EP1079101A2 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten - Google Patents

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EP1079101A2
EP1079101A2 EP00115980A EP00115980A EP1079101A2 EP 1079101 A2 EP1079101 A2 EP 1079101A2 EP 00115980 A EP00115980 A EP 00115980A EP 00115980 A EP00115980 A EP 00115980A EP 1079101 A2 EP1079101 A2 EP 1079101A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
membrane
piezo actuator
controlling liquids
piston
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00115980A
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English (en)
French (fr)
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EP1079101A3 (de
Inventor
Friedrich Boecking
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1079101A2 publication Critical patent/EP1079101A2/de
Publication of EP1079101A3 publication Critical patent/EP1079101A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0014—Valves characterised by the valve actuating means
    • F02M63/0015—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid
    • F02M63/0026—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/701—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger mechanical

Definitions

  • the invention relates to a valve for controlling liquids according to the genus of patent claim 1.
  • Such a valve is described in EP 0 477 400 A1.
  • Actuating piston of the valve member in part of the stepped bore slidably arranged with a small diameter.
  • a larger piston is movable by a piezo actuator in part of the stepped bore with a larger diameter arranged.
  • Between the two pistons is one with one Hydraulic pressure chamber filled with pressure medium, so that a hydraulic translation of a movement of the Piezo actuator takes place. That is, if the larger piston moved by the piezo actuator by a certain distance the actuating piston of the valve member makes one around the ratio of the piston diameters increased stroke because the piston of the piezo actuator has a larger area than the actuating piston of the valve member having.
  • valve member Actuating piston of the valve member by the Piezo actuator moving pistons and the piezo actuator on one common axis in a row.
  • the problem with such valves is that the two Piston of the hydraulic translator of a certain friction when moving in and opposite to the stroke direction are subjected, so that a concomitant Wear occurs.
  • the valve according to the invention with the characteristic features of claim 1 has the advantage that a mechanical translator with a membrane is used which is a low-friction and wear-free Solution enables.
  • a mechanical translator with membrane in contrast to Using a hydraulic translator is not the problem with regard to the leakage losses of the hydraulic medium in the Pressure chamber of a hydraulic translator.
  • a mechanical translator with membrane simple constructed and inexpensive to manufacture, so that also advantages in this regard with regard to a hydraulic Translators result.
  • the membrane is designed as a bending beam. This allows the stroke of the piezo actuator in a simple form are transferred to the piston element of the valve member. In addition, there is a very great deal with the bending beam principle precise power transmission possible, which in turn enables exactly defined injection timing and / or injection quantity of fuel is guaranteed.
  • the membrane is advantageous articulated on a support, preferably a bearing ring stored.
  • a support preferably a bearing ring stored.
  • valve sealing spring is assigned to the valve member.
  • Valve sealing spring can be omitted. This is according to Claim 6 the membrane in the direction of Preloaded closed position of the valve member. With others Words, the membrane takes over the function of the well-known Valve sealing spring.
  • the piezo actuator To temperature drifts of the piezo actuator and the associated to compensate for incorrect stroke transmissions to the valve member, is at least the piezo actuator according to claim 7 a compensation element assigned, which the stroke of the Piezo actuator transfers to a lever arm of the membrane.
  • FIG. 1 the valve according to the invention is used in an injection system, where the injection pump and the injector forms a unit (so-called pump-nozzle unit (PDE)).
  • PDE pump-nozzle unit
  • FIG. 1 represented schematically.
  • the injection valve 1 comprises a control unit 2, which in turn is in a housing 3 arranged piezo actuator 4.
  • the piezo actuator 4 supports 1 here at its lower end against that Housing 3 from.
  • the upper end of the piezo actuator 4 in FIG. 1 is connected to a piston 5 by a Preload element 6, such as a coil spring, not in the energized state of the piezo actuator 4 in its rest position is biased.
  • a Preload element 6 such as a coil spring
  • the piston 5 is also provided with two compensating elements 7, 8 connected, which is parallel to the long side of the Piezo actuator 4 extend.
  • These two balancing elements 7, 8 in Fig. 1 are two bolts which are the same effective length 1 as the piezo actuator 4.
