Ventil mit piezoelektrischem Antrieb

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil mit piezoelektrischem Antrieb.

[0002] Bei bestimmten Steuerungsabläufen werden Ventile mit kurzen Reaktionszeiten benötigt. Insbesondere bei der elektronisch gesteuerten Kraftstoff-Einspritzung in Verbrennungsmotoren werden zum Erreichen von kurzen Einspritzzeiten (kleiner 0,2 ms) Einspritzventile mit extrem kleinen Öffnungs- und Schließzeiten benötigt. Ventile, die nur langsam schließen, neigen zur Tropfenbildung und bieten eine nur geringe Dosiergenauigkeit.

[0003] Die nach dem Stand der Technik ausgeführten Einspritzventile weisen im allgemeinen einen Ventilantrieb nach dem elektromagnetischen Prinzip auf. Ein derartiges Ventil wird durch einen Elektromagneten geöffnet. Eine Rückstellfeder schließt das Ventil nach Abschalten des Erregungsstroms. Um eine kleine Öffnungszeit zu erreichen, werden derartige Ventile kurzzeitig mit einem hohen Impuls hoher Erregungsstromstärke angesteuert, bevor auf den niedrigeren Haltestrom umgeschaltet wird. Der Schließvorgang kann bei elektromagnetischen Ventilen mit einer einzigen Magnetspule wegen des quadratischen Strom/Kraft-Verhaltens elektrisch nicht beeinflußt werden. Er hängt einzig von der Federkonstanten der erforderlichen Rückstellfeder und der zu bewegenden Masse der Ventilnadel ab.

[0004] Der Einsatz von piezoelektrischen Wandlern, die den elektroexpansiven Longitudinaleffekt zu antriebstechnischen Zwecken ausnutzen, ist aus der US Druckschrift US-A-4 435 666 bekannt.

[0005] Weiterhin ist aus der Schrift JP-A-62/22 86 64, die ein gattungsbildendes Ventil zeigt, ein mit einem piezoelektrischen Antriebselement versehenes Kraftstoffeinspritz Ventil für Verbrennungsmotoren bekannt. Zur Vergrößerung des Ventilhubs wird ein entsprechender Hebel verwendet.

[0006] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch Verwendung eines piezoelektrischen Antriebs mit einem annähernd linearen Zusammenhang zwischen der Ansteuerspannung für ein piezoelektrisches Stellglied und der bewirkten Auslenkung das Ventil aktiv zu öffnen und zu schließen ist, um kurze und definierte Öffnungs- und Schließzeiten zu erreichen. Dadurch kann die gewünschte Proportionalität der Einspritzmenge zur Einspritzzeit auch bei sehr kleinen Einspritzzeiten erreicht werden.

[0007] Ein Nachteil piezoelektrischer Weggeber besteht jedoch darin, daß nur relativ kleine Auslenkungen (1 - 2 %o) erzielbar sind, so daß sie nicht unmittelbar als Stellglied für Ventile verwendbar sind.

[0008] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs genannten Art zu schaffen, das auf einfache und kostengünstige Weise herstellbar ist und das Erfordernis extrem kleiner Reaktionszeiten bei definiert erzielbaren Ventilstellungen erfüllt.

[0009] Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Ventil gemäß dem Patentanspruch 1 vorgeschlagen.

[0010] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

[0011] Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen anhand einer ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel betreffenden Figur beschrieben.

