流体定量装置和用于流体定量的系统的制作方法

专利名称：流体定量装置和用于流体定量的系统的制作方法
流体定量装置和用于流体定量的系统
本发明涉及一种用于定量处于压力下的流体的系统和一种适于此 的装置。例如对气体进行定量，以便准备在内燃机的缸中燃烧，所述气 体例如在汽车中通过喷射器被输送，或者也可以直接输送给进气管。
就被设置用于在气体驱动的汽车中使用的喷射器而言，为了满足使 用要求，希望尽可能宽的工作压力范围。特别希望的是，使用通常用于 气体供应的气体压力蓄存器的由下限值和上限值限定的整个工作压力 范围。压力蓄存器的填充度与其中所产生的压力直接相关。高气压例如 在故障情况下隐藏着高的潜在风险。气体压力蓄存器的允许的上限值基 本由对于安全地操控汽车中的高气压来说必需的消耗量确定。在预先给 定工作压力上限的情况下，汽车中储备的最大的气体量通过气体压力蓄 存器的容积来确定。相反，汽车的作用距离通过最大的取用量来确定。 喷射器具有工作压力下限，在该工作压力下限以下无法再确保用于随后 的燃烧过程的具有足够品质的气体供应。喷射器的工作压力下限与压力 蓄存器中所携带的但不可用的剩余气体量直接相关。由于对汽车中的气 体供应系统所提出的要求，即在安全技术上和经济上有益的最大的工作 压力下，在尽可能小的压力蓄存器容积的情况下，实现大的作用距离， 该要求转移至气体喷射器，即在给定的最大工作压力下实现尽可能低的
约为10bar至20bar的工作压力下限，因为不可用的剩余气体量由此得 到减小，且在沖压中对于作用距离起决定作用的气体取用量得到最大化。
为了降低上述对喷射器的高的技术要求(这些要求与气体压力蓄存 器直接相关，且实现的代价很高昂)，设计有二级的燃料供应系统。该 燃料供应系统的第 一级由用于从压力蓄存器中取用气体的气体取用系 统构成。蓄存器侧的取用工作压力范围由尽可能低的约为20bar的下限 和相应于压力蓄存器的最大工作压力的至多约为300bar的上限限定。气 体取用系统的喷射器侧的输出工作压力为可调节的在约10bar至约 20bar范围内的恒定值。第二级由低压喷射器构成，这些喷射器将由气 体取用系统以恒定的低压提供的气体定量供应到内燃机的进气管中。这 种技术解决方案具有如下优点在低压恒定的情况下可以使用成本低廉的用于气体量定量的电磁阀。该解决方案的优点还在于，就一种成本低 廉的例如在具有较高的排放极限值的国家中使用的变型方案而言，气体 取用系统可以单独控制气体量定量。
由现有技术例如已知市场上常见的弹簧加载的减压器或受控制的 用于控制具有在取用侧相应低的压力的气体取用系统的电磁阀。
本发明的目的在于，提供一种改进的流体定量装置和一种改进的用 于流体定量的系统。
所述目的对于流体定量装置来说通过本发明根据权利要求1的特征
得以实现，对于用于流体定量的系统来说通过本发明根据权利要求15 的特征得以实现。
本发明的改进可由从属权利要求得到。
特别有益的是，本发明的流体定量装置具有定量阀，该定量阀设置
驱动件引起与定量阀机械耦联的传动轴的旋转。通过这种方式，可有益 地产生自锁的阀驱动方案，且通过合适的驱动件、例如压电执行器可以 精确地引入较强的力作用。
另外有益的是，在一种改进中，本发明的流体定量装置具有定量阀， 其刚性地设置在供应区域中；还具有阀座，其被施加以蓄存压力，因为 通过这种方式可以使用在蓄存器中已有的高压力以使得阀复位。
另外有益的是，在本发明的一种改进中，流体定量装置具有至少 两个机电式的驱动件，它们使得至少一个传动环置于环形的移动运动 中；还具有传动轴，其被所述传动环包围，且摩擦配合地或者基于大的 可获得的调节力和高的调节精度形状配合地以微型齿的形式与所述传 动环连接。传动轴的外直径和传动环的内直径之间的直径差，或者传动 环和传动轴之间的在形状配合的情况下的齿配合，适配于执行器的行程差。
