Stand der Technik
[0001] Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem hydraulischen
Übersetzer und einer Befüllvorrichtung zum Ersetzen des durch Leckage bedingten Fluidschwundes
am hydraulischen Übersetzer. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen
Injektor mit einem Piezoaktor für ein druckgesteuertes Common-Rail-System.
[0002] Bei Kraftstoffeinspritzsystemen mit Piezoaktoren wird häufig ein die Bewegung der
Düsennadel steuerndes Steuerventil nicht direkt, sondern über einen hydraulischen
Übersetzer gesteuert. Dieser Übersetzer hat zum einen die Aufgabe einer Verstärkung
des Hubes des Piezoaktors und zum anderen die Aufgabe einer Entkopplung des Steuerventils
von einer statischen Temperaturdehnung des Aktors während des Betriebes. Für eine
exakte Funktion des hydraulischen Übersetzers muss dieser immer vollständig befüllt
sein, da ansonsten der Hub des Piezoaktors nicht oder nur unvollständig übersetzt
würde. Da bei jeder Ansteuerung des hydraulischen Übersetzers ein Teil des im Übersetzer
befindlichen Fluids (in der Regel Kraftstoff) über Leckspalte aus diesem herausgedrückt
wird, muss er zwischen den Einspritzungen jeweils wieder befüllt werden. Diese Wiederbefüllung
kann beispielsweise derart realisiert werden, dass über eine entsprechende Anordnung
von Drosseln der Raildruck des Systems gedrosselt wird und für eine Befüllung des
hydraulischen Übersetzers abgegriffen wird. Dabei kann der Befülldruck entweder vom
Raildruck abhängig sein oder durch ein entsprechendes Rückschlagventil auf einem konstanten
Druck gehalten werden.
[0003] Bei der oben erläuterten Art der Befüllung ergeben sich jedoch mehrere Probleme.
Zum einen ergibt sich über die dargestellte Anordnung eine permanente Leckage, welche
sich zu der durch die Ansteuerung des hydraulischen Übersetzers auftretenden Leckage
hinzuaddiert und damit zu einer erhöhten Gesamtleckage führt. Dadurch sinkt der Wirkungsgrad
der Einspritzung. Weiterhin ist eine derartige Anordnung vergleichsweise teuer, da
sie einen Filter erfordert, um eine Verschmutzung und damit ein Zusetzen des hydraulischen
Übersetzers zu verhindern. Weiterhin müssen die Drosseln zum Drosseln des Raildrucks
mit einer hohen Genauigkeit gefertigt werden, um eine genaue Befüllung des hydraulischen
Übersetzers zu ermöglichen. Dadurch wird die bekannte Befüllvorrichtung sehr teuer.
Vorteile der Erfindung
[0004] Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 hat dem gegenüber den Vorteil, dass die Befüllung eines Druckraums des hydraulischen
Übersetzers gleichzeitig mit der Rückstellung des hydraulischen Übersetzers in dessen
Ausgangslage erfolgt. Dabei erzeugt ein erster Kolben des hydraulischen Übersetzers
mittelbar oder unmittelbar eine Verdrängungswirkung in einem Befüllraum einer Befüllvorrichtung.
Durch die Rückstellung des ersten Kolbens wird Fluid aus dem Befüllraum verdrängt
und dem Druckraum des hydraulischen Übersetzers zugeführt, um die dort aufgetretenen
Leckverluste auszugleichen. Dadurch kann erfindungsgemäß eine besonders einfach und
kompakt aufgebaute Befüllvorrichtung bereitgestellt werden, welche nur eine geringe
Anzahl von Einzelteilen aufweist, da inbesondere der erste Kolben des hydraulischen
Übersetzers als Betätigungselement der Befüllvorrichtung genutzt werden kann. Weiterhin
treten erfindungsgemäß keine zusätzlichen Leckverluste auf. Demnach wird erfindungsgemäß
eine im Ventil integrierte Befüllungspumpe für den hydraulischen Übersetzer bereitgestellt,
welche eine minimale Teileanzahl aufweist und bei jeder Rückstellung des hydraulischen
Übersetzers den Druckraum wiederbefüllt. Somit steht für jeden Einspritzvorgang ein
konstant gefüllter Druckraum bereit.
