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Dokumentenidentifikation DE10145620B4 02.03.2006
Titel Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Kegel, Timo, 96047 Bamberg, DE
DE-Anmeldedatum 15.09.2001
DE-Aktenzeichen 10145620
Offenlegungstag 24.04.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 02.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.03.2006
IPC-Hauptklasse F02M 51/06(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse F15B 5/00(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      F16K 31/02(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten für ein Speichereinspritzsystem, wie beispielsweise ein Diesel- oder Benzineinspritzventil.

Kraftstoffeinspritzventile sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. In jüngster Zeit werden derartige Kraftstoffeinspritzventile durch einen Piezoaktor betätigt, welcher eine Bewegung einer Düsennadel zum Einspritzen von Kraftstoff steuert. Mit derartigen Piezoaktoren können insbesondere sehr kurze Schaltzeiten erreicht werden. Die Piezoaktoren weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie bei Temperaturänderungen, wie beispielsweise einem Ansteigen der Temperatur im Motorraum während des Betriebs eines Motors, Längenänderungen aufweisen. Weiterhin ist der Hub der Piezoaktoren relativ klein. Daher werden zur Übersetzung des Hubes des Piezoaktors so genannte hydraulische Übersetzer verwendet. Die hydraulischen Übersetzer weisen gleichzeitig auch den Vorteil auf, dass sie temperaturbedingte Längenänderungen des Piezoaktors durch Volumenverringerung in der Übersetzerkammer ausgleichen können. Üblicherweise sind hydraulische Übersetzer derart ausgebildet, dass sie einen ersten Kolben, einen zweiten Kolben und einen zwischen den beiden Kolben angeordneten Übersetzerraum aufweisen. Einer der beiden Kolben steht dabei mit dem Piezoaktor in Verbindung und die Übersetzung hängt vom gewählten Durchmesserverhältnis der beiden Kolben zueinander ab. Da der erste Kolben, der Übersetzerraum und der zweite Kolben in Reihe nacheinander angeordnet sind, nimmt der bekannte hydraulische Übersetzer eine relativ große Bauhöhe ein.

Daher wurde in der DE 199 39 452 A1 ein hydraulischer Übersetzer vorgeschlagen, bei dem ein erster Kolben mit einer zylindrischen Bohrung ausgebildet ist, in welcher der zweite Kolben angeordnet ist. Der Übersetzerraum ist dabei unterhalb des ersten Kolbens angeordnet und der zweite Kolben ist als abgestufter Kolben ausgebildet, so dass eine ringförmige Unterseite des zweiten Kolbens mit dem Übersetzerraum in Verbindung steht. Auf Grund der teilweisen Anordnung des zweiten Kolbens im ersten Kolben wird zwar die axiale Baulänge des hydraulischen Übersetzers verringert, jedoch weisen die beiden Kolben auf Grund ihrer speziellen Anordnung unterschiedliche Bewegungsrichtungen auf, d. h. der erste Kolben wird durch einen Piezoaktor nach unten bewegt, während der zweite Kolben im ersten Kolben nach oben bewegt wird. Dadurch kann dieser Übersetzer nur bei nach innen öffnenden Ventilen verwendet werden, da das Ventilglied, welches mit dem zweiten Kolben verbunden ist, die gleiche Bewegungsrichtung wie der zweite Kolben aufweist.

Aus der DE 195 00 706 A1 ist ein Zumeßventil zur Dosierung von Flüssigkeiten und Gasen bekannt, das einen Wegverstärker aufweist, mit einem von einem Piezoaktor betätigten Arbeitskolben und einem im Durchmesser kleineren Hubkolben. Beide Kolben des Wegverstärkers sind in einem Gehäuseeinsatz geführt.

Aus der EP 0 477 400 A1 ist ein Wegtransformator oder Wegverstärker bekannt, bei dem ein Toleranzausgleich dadurch erfolgt, dass die zwischen zwei Kolben gebildete Hydraulikkammer ein definiertes Leck aufweist. Das Leck wird dabei durch einen Ringspalt gebildet, der entweder zwischen einem Kolben und dem Gehäuse oder zwischen zwei Kolben ausgebildet ist.