通过这种方式，在使用多层式压电执行器的情况下，可以有益地施 加对于在高压范围内控制气体定量来说必需的大的力，且可以非常精确
地对阀的调节过程进行定量。
在对本发明的流体定量装置的一种改进中，传动轴有益地与阀通过 偏心轮耦联。
这可以有益地同样通过凸轮来实现。在传动轴均匀地旋转的情况下，可以通过如下措施来实现非直线的移动，其措施是偏心轮或凸轮具 有合适的轮廓。
有益地，偏心轮或凸轮通过滚轮结构与阀连接，由此实现对阀的尽 可能无摩擦的且可精细定量的和无冲击的调节。
根据本发明的一种改进，另外有益的是，流体定量装置具有在阀的 阀座之后设置的阀内腔，该阀内腔与定量区域连通，因为由此可以在结 构的技术代价最小的情况下产生例如用于汽车中的具有恒定的压力的 环境。由此还可以简单地控制流体定量范围内的定量压力。
另外有益的是，对根据本发明的流体定量装置的 一种改进设有可轴 向驱动的封闭阀座的阀件，其中在阀件和阀体之间为了密封设置有密封 件。
根据该技术解决方案可以有益地实现，压力蓄存器的高压不必对环 境密封，而是只需使得在流体定量区域中所存在的定量压力对环境密 封。由此在密封时可以使用成本低廉的金属波紋管或膜片。必要时也可
以使用成本低廉的弹性体密封件或者O形圏作为密封件。
在对装置的一种改进中，有益的是，设有带有内座的阀，因为在此 在压力蓄存器中存在的压力可以用于打开阀。
在对装置的一种改进中，有益的是，设有带有外座的定量阀，因为 就这种阀而言，压力蓄存器的压力可以用于关闭阀。由此阀驱动机构不 必产生恒久的关闭力。
另外有益的是，对本发明的流体定量装置的一种改进具有设置在流 体定量区域中的测量传感器，以便测得当前的工作状态。利用这种测量
体ii:域中的尽可能恒定的工作压力。此外^益4是，2本i明的一
种改进中，流体定量装置在流体定量区域中与压力流体喷射器可导通流 体地连通，因为由此可以有益地提供技术上简单的结构，该结构可以实 现汽车中的流体定量装置的运行。
此外有益的是，在本发明的一种改进中，控制装置与流体定量装置 耦联，该控制装置得到来自测量传感器的测量信号，并与驱动机构耦联， 因为由此可以根据由测量传感器所提供的信号来控制驱动机构，从而无 需驱动机构的调节器。
另外有益的是，本发明提供了一种用于流体定量的系统，该系统具有流体定量装置和控制机构，其中存储有传动轴的转角和测量传感器的 测量值之间的关系以及相关的用于驱动件的控制指令，该系统如下控制 驱动机构，使得在流体定量区域中设定可预先给定的压力。通过这种方 式可以有益地省去调节器，并实现在流体定量区域中的尽可能恒定的工 作压力。
此外有益的是，在对本发明的系统的一种改进中，所述关系作为模 型#皮存{诸。
此外有益的是，在对本发明的系统的一种改进中，所述关系以特性 曲线族的形式被存储。
下面借助附图
和实施例进一 步说明本发明。
图l示出机电式的电机，其特别适于驱动本发明的流体定量装置； 图2示出本发明的流体定量装置的一个实施例； 图3示出本发明的流体定量装置的另一个实施例。 图l示出才几电式的电才几，作为驱动才几构的例子。优选该电才几至少由 一个机械的基板1000构成，电机的轴22通过轴承尽可能无间隙旋转地 在该基板中穿过。此外设有第一机械的驱动件131和第二机械的驱动件 132,它们分别具有压电的低压多层式执行器23 (PMA)。这些PMA23 可以分别由电放大器通过电引线24被控制。但在本发明的情况下，对 于机电式的驱动件(PMA)23也可以使用任一其它受控的纵向伸展的执 行器，例如电磁的、电动式的、电致伸缩的或磁致伸缩的执行器或者为 直线驱动机构的形式。通过对PMA23的控制，PMA23可以根据压电 的纵向执行器的动作与所施加的电压近似成比例地沿着轴向伸展。每个 PMA 23都安装在具有推杆26的顶板和轴承座27和在机械上尽可能软 的、例如开有槽的处于高的机械的预压应力下的管状弹簧28之间。机