[0012] Erfindungsgemäß erfolgt der Antrieb des Ventils durch ein stabförmiges, als piezoelektrisches Stellglied fungierendes Piezokeramikelement 1, das vorzugsweise einen quadratischen Querschnitt hat und mit den Abmessungen 10 mm x 10 mm x 32 mm ausgebildet ist. Es wird mit einer Spannung bis zu 150 V angesteuert und erreicht bei 150 V eine Auslenkung von 40 µm. Zur Erhöhung der Auslenkung auf Werte, die zum Öffnen eines Einspritzventils typisch sind (100 µm), ist das piezoelektrische Stellglied an der inneren Seite einer U-förmigen federharten Stahlgabel 2 eingespannt, vergl. die Figur. Bei der Auslenkung des piezoelektrischen Stellgliedes werden die freien Enden der Stahlgabel 2 durch die auftretende Hebelwirkung auseinandergedrückt. Die Stahlgabel 2 ist vorzugsweise so ausgelegt, daß die Abstandsänderung zwischen den freien Enden derselben um den Faktor 4 höher als die betreffende Oberflächenabstandsänderung des piezoelektrischen Stellglieds ist. An einem der freien Enden der Stahlgabel 2 ist über einer Durchführung ein 100 mm langer Ventilschaft 4, an dessen vorderen Ende sich der Ventilsitz befindet, fest angebracht. An dem anderen freien Ende der Stahlgabel 2 ist ein Ventilstößel 1, der durch die Durchführung gesteckt und in dem Ventilschaft 4 geführt ist und an dessen vorderem Ende sich eine Ventilnadel befindet, befestigt. Der Ventilschaft 4 und der Ventilstößel 1 sind relativ gegeneinander verschiebbar. Im inneren Teil des Ventilschafts 4 ist der Ventilstößel 3 an der Durchführung abgedichtet. Der Kraftstoffeinlaß befindet sich an dem hinteren Ende des Ventilschafts 4.

[0013] Im nicht ausgelenkten Zustand des piezoelektrischen Stellgliedes befindet sich die Ventilnadel am Ventilsitz und schließt somit das Ventil. Ist das piezoelektrische Stellglied ausgelenkt (40 µm maximal), so erfährt die Ventilnadel durch die Amplitudentransformation der Stahlgabel 2 einen Hub bis zu 160 µm und öffnet das Ventil.

[0014] Durch die sehr hohe Blockierkraft des piezoelektrischen Stellgliedes kann die Federkonstante des Stahlrahmens, nämlich der Stahlgabel 2, so hoch gewählt werden, daß das Stellglied ständig - auch bei Kontraktion - unter der mechanischen Vorspannung des Stahlrahmens steht. Somit kann das Ventil auch aktiv geschlossen werden.

[0015] Mit dem beschriebenen Ventil lassen sich Öffnungs- und Schließzeiten von kleiner als 100 µs realisieren. Dieses Verhalten ist selbst bei einer Motordrehzahl von 10 000 U/min ausreichend. Durch die extrem kurzen Einspritzzeiten (< 0,2 ms) lassen sich vorteilhafterweise Mehrfacheinspritzungen je Arbeitsspiel realisieren, was zu einer gewünschten Optimierung des Verbrennungsvorgangs benutzt werden kann.

[0016] Das Ventil hat darüber hinaus den Vorteil, daß die Einspritzmenge über den durch die Ansteuerspannung variablen Ventilhub gesteuert werden kann. Dadurch ist im Vergleich zu Einspritzventilen mit nur zwei festen Endlagen der Ventilnadel eine zusätzliche Möglichkeit der Kraftstoffdosierung gegeben.

[0017] Aufgrund der hohen Blockierkraft des piezoelektrischen Stellgliedes kann das Antriebssystem durch einen langen Ventilschaft relativ weit (100 mm) vom Ventilsitz entfernt angeordnet sein, um einen Raumgewinn für andere, motornahe Komponenten zu erzielen.

Ansprüche

1. Ventil mit einem einen Ventilsitz aufweisenden Ventilschaft (4), einem gegenüber dem Ventilschaft (4) verschiebbar gehalterten Ventilstößel (1), und einem auf den Ventilstößel (1) wirkenden Hebelmechanismus, der ein piezoelektrisches Stellglied (3) enthält,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Hebelmechanismus einen U-förmigen Rahmen (2) umfaßt, daß das piezoelektrische Stellglied (3) zwischen einem ersten und einem zweiten Schenkel des Rahmens (2) eingespannt ist, daß der Ventilschaft (4) am freien Ende des ersten Schenkels angebracht ist, und daß der Ventilstößel (1) am freien Ende des zweiten Schenkels befestigt ist und durch eine im ersten Schenkel vorhandene Durchführung ragt.

2. Ventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als piezoelektrisches Stellglied ein Piezokeramikelement (3) einer Charakteristik mit annähernd linearem Zusammenhang zwischen einer Ansteuerspannung und einer durch diese bewirkten Oberflächenabstandsänderung desselben und damit der Auslenkung des Ventilstößels (1) verwendet ist.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der U-förmige Rahmen (2) aus Stahl besteht und derart ausgelegt ist, daß die Abstandsänderung zwischen den freien Enden der beiden Schenkel um den Faktor 4 höher ist als die Oberflächenabstandsänderung des Piezokeramikelements (3).

4. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Piezokeramikelement (3) als stabförmiger Körper mit quadratischem Querschnitt mit den Abmessungen 10 mm x 10 mm x 32 mm ausgebildet ist und bei Anlegen einer Spannung von 150 Volt eine Längenänderung von 40 µm erfährt.

5. Verwendung eines Ventils nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Kraftstoff-Einspritzventil.

Claims

1. Valve with a valve stem (4) which has a valve seat, a valve plunger (1) which is mounted so as to be displaceable relative to the valve stem (4), and a lever mechanism which acts on the valve plunger (1) and which contains a piezoelectric actuator (3), characterized in that the lever mechanism comprises a U-shaped frame (2), in that the piezoelectric actuator (3) is clamped between a first leg and a second leg of the frame (2), in that the valve stem (4) is attached to the free end of the first leg, and in that the valve plunger (1) is mounted on the free end of the second leg and projects through a lead-through bushing provided in the first leg.

2. Valve according to Claim 1, characterized in that a piezoceramic element (3) having a characteristic with an approximately linear correlation between a drive voltage and a change in the spacing of the surface of the piezoceramic element caused by this drive voltage and thus the deflection of the valve plunger (1) is used as the piezoelectric actuator.

3. Valve according to Claim 1 or Claim 2, characterized in that the U-shaped frame (2) is made of steel and is designed in such a way that the change in spacing between the free ends of the two legs is higher by the factor 4 than the change in the spacing of the surface of the piezoceramic element (3).

4. Valve according to any one of the preceding claims, characterized in that the piezoceramic element (3) is in the form of a rod-shaped square-sectioned body having the dimensions 10 mm x 10 mm x 32 mm, and undergoes a 40 µm change in length when a voltage of 150 volts is applied.

5. Use of a valve according to any one of the preceding claims as a fuel injection valve.

Revendications

1. Soupape comportant une tige de soupape (4) possédant un siège de soupape, un poussoir de soupape (1) retenu de manière à être déplaçable par rapport à la tige de soupape (4), et un mécanisme à levier qui agit sur le poussoir de soupape (1) et contient un organe de réglage piézoélectrique (3),
caractérisée par le fait
que le mécanisme à levier comprend un cadre (2) en forme de U, que l'organe de réglage piézoélectrique (3) est serré entre des première et seconde branches du cadre (2), que la tige de soupape (4) est disposée sur l'extrémité libre de la première branche et que le poussoir de soupape (1) est fixé sur l'extrémité libre de la seconde branche et pénètre dans un passage ménagé dans la première branche.

2. Soupape suivant la revendication 1, caractérisée par le fait qu'un élément piézocéramique (3) possédant une caractéristique consistant en une relation approximativement linéaire entre une tension de commande et une variation de la distance entre les surfaces de cet élément, provoquée par cette tension, est utilisé en tant qu'organe de réglage piézoélectrique et par conséquent est utilisé pour déplacer le poussoir de soupape (1).

3. Soupape suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le cadre (2) en forme U est en acier et est agencé de telle sorte que la variation de distance entre les extrémités libres des deux branches est supérieure, du facteur 4, à la variation de la distance entre les surfaces de l'élément piézocéramique (3).

4. Soupape suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que l'élément piézocéramique (3) est réalisé sous la forme d'un corps en forme de barreau possédant une section transversale carrée et ayant pour dimensions 10 mm x 10 mm x 32 mm, et subit une variation de longueur de 40 µm lors de l'application d'une tension de 150 volts.

5. Utilisation d'une soupape suivant l'une des revendications précédentes en tant que soupape d'injection de carburant.

Zeichnung