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Patent Searching and Data


Title:
VALVE FOR CONTROLLING LIQUIDS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2001/014774
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a valve for controlling liquids. The inventive valve is provided with a valve member (8) that can be actuated by means of a hydraulic transmission device (4) and is impinged upon by a pressure spring (10) in the closing direction and towards a valve face (8'). The hydraulic transmission device (4) is provided with a pressure chamber (6) that is filled with a medium and is defined by a piston (5) of a piezo actuator (2) and a piston (7) of the valve member. The piston (5) of the piezo actuator (2) can be contacted to the piston (7) of the valve member in such a way that at least one component of the piston head surface pertaining to the piston (7) is connected to the pressure medium of the pressure chamber (6). Secure functioning is thus guaranteed in all operating states.

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Inventors:
MATTES PATRICK (DE)
Application Number:
PCT/DE2000/002537
Publication Date:
March 01, 2001
Filing Date:
August 01, 2000
Export Citation:
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Assignee:
BOSCH GMBH ROBERT (DE)
MATTES PATRICK (DE)
International Classes:
F15B3/00; F16K31/00; (IPC1-7): F16K31/00
Domestic Patent References:
WO1999031420A11999-06-24
Foreign References:
DE4306072A11994-09-08
US5280773A1994-01-25
DE19642441A11998-04-16
DE19757659C11999-06-17
US4803393A1989-02-07
Other References:
None
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Claims:
Ansprüche
1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem über einen hydraulischen Übersetzer (4) betätigbaren Ventilglied (8), das von einer Druckfeder (10) in Schließrichtung auf einen Ventilsitz (8') beaufschlagt ist, wobei der hydraulische Übersetzer (4) einen mit einem Druckmedium gefüllten Druckraum (6) aufweist, welcher einerseits von einem Kolben (5) eines Piezoaktors (2) begrenzt wird und andererseits von einem Kolben (7) des Ventilglieds begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) des Piezoaktors (2) mit dem Kolben (7) des Ventilglieds derart in Kontakt bringbar ist, daß zumindest ein Teil der Kolbenbodenfläche des Kolbens (7) mit dem Druckmedium des Druckraums (6) in Verbindung steht.
2. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß der Kolben (7 ; 17 ; 27) des Ventil glieds ein Anschlagelement (7a ; 17a ; 27a) aufweist, welches mit dem Kolben (5) des Piezoaktors (2) in Kontakt bringbar ist.
3. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) des Piezoaktors (2) ein Anschlagelement aufweist, welches mit dem Kolben (7) des Ventilglieds in Kontakt bringbar ist.
4. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) des Piezoaktors (2) und der Kolben (7) des Ventilglieds jeweils ein Anschlag element aufweisen.
5. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das An schlagelement (2) erhöhte Bereiche (7a) aufweist, welche durch eine Aussparung (7b) voneinander getrennt sind.
6. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das An schlagelement in Form eines Vorsprungs (17a) am Kolbenboden ausgebildet ist.
7. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das An schlagelement in Form eines Kugelabschnitts (27a) am Kolben boden ausgebildet ist.
8. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Höhe (h) des Druckraums (6) mittels einer Scheibe (11) einstellbar ist.
9. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) des Piezoaktors (2) mit dem Kolben (7) des Ventilglieds über ein separates Zwischenglied in Kontakt bringbar ist, wobei das Zwischenglied eine kleinere Kontaktfläche als die Kolbenbodenfläche des Kolbens (7) des Ventilglieds aufweist.
Description:
Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten Stand der Technik Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssig- keiten gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Ventil ist beispielsweise in Figur 5 darge- stellt. Um einen Piezoaktor als ein Stellelement einsetzen zu können, ist es notwendig, eine Kompensation der Längendehnung als Funktion der Temperatur vorzusehen. Da der mittels eines Piezoaktors erzielbare Hub nur zwischen ungefähr 1/1000 bis 1,5/1000 seiner Länge beträgt, mu$ dieser geringe Hub für viele Anwendungen übersetzt werden. Hierbei wird der Hub des Piezoaktors z. B. über einen hydraulischen Kraft-Weg-Übersetzer transformiert. Wie in Figur 5 dargestellt, weist ein bekanntes Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten einen in einem Gehäuse 100 angeordneten Piezoaktor 102 auf, welcher mittels einer Dichtmembran 103 gegenüber einem hydraulischen Übersetzer 104 abgedichtet ist. Der hydraulische Übersetzer 104 besteht aus einem Kolben 105 des Piezoaktors 102, einem mit Medium (Flüssigkeit) gefüllten Druckraum 106 und einem Kolben 107 eines Ventilglieds. Weiterhin umfaßt das Ventil eine Ventilnadel 108, welche mittels einer Dichtfeder 110 auf einen Ventilsitz 108'vorgespannt wird. Der Kolben 107 des Ventilglieds besteht aus einem zylinderförmigen Abschnitt 107a