Aus der DE 41 19 467 C2 ist eine Vorrichtung zur Kraft- und Hubübersetzung bekannt, bei der ein eingansseitiger Verdränger mit großem Querschnitt und ein ausgansseitiger Verdränger mit kleinerem Querschnitt vorgesehen sind, zwischen denen ein Elastormer angeordnet ist, das sowohl der Kraftübertragung als auch der Abdichtung dient.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 hat den Vorteil, dass in der Aussparung des ersten Kolbens ein Führungselement angeordnet ist, um den ersten und den zweiten Kolben zu führen. Wenn das Führungselement derart ausgebildet ist, dass es nicht bis zum Bodenbereich des ersten Kolbens reicht, kann ein hydraulischer Koppler mit Übersetzungsfunktion einfach bereitgestellt werden.

Vorteilhaft ist der zweite Kolben als eine Baueinheit mit einer Düsennadel des Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten ausgebildet. Dabei kann der zweite Kolben entweder einstückig mit der Düsennadel ausgebildet sein oder beispielsweise mittels Laserschweißen oder Verschrauben fest mit der Düsennadel verbunden sein. Bei dieser Ausgestaltung kann insbesondere auf eine Nadelführung der Düsennadel verzichtet werden, da die fest mit dem zweiten Kolben verbundene Nadel durch die Führung des Kolbens geführt wird.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung liegt der zweite Kolben mittelbar oder unmittelbar an der Düsennadel an. Mit anderen Worten sind der zweite Kolben und die Düsennadel nicht als eine Baueinheit ausgebildet, sondern als zwei separate Teile. Dadurch kann insbesondere eine Übertragung eines Rückstoßes, welcher beispielsweise beim Schließen der Düsennadel in Folge der hohen Drücke und der schnellen Schaltzeiten auftreten kann, vermieden werden. Weiterhin ist eine einfache Befestigung einer Nadelführung an der Düsennadel möglich.

Vorzugsweise ist der zweite Kolben ebenfalls im wesentlichen topfförmig ausgebildet. Dabei kann insbesondere die Aussparung des zweiten Kolbens als Federsitz für eine Düsenfeder zum Schließen der Düsennadel verwendet werden, wenn der zweite Kolben als Baueinheit mit der Düsennadel ausgebildet ist.

Bevorzugt ist eine Schließfeder für die Düsennadel am zweiten Kolben abgestützt. Dadurch kann die Anzahl der Bauteile sehr gering gehalten werden.

Vorteilhaft ist am zweiten Kolben eine Scheibe bzw. ein Ring zur Abstützung einer Rückstellfeder für den Koppler angeordnet. Die Rückstellfeder greift dabei vorzugsweise an Randbereichen des ersten Kolbens an, so dass der Koppler nach Beendigung der Ventilbetätigung wieder in seine Ausgangslage zurückgestellt werden kann.

Um besonders kostengünstig und einfach herstellbar zu sein, ist das in der Aussparung des ersten Kolbens angeordnete Führungselement vorzugsweise als zylinderförmige Buchse ausgebildet. Weiterhin weisen vorzugsweise der erste Kolben und der zweite Kolben ebenfalls kreisförmige Umfänge auf.

Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten wird vorzugsweise als Kraftstoffeinspritzventil in Speichereinspritzsystemen sowohl für Dieselinjektoren als auch für Benzininjektoren verwendet.

Zeichnung

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

2 zeigt eine vergrößerte Teilschnittansicht eines in 1 verwendeten Kopplers,

3 zeigt eine Draufsicht einer zur Abstützung einer Rückstellfeder des Kopplers verwendeten Scheibe,

4 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und

5 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In den 1 bis 3 ist ein Ventil 1 zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie in 1 gezeigt, umfasst das Ventil 1 einen Piezoaktor 13, einen hydraulischen Koppler 2 und eine Düsennadel 9. Die Einzelbauteile des Ventils 1 sind dabei in einem mehrteiligen Gehäuse 14 angeordnet. Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, umfasst der hydraulische Koppler 2 einen topfförmigen ersten Kolben 3, einen zweiten Kolben 6 sowie eine mit Fluid gefüllte Kopplerkammer 7. Der topfförmige erste Kolben 3 weist eine zylindrische Aussparung 4 mit einem Bodenbereich 5 auf. Die Kopplerkammer 7 ist dabei im Inneren des ersten Kolbens 3 zwischen dem Bodenbereich 5 und einer Kolbenfläche 16 des zweiten Kolbens 6 angeordnet (vgl. 2). Weiterhin ist ein Führungselement 8 in der Aussparung 4 des ersten Kolbens 3 angeordnet, um den ersten und den zweiten Kolben zu führen. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist das Führungselement 8 als Buchse ausgebildet. Unterhalb des Führungselements 8 ist eine Scheibe 12 angeordnet, welche am zweiten Kolben 6 befestigt ist. Die Scheibe 12 ist im Detail in 3 gezeigt.

