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DE10002721A1 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten - Google Patents

Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten

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DE10002721A1
DE10002721A1 DE2000102721 DE10002721A DE10002721A1 DE 10002721 A1 DE10002721 A1 DE 10002721A1 DE 2000102721 DE2000102721 DE 2000102721 DE 10002721 A DE10002721 A DE 10002721A DE 10002721 A1 DE10002721 A1 DE 10002721A1
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DE
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valve
piston
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pressure
controlling liquids
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DE2000102721
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Inventor
Friedrich Boecking
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Abstract

Es wird ein Ventil (1) zum Steuern von Flüssigkeiten vorgeschlagen, welches ein Ventilelement (5), welches die Druckbeaufschlagung eines Hochdruckraumes (19) steuert, ein Steuerelement (3), welches die Betätigung des Ventilelementes (5) steuert, und einen Übersetzer (11) aufweist, welcher dem Hochdruckraum (19) vorgeschaltet ist und den durch das Ventilelement (5) beaufschlagten Druck übersetzt. Hierbei weist der Übersetzer (11) zwei separate Kolben (12, 13) auf, die durch ein elastisches Element (18) mit vorgegebener Steifigkeit gekoppelt sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Ventil sowie ein Verfahren zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß der Gattung des Patentanspruches 1 bzw. 8.
In der EP 0 477 400 A1 ist ein heute übliches Ventil beschrieben. Dort ist in einer Stufenbohrung des Ventilgehäuses ein Betätigungskolben des Ventilgliedes in einem Teil der Stufenbohrung mit kleinem Durchmesser verschiebbar angeordnet. Ein durch einen Piezoaktor bewegbarer größerer Kolben 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. Das heißt, wenn der größere Kolben durch den Piezoaktor um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird, macht der Betätigungskolben des Ventilgliedes einen um das Übersetzungverhältnis 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 Ventilgliedes, der durch den Piezoaktor bewegte Kolben und der Piezoaktor auf einer gemeinsamen Achse hintereinander.
Ferner ist aus der 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. Zusätzlich ist ein den Elektromagneten einsetzendes Nadelsteuerventil vorgesehen, welches im Injektorgehäuse montiert ist und die Nadel-Steuerkammer mit einer Hochdruckfluidquelle verbindet bzw. davon absperren kann. Hierbei ermöglicht das langsame Ansprechverhalten des Hydraulikfluid-Steuerventils eine direkte Steuerung des schnell ansprechenden Nadelventils durch den einzig eingesetzten schnellwirkenden Elektromagneten.
Bei diesen Systemen wird normalerweise eine Voreinspritzung bzw. sogenannte "boot Injektion" durch einen Piezoaktor bzw. Elektromagneten bewirkt. Dies ist jedoch nachteilig, wenn der für eine Voreinspritzung erforderliche Druck mit einem steilen Gradienten, welcher für eine sogenannte Pumpe-Düse-Einheit (PDE) typisch ist, ansteigt.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil bzw. erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. 8 haben demgegenüber den Vorteil, daß nach Erreichen des Öffnungsdrucks der Düse der Druckgradient begrenzt wird. Mit anderen Worten, durch die Verwendung eines Übersetzers kann dieser zweigeteilt werden. Dabei sind die beiden Kolben durch ein elastisches Element mit definierter Steifigkeit verbunden. Steigt der Druck auf der Hochdruckseite an und wird der Öffnungsdruck der Düse überschritten, wird über einen definierten Hub der Übersetzungskolben mit der Steifigkeit des elastischen Elementes gefördert. Wird der Hub überschritten, wirken beide Kolben einschließlich elastischen Elementes wie eine Einheit und das System erreicht einen hohen Gradienten.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsform ist der Übersetzer ein hydraulischer Übersetzer, so daß auf bekannte und kostengünstige Systeme zurückgegriffen werden kann.
Vorteilhaft hat sich als elastisches Element der Einsatz einer Spiralfeder herausgestellt, da Spiralfedern in einfacher Form mit unterschiedlichen Steifigkeiten erhältlich und daher für unterschiedliche Druckanforderungen einsetzbar sind.
Bevorzugt ist der erste der beiden Kolben durch eine Feder in der Ruheposition, in welcher sich die Einspritzdüse in der geschlossen Stellung befindet, vorgespannt, so daß erst durch adäquate Druckbeaufschlagung des Kolbens eine Einspritzung mit definiertem Zeitpunkt und definierter Menge bewirkt wird.
Um eine konstruktiv optimale räumliche Gestaltung bei gleichzeitig unabhängiger Führung der beiden Kolben zu erzielen, sind der erste und zweite Kolben jeweils mit einander zugewandten Fortsätzen ausgebildet, deren Querschnitt kleiner als der der ersten und zweiten Kolben ist. Hierdurch kann eine im wesentlichen punktuelle bzw. kleinflächige Druckübertragung vom ersten auf den zweiten Kolben mittels der einander zugewandten Fortsätze durchgeführt werden. Weiter kann das elastische Element bevorzugt umfänglich um die beiden Fortsätze angeordnet werden, so daß dar durch die Fortsätze mit kleinerem Querschnitt, im Gegensatz zu den beiden Kolbenkörpern, frei gewordene Raum optimal ausnutzbar ist.
Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist im Ruhezustand des Übersetzers ein Spalt zwischen den beiden Fortsätzen ausgebildet. Hierdurch wird zuerst der Hub des ersten Kolbens durch das elastische Element mit inhärenter Steifigkeit auf den zweiten Kolben mittelbar und erst nach dem direkten Kontakt der beiden Kolbenfortsätze unmittelbar auf den zweiten Kolben übertragen. Hierdurch kann der Gradientenverlauf des Öffnungsdrucks der Düse durch die geeignete Wahl der Steifigkeit des elastischen Elementes sowie der Dimensionierung des Spaltes zwischen den beiden Fortsätzen der bilden Kolben optimal konzipiert werden.
Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Das Ausführungsbeispiel wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Kraftstoffeinspritzventils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2A ein Diagramm des zeitlichen Druckverlaufes im Steuerraum bei Bestromung bzw. Deaktivierung des Steuerelementes;
Fig. 2B ein Fig. 2A zugeordnetes Diagramm des zeitlichen Verlaufes des Düsenhubes.
Beschreibung des Ausführungsbeispieles
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel findet das erfindungsgemäße Ventil Anwendung in einem Kraftstoffeinspritzsystem, bei dem die Einspritzpumpe und die Einspritzdüse eine Einheit bilden (sogenannte Pumpe- Düse-Einheit (PDE)). Ein derartiges Einspritzsystem ist in Fig. 1 wiedergegeben. Das Einspritzventil 1 besteht aus einer nicht dargestellten dezentralen Pumpeneinheit und einer Steuereinheit 2. Die Steuereinheit 2 umfaßt ein in einem nicht dargestellten Gehäuse angeordnetes, nicht gezeigtes Stellelement 3, etwa einen Piezoaktor, mit einem Kolben 4, der ein Steuerventil 5 ansteuert.
Hierbei ist das Steuerventil 5 in Fig. 1 über eine Feder 7 in die geschlossenen Stellung bzw. Ruheposition des Steuerventils 6 vorgespannt. Das Steuerventil 5 dient hierbei zum Öffnen und Schließen eines Railzulaufes 8 sowie eines Lecköl-Ablaufes 9.
Des weiteren wird durch das Steuerventil 5 bei einer Versetzung des Steuerventils 5 in Fig. 1 nach rechts aufgrund einer Bestromung des Steuerelementes bzw. des Piezoaktors 3 eine Verbindung zwischen Railzulauf 8 und einem Steuerraum 10 geschaffen.
An den Steuerraum 10 schließt sich in Fig. 1 ein Übersetzer 11 in Form eines hydraulischen Übersetzers an. Der Übersetzer 11 ist hierbei zweigeteilt, nämlich in einen ersten Kolben 12 und einen zweiten Kolben 13. Hierbei wird der erste Kolben 12 durch eine Feder 14 in seine Ruheposition im deaktivierten Zustand des Steuerelementes 3 vorgespannt. Der Kolben 12 ruht in der Ruheposition an einem umlaufenden Hubanschlag 15 des nicht dargestellten Gehäuses.
Der erste Kolben 12 und der zweite Kolben 13 sind jeweils mit zylindrischen Fortsätzen 16, 17 ausgebildet, welche einander zugewandt sind. Hierbei sind die beiden Fortsätze 16, 17 gegenüber den beiden Kolben 12, 13 mit geringem Durchmesser ausgebildet und in einer Spiralfeder 18 mit vorgegebener Steifigkeit geführt. Zudem ist im Ruhezustand des Übersetzers 11 ein Spalt h zwischen den beiden zylindrischen Fortsätzen 16, 17 der beiden Kolben 12, 13 ausgebildet.
Der zweite Kolben 13 ragt mit seinem dem zylindrischen Fortsatz 17 gegenüberliegenden Ende in einen Steuerraum 19, in welchen auch ein Wiederbefüllungsventil 20 mündet. An den Steuerraum 13 schließt sich in bekannter Weise die Einspritzeinheit 21 mit Einspritzdüse, usw. an.
Wirkungsweise
Im folgenden wird anhand der Ablaufdiagramme der Fig. 2A und 2B die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Einspritzventils 1 beschrieben. Wird das Steuerelement 3 in Form eines Piezoaktors bestromt, verschiebt sich der Kolben 4 in Fig. 1 nach rechts und bedingt eine Verbindung zwischen Railzulauf 8 und Steuerraum 10. Aufgrund dieser Druckzunahme im Steuerraum 10 wird der erste Kolben 12 des hydraulischen Übersetzers 11 in Fig. 1 nach unten entgegen der Federkraft der Feder 14 bewegt, sofern der Druck im Steuerraum 10 die Druckkraft der Feder 14 übersteigt. Hierdurch steigt, wie in Fig. 2A und 2B durch den Bereich A dargestellt, der Druck im Steuerraum 19 an, wobei der Öffnungsdruck der Düse in diesem Zeitintervall nicht erreicht wird.