  • the compensating elements 7, 8 are at their ends opposite the piston 5 each connected to an L-piece 9, 10, the short one Leg in Fig. 1 is directed inwards.
  • the short legs of the L-pieces 9, 10 can with a Membrane 11 come into contact, which via a support, preferably a bearing ring 12 articulated on the housing 3 is stored.
  • the membrane 11 is designed as a bending beam and has an opening in the center into which the piston 13 of a valve member 13 engages.
  • Thermally conductive material 15 which for temperature compensation between the piezo actuator 4 and the two Compensating elements 7, 8 is used.
  • the reason for that Temperature compensation can be seen in the fact that both the two compensating elements 7, 8 and the piezo actuator 4 in Depending on the ambient temperature, expand or contract. Now temperature differences occur on Piezo actuator 4 and the two compensating elements 7, 8, this leads to different expansion sizes of these Elements, which is inaccuracy regarding the Injection quantity and the injection timing of the fuel precipitates.
  • the heat conducting medium 15 is used to ensure that the external temperature influences on the piezo actuator 4 and the compensating elements 7, 8 essentially are balanced.
  • the above Avoiding the problem becomes a material for the compensating elements selected, which essentially the same coefficient of thermal expansion as the piezo actuator 4 having.
  • the gap S serves as a third measure the same purpose.
  • the gap S compensates for differences in expansion due to external influences, such as the Temperature, from piezo actuator 4 and compensating elements 7, 8. That is, despite different lengths get between piezo actuator and compensating elements 7, 8 the L-pieces 9, 10 in contact with the membrane 11, immediately when the piezo actuator 4 is energized and thus a stroke against the bias of the Preload element 6 causes.
  • Valve 1 for controlling liquids becomes the linear expansion of the piezo actuator 4 against the piston 5 the biasing force transmitted by the biasing element 6. But also move together with the piston 5 Compensating elements 7, 8 in Fig. 1 upwards, whereby the membrane 11 by means of the short ends of the L-pieces 9, 10 bent upwards at its two outer ends in FIG. 1 becomes.
  • the bearing ring 12 is the central area in FIG Membrane 11 corresponding to a bending beam downwards cocked so that the piston 13 of the valve member 14 in Valve 15 is moved down. So that leads Valve member 14 moves from first valve seat 16 in the second valve seat 17.
  • valve 15 Below the valve 15 is the control chamber in FIG. 1 18 and the control piston 19, which in general known form cooperate with the valve 15 and therefore, on these components and how they work not detailed.
  • Fig. 2 is the area between the compensation element again in detail 8 with L-piece 10 and membrane 11 with bearing ring 12 shown. From this figure it can be seen that the short leg of the L-piece 10 at its the Diaphragm 11 facing side is spherical to a precise interaction between the two elements 11, 10 and thus a precise stroke transmission from the piezo actuator 4 ensure on the membrane 11. From this figure is but also evident that the membrane in connection with the bearing ring 12 spans two lever arms A and B, which determine a gear ratio. In other words, the stroke of the piezo actuator 4 is multiplied by the Transfer ratio A / B to the piston 13. This has a translation range of 1: 2 to 1: 8 turned out to be particularly preferred.
  • Fig. 2 can be seen that the L-piece 10 over a Thread is connected to the compensating element 8.
  • This Connection enables on the one hand an exchange of the L-piece, for example, in the event of damage other than on use dimensioned L-pieces, if the requirements so require.
  • the compensating element 8 can also be designed in one piece with the L-piece 10.
  • Fig. 3 is a second embodiment of the invention Valve 1 shown for controlling liquids. After the construction of the embodiment according to 3 is essentially the same as that of FIG. 1, only the differences to the Embodiment of Fig. 1 explained.
  • the piezo actuator 4 In the idle state of the membrane 11, the piezo actuator 4 is energized.
  • the piezo actuator 4 is switched off, so that it is 3, the piston 5 of the piezo actuator 4 and, with it, the compensating elements 7, 8 and extensions 20, 21 are moved downward in the direction of the prestressing force of the prestressing element 6 and bend the outer ends of the membrane 11 in FIG. 3
  • the region of the membrane 11 located between the first bearing ring 12 and the second bearing ring 22 moves upward according to a bending beam as a result of the membrane being supported on the second bearing ring 22.