und einem Kopfbereich 107b, welcher einen größeren Durchmesser als der zylinderförmige Abschnitt 107a aufweist. Damit der Kolben 107 des Ventilglieds immer an der separaten Ventilnadel 108 anliegt, wird eine Well-oder Tellerfeder 109 verwendet, deren Vorspannung über eine Scheibe 113 eingestellt wird.

Dabei darf die Vorspannung der Tellerfeder 109 nicht die Summe der Federkraft der Dichtfeder 110 und des Drucks im hydraulischen Koppler übersteigen, da sonst das Ventil öffnet.

Wie in Figur 5 gezeigt, ist die Tellerfeder 109 am Kopf 107b des Kolbens 107 des Ventilglieds abgestützt. Beim Zurückziehen des Kolbens 105 des Piezoaktors besteht die Gefahr, daß ein Unterdruck im Druckraum des hydraulischen Übersetzers 104 entsteht. Aufgrund der oben erläuterten notwendigerweise relativ gering eingestellten Federsteifigkeit der Tellerfeder 109 folgt der Kolben 107 des Ventilglieds diesem Unterdruck, d. h. er bewegt sich in Richtung des Druckraums 106, so daß die Tellerfeder 109 platt geschlagen werden kann. Dadurch kann sich die Vorspannkraft der Tellerfeder 109 verändern bzw. die Tellerfeder beschädigt werden. Dies führt somit zum einen zu einer relativ geringen Lebensdauer der Tellerfeder 109, zum anderen kann eine sichere Funktion über die Einsatzdauer des Ventils nicht sichergestellt werden. Desweiteren wird das Volumen des hydraulischen Übersetzers 104 (d. h. das Volumen des Druckraums 106) durch eine erste Scheibe 111 am Kolben 105 und eine zweite Scheibe 112 am Ventilglied eingestellt. Somit weist ein derartiges Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten eine Vielzahl von Teilen auf, welche aufgrund des geringen Hubwegs des Piezoaktors hohen Toleranzanforderungen genügen müssen und somit eine aufwendige und teuere Herstellung erfordern.

Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat

demgegenüber den Vorteil, daß es auf eine Tellerfeder ver- zichten kann. Dadurch ist die sichere Funktion des hydrauli- schen Übersetzers über die gesamte Einsatzdauer des Ventils gewährleistet. Weiterhin ergibt sich beim erfindungsgemäßen Ventil eine deutlich verringerte Teileanzahl. Daraus resultiert ein vereinfachter Zusammenbau des Ventils sowie eine Reduzierung von Einmeßvorgängen, da weniger Teile ein- gemessen werden müssen. Dadurch können insbesondere die Herstellungs-und Montagekosten für das Ventil deutlich verringert werden. Weiterhin kann beim erfindungsgemäßen Ventil die Einfüllhöhe des Druckraums des hydraulischen Übersetzers nur mittels einer einzigen Scheibe eingestellt werden. Auch ergibt sich eine einfache Ausgestaltung des Kolbens des Ventilglieds, da der Kolben im Gegensatz zum Stand der Technik im wesentlichen zylinderförmig ausgestaltet werden kann und auf einen Kopfbereich mit vergrößertem Durchmesser verzichtet werden kann. Dies führt auch zu gleichmäßigeren Spalthöhen zwischen dem Kolben des Ventilglieds und dem zugehörigen Gehäusebereich des hydraulischen Übersetzers, da der Kolben in einem Herstellschritt geschliffen werden kann und somit bei verbesserter Qualität einfacher herstellbar ist.

