DE10019766A1 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, mit einer piezoelektrischen Einheit (4) zur Betätigung eines Ventilglieds (3), dem ein Ventilschließglied (12) zugeordnet ist, welches einen Niederdruckbereich (16) mit Systemdruck von einem Hochdruckbereich (17) trennt. Das Ventilglied (3) weist wenigstens einen ersten Kolben (9) und einen zweiten Kolben (11) auf, zwischen denen eine Hydraulikkammer (13) ausgebildet ist. Zum Ausgleich von Leckverlusten dient eine mit dem Hochdruckbereich (17) verbindbare Befülleinrichtung (23), die wenigstens einen kanalartigen Hohlraum (24) aufweist, in dem ein Festkörper (25) mit einem ihn umgebenden Spalt derart angeordnet ist, daß in den Hohlraum (24) an einem Ende (25A) des Festkörpers (25) eine von dem Hochdruckbereich (17) abzweigende Leitung (26) und an seinem entgegengesetzten Ende (25B) eine Leckageleitung (27) mündet, und daß eine zu der Hydraulikkammer (13) führende Leitung (29) entlang der Längserstreckung des Festkörpers (25) abzweigt, wobei der Systemdruck (p_sys) in der Hydraulikkammer (13) durch geometrische Festlegung der Abzweigung (28) einstellbar ist (Figur 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß der in Patentanspruch 1 näher definier­ ten Art aus.

Aus der Praxis sind Ventile zum Steuern von Flüssigkeiten, bei denen ein Ventilschließglied einen Niederdruckbereich in dem Ventil von einem Hochdruckbereich trennt, z. B. bei Kraftstoffinjektoren, insbesondere Common-Rail-Injektoren, oder Pumpen von Kraftfahrzeugen hinlänglich bekannt.

Auch die EP 0 477 400 A1 beschreibt ein derartiges Ventil, wobei dieses über einen piezoelektrischen Aktor betätigbar ist und eine Anordnung für einen in Hubrichtung wirkenden Wegtransformator des piezoelektrischen Aktors aufweist, bei der die Auslenkung des Aktors über eine Hydraulikkammer übertragen wird, welche als hydraulische Übersetzung bzw. Kopplung und Toleranzausgleichselement arbeitet. Die Hydraulikkammer schließt zwischen zwei sie begrenzenden Kolben, von denen ein Kolben mit einem kleineren Durchmes­ ser ausgebildet ist und mit einem anzusteuernden Ventil­ schließglied verbunden ist, und der andere Kolben mit einem größeren Durchmesser ausgebildet ist und mit dem piezoelek­ trischen Aktor verbunden ist, ein gemeinsames Ausgleichsvo­ lumen ein. Die Hydraulikkammer ist derart zwischen den beiden Kolben eingespannt, daß der Betätigungskolben einen um das Übersetzungsverhältnis des Kolbendurchmessers vergrößerten Hub macht, wenn der größere Kolben durch den piezoelektrischen Aktor um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird. Das Ventilglied, die Kolben und der piezoelektrische Aktor liegen dabei auf einer gemeinsamen Achse. Über das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer können Toleranzen aufgrund von Temperaturgradienten bzw. unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materia­ lien sowie eventuelle Setzeffekte ausgeglichen werden, ohne daß dadurch eine Änderung der Position des anzusteuernden Ventilschließgliedes auftritt.

Das hydraulische System im Niederdruckbereich, insbesondere der hydraulische Koppler, benötigt einen Systemdruck, welcher aufgrund von Leckage abfällt, falls keine ausrei­ chende Nachfüllung mit Hydraulikflüssigkeit stattfindet.

Hierzu sind aus der Praxis für Common-Rail-Injektoren Lösungen bekannt, bei denen der Systemdruck, welcher zweckmäßig im Ventil selbst erzeugt wird und auch bei einem Systemstart möglichst konstant sein soll, durch Zuführung von Hydraulikflüssigkeit aus dem Hochdruckbereich des zu steuernden Kraftstoffs in den Niederdruckbereich mit dem Systemdruck sichergestellt wird. Dies geschieht häufig mit Hilfe von Leckspalten, die durch Leck- bzw. Befüllstifte dargestellt werden. Der Systemdruck wird in der Regel durch ein Ventil eingestellt, wobei der Systemdruck z. B. auch für mehrere Common-Rail-Ventile konstant gehalten werden kann.

