ES2220305T3

ES2220305T3 - Dispositivo dosificador.

Info

Publication number: ES2220305T3
Application number: ES00117809T
Authority: ES
Inventors: Randolf Dr. Mock; Andreas Dr. Kappel; Bernhard Dr. Gottlieb; Hans Prof. Dr. Meixner; Bernhard Fischer
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1999-08-24
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2020-08-18
Also published as: EP1079098B1; DE19940055C1; EP1079098A3; DE50006571D1; EP1079098A2

Abstract

Válvula dosificadora para la dosificación de un líquido a dosificar que se encuentra bajo presión, presentando: - una cámara de válvula (18) en una carcasa (2) para alojar una aguja de válvula (7), que juntamente con una pared de la carcasa (2) constituye una válvula, que se mantiene cerrada mediante fuerzas elásticas y se abre mediante la elongación de un piezoactuador (4) pretensado a compresión y el correspondiente movimiento de carrera de la aguja de válvula (7), - una cámara de actuador (17) para alojar el piezoactuador (4), apoyando un émbolo hidráulico (1), que actúa en la dirección longitudinal del piezoactuador (4), el piezoactuador (4) hacia el lado opuesto a la aguja de válvula (7), formando el émbolo hidráulico (1) juntamente con la carcasa (2) una cámara hidráulica (3) y estando unidas entre sí hidráulicamente con estrangulamiento la cámara de actuador (17) con la cámara hidráulica (3) a través de un paso de ajuste (21) entre émbolo hidráulico (1) y carcasa (2), - un elemento de junta (26) axial flexible, que impermeabiliza herméticamente la cámara del actuador (17) respecto a la cámara de la válvula (18), - una cámara de compensación (13) unida con la cámara hidráulica (3), caracterizada porque la cámara del actuador (17), la cámara hidráulica (3) y la cámara de compensación (13) están llenas con un líquido hidráulico que se encuentra bajo presión, de tal manera que el sistema cámara hidráulica (3) - cámara de compensación (13) - cámara del actuador (17) ¿ líquido hidráulico forma un apoyo dinámicamente rígido para el piezoactuador (4) y un elemento de compensación de longitud para procesos más largos en el tiempo.

Description

Dispositivo dosificador.

La invención se refiere a un dispositivo dosificador con un actuador electromecánico, que acciona una aguja de válvula.

En un dispositivo dosificador con un actuador electromecánico como elemento de accionamiento ha de tenerse en cuenta que

- el actuador esté protegido frente al fluido a dosificar, llamado a continuación fluido dosificado,

- se evite una tensión de tracción en el actuador,

- los elementos de estanqueidad existentes presenten una elevada flexibilidad mecánica en la dirección del movimiento, de manera que no se impida una compensación de longitud para equilibrar variaciones de longitud térmicas y debidas a la presión y para equilibrar dispersiones en la longitud debidas a la fabricación,

- exista una suficiente resistencia a la presión por parte de los elementos de estanqueidad,

- exista una adecuada compensación de los esfuerzos debidos a la presión y/o de los esfuerzos o bien variaciones de longitud térmicos y/o debidos a los efectos de envejecimiento y fatiga, por ejemplo sobre una aguja de válvula,

- esté garantizada una elevada fiabilidad de los elementos de estanqueidad en cuanto a fugas,

- esté asegurada una compensación hidráulica de longitud en el intervalo de temperaturas típico de -40ºC a +150ºC.

Por ejemplo, sobre una superficie cargada con presión de un plato de válvula de una válvula dosificadora que abre hacia fuera, actúa, cuando la presión del fluido dosificado es elevada, una elevada fuerza de presión en la dirección de apertura, que da lugar a una fuga del fluido dosificado hacia fuera.

Por la DE 43 06 072 C2 se conoce un dispositivo dosificador que abre hacia fuera, en el que un piezoactuador acciona, transformando su acción en una carrera, una aguja de válvula mediante una cámara hidráulica. El piezoactuador está alojado

en una cámara separada, e impermeabilizado mediante anillos toroidales respecto al líquido hidráulico. El piezoactuador se mantiene pretensado a compresión mediante un resorte de disco y se apoya para ello en la carcasa.

Por la DE 43 06 073 C1 se conoce una válvula de inyección que abre hacia dentro, en la que el actuador está alojado igualmente en una cámara separada y está impermeabilizado respecto a los líquidos utilizados mediante anillos de junta. También aquí se apoya el piezoactuador en la carcasa y está pretensado a compresión mediante un resorte de disco. Una extensión del actuador se transforma mediante un accionamiento émbolo - en - émbolo, con inversión de la carrera, en una carrera de una aguja de válvula.

Por la EP 0 218 895 B1 se conoce una válvula dosificadora para dosificar líquidos o gases, en la que un piezoactuador multicapa se encuentra dentro de una parte de una perforación llena de combustible, y una superficie extrema del piezoactuador está unida con una aguja de válvula que abre hacia fuera, mientras que el otro extremo del piezoactuador está unido con un émbolo amortiguador, que delimita una cámara de amortiguamiento. La cámara de amortiguamiento está unida con una cámara de compensación mediante al menos un intersticio de choque, estando el volumen disponible delimitado por la cámara de amortiguamiento, el intersticio de choque y la cámara de compensación, lleno de líquido y herméticamente cerrado.