  • This movement is then converted into a region in the region between the piston 13 and the first bearing ring 12 3 is transformed downward, so that the piston 3 and associated valve member move downward in Fig. 3.
  • the membrane according to Fig. 3 represents a simple bending beam
  • the membrane according to FIG. 3 acts as a double bending beam.
  • Fig. 4 shows a third embodiment of the valve 1 according to the invention for controlling Liquids.
  • This embodiment differs differs from that of FIG. 3 in that only one Bearing ring 23 is provided, on which the membrane 11th through the compensating elements 7, 8 together with extensions 20, 21 is biased.
  • a spring 24 presses in the area between piston 13 and bearing ring 23 on the membrane 11 in Direction of the rest position of the membrane 11.
  • the Piezo actuator 4 energized according to the third embodiment or activated, it performs a lifting movement in FIG. 4 counter to the biasing force of the biasing elements 6 up out.
  • the Piezo actuator 4 energized according to the third embodiment or activated, it performs a lifting movement in FIG. 4 counter to the biasing force of the biasing elements 6 up out.
  • Compensating elements 7, 8 together with extensions 20, 21 in Fig. 4 moves upward, so that the membrane 11 in the direction of Bias force of the spring 24 can dodge down whereby in turn the piston 13 together with the valve member Can perform movement in the valve seat.
  • the present invention can of course also be used differently designed valves with mechanical translator be used.

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Abstract

Es wird ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten vorgeschlagen, welches einen Piezoaktor (4) und einen den Hub des Piezoaktors (4) übertragenden mechanischen Übersetzer aufweist. Über dem mechanischen Übersetzer ist ein mit einem Kolbenelement (13) in Verbindung stehendes Ventilglied (14) betätigbar. Der mechanische Übersetzer weist eine Membran (11) auf, für welche der Hub des Piezoaktors (4) auf das Kolbenelement (13) des Ventilgliedes (14) übertragen wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß der Gattung des Patenanspruches 1.
In der EP 0 477 400 A1 ist ein derartiges 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 Übersetzungsverhältnis 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. Bei derartigen Ventilen besteht das Problem, daß die beiden Kolben des hydraulischen Übersetzers einer gewissen Reibung bei ihrer Bewegung in und entgegengesetzt zur Hubrichtung unterworfen sind, so daß ein damit einhergehender Verschleiß auftritt.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß ein mechanischer Übersetzer mit einer Membran eingesetzt wird, welche eine reibungsarme und verschleißneutrale Lösung ermöglicht. Zudem besteht durch die Verwendung des mechanischen Übersetzers mit Membran, im Gegensatz zum Einsatz eines hydraulischen Übersetzers nicht das Problem hinsichtlich der Leckverluste des hydraulischen Mediums im Druckraum eines hydraulischen Übersetzers. Somit kann durch das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten eine gleichmäßige und über lange Zeit gleichbleibende Wiederholbarkeit der Einspritzungen erreicht werden, so daß exakt definierte Einspritzzeitpunkte und/oder Einspritzmengen von Kraftstoff gewährleistbar sind. Zudem ist ein mechanischer Übersetzer mit Membran einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar, so daß sich auch diesbezüglich Vorteile im Hinblick auf einen hydraulischen Übersetzer ergeben.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist gemäß Patentanspruch 2 die Membran als Biegebalken ausgebildet. Hierdurch kann in einfacher Form der Hub des Piezoaktors auf das Kolbenelement des Ventilgliedes übertragen werden. Zusätzlich ist bei dem Biegebalken-Prinzip eine sehr präzise Kraftübertragung möglich, wodurch wiederum der exakt definierte Einspritzzeitpunkt und/oder Einspritzmenge von Kraftstoff gewährleistet wird.
