DE4442649C2

DE4442649C2 - Elektrohydraulischer Antrieb

Info

Publication number: DE4442649C2
Application number: DE4442649A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kappel; Randolf Dr Mock
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-11-30
Filing date: 1994-11-30
Publication date: 1996-10-24
Anticipated expiration: 2014-12-01
Also published as: JPH10509790A; WO1996017165A1; US5875632A; DE59502365D1; DE4442649A1; EP0795081B1; EP0795081A1

Description

1. Einleitung und Stand der Technik

Das aus /1/ bekannte Einspritzventil enthält einen kompakt aufgebauten Antrieb, der sehr gute dynamische Eigenschaften besitzt und auch bei hohen Betätigungsfrequenzen (f < 1 kHz) noch zuverlässig arbeitet. Da der Antrieb Ventilöffnungs- und Schließzeiten im Bereich von τ 0,1 ms ermöglicht, lassen sich auch kleinste Kraftstoffmengen genau dosiert und re produzierbar in den Brennraum eines Motors einspritzen. Hauptkomponenten des Antriebs sind ein den primären Stellweg erzeugender Piezoaktuator und ein hydraulischer Hubtransforma tor, der im wesentlichen aus einem vom Piezoaktuator angetriebe nen Druckkolben und einem in einer Druckkolbenbohrung axial verschiebbar gelagerten, mit der Ventilnadel verbundenen Hub kolben besteht. Der in einer der Hydraulikkammern angeordnete Piezoaktuator stützt sich gehäuseseitig auf einer Kugelkappenla gerung ab. Diese Maßnahme gewährleistet, daß der Aktuator auch bei einer herstellungsbedingten Nichtparallelität seiner End flächen immer ganzflächig am Druckkolben anliegt und keine Hubeinbußen auftreten.

Der Aufbau des bekannten Ventils stellt hohe Anforderungen an die Axialsymmetrie und Maßhaltigkeit der einzelnen Kompo nenten. Insbesondere den mehrfach geführten Hubkolben muß man bis auf wenige µm genau fertigen, um ein Verkanten bzw. Klem men zu verhindern. Dies erschwert die Massenproduktion und verteuert die Herstellung des Ventils erheblich.

2. Ziele und Vorteile der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines betriebssicheren elektrohydraulischen Antriebs, der einen kompakten Aufbau be sitzt, innerhalb eines großen Temperaturbereichs arbeitet und gute dynamische Eigenschaften aufweist.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß auch eine vergleichsweise große Dezentrierung ei nes der mehrfach geführten Teile die Funktionsfähigkeit des Antriebs nicht beeinträchtigt. Der Antrieb läßt sich daher mit deutlich weniger Aufwand fertigen und kostengünstiger herstellen.

3. Zeichnungen

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläu tert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 den elektrohydraulischen Antrieb für ein Kraftstoff- Einspritzventil im Schnitt;

Fig. 2 einen aus zwei Teilen bestehenden Hubkolben der Kraft-Wegübersetzung des Antriebs im Schnitt.

4. Beschreibung der Ausführungsbeispiele 4.1 Aufbau und Funktionsweise des elektrohydraulischen Antriebs

Die Fig. 1 zeigt im wesentlichen nur die den erfindungsgemä ßen Antrieb betreffenden Komponenten eines schnellen Kraft stoff-Einspritzventils, wie es beispielsweise aus /1/ bekannt oder in der älteren deutschen Anmeldung /2/ näher beschrieben ist. Als Antriebselement enthält das Einspritzventil einen auf einen hydraulischen Hubtransformator DK/DK wirkenden elektromechanischen Aktuator P, den man über eine druckdichte Gehäusedurchführung LD mit den erforderlichen Betriebsspannungen versorgt. Als elektromechanischer Aktuator P kommt insbesondere ein piezoelektrischer Multilayerstack in Betracht, der auch bei moderaten Betriebsspannungen noch vergleichswei se große Primärhübe erzeugt (relative Längenänderungen Δl/l ≈ 1 × 10^-3; Antriebskraft F = 10² bis 10⁵ N).

