• 专利附录
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  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:

    公开号:WO1987005670A1
    申请号:PCT/DE1986/000476
    申请日:1986-11-22
    公开日:1987-09-24
    发明作者:Gerhard BRÜGGEN；Dieter Karr
    申请人:Robert Bosch Gmbh；
    IPC主号:F15B15-00
    专利说明:
    [0001] Elektrisch ansteuerbare Stelleinrichtung
    [0002] Stand der Technik
    [0003] Die Erfindung geht aus von einer elektrisch ansteuerbaren Stelleinrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE-OS 30 39 915 ist eine elektrisch ansteuerbare Ventileinrichtung bekannt, bei der ein elektrischer Steller auf ein in einer Ventilbohrung geführtes, von einer Stellkraft verschiebbares, kolbenartiges Ventilglied eine Klemmkraft ausübt und dessen Bewegung verhindert. Der Steller ist dabei als Elektromagnet oder als zu einer Säule geschichtete piezoelektrische Scheiben ausgeführt. Ein Nachteil dieser Anordnung ist die unsymmetrische Krafteinwirkung des Stellers auf das kolbenartige Ventilglied, indem es gegen die dem Steller gegenüberliegende Wandung der Ventilbohrung gepreßt wird.
    [0004] Vorteile der Erfindung
    [0005] Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Kraftwirkung zur Einklemmung eines Kolbens
    [0006] ... symmetrisch auf den Kolben- bzw. Bohrungsumfang verteilt ist In einem ersten Ausführungsbeispiel befindet sich der Kolben in der Durchbruchsöffnung eines piezokeramischen Ringes und wird durch Ein- bzw. Ausschalten einer Betriebsspannung von dem Ring festgeklemmt. In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist das piezokeramische Material ein Teil des Kolbens oder auch der Kolben selbst und klemmt den Kolben nach Einbzw. Ausschalten einer Betriebsspannung in der Bohrung fest. Zur Erhöhung der Klemmfläche ist es vorteilhaft, im Klemmbereich eine Vergrößerung des Kolbenquerschnitts bzw. der Bohrung vorzusehen. Das die Druckkraft erzeugende Medium ist zweckmäßigerweise das durch die Stelleinrichtung zu steuernde Medium. Dieses ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Kolben ein Teil eines Ventiles ist.
    [0007] Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung eignet sich besonders für schnelle Steller mit Ansprechzeiten im Mikrosekundenbereich. Eine bevorzugte Anwendung ist gegeben bei einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Verbrennungsmotoren, da man dort bestrebt ist, einen möglichst rechteckförmigen Druck- bzw. Mengenverlauf als Funktion der Zeit zu erreichen. Die Anwendungsmöglichkeiten sind jedoch nicht auf Ventile beschränkt. Bei anderen Anwendungen kann ein mit dem Kolben verbundenes Stellelement vorgesehen sein, welches die Kolbenbewegung in einen Bereich außerhalb der Kolbenbohrung überträgt.
    [0008] Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung ergeben sich aus weiteren Unteransprüchen in Verbindung mit der folgenden Beschreibung. Zeichnung
    [0009] Es zeigen Figur 1 ein erstes und Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektrisch ansteuerbaren Stelleinrichtung und Figur 3 ein Ausführungsbeispiel einer elektrisch ansteuerbaren Ventileinrichtung.
    [0010] Beschreibung der Ausführungsbeispiele
    [0011] Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrisch ansteuerbaren Stelleinrichtung. Sie hat ein Gehäuse 10, welches eine Bohrung 11 aufweist. In der Bohrung 11 ist dicht und gleitend ein Kolben 12 geführt, der zwei Stirnflächen 13, 14 aufweist. An beiden Enden der Bohrung 11 sind jeweils Querschnittsverengungen 15, 16 vorgesehen, die an der Übergangsstelle zu der Bohrung 11 jeweils Anschlagsflachen 17, 18 für den Kolben 12 bilden. Die Querschnitssverengungen 15, 16 stehen mit Bohrungen 19, 20 zur Führung eines stellkrafterzeugenden Mediums in Verbindung. Der Kolben 12 weist ein Stellelement 21 zur Übertragung der Kolbenbewegung in einem Bereich außerhalb des Gehäuses 10 auf. In ihrem Mittenbereich weist die Bohrung 11 eine Querschnittserweiterung 22 auf in welche ein als Ring aus piezoelektrischem Material ausgebildeter Steller 23 eingebracht ist. An der Stelle der Querschnittserweiterung 22 übernimmt die Innenfläche des Ringes 23 die Führung des Kolbens 12. Die Betriebsspannung zur Querschnitt sänderung wird dem Ring 23 über die beiden Leitungen 24 , 25 zugeführt.