Es una tarea de la presente invención poner a disposición un dispositivo dosificador con una compensación hidráulica de longitud, que lleve a cabo una compensación lenta de longitud de manera sencilla.

Es también una tarea poner a disposición una posibilidad para la dosificación con una elevada precisión.

Esta tarea se resuelve mediante un dispositivo dosificador según la reivindicación 1. Perfeccionamientos ventajosos se deducen de las correspondientes reivindicaciones secundarias.

Mediante el dispositivo dosificador debe emitirse dosificadamente un fluido dosificado que se encuentra bajo presión, por ejemplo un combustible como gasolina o diesel, para la inyección de combustible. El dispositivo dosificador incluye una cámara de válvula en una carcasa, en la que puede alojarse una aguja de válvula.

La aguja de válvula constituye, juntamente con una pared de la carcasa, una válvula, por ejemplo una válvula de disco que abre hacia fuera o bien una abertura de inyección que abre hacia dentro. La válvula puede cerrarse mediante fuerzas elásticas, que actúan directa o indirectamente sobre la aguja de la válvula y puede abrirse mediante una elongación de un piezoactuador y el correspondiente movimiento de carrera de la aguja de válvula. El piezoactuador está pretensado a compresión para evitar una tensión por tracción nociva.

El piezoactuador se encuentra en una cámara para el actuador, apoyando un émbolo hidráulico del piezoactuador que actúa en la dirección longitudinal, que se corresponde con la dirección principal de extensión, el piezoactuador en el lado opuesto a la aguja de válvula. El émbolo hidráulico forma junto con la carcasa una cámara hidráulica, que está unida con la cámara del actuador mediante un ajuste entre el émbolo hidráulico y la carcasa, con estrangulamiento hidráulico uno respecto a otro. Al respecto, evidentemente, el estrangulamiento hidráulico implica que el mismo puede controlarse mediante la anchura radial de ajuste.

Además, existe un elemento de estanqueidad axial flexible, que impermeabiliza herméticamente la cámara del actuador respecto a la cámara de la válvula, de manera que no puede tener lugar intercambio alguno de líquido entre la cámara del actuador y la cámara de la válvula. La elección de un elemento de estanqueidad flexible axialmente no está limitada, y puede incluir por ejemplo un fuelle metálico, de goma o, de plástico o también una membrana.

Con la cámara hidráulica está unida hidráulicamente una cámara de compensación. La cámara de compensación no tiene por qué estar alojada en la carcasa, sino que también puede estar realizada por ejemplo como cámara separada, unida por tuberías de entrada con la cámara hidráulica.

La cámara del actuador, la cámara hidráulica y la cámara de compensación están llenas del líquido hidráulico que se encuentra bajo presión, de manera que el sistema cámara hidráulica - cámara de compensación - cámara de actuador -
líquido hidráulico constituye un apoyo dinámicamente rígido para el piezoactuador y un elemento de compensación de longitud para procesos de más duración. Evidentemente este sistema incluye también conexiones hidráulicas que funcionan entre la cámaras.

Este dispositivo dosificador posee la ventaja de que no presenta junta alguna, con lo que su mantenimiento es muy bajo.

Además, resulta la ventaja de que puede generarse fácilmente un equilibrio de fuerzas en el piezoactuador, y la posibilidad de ajustar el equilibrio de fuerzas en la aguja de válvula eligiendo el elemento de estanqueidad, por ejemplo eligiendo un diámetro hidráulico utilizando un fuelle metálico como paso para la aguja de la válvula.

También puede mantenerse ventajosamente una presión básica permanente en la cámara hidráulica, lo cual permite un funcionamiento del dispositivo dosificador uniforme e independiente de la presión del combustible.

Mediante la presión básica resulta además la ventaja de que la cámara hidráulica puede absorber durante breve tiempo elevados esfuerzos de tracción y de presión, con lo que puede realizarse el cierre de la válvula con mucha mayor rapidez (típicamente de cinco a diez veces más rápido).

Es igualmente ventajoso el pretensado hidráulico a compresión debido a la presión del líquido hidráulico en el piezoactuador, porque de esta manera no existe pérdida alguna en una desviación del piezoactuador.

También puede refrigerarse el piezoactuador ventajosamente en contacto directo con el líquido hidráulico.

Es ventajoso que la cámara hidráulica esté unida con la cámara de compensación directamente mediante una perforación de estrangulación, por ejemplo un microperforación, porque de esta manera resulta una amplia independencia respecto a la viscosidad del líquido hidráulico y con ello de la temperatura.

Es también favorable que la cámara hidráulica esté unida hidráulicamente con la cámara de compensación mediante el ajuste entre émbolo hidráulico y carcasa y mediante una tubería de conexión que una la cámara del actuador y la cámara de compensación, lo cual es más sencillo de fabricar que practicar una perforación de estrangulación especial.

