DE3205654A1 - DOSING VALVE - Google Patents
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Abstract
1 Ein Dosierventil, beispielsweise ein Öl-Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine umfaßt ein hohles Gehäuse (1) mit einer Einlaßleitung (28, 27, 35) und einer Auslaßöffnung (32), eine Membran (22), die das Innere des Gehäuses (1) in zwei getrennte Kammern unterteilt, ein piezoelektrisches Stellglied (11) in einer der beiden Kammern, das durch eine Anzahl übereinander gestapelter hierzu elektrischer Scheiben gebildet ist und an einem Ende mit der Membran (22) verbunden ist, eine Stellschraube (14) zur Verbindung des anderen Endes des Stellgliedes (11) mit dem Gehäuse (1) zur Einstellung der axialen Position des Stellgliedes (11) in dem Gehäuse (1) und eine koaxial zu dem Stellglied (11) ausgerichtete Ventilspindel (24) in der anderen Kammer des Gehäuses (1), die durch Längenänderungen des Stellgliedes (1) bei Anlegen und Abschalten einer Spannung in Längsrichtung zwischen einer Position, in der sie die Auslaßöffnung (32) verschließt, und zwischen einer geöffneten Stellung verschiebbar ist, in der eine Fluidverbindung zwischen der Einlaßleitung (28, 27, 35) und der Auslaßöffnung (32) besteht.1 A metering valve, for example an oil injection valve for an internal combustion engine, comprises a hollow housing (1) with an inlet line (28, 27, 35) and an outlet opening (32), a membrane (22) which encompasses the interior of the housing (1) divided into two separate chambers, a piezoelectric actuator (11) in one of the two chambers, which is formed by a number of stacked electrical disks for this purpose and is connected at one end to the membrane (22), an adjusting screw (14) for connecting the the other end of the actuator (11) with the housing (1) for adjusting the axial position of the actuator (11) in the housing (1) and a valve spindle (24) aligned coaxially to the actuator (11) in the other chamber of the housing ( 1), which by changing the length of the actuator (1) when applying and switching off a voltage in the longitudinal direction between a position in which it closes the outlet opening (32) and between an open position shift ar, in which there is a fluid connection between the inlet line (28, 27, 35) and the outlet opening (32).
Description
Die Erfindung betrifft ein Dosierventil gem. dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem Dosierventil, das als Stellglied ein piezoelektrisches Element aufweist.The invention relates to a metering valve according to the preamble of the main claim. In particular, the invention is concerned with a metering valve which has a piezoelectric element as an actuator.
Herkömmliche, durch Magnetspulen betätigte Dosierventile werden aufgrund ihrer Eignung für den Einsatz in Verbindung mit zentralen Steuersystemen und aufgrund ihrer hervorragenden Ansprecheigenschaften in einer Vielzahl verschiedener Anwendungsgebiete verwendet. Derartige spulenbetätigte Dosierventile werden herkömmlicherweise jedoch in der Regel zum Dosieren von unter niedrigem Druck stehenden Fluiden benutzt und sind nicht für die Dosierung unter hohem Druck stehender Fluide geeignet, da in diesem Fall die Ansprechcharakteristik nicht zufriedenstellend ist und keine hinreichende Dosiergenauigkeit erreicht wird. Dies liegt in erster Linie daran, daß die Regulierung von Hochdruckfluiden außerordentlich hohe elektromagnetische Kräfte erfordert, so daß entsprechend große und schwere Erregerspulen und Stellglieder benötigt werden, die aufgrund ihrer Trägheit die Ansprechcharakteristik des Ventils beeinträchtigen.Conventional solenoid operated metering valves are used in a variety of different areas of application because of their suitability for use in connection with central control systems and because of their excellent response properties. However, such coil-actuated metering valves are conventionally used as a rule for metering fluids under low pressure and are not suitable for metering fluids under high pressure, since in this case the response characteristic is unsatisfactory and sufficient metering accuracy is not achieved. This is primarily due to the fact that the regulation of high-pressure fluids requires extremely high electromagnetic forces, so that correspondingly large and heavy excitation coils and actuators are required which, because of their inertia, impair the response characteristics of the valve.
Für die Regulierung von Hochdruckfluiden werden daher herkömmlicherweise elektrisch oder hydraulisch betätigte Servoventile verwendet. Die mit derartigen Servoventilen erreichbaren Ansprechzeiten betragen in der Regel jedoch mehr als 0,5 msec. und können in keinem Fall unter 0,1 msec. verringert werden.For the regulation of high pressure fluids, therefore, electrically or hydraulically operated servo valves are conventionally used. However, the response times that can be achieved with such servo valves are generally more than 0.5 msec. and can in no case be less than 0.1 msec. be reduced.
Die Erfindung ist daher darauf gerichtet, ein Dosierventil, insbesondere zur Regulierung unter hohem Druck stehender Fluide zu schaffen, das eine kürzere Ansprechzeit aufweist.The invention is therefore directed to creating a metering valve, in particular for regulating fluids under high pressure, which has a shorter response time.
Die Erfindung ergibt sich im Einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.The invention results in detail from the characterizing part of the main claim. Advantageous further developments of the invention are listed in the subclaims.
Ein erfindungsgemäßes Dosierventil umfaßt ein hohles Gehäuse mit einem Fluid-Einlaß und einem Fluid-Auslaß, ein flexibles Trennelement, beispielsweise in Form einer Membran, die das Innere des Gehäuses in zwei getrennte Kammern unterteilt, ein in einer der Kammern untergebrachtes piezoelektrisches Stellglied, das durch eine Vielzahl übereinandergestapelter piezoelektrischer Scheiben gebildet und mit elektrischen Leitungen zum Anlegen einer Spannung an das Stellglied versehen ist, sowie eine in der anderen Kammer koaxial zu dem Stellglied ausgerichtete Ventilspindel, die in axialer Richtung zwischen einer geschlossenen Stellung, in der die Verbindung zwischen dem Einlaß und dem Auslaß unterbrochen ist und einer geöffneten Stellung, in der eine Fluidverbindung zwischen dem Ein- und Auslaß besteht, verschiebbar ist. Das Stellglied ist durch Anlegen einer Spannung in seinen axialen Abmessungen veränderbar und am anderen Ende über eine Stellschraube derart mit dem Gehäuse verbunden, daß die axiale Position des Stellgliedes in dem Gehäuse mit Hilfe der Stellschraube einstellbar ist.A metering valve according to the invention comprises a hollow housing with a fluid inlet and a fluid outlet, a flexible separating element, for example in the form of a membrane, which divides the interior of the housing into two separate chambers, a piezoelectric actuator housed in one of the chambers, which by a plurality of stacked piezoelectric disks is formed and provided with electrical lines for applying a voltage to the actuator, as well as a valve spindle aligned in the other chamber coaxially to the actuator, which is axially between a closed position in which the connection between the inlet and the outlet is interrupted and an open position, in which there is a fluid connection between the inlet and outlet, is displaceable. The actuator can be changed in its axial dimensions by applying a voltage and is connected at the other end via an adjusting screw to the housing in such a way that the axial position of the actuator in the housing can be adjusted with the aid of the adjusting screw.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Stellglied an dem mit der Membran verbundenen Ende mit der Ventilspindel verbunden. In einer anderen Ausführungsform weist das Stellglied einen vorgegebenen axialen Abstand zu der Ventilspindel auf, wenn sich diese in ihrer geschlossenen Stellung befindet. In diesem Fall umfaßt das Gehäuse bevorzugt zwei getrennte und einstellbare, miteinander verbundene Wandabschnitte. Das Stellglied ist dann über die Stellschraube derart mit einem der Wandabschnitte verbunden, daß eine axiale Position in bezug auf den anderen Wandabschnitt einstellbar ist.In one embodiment of the invention, the actuator is connected to the valve spindle at the end connected to the membrane. In another embodiment, the actuator has a predetermined axial distance from the valve spindle when the latter is in its closed position. In this case the housing preferably comprises two separate and adjustable wall sections connected to one another. The actuator is then connected to one of the wall sections via the adjusting screw in such a way that an axial position can be adjusted with respect to the other wall section is.
