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Title:
VALVE FOR CONTROLLING LIQUIDS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2001/038720
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a valve for controlling liquids, comprising a first valve element (6), which controls the impingement of a pressure upon a high-pressure chamber (15), a control element (3), which controls the actuation of the first valve element (6) and a second valve element (8), which controls the impingement of a pressure upon a valve member (26). According to the invention, the control element (3) is configured as a piezo actuator and also controls the actuation of the second valve element (8).

Inventors:
BOECKING FRIEDRICH (DE)
Application Number:
PCT/DE2000/004146
Publication Date:
May 31, 2001
Filing Date:
November 23, 2000
Export Citation:
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Assignee:
BOSCH GMBH ROBERT (DE)
BOECKING FRIEDRICH (DE)
International Classes:
F02M45/04; F02M45/06; F02M45/08; F02M47/02; F02M47/04; F02M57/02; F02M59/10; F02M59/46; F02M47/00; F02M61/20; F02M63/00; F02M63/02; F02M63/04; F16K31/00; (IPC1-7): F02M45/04; F02M45/06; F02M45/08; F02M47/04; F02M57/02; F02M59/46; F02M59/10; F16K31/00
Foreign References:
DE19726604A11998-01-02
DE19742320A11999-04-01
US5241935A1993-09-07
EP0477400A11992-04-01
US5738071A1998-04-14
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Claims:
Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten Ansprüche
1. Ventil (1) zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem ersten Ventilelement (6), welches die Druckbeaufschlagung eines Hoch druckraumes (15) steuert, mit einem Steuerelement (3), welches die Betätigung des ersten Ventilelementes (6) steuert, und mit einem zweiten Ventilelement (8), welches die Druckbeaufschlagung eines Ventilgliedes (26) steuert, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (3) als Piezoaktor ausgebildet ist und zusätz lich die Betätigung des zweiten Ventilelementes (8) steuert.
2. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Ventilelement (6, 8) in Reihe geschaltet sind.
3. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten und zweiten Ven tilelement (6,8) ein Spalt (hv) vorgesehen ist.
4. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der An sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Ventilelement (6) und dem Hochdruckraum (15) ein erster Steuer raum (11) angeordnet ist, welcher durch Druck von einem Steuer rail (10) beaufschlagbar ist.
5. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 4, da durch gekennzeichnet, daß der erste Steuerraum (11) eine Durck übersetzung vom Steuerrail (10) zum Hochdruckraum (15) durchfüh ren kann.
6. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Steuerraum (11) mit ei nem durch das Ventilelement (6) zu öffnenden bzw. verschließba ren Leckölkanal (22) verbunden ist.
7. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zweitem Ventilelement (8) und Ventilglied (26) ein zweiter Steuerraum (19) angeordnet ist, welcher durch Druck von dem Steuerrail (10) beaufschlagt ist.
8. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Steuerraum (19) mit einer Auslaßdrossel (21) verbunden ist, welche durch das zweite Ventilelement (8) geöffnet bzw. geschlossen wird.
9. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuer rail (10) mit einer dezentralen Steuerdruckpumpe verbunden ist.
10. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Steuerraum (11) und/oder der zweite Steuerraum (19) als hy draulischer Übersetzer ausgebildet ist/sind.
Description:
Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten Stand der Technik Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssig- keiten gemäß der Gattung des Patentanspruches 1.

In der EP 0 477 400 Al ist ein heute übliches Ventil be- schrieben. Dort ist in einer Stufenbohrung des Ventilgehäu- ses ein Betätigungskolben des Ventilgliedes in einen Teil der Stufenbohrung mit kleinem Durchmesser verschiebbar ange- ordnet. Ein durch einen Piezoaktor bewegbarer größerer Kol- ben ist in einem Teil der Stufenbohrung mit größerem Durchmesser angeordnet. Zwischen den beiden Kolben ist ein mit einem Druckmedium gefüllter hydraulischer Druckraum ausgebildet, so daß eine hydraulische Übersetzung einer Bewegung des Piezoaktors erfolgt. D. h., wenn der größere Kolben durch den Piezoaktor um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird, macht der Betätigungskolben des Ventilgliedes einen um das Übersetzungsverhältnis der Kolbendurchmesser vergrößerten Hub, da der Kolben des Piezoaktors eine größere Fläche als der Betätigungskolben des Ventilgliedes aufweist.