El líquido hidráulico es, favorablemente, un aceite de silicona, que presenta propiedades dieléctricas e inertes muy buenas. Bajo aceites de silicona se entienden sobre todo dimetilsiloxanos polímeros. Es especialmente ventajoso que el aceite de silicona se introduzca en su estado básico sin burbujas.

Es ventajoso, especialmente en una válvula de inyección de combustible, que la presión del líquido hidráulico se encuentre en la gama de 1 bar a 20 bar, en particular de 10 bar a 20 bar. Al respecto, es ventajoso en especial medida que la presión del líquido hidráulico sea aportada por las propiedades elásticas de un fuelle, en particular de un fuelle metálico, que sirve para impermeabilizar la cámara hidráulica. Más ventajoso aún es que exista adicionalmente un elemento elástico para aportar la presión.

La aguja de la válvula está soldada, ventajosamente, con una placa de base del piezoactuador, de manera que se minimice la elasticidad del intersticio y a la vez el piezoactuador quede protegido de desfavorables sobreelevaciones de la tensión.

Es ventajoso que el piezoactuador sea un actuador piezoeléctrico multicapa.

Es también ventajoso que el piezoactuador esté pretensado a compresión mediante un resorte de reposición, por ejemplo un resorte alojado en la cámara del actuador, que se apoya en la carcasa y en la placa de base.

Para la fabricación sencilla y la transmisión libre de pérdidas de la fuerza es favorable que el piezoactuador esté alojado en un muelle tubular, en particular un muelle tubular de ranura, y esté pretensado a compresión por éste.

Para un mejor pretensado a compresión y para el encapsulado del piezoactuador es ventajoso que el piezoactuador esté alojado en un fuelle, en particular en un fuelle metálico, y sea pretensado a compresión por éste. Cuando se realiza una soldadura hermética, el fuelle divide la cámara del actuador en una cámara interna de actuador y una cámara externa de actuador, que está impermeabilizada hidráulicamente respecto a la anterior. La cámara externa del actuador presenta las propiedades de la cámara del actuador en cuanto a llenado y conexiones hidráulicas, mientras que la cámara interna del actuador está cerrada. De esta manera es posible conservar las propiedades estáticas y dinámicas del dispositivo dosificador, y a la vez proteger el piezoactuador. Esta protección puede realizarse, entre otras formas, generando en la cámara interna del actuador una atmósfera químicamente inerte respecto al actuador, y que de esta manera se ejerza ahora, debido a una diferencia de presión entre la cámara externa del actuador y la cámara interna del actuador, un esfuerzo de presión adicional sobre el piezoactuador.

Al respecto, es favorable si la cámara interna del actuador, que rodea al piezoactuador, no disponga de líquido hidráulico alguno, sino preferentemente de un líquido inerte o de un gas inerte, que esté llena por el contrario la cámara externa del actuador de líquido hidráulico.

Para simplificar la fabricación, encapsulado y pretensado a compresión es especialmente ventajoso que la cámara interna del actuador esté llena con aire o gas de soldadura bajo la presión atmosférica.

Para el ajuste de las fuerzas en la aguja de la válvula es ventajoso que el elemento de estanqueidad flexible axialmente, que separa la cámara del actuador de la cámara de la válvula, sea un fuelle elástico, en particular otro fuelle metálico, que está articulado por un lado a la aguja de la válvula y por otro lado a la carcasa. Esto se realiza por ejemplo tal que el fuelle metálico esté previsto como boquilla de paso de la aguja de la válvula. En este caso es especialmente ventajoso que el diámetro hidráulico d2 del fuelle metálico esté de acuerdo con el diámetro d1 de la abertura de la válvula de disco, de la línea de estanqueidad. Si el acuerdo es según la relación d1 = d2, no se ejercita, favorablemente, esfuerzo adicional alguno sobre la aguja de la válvula. No obstante, puede ser también favorable la elección de
d1 < d2 para generar una fuerza de cierre adicional en la aguja de la válvula, por ejemplo para presiones más elevadas del fluido dosificado.

La fig. 1a muestra una válvula dosificadora con un piezoactuador, una aguja de válvula y un sistema de amortiguamiento hidráulico, estando unida la cámara hidráulica con la cámara del actuador,

la fig. 1b muestra una sección correspondiente al dispositivo dosificador descrito en la figura 1a dentro de una cámara de válvula,

las fig. 2a y 2b muestran esquemas básicos para la definición de las magnitudes utilizadas en esta descripción,

la fig. 3 muestra un sistema correspondiente a la figura 1, donde, contrariamente al mismo, la aguja de válvula y el piezoactuador no están unidos fijamente entre sí,

la fig. 4 muestra una válvula dosificadora correspondiente a la figura 1, realizándose la conexión entre la cámara hidráulica y la cámara de compensación a

través de una perforación de compensación del intersticio de estanqueidad del sistema,

la fig. 5 muestra un sistema correspondiente a la figura 1, pero contrariamente al mismo, la aguja de la válvula y el piezoactuador no están unidos fijamente entre sí.