Bevorzugt weist das erfindungsgemäße Dosierventil ferner einen in axialer Richtung zwischen der Membran und der Ventilspindel angebrachten Abstandshalter auf. Der Abstandshalter ist mit einer Öffnung versehen, durch die die Ventilspindel in axialer Richtung von der Membran weg und auf die Membran zu beweglich und über die Membran mit dem Stellglied in Berührung bringbar ist. In diesem Fall ist die Ventilspindel bevorzugt derart in dem Gehäuse angebracht, daß sie in ihrer geschlossenen Stellung einen vorgegebenen Abstand zu dem Abstandshalter aufweist, der größer ist als der zuvor erwähnte Abstand zwischen der Ventilspindel und dem Stellglied.The metering valve according to the invention preferably also has a spacer attached in the axial direction between the membrane and the valve spindle. The spacer is provided with an opening through which the valve spindle can be moved in the axial direction away from the membrane and towards the membrane and can be brought into contact with the actuator via the membrane. In this case, the valve spindle is preferably mounted in the housing in such a way that, in its closed position, it has a predetermined distance from the spacer which is greater than the aforementioned distance between the valve spindle and the actuator.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.In the following, preferred exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the accompanying drawings.
Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein Dosierventil gem. einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;1 is a longitudinal section through a metering valve according to a first embodiment of the invention;
Fig. 2 A ist ein Weg-Spannungs-Diagramm für das Dosierventil aus Fig. 1;FIG. 2A is a displacement-voltage diagram for the metering valve of FIG. 1;
Fig. 2 B ist ein Last-Spannungs-Diagramm für das Dosierventil aus Fig. 1;Figure 2B is a load versus voltage diagram for the metering valve of Figure 1;
Fig. 3 ist ein Diagramm, in dem der gestrichelte Graph den Spannungsverlauf und der durchgezogene Graph den zugehörigen Verschiebungsweg eines piezoelektrischen Stellgliedes des Ventils aus Fig. 1 angibt;3 is a diagram in which the dashed graph indicates the voltage profile and the solid graph indicates the associated displacement of a piezoelectric actuator of the valve from FIG. 1;
Fig. 4 ist ein Längsschnitt ähnlich Fig. 1 und zeigt ein Dosierventil gem. einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.Fig. 4 is a longitudinal section similar to Fig. 1 and shows a metering valve according to a second embodiment of the invention.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Dosierventil mit einem im wesentlichen hohlzylindrischen Gehäuse 1, das ein Stellglied-Gehäuse 2 mit einem axialen Außengewinde-Abschnitt 3 und ein Ventilgehäuse 4 mit einem axialen Innengewindeabschnitt 5 umfaßt. Das Ventilgehäuse 4 ist mit seinem Innengewindeabschnitt 5 auf den Außengewindeabschnitt 3 des Stellglied-Gehäuses 2 aufgeschraubt. Das Stellglied-Gehäuse 2 umfaßt zwei Wandbereiche, nämlich eine erste Wand oder Stirnwand 6 mit einer axialen Gewindebohrung 7 und eine zylindrische zweite Wand oder Umfangswand 8 mit Kabelöffnungen 9, 9' und einer Belüftungsöffnung 10. Das Stellglied-Gehäuse 2 nimmt ein piezoelektrisches Stellglied 11 auf. Das Stellglied 11 ist durch einen Stab gebildet, der seinerseits aus einer Anzahl übereinandergestapelter piezoelektrischer Scheiben besteht. Das Stellglied 11 weist isolierende Stirnplatten 12, 13 auf, die an den gegenüberliegenden Stirnflächen des Stabes befestigt sind und ist mit Hilfe einer Stellschraube 14 an der Innenfläche der Stirnwand 6 des Gehäuses 2 befestigt. Die Stellschraube 14 ist an ihrem freien Ende fest mit der Stirnplatte 12 verbunden und in die Gewindebohrung 7 eingeschraubt. Die axiale Position des piezoelektrischen Stellgliedes 11 innerhalb des Gehäuses 2 ist somit dadurch einstellbar, daß die Stellschraube 14 in bezug auf das Gehäuse 2 in die eine oder andere Richtung um ihre Längsachse gedreht wird. Das auf diese Weise mit der Stirnwand 6 verbundene Stellglied 11 reicht im Inneren des Gehäuses 2 bis dicht an das der Stellschraube 14 gegenüberliegende Ende des Gehäuses 2. Das piezoelektrische Stellglied 11 ist über durch die Kabelöffnungen 9 bzw. 9' verlaufende elektrische Leitungen 15 und 15' mit einer geeigneten, nicht gezeigten Gleich- spannungsquelle verbunden. Durch die Belüftungsöffnung 10 wird ständig eine Verbindung zwischen dem Inneren des Stellglied-Gehäuses 2 und der Umgebung aufrecht erhalten.1 shows a metering valve according to the invention with an essentially hollow cylindrical housing 1 which comprises an actuator housing 2 with an axially external thread section 3 and a valve housing 4 with an axial internal thread section 5. The valve housing 4 is screwed with its internally threaded section 5 onto the externally threaded section 3 of the actuator housing 2. The actuator housing 2 comprises two wall areas, namely a first wall or end wall 6 with an axial threaded bore 7 and a cylindrical second wall or peripheral wall 8 with cable openings 9, 9 'and a ventilation opening 10. The actuator housing 2 accommodates a piezoelectric actuator 11 on. The actuator 11 is formed by a rod which in turn consists of a number of stacked piezoelectric disks. The actuator 11 has insulating end plates 12, 13 which are fastened to the opposite end faces of the rod and is fastened to the inner surface of the end wall 6 of the housing 2 with the aid of a set screw 14. The adjusting screw 14 is firmly connected at its free end to the face plate 12 and screwed into the threaded hole 7. The axial position of the piezoelectric actuator 11 within the housing 2 is thus adjustable in that the adjusting screw 14 is rotated with respect to the housing 2 in one direction or the other about its longitudinal axis. The actuator 11 connected in this way to the end wall 6 extends inside the housing 2 close to the end of the housing 2 opposite the adjusting screw 14. The piezoelectric actuator 11 is via electrical lines 15 and 15 running through the cable openings 9 and 9 ' '' with a suitable, not shown equal voltage source connected. A connection between the interior of the actuator housing 2 and the environment is constantly maintained through the ventilation opening 10.