    [0012] Die Stelleinrichtung gemäß Figur 1 arbeitet folgendermaßen:
    [0013] Befindet sich der Kolben 12 in der in Figur 1 gezeigten Stellung, bei der die Stirnfläche 14 an die Anschlagsfläche 18 angrenzt, und soll eine Hinbewegung in die entgegengesetzte Stellung erfolgen, dann wird der Kolben 12 mit Hilfe des Ringes 23 zunächst festgeklemmt. Dazu wird der reziproke Piezoeffekt des aus piezoelektrischem Material bestehenden Ringes 23 ausgenutzt. Eine Verringerung des Ringinnendurchmessers ergibt sich in Abhängigkeit von dem Herstellungsprozess des piezoelektrischen Ringes 23 durch Ein- oder durch Ausschalten der Betriebsspannung an den Zuleitungen 24 , 25. Die Zuleitungen 24, 25 können hierbei zu zwei Elektroden führen, die am Innen- bzw. Außenumfang des Ringes 23, vorteilhafterweise jedoch auf den beiden Stirnseiten des Ringes 23 angeordnet sind, nachdem der Kolben 12 festgeklemmt ist, wird ein in der Bohrung 20 befindliches Medium, welches gasförmig oder auch flüssig sein kann, auf hohen Druck gebracht, der auf die Stirnfläche 14 des Kolbens 12 eine Stellkraft ausübt. Die Höhe der Kraft ist durch die maximale Klemmkraft des Ringes 23 gegeben. Die Hinbewegung wird ausgelöst durch eine elektrisch gesteuerte Querschnitt svergrößerung des Ringes 23. Wird auf die gegenüberliegende Stirnfläche 13 des Kolbens
    [0014] 12 nur ein geringer oder kein Druck ausgeübt, so bewegt s i ch der Ko lben 1 2 in Hin-Ri chtung b i s s e ine St i rn fläche
    [0015] 13 an der gegenüberliegenden Auflagefläche 17 aufschlägt. Damit ist die Hinbewegung abgeschlossen. Die Vorbereitung und Auslösung der Herbewεgung entspricht dem beschriebenen Vorbereitungs- und Auslösevorgang der Hinbewegung.
    [0016] In Figur 2 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung gezeigt. In einem Gehäuse 30 befindet sich eine Bohrung 31. In der Bohrung 31 ist dicht und gleiten ein Kolben 32 geführt, der zwei Stirnflächen 33, 34 aufweist. Der Kolben 32 besteht wenigstens teilweise aus piezoelektrischem Material 35 welches gleichzeitig als Steller dient. Das übrige Material kann so ausgewählt werden, daß es der Aufschlagsbelastung beim Auftreffen auf jeweils eine der beiden Auflageflächen 36, 37, welche durch Querschnittsverengungen 38, 39 der Bohrung 31 entstehen, standhält. Die Querschnittsverengungen 38, 39 stehen mit Bohrungen 40, 41 in Verbindung, welche ein stellkrafterzeugendes Medium führen. Der Kolben 32 ist mit einem Stellelement 42 ausgestattet, das die in der Bohrung 31 stattfindende Kolbenbewegung nach außen überträgt. Die Betriebsspannung zur Querschnittsänderung wird durch zwei Zuleitungen 43 , 44 dem piezoelektrischen Material 35 zugeführt.