La figura 2a muestra como vista lateral, en representación seccionada, una carcasa 101 que contiene un émbolo hidráulico 103 dispuesto tal que puede deslizarse axialmente en una perforación. Por medio del émbolo hidráulico 103 se divide un agujero de la carcasa 101 en una cámara hidráulica 131 y una cámara de trabajo 161. En la cámara de trabajo 161 el émbolo hidráulico 103 está unido mediante un fuelle metálico 25 simétrico rotativamente respecto al eje longitudinal de la perforación con la carcasa 101. Mediante el fuelle metálico 25 se divide a su vez la cámara de trabajo 161 en una cámara interna del actuador 81 y una cámara externa del actuador 82.

Mediante una tubería de entrada 19 se carga la cámara hidráulica 131, y de esta manera, mediante un ajuste entre el émbolo hidráulico 103 y la carcasa 101, la cámara externa del actuador 82 con una presión pA. En este ejemplo de ejecución no existe ninguna otra tubería de entrada hacia la cámara externa del actuador 82.

La cámara interna del actuador 81 separada de la cámara externa del actuador 82 se encuentra bajo una presión pI, siendo pI \neq pA. De esta manera actúa sobre el fuelle metálico 25 la fuerza de presión Fp, que cuando se da pA > pI comprime el fuelle metálico 25. La fuerza Fp ejercida sobre el émbolo hidráulico 103 corresponde por tanto a la adición vectorial de los esfuerzos que actúan sobre la superficie del émbolo hidráulico 103.

En este ejemplo de ejecución el émbolo hidráulico 103 está realizado escalonadamente con un diámetro superior y un diámetro inferior, estando alojado el fuelle metálico 25 por un lado en la cara exterior del émbolo hidráulico 103 en la zona del diámetro inferior y por otro lado, a igualdad de diámetro, en un apéndice que va alrededor de la carcasa 1.

El diámetro hidráulico dh o bien la sección hidráulica Ah (también denominada sección efectiva del fuelle) resulta a partir de la fuerza Fp según la fórmula

(1)Fp = \Pi \cdot dh^{2} / 4 \cdot (pA - pI) = Ah \cdot (pA - pI).

Entonces, y bajo la condición pA > pI rige en general dh > diámetro inferior del émbolo hidráulico 103. Esto es debido, entre otros, a que las ondulaciones del fuelle metálico 25 son comprimidas en dirección axial debido a la diferencia de presiones.

Otra descripción de la sección hidráulica Ah se encuentra en: Witzenmann GmbH: Fuelles Metálicos, 1997, Págs. 82 y 101.

Evidentemente rigen las mismas relaciones también para otras ejecuciones de fuelles, por ejemplo fuelles de plástico.

En la figura 2b se indica el caso de un émbolo hidráulico 104 análogo al de la figura 2a en cuanto al equilibrio de fuerzas, pero que ahora no está unido por el lado opuesto a la cámara hidráulica 103 con un fuelle metálico 25, sino que se apoya sobre una segunda entrada 22, encontrándose la segunda entrada 22 bajo una presión pI. El émbolo hidráulico 104 presenta un diámetro hidráulico dh.

La figura 1a muestra, en representación seccionada y en vista lateral, un dispositivo dosificador como válvula de inyección para combustible con un elemento hidráulico de compensación de longitud.

El elemento de compensación de longitud incluye un émbolo hidráulico 1 de una unidad de accionamiento, que juntamente con la carcasa 2 de la válvula dosificadora forma una cámara hidráulica 3. El émbolo hidráulico 1 presenta un diámetro d4. La cámara hidráulica 3 está unida mediante una unión estrangulada en forma de un ajuste estrecho 21 entre el émbolo hidráulico 1 y la carcasa 2 con una cámara de actuador 17.

En la cámara del actuador 17 se encuentra un actuador multicapa piezoeléctrico (PMA) 4, preferentemente en técnica de bajo voltaje, como parte de la unidad de accionamiento. El PMA 4 está soldado hermética y estancamente mediante el émbolo hidráulico 1 y una placa de base 5 dentro de un fuelle metálico 25 con diámetro hidráulico d3. Mediante el fuelle metálico 25, la cámara del actuador 17 está dividida en una cámara interna del actuador 23, que incluye el PMA 4 y que no está llena con líquido hidráulico, y una cámara externa del actuador 24, que está llena con el líquido hidráulico. La cámara interna del actuador 23 está llena preferentemente de aire bajo la presión atmos-
férica.

La soldadura del fuelle metálico 25 es favorable para la estanqueidad del piezoactuador 4 respecto al líquido hidráulico y para evitar un efecto de choque entre la unidad de accionamiento y una aguja de válvula 7. Además, se mantiene mediante el fuelle metálico 25 la PMA 4 bajo una tensión previa a compresión (típicamente unos 500 N).