械的预压应力一方面用于避免因在其它情况下在高频的持续工作中会 出现的拉应力所引起的对PMA23的损伤，另一方面用于在PMA23放 电时4吏得PMA23复位。
因为PMA 23的行程会通过管状弹簧28而减小，所以管状弹簧28 相对于压电执行器的刚性应具有尽可能小的弹簧常数。
PMA23、顶板25、轴承座27和管状弹簧28通过焊接连接29实现 持久的固定连接。轴承座可以与基板1000通过穿过长孔20的螺栓固定 连接。该连接也可以通过其它措施，例如通过轴承座27与基板1000的焊接而产生。机电式的电机具有尽可能刚性且质量小的同心的传动环
111，该传动环的直径dR略大于轴22的直径dM。传动环111与推杆 26如此地焊接在一起，使得它相对于基板1000具有间距，因此它可以 在基板1000上方自由移动。与基板1000通过轴承座27固定连接的驱 动件131、 132在基板1000的平面内，该平面在此相应于运动面，相互 间成90°的角度设置，其中它们的主作用方向朝向传动环111的中点。 通过可旋转地支撑的轴12在#:驱动件131、 132周期性地圆形地移动的 传动环111的内侧面上的滚动，该实施方式避免了迄今7>知的压电驱动 机构的缺点，其中压电电机的通常的优点完全得到保持。
为了使得传动环111产生圆形的移动运动，两个驱动件131、 132 优选通过两个偏移90。相位的正弦状的相同峰值振幅的电压信号来控 制。轴22和传动环111的内表面之间的间隙量与PMA23的特性和电机 的安装相关联地设计，从而在滚动运动的每个阶段内，都在轴22和传 动环111之间产生较强的摩擦配合连接，特别是即使在电机被切断时也 是如此，此时两个PMA 23没有电压。优选设有在轴22和传动环111 之间的微型齿30，其确保在轴22和传动环111之间的形状配合连接。 由此既改善了力传递，又提高了调节精度。这意味着，电机在每个工作 状态下都能自锁，且可以特别良好地适用于对气压阀或本发明的流体定 量装置中的定量阀的阀驱动，因为它即使在不工作的状态下也会被施加 以较大的压力并承受住该压力。这种使用PMA的驱动电机例如在EP 1098429 Bl中被公开，其中还给出了这种驱动机构的其它细节和实施方 式。
图2示出了本发明的流体定量装置的一个实施例的结构。在该实施 例中，气体压力蓄存器的高压区域1被容器壁2限定。代替气体，也可 以利用流体定量装置来定量液体。在容器壁2的部分上机械刚性地固定 有支架3,支架3用于同样机械刚性地固定示意性示出的驱动机构4。 由于所需要的较大的力和所希望的自锁以及紧凑的尺寸，特别有益地使 用压电执行器驱动机构。在驱动机构4的以其对称轴为基准可旋转地支 承的传动轴22上例如设有偏心轮6a或凸轮6b,凸轮6b设计有合适的 外轮廓。例如，偏心轮或凸轮采用机械刚性的连接技术来安装，例如键、 啮合、压配合等。在本实施例中，凸轮有益地在可旋转支承的滚轮结构 7上滚动，该滚轮结构初4成刚性地与阀件8处于作用连接。在该实施方式中，阀件8以紧密的间隙配合的形式在阀体9的上端轴向移动，从而 它具有尽可能少的泄露，并在阀体9的相对的下端与阀体形成座阀12。 利用密闭地与阀件8和阀体9密封连接的例如通过焊接固定的密封件， 阀件相对于环境密封。为此有益地只需要阀件的至多约为40bar的压力 负荷，其中作为密封件10例如可以使用金属波紋管或膜片，或者也可 以使用弹性体密封件或O形圈。其中重要的是，它们允许足够的轴向的 用于在工作时出现的阀件8的移位的间隙空间。低压区域或流体定量区 域由在阀座之后连接的阀内腔或环形腔11和低压管路13构成，低压管 路例如通向进气管或低压喷射器，且相对于环境密闭地密封。有益的是， 如在本实施例中所示，在低压管路上设有温度传感器14,或者也可以设 有压力传感器，利用其可以通过电子控制装置求得低压区域中的瞬时的 气流。
