frei gleiten und so mit eine nicht konzentrische Ausrichtung von Aktor P und Druckkolben DK kompensieren. Die freie Drehbarkeit des Aus gleichselements AE innerhalb des kegelförmigen Widerlagers WL stellt außerdem sicher, daß der obere Teil des drehgesichert am Gehäuseboden befestigten Piezoaktors P immer ganz flächig am Druckkolben DK anliegt. Für den kraftschlüssigen Kontakt der Teile zueinander sorgt die den Piezoaktor P mechanisch vorspannende Tellerfeder TF.

4.3 Die hydraulische Kraft-Wegübersetzung

Die vom Aktor P angetriebene Kraft-/Wegübersetzung besteht aus zwei gekoppelten hydraulischen Transformatoren, wobei das Übersetzungsverhältnis η₁ des oberen Hubtransformators durch

η₁: = AD1/AH1
AD1: Fläche der Druckkolbenoberseite (1)
AH2: Fläche der Hubkolbenoberseite

das Übersetzungsverhältnis η₂ des unteren Hubtransformators durch

η₁: = AD2/AH2
AD2: Aktorseitige Druckkolbenfläche (2)
AH2: Aktorseitige Hubkolbenfläche

gegeben ist. Gleichung (2) gilt allerdings nur unter der Vor aussetzung, daß der in der Hydraulikkammer KA3 angeordnete Aktor P im elongierten und entladenen Zustand dasselbe Volu men aufweist. Wie der verwendete Piezostack P zeigen auch elektrostriktive und magnetostriktive Aktoren in guter Nähe rung ein solches Verhalten.

Falls der Aktor P eine der Längenänderung Δl proportionale Volumenänderung ΔV erfährt, kann man ihm die effektiv wirksame Aktorfläche AP:= ΔV/Δl zuordnen. In diesem Fall ist das Übersetzungsverhältnis η₂′ des unteren Hubtransformators durch

η₂′: = (AD2-AP)/AH2 (3)

gegeben.

Im Idealfall sollten oberes und unteres Hubübersetzungsver hältnis identisch sein (η₁ = η₂ = η), was sich durch eine entsprechende Auslegung der druckwirksamen Stirnflächen der beiden Kolben DK, HK ohne weiteres erreichen läßt. So ist der Druckkolben DK der in Fig. 1 dargestellten Kraft-/Wegüber setzung stufig ausgeführt (AD1 < AD2), um der durch die Ventilnadel hervorgerufenen Ungleichheit der druckwirksamen Hubkolbenflächen AH1 < AH2 Rechnung zu tragen.

Die hydraulische Kopplung der beiden Hubtransformatoren hat zur Folge, daß sich bei jeder Längenänderung des Aktors P komplementäre Drücke in den Kammern KA1 und KA2/KA3 aufbauen, wobei eine Verschiebung des Druckkolbens DK um Δl eine ent sprechend dem hydraulischen Übersetzungsverhältnis η » 1 vergrößerte gegenläufige Verschiebung des Hubkolbens HK in der Druckkolbenbohrung ZY hervorruft.

Um eine weitgehende Temperaturunabhängigkeit des Antriebs zu gewährleisten, sind die Hydraulikkammern KA1, KA2, KA3 sowohl untereinander als auch über die zwischen den Kolben DK, HK und den entsprechenden Zylinderbohrungen vorhandenen Kapil larspalte KS mit einem unter Überdruck stehenden Ausgleichs volumen AV verbunden. Temperaturbedingte Volumenänderungen des Hydrauliköls können daher weder zur Ausbildung statischer Druckdifferenzen zwischen den Kammern KA1 und KA2/KA3 (dies hätte undefinierte Stellungen des Hubkolbens HK zur Folge), noch zur Ausbildung undefinierter Druckzustände im gesamten System führen. Die über die Gehäusebohrung G1 bewerkstelligte Verbindung der Ringkammer RV mit dem Ausgleichsvolumen AV hat außerdem den Vorteil, daß keine die maximale Betätigungsfre quenz herabsetzende Kavitation im Hydrauliköl auftritt.