Dies gewährleistet eine sicherere und zuverlässigerere Funktion des hydraulischen Übersetzers.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird weiterhin auch die notwendige Kompensation der Längendehnung des Piezoaktors als Funktion der Temperatur gewährleistet, welche durch den mit Medium gefüllten Druckraum des hydraulischen Übersetzers bereitgestellt wird. Diese langsam ablaufende Längendehnung des Piezoaktors infolge von Temperaturänderungen führt zu einer langsamen Verschiebung des Kolbens des Piezoaktors und somit zu einer Verdrängung von Medium aus dem Druckraum, welches durch die Spalte zwischen Kolben und Zylinderwand entweichen kann. Diese Funktion ist auch bei einem erfindungsgemäß möglichen Kontakt zwischen dem Kolben des

Ventilglieds und dem Kolben des Piezoaktors gewährleistet.

In vorteilhafter Weise weist der Kolben des Ventilglieds ein Anschlagelement auf, welches mit dem Kolben des Piezoaktors in Kontakt bringbar ist. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der Kolben des Piezoaktors ein Anschlagelement auf, welches mit dem Kolben des Ventilglieds in Kontakt bringbar ist. Bei den beiden oben genannten Ausgestaltungen der jeweiligen Kolben mit einem Anschlagelement ist das Anschlagelement derart ausgebildet, daß immer ein Flächenbereich des Kolbenbodens des Kolbens mit Anschlagelement in Verbindung mit dem in der Druckkammer befindlichen Medium befindet. Ein Teil der Kolbenbodenfläche kann immer durch das im Druckraum befindliche Medium beaufschlagt werden, so daß auf den Kolben eine Rückstellkraft aufgebracht wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß gemäß Patentanspruch 4 beide Kolben, d. h. der Kolben des Piezoaktors und der Kolben des Ventilglieds, jeweils ein eigenes Anschlagelement aufweisen.

In vorteilhafter Weise ist gemäß Patentanspruch 5 das Anschlagelement in Form einer Nase am Kolbenboden ausgebildet.

Vorteilhaft kann die Nase dabei quadratisch, rechteckig, zylindrisch oder ovalförmig ausgestaltet sein. Bei der vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 6 ist das Anschlagelement in Form eines Kugelabschnitts am Kolbenboden ausgebildet. Dadurch kann eine fast punktförmige Kontaktfläche zwischen den beiden Kolben ermöglicht werden. Um eine möglichst große Kontaktfläche zwischen den beiden Kolben zu erreichen, ist das Anschlagelement gemäß Patentanspruch 7 vorteilhaft durch zwei erhöhte Bereiche gebildet, welche durch eine Aussparung voneinander getrennt sind. Dadurch steht das Druckmedium über die Aussparung mit dem mit Anschlagelement ausgebildeten Kolben in Verbindung.

In vorteilhafter Weise ist gemäß Patentanspruch 8 eine Höhe des Druckraums mittels einer einzigen Scheibe einstellbar.

Dadurch kann die Anzahl der Teile verringert werden, was zu geringeren Herstell-und Montagekosten führt. Dies ist insbe- sondere vorteilhaft, da aufgrund des relativ geringen Hubes des Piezoaktors alle Bauteile des Ventils hohen Toleranz- anforderungen genügen müssen.

In vorteilhafter Weise kann der Kolben des Piezoaktors mit dem Kolben des Ventilglieds mittels eines separaten Zwi- schengliedes in Kontakt gebracht werden. Dabei weist das separate Zwischenglied eine kleinere Kontaktfläche als die Kolbenbodenfläche des Ventilglieds auf.