Das Ventilgehäuse 4 weist einen in axialer Richtung entgegengesetzt zu dem Stellglied-Gehäuse 2 vorspringenden hohlzylindrischen Hülsenabschnitt 16 mit einer koaxial zu der Gewindebohrung 7 des Gehäuses 2 ausgerichteten Axialbohrung 17 auf. In dem Hülsenabschnitt 16 ist eine zylindrische Ventil-Führungsbuchse 18 befestigt, die Teil des Gehäuses 1 ist und eine Stirnwand 19 mit einer koaxial zu der Axialbohrung 17 ausgerichteten und in diese übergehenden Öffnung 20 versehen ist. Das Stellglied-Gehäuse 2 und die Führungsbuchse 18 sind in axialer Richtung durch einen im wesentlichen ringförmigen Abstandhalter 21 voneinander getrennt, der an der inneren Oberfläche der Umfangswand des Ventilgehäuses 4 befestigt ist. Eine flexible Membran 22 ist mit ihrem äußeren Umfangsrand fest zwischen dem Abstandshalter 21 und dem inneren Ende des Stellglied-Gehäuses 2 eingefügt. Die Membran 22 bildet eine flexible Trennwand des erfindungsgemäßen Dosierventils und definiert innerhalb des ringförmigen Abstandhalters 21 eine hermetisch gegenüber dem Inneren des Stellglied-Gehäuses 2 abgeschlossene Ventilkammer 21. Eine Ventilspindel 24 ist in axialer Richtung in der Führungsbuchse 18 verschiebbar und weist einen in Richtung auf die Öffnung 20 in der Stirnwand 19 der Buchse 18 vorspringenden, spitz zulaufenden Endabschnitt auf. Somit dient die mit der Öffnung 20 versehene Stirnwand 19 der Führungsbuchse 18 als Ventilsitz für die Ventilspindel 24. Die Ventilspindel 24 weist in ihrer äußeren Umfangswand eine Anzahl axial verlaufender Kanäle 25 auf, durch die eine Fluidverbindung in Axialrichtung über die Länge der Ventilspindel 24 hergestellt wird. Die Ventilspindel 24 ist über einen axialen, entgegengesetzt zu dem spitz zulaufenden Endabschnitt vorspringenden Schaft 26 fest mit der Membran 22 und dem piezoelektrischen Stellglied verbunden.The valve housing 4 has a hollow-cylindrical sleeve section 16 projecting axially opposite to the actuator housing 2 with an axial bore 17 aligned coaxially with the threaded bore 7 of the housing 2. A cylindrical valve guide bushing 18, which is part of the housing 1 and an end wall 19 is provided with an opening 20 which is coaxially aligned with the axial bore 17 and merges into the latter, is fastened in the sleeve section 16. The actuator housing 2 and the guide bush 18 are separated from one another in the axial direction by a substantially annular spacer 21 which is fastened to the inner surface of the peripheral wall of the valve housing 4. A flexible diaphragm 22 is fixedly inserted with its outer peripheral edge between the spacer 21 and the inner end of the actuator housing 2. The membrane 22 forms a flexible partition wall of the metering valve according to the invention and defines within the annular spacer 21 a valve chamber 21 which is hermetically sealed from the interior of the actuator housing 2 Opening 20 in the end wall 19 of the socket 18 projecting, tapered end portion. The end wall 19 of the guide bush 18 provided with the opening 20 thus serves as a valve seat for the valve spindle 24. The valve spindle 24 has a number of axially extending channels 25 in its outer circumferential wall, through which a fluid connection is established in the axial direction over the length of the valve spindle 24 . The valve spindle 24 is fixedly connected to the diaphragm 22 and the piezoelectric actuator via an axial shaft 26 projecting opposite the tapered end section.
Das freie Ende des Schaftes 26 ist an der Membran 22 und an der Stirnplatte 13 des Stellgliedes 11 befestigt. Somit sind die Ventilspindel 24, die Membran 22 und die Stirnplatte 13 des Stellgliedes 11 gemeinsam in Axialrichtung in bezug auf die Gehäuse 2 und 4 beweglich.The free end of the shaft 26 is attached to the membrane 22 and to the end plate 13 of the actuator 11. Thus, the valve spindle 24, the membrane 22 and the end plate 13 of the actuator 11 can be moved together in the axial direction with respect to the housings 2 and 4.
Die Axialbohrung 17 des Hülsenabschnittes 16 des Ventilgehäuses 4 und die Öffnung 20 in der Stirnwand 19 der Führungsbuchse 18 sind Teil einer Fluid-Einlaßleitung, die mit einer geeigneten Fluidquelle, beispielsweise einer nicht gezeigten Ölpumpe oder eines Ölreservoirs einer Brennkraftmaschine in Verbindung steht. Während des Betriebs des Dosierventils ist die Ventilspindel 24 dauernd oder periodisch dem Druck des von der Fluidquelle geförderten Öls ausgesetzt. Andererseits bilden die Ventilkammer 23 innerhalb des ringförmigen Abstandshalters 21 und die axialen Kanäle 25 in der äußeren Umfangswand der Ventilspindel 24 einen Teil einer Fluid-Auslaßleitung, die ferner einen Kanal 27 in dem Abstandshalter 21 und einen in der Umfangswand 8 des Stellglied-Gehäuses 2 ausgebildeten Kanal 28 umfaßt. Die durch die Ventilkammer 23 und die Kanäle 25, 27, 28 gebildete Auslaßleitung führt zu einer geeigneten Fluid abgebenden Einrichtung, beispielsweise einer nicht gezeigten Öl-Einspritzdüse einer Brennkraftmaschine.The axial bore 17 of the sleeve section 16 of the valve housing 4 and the opening 20 in the end wall 19 of the guide bush 18 are part of a fluid inlet line which is connected to a suitable fluid source, for example an oil pump (not shown) or an oil reservoir of an internal combustion engine. During the operation of the metering valve, the valve spindle 24 is continuously or periodically exposed to the pressure of the oil conveyed by the fluid source. On the other hand, the valve chamber 23 within the annular spacer 21 and the axial channels 25 in the outer circumferential wall of the valve spindle 24 form part of a fluid outlet conduit, which also forms a channel 27 in the spacer 21 and one in the circumferential wall 8 of the actuator housing 2 Channel 28 includes. The outlet line formed by the valve chamber 23 and the channels 25, 27, 28 leads to a suitable fluid-emitting device, for example an oil injection nozzle (not shown) of an internal combustion engine.
Jede der piezoelektrischen Scheiben, die den oben erwähnten Stab des Stellgliedes 11 bilden, besteht aus einem piezoelektrischen Material wie beispielsweise piezoelektrischer Keramik, Quarz, Rochellesalz oder Polyvinyliden. Ein typisches Beispiel einer piezoelektrischen Keramik ist eine Zweikomponenten-Keramik wie Bleititanat-Bleizirkonat (PbZrO[tief]3-PbTiO[tief]3), die zu einer Serie im Handel unter dem Namen PZT erhältlicher piezoelektrischer Keramiken gehört.Each of the piezoelectric disks constituting the above-mentioned rod of the actuator 11 is made of a piezoelectric material such as piezoelectric ceramic, quartz, Rochelle salt or polyvinylidene. A typical example of a piezoelectric ceramic is a two-component ceramic such as lead titanate-lead zirconate (PbZrO [deep] 3-PbTiO [deep] 3), which belongs to a series of piezoelectric ceramics commercially available under the name PZT.
Wenn an eine beispielsweise aus piezoelektrischer Keramik bestehende Scheibe eine Spannung angelegt wird, führt dies auf- grund des bekannten piezoelektrischen Effektes je nach Polarität der angelegten Spannung zu einer Ausdehnung oder Kontraktion der Scheibe. Die Ausdehnung oder Kontraktion einer einzelnen piezoelektrischen Scheibe ist von verhältnismäßig geringer Größenordnung und beträgt beispielsweise nicht mehr als 0,4 µm, bei einer Scheibendicke von 0,5 mm, einem piezo-elektrischen Modul von 400 x 10 - 12 m/V und einer angelegten Gleichspannung von 400 Volt. Wenn jedoch eine Anzahl von n derartiger Scheiben übereinandergestapelt sind, addieren sich die Verformungen der einzelnen Scheiben, so daß sich insgesamt für den piezoelektrischen Stab eine Verformung von n x 0,4 µm, beispielsweise 40 µm bei insgesamt 100 Scheiben ergibt. Während somit das piezoelektrische Stellglied 11 des in Fig. 1 gezeigten Dosierventiles aus einer bestimmten Anzahl von Scheiben besteht, die jeweils einen Durchmesser von 10 mm und eine Dicke von 0,5 mm aufweisen und derart gewählt sind, daß sich bei einer angelegten Gleichspannung von 400 Volt eine Gesamtverformung des aus den Scheiben gebildeten Stabes von 40 µm ergibt, erhält man eine Weg-Spannungs-Charakteristik wie sie durch die hystere Schleife a, a' in Fig. 2 A angegeben ist. Unter "Weg" ist in diesem Zusammenhang der Weg zu verstehen, um den sich der aus den Scheiben gebildete Stab insgesamt zusammenzieht oder ausdehnt. Diese Weg-Spannungs-Charakteristik entspricht einer Weg-Last-Charakteristik, wie sie durch den Graphen b in Fig. 2 B angegeben ist. Dabei entspricht die auf der Abszisse aufgetragene Last einer in Axialrichtung auf den Stab ausgeübten mechanischen Kraft.If a voltage is applied to a disk made of piezoelectric ceramic, for example, this leads to due to the known piezoelectric effect, depending on the polarity of the applied voltage, an expansion or contraction of the disc. The expansion or contraction of an individual piezoelectric disk is of a relatively small order of magnitude and is, for example, no more than 0.4 μm, with a disk thickness of 0.5 mm, a piezoelectric module of 400 × 10-12 m / V and an applied DC voltage of 400 volts. If, however, n such disks are stacked one on top of the other, the deformations of the individual disks add up, so that a total of n × 0.4 μm, for example 40 μm, for a total of 100 disks results for the piezoelectric rod. Thus, while the piezoelectric actuator 11 of the metering valve shown in Fig. 1 consists of a certain number of discs, each having a diameter of 10 mm and a thickness of 0.5 mm and are selected such that with an applied DC voltage of 400 Volts results in a total deformation of the rod formed from the disks of 40 μm, a displacement-voltage characteristic is obtained as indicated by the hysteresis loop a, a 'in FIG. 2A. In this context, “path” is to be understood as the path by which the rod formed from the disks contracts or expands as a whole. This path-voltage characteristic corresponds to a path-load characteristic as indicated by graph b in FIG. 2B. The load plotted on the abscissa corresponds to a mechanical force exerted on the rod in the axial direction.