Vorteilhafterweise ist gemäß Patentanspruch 3 die Membran auf einem Auflager, vorzugsweise einem Lagerring gelenkig gelagert. Durch das Zusammenspiel zwischen Auflager und Membran kann in einfacher Form die erfindungsgemäße Funktion der Membran sichergestellt werden und zusätzlich stellt diese Kombination eine einfache Anordnung dar, welche einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Bei herkömmlichen Ventilen zum Steuern von Flüssigkeiten sind aufwendige Anordnungen vorgesehen, um ein adequates Übersetzungsverhältnis zwischen Längenausdehnung des Piezoaktors bei Erregung und Kolbenelement des Ventilgliedes zu erzielen. Diese aufwendige Anordnung wird bei dem erfindungsgemäßen Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß Patentanspruch 4 dadurch vermieden, daß der Lagerring die Membran in zwei Hebelarme unterteilt. Die Hebelarme können hierbei entsprechend im gewünschten oder erforderlichen Übersetzungsverhältnis ausgebildet werden. Auch besteht die Möglichkeit nachträglich, das Übersetzungsverhältnis eines Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten zu verändern, indem lediglich eine bestehende Membran durch eine neue Membran mit zugeordnetem Lagerring und verändertem Hebelarmverhältnis eingesetzt wird.
Um ein einfaches Zusammenwirken zwischen Membran und Kolbenelement des Ventilgliedes zu erreichen, ist gemäß Patentanspruch 5 die Membran kreisförmig sowie mittig mit einer Öffnung ausgebildet, in welche das Kolbenelement des Ventilgliedes eingreift. Hierdurch wird einerseits in einfacher Form eine Verbindung zwischen Membran und Kolbenelement sichergestellt, aber gleichzeitig eine exakte Hubübertragung von Piezoaktor auf Membran und weiter auf das Kolbenelement ermöglicht.
Bei herkömmlichen Ventilen zum Steuern von Flüssigkeiten ist dem Ventilglied eine Ventildichtfeder zugeordnet. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten kann bei gleicher Funktionsweise diese Ventildichtfeder weggelassen werden. Hierzu ist gemäß Patentanspruch 6 die Membran in Richtung der Schließstellung des Ventilgliedes vorgespannt. Mit anderen Worten, die Membran übernimmt die Funktion der bekannten Ventildichtfeder.
Um Temperaturdrifts des Piezoaktors und damit einhergehende fehlerhafte Hubübertragungen auf das Ventilglied zu kompensieren, ist gemäß Patentanspruch 7 dem Piezoaktor zumindest ein Ausgleichselement zugeordnet, welches den Hub des Piezoaktors auf einen Hebelarm der Membran überträgt.
Vorzugsweise ist ein Luftspalt zwischen Ausgleichselement und Membran ausgebildet (Patentanspruch 8), welcher Längenausdehnungsunterschiede auf Grund von Temperaturunterschieden zwischen Piezoaktor und Ausgleichselement kompensiert. Zusätzlich kann zur Kompensation dieses Temperaturproblemes ein Wärmeleitmaterial zwischen Piezoaktor und Ausgleichselement gemäß Patentanspruch 9 vorgesehen sein. Dieses Wärmeleitmaterial vermindert die Temperaturunterschiede zwischen Piezoaktor und Ausgleichselement und die damit einhergehenden Ausdehnungsunterschiede. Hierbei ist natürlich Grundvoraussetzung, daß der Piezoaktor und das Ausgleichselement im wesentlichen gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Insofern dient natürlich der Luftspalt zwischen Ausgleichselement und Membran auch zur Kompensierung unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten von Piezoaktor und Ausgleichselement.
Zeichnung
In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Ausführungsbeispiele werden in nachfolgender Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
  • Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Kraftstoffeinspritzventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • Fig. 2 eine schematische Teilansicht der Membran und eines Ausgleichselementes von Fig. 1;
  • Fig. 3 eine schematische Schnittansicht eines Kraftstoffeinspritzventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • Fig. 4 eine schematische Schnittansicht eines Kraftstoffeinspritzventils gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
    In dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel findet das erfindungsgemäße Ventil Anwendung in einem Einspritzsystem, bei dem die Einspritzpumpe und die Einspritzdüse eine Einheit bildet (sogenannte Pumpe-Düse-Einheit (PDE)). Ein derartiges Einspritzsystem ist in Fig. 1 schematisch wiedergegeben. Das Einspritzventil 1 umfaßt eine Steuereinheit 2, die wiederum einen in einem Gehäuse 3 angeordneten Piezoaktor 4 aufweist. Der Piezoaktor 4 stützt sich hierbei in Fig. 1 an seinem unteren Ende gegen das Gehäuse 3 ab. Das in Fig. 1 obere Ende des Piezoaktors 4 ist mit einem Kolben 5 verbunden, der durch ein Vorspannelement 6, etwa eine Schraubenfeder, im nicht bestromten Zustand des Piezoaktors 4 in seine Ruhelage vorgespannt wird.