Das erfindungsgemäße Ventil kann vorteilhaft bei einer Pumpe- Düse-Einheit (PDE) oder einer Pumpe-Leitung-Düse (PLD) oder auch als Piezo-Stelleinheit für Common-Rail-Injektoren verwendet werden.

Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung wiedergegeben und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen : Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, Figur 2 eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kolbens für einen hydraulischen Übersetzer, Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel für einen erfin- dungsgemäßen Kolben eines hydraulischen Übersetzers, Figur 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungs- gemäßen Kolbens für einen hydraulischen Übersetzer und

Figur 5 ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß dem Stand der Technik.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels Figur 1 zeigt ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Ventil umfaßt ein Gehäuse 1, in welchem ein Piezoaktor 2 angeordnet ist. Der Piezoaktor 2 ist gegenüber dem restlichen Teil des Ventils mittels einer Dichtmembran 3 abgedichtet.

Weiterhin umfaßt das Ventil einen hydraulischen Übersetzer 4, welcher aus einem Kolben 5 des Piezoaktors, einem Druckraum 6 und einem Kolben 7 des Ventilglieds besteht. Der Druckraum 6 ist mit einem Druckmedium, z. B. Kraftstoff, gefüllt. Der Kolben 5 des Piezoaktors steht mit dem Piezoaktor 2 in Ver- bindung. Weiterhin umfaßt das Ventil eine Ventilnadel 8, welche mittels einer Dichtfeder 10 an einem Ventilsitz 8' gehalten wird. Die Ventilnadel 8 befindet sich mit dem Kolben 7 des Ventilglieds in Kontakt. Die Dichtfeder 10 stützt sich auf ein Ventilstück 14 mit einer Drosseleinrichtung 16 ab.

Eine Höhe h des Druckraums 6 wird mittels einer ersten Scheibe 11 eingestellt, welche zwischen dem Gehäuse 1 des Piezoaktors und einem Gehäuseteil 9 des hydraulischen Übersetzers 4 angeordnet ist. Das Gehäuse 9 des hydraulischen Übersetzers weist eine gestufte Bohrung, d. h. eine Durchgangsbohrung mit unterschiedlichen Durchmessern, auf, in welcher der Kolben 5 des Piezoaktors und der Kolben 7 des Ventilglieds angeordnet sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Kolben 5 des Piezoaktors zwei verschiedene Durchmesser auf und ist teilweise auch im Gehäuse 1 des Piezoaktors angeordnet (vgl.

Figur 1). Er kann jedoch auch nur einen Durchmesser aufweisen und vollständig im Gehäuse 9 angeordnet werden. Weiterhin kann der Kolben 7 des Ventilglieds zylinderförmig ausgestaltet sein, was im Vergleich mit dem Stand der Technik eine

einfachere Herstellbarkeit ermöglicht. Weiterhin kann dadurch die Spalthöhe zwischen dem Gehäuse 9 und dem Kolben 7 verringert werden, was eine sichere und zuverlässige Funktion des hydraulischen Übersetzers 4 gewährleistet. Hierbei ist der Druckraum 6 des hydraulischen Übersetzers 4 zwischen dem Kolben 5 des Piezoaktors und dem Kolben 7 des Ventilglieds angeordnet.