Bedingt durch die große mechanische Steifigkeit des pie zoelektrischen Sinterkörpers liegt dessen elektromechanische Resonanz im Bereich von etwa 10 bis 1000 kHz, so daß sich An sprechzeiten von etwa 0,001 bis 0,1 ms prinzipiell erzielen lassen. Die in der Praxis realisierten Ansprechzeiten sind allerdings größer und hängen unter anderem von der elektri schen Ansteuerung und Beschaltung des Piezostacks sowie von der Größe der vom Aktuator P angetriebenen Massen ab. Da die elektrische Kapazität des Piezostacks typischerweise im Be reich von etwa C_P = 1 bis 100 µF liegt und der Innenwider stand der dem Aktuator zugeordneten Spannungsquelle etwa R_i = 1 Ω beträgt, ergeben sich für die durch τ = C_P × R_i definierte Ladezeitkonstante Werte von etwa τ = 1 bis 100 µs. Die Ansprechzeiten des Piezoaktuators P liegen also um 1 bis 2 Größenordnungen unter denen vergleichbarer elektromagneti scher Antriebe, was in Verbindung mit einem kompakten Ventil aufbau und kleinen bewegten Massen extrem kurze Ventilöff nungs- und -schließzeiten ermöglicht.

Um die Einspritzung des Kraftstoffs in den Verbrennungsraum des Motors einzuleiten, wird der Aktuator P angesteuert und da durch in axialer Richtung elongiert. Die Längenänderung Δl des Aktuators P hat eine entsprechende Verschiebung des in einer zylindrischen Bohrung des Gehäuses VG spielpassend gelagerten Druckkolbens DK nach oben zur Folge, so daß sich in der mit Hydrauliköl gefüllten Kammer KA1 ein Überdruck p₁, in den ebenfalls mit Hydrauliköl gefüllten und durch eine Druckkol benbohrung B1 strömungstechnisch miteinander verbundenen Kam mern KA2 und KA3 ein Unterdruck p_2/₃ < p₁ aufbaut. Sobald die der Druckdifferenz Δp = p₁ - p_2/3 proportionalen hydrauli schen Kräfte einen von der Steifigkeit und Vorspannung der in der Kammer KA2 angeordneten Spiralfeder SF abhängigen Wert überschreiten, bewegt sich der topfförmige Hubkolben HK in der zylindrischen Druckkolbenbohrung ZY nach unten, hebt da mit die mit ihm verbundene Ventilnadel VN vom Dichtsitz ab und der Einspritzvorgang beginnt.

Beendet wird die Kraftstoffeinspritzung durch die elektrische Entladung des Piezoaktuators P. Infolge der damit einhergehenden Kontraktion des Aktuators P bewegt sich der Druckkolben DK unter dem Zwang der von einer starken Tellerfeder TF ausgeübten Rückstellkraft wieder in seine Ausgangslage nach unten. Un terstützt durch die Spiralfeder SF und die zwischen den Kam mern KA1 und KA2/KA3 bestehende Druckdifferenz führt der Hub kolben HK eine gegenläufige Bewegung nach oben aus, so daß sich die gedichtet aus dem Gehäuse VG geführte Ventilnadel VN auf den Dichtsitz absenkt und die Einspritzöffnung ver schließt.

Die transiente Arbeitsweise des Antriebs macht es erforder lich, den Piezoaktuator P mechanisch vorzuspannen. Die dazu not wendige Kraft erzeugt die in der Kaininer KA1 angeordnete Tel lerfeder TF, die auch die Rückführung des Druckkolbens DK in seine Ruhelage unterstützt. Strömungskanäle SK in der Kammer decke sorgen für einen ungehinderten Zu- und Abfluß des Hy drauliköls in das von der Tellerfeder TF und dem Ventilge häuse VG eingeschlossene Volumen.