Durch Anpassung der Strömungswiderstände der Kapillarspalte an die Viskosität des verwendeten Hydrauliköls läßt sich si cherstellen, daß das Ventil im relevanten Arbeitstemperatur bereich mit der durch das Ansteuersignal vorgegebenen Fre quenz und der gewünschten Dauer absperrt. Um einen großen Strömungswiderstand einzustellen, bietet sich beispielsweise an, die Bohrung G1 im Bereich der Druckkolbendichtfläche vor zusehen. Sie kann prinzipiell aber auch in die ringförmige Kammer RV münden (s. Fig. 1) oder in jedem anderen Bereich des Ventilgehäuses VG angebracht sein, sofern Strömungswider stände in Form von Blenden, Spalten, Drosseln, Verengungen usw. dafür sorgen, daß zwischen den verschiedenen Volumina bzw. Kammern nur vergleichsweise langsame Ausgleichsvorgänge stattfinden. Gegebenenfalls sind die Kammern soweit gegenein ander abzudichten, daß man die geforderten Absperrzeiten erreicht und die Temperaturunabhängigkeit des Antriebs wei terhin gewährleistet ist. Eine temperaturabhängige Steuerung der Spaltströmungen ist möglich, wenn man das Ventilgehäuse VG und die Einbauten (Druckkolben DK, Hubkolben HK) aus Materialien mit unterschiedlichen thermischen Volumen- /Längenausdehnungskoeffizienten herstellt. Es kann damit er reicht werden, daß sich die Spaltbreiten mit zunehmender Tem peratur verringern, was den Strömungswiderstand entsprechend erhöht. Temperaturgesteuerte Strömungswiderstände lassen sich selbstverständlich auch als diskrete Bauelemente fertigen und in die entsprechenden Bohrungen G3 oder Zuleitungen einbauen.

Der erfindungsgemäße Antrieb weist eine Reihe von Vorteilen auf. So erlaubt der Antrieb ein symmetrisches kavitations freies Schalten mit sehr kurzen Schaltzeiten, äußerst gerin gen Totzeiten und hohen Betätigungsfrequenzen. Weiterhin zeichnet sich der Antrieb aufgrund seines vergleichsweise einfachen und kompakten Aufbaus und des großen Arbeitstempe raturbereichs durch eine hohe Betriebszuverlässigkeit aus.

Hierzu trägt auch der Umstand bei, daß der Aktor P hermetisch gekapselt in einer der Hydraulikkammern KA3 angeordnet ist. Eine gute Ableitung der erzeugten Wärme und ein optimaler Schutz gegen Umwelteinflüsse sind daher gewährleistet. Der Antrieb ist auch weitgehend abgeschlossen, da man die elek trischen Anschlüsse L des Aktors P durch ein druckdichtes, elektrisch isolierendes Element LD nach außen führt.

5. Beschreibung eines zweiten Ausführungsbeispiels

Der Hubkolben der in Fig. 2 dargestellten Kraft-/Wegüberset zung besteht aus zwei Teilen HK1, HK2, wobei der topfartig ausgebildete, ventilnadelseitig offene und auf der Feder SF aufliegende äußere Teil HK1 mit enger Toleranz in der Druck kolbenbohrung ZY geführt ist. Hierin stützt sich der eben falls topfförmige und aktorseitig offene innere Hubkolbenteil HK2 ab. Eine Schraube S verbindet den quer zur Hubrichtung verschiebbaren inneren Teil HK2 mit der Ventilnadel VN. Beide Teile können auch verlötet oder verschweißt sein.

Die horizontale Verschiebbarkeit des inneren gegenüber dem in der Bohrung ZY geführten äußeren Hubkolbenteil gewährleistet, daß eine im System Druckkolben/Hubkolben vorhandene Exzentri zität weitgehend ausgeglichen wird. Im nicht angesteuerten Zustand sorgt die in der Kammer KA2 angeordnete Feder SF für einen kraftschlüssigen Kontakt der beiden Hubkolbenteile HK1/2, wobei sich die Ventilnadel VN auf dem Ventilsitz ab stützt. Auch bei einer Auslenkung des Druckkolbens DK bleibt der kraftschlüssige Kontakt erhalten, da das Hydrauliköl auf den inneren Teil HK2 eine größere Kraft ausübt als auf die dem äußeren Teil HK1 zugeordnete Ringfläche (A₂ < A₁). Die beiden mit AS bezeichneten Anschläge begrenzen die Auslenkung des äußeren Hubkolbenteils AK2 nach unten. Eine am Boden des äußeren Hubkolbenteils HK1 vorhandene Drossel ermöglicht den Flüssigkeitsaustausch zwischen den beiden Kammern KA2/KA4 (Kompensation von Temperatureffekten; s. Abschnitt 4.2).