气体压力蓄存器的全部工作压力作用在阀件8的面向高压区域1的 一侧，或者也作用在面向气体区域、供应区域的一侧。气体出口仅仅净皮 座阀的密封线阻隔。
压力在此例如至多为300bar。在通常的密封座直径约为8mm时， 密封件8在本实施例中的压力负荷至多为1500N。
在该高负荷下，与刚性结构的实际上出现的小的阀行程相关联，该 结构与气体容器的耦联和部件间的相互连接特别重要。因此，支架3、 驱动机构4、传动轴22和凸轮6以及滚轮结构7在任何情况下在这种负 荷下都没有变形，或者变形至少小至在预先给定传动机构的调节参数时 可以通过矫正被予以考虑。支架3例如可以是刚性的蜂窝结构。在另一 种未示出的情况下，传动轴可以被双重支承，其中偏心轮或凸轮位于支 架的两个固定地锚定的分别容纳轴承的柱墩之间。
阀件8的上端通过滚轮结构7和凸轮6支撑在传动轴22上。通过 例如利用未详细示出的控制器的电子控制，驱动机构引起轴22置于旋 转，由此在电机轴和滚轮与凸轮的接触线之间的轴间隔被缩短，且阀件 例如通过压力传动地向上移动。由此，在密封线的区域中，在阀件和阀 体之间的间隙打开，从而处于压力下的气体通过阀节流地可以从高压区 域1流入到流体定量区域中，且可以通过低压管路13流出。通过由传 感器14提供的关于压力和温度的传感器信号，由未示出的电子控制装 置求出瞬时的气体质量流，并与电机控制器的存储在系统中的给定值比较。
因为一方面在阀件的位置和瞬时的气体质量流之间存在简单且明 确的关系，此外关于凸轮在驱动机构的电机轴的转角控制和阀件的位置 之间存在明确的关系，所以通过电子控制装置在给定值偏差的情况下计 算电机轴的新的转角，并可以受控地开动。所述关系例如可以作为模型 或者作为特性曲线族存储在这里未示出的电子控制装置中。
图3示出本发明的流体定量装置的另一实施例。与图2的实施方案 不同的是，阀件具有外座12。因此，图3中所示的阀通过在气体压力区 域l中所存在的高压关闭，且必须通过合适的驱动力打开，所述驱动力 通过轴5、轮盘6、滚轮传动机构7和阀件8作用在阀座上。在其它之 处的功能与图2中所示的实施方式相同。
本发明的流体定量装置具有如下特殊的优点。才艮据EP 1 098 429 Bl 的带有微型齿的压电执行器驱动机构具有非常高的调节精度，且具有在 角位置方面的很高的重复精度。因此可以通过该压电驱动机构以很高的 精度控制阀件。
此外，压电执行器驱动机构根据其原理具有高的驱动稳定性，因此 对负荷变化不敏感，负荷变化例如由于在阀区域中的动态的压力变化而 引起。通过这种特性有益于对阀件的精确的控制和快速的控制。
借助于该压电执行器驱动机构，根据原理可以实现阀件的在mm范 围内的移位路径，由此可使用压力蓄存器的很宽的压力范围。
在保持设定的角度和与此相关的阀位置时，压电执行器驱动机构不 消耗电能，因为压电执行器作为电容性的且高电阻的用于保持充电状态 的部件不吸收电能。
通过合适地设计的凸轮，压电执行器驱动机构的输出功率最佳地适 配于用于使得阀件在整个工作压力范围内移动的功率需求。
通过本发明，才几械紧凑的驱动机构与高压阀耦联，通过这种方式提 供结构简单且尺寸较小的流体定量装置。驱动机构和所使用的阀的机械 特性应特别适用在气体内燃机中，用于在那里提供混合气。
权利要求