Bei einem im wesentlichen konstanten Systemdruck in der Hydraulikkammer, welcher zumindest weitgehend unabhängig von dem vorherrschenden Hochdruck im Hochdruckbereich ist, besteht jedoch das Problem, daß bei hohen Druckwerten eine große Aktorkraft zur Öffnung des Ventilschließgliedes entgegen der Hochdruckrichtung erforderlich ist, was wiederum eine entsprechend große und kostenintensive Dimensionierung der piezoelektrischen Einheit zur Folge hat. Darüber hinaus ist bei hohem Druck im Hochdruckbereich die Verdrängung von Hydraulikvolumen aus der Hydraulikkam­ mer über die die angrenzenden Kolben umgebenden Spalte entsprechend verstärkt, wodurch die Wiederbefüllzeit zum Aufbau und Halten des Systemdrucks auf der Niederdruckseite unter Umständen derart verlängert wird, daß mangels vollständiger Wiederbefüllung bei einer kurz darauffolgen­ den Betätigung des Ventils ein kürzerer Ventilhub ausge­ führt wird, der das Öffnungsverhalten des gesamten Ventils gegebenenfalls negativ beeinflussen kann.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ventil zur Steuerung von Flüssigkeiten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, daß der Systemdruck in der Hydraulikkammer variabel ist, wobei sein Druckniveau von dem im Hochdruckbereich vorherr­ schenden Druck abhängig ist. Damit ist bei hohem Druckniveau im Hochdruckbereich eine Erhöhung des Systemdrucks in der Hydraulikkammer möglich, wodurch der Betätigungskolben zur Öffnung des Ventilschließgliedes entgegen dem anstehen­ den Hochdruck unterstützt wird. Auf diese Weise ist eine verringerte Ansteuerspannung der piezoelektrischen Einheit gegenüber einem Ventil mit konstantem Systemdruck ausrei­ chend, weshalb das erfindungsgemäße Ventil mit einer kleineren und kostengünstigeren piezoelektrischen Einheit ausgestattet werden kann.

Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung eine definierte Wiederbefüllung des Niederdruckbereiches, insbesondere der Hydraulikkammer. Bei steigendem Druck im Hochdruckbereich kann dabei mit dem variablen Systemdruck die Wiederbefüll­ zeit verkürzt werden.

Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich durch ihre konstruktiv einfache Art aus, die es erlaubt, den variablen Systemdruck in der Hydraulikkammer durch leicht einstellba­ re geometrische Größen wie dem Längsabschnitt des von Spaltströmung umgebenen Festkörpers der Wiederbefüllein­ richtung zwischen der Hochdruckzuführung und einer Abzwei­ gung zu der Hydraulikkammer zu definierten.

Der Festkörper kann dabei in einem kanalartigen Hohlraum der Befülleinrichtung im wesentlichen axial unbeweglich angeordnet sein.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung kann auch vorgesehen sein, daß der Festkörper in dem Hohlraum mittels einer mechanischen Verstelleinrichtung axial verstellbar angeordnet ist, wodurch Toleranzeinflüsse von Ventilbautei­ len, und zwar sowohl ein Einzeltoleranzeinfluß sowie der Summeneinfluß verschiedener Bauteile, mechanisch korrigiert werden können. Das derart ausgebildete erfindungsgemäße Ventil kann in vorteilhafter Weise zusammengebaut werden, ohne daß alle Bauteilmaße exakt einzuhalten sind.

Bei einer bevorzugten Anwendung des erfindungsgemäßen Ventils als Kraftstoffeinspritzventil ist es darüber hinaus möglich, der Forderung nach einer möglichst genauen Voreinspritzmenge einfach nachzukommen, indem die Vorein­ spritzmenge nach der Montage kontrolliert wird und bei einer Abweichung von der Sollmenge eine mechanische Korrektur über die Längsbeweglichkeit des Festkörpers der Befülleinrichtung vorgenommen wird. Dabei erübrigt sich in vorteilhafter Weise ein aufwendiger und kostenintensiver Teileaustausch.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Einige Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Ventils zur Steuerung von Flüssigkeiten sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines erstes Ausführungsbeispiels der Erfindung bei einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen im Längsschnitt,