4.2 Das Ausgleichselement

Um die geforderte Axialsymmetrie des Systems Primärantrieb- Kraft-/Wegübersetzung trotz fertigungsbedingter Toleranzen zu gewährleisten, ist zwischen dem Piezoaktuator P und dem Hubtransformator ein sich in einer kegelstumpfförmigen Ver tiefung WL des Druckkolbens DK abstützendes Ausgleichsele ment AE angeordnet. Das die Form einer Kugelschicht aufwei sende Ausgleichselement AE besteht vorzugsweise aus Edelstahl oder einem Chrom-Nickelstahl. Aufgrund seiner polierten Ober flächen kann das Ausgleichselement AE während des Zusammen baus der Hydraulik auf der Piezokeramik frei gleiten und so mit eine nicht konzentrische Ausrichtung von Aktuator P und Druckkolben DK kompensieren. Die freie Drehbarkeit des Aus gleichselements AE innerhalb des kegelförmigen Widerlagers WL stellt außerdem sicher, daß der obere Teil des drehgesichert am Gehäuseboden befestigten Piezoaktuators P immer ganzflächig am Druckkolben DK anliegt. Für den kraftschlüssigen Kontakt der Teile zueinander sorgt die den Piezoaktuator P mechanisch vorspannende Tellerfeder TF.

4.3 Die hydraulische Kraft-Wegübersetzung

Die vom Aktuator P angetriebene Kraft-/Wegübersetzung besteht aus zwei gekoppelten hydraulischen Transformatoren, wobei das Übersetzungsverhältnis η₁ des oberen Hubtransformators durch

η₁: = AD1/AH1 (1)
AD1: Fläche der Druckkolbenoberseite
AH1: Fläche der Hubkolbenoberseite

das Übersetzungsverhältnis η₂ des unteren Hubtransformators durch

η₂: = AD2/AH2 (2)
AD2: Aktorseitige Druckkolbenfläche
AH2: Aktorseitige Hubkolbenfläche

gegeben ist. Gleichung (2) gilt allerdings nur unter der Vor aussetzung, daß der in der Hydraulikkammer KA3 angeordnete Aktuator P im elongierten und entladenen Zustand dasselbe Volu men aufweist. Wie der verwendete Piezostack P zeigen auch elektrostriktive und magnetostriktive Aktoren in guter Nähe rung ein solches Verhalten.

Falls der Aktuator P eine der Längenänderung Δ1 proportionale Volumenänderung ΔV erfährt, kann man ihm die effektiv wirksa me Aktuatorfläche AP:= ΔV/Δl zuordnen. In diesem Fall ist das Übersetzungsverhältnis η₂′ des unteren Hubtransformators durch

η₂′: = (AD2-AP)/AH2 (3)

gegeben.

Im Idealfall sollten oberes und unteres Hubübersetzungsver hältnis identisch sein (η₁ = η₂ = η), was sich durch eine entsprechende Auslegung der druckwirksamen Stirnflächen der beiden Kolben DK, HK ohne weiteres erreichen läßt. So ist der Druckkolben DK der in Fig. 1 dargestellten Kraft-/Wegüber setzung stufig ausgeführt (AD1 < AD2), um der durch die Ventilnadel hervorgerufenen Ungleichheit der druckwirksamen Hubkolbenflächen AH1 < AH2 Rechnung zu tragen.

Die hydraulische Kopplung der beiden Hubtransformatoren hat zur Folge, daß sich bei jeder Längenänderung des Aktuators P komplementäre Drücke in den Kammern KA1 und KA2/KA3 aufbauen, wobei eine Verschiebung des Druckkolbens DK um Δl eine ent sprechend dem hydraulischen Übersetzungsverhältnis η » 1 vergrößerte gegenläufige Verschiebung des Hubkolbens HK in der Druckkolbenbohrung ZY hervorruft.

Um eine weitgehende Temperaturunabhängigkeit des Antriebs zu gewährleisten, sind die Hydraulikkammern KA1, KA2, KA3 sowohl untereinander als auch über die zwischen den Kolben DK, HK und den entsprechenden Zylinderbohrungen vorhandenen Kapil larspalte KS mit einem unter Überdruck stehenden Ausgleichs volumen AV verbunden. Temperaturbedingte Volumenänderungen des Hydrauliköls können daher weder zur Ausbildung statischer Druckdifferenzen zwischen den Kammern KA1 und KA2/KA3 (dies hätte undefinierte Stellungen des Hubkolbens HK zur Folge), noch zur Ausbildung undefinierter Druckzustände im gesamten System führen. Die über die Gehäusebohrung G1 bewerkstelligte Verbindung der Ringkammer RV mit dem Ausgleichsvolumen AV hat außerdem den Vorteil, daß keine die maximale Betätigungsfre quenz herabsetzende Kavitation im Hydrauliköl auftritt.