[0005] Um eine besonders kompakte Befüllvorrichtung bereitzustellen, ist der Befüllraum
der Befüllvorrichtung vorteilhaft unmittelbar an der dem Piezoaktor zugewandten Seite
des ersten Kolbens angeordnet. Dadurch kann der erste Kolben bei seiner Rückstellung
in seine Ausgangslage unmittelbar Fluid aus dem Befüllraum verdrängen und somit die
Leckverluste im Druckraum ausgleichen.
[0006] Um eine einfache Herstellbarkeit des Befüllraums zu ermöglichen; ist dieser vorzugsweise
ringförmig ausgebildet.
[0007] Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der
Befüllraum von einem Befüllergehäuse umgeben. Besonders bevorzugt ist dabei der Befüllraum
durch eine im Befüllergehäuse gebildete Aussparung gebildet.
[0008] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der
erste Kolben in einer zylinderringförmigen Hülse angeordnet.
[0009] Vorzugsweise erfolgt eine Rückstellung des hydraulischen Übersetzers mittels einem
zwischen dem Piezoaktor und dem hydraulischen Übersetzer angeordneten Federelement.
[0010] Besonders bevorzugt stützt sich das Federelement dabei am Befüllergehäuse ab. Dadurch
stellt das Federelement gleichzeitig auch eine Abdichtung zwischen dem Befüllergehäuse
und der zylinderförmigen Hülse des ersten Kolbens bereit.
[0011] Vorteilhaft ist zwischen dem Piezoaktor und dem ersten Kolben ein Zwischenkolben
angeordnet, an welchem ein scheibenförmiges Element angeordnet ist. Das scheibenförmige
Element ist dabei als Federsitz für das Federelement ausgebildet. Dadurch erfolgt
eine Rückstellung des hydraulischen Übersetzers über das scheibenförmige Element und
den Zwischenkolben, welcher fest mit dem ersten Kolben verbunden ist.
[0012] Besonders bevorzugt ist das scheibenförmige Element als Sprengring ausgebildet, welcher
in einer im Zwischenkolben gebildeten Nut angeordnet ist. Dadurch kann ein besonders
einfacher Aufbau erreicht werden.
[0013] Vorzugsweise ist ein Leckfluidleitung im Bereich des ersten Kolbens vorgesehen, um
das Leckfluid vom hydraulischen Übersetzer abzuführen.
[0014] Das erfindungsgemäße Ventil kann besonders bevorzugt in einem Speichereinspritzsystem
wie z.B. einem Common-Rail-System verwendet werden.
Zeichnung
[0015] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigt:
- Figur 1
- eine Schnittdarstellung eines Kraftstoffeinspritzventils mit einer Befüllvorrichtung
gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
[0016] Fig. 1 zeigt ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung im Schnitt. Das Ventil 1 umfasst ein Gehäuse 10, in welchem
ein Piezoaktor 2, ein hydraulischer Übersetzer 3 und ein Steuerventil 15 angeordnet
sind.
[0017] Der hydraulische Übersetzer 3 besteht aus einem ersten Kolben 4, einem zweiten Kolben
5 und einem zwischen den beiden Kolben 4, 5 angeordneten Druckraum 6. Der erste Kolben
4 steht dabei über einen Zwischenkolben 7 mit dem Piezoaktor 2 in Verbindung. Der
zweite Kolben 5 steht über ein Betätigungselement 23 mit einem Ventilglied 16 des
Steuerventils 15 in Verbindung. Der erste Kolben 4 ist in einer zylinderringförmigen
Hülse 13 angeordnet und steht fest mit dem Zwischenkolben 7 in Verbindung.
[0018] Die erfindungsgemäße Befüllvorrichtung besteht aus einem Befüllraum 11 und einem
Befüllergehäuse 12. Das Befüllergehäuse 12 ist hülsenförmig ausgebildet und ist um
den Zwischenkolben 7 herum angeordnet. Der Befüllraum 11 ist an dem zum ersten Kolben
4 gerichteten Ende des Befüllergehäuses 12 angeordnet (vgl. Fig. 1). Um eine Rückstellung
des Piezoaktors 2 bzw. des hydraulischen Übersetzers 3 zu ermöglichen, ist ein Federelement
9 vorgesehen, welches sich einerseits am Befüllergehäuse 12 abstützt und andererseits
an einem scheibenförmigen Element 8 abstützt. Das scheibenförmige Element 8, z.B.
ein Sprengring, ist in einer Nut 22 des Zwischenkolbens 7 angeordnet und dient als
Federsitz für das Federelement 9. Weiterhin ist im Bereich der Hülse 13 des ersten
Kolbens 4 eine Leckfluidleitung 14 angeordnet, um Leckfluid des hydraulischen Übersetzers
3, welches in diesem Bereich austritt, aufzunehmen und abzuführen. Die Leckfluidleitung
14 ist weiterhin mit dem Steuerventil 15 verbunden.