Fig. 2 ein Diagramm mit einem stark vereinfachten Verlauf eines Systemdruckes des Niederdruckbereiches in Abhängig­ keit des Druckes im Hochdruckbereich,

Fig. 3 ein Diagramm mit stark vereinfachten Verläufen einer ventilseitigen Kraft einer piezoelektrischen Einheit des erfindungsgemäßen Ventils im Vergleich zum Kraftverlauf bei einem Ventil mit konstantem Systemdruck im Niederdruck­ bereich,

Fig. 4 bis 7 jeweils eine schematische, ausschnittswei­ se Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung im Längsschnitt,

Fig. 8 einen schematischen Querschnitt durch die Ausfüh­ rung gemäß Fig. 7,

Fig. 9 und 10 jeweils eine schematische, ausschnitts­ weise Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung im Längsschnitt,

Fig. 11 einen schematischen Querschnitt durch die Ausführung gemäß Fig. 10, und

Fig. 12 bis 14 jeweils vereinfachte, ausschnittsweise Darstellungen weiterer Ausführungen der Erfindung im Längsschnitt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils bei einem Kraft­ stoffeinspritzventil 1 für Brennkraftmaschinen von Kraft­ fahrzeugen. In der vorliegenden Ausführung ist das Kraft­ stoffeinspritzventil 1 als ein Common-Rail-Injektor zur Einspritzung von Dieselkraftstoff ausgebildet, wobei die Kraftstoffeinspritzung über das Druckniveau in einem Ventilsteuerraum 2, welcher mit einer Hochdruckversorgung verbunden ist, gesteuert wird.

Zur Einstellung eines Einspritzbeginns, einer Einspritzdau­ er und einer Einspritzmenge über Kräfteverhältnisse in dem Kraftstoffeinspritzventil 1 wird ein Ventilglied 3 über eine als piezoelektrischer Aktor 4 ausgebildete piezoelek­ trische Einheit angesteuert, welche auf der ventilsteuer­ raum- und brennraumabgewandten Seite des Ventilgliedes 3 angeordnet ist. Der piezoelektrische Aktor 4 ist in üblicher Weise aus mehreren Schichten aufgebaut und weist auf seiner dem Ventilglied 3 zugewandten Seite einen Aktorkopf 5 und auf seiner dem Ventilglied 3 abgewandten Seite einen Aktorfuß 6 auf, der sich an einer Wand eines Ventilkörpers 7 abstützt. An dem Aktorkopf 5 liegt über ein Auflager 8 ein erster Kolben 9 des Ventilgliedes 3 an, welcher auch als Stellkolben bezeichnet wird.

Neben dem ersten Kolben 9 umfaßt das Ventilglied 3, welches axial in einer Längsbohrung 10 des Ventilkörpers 7 ver­ schiebbar angeordnet ist, einen zweiten Kolben 11, welcher ein Ventilschließglied 12 betätigt und daher auch als Betätigungskolben bezeichnet wird.

Die Kolben 9 und 11 sind mittels einer hydraulischen Übersetzung miteinander gekoppelt. Die hydraulische Übersetzung ist als Hydraulikkammer 13 ausgebildet, die die Auslenkung des piezoelektrischen Aktors 3 überträgt. Die Hydraulikkammer 13 schließt zwischen den beiden sie begrenzenden Kolben 9 und 11, bei denen der Durchmesser A1 des zweiten Kolbens 11 kleiner ist als der Durchmesser des ersten Kolbens 9, ein gemeinsames Ausgleichsvolumen ein, in dem ein Systemdruck p_sys herrscht. Die Hydraulikkammer 13 ist dabei derart zwischen den Kolben 9 und 11 eingespannt, daß der zweite Kolben 11 des Ventilgliedes 3 einen um das Übersetzungsverhältnis des Kolbendurchmessers vergrößerten Hub macht, wenn der größere erste Kolben 9 durch den piezoelektrischen Aktor 4 um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird. Das Ventilglied 3, seine Kolben 9 und 11 und der piezoelektrische Aktor 4 liegen dabei auf einer gemeinsamen Achse hintereinander.