Wenn die Ventilspindel 24 des in Fig. 1 gezeigten Dosierventils eine von dem Fluid beaufschlagte Querschnittsfläche von 3,14 mm² aufweist und in der mit der Fluidquelle verbundenen Einlaßleitung ein Fluiddruck von 2000 kN/cm² herrscht, wird die Ventilspindel 24 in Axialrichtung mit einer Kraft von 62,8 N von der Stirnwand 19 der Führungsbuchse 18 weggedrückt. Die Ventilspindel 24 kann daher gegen diese Kraft in einer Stellung gehalten werden, in der sie die Öffnung 20 der Stirnwand 19 verschließt, wenn die Stellschraube 14 in dem Stellglied-Gehäuse 2 soweit angezogen ist, daß das Stellglied 11 die Ventilspindel 24 mit einer Kraft gegen die Stirnwand 19 der Führungsbuchse 18 drückt, die größer als die durch den Fluiddruck auf die Ventilspindel 24 ausgeübte Kraft ist. Wenn das in Fig. 1 gezeigte Dosierventil in dieser Weise eingestellt ist, wird der Betrag der Längenänderung des das Stellglied 11 bildenden piezoelektrischen Stabes etwas kleiner als 40 µm, wie aus der Weg-Last-Charakteristik aus Fig. 2 B hervorgeht. Die ursprünglich durch die Stellschraube 14 auf das Stellglied 11 ausgeübte Kraft, die dem zum Verschieben der Ventilspindel 24 gegen die Kraft des Stellgliedes 11 erforderlichen Fluiddruck entspricht, kann somit dadurch eingestellt werden, daß die Stellschraube 14 in der einen oder anderen Richtung um die Längsachse in bezug auf das Stellglied-Gehäuse 2 gedreht wird. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Leitungen 15, 15' derart mit dem piezoelektrischen Stellglied 11 verbunden, daß sich dieses Stellglied insgesamt in Längsrichtung zusammenzieht, wenn eine Gleichspannung angelegt wird. Während bei den Leitungen 15/15' beispielsweise eine Gleichspannung von 400 V an das piezoelektrische Stellglied angelegt wird, bewegt sich die mit dem Stellglied 11 über den Schaft 26 verbundene Ventilspindel 24 in Axialrichtung um einen Weg von beispielsweise 40 µm von der Stirnwand 19 der Führungsbuchse 18 weg, so daß die Öffnung 20 dieser Stirnwand 19 zu den axialen Kanälen 25 in der Ventilspindel 24 hin geöffnet ist und über diese Kanäle 25 mit der hinter der Ventilspindel 24 gelegenen Ventilkammer 23 in Verbindung steht. Versuche des Erfinders haben gezeigt, daß die Ventilspindel 24, wenn sie sich in ihrer Schließstellung befindet, etwa 100 Mikrosec. nach dem Einschalten der Spannung ihre vollständig geöffnete Stellung erreicht, wie anhand der Kurven c, d in Fig. 3 zu erkennen ist. Die gestrichelte Kurve c in Fig. 3 gibt das Spannungsniveau und die durchgezogene Kurve d den daraus resultierenden Weg des Stellgliedes 11 in Abhängigkeit von der Zeit an. Das aus der Fluidquelle über die Axialbohrung 17 des Ventilgehäuses 4 zu der Öffnung 20 ge- langende Fluid strömt durch die Kanäle 25 und die Ventilkammer 23 zu den Kanälen 27, 28 in der Führungsbuchse 18, bzw. dem Stellglied-Gehäuse 2 und von da zu dem Verbraucher, beispielsweise einer Öl-Einspritzdüse einer Brennkraftmaschine. Wenn die Spannungsversorgung des piezoelektrischen Stellgliedes 11 unterbrochen ist, nimmt der Stab seine ursprüngliche Länge an und verschiebt die Ventilspindel 24 derart, daß sie wieder die Öffnung 20 in der Führungsbuchse 18 verschließt und die Fluidverbindung zwischen dieser Öffnung 20 und der Ventilkammer 23 unterbricht. Wenn das piezoelektrische Stellglied alternierend betätigt wird, so daß es sich abwechselnd ausdehnt und zusammenzieht, führt die Ventilspindel 24 eine hin und hergehende Bewegung in Axialrichtung aus, so daß die Öffnung 20 in der Führungsbuchse 18 abwechselnd geöffnet und geschlossen wird, dabei wird die zwischen dem Stellglied 11 und der Ventilspindel 24 angebrachte Membran 22 verformt oder teilweise mitbewegt. Wenn sich Fluid in der Ventilkammer 23 befindet, verhindert die Membran 22, daß das Fluid in das Innere des Stellglied-Gehäuses 2 eindringt.If the valve spindle 24 of the metering valve shown in Fig. 1 has a cross-sectional area acted upon by the fluid of 3.14 mm² and there is a fluid pressure of 2000 kN / cm² in the inlet line connected to the fluid source, the valve spindle 24 is in the axial direction with a force of 62.8 N pushed away from the end wall 19 of the guide bush 18. The valve spindle 24 can therefore counteract this force be held in a position in which it closes the opening 20 of the end wall 19 when the adjusting screw 14 in the actuator housing 2 is tightened to such an extent that the actuator 11 presses the valve spindle 24 with a force against the end wall 19 of the guide bush 18, which is greater than the force exerted on the valve stem 24 by the fluid pressure. When the metering valve shown in FIG. 1 is set in this way, the amount of change in length of the piezoelectric rod forming the actuator 11 becomes somewhat smaller than 40 μm, as can be seen from the displacement-load characteristic of FIG. 2B. The force originally exerted by the adjusting screw 14 on the actuator 11, which corresponds to the fluid pressure required to move the valve spindle 24 against the force of the actuator 11, can thus be adjusted by turning the adjusting screw 14 in one direction or the other around the longitudinal axis is rotated with respect to the actuator housing 2. In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the lines 15, 15 'are connected to the piezoelectric actuator 11 in such a way that this actuator contracts as a whole in the longitudinal direction when a direct voltage is applied. While a direct voltage of 400 V is applied to the piezoelectric actuator on the lines 15/15 ', the valve spindle 24 connected to the actuator 11 via the shaft 26 moves in the axial direction by a distance of, for example, 40 μm from the end wall 19 of the guide bushing 18 away, so that the opening 20 of this end wall 19 is open to the axial channels 25 in the valve spindle 24 and communicates via these channels 25 with the valve chamber 23 located behind the valve spindle 24. Tests by the inventor have shown that the valve spindle 24, when it is in its closed position, takes about 100 microseconds. reached its fully open position after switching on the voltage, as can be seen from the curves c, d in FIG. The dashed curve c in FIG. 3 indicates the voltage level and the solid curve d indicates the path of the actuator 11 resulting therefrom as a function of time. That from the fluid source via the axial bore 17 of the valve housing 4 to the opening 20 Long fluid flows through the channels 25 and the valve chamber 23 to the channels 27, 28 in the guide bushing 18 or the actuator housing 2 and from there to the consumer, for example an oil injection nozzle of an internal combustion engine. When the voltage supply to the piezoelectric actuator 11 is interrupted, the rod assumes its original length and displaces the valve spindle 24 in such a way that it again closes the opening 20 in the guide bushing 18 and interrupts the fluid connection between this opening 20 and the valve chamber 23. When the piezoelectric actuator is operated alternately so that it alternately expands and contracts, the valve spindle 24 performs a reciprocating movement in the axial direction, so that the opening 20 in the guide bushing 18 is alternately opened and closed, the between the Actuator 11 and the valve spindle 24 attached membrane 22 deformed or partially moved. If there is fluid in the valve chamber 23, the membrane 22 prevents the fluid from penetrating into the interior of the actuator housing 2.
Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Dosierventils. Das in Fig. 4 gezeigte Dosierventil ist besonders für den Einsatz in Verbindung mit einem Öl-Einspritzventil für eine Diesel-Brennkraftmaschine geeignet. In die Brennkammer einer derartigen Brennkraftmaschine muß innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalles von normalerweise 1,3 msec. eine genau abgemessene Kraftstoffmenge eingespritzt werden. Ähnlich wie das in Fig. 1 gezeigte Dosierventil umfaßt auch das Dosierventil gem. dem zweiten Ausführungsbeispiel ein im wesentlichen hohlzylindrisches Gehäuse 1, das ein Stellglied-Gehäuse 2 mit einem axialen Außengewindeabschnitt 3 an seinem inneren Ende und ein Ventilgehäuse 4 mit einem axialen Innengewindeabschnitt 5 umfaßt. Die Gehäuse 2 und 4 sind durch Einschrauben des axialen Abschnittes 3 des Stellglied-Gehäuses 2 in dem Innengewindeabschnitt 5 des Ventilgehäuses 4 miteinander verbunden. Die Wand des Stellglied-Gehäuses 2 ist durch eine mit einer Axialbohrung versehene Stirnwand 6 und eine zylindrische Umfangswand 8 gebildet.Fig. 4 shows a second embodiment of the metering valve according to the invention. The metering valve shown in FIG. 4 is particularly suitable for use in conjunction with an oil injection valve for a diesel internal combustion engine. In the combustion chamber of such an internal combustion engine must be within a very short time interval of normally 1.3 msec. a precisely measured amount of fuel can be injected. Similar to the metering valve shown in Fig. 1, the metering valve according to the second embodiment also comprises an essentially hollow cylindrical housing 1, which comprises an actuator housing 2 with an axially externally threaded section 3 at its inner end and a valve housing 4 with an axially internally threaded section 5 . The housings 2 and 4 are connected to one another by screwing the axial section 3 of the actuator housing 2 into the internally threaded section 5 of the valve housing 4. The wall of the actuator housing 2 is formed by an end wall 6 provided with an axial bore and a cylindrical peripheral wall 8.
Die Umfangswand 8 weist Kabelöffnungen 9, 9' und eine Belüftungsöffnung 10 auf. Gemäß Fig. 4 handelt es sich bei der Stirnwand 6 und der Umfangswand 8 um getrennte Bauteile, die mit einem Außengewinde- bzw. Innengewindeabschnitt versehen sind. Die Stirnwand 6 und die Umfangswand 8 sind zusammen mit einer zwischengelegten Spannmutter 29 mit ihren Gewindeabschnitten einstellbar miteinander verschraubt. In dem Stellglied-Gehäuse 2 ist ein piezoelektrisches Stellglied 11 angebracht, das ebenfalls durch einen Stab aus aufeinander gestapelten piezoelektrischen Scheiben gebildet ist. An der dem inneren Ende des Stellglied-Gehäuses 2 zugewandten Stirnfläche des Stellgliedes 11 ist eine Stirnplatte 13 befestigt. Das der Stirnwand 6 des Gehäuses 2 zugewandte Ende des Stellgliedes 11 ist fest mit einer Stellschraube 14 verbunden, die sich beweglich durch die Axialbohrung 7 in der Stirnwand 6 des Gehäuses 2 erstreckt. Die Stellschraube 14 ragt in axialer Richtung von der Stirnwand 6 des Gehäuses 2 aus nach außen und ist mit Hilfe einer an der Außenfläche der Stirnwand 6 befestigten Stellmutter 30 einstellbar an der Stirnwand 6 des Gehäuses 2 festgelegt. Durch Drehen der Stellmutter 30 auf der Stellschraube 14 in der einen oder anderen Drehrichtung in bezug auf die Mittelachse der Stellschraube 14 ist die axiale Position des piezoelektrischen Stellgliedes 11 in dem Gehäuse 2 einstellbar. Das auf diese Weise mit der Stirnwand 6 des Gehäuses 2 verbundene Stellglied 11 reicht innen bis in die Nähe des der Stellschraube 14 gegenüberliegenden Endes des Stellglied-Gehäuses 2. Über durch die Kabelöffnungen 9, 9' verlaufende elektrische Leitungen 15, 15' ist das piezoelektrische Stellglied 11 mit einer geeigneten, nicht gezeigten Gleichspannungsquelle verbunden.The peripheral wall 8 has cable openings 9, 9 ′ and a ventilation opening 10. According to FIG. 4, the end wall 6 and the peripheral wall 8 are separate components which are provided with an externally threaded or internally threaded section. The end wall 6 and the peripheral wall 8 are screwed together adjustably with their threaded sections together with an interposed clamping nut 29. In the actuator housing 2, a piezoelectric actuator 11 is mounted, which is also formed by a rod of stacked piezoelectric disks. An end plate 13 is attached to the end face of the actuator 11 facing the inner end of the actuator housing 2. The end of the actuator 11 facing the end wall 6 of the housing 2 is firmly connected to an adjusting screw 14 which extends movably through the axial bore 7 in the end wall 6 of the housing 2. The adjusting screw 14 protrudes outward in the axial direction from the end wall 6 of the housing 2 and is adjustably fixed on the end wall 6 of the housing 2 with the aid of an adjusting nut 30 fastened to the outer surface of the end wall 6. By turning the adjusting nut 30 on the adjusting screw 14 in one or the other direction of rotation with respect to the central axis of the adjusting screw 14, the axial position of the piezoelectric actuator 11 in the housing 2 can be adjusted. The actuator 11 connected in this way to the end wall 6 of the housing 2 extends inside to the vicinity of the end of the actuator housing 2 opposite the adjusting screw 14 Actuator 11 connected to a suitable, not shown DC voltage source.