    [0017] Die Wirkungsweise des in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiels entspricht weitgehend derjenigen des in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiels. Ein Unterschied besteht darin, daß das piezokeramische Material 35 im Kolben 32 durch Vergrößerung des Querschnitts gegen die Innenwandung der Bohrung 31 drückt und die Kolbenbewegung dadurch verhindert.
    [0018] Figur 3 zeigt eine Ausführungs form der Stelleinrichtung als elektrisch ansteuerbare Ventileinrichtung. Ein Gehäuse 50 weist eine Ventilbohrung 51 auf. In der Ventilbohrung 51 ist dicht und gleitend ein kolbenartiges Ventilglied 52 geführt. Das Ventilglied 52 hat eine kegelförmige Stirnfläche 53, die mit einer entsprechenden, hohlkegelförmigen Sitzfläche 54 zusammenwirkt. Die Sitzfläche 54 ist am Übergang einer Einlaßbohrung 55 in die koaxial angeordnete Ventilbohrung 51 angeordnet, wobei die Ventilbohrung 51 einen größeren Durchmesser als die Einlaßbohrung 55 aufweist. An das innere Ende der Sitzfläche 54 anschließend ist koaxial zur Ventilbohrung 51 eine Ringkammer 56 vorgesehen. In die Ringkammer 56 mündet eine Auslaßbohrung 57 ein. Die der kegelförmigen Stirnfläche 53 gegenüberliegende Endfläche 58 des Ventilgliedes 52 stützt sich auf eine Druckfeder 59 ab, die mit ihrem anderen Ende gegen einen in der Ventilbohrung 51 angeordneten Anschlag 60 anliegt. Der Anschlag 60 weist wenigstens einen Durchbruch 61 auf.
    [0019] Etwa auf der Mitte der axialen Erstreckung des Ventilgliedes 52 ist eine Querschnittserweiterung 62 der Ventilbohrung 51 vorgesehen, in welcher ein koaxial zum Ventilglied 52 angeordneter, als Ring aus piezokeramischen Material ausgebildeter Steller 63 vorgesehen ist. Der Ring 63 kann über Zuführungsleitungen 64 , 65 an eine Betriebsspannung gelegt werden.
    [0020] Die in Figur 3 gezeigte Anordnung arbeitet folgendermaßen:
    [0021] Wird an die Zu füh rung sle i t ung en 64, 65 eine Betriebspannung angelegt, so verringert sich der Innendurchmesser des piezoelektrischen Ringes 63. Durch die Kontraktion wird das Ventilglied 52 eingeklemmt, so daß eine Bewegung des Ventilgliedes 52 in der Bohrung 51 ausgeschlossen ist. In der Einlaßbohrung 55 kann sich nun ein hoher Druck aufbauen, ohne daß das Ventilglied 52 von der Sitzfläche 54 abgehoben wird. Erst wenn die Betriebsspannung des Ringes 63 abgeschaltet wird und somit die Klemmkraftwirkung aufgehoben wird, kann der in der Einlaßbohrung 55 herrschende Druck das Ventilglied 52 gegen die Kraft der Druckfeder 59 von seinem Sitz abheben. Die beim Bewegungsvorgang des Ventilgliedes 52 erreichbare Geschwindigkeit - d.h. also die erreichbare Stellzeit - hängt nur noch von der Masse des Ventilgliedes 52 ab Zur Erreichung einer möglichst geringen Stellzeit wird das Ventilglied 52 möglichst massearm ausgeführt. In diesem Ausführungsbeispiel erzeugt das durch das Ventilglied 52 zu steuernde Medium in der Einlaßbohrung 55 selbst die Stellkraft zur Öffnungsbewegung des Ventilgliedes 52. Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß die Klemmkraft symmetrisch auf den Kolben 12, 32 bzw. das Ventilglied 52 wirkt. Die symmetrische Kraftverteilung in Verbindung mit der sich über den gesamten Umfang des Kolbens 12, 32 bzw. des Ventilgliedes 52 erstreckende druckbeaufschlagte Fläche hat eine hohe Klemmkraft bei geringen Arbeitshüben der Piezokeramik 23, 35, 63 zur Folge. Nach Auslösung des Ums ehaltvorgangs wird das bewegliche Teil 12, 32, 52 an seinem gesamten Außenumfang gleichzeitig freigegeben, so daß die Gleitreibung zwischen dem sich in Bewegung setzenden Teil 12, 32, 52 und dem Steller 23, 63 bzw. zwischen dem Steller 35 und der Innenwandung der Bohrung 31 extrem schnell auf vernachlässigbare geringe Werte absinkt. Dies trägt zum Erreichen kurzer Schaltzeiten bei.