La placa de base 5 puede estar configurada, a elección, de tal manera que juntamente con la carcasa de la válvula 2 sirve como guía para la aguja de válvula 7. Esto exige una conducción de la placa de base 5 dentro de la cámara del actuador 17, siendo suficiente la conducción de la aguja de válvula 7 en su extremo inferior externo. Esta conducción da lugar a una estabilización de la aguja de válvula 7.

En el cuerpo de la válvula está configurado un asiento de válvula 9, que juntamente con el disco de la válvula 10, que se encuentra en el extremo inferior de la aguja de válvula 7, forma una válvula de disco. El diámetro del asiento de la válvula 9, que se corresponde con el diámetro exterior de la válvula de disco, se denomina línea de estanqueidad d1.

Un resorte de reposición 8 pretensado a compresión, mantiene cerrada la válvula de disco con una fuerza de reposición Fr en el estado de partida del dispositivo dosificador, en el que éste está contraído. El resorte de reposición está apoyado en la carcasa 2 y en la placa de base 5.

Una parte de la aguja de válvula 7 está rodeada por una cámara de la válvula 18, formada por la aguja de válvula 7 y la carcasa 2. La cámara de la válvula 18 está formada aquí por una perforación, en el que se conduce en una gran extensión la aguja de válvula 7. La misma puede cargarse con presión mediante una entrada para líquido o bien combustible 19 y está unida hidráulicamente con la válvula de disco, de manera que cuando la válvula de disco está abierta, es decir, cuando el disco de la válvula 10 está levantado del asiento de válvula 9, fluye una corriente del fluido desde la cámara de la válvula 18 hacia la válvula de disco y fluido dosificado es emitido hacia fuera a través de la válvula de disco.

La cámara de la válvula 18 está herméticamente impermeabilizada respecto a la cámara del actuador 17 mediante una junta flexible en la dirección de desplazamiento de la aguja de la válvula 7, tratándose aquí de otro fuelle metálico 26 con diámetro hidráulico d2. El otro fuelle metálico 26 está unido mediante cordones de soldadura de estanqueidad por su extremo inferior con la aguja de la válvula 7 y por su extremo superior con la carcasa 2, de manera que su cara exterior está sometida a la presión del fluido dosificado aportado por la entrada de fluido o bien combustible 19 y su cara interior lo está a la baja presión ph del líquido hidráulico.

El diámetro hidráulico d2 del fuelle metálico 26 puede ajustarse con respecto a la línea de estanqueidad d1. Cuando el ajuste es según la relación d1 = d2, no se ejerce esfuerzo adicional alguno sobre la aguja de la válvula 7. No obstante, puede ser también favorable la elección de d1 < d2 para generar una fuerza adicional de cierre sobre la aguja de la válvula 7, por ejemplo cuando la presión del fluido a dosificar es más elevada.

Lo más próximo posible al disco de la válvula 10 está colocada también la conducción de la placa de base 5 y configurada, según esta figura, de tal manera que cuando está abierta la válvula de disco no estrangula la corriente de líquido (ver sección I-I en la figura 1b).

La cámara externa del actuador 24 se encuentra en unión fluida no estrangulada con una cámara de compensación 13 mediante una perforación de compensación 20. De esta manera se evitan efectos de compresión del líquido hidráulico que se encuentra en la cámara externa del actuador 24, por ejemplo cuando se desplazan elementos que se encuentran en la cámara del actuador 17.

La cámara de compensación 13 está formada por la carcasa 2 y una junta flexible y herméticamente estanca hacia fuera. La junta flexible se representa en esta figura mediante un fuelle metálico 14, que está soldado por uno de sus extremos con un disco de cierre 15 y por su otro extremo con la carcasa 2. No obstante, puede utilizarse por ejemplo también una membrana de metal, goma o plástico (por ejemplo, acumulador de burbujas), puesto que se trata solamente de juntas flexibles de baja presión. El volumen de compensación de la cámara de compensación 13 podría cerrarse también mediante un émbolo con junta anular. La cámara de compensación 13 sirve para compensar una variación de volumen del líquido hidráulico en la cámara del actuador 17, por ejemplo debido a una compensación de longitud o a una variación térmica de volumen, sin una elevación significativa de la presión.

La cámara hidráulica 3, la perforación de compensación 20, la cámara de compensación 13 y la cámara externa del actuador 24 se encuentran, en el estado básico de la válvula dosificadora, llenos de líquido hidráulico con ausencia de burbujas. El líquido hidráulico se traslada por ejemplo mediante un resorte de presión 16 suave bajo una baja presión previa ph de aprox. 1 bar a 20 bar, preferentemente de 10 bar a 20 bar. El resorte de presión 16 está tensado entre la carcasa y el disco de cierre 15. Cuando es suficiente el propio efecto elástico de las juntas flexibles, aquí de los fuelles metálicos 14, 25, 26, para colocar el líquido hidráulico bajo una presión previa suficiente, puede renunciarse a un resorte adicional 16.

Mediante la presión previa ph se evita una nociva cavitación en la cámara hidráulica 3. Además se ejerce sobre el piezoactuador 4 una fuerza hidráulica de presión Fd = ph \cdot \Pi \cdot d3^{2}/4 \approx 15 N a 300 N en dirección axial, mediante la cual se reduce aún más el posible daño debido a una tensión de tracción. La fuerza hidráulica de presión Fd se suma a la fuerza elástica Fd.