Das Ventilgehäuse 4 weist an dem von dem Stellglied-Gehäuse 2 abgewandten Ende einen hohlzylindrischen axialen Vorsprung 16 auf. Der Vorsprung 16 ist mit einer Axialbohrung 17 versehen, die mit der Axialbohrung 7 des Stellglied-Gehäuses 2 fluchtet. In dem Vorsprung 16 ist eine rohrförmige Führungsbuchse 18 befestigt, die Teil des Gehäuses 1 ist und mit einer axialen Bohrung 31 versehen ist. Der Querschnitt der Bohrung 31 ist an dem von dem Stellglied 11 abgewandten, äußeren Ende der Führungsbuchse 18 zu einer Düse 32 verringert. Das Stellglied-Gehäuse 2 und die Führungsbuchse 18 sind innerhalb des Ventilgehäuses 4 durch einen an der inneren Umfangswand des Ventilgehäuses 4 befestigten, im wesentlichen ringförmigen Abstandshalter 21 voneinander getrennt. Eine flexible Membran 22 ist mit ihrem äußeren Umfangsrand fest zwischen den Abstandshalter 21 und das innere Ende des Stellglied-Gehäuses 2 eingefügt und bildet somit innerhalb des ringförmigen Abstandhalters 21 eine hermetisch gegenüber dem Inneren des Stellglied-Gehäuses 2 abgeschlossene Ventilkammer 23. In der axialen Bohrung 31 der Führungsbuchse 18 ist eine in Axialrichtung verschiebbare Ventilspindel 24 mit einem spitz in Richtung auf die Düse 32 der Führungsbuchse 18 zulaufenden Ende angebracht. Die an dem piezoelektrischen Stellglied 11 befestigte isolierende Stirnplatte 13 weist einen Vorsprung auf, der an einem zentralen Bereich der Membran 22 befestigt ist. Die Membran 22 und das Stellglied 11 sind somit gemeinsam in Längsrichtung in bezug auf die Gehäuse 2, 4 beweglich. Das Stellglied 11 und die Membran 22 sind in geeigneter Weise in Richtung auf die Ventilspindel 24 vorgespannt. Zum Vorspannen des Stellglieds 11 und der Membran 22 ist beispielsweise eine belastete Schraubendruckfeder 33 vorgesehen, die mit einem Ende auf einem scheibenförmigen Abschnitt der Stellschraube 14 und mit dem anderen Ende an der inneren Oberfläche der Stirnwand 6 des Gehäuses 2 abgestützt ist. Die Ventilspindel 24 weist einen Vorsprung 34 auf, der in axialer Richtung durch die Mittelöffnung des ringförmigen Abstandhalters 21 und durch die zwischen dem Abstandshalter 21 und der Membran 22 gebildete Ventilkammer 23 in Richtung auf den Vorsprung der Stirnplatte 13 vorspringt.The valve housing 4 has a hollow cylindrical axial projection 16 on the end facing away from the actuator housing 2. The projection 16 is provided with an axial bore 17, which is aligned with the axial bore 7 of the actuator housing 2. A tubular guide bushing 18, which is part of the housing 1 and is provided with an axial bore 31, is fastened in the projection 16. The cross section of the bore 31 is reduced to a nozzle 32 at the outer end of the guide bush 18 facing away from the actuator 11. The actuator housing 2 and the guide bush 18 are separated from one another within the valve housing 4 by a substantially annular spacer 21 fastened to the inner circumferential wall of the valve housing 4. A flexible membrane 22 is firmly inserted with its outer peripheral edge between the spacer 21 and the inner end of the actuator housing 2 and thus forms within the annular spacer 21 a hermetically sealed valve chamber 23 from the interior of the actuator housing 2 in the axial bore 31 of the guide bushing 18 is attached an axially displaceable valve spindle 24 with an end tapering towards the nozzle 32 of the guide bushing 18. The insulating face plate 13 attached to the piezoelectric actuator 11 has a protrusion attached to a central portion of the diaphragm 22. The membrane 22 and the actuator 11 are thus movable together in the longitudinal direction with respect to the housings 2, 4. The actuator 11 and the diaphragm 22 are suitably preloaded in the direction of the valve spindle 24. To pretension the actuator 11 and the diaphragm 22, a loaded helical compression spring 33 is provided, for example, which is supported with one end on a disk-shaped section of the adjusting screw 14 and with the other end on the inner surface of the end wall 6 of the housing 2. The valve spindle 24 has a projection 34 which projects in the axial direction through the central opening of the annular spacer 21 and through the valve chamber 23 formed between the spacer 21 and the membrane 22 in the direction of the projection of the end plate 13.
Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Leitungen 15, 15' derart mit dem piezoelektrischen Stellglied 11 verbunden, daß sich das Stellglied 11 insgesamt in Längsrichtung ausdehnt, wenn über die Leitungen 15, 15' eine Spannung angelegt wird. Wenn beispielsweise eine Spannung von 400 Volt angelegt wird, bewegt sich die Stirnplatte 13 des Stellgliedes 11 in Richtung auf den axialen Vorsprung 34 der Ventilspindel 24.In the embodiment shown in Fig. 4, the lines 15, 15 'are connected to the piezoelectric actuator 11 that the actuator 11 extends overall in the longitudinal direction when a voltage is applied across the lines 15, 15'. For example, when a voltage of 400 volts is applied, the face plate 13 of the actuator 11 moves in the direction of the axial projection 34 of the valve spindle 24.
Der Abstandshalter 21 und das Stellglied-Gehäuse 2 sind ähnlich den entsprechenden Bauteilen des Ausführungsbeispieles aus Fig. 1 mit Kanälen 27, 28 versehen. Die Kanäle 27, 28 sind Teil einer Fluid-Einlaßleitung, zu der ferner ein in der Führungsbuchse 18 gebildeter Kanal 35 gehört, durch den eine Fluidverbindung zwischen dem Kanal 27 in dem Abstandshalter 21 und der Axialbohrung 31 der Führungsbuchse 18 hergestellt wird. Die durch die Kanäle 27, 28 und 35 gebildete Einlaßleitung ist mit einer geeigneten, nicht gezeigten Fluidquelle, beispielsweise einer Ölpumpe oder einem Öl-Reservoir einer Brennkraftmaschine verbunden. Ein Fluid-Auslaß ist durch die Düse 32 in der Führungsbuchse 18 gebildet. Wenn das in Fig. 4 gezeigte Dosierventil zur Kraftstoffeinspritzung in einer Diesel-Brennkraftmaschine benutzt wird, bildet die Düse 32 die Öl-Einspritzdüse dieser Brennkraftmaschine. Während des Betriebs des Dosierventils ist die Ventilspindel 24 dem Druck des aus der Fluidquelle zugeführten Fluids ausgesetzt. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiels ist die Umfangswand 8 des Stellglied-Gehäuses 2 ferner mit einer Fluid-Rückführungsleitung 36 versehen, die mit der Ventilkammer 23 in Verbindung steht. Die Rückführungsleitung 36 ist Teil eines Leitungssystems, durch das Fluid, das durch den Kanal 35 und weiter an der Ventilspindel 24 vorbei durch die Axialbohrung 31 der Führungsbuchse 18 in die Ventilkammer 23 eingedrungen ist, wieder zu der Fluidquelle, d.h. der Ölpumpe oder dem Öl-Reservoir, zurückgeleitet wird.The spacer 21 and the actuator housing 2 are provided with channels 27, 28 in a manner similar to the corresponding components of the exemplary embodiment from FIG. The channels 27, 28 are part of a fluid inlet line, which also includes a channel 35 formed in the guide bushing 18, through which a fluid connection between the channel 27 in the spacer 21 and the axial bore 31 of the guide bushing 18 is established. The inlet line formed by the channels 27, 28 and 35 is connected to a suitable fluid source (not shown), for example an oil pump or an oil reservoir of an internal combustion engine. A fluid outlet is formed through the nozzle 32 in the guide bush 18. If the metering valve shown in FIG. 4 is used for fuel injection in a diesel internal combustion engine, the nozzle 32 forms the oil injection nozzle of this internal combustion engine. During operation of the metering valve, the valve spindle 24 is exposed to the pressure of the fluid supplied from the fluid source. In the exemplary embodiment shown in FIG. 4, the peripheral wall 8 of the actuator housing 2 is furthermore provided with a fluid return line 36 which is in communication with the valve chamber 23. The return line 36 is part of a line system through which the fluid that has penetrated through the channel 35 and further past the valve spindle 24 through the axial bore 31 of the guide bushing 18 into the valve chamber 23, back to the fluid source, ie the oil pump or the oil Reservoir, is returned.