    Der Kolben 5 ist weiterhin mit zwei Ausgleichselementen 7, 8 verbunden, die sich parallel der Längsseite des Piezoaktors 4 erstrecken. Diese beiden Ausgleichselemente 7, 8 sind in Fig. 1 zwei Bolzen, welche die gleiche effektive Länge 1 wie der Piezoaktor 4 aufweisen. Natürlich sind auch andere geometrische Formen für die Ausgleichselemente 7, 8 denkbar. Die Ausgleichselemente 7, 8 sind an ihren dem Kolben 5 gegenüberliegenden Enden jeweils mit einem L-Stück 9, 10 verbunden, deren kurzer Schenkel in Fig. 1 nach innen gerichtet ist.
    Die kurzen Schenkel der L-Stücke 9, 10 können mit einer Membran 11 in Kontakt gelangen, welche über ein Auflager, vorzugsweise einen Lagerring 12 am Gehäuse 3 gelenkig gelagert ist.
    Die Membran 11 ist hierbei als Biegebalken ausgebildet und weist mittig eine Öffnung auf, in welche der Kolben 13 eines Ventilgliedes 13 eingreift.
    Schließlich ist noch zwischen dem kurzen Schenkel der L-Stücke 9, 10 und der Membran 11 ein Luftspalt S ausgebildet, dessen Funktion später erläutert wird.
    Desweiteren befindet sich zwischen den beiden Ausgleichselementen 7, 8 und dem Piezoaktor 4 ein Wärmeleitmaterial 15, welches für einen Temperaturausgleich zwischen dem Piezoaktor 4 und den beiden Ausgleichselementen 7, 8 dient. Der Grund für den Temperaturausgleich ist darin zu sehen, daß sich sowohl die beiden Ausgleichselemente 7, 8 als auch der Piezoaktor 4 in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ausdehnen bzw. zusammenziehen. Treten nunmehr Temperaturunterschiede am Piezoaktor 4 und den beiden Ausgleichselementen 7, 8 auf, führt dies zu unterschiedlichen Ausdehnungsgrößen dieser Elemente, was sich in Ungenauigkeit hinsichtlich der Einspritzmenge und dem Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffes niederschlägt. Um dieses Problem zu vermeiden, wird einerseits das Wärmeleitmedium 15 eingesetzt, um sicherzustellen, daß die äußeren Temperatureinflüsse auf dem Piezoaktor 4 als auch die Ausgleichselemente 7, 8 im wesentlichen ausgeglichen sind. Als zweite Maßnahme, um obengenanntes Problem zu vermeiden, wird ein Material für die Ausgleichselemente ausgewählt, welches im wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der Piezoaktor 4 aufweist. Schließlich dient der Spalt S als dritte Maßnahme dem gleichen Zweck. Der Spalt S kompensiert nämlich Ausdehnungsunterschiede aufgrund äußerer Einflüsse, wie etwa der Temperatur, von Piezoaktor 4 und Ausgleichselementen 7, 8. Das heißt, trotz unterschiedlicher Längenausdehnung zwischen Piezoaktor und Ausgleichselementen 7, 8 gelangen die L-Stücke 9, 10 mit der Membran 11 in Kontakt, unmittelbar wenn der Piezoaktor 4 bestromt wird und damit einen Hub entgegen der Vorspannung des Vorspannungselementes 6 bewirkt.
    Wirkungsweise
    Bei einer Ansteuerung des Piezoaktors 4 des erfindungsgemäßen Ventils 1 zum Steuern von Flüssigkeiten wird die Längenausdehnung des Piezoaktors 4 auf den Kolben 5 entgegen der Vorspannungskraft durch das Vorspannelement 6 übertragen. Zusammen mit dem Kolben 5 bewegen sich aber auch die Ausgleichselemente 7, 8 in Fig. 1 nach oben, wodurch mittels der kurzen Enden der L-Stücke 9, 10 die Membran 11 an ihren beiden äußeren Enden in Fig. 1 nach oben gebogen wird. Als Folge der gelenkigen Lagerung der Membran 11 auf dem Lagerring 12 wird der in Fig. 1 mittlere Bereich der Membran 11 entsprechend einem Biegebalken nach unten gespannt, so daß auch der Kolben 13 des Ventilgliedes 14 im Ventil 15 nach unten bewegt wird. Somit führt das Ventilglied 14 eine Bewegung vom ersten Ventilsitz 16 in den zweiten Ventilsitz 17 aus.