6. Literatur

/1/ DE 43 06 073 C1
/2/ DE 44 06 522

Claims

1. Elektrohydraulischer Antrieb mit den folgenden Merkmalen:

- In einem mit einem Hydraulikmedium gefüllten Gehäuse (GH) sind ein Aktor (P) und ein Hubtransformator (DK, HK, AE) angeordnet, wobei sich die Länge des Aktors (P) steuerbar ändern läßt;
- der Hubtransformator enthält einen in einer Gehäusebohrung axialverschiebbar angeordneten ersten Kolben (DK) und ei nen auf ein Federelement (SF) und ein Stellelement (VN) wirkenden zweiten Kolben (HK);
- der vom Aktor (P) angetriebene erste Kolben (DK) besitzt eine axiale Bohrung (ZY), in der sich der zweite Kolben (HK) gegenläufig zum ersten Kolben (DK) bewegt,

dadurch gekennzeichnet,

- daß zwischen dem Aktor (P) und dem Hubtransformator (DK, HK) ein kugelschichtförmiges, sich in einer aktorseitigen Vertiefung (WL) des ersten Kolbens (DK) abstützendes Aus gleichselement (AE) angeordnet ist.

2. Elektrohydraulischer Antrieb nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine sich in Richtung des zweiten Kolbens (HK) verjüngende Vertiefung (WL).

3. Elektrohydraulischer Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine kegelstumpfförmige Vertiefung (WL).

4. Elektrohydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aktorseitige Vertiefung (WL) in die axiale Bohrung (ZY) des ersten Kolbens (DK) mündet.

5. Elektrohydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine von dem zweiten Kolben (HK), der axialen Bohrung (ZY) und dem Ausgleichselement (AE) gebildete erste Hydrau likkammer (KA2) mit einer den Aktor (P) aufnehmenden zweiten Hydraulikkammer (KA3) strömungstechnisch verbunden ist.

6. Elektrohydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kolben (DK) stufig ausgeführt ist.

7. Elektrohydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (SF) in der ersten Hydraulikkammer (KA2) angeordnet ist.

8. Elektrohydraulischer Antrieb mit den folgenden Merkmalen:

- In einem mit einem Hydraulikmedium gefüllten Gehäuse (GH) sind ein Aktor (P) und ein Hubtransformator (DK, HK, AE) angeordnet, wobei sich die Länge des Aktors (P) steuerbar ändern läßt;
- der Hubtransformator enthält einen in einer Gehäusebohrung axialverschiebbar angeordneten ersten Kolben (DK) und ei nen auf ein Federelement (SF) und ein Stellelement (VN) wirkenden zweiten Kolben (HK);
- der vom Aktor (P) angetriebene erste Kolben (DK) besitzt eine axiale Bohrung (ZY), in der sich der zweite Kolben (HK) gegenläufig zum ersten Kolben (DK) bewegt,
- der zweite Kolben (HK) besteht aus einem topfförmigen, in Richtung des Stellelements (VN) offenen ersten Teil (HK1) und einen topfförmigen, aktorseitig offenen zweiten Teil (HK2), wobei der auf das Stellelement (VN) wirkende zweite Teil (HK2) kraftschlüssig und quer zur Hubrichtung ver schiebbar auf dem Boden des ersten Teils (HK1) angeordnet ist.

9. Elektrohydraulischer Antrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein topfförmiges Ende des Stellelements (VN) den zweiten Teil des zweiten Kolbens (HK) bildet.

10. Elektrohydraulischer Antrieb nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil (HK2) mit dem Stellelement (VN) ver schraubt oder verlötet ist.

11. Elektrohydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil (HK2) eine als Drossel wirkende Bohrung (DR) aufweist.