Wenn sich die Ventilspindel 24 in einer axialen Position befindet, in der sie die in der Führungsbuchse 18 gebildete Düse 32 verschließt, besteht zwischen dem axialen Vorsprung 34 der Ventilspindel 24 und dem Vorsprung der Stirnplatte 13 des Stellgliedes 11 ein Abstand g, und zwischen der inneren Stirnfläche der Ventilspindel 24 und der äußeren Stirnfläche des ringförmigen Abstandhalters 21 besteht ein Abstand g'. Der Abstand g zwischen den Vorsprüngen der Ventilspindel 24 und der Stirnplatte 13 des Stellgliedes 11 ist dadurch einstellbar, daß die axiale Position der Stirnwand 6 des Stellglied-Gehäuses 2 in bezug auf die Umfangswand 8 dieses Gehäuses 2 verändert wird, indem die Stirnwand 6 in der einen oder anderen Drehrichtung um die Mittelachse des Stellglied-Gehäuses 2 gedreht wird. Wenn somit die Stirnwand 6 des Stellglied-Gehäuses 2 derart gedreht wird, daß die axiale Länge des Stellglied-Gehäuses 2 insgesamt zunimmt, bewegt sich das über die Stellschraube 14 mit der Stirnwand 6 verbundene piezoelektrische Stellglied 11 in axialer Richtung von dem ringförmigen Abstandshalter 21 weg, so daß der Abstand g vergrößert wird. Wenn andererseits die Stirnwand 6 derart in bezug auf das Stellglied-Gehäuse 2 gedreht wird, daß die axiale Länge dieses Gehäuses insgesamt verringert wird, bewegt sich das Stellglied 11 in Richtung auf den Abstandshalter 21, so daß sich der Abstand g verringert. Die axialen Längen des Vorsprungs 34 und des Vorsprungs der Stirnplatte 13 sind derart bemessen, daß der Abstand g völlig verschwindet und die Vorsprünge einander berühren, wenn die Stirnwand 6 so weit auf die Umfangswand 8 des Stellglied-Gehäuses 2 aufgeschraubt ist, daß die zwischen der Stirnwand 6 und der Umfangswand 8 eingefügte Spannmutter 29 fest eingeklemmt wird. Die über die Schraubendruckfeder 33 auf das piezoelektrische Stellglied 11 ausgeübte Vorspannung und damit der zum Öffnen des Ventils durch Verschieben der Ventilspindel 24 gegen die Kraft der Feder 33 erforderliche Fluiddruck wird in folgender Weise eingestellt. Zunächst wird die Stirnwand 6 so weit auf die Umfangswand 8 des Stellglied-Gehäuses 2 aufgeschraubt, daß die Spannmutter 29 fest zwischen der Stirnwand 6 und der Umfangswand 8 einge- klemmt ist und der Abstand g verschwindet, wobei das piezoelektrische Stellglied 11 nicht erregt ist. Sodann wird die Vorspannung der Schraubendruckfeder 33 durch Drehen der Stellmutter 30 auf der Stellschraube 14 auf seinen gewünschten Wert eingestellt. Danach wird die Stirnwand 6 derart in bezug auf die Umfangswand 8 gedreht, daß die Spannmutter 29 Spiel erhält und der Abstand g einen Wert annimmt, der der gewünschten Längenausdehnung des Stellgliedes 11 bei Anlegen einer vorgegebenen Spannung von beispielsweise 400 Volt entspricht. Der Abstand g' zwischen der inneren Stirnfläche der Ventilspindel 24 und der äußeren Stirnfläche des Abstandhalters 21 legt den Hub der Ventilspindel 24 beim Öffnen und Schließen der Düse 32 fest. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Dosierventil sind die Abstände g und g' derart gewählt, daß der Abstand g kleiner als der Abstand g' ist.When the valve spindle 24 is in an axial position in which it closes the nozzle 32 formed in the guide bushing 18, there is a distance g between the axial projection 34 of the valve spindle 24 and the projection of the end plate 13 of the actuator 11, and between the inner one The end face of the valve spindle 24 and the outer end face of the annular spacer 21 are at a distance g '. The distance g between the projections of the valve spindle 24 and the end plate 13 of the actuator 11 is adjustable in that the axial position of the end wall 6 of the actuator housing 2 with respect to the peripheral wall 8 of this housing 2 is changed by the end wall 6 in the one or the other direction of rotation is rotated about the central axis of the actuator housing 2. Thus, when the end wall 6 of the actuator housing 2 is rotated in such a way that the axial length of the actuator housing 2 increases overall, the piezoelectric actuator 11 connected to the end wall 6 via the adjusting screw 14 moves in the axial direction away from the annular spacer 21 so that the distance g is increased. On the other hand, when the end wall 6 is rotated with respect to the actuator housing 2 so that the axial length of this housing is reduced as a whole, the actuator 11 moves in the direction of the spacer 21, so that the distance g decreases. The axial lengths of the projection 34 and the projection of the end plate 13 are dimensioned such that the distance g disappears completely and the projections touch each other when the end wall 6 is screwed so far onto the peripheral wall 8 of the actuator housing 2 that the between the End wall 6 and the circumferential wall 8 inserted clamping nut 29 is firmly clamped. The prestress exerted on the piezoelectric actuator 11 via the helical compression spring 33 and thus the fluid pressure required to open the valve by moving the valve spindle 24 against the force of the spring 33 is set in the following manner. First, the end wall 6 is screwed so far onto the peripheral wall 8 of the actuator housing 2 that the clamping nut 29 is firmly inserted between the end wall 6 and the peripheral wall 8. is stuck and the distance g disappears, the piezoelectric actuator 11 is not energized. The preload of the helical compression spring 33 is then set to its desired value by turning the adjusting nut 30 on the adjusting screw 14. The end wall 6 is then rotated with respect to the peripheral wall 8 in such a way that the clamping nut 29 has play and the distance g assumes a value which corresponds to the desired linear expansion of the actuator 11 when a predetermined voltage of, for example, 400 volts is applied. The distance g 'between the inner end face of the valve spindle 24 and the outer end face of the spacer 21 defines the stroke of the valve spindle 24 when the nozzle 32 is opened and closed. In the metering valve shown in FIG. 4, the distances g and g 'are selected such that the distance g is smaller than the distance g'.
Im folgenden soll angenommen werden, daß das piezoelektrische Stellglied 11 des in Fig. 4 gezeigten Dosierventils derart konstruiert bzw. ausgewählt ist, daß es die durch die Kurven a, a' in Fig. 2 A angegebene Weg-Spannungs-Charakteristik und die durch die Kurve b in Fig. 2 B angegebene Weg-Last-Charakteristik aufweist. Wenn in diesem Fall die durch den Fluiddruck beaufschlagte Querschnittsfläche der Ventilspindel 24 25 mm² beträgt und wenn die Düse 32 durch axiale Verschiebung der Ventilspindel 24 bei einem Fluiddruck von 1000 N/cm² geöffnet werden soll, muß das Stellglied 11 durch die Schraubdruckfeder 33 mit einer Kraft von 250 vorgespannt sein. Die Längenänderung des derart belasteten Stellglieds 11 beträgt etwa 26,7 µm, wie sich aus der Kurve b Fig. 2 B ergibt. Der Abstand g zwischen der Stirnfläche des axialen Vorsprungs 34 der Ventilspindel 24 und der Stirnfläche des Vorsprungs der Stirnplatte 13 des Stellgliedes 11 muß daher 26,7 µm betragen. In diesem Fall kann für den Abstand g' zwischen der äußeren Stirnfläche des Abstandhalters 21 und der inneren Stirnfläche der in ihrer Schließstellung befindlichen Ventilspindel 24 ein Wert von beispielsweise 1 mm gewählt werden. Wenn an das piezoelektrische Stellglied 11 über die Leitungen 15, 15' eine Gleichspannung von beispielsweise 400 Volt angelegt wird, dehnt sich das Stellglied 11 in Längsrichtung aus, so daß die Stirnplatte 13 gegen den axialen Vorsprung 34 der Ventilspindel 24 mit der von der Schraubdruckfeder 33 erzeugten Kraft von 250 N angedrückt wird. Die Ventilspindel 24 bewegt sich dadurch in eine axiale Stellung, in der sie die Düse 32 in der Führungsbuchse 18 verschließt. Wenn die an den Leitungen 15, 15' anliegende Spannung abgeschaltet wird und das Stellglied 11 wieder seine ursprüngliche Länge annimmt, während in der durch die Kanäle 27, 28, 35 gebildeten Fluid-Einlaßleitung ein Fluiddruck von 1000 N/cm² herrscht, der das zugespitzte äußere Ende der Ventilspindel 24 beaufschlagt, verschiebt sich die Ventilspindel in der Führungsbuchse 18 in axialer Richtung von der Düse 32 weg. Wenn in diesem Fall der auf die Ventilspindel 24 wirkende Fluiddruck einen Wert von 1000 N/cm² beibehält, ist der Weg, den die Ventilspindel 24 zurücklegen kann gleich der Längenänderung des Stellgliedes 11, d.h. gleich dem Abstand g von annähernd 26,7 müm. Da der Abstand g geringer als der Abstand g' ist, wie zuvor erwähnt wurde, wird die Ventilspindel 24 unter diesen Bedingungen in