[0019] Wie weiterhin in Fig. 1 gezeigt, ist in einem Steuerraum 17 eine Düsennadel 18 angeordnet,
um in bekannter Weise eine Einspritzung von Kraftstoff in eine Brennkammer zu ermöglichen.
Hierbei ist zwischen dem Steuerraum 17 und dem Steuerventil eine Drossel 20 angeordnet.
Weiterhin ist in einer Verbindung zwischen dem Steuerraum 17 und einem Hochdruckzulauf
21 eine weitere Drossel 19 (Z-Drossel) angeordnet, um den Druck im Steuerraum 17 zu
verringern.
[0020] Nachfolgend wird die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Ventils beschrieben.
[0021] Wenn eine Kraftstoffeinspritzung mit dem Ventil 1 erfolgen soll, wird der Piezoaktor
2 aktiviert, so dass eine Längenänderung des Piezoaktors 2 auftritt. Diese wird über
den Zwischenkolben 7 auf den ersten Kolben 4 des hydraulischen Übersetzers 3 übertragen.
Entsprechend dem Verhältnis der Kolbendurchmesser des ersten Kolbens 4 und des zweiten
Kolbens 5 des hydraulischen Übersetzers 3 wird der Hub des Piezoaktors 2 durch den
hydraulischen Übersetzer 3 übersetzt. Über das Betätigungselement 23 wird der Hub
des zweiten Kolbens 5 auf das Steuerventil 15 übertragen, so dass das Ventilglied
16 des Steuerventils 15 von seinem Sitz abhebt. Dadurch gibt das Steuerventil 15 eine
Verbindung zwischen dem Steuerraum 17 der Leckfluidleitung 14 frei, so dass der Druck
im Steuerraum 17 sinkt. Dadurch bewegt sich die Düsennadel 18 in Richtung des Steuerventils
15, so dass die Düsennadel 18 von ihrem Ventilsitz (nicht dargestellt) abhebt und
somit eine Kraftstoffeinspritzung in bekannter Weise möglich ist.
[0022] Um die Kraftstoffeinspritzung zu beenden, wird der Piezoaktor 2 deaktiviert und eine
Rückstellung der Komponenten des Ventils 1 erfolgt mittels des Federelements 9. Dabei
wird der Piezoaktor 2 durch die Rückstellkraft des Federelements 9 über das scheibenförmige
Element 8 und den Zwischenkolben 7 unter Vorspannung gesetzt. Weiterhin wird der hydraulische
Übersetzer 3 über den Zwischenkolben 7 wieder in seine Ausgangslage zurückgezogen.
Dadurch schließt das Ventilglied 16 des Steuerventils 15 und im Steuerraum 17 baut
sich wieder der Ausgangsdruck auf, so dass die Düsennadel 18 wieder auf ihren Ventilsitz
gedrückt wird und die Einspritzung von Kraftstoff abgeschlossen ist.
[0023] Wie in Fig. 1 gezeigt, wird bei der Rückstellung des hydraulischen Übersetzers 3
der erste Kolben 4 ebenfalls wieder in seine Ausgangsstellung gebracht. Da eine ringförmige
Fläche an der zum Piezoaktor 2 gerichteten Seite des ersten Kolbens 4 unmittelbar
mit dem Befüllraum 11 in Verbindung steht, wird bei der Rückstellung des ersten Kolbens
4 Druck auf den Befüllraum 11 ausgeübt, so dass der Druckraum 6 des hydraulischen
Übersetzers über den Spalt zwischen dem Kolben 4 und der Hülse 13 wiederbefüllt werden
kann. Somit werden gleichzeitig mit der Rückstellung des hydraulischen Übersetzers
3 auch die im Druckraum 6 aufgetretenen Leckverluste unmittelbar durch die Rückstellbewegung
des Kolbens 4 ausgeglichen. Bei der Rückstellung des Ventils ist dabei der Druck im
Befüllraum 11 kleiner als die durch das Federelement 9 bereitgestellte Rückstellkraft.