Durch Anpassung der Strömungswiderstände der Kapillarspalte an die Viskosität des verwendeten Hydrauliköls läßt sich si cherstellen, daß das Ventil im relevanten Arbeitstemperatur bereich mit der durch das Ansteuersignal vorgegebenen Fre quenz und der gewünschten Dauer absperrt. Um einen großen Strömungswiderstand einzustellen, bietet sich beispielsweise an, die Bohrung G1 im Bereich der Druckkolbendichtfläche vor zusehen. Sie kann prinzipiell aber auch in die ringförmige Kammer RV münden (s. Fig. 1) oder in jedem anderen Bereich des Ventilgehäuses VG angebracht sein, sofern Strömungswider stände in Form von Blenden, Spalten, Drosseln, Verengungen usw. dafür sorgen, daß zwischen den verschiedenen Volumina bzw. Kammern nur vergleichsweise langsame Ausgleichsvorgänge stattfinden. Gegebenenfalls sind die Kammern soweit gegenein ander abzudichten, daß man die geforderten Absperrzeiten erreicht und die Temperaturunabhängigkeit des Antriebs wei terhin gewährleistet ist. Eine temperaturabhängige Steuerung der Spaltströmungen ist möglich, wenn man das Ventilgehäuse VG und die Einbauten (Druckkolben DK, Hubkolben HK) aus Materialien mit unterschiedlichen thermischen Volumen-/Längenausdehnungskoeffizienten herstellt. Es kann damit er reicht werden, daß sich die Spaltbreiten mit zunehmender Tem peratur verringern, was den Strömungswiderstand entsprechend erhöht. Temperaturgesteuerte Strömungswiderstände lassen sich selbstverständlich auch als diskrete Bauelemente fertigen und in die entsprechenden Bohrungen G3 oder Zuleitungen einbauen.

Der erfindungsgemäße Antrieb weist eine Reihe von Vorteilen auf. So erlaubt der Antrieb ein symmetrisches kavitations freies Schalten mit sehr kurzen Schaltzeiten, äußerst gerin gen Totzeiten und hohen Betätigungsfrequenzen. Weiterhin zeichnet sich der Antrieb aufgrund seines vergleichsweise einfachen und kompakten Aufbaus und des großen Arbeitstempe raturbereichs durch eine hohe Betriebszuverlässigkeit aus.

Hierzu trägt auch der Umstand bei, daß der Aktuator P hermetisch gekapselt in einer der Hydraulikkammern KA3 angeordnet ist. Eine gute Ableitung der erzeugten Wärme und ein optimaler Schutz gegen Umwelteinflüsse sind daher gewährleistet. Der Antrieb ist auch weitgehend abgeschlossen, da man die elek trischen Anschlüsse L des Aktuators P durch ein druckdichtes, elektrisch isolierendes Element LD nach außen führt.

Der Hubkolben der in Fig. 2 dargestellten Kraft-/Wegüberset zung besteht aus zwei Teilen HK1, HK2, wobei der topfartig ausgebildete, ventilnadelseitig offene und auf der Feder SF aufliegende äußere Teil HK1 mit enger Toleranz in der Druck kolbenbohrung ZY geführt ist. Hierin stützt sich der eben falls topfförmige und aktorseitig offene innere Hubkolbenteil HK2 ab. Eine Schraube S verbindet den quer zur Hubrichtung verschiebbaren inneren Teil HK2 mit der Ventilnadel VN. Beide Teile können auch verlötet oder verschweißt sein.