Además, debido a la presión previa, se lleva de nuevo de retorno a la cámara hidráulica 3 una pequeña cantidad del líquido hidráulico, que durante la fase de apertura de la válvula dosificadora es expulsado de la cámara hidráulica 3 mediante el diafragma de estrangulación hacia la cámara de compensación 13, durante la fase en la que la válvula de inyección está cerrada. Así se lleva la unidad de accionamiento de nuevo a la posición de partida.

Respecto a la forma de funcionamiento, en especial de la cámara hidráulica 3 del elemento hidráulico de compensación de longitud, ha de indicarse lo siguiente: el elemento de compensación de longitud debe actuar dentro de un tiempo típico de inyección de por ejemplo de 1 a 5 ms como apoyo rígido. La fuerza del resorte de reposición 8 de aprox. 50 a 150 N y adicionalmente las fuerzas de aceleración que se presentan, que actúan durante la apertura y cierre de la válvula dentro del tiempo de conexión, deben ser absorbidas por el elemento de compensación de longitud sin una influencia apreciable sobre la altura de la cámara hidráulica 3. Los tiempos de conexión se encuentran típicamente en la gama de 100 a 200 \mus y los tiempos de inyección entre 1 ms y 5 ms.

Por el contrario, las variaciones térmicas de longitud que tienen lugar en intervalos de algunos segundos hasta unos minutos, deben ser absorbidas por el elemento de compensación mediante el intercambio de líquido hidráulico con la cámara de compensación 13.

En esta figura y debido al estrecho paso de ajuste 21, se logra la antes descrita característica deseada del depósito hidráulico. Para ello es necesario diseñar el ajuste 21 de tal manera que dentro de los tiempos típicos de inyección prácticamente no pueda tener lugar intercambio alguno de líquido hidráulico. Pero por otra parte, debe realizarse sin obstáculos el intercambio de fluido dentro de los tiempos típicos para las variaciones térmicas de longitud.

La cámara hidráulica 3 posee, debido a la compresibilidad del líquido hidráulico, una rigidez que es mayor cuanto menor sea la altura diseñada para la cámara hidráulica 3. Por lo tanto la cámara hidráulica 3 no debe ser más alta que lo estrictamente necesario para la compensación de las tolerancias de fabricación y las variaciones térmicas de longitud.

También debe mantenerse el volumen de compensación tan pequeño como sea posible, para que se mantenga lo más baja posible la variación adicional térmica de volumen del líquido hidráulico a lo largo de la gama típica de temperaturas de -40º a +150ºC y sea absorbida por el elemento de estanqueidad flexible, el fuelle metálico 14, sin una variación de presión apreciable en el líquido hidráulico.

En un proceso de inyección, se elonga el PMA 4 a través de sus conexiones eléctricas 41. Debido a la breve duración del proceso de inyección (típicamente 1 ms \leq 5 ms con una duración del proceso de ajuste de entre
100 \mus y 200 \mus), la cámara hidráulica 3 se comporta con una muy buena aproximación de forma rígida, de manera que se apoya allí el PMA 4. La extensión del PMA 4 (típicamente entre 30 \mum y 60 \mum) se convierte por lo tanto casi completamente en una carrera de la aguja de la válvula 7. La aguja de la válvula 7 y con ello el disco de la válvula 10, se levantan del asiento de estanqueidad 9, con lo que la válvula de disco se abre. Desde la cámara de la válvula 18 fluye el fluido dosificado a través del ajuste entre aguja de válvula 7 y carcasa 2 hacia la válvula de disco y es emitido desde allí hacia fuera. Mediante la tubería de entrada 19 se llena de nuevo la cámara de la válvula 18 con fluido dosi-
ficado.

Hasta el final del proceso de inyección, se descarga el PMA a través de sus conexiones eléctricas 41, contrayéndose así. De esta manera el disco de la válvula 10 se asienta sobre el asiento de estanqueidad 9, y la válvula de disco se cierra. La reposición de la aguja de la válvula 7 se realiza entonces principalmente mediante una tensión previa de compresión del PMA, así como la presión del resorte de reposición 8 y del fuelle metálico 25.

La cámara hidráulica 3 está en situación, debido a su elevada rigidez y en particular de la presión del líquido hidráulico, de absorber en corto tiempo incluso elevados esfuerzos de tracción.

Respecto al diseño de la cámara hidráulica 3, rigen las siguientes interdependencias:

El diámetro típico d4 del émbolo hidráulico 1 y de la cámara hidráulica 3 es: d4 = 18 mm, de lo que resulta la correspondiente superficie de émbolo Ak = 254 mm^{2}. La altura típica de la cámara hk es de 500 \mum, y una compresibilidad típica \chi del líquido hidráulico es \chi = 1\cdot10^{-9} m^{2}/N. La rigidez mínima (constante elástica) c_{k} de la cámara hidráulica 3 se calcula a partir de:

(1)c_{k} = A_{k}/(\chi \cdot hk) \approx 500 N/\mu m

Se deduce, para la pérdida de carrera \Deltax1, debido a la rigidez de la cámara hidráulica 3, para una diferencia de fuerzas promedia \DeltaF = 200 N que ha de soportar durante el proceso de inyección la cámara hidráulica 3, que
\Deltax1 = \DeltaF / ck = 0,4 \mum.