    Unterhalb des Ventils 15 ist in Fig. 1 noch der Steuerraum 18 sowie der Steuerkolben 19 dargestellt, welche in allgemein bekannter Form mit dem Ventil 15 zusammenwirken und daher wird auf diese Komponenten und deren Funktionsweise nicht näher eingegangen.
    In Fig. 2 ist nochmals im Detail der Bereich zwischen Ausgleichselement 8 nebst L-Stück 10 und Membran 11 nebst Lagerring 12 dargestellt. Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß der kurze Schenkel des L-Stücks 10 an seiner der Membran 11 zugewandten Seite sphärisch ausgebildet ist, um ein präzises Zusammenwirken zwischen den beiden Elementen 11, 10 und somit eine präzise Hubübertragung von Piezoaktor 4 auf die Membran 11 sicherzustellen. Aus dieser Figur ist aber auch ersichtlich, daß die Membran in Verbindung mit dem Lagerring 12 zwei Hebelarme A und B aufspannt, welche ein Übersetzungsverhältnis festlegen. Mit anderen Worten, der Hub des Piezoaktors 4 wird multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis A/B auf den Kolben 13 übertragen. Hierbei hat sich ein Übersetzungsbereich von 1:2 bis 1:8 als besonders bevorzugt herausgestellt.
    Zudem ist Fig. 2 entnehmbar, daß das L-Stück 10 über ein Gewinde mit dem Ausgleichselement 8 verbunden ist. Diese Verbindung ermöglicht zum einen einen Austausch des L-Stücks, etwa bei Beschädigung, als auf den Einsatz anders dimensionierter L-Stücke, sofern die Anforderungen dies erfordern. Natürlich kann das Ausgleichselement 8 auch einstückig mit dem L-Stück 10 ausgestaltet sein.
    In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ventils 1 zum Steuern von Flüssigkeiten dargestellt. Nachdem der Aufbau des Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 im wesentlichen demjenigen von Fig. 1 gleicht, werden im folgenden lediglich die Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 erläutert.
    Ein wesentlicher Unterschied besteht bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3, im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel von Fig. 1, darin, daß anstelle von L-Stücken 9,10 zwei geradlinige Verlängerungen 20, 21 jeweils mit dem entsprechenden Ausgleichselement 7, 8 verbunden sind. Durch die Verwendung dieser Verlängerungen 20, 21 greifen nunmehr die Ausgleichselemente 7, 8 in Fig. 3 von oben und nicht wie in Fig. 1 gezeigt von unten an der Membran 12 an. Die Membran 11 ist hierbei entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel in der Nähe ihrer mittigen Öffnung auf einem Lagerring 12 gelenkig gelagert. Zusätzlich zu diesem Lagerring ist aber noch ein zweiter Lagerring 22 zwischen innerem Lagerring 12 und den beiden Verlängerungen 20, 21 angeordnet.
    Im Ruhezustand der Membran 11 ist der Piezoaktor 4 bestromt. Für den Einspritzvorgang wird der Piezoaktor 4 abgeschaltet, so daß er sich
    Figure 00090001
    zusammenzieht". Hierdurch wird in Fig. 3 der Kolben 5 des Piezoaktors 4 und damit einhergehend die Ausgleichselemente 7, 8 nebst Verlängerungen 20, 21 in Richtung der Vorspannungskraft des Vorspannelementes 6 nach unten bewegt und biegen die äußeren Enden der Membran 11 in Fig. 3 nach unten. Durch die Lagerung der Membran auf dem zweiten Lagerring 22 bewegt sich der zwischen erstem Lagerring 12 und zweitem Lagerring 22 befindliche Bereich der Membran 11 entsprechend einem Biegebalken nach oben. Diese Bewegung wird anschließend im Bereich zwischen Kolben 13 und erstem Lagerring 12 in eine Biegung in Fig. 3 nach unten transformiert, so daß der Kolben 3 nebst zugehörigem Ventilglied in Fig. 3 nach unten wandert. Somit wird auch mit der Ausgestaltungsform gemäß Fig. 3 die gleiche Wirkung wie mit dem ersten Ausführungsbeispiel erzielt. Jedoch stellt die Membran gemäß Fig. 1 einen einfachen Biegebalken dar, wohingegen die Membran gemäß Fig. 3 als doppelter Biegebalken wirkt.