    [0022] Eine Erhöhung der Klemmkraft in den beiden Ausführunssbeispielen gemäß den Figuren 1 und 3 läßt sich durch Vergrößerung der Klemmflächen zwischen dem Kolben 12 bzw. dem Ventilglied 52 und dem Ring 23, 63 mittels Querschnittserweiterungen beider zusammenwirkender Teile 12, 23 und 52, 63 erreichen. Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 kann zu diesem Zweck eine Quers chnitt serweit erung im Bereich des Stellers 35 in der Bohrung 31 vorgenommen werden. Eine Be s chränkung der Que r s chnit t s erweit erung auf nur einen Teil der axialen Erstreckung verbindet den Vorteil der Erhöhung der Klemmfläche mit einer nur geringen Erhöhung der Masse.
    权利要求:
    ClaimsAnsprüche
    1. Elektrisch ansteuerbare Stelleinrichtung mit einem in einer Bohrung dicht und gleitend geführten, von einer vorzugsweise durch Druckbeaufschlagung durch ein Medium erzeugten Stellkraft verschiebbaren Kolben mit einem piezoelektrischen Steller, der bis zum Ein- oder Ausschalten einer Betriebsspannung eine Klemmkraft auf den Kolben ausübt und dessen Bewegung verhindert, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Steller (23, 63) auf nahezu den gesamten Umfang des Kolbens (12, 52) wirkt.
    2. Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steller (23, 63) wenigstens ein Ring aus piezoelektrischem Material ist.
    3. Elektrisch ansteuerbare Stelleinrichtung mit einem in einer Bohrung dicht und gleitend geführten, von einer vorzugsweise durch Druckbeaufschlagung durch ein Medium erzeugten Stellkraft verschiebbaren Kolben mit einem piezoelektrischen Steiler, der bis zum Ein- oder Ausschalten einer Betriebsspannung die Bewegung des Kolbens verhindert, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Steller (35) auf nahezu den gesamten Umfang der Bohrung (31) wirkt.
    4 . Stelleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steller (35) Bestandteil des Kolbens (32) ist.
    5 . Stelleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steller (35) mit dem Kolben (32) identisch ist.
    6. Stelleinrichtung nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (12, 52) im Bereich der axialen Erstreckung des Stellers (23, 63) eine Querschnittserweiterung aufweist.
    7. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (31) im Bereich der axialen Erstreckung des Stellers (35) eine Querschnitt serweiterung aufweist.
    8. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (12, 32, 52) insbesondere gegen die Kraft einer Druckfeder (59) vom druckerzeugenden Medium bewegbar ist.
    9. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Stirnfläche (53) des Kolbens (52) mit einer sich insbesondere in Schließbewegungsrichtung verjüngenden hohlkegelförmigen Sitzfläche (54) eines Ventils zusammenwirkt.
    10. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Stellelement (21,42) vorgesehen ist zur Übermittlung der Kolbenbewegung in einen Bereich außerhalb der Bohrung (11, 31, 51).
    11. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das durch Druckbeaufschlagung die Stellkraft erzeugende Medium das mittels der Kolbenbewegung zu steuernde Medium ist.
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    引用文献:
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    法律状态:
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    1987-09-24| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH DE FR GB IT LU NL SE |
    1988-07-29| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1986906779 Country of ref document: EP |
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    1990-02-07| WWG| Wipo information: grant in national office|Ref document number: 1986906779 Country of ref document: EP |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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