La pérdida de carrera \Deltax2 debido a la corriente de líquido Q_{L} a través del ajuste 21 durante el tiempo t de un proceso de inyección, se calcula a partir de \Deltax2=\DeltaV/Ak, con \DeltaV como pérdida de volumen. Rige que \DeltaV = Q_{L}\cdott para un aceite típico de silicona (por ejemplo silicona Bay M50), con

Q_{L} = 2,5 \cdot \Pi \cdot d4 \cdot h^{3} \cdot \Delta P/ (12 \cdot \eta \cdot l),

con una anchura radial del ajuste hs = 2 \mum, diferencia de presión \DeltaP = \DeltaF/Ak < 8 bar, viscosidad cinemática \nu (para T = 140ºC) = 10 mm^{2}/s y densidad \rho (para T = 140ºC) = 0,87 g/cm^{3} y una viscosidad dinámica que así resulta \eta (para 140ºC) = \nu \cdot \rho = 8,7 mPa\cdots y longitud l del paso de ajuste en dirección axial = 10 mm. Se deduce que la pérdida de carrera \Deltax2 del dispositivo dosificador debido a la pérdida de volumen de la cámara hidráulica 3 es inferior a
0,02 m.

La pérdida total de carrera \Deltax = \Deltax1 + \Deltax2 < 0,5 \mum es así suficientemente pequeña para la operación del equipo dosificador representado en esta figura.

En la figura 1b se representa una sección a lo largo de un plano I dibujado en la figura 1a.

Se observa una sección anular de la carcasa 2, en la que se aloja una aguja de válvula 7 con sección cuadrada y redondeada en las esquinas. Mediante esta disposición es posible conducir la aguja de válvula 7 con buena precisión y a la vez garantizar un gran caudal de líquido a dosificar en la aguja de válvula 7.

La figura 3 muestra un dispositivo dosificador análogo al dispositivo dosificador de la figura 1a, en el que el fuelle metálico 25 ha sido sustituido ahora por un resorte tubular 6. Aquí el PMA 4 se encuentra en contacto directo con el líquido hidráulico. Como líquido hidráulico se utiliza preferentemente un líquido químicamente poco reactivo, como por ejemplo los aceites de silicona, excelentemente adecuado debido a sus propiedades dieléctricas e inertes
( = dimetilsiloxanos polímeros).

El muelle tubular posee, frente al fuelle metálico 25, la ventaja de que es comparativamente más económico. En particular un muelle tubular de ranura puede fabricarse de manera sencilla en grandes cantidades.

Mediante el contacto directo del PMA 4 con el líquido hidráulico, resulta de manera favorable una evacuación muy buena del calor de pérdidas generado por el efecto Joule en el PMA 4 hacia el entorno. Además, el PMA 4 está protegido de forma sobresaliente frente a influencias del entorno.

La figura 4 muestra como representación en sección en vista lateral un dispositivo dosificador, en el que, contrariamente al equipo dosificador de la figura 1a, la cámara de compensación 13 se interconecta con la cámara hidráulica 3 exclusivamente mediante una perforación de estrangulamiento 12.

Utilizando una perforación de estrangulamiento 12, se genera el efecto de estrangulamiento predominantemente mediante turbulencias. De esta manera esta función es ampliamente independiente de la viscosidad del líquido hidráulico y con ello de la temperatura.

La viscosidad de los líquidos hidráulicos desciende en la gama de temperaturas relevante para la técnica de los vehículos automóviles de -40 º a +150ºC, típicamente en el factor de 20 a 50 en aceites de silicona y en un factor de hasta 100000 en aceites minerales.

Por el contrario, en la memoria de patente EP 0 218 895 B1 y en la figura 3 sirve el intersticio anular o bien intersticio de junta del émbolo hidráulico como elemento de estrangulamiento. El efecto de estrangulamiento de un intersticio anular de este tipo es directamente proporcional a la viscosidad y por tanto en elevada medida dependiente de la temperatura.

La perforación de estrangulamiento 12 está realizado preferentemente como microperforación, con un diámetro típico para el caso de aplicación en la técnica de los vehículos automóviles de entre 10 \mum y 50 \mum. Una microperforación así puede realizarse con ayuda de la técnica del láser o mediante separación galvánica de níquel dentro de perforaciones ya existentes de manera precisa y reproducible.

La figura 5 muestra como representación en sección en vista lateral un dispositivo dosificador en el que, contrariamente al dispositivo dosificador de la figura 3, la cámara de compensación 13 está interconectada con la cámara hidráulica 3 exclusivamente mediante un agujero estrangulado 12.