Dabei liegen das Ventilglied, der Betätigungskolben des Ventilglieds, der durch den Piezoaktor bewegte Kolben und der Piezoaktor auf einer gemeinsamen Achse hintereinander.

Ferner ist aus der gattungsbildenden Druckschrift US 5,738,071 ein hydraulisch betätigter Kraftstoffinjektor mit

einem Injektorgehäuse bekannt, welcher einen Hydraulikfluideinlaß sowie eine Nadel-Steuerkammer aufweist.

Eine hydraulische Einheit innerhalb des Injektors führt Kraftstoff dem Injektorgehäuse unter Druck zu. Die Hydraulikeinheit umfaßt ein elektromagnetisch betätigtes Steuerventil für das Hydraulikfluid und kann den Hydraulikfluideinlaß öffnen und schliessen. Ein Nadelventilelement umfaßt eine dem Druck der Nadel- steuerkammer ausgesetzte hydraulische Schließfläche. Zusätz- lich ist ein den Elektromagneten einsetzendes Nadelsteuer- ventil vorgesehen, welches im Injektorgehäuse montiert ist und die Nadelsteuerkammer mit einer Hochdruckfluidquelle verbinden bzw. davon absperren kann. Hierbei ermöglicht das langsame Ansprechverhalten des Hydraulikfluid-Steuerventils eine direkte Steuerung des schnell ansprechenden Nadelven- tils durch den einzig eingesetzten schnell wirkenden Elek- tromagneten.

Dieses System ist jedoch insofern nachteilig, als nur die Steuerdruckseite gesteuert wird. D. h., um bei einem solchen System, das einen hohen Wirkungsgrad darstellt und den Hoch- druck nur sehr lokal erzeugt, eine kleine Voreinspritzmenge darstellen zu können, ist ein zweites Steuerelement auf der Hochdruckseite nötig. Zwei derartige Steuerelemente sind je- doch in der Energiebilanz des Steuergeräts sehr kritisch an- zusehen.

Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Ventil mit den kennzeichnenden Merkma- len des Patentanspruches 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Ansteuerung der beiden Steuerelemente durch den Piezoaktor nur einmalig dem System Strom zugeführt werden muß, so daß die Energiebilanz in Richtung eines niedrigen Stromverbrauches optimiert werden kann. Der Einsatz eines einzioen Steuerelementes als Ablaufsteuerung bedingt aber

auch einen einfachen Aufbau und somit einen kleineren War- tungs-und Kostenrahmen des gesamten Systems.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsform sind das erste und zweite Ventilelement in Reihe geschaltet, wodurch der Platzbedarf der drei Komponenten, d. h. des Piezoaktors als auch der ersten und zweiten Steuerelemente auf ein Mini- mum reduzierbar ist, da das erste Steuerelement als Betäti- gungsorgan des zweiten Ventilelementes dient. Folglich ist kein zusätzliches Betätigungselement zwischen Piezoaktor und zweitem Ventilelement nötig.

Vorteilhaft ist zwischen dem ersten und zweiten Ventilele- ment ein Spalt vorgesehen. Hierdurch kann zuerst das erste Ventilelement und dann das zweite Ventilelement geschalten werden. Mit anderen Worten, es ist eine Schaltung des ersten Ventilelementes ohne gleichzeitige Schaltung des zweiten Ventilelementes möglich.

Bevorzugt ist zwischen dem ersten Ventilelement und dem Hochdruckraum ein erster Steuerraum angeordnet, welcher durch Druck von einem Steuerrail beaufschlagbar ist. Der Steuerraum ermöglicht hierbei eine adequate Übertragung ei- nes aber das erste Ventilelement aufgebrachten Druckes auf den Hochdruckraum. Hierbei kann der erste Steuerraum eine Druckübersetzung vom Steuerrail zum Hochdruckraum durchfüh- ren. D. h., je nach Anforderungen kann der durch das Steuer- rail vorgegebene Druck mit einem geeigneten Übersetzungsver- hältnis, etwa von 1 : 3 auf den Hochdruckraum übertragen wer- den. Natürlich ist der Übertragungsgrad, je nach den zu er- füllenden Anforderungen frei wählbar.