Nimmt der Druck im Steuerraum 10 weiter zu - siehe Bereich B der Fig. 2A und 2B - wird der Druck vom ersten Kolben 12 weiterhin auf den zweiten Kolben 13 übertragen, wobei hierbei die Steifigkeit der zwischengeschalteten Feder 18 Einfluß auf die Druckübertragung zwischen den beiden Kolben 12, 13 nimmt. In dieser Phase der Druckübertragung vom Steuerraum 10 zum Steuerraum 19 wird der Düsenöffnungsdruck überschritten, so daß, entsprechend dem Verlauf von Fig. 2B, im Bereich B der Düsenhub auftritt.
Wird nunmehr bei einer weiteren Druckbeaufschlagung des ersten Kolbens 12 die vorgegebenen Steifigkeit der Feder 18 überschritten, gelangen die beiden zylindrischen Fortsätze 16, 17 der beiden Kolben 12, 13 in Kontakt und wirken während der weiteren Druckzunahme als eine Einheit. Dieser Kontaktzeitpunkt zwischen den beiden Kolben 12, 13 ist in Fig. 2A mit X gekennzeichnet. Zu diesem Zeitpunkt X ist die Einspritzdüse maximal geöffnet und behält diesen Öffnungszustand während der weiteren Druckzunahme im Steuerraum 19 bei.
Wird nunmehr das Steuerelement S deaktiviert, schließt sich das Steuerventil 5, und der im Steuerraum 10 existente Druck kann sich über den Lecköl-Ablauf 9 entspannen. Demgemäß wird natürlich auch der Druck im Steuerraum 19 reduziert, so daß sich die Einspritzdüse schließt.
Durch diese Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Ventils und Verfahrens zum Steuern von Flüssigkeiten ist bei einer Voreinspritzung oder "boot Injektion" bei kleinem Druck und kleinem Druckgradienten eine präzise Einspritzmenge darstellbar. Dennoch bleibt ein adäquater Druckgradient für eine Haupteinspritzung erhalten.
Die vorliegenden Erfindung kann selbstverständlich auch bei anders ausgestalteten Ventilen mit mechanischen Übersetzern verwendet werden.
Die vorhergehende Beschreibung des Ausführungsbeispieles gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zur Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, um den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims (9)

1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Ventilelement (5), welches die Druckbeaufschlagung eines Hochdruckraumes (19) steuert, mit einem Steuerelement (3), welches die Betätigung des Ventilelementes (5) steuert und mit einem Übersetzer (11), welcher dem Hochdruckraum (19) vorgeschaltet ist und den durch das Ventilelement (5) beaufschlagten Druck übersetzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Übersetzer (11) zwei separate Kolben (12, 13) aufweist, die durch ein elastisches Element (18) mit vorgegebener Steifigkeit gekoppelt sind.
2. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übersetzer (11) ein hydraulischer Übersetzer ist.
3. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (18) als Spiralfeder ausgebildet ist.
4. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste der beiden Kolben (12) durch eine Feder (14) in seine Ruheposition vorgespannt ist.
5. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Kolben (12, 13) jeweils mit einander zugewandten Fortsätzen (16, 17) ausgebildet sind, deren Querschnitt kleiner als der des ersten oder zweiten Kolbens (12, 13) ist.
6. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Fortsätze (16, 17) des ersten und zweiten Kolbens (12, 13) innerhalb des elastischen Elementes (18) verlaufen.
7. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Ruhezustand des Übersetzers (11) ein Spalt (h) zwischen den beiden Fortsätzen (16, 17) ausgebildet ist.
8. Verfahren zum Steuern von Flüssigkeiten, bei welchem ein Steuerelement (3) aktiviert wird, ein Ventilelement (5) von dem Steuerelement (3) betätigt wird, durch die Betätigung des Ventilelementes (5) ein Übersetzer (11) angesteuert wird und der Übersetzer (11) wiederum einen Hochdruckraum (9) mit Druck beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Betätigung des Ventilelementes (5) Druck auf einen ersten Kolben (12) des Übersetzers (11) ausgeübt wird, so daß der erste Kolben (12) versetzt wird, daß durch die Versetzung des ersten Kolbens (12) ein elastisches Element (18) mit vorgegebener Steifigkeit zusammengepreßt wird, und daß der auf das elastische Element (18) aufgebrachte Druck schließlich auf einen zweiten Kolben (13) übertragen wird, welcher von dem ersten Kolben (12) beabstanded ist und den Hochdruckraum (19) mit Druck beaufschlagt.
9. Verfahren zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Kolben (12, 13) bei einer vorgegebenen die Steifigkeit des elastischen Elementes (18) übersteigenden Druckbeaufschlagung mittels Betätigung des Ventilelementes (5) miteinander in Kontakt gelangen und als eine Einheit wirken.
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