Über das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer 13 können Toleranzen aufgrund von Temperaturgradienten im Bauteil oder unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien sowie eventuelle Setzeffekte ausgeglichen werden, ohne daß dadurch eine Änderung der Position des anzusteuernden Ventilschließgliedes 12 auftritt.

An dem ventilsteuerraumseitigen Ende des Ventilgliedes 3 wirkt das kugelartige Ventilschließglied 12 mit an dem Ventilkörper 7 ausgebildeten Ventilsitzen 14, 15 zusammen, wobei das Ventilschließglied 12 einen Niederdruckbereich 16 mit dem Systemdruck p_sys von einem Hochdruckbereich 17 mit einem Hochdruck bzw. Raildruck p_R trennt. Die Ventilsitze 14, 15 sind in einem von dem Ventilkörper 7 gebildeten Ventilraum 18 ausgebildet, von dem ein Leckageablaufkanal 19 auf der dem piezoelektrischen Aktor 4 zugewandten Seite des Ventilsitzes 14 wegführt, und der hochdruckseitig über den zweiten Ventilsitz 15 und eine Ablaufdrossel 20 mit dem Ventilsteuerraum 2 des Hochdruckbereiches 17 verbindbar ist.

In dem in Fig. 1 lediglich angedeuteten Ventilsteuerraum 2 ist ein bewegbarer Ventilsteuerkolben angeordnet, der in der Zeichnung nicht weiter dargestellt ist. Durch axiale Bewegungen des Ventilsteuerkolbens in dem Ventilsteuerraum 2, der in üblicherweise mit einer Einspritzleitung verbun­ den ist, welche mit einem für mehrere Kraftstoffeinspritz­ ventile gemeinsamen Hochdruckspeicherraum (Common-Rail) verbunden ist und eine Einspritzdüse mit Kraftstoff versorgt, wird das Einspritzverhalten des Kraftstoffventils 1 auf an sich bekannte Art gesteuert.

An das piezoseitige Ende der Bohrung 10 mit dem Ventilglied 3 schließt sich ein weiterer Ventildruckraum 21 an, welcher einerseits durch den Ventilkörper 7 und andererseits durch ein mit dem ersten Kolben 9 des Ventilgliedes 3 und dem Ventilkörper 7 verbundenes Dichtelement 22 begrenzt ist. Das Dichtelement 22 ist vorliegend als faltenbalgartige Membran ausgebildet und verhindert, daß der piezoelektri­ sche Aktor 4 mit dem in dem Niederdruckbereich 16 enthalte­ nen Kraftstoff in Kontakt kommt.

Zum Ausgleich von Leckageverlusten des Niederdruckbereiches 16 bei einer Betätigung des Kraftstoffeinspritzventils 1 ist eine Befülleinrichtung 23 vorgesehen, welche nieder­ druckseitig in die Hydraulikkammer 13 mündet. Die Be­ fülleinrichtung 23 ist mit einem kanalartigen Hohlraum 24 ausgebildet, in dem ein Festkörper 25, welcher in Form eines zylindrischen Stiftes ausgebildet ist, mit einem ihn umgebenden Spalt derart angeordnet ist, daß in einen Bereich des Hohlraumes 24 an einem Ende 25A des Festkörpers 25 eine von dem Hochdruckbereich 17 abzweigende Leitung 26 und in einen Bereich des Hohlraumes 24 an dem entgegenge­ setzten Ende 25B des Stiftes 25 eine Leckageleitung 27 mündet. Entlang der Längserstreckung des Stiftes 25 führt an einer Abzweigung 28 eine Leitung 29 zu der Hydraulikkam­ mer 13.

Über die Anordnung der Abzweigung 28 entlang der Längser­ streckung des Stiftes 25 ist der Systemdruck p_sys in der Hydraulikkammer 13 geometrisch einstellbar. Der Systemdruck p_sys in der Hydraulikkammer 13 wird somit bei einem gewissen Längsabschnitt des Stiftes 25, der an seinem unteren Ende 25A mit Raildruck p_R beaufschlagt wird und an seinem entgegengesetzten Ende 25B entlastet ist, entnommen und variiert in Abhängigkeit des im Hochdruckbereich herrschenden Druckes p_R.