    Natürlich ist auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ein Übersetzungsverhältnis vorgebbar. Hierbei ist die Strecke zwischen erstem Lagerring und Kolbenmittelpunkt als Hebelarm B festgelegt. Gleichzeitig definiert die Strecke von erstem Lagerring 12 zum zweiten Lagerring 22 den Hebelarm A. Die Strecke zwischen zweitem Lagerring 22 und Mittelpunkt der jeweiligen Verlängerungen 20 bzw. 21 ist frei einstellbar, jedoch hat sich hier eine Dimensionierung in der Größe des Hebelarmes A als bevorzugt herausgestellt.
    Schließlich zeigt Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ventils 1 zum Steuern von Flüssigkeiten. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 3 dadurch, daß nur ein Lagerring 23 vorgesehen ist, auf welchem die Membran 11 durch die Ausgleichselemente 7, 8 nebst Verlängerungen 20, 21 vorgespannt ist. Ferner drückt eine Feder 24 im Bereich zwischen Kolben 13 und Lagerring 23 auf die Membran 11 in Richtung der Ruhestellung der Membran 11. Wird nun der Piezoaktor 4 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel bestromt bzw. aktiviert, führt er in Fig. 4 eine Hubbewegung entgegen der Vorspannungskraft der Vorspannelemente 6 nach oben aus. Hierdurch werden gleichzeitig die
    Ausgleichselemente 7, 8 nebst Verlängerungen 20, 21 in Fig. 4 nach oben bewegt, so daß die Membran 11 in Richtung der Vorspannungskraft der Feder 24 nach unten ausweichen kann, wodurch wiederum der Kolben 13 nebst Ventilglied eine Bewegung in den Ventilsitz ausführen kann.
    Obgleich in Fig. 4 nicht dargestellt, ist natürlich auch bei diesem Ausführungsbeispiel das Hebelarmverhältnis A/B entsprechend den Ausführungen zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen einstellbar.
    Die vorliegende Erfindung kann selbstverständlich auch bei anders ausgestalteten Ventilen mit mechanischem Übersetzer verwendet werden.
    Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele 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, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

    Claims (10)

    1. Ventil (1) zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Piezoaktor (4) und mit einem den Hub des Piezoaktors (4) übertragenden mechanischen Übersetzer, über welchen ein mit einem Kolbenelement (13) in Verbindung stehendes Ventilglied (14) betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Übersetzer eine Membran (11) aufweist, über welche der Hub des Piezoaktors (4) auf das Kolbenelement (13) des Ventilgliedes (14) übertragen wird.
    2. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (11) als Biegebalken ausgebildet ist.
    3. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (11) auf einem Auflager (12), vorzugsweise einem Lagerring gelenkig gelagert ist.
    4. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerring (12) die Membran (11) in zwei Hebelarme (A, B) unterteilt.
    5. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (11) kreisförmig ist sowie mittig eine Öffnung aufweist, in welche das Kolbenelement (13) des Ventilgliedes (14) eingreift.
    6. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (11) in Richtung der Schließstelllung des Ventilgliedes (14) vorgespannt ist.
    7. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Piezoaktor (4) zumindest ein Ausgleichselement (7, 8) zugeordnet ist, welches den Hub des Piezoaktors (4) auf einen Hebelarm (B) der Membran (11) überträgt.
    8. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Luftspalt (S) zwischen Ausgleichselement (7, 8) und Membran (11) ausgebildet ist.
    9. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmeleitmaterial (15) zwischen Piezoaktor (4) und Ausgleichselement (7, 8) angeordnet ist.
    10. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichselement (15) und der Piezoaktor (4) im wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
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