Um in dem ersten Steuerraum auch eine Druckverminderung her- beiführen zu können, ist der erste Steuerraum in vorteilhaf- ter Weise mit einem durch das erste Ventilelement zu öffnen- den bzw. verschließbaren Leckölkanal verbunden. Somit kann

je nach Stellung des ersten Ventilelementes ein hoher Druck im ersten Steuerraum und folglich im Hochdruckraum erzeugt bzw. der Druck im Steuerraum und damit im Hochdruckraum ent- spannt werden.

Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltungs- form ist zwischen dem zweiten Ventilelement und dem Ventil- glied ein zweiter Steuerraum angeordnet, welcher wiederum durch Druck von dem Steuerrail beaufschlagt ist. Hierdurch können beide Steuerräume mit dem gleichen, im Steuerrail existenten Druck beaufschlagt werden.

Analog dem ersten Steuerraum ist der zweite Steuerraum mit einer Auslaßdrossel verbunden, welche durch das zweite Ven- tilelement geöffnet bzw. geschlossen wird. Dies ermöglicht das Variieren des Druckes im zweiten Steuerraum und damit die Druckaufbringung auf das Ventilglied.

Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten das Steuerrail mit einer dezentra- len Steuerdruckpumpe verbunden, wodurch sich je nach Anfor- derung an das System die Möglichkeit bietet, lediglich das erfidungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten auszu- tauschen, jedoch die gleiche dezentrale Steuerdruckpumpe beizubehalten. Auch ermöglicht die Trennung zwischen dem ei- gentlichen Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten und der de- zentralen Steuerdruckpumpe eine bessere Raumausnutzung im Hinblick auf die jeweiligen Montagebedingungen.

Vorzugsweise ist/sind der erste Steuerraum und/oder zweite Steuerraum als hydraulische Übersetzer ausgebildet. Hydrau- lische Übersetzer sind mit unterschiedlichsten Dimensionie- rungen und Übersetzungsverhältnissen kostengünstig erhält- lich und führen zusätzlich zu einem einfachen Aufbau des gesamten Ventils.

Zeichnung In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Das Ausführungsbeispiel wird in der nachfolgen- den Beschreibung näher erläutert. Es zeigt : Figur 1 eine schematische Ansicht eines Kraftstoffeinspritz- ventils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ; Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Anordnung des er- sten und zweiten Steuerventils gemäß Figur 1 ; und Fig. 3 in Diagrammform das Zusammenwirken zwischen der Schaltstellung des Piezoaktors, dem Druck an der Düse sowie dem Düsenhub.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel findet das erfindungsgemäße Ventil Anwendung in einem Kraftstoff- einspritzsystem, bei dem die Einspritzpumpe und die Ein- spritzdüse eine Einheit bildet (sogenannte Pumpe-Düse-Ein- heit (PDE)). Ein derartiges Einspritzsystem ist in Figur 1 wiedergegeben. Das Einspritzventil 1 besteht aus einer nicht dargestellten dezentralen Pumpeneinheit und einer Steuerein- heit 2. Die Steuereinheit 2 umfaßt einen in einem nicht dar- gestellten Gehäuse angeordneten Piezoaktor 3 mit einem Kolben 4, der mittels hydraulischer Übersetzung 5 ein Pumpen-Steuerventil 6 ansteuert.

Hierbei ist das Pumpen-Steuerventil 6 in Figur 1 aber eine Feder 7 in die geschlossene Stellung des Pumpen-Steuerven- tils 6 vorgespannt. An das Pumpen-Steuerventil 6 schließt sich in Figur 1 in Reihe ein Injektor-Steuerventil 8 an, welches wiederum durch eine Feder 9 in die geschlossene

Stellung vorgespannt ist. Hierbei ist zwischen dem Pumpen- Steuerventil 6 und dem Injektor-Steuerventil 8 ein Spalt hv ausgebildet. Dessen Wirkungsweise wird später beschrieben.