En todas las formas constructivas puede estar realizada, evidentemente, la cámara de compensación 13 también fuera de la carcasa 2 como cámara separada, por ejemplo unida mediante tuberías fijas. También puede, en lugar de un piezoactuador 4, utilizarse otro actuador electromecánico, por ejemplo un actuador electro o magnetostrictivo.

Claims

1. Válvula dosificadora para la dosificación de un líquido a dosificar que se encuentra

bajo presión, presentando:

-: una cámara de válvula (18) en una carcasa (2) para alojar una aguja de válvula (7), que juntamente con una pared de la carcasa (2) constituye una válvula, que se mantiene cerrada mediante fuerzas elásticas y se abre mediante la elongación de un piezoactuador (4) pretensado a compresión y el correspondiente movimiento de carrera de la aguja de válvula (7),

-: una cámara de actuador (17) para alojar el piezoactuador (4), apoyando un émbolo hidráulico (1), que actúa en la dirección longitudinal del piezoactuador (4), el piezoactuador (4) hacia el lado opuesto a la aguja de válvula (7), formando el émbolo hidráulico (1) juntamente con la carcasa (2) una cámara hidráulica (3) y estando unidas entre sí hidráulicamente con estrangulamiento la cámara de actuador (17) con la cámara hidráulica (3) a través de un paso de ajuste (21) entre émbolo hidráulico (1) y carcasa (2),

-: un elemento de junta (26) axial flexible, que impermeabiliza herméticamente la cámara del actuador (17) respecto a la cámara de la válvula (18),

-: una cámara de compensación (13) unida con la cámara hidráulica (3),

caracterizada porque la cámara del actuador (17), la cámara hidráulica (3) y la cámara de compensación (13) están llenas con un líquido hidráulico que se encuentra bajo presión, de tal manera que el sistema cámara hidráulica
(3) - cámara de compensación (13) - cámara del actuador (17) - líquido hidráulico forma un apoyo dinámicamente rígido para el piezoactuador (4) y un elemento de compensación de longitud para procesos más largos en el tiempo.

2. Válvula dosificadora según la reivindicación 1, estando unida la cámara hidráulica (3) con la cámara de compensación (13) directamente por de una perforación de estrangulamiento (12).

3. Válvula dosificadora según la reivindicación 1, estando unida hidráulicamente la cámara hidráulica (3) con la cámara de compensación (13) a través del ajuste (21) entre émbolo hidráulico (1) y carcasa (2) y mediante una tubería de unión (20) que une la cámara del actuador (17) y la cámara de compensación (13).

4. Válvula dosificadora según una de las reivindicaciones precedentes, siendo el líquido hidráulico un aceite de silicona que en el estado básico está libre de burbujas.

5. Válvula dosificadora según una de las reivindicaciones precedentes, encontrándose la presión del líquido hidráulico en la gama de 1 bar a 20 bar, en particular de 10 bar a 20 bar.

6. Válvula dosificadora según una de las reivindicaciones precedentes, siendo aportada la presión del líquido hidráulico por las propiedades elásticas de un fuelle metálico (14) que sirve para impermeabilizar la cámara hidráulica (13).

7. Válvula dosificadora según una de las reivindicaciones precedentes, existiendo adicionalmente un muelle (16) para aportar la presión.

8. Válvula dosificadora según una de las reivindicaciones precedentes, estando soldada la aguja de la válvula (7) a una placa de pie (5) del piezoactuador (4).

9. Válvula dosificadora según una de las reivindicaciones precedentes, siendo el piezoactuador (4) un actuador piezoeléctrico multicapa.

10. Válvula dosificadora según una de las reivindicaciones precedentes, en la que el piezoactuador (4) está pretensado a compresión mediante un muelle de reposición (8).

11. Válvula dosificadora según una de las reivindicaciones precedentes, en la que el piezoactuador (4) está alojado en un resorte tubular (6) y es pretensado a compresión por éste.

12. Válvula dosificadora según una de las reivindicaciones 1 a 10, en la que

-: el piezoactuador (4) está alojado en un fuelle metálico (25) y es pretensado a compresión por éste, y

-: el fuelle metálico (25) divide la cámara del actuador (17) en una cámara interna del actuador (23) y una cámara externa del actuador (24) que está impermeabilizada hidráulicamente respecto a la anterior,

sucediendo que

-: la cámara interna del actuador (23) no presenta líquido hidráulico alguno y rodea al piezoactuador (4) y

-: la cámara externa del actuador (24) está llena de líquido hidráulico.

13. Válvula dosificadora según la reivindicación 12, en la que la cámara interna del actuador (23) está llena de aire bajo la presión atmosférica.

14. Válvula dosificadora según una de las reivindicaciones precedentes, en la que el elemento de junta axial flexible es un fuelle elástico, en particular otro fuelle metálico (26), que está articulado por un lado a la aguja de válvula (7) y por el otro lado a la carcasa (2).

15. Válvula dosificadora según la reivindicación 13, en la que un diámetro hidráulico d2 del fuelle elástico se corresponde con un diámetro d1 de una línea de estanqueidad de la válvula de disco.