Wie insbesondere in 1 dargestellt ist, dient die Scheibe 12 weiterhin zur Abstützung einer Kopplerfeder 11, welche den hydraulischen Koppler 2 in einer vorbestimmten Ausgangsposition hält und welche nach Beendigung der Einspritzung von Kraftstoff den hydraulischen Koppler wieder in seine Ausgangslage zurückstellt. Die Feder 11 stützt sich dabei einerseits an der Scheibe 12 und andererseits am buchsenartigen Wandbereich des ersten Kolbens 3 ab (vgl. 1).

Weiterhin umfasst das Ventil 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eine Düsenfeder 10, welche die Düsennadel 9 nach Betätigung wieder zurückstellt. An der Düsennadel 9 ist dazu eine Nadelführung 15 vorgesehen, welche beispielsweise mittels Verschweißen mit der Düsennadel 9 verbunden werden kann.

Nachfolgend wird die Funktion des Ventils 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Wenn eine Ansteuerung des Piezoaktors 13 erfolgt, wird der dadurch verursachte Hub des Piezoaktors auf den ersten Kolben 3 übertragen, welcher sich in Richtung des Pfeils A (vgl. 2) nach unten bewegt. Dieser Hub wird auf das in der Kopplerkammer 7 befindliche Fluid über den Bodenbereich 5 des ersten Kolbens 3 übertragen und von dort weiter auf die Kolbenfläche 16 des zweiten Kolbens 6 übertragen. Da ein Durchmesser D1 des Bodenbereichs 5 des ersten Kolbens 3 größer als ein Durchmesser D2 der Kolbenfläche 16 des zweiten Kolbens 6 ist, erfolgt eine Übersetzung des Piezoaktorhubes entsprechend dem Verhältnis der beiden Durchmesser D1/D2 zueinander. Der zweite Kolben 6 bewegt sich dadurch ebenfalls in die gleiche Richtung wie der erste Kolben in Richtung des Pfeils B (vgl. 2). Da der zweite Kolben 6 unmittelbar mit der Düsennadel 9 in Verbindung steht, welche in einer im zweiten Kolben 6 gebildeten Aussparung angeordnet ist, wird der Hub auf die Düsennadel 9 übertragen, welche dadurch von ihrem Sitz abhebt, so dass eine Einspritzung von Kraftstoff in einen nicht dargestellten Brennraum erfolgen kann. Dabei bewegt sich die Düsennadel 9 ausgehend vom Ventil 1 nach außen.

Soll eine Einspritzung beendet werden, wird der Piezoaktor 13 wieder angesteuert, so dass die Längenänderung des Piezoaktors wieder rückgängig gemacht wird und die Düsennadel 9 in Folge der Kraft der Düsenfeder 10 wieder nach oben auf ihren Sitz bewegt wird und die Einspritzung beendet ist. Gleichzeitig stellt die Kopplerfeder 11 den hydraulischen Koppler 2 wieder in seine Ausgangsposition zurück.

Da sowohl der erste Kolben 3 als auch der zweite Kolben 6 die gleiche Bewegungsrichtung aufweisen, ist es möglich, dass das Ventil 1 als nach aussen öffnendes Ventil ausgebildet ist, bei dem die Düsennadel 9 in die gleiche Richtung wie die beiden Kolben 3, 6 zur Öffnung bewegt wird. Dabei kann die axiale Abmessung des Ventils 1 im Vergleich zu dem Stand der Technik deutlich reduziert werden, da sowohl der Kopplerraum 7 als auch der zweite Kolben 6 in der Aussparung 4 des ersten Kolbens angeordnet ist. Dadurch kann ein besonders kompaktes und ein geringes Gewicht aufweisendes Ventil 1 bereitgestellt werden.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 4 ein Ventil gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.

Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten Ausführungsbeispiel der zweite Kolben 6 und die Düsennadel 9 als eine gemeinsame Baueinheit vorgesehen. Dazu ist die Düsennadel 9 mit dem Kolben 6 mittels Verschweißen verbunden. Hierzu ist im Kolben 6 eine Durchgangsbohrung vorgesehen, so dass die Düsennadel 9 an der zum Kopplerraum 7 gerichteten Kolbenfläche des Kolbens 6 verschweißt werden kann (vgl. 4). Weiterhin ist der zweite Kolben 6 ebenfalls topfförmig ausgebildet und stellt dadurch einen Federsitz für die Düsenfeder 10 bereit. Eine Rückstellung der Düsennadel 9 erfolgt somit über den zweiten Kolben 6. Wie in 4 gezeigt, stützt sich die Düsenfeder 10 an ihrer anderen Seite am Gehäuse 14 ab. Weiterhin ist der die Düsennadel 9 aufweisende Bereich des Gehäuses 14 derart ausgebildet, dass er gleichzeitig das Führungselement für den ersten und den zweiten Kolben 3, 6 bereitstellt. In 4 ist dieser buchsenartige Fortsatz des Gehäuses 14 mit 8' bezeichnet. Ansonsten entspricht das Ventil des zweiten Ausführungsbeispiels im Wesentlichen dem des ersten Ausführungsbeispiels, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.

In 5 ist ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei wieder mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.

Im Gegensatz zu den beiden vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen stellt der hydraulische Koppler 2 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel keine Übersetzung des Hubes des Piezoaktors 13 bereit. Dies wird dadurch erreicht, dass der Durchmesser des zweiten Kolbens 6 dem Durchmesser der im ersten Kolben 3 gebildeten Aussparung entspricht. Dadurch kann verhindert werden, dass durch den hydraulischen Koppler eine nachteilige Übersetzung und Additionen von fertigungsbedingten Toleranzen der Bauteile auftritt. Ansonsten entspricht das Ventil gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dem zweiten Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.

Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Ventil 1 zum Steuern von Flüssigkeiten für Speichereinspritzsysteme, umfassend einen hydraulischen Koppler 2 und einen Piezoaktor 13. Der hydraulische Koppler 2 umfasst einen ersten Kolben 3, einen zweiten Kolben 6 und eine zwischen den beiden Kolben angeordnete Kopplerkammer 7. Der Piezoaktor 13 steht mit dem ersten Kolben 3 in Verbindung. Der erste Kolben 3 ist im wesentlichen topfförmig ausgebildet, wobei der zweite Kolben 6 in einer Aussparung 4 des ersten Kolbens 3 angeordnet ist. Die Kopplerkammer 7 ist zwischen dem zweiten Kolben 6 und einem inneren Bodenbereich 5 des ersten Kolbens 3 angeordnet. Dadurch kann ein kompakt ausgebildeter hydraulischer Koppler ohne Umkehr der Bewegungsrichtung der beiden Kolben bereitgestellt werden.

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 ihre Äquivalente zu verlassen.


Anspruch[de]
  1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten für ein Speichereinspritzsystem umfassend einen hydraulischen Koppler (2) mit einem ersten Kolben (3), einem zweiten Kolben (6) sowie einer zwischen den beiden Kolben angeordneten, mit Fluid gefüllten Kopplerkammer (7) und einen Piezoaktor (13), welcher mit dem ersten Kolben (3) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolben (3) im wesentlichen topfförmig ausgebildet ist und eine Aussparung (4) sowie einen inneren Bodenbereich (5) aufweist, der zweite Kolben (6) in der Aussparung (4) des ersten Kolbens (3) angeordnet ist und die Kopplerkammer (7) zwischen dem zweiten Kolben (6) und dem inneren Bodenbereich (5) des ersten Kolbens (3) angeordnet ist, wobei die Kolbenfläche (16) des zweiten Kolbens (6) kleiner als die Fläche des inneren Bodenbereichs (5) des ersten Kolbens (3) ist und in der Aussparung (4) des ersten Kolbens (3) ein Führungselement (8; 8') angeordnet ist, um den ersten Kolben (3) und den zweiten Kolben (6) zu führen.
  2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kolben (6) als Baueinheit mit einer Düsennadel (9) des Ventils ausgebildet ist.
  3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kolben (6) ebenfalls im wesentlichen topfförmig ausgebildet ist.
  4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schließfeder (10) für die Düsennadel (9) am zweiten Kolben (6) abgestützt ist.
  5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückstellfeder (11) zur Rückstellung des hydraulischen Kopplers (2) an einer Scheibe (12) abgestützt ist.
  6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (8) als zylinderförmige Buchse ausgebildet ist oder als buchsenförmiger Fortsatz an einem Gehäuse (14) des Ventils ausgebildet ist.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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