Das Pumpen-Steuerventil 6 ist in Figur 1 einerseits mit dem Steuerrail 10 und andererseits mit einem ersten Steuerraum 11 hydraulisch verbunden. An den Steuerraum 11 schließt sich in Figur 1 nach unten ein Kolben 12 an, der mittels einer Feder 13 in den Steuerraum 11 vorgespannt ist. Zusätzlich ist der Kolben 12 mit einem zentralen Kolben 14 ausgebildet, der in einen Hochdruckraum 15 mündet. Hierbei wirken der Steuerraum 11 nebst Kolben 12,14 als Hochdruckpumpe.

Der Hochdruckraum 15 ist mit einem allgemein bekannten Zu- laufventil 16 ausgebildet, welches den Zulauf 17 des Kraft- stoffes in den Hochdruckraum 15 steuert. Schließlich ist noch der Hochdruckraum 15 in Fig. 1 mit einer in bekannter Form aufgebauten Düse 18 verbunden.

Neben der Verbindung des Steuerrails 10 mit dem Pumpen- Steuerventil 6 ist das Steuerrail 10 auch mit dem zweiten Steuerraum 19 über eine Zulaufdrossel 20 verbunden. Der Steuerraum 19 weist hierbei eine Auslaßdrossel 21 auf, die in das Injektor-Steuerventil 8 mündet und bei entsprechender Stellung dieses Steuerventils 8 einen Abfluß in einen Leckölkanal 22 ermöglicht. Dieser Leckölkanal 22 ist ferner mit dem ersten Steuerraum 11 verbunden, wobei die Verbindung durch das Pumpen-Steuerventil 6 unterbrochen werden kann.

In Figur 1 schließen sich an den Steuerraum 19 nach unten in Form einer hydraulischen Übersetzung zwei Kolben 23,24 mit dazwischen geschaltetem Druckraum 25 an. Zwischen Ventil- glied 26 und Kolben 24 ist ein weiterer Kolben 27 angeord- net, welcher über eine Dichtfeder 28 das Ventilglied 26 in seine geschlossene Stellung vorspannt.

In Figur 2 ist in vergrößerter Ansicht das Zusammenwirken zwischen Pumpen-Steuerventil 6 sowie Injektor-Steuerventil 8 dargestellt. Hierbei ist in der jeweils geschlossenen Stel- lung der beiden Steuerventile 6,8 zwischen diesen beiden Bauteilen ein Spalt hv ausgebildet. Desweiteren befindet sich in dem Bereich des Spaltes hv eine Steuerkante 29, ent- lang welcher ein Schieberbereich 30 des Pumpen-Steuerventils 6 eingreifen kann, um hierdurch die Verbindung zwischen er- stem Steuerraum 6 und Leckölkanal 22 zu unterbrechen.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel des erfindungsge- mäßen Einspritzventils 1 wird als Pumpen-Steuerventil 6 ein 3/2-Sitz-Schieber-Ventil sowie als Injektor-Steuerventil 8 ein 2/2-Ventil mit Zulauf 20 und Ablaufdrossel 21 eingesetzt.

Wirkungsweise Im folgenden wird anhand der Ablaufdiagramme von Figur 3 die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Einspritzventils 1 be- schrieben. Wird der Piezoaktor 3 bestromt, verschiebt sich der Kolben 4 in Figur 1 nach rechts und bedingt mittels der hydraulischen Übersetzung 5 eine Verschiebung des Steuerven- tils 6 entgegen der Feder 7 nach rechts bis zur Kompensie- rung des Spaltes hv. Hierdurch gelangt das mit einer nicht dargestellten dezentralen Steuerpumpe verbundene Steuerrail 10 mit dem ersten Steuerraum 11 in Verbindung und beauf- schlagt somit den Steuerraum 11 mit dem im Steuerrail 10 vorgegebenen Druck. Gleichzeitig wird die Leckölverbindung zwischen Leckölkanal 22 und erstem Steuerraum 11 teilweise geschlossen, so daß sich im Steuerraum 11 ein Druck aufbaut.