einer axialen Position gehalten, in der ihre innere Stirnfläche einen Abstand zu der äußeren Stirnfläche des Abstandhalters 21 aufweist und in der der Vorsprung 34 der Ventilspindel 24 mit seinem freien Ende an den Vorsprung der Stirnplatte 13 des Stellgliedes 11 angedrückt wird. Wenn jedoch der Fluiddruck in der Fluidquelle über den Wert von 1000 N/cm² ansteigt, bewegt sich die Ventilspindel 24 weiter von der Düse 32 weg, bis die innere Stirnfläche der Ventilspindel 24 an der äußeren Stirnfläche des Abstandhalters 21 anschlägt.In the following it should be assumed that the piezoelectric actuator 11 of the metering valve shown in FIG. 4 is constructed or selected in such a way that it has the displacement-voltage characteristic indicated by the curves a, a 'in FIG Curve b in Fig. 2B indicated path-load characteristics. If, in this case, the cross-sectional area of the valve spindle 24 acted upon by the fluid pressure is 25 mm² and if the nozzle 32 is to be opened by axially displacing the valve spindle 24 at a fluid pressure of 1000 N / cm², the actuator 11 must by the helical compression spring 33 with a force must be preloaded by 250. The change in length of the actuator 11 loaded in this way is approximately 26.7 μm, as can be seen from curve b in FIG. 2B. The distance g between the end face of the axial projection 34 of the valve spindle 24 and the end face of the projection of the end plate 13 of the actuator 11 must therefore be 26.7 μm. In this case, for the distance g 'between the outer end face of the spacer 21 and the inner end face of the valve spindle 24 in its closed position, a value of for example 1 mm can be chosen. If a direct voltage of 400 volts, for example, is applied to the piezoelectric actuator 11 via the lines 15, 15 ', the actuator 11 expands in the longitudinal direction so that the end plate 13 against the axial projection 34 of the valve spindle 24 with that of the helical compression spring 33 generated force of 250 N is pressed. The valve spindle 24 thereby moves into an axial position in which it closes the nozzle 32 in the guide bushing 18. If the voltage applied to the lines 15, 15 'is switched off and the actuator 11 assumes its original length again, while in the fluid inlet line formed by the channels 27, 28, 35 there is a fluid pressure of 1000 N / cm², which is the tapered When the outer end of the valve spindle 24 is acted upon, the valve spindle is displaced in the guide bushing 18 in the axial direction away from the nozzle 32. In this case, if the fluid pressure acting on the valve spindle 24 maintains a value of 1000 N / cm², the distance that the valve spindle 24 can travel is equal to the change in length of the actuator 11, i.e. equal to the distance g of approximately 26.7 µm. Since the distance g is less than the distance g ', as mentioned above, the valve spindle 24 is held under these conditions in an axial position in which its inner end face is at a distance from the outer end face of the spacer 21 and in which the projection 34 of the valve spindle 24 is pressed with its free end against the projection of the end plate 13 of the actuator 11. If, however, the fluid pressure in the fluid source rises above the value of 1000 N / cm², the valve spindle 24 moves further away from the nozzle 32 until the inner end face of the valve spindle 24 abuts the outer end face of the spacer 21.
Die Dauer eines jeden Einspritzzyklus der Diesel-Brennkraftmaschine ist von der Geometrie eines Steuernockens der Ölpumpe abhängig und ändert sich entsprechend dem Betriebszu- stand der Maschine. Bei einer Drehzahl der Brennkraftmaschine von beispielsweise 500 1/min liegt bekanntlich die Dauer eines jeden Öl-Einspritzzyklus zwischen 1,2 und 1,3 msec, während während des Leerlaufs der Maschine die Dauer eines jeden Einspritzzyklus zwischen etwa 1,4 und 1,5 msec liegt. Wenn das oben an Hand von Fig. 4 beschriebene Dosierventil als Öl-Einspritzventil einer derartigen Diesel-Brennkraftmaschine verwendet wird, kann der Kraftstoff während dieser kurzen Einspritzzyklen mit genau steuerbarer Einspritz-Charakteristik in genau abgemessenen Mengen in die Brennkammer der Maschine eingespritzt werden. Ferner kann die Einspritz-Charakteristik und die einzuspritzende Kraftstoffmenge beliebig und mit hoher Genauigkeit eingestellt werden, indem die an das piezoelektrische Stellglied 11 angelegte Spannung variiert wird, so daß der Hubweg der Ventilspindel 24 zu- oder abnimmt, und/oder indem die durch die Schraubendruckfeder 33 bewirkte Vorspannung des Stellgliedes 11 variiert wird. Wenn in diesem Fall der Wert des Fluiddruckes, bei dem das Dosierventil öffnen soll, von 1000 N/cm² auf 1060 N/cm² erhöht werden soll, so kann bei dem oben beschriebenen Dosierventil die über die Schraubendruckfeder 33 auf das Stellglied 11 ausgeübte Vorspannung von 250 N auf etwa 270 N erhöht werden, so daß sich der Zwischenraum g von etwa 26,7 µm auf etwa 25,6 µm verringert.The duration of each injection cycle of the diesel internal combustion engine depends on the geometry of a control cam of the oil pump and changes according to the operating conditions. stood the machine. At a speed of the internal combustion engine of, for example, 500 1 / min, the duration of each oil injection cycle is known to be between 1.2 and 1.3 msec, while the duration of each injection cycle during idling of the engine is between approximately 1.4 and 1.5 msec lies. If the metering valve described above with reference to FIG. 4 is used as an oil injection valve of such a diesel internal combustion engine, the fuel can be injected into the combustion chamber of the engine in precisely measured quantities during these short injection cycles with precisely controllable injection characteristics. Furthermore, the injection characteristic and the amount of fuel to be injected can be set arbitrarily and with high accuracy by varying the voltage applied to the piezoelectric actuator 11 so that the stroke of the valve spindle 24 increases or decreases, and / or by the compression spring 33 caused bias of the actuator 11 is varied. If, in this case, the value of the fluid pressure at which the metering valve is to open is to be increased from 1000 N / cm² to 1060 N / cm², then in the case of the metering valve described above, the preload of 250 N can be increased to about 270 N so that the gap g is reduced from about 26.7 µm to about 25.6 µm.
Während bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Dosierventils ein piezoelektrisches Stellglied vorgesehen ist, das sich bei Anlegen einer Spannung aus seiner Ruhestellung ausdehnt oder zusammenzieht, kann in dem erfindungsgemäßen Dosierventil auch ein Stellglied verwendet werden, das zunächst durch Anlegen einer Spannung einer vorgegebenen Polarität auf eine erste Länge zusammengezogen oder ausgedehnt wird und bei dem die Längenänderung durch dieWhile in the above-described embodiment of the metering valve according to the invention, a piezoelectric actuator is provided that expands or contracts from its rest position when a voltage is applied, an actuator can also be used in the metering valve according to the invention which is initially set to a polarity by applying a voltage of a predetermined polarity first length is contracted or expanded and in which the change in length is caused by the
Umkehrung der Polarität der angelegten Spannung erfolgt.The polarity of the applied voltage is reversed.
Die Verwendung eines derartigen Dosierventils in einer Diesel-Brennkraftmaschine trägt zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs, zur Verringerung des Rauchanteils der Abgase und zur Verringerung der Emission von Schadstoffen, wie unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Benzopyrenen, bei. Darüberhinaus trägt die Verwendung eines erfindungsgemäßen Dosierventils in einer Diesel-Brennkraftmaschine zur Verringerung der Geräuschentwicklung und insbesondere zur Vermeidung eines Klopfens oder Nagelns der Brennkraftmaschine bei.The use of such a metering valve in a diesel internal combustion engine contributes to a reduction in fuel consumption, a reduction in the proportion of smoke in the exhaust gases and a reduction in the emission of pollutants such as unburned hydrocarbons and benzopyrenes. In addition, the use of a metering valve according to the invention in a diesel internal combustion engine contributes to reducing the development of noise and, in particular, to avoiding knocking or nailing of the internal combustion engine.
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