Die horizontale Verschiebbarkeit des inneren gegenüber dem in der Bohrung ZY geführten äußeren Hubkolbenteil gewährleistet, daß eine im System Druckkolben/Hubkolben vorhandene Exzentri zität weitgehend ausgeglichen wird. Im nicht angesteuerten Zustand sorgt die in der Kammer KA2 angeordnete Feder SF für einen kraftschlüssigen Kontakt der beiden Hubkolbenteile HK1/2, wobei sich die Ventilnadel VN auf dem Ventilsitz ab stützt. Auch bei einer Auslenkung des Druckkolbens DK bleibt der kraftschlüssige Kontakt erhalten, da das Hydrauliköl auf den inneren Teil HK2 eine größere Kraft ausübt als auf die dem äußeren Teil HK1 zugeordnete Ringfläche A₁ (A₂ < A₁). Die beiden mit AS bezeichneten Anschläge begrenzen die Auslenkung des äußeren Hubkolbenteils AK2 nach unten. Eine am Boden des äußeren Hubkolbenteils HK1 vorhandene Drossel DR ermöglicht den Flüssigkeitsaustausch zwischen den beiden Kammern KA2/KA4 (Kompensation von Temperatureffekten; s. Abschnitt 4.2).

5. Literatur

/1/ DE 43 06 073 C1
/2/ DE 44 06 522 A1

Claims

1. Elektrohydraulischer Antrieb mit den folgenden Merkmalen:

- In einem mit einem Hydraulikmedium gefüllten Gehäuse (GH) sind ein Aktuator (P) und ein Hubtransformator (DK, HK, AE) angeordnet, wobei sich die Länge des Aktuators (P) steuerbar ändern läßt;
- der Hubtransformator enthält einen in einer Gehäusebohrung axial verschiebbar angeordneten ersten Kolben (DK) und ei nen auf ein Federelement (SF) und ein Stellelement (VN) wirkenden zweiten Kolben (HK);
- der vom Aktuator (P) angetriebene erste Kolben (DK) besitzt eine axiale Bohrung (ZY), in der sich der zweite Kolben (HK) gegenläufig zum ersten Kolben (DK) bewegt,
- es ist ein Ausgleichselement (AE) mit kugeligen Stütz flächen vorhanden, das mit seiner planen Fläche an einer Abstützseite des Aktuators (P) anliegt und sich mit seiner kugeligen Fläche an einem benachbarten Bauteil abstützt,

gekennzeichnet dadurch,
daß das Ausgleichselement (AE) die Form einer Kugelschicht besitzt und zwischen dem Aktuator (P) und dem Hubtransformator (DK, HK) angeordnet ist, wobei es sich über seine kugelige Fläche in einer aktuatorseitigen, sich in Richtung des zweiten Kolbens (HK) verjüngenden Vertiefung (WL) des ersten Kolbens (DK) abstützt und mit seiner einen ebenen Fläche auf dem Aktuator (P) frei gleiten kann.

2. Elektrohydraulischer Antrieb nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine kegelstumpfförmige Vertiefung (WL).

3. Elektrohydraulischer Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuatorseitige Vertiefung (WL) in die axiale Bohrung (ZY) des ersten Kolbens (DK) mündet.

4. Elektrohydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine von dem zweiten Kolben (HK), der axialen Bohrung (ZY) und dem Ausgleichselement (AE) gebildete erste Hydrau likkammer (KA2) mit einer den Aktuator (P) aufnehmenden zweiten Hydraulikkammer (KA3) strömungstechnisch verbunden ist.

5. Elektrohydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kolben (DK) stufig ausgeführt ist.

6. Elektrohydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (SF) in der ersten Hydraulikkammer (KA2) angeordnet ist.

7. Elektrohydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kolben (HK) aus einem topfförmigen, in Richtung des Stellelements (VN) offenen ersten Teil (HK1) und einem topfförmigen, aktuatorseitig offenen zweiten Teil (HK2) besteht, wobei der auf das Stellelement (VN) wirkende zweite Teil (HK2) kraftschlüssig und quer zur Hubrichtung verschieb bar auf dem topfinneren Boden des ersten Teils (HK1) abge stützt ist.

8. Elektrohydraulischer Antrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein topfförmiges Ende des Stellelements (VN) den zweiten Teil des zweiten Kolbens (HK) bildet.

9. Elektrohydraulischer Antrieb nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil (HK2) mit dem Stellelement (VN) ver schraubt oder verlötet ist.

10. Elektrohydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil (HK2) eine als Drossel wirkende Bohrung (DR) aufweist.