1.一种流体定量装置，具有a)定量阀(8、9)，该定量阀设置在供应区域(1)和流体定量区域(11)之间；b)执行器驱动机构(4)，该执行器驱动机构将至少两个驱动件的伸长转换成传动轴(22)的旋转，该传动轴与所述定量阀机械耦联，并驱动该定量阀用于定量。
2. 如权利要求1所述的流体定量装置，其中所迷定量阀(8、 9)设 置在所述供应区域(1)上并具有阀座(12),该阀座被施加以蓄存器 压力。
3. 如权利要求1至3所述的流体定量装置，其特征在于，所述驱动 件是直线驱动4几构。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的流体定量装置，其中所述执行 器驱动机构具有至少两个机电式的驱动件(23)、至少一个通过所述两 个驱动件置于环行运动的传动环(Ul)和传动轴(22),该传动轴被 所述传动环(111 )包围且摩擦配合地或形状配合地与所述传动环(1U ) 连接，其中所述传动轴的外直径小于所述传动环的内直径。
5. 如前述权利要求中任一项所述的流体定量装置，其中所述执行器 (23)是压电的多层式执行器。
6. 如前述权利要求中任一项所述的流体定量装置，其中所述执行器 驱动机构(4 )设置在支架(3 )上，该支架直接与所述压力蓄存区域(1 )耦联。
7. 如前述权利要求中任一项所述的流体定量装置，其中所述传动轴 (22)与所述阀(8、 9)通过偏心轮(6a)或凸轮(6b)耦联。
8. 如权利要求7所述的流体定量装置，其中在所述偏心轮或所述凸 轮与所述定量阀(8、 9)之间设有滚轮结构(7)。
9. 如权利要求2至8中任一项所述的流体定量装置，其中接着所述 阀座(12) i殳有阀内腔(11),该阀内腔与所述流体定量区域连通。
10. 如权利要求2至9中任一项所述的流体定量装置，其中将所述 阀座封闭的阀件(8)可轴向驱动，其中在所述阀件(8)和阀体(9) 之间为了进行密封设有密封件(10)。
11. 如权利要求9或IO所述的流体定量装置，其中所述阀(8、 9)具有内座(12)。
12. 如权利要求9或IO所述的流体定量装置，其中所述阀(8、 9) 具有外座(12)。
13. 如权利要求1至12中任一项所述的流体定量装置，其中在所述 流体定量区域(ll)中设有测量传感器(14)。
14. 如前述权利要求中任一项所述的流体定量装置，其中所述流体 定量区域(11)与压力流体喷射器能导通流体地(13)连通。
15. 如权利要求13或14所述的流体定量装置，具有控制装置，该 控制装置得到来自所述测量传感器的测量信号且与所述驱动机构耦联， 以便根据由所述测量传感器提供的信号控制所述驱动机构。
16. —种用于流体定量装置的系统，具有根据权利要求14的流体定 量装置，其中在所述控制器中存储有所述传动轴(22)的转角与所述测 量传感器(14)的测量值之间的关系以及用于驱动件(23)的控制指令， 所述系统如下控制所述驱动机构，使得在所述流体定量区域(11 )中设 定预先给定的压力。
17. 如权利要求16所述的系统，其中所述关系作为模型被存储。
18. 如权利要求16所述的系统，其中所述关系作为特性曲线被存储。
全文摘要
本发明涉及一种流体定量装置，具有设置在供应区域和流体定量区域之间的定量阀以及将至少两个驱动件的伸长转换成传动轴的旋转的执行器驱动机构，该传动轴与所述定量阀机械耦联，并驱动该定量阀用于定量。
文档编号F03G7/00GK101410265SQ200780010420
公开日2009年4月15日 申请日期2007年3月22日 优先权日2006年3月23日
发明者A·卡佩尔, B·戈特利布, C·沃伦豪尔, T·施韦贝尔 申请人:西门子公司