Weiterhin ist der Kolben 7 des Ventilglieds derart ausge- staltet, daß der Kolben 7 eine Anschlagfläche aufweist, welche mit dem Kolben 5 in Kontakt bringbar ist. Dabei ist der Kolben 7 derart ausgebildet, daß zumindest ein Teil seiner Kolbenbodenfläche bei Kontakt mit dem Kolben 5 mit dem Druckmedium des Druckraums 6 in Verbindung steht (vgl. Figur 1). Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Kolben 7 mit zwei erhöhten Bereichen 7a gebildet, welche durch eine Nut 7b voneinander getrennt sind.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten beschrieben. Entspre- chend eines Hubes des Piezoaktors 2 wird der Kolben 5 des Piezoaktors nach unten bewegt, wobei infolge der schnellen Bewegung der Druck im Druckraum 6 stark ansteigt. Hierbei wird nun in bekannter Weise die hydraulische Übersetzung durch die unterschiedlichen Flächenverhältnisse der beiden Kolben 5 und 7 bestimmt und die Ventilnadel 8 von ihrem Ventilsitz 8' abgehoben. Beim Zurückziehen des Kolbens 5 des Piezoaktors 2 kann nun ein Unterdruck im Druckraum 6 des hydraulischen Übersetzers 4 entstehen. Dadurch wird der Kolben 7 des Ventilglieds nach oben in den Druckraum 6 bewegt, so daß der Kolben 7 des Ventilglieds mit dem Kolben 5 des Piezoaktors in Kontakt gebracht wird. Da, wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt, der Kolben 7 mit einem Anschlagelement in Form von zwei erhöhten Bereichen 7a ausgebildet ist, kommen die erhöhten Bereiche 7a mit dem Kolben 5 in Kontakt. Dadurch ist weiterhin

gewährleistet, daß ein Teilflächenbereich der Kolbenbodenfläche des Kolbens 7 mit dem Druckmedium in Verbindung steht, nämlich im Bereich der Nut 7b des Kolbens 7.

Steigt nun bei der nächsten Betätigung des Piezoaktors 2 der Druck im Druckraum 6 wie oben beschrieben an, so kann der derart erzeugte Überdruck im Bereich der Nut 7b zwischen die beiden Kolben 5 und 7 gelangen und der Kolben 7 liegt wieder an der Ventilnadel 8 an. Anschließend kann dann die Ventil- nadel 8 vom Ventilsitz 8 abheben und das Ventil geöffnet werden. Somit ist gewährleistet, daß die hydraulische Über- setzung zu jedem Zeitpunkt funktioniert. Eine sichere und zuverlässige Betätigung des Ventilelements ist selbst- verständlich auch gewährleistet, wenn der Unterdruck im Druckraum 6 nicht so groß war, daß der Kolben 7 mit dem Kolben 5 in Kontakt gekommen ist.

In den Figuren 3 und 4 sind zwei weitere Ausgestaltungsformen eines erfindungsgemäßen Kolbens dargestellt.

In Figur 3 weist ein Kolben 17 eines Ventilglieds einen zylinderförmigen Vorsprung 17a auf, wobei die Fläche des Vorsprungs 17a deutlich kleiner als die Kolbenbodenfläche des Kolbens 17 ist. Es sei angemerkt, daß der Vorsprung auch ovalförmig, rechteckig, quadratisch oder in einer anderen beliebigen Form ausgestaltet werden kann.

In Figur 4 ist eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung eines Kolbens 27 des Ventilglieds dargestellt. Der Kolben 27 weist an seiner Kolbenbodenfläche ein Anschlagelement in Form eines Kugelabschnitts 27a auf, welches sich über die gesamte Kolbenbodenfläche des Kolbens 27 erstreckt. Dadurch kann ein Punktkontakt zwischen dem Kolben 27 des Ventilglieds und dem Kolben des Piezoaktors erreicht werden.

Es sei angemerkt, daß die in den Figuren 2 bis 4 beschriebenen Ausgestaltungsformen des Kolbens hinsichtlich der Anschlagelemente auch beim Kolben des Piezoaktors verwendet werden können. Weiterhin können sowohl der Kolben des Piezo- aktors als auch der Kolben des Ventilglieds Anschlagelemente aufweisen. Hinsichtlich der Ausgestaltung der Anschlagelemente ist nur zu beachten, daß die beiden Kolben deart über die Anschlagelemente in Kontakt bringbar sind, daß zumindest ein Teil der Kolbenbodenfläche des Ventilgliedkolbens durch das Druckmedium des Kolbens beaufschlagbar ist.

Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.