Dieser Druck wird mittels des Kolbens 12 auf den Kolben 14 und somit auf den Druckraum 15 übertragen. Jedoch findet hierbei eine Übersetzung im Verhältnis von dl/d2 entspre- chend den Durchmessern der Kolben 12 und 14 statt. Im Druck- raum 15 wird der durch das Zulaufventil 16 zugeführte Kraft-

stoff mittels des aufgebrachten Druckes vom Kolben 14 unter Druck gesetzt und der Düse 18 zugeführt sowie das Ventil- glied 26 mit diesem Druck in Öffnungsrichtung hinsichtlich der Einspritzöffnung beaufschlagt.

Gleichzeitig wird jedoch auch der Druck des Steuerrails 10 auf den zweiten Steuerraum 19 und mittels der hydraulischen Übersetzung der Kolben 23,24 sowie 27 mit einem Überset- zungsverhältnis von d3/d4 auf das Ventilglied 26 aufge- bracht. Hierbei sind die Übersetzungsverhältnisse zwischen dl/d2 und d3/d4 derart gewählt, daß das Ventilglied 26 in seiner geschlossenen Stellung verbleibt. Gleichzeitig nimmt jedoch der vom Hochdruckraum 15 übertragene Druck auf das Ventilglied 26 weiterhin zu.

Wird nunmehr der Piezoaktor 3 stärker bestromt, so führt das Steuerventil 6 eine weitere Bewegung in Figur 1 nach rechts aus, so daß die Verbindung zwischen erstem Steuerraum 11 und Leckölkanal 22 geschlossen wird, wodurch sich im ersten Steuerraum 11 der gleiche Druck wie im Steuerrail 10 ein- stellt.

Gleichzeitig wird das Steuerventil 8 entgegen der Feder 9 in Figur 1 nach rechts bewegt und öffnet die Verbindung zwi- schen Auslaßdrossel 21 und Leckölkanal 22, wodurch der Druck im zweiten Steuerraum 19 abnimmt. Folglich nimmt auch der im "rechten Strang"von Figur 1 wirkende Druck auf das Ventil- glied 26 ab, wohingegen der durch den in Figur 1"linken Strang"aufgebrachte Druck auf das Ventilglied 26 zunimmt.

Demgemäß wird die Einlaßöffnung der Düse 18 geöffnet und es tritt eine Voreinspritzung VE auf, wie aus den drei Diagrammen von Figur 3 ersichtlich ist. Wird nunmehr die Bestromung des Piezoaktors 3 reduziert, werden aufgrund der Federn 7,9 die Steuerventile 6,8 in ihre Zwischenstellung -Steuerventil 6-und ihre geschlossene Stellung- Steuerventil 8-verfahren. Gleichzeitig findet ein

Druckausgleich am Ventilglied 26 bezüglich der Drücke des linken Strangs sowie des rechten Strangs von Figur 1 auf.

Demgemäß wird das Ventilglied 26 in seine geschlossene Stellung zurückführt, so daß kein weiterer Einspritzvorgang stattfindet.

Soll nunmehr die Haupteinspritzung H durchgeführt werden, muß lediglich der Piezoaktor 3 bestromt werden, so daß sich die gleichen Zustände der einzelnen Bauteile des erfindungs- gemäßen Einspritzventils wie bei der Voreinspritzung VE ein- stellen. Hinsichtlich der Haupteinspritzung und deren Charakteristika wird wiederum auf die drei Diagramme von Fig. 3 verwiesen.

In Verbindung mit dem Düsendruck/Zeit-Diagramm von Fig. 3 ist anzumerken, daß der Druckabfall nach der Düsenöffnung sowohl bei der Voreinspritzung als auch Haupteinspritzung daraus resultiert, daß die Flüssigkeit nur mit Schallgeschwindigkeit nachförderbar ist. Daher findet nach Düsenöffung ein Druckabfall statt, welcher erst durch Nachförderung kompensiert wird. Der Druckabfall ist hierbei bei der Haupteinspritzung größer als bei der Voreinspritung, da ein größeres Flüssigkeitsvolumen entnommen wird.

Die vorliegende Erfindung kann selbstverständlich auch bei anders ausgestalteten Ventilen mit hydraulischen aber auch mechanischen Übersetzern verwendet werden.

Die vorhergehende Beschreibung des Ausführungsbeispieles ge- mäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zur Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikatio- nen möglich, um den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquiva- lente zu verlassen.