Eine Wiederbefüllung des Befüllraums kann in dem relativ langen Zeitraum zwischen
den Einspritzungen erfolgen. Eine Befüllung (Auffüllung) des Befüllraums 11 kann beispielsweise
jedoch auch während der Einspritzung erfolgen, wenn zwischen einem Reservoir zur Befüllung
des Befüllraums und dem Befüllraum 11 ein Rückschlagventil angeordnet ist, welches
durch den aufgrund der Bewegung des ersten Kolbens 4 erzeugten Unterdruck im Befüllraum
11 öffnet.
[0024] Vorzugsweise wird die vorliegende Erfindung insbesondere bei Common-Rail-Dieselinjektoren
eingesetzt. Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung jedoch auch bei anderen
Ventilen mit hydraulischem Übersetzer eingesetzt werden.
[0025] Überdies kann der Befüllraum 11 nicht nur unmittelbar durch den ersten Kolben 4 betätigt
werden, sondern auch mittelbar, beispielsweise durch Vorsehen mehrerer Zwischenkolben
o.ä., betätigt werden.
[0026] Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Ventil 1 zum Steuern von Flüssigkeiten
mit einem Piezoaktor 2 und einem hydraulischen Übersetzer 3. Der hydraulische Übersetzer
3 besteht aus einem ersten Kolben 4, einem zweiten Kolben 5 und einem zwischen den
beiden Kolben angeordneten, mit Fluid gefüllten Druckraum 6. Weiter ist ein Steuerventil
15 und eine Befüllvorrichtung 11, 12 zum Ersetzen des durch Leckage bedingten Fluidverlusts
im Druckraum 6 vorgesehen. Die Befüllvorrichtung weist einen mit Fluid gefüllten Befüllraum
11 auf und Leckverluste im Druckraum 6 werden bei einer Rückstellbewegung des hydraulischen
Übersetzers 3 aufgrund einer durch den ersten Kolben 4 mittelbar oder unmittelbar
erzeugten Verdrängungswirkung im Befüllraum 11 durch Fluid aus dem Befüllraum 11 ersetzt.
[0027] Die vorhergehende Beschreibung des Ausführungsbeispiels 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.
1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Piezoaktor (2), einem hydraulischen
Übersetzer (3) bestehend aus einem ersten Kolben (4), einem zweiten Kolben (5) und
einem zwischen den Kolben angeordneten, mit Fluid gefüllten Druckraum (6), einem Steuerventil
(15) und einer Befüllvorrichtung (11, 12) zum Ersetzen des durch Leckage bedingten
Fluidverlusts im Druckraum (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Befüllvorrichtung einen mit Fluid gefüllten Befüllraum (11) aufweist, wobei Leckverluste
im Druckraum (6) bei der Rückstellbewegung des hydraulischen Übersetzers (3) aufgrund
einer durch den ersten Kolben (4) mittelbar oder unmittelbar erzeugten Verdrängungswirkung
im Befüllraum (11) durch Fluid aus dem Befüllraum (11) ersetzt wird.
2. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Befüllraum (11) unmittelbar an der dem Piezoaktor (2) zugewandten Seite des ersten
Kolbens (4) angeordnet ist.
3. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Befüllraum (11) ringförmig ausgebildet ist.
4. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Befüllraum (11) in einem Befüllergehäuse (12) angeordnet ist.
5. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolben (4) in einer zylinderringförmigen Hülse (13) angeordnet ist.
6. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellung des hydraulischen Übersetzers (3) mittels einem zwischen dem Piezoaktor
(2) und dem hydraulischen Übersetzer (3) angeordneten Federelement (9) erfolgt.
7. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Federelement 9 am Befüllergehäuse (12) abstützt.
8. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch einen zwischen dem Piezoaktor (2) und dem ersten Kolben (4) angeordneten Zwischenkolben
(7), an welchem ein scheibenförmiges Element (8) angeordnet ist, das als Federsitz
für das Federelement (9) ausgebildet ist.
9. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige Element (8) als Sprengring ausgebildet ist, welcher in einer
im Zwischenkolben (7) gebildeten Nut (22) angeordnet ist.
10. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leckfluidleitung (14) das Leckfluid im Bereich des ersten Kolbens (4) abführt.