In Fig. 2 ist die Abhängigkeit des Systemdruckes p_sys von dem Raildruck p_R äußerst schematisiert wiedergegeben. Wie dabei ersichtlich ist, kann bei kleinen Spaltmaßen an den Kolben 9 und 11, welche an die Hydraulikkammer 13 grenzen, der Systemdruck p_sys angenommen werden als ein Produkt des Hochdruckes p_R und des Abstandes l_B zwischen der Abzwei­ gung 28 zur Hydraulikkammer 13 und dem Ende 25B des Festkörpers bzw. Stiftes 25, an dem die Leckageleitung 27 in den Hohlraum 24 mündet, bezogen auf die Gesamtlänge des Stiftes 25. Der statische Systemdruck p_sys in der Hydraulikkammer 13, welcher den Kopplerdruck darstellt, kann somit formelmäßig bestimmt werden zu:

Neben dem Systemdruck p_sys, welcher nach einer Einsprit­ zung nach einer gewissen Wiederbefüllzeit erreicht ist, ist in der Fig. 2 ein maximal zulässiger statischer System­ druck bzw. Kopplerdruck p_sys_max eingezeichnet, welcher zum selbständigen Ventilöffnen ohne Ansteuerung der piezoelektrischen Einheit 4 führen würde. Dieser maximal zulässige Systemdruck p_sys_max darf nicht überschritten werden, weshalb die Abzweigung 28 der Leitung 29 zur Hydraulikkammer 13 geometrisch derart festgelegt ist, daß der Systemdruck p_sys stets kleiner ist als der maximal zulässige Systemdruck p_sys_max. Des weiteren werden die Spaltmaße an den Kolben 9 und 11 sowie an dem Stift 25 so abgestimmt, daß der maximal zulässige Systemdruck p_sys_max nicht überschritten wird.

Der Systemdruck p_sys und das Verhältnis des Abstandes l A zwischen der Abzweigung 28 zur Hydraulikkammer 13 und dem Ende 25A des Stiftes 25, an dem die mit dem Hochdruckbe­ reich 17 verbundene Leitung 26 in den Hohlraum 24 mündet, zu dem Abstand l_B zwischen der Abzweigung 28 und dem Ende 25B des Stiftes 25, an dem die Leckageleitung 27 in den Hohlraum 24 mündet, ist abhängig von mehreren Parametern, zu denen der Sitzdurchmesser A2 des ersten Ventilsitzes 14 und der Durchmesser A1 des zweiten Kolbens bzw. Betäti­ gungskolbens 11 zählen. Im vorliegenden Fall, bei dem das Ventilschließglied 12 bei Entlastung des Hochdruckbereiches 17 durch eine Federkraft F_F einer Feder 30, welche zwischen dem Ventilschließglied 12 und dem zweiten Ventil­ sitz 15 angeordnet ist, in Schließstellung an dem ersten Ventilsitz 14 gehalten wird, ist die Federkraft F_F ein weiterer Parameter zur geometrischen Festlegung des Abzweigung 28 der Leitung 29 zur Hydraulikkammer 13. Formelmäßig kann damit der maximal zulässige Systemdruck p_sys_max, welcher in der Fig. 2 dargestellt ist, verein­ facht wie folgt wiedergegeben werden:

Die von dem Hochdruckbereich 17 abzweigende Leitung 26 ist in der vorliegenden Ausführung mit einem Hochdruckzulauf 31 von einer Hochdruckpumpe 32 zu dem Ventilsteuerraum 2 in dem Hochdruckbereich 17 verbunden.

Abweichend hiervon kann es selbstverständlich auch vorgese­ hen sein, daß die von dem Hochdruckbereich 17 abzweigende Leitung 26 strömungsmäßig mit anderen Bereichen im Hoch­ druckbereich 17 wie z. B. mit dem Ventilsteuerraum 2 oder der Ablaufdrossel 20 oder mit dem Ventilraum 18 verbunden ist, in dem das Ventilschließglied 12 zwischen den Ventil­ sitzen 14 und 15 bewegbar ist, und welcher auch in eine Hochdruckleitung integriert sein kann, wie es z. B. in der DE 198 60 678.8 beschrieben ist.

Des weiteren kann es vorgesehen sein, daß die zu dem Hochdruckbereich 17 führende Leitung 29 nicht - wie in Fig. 1 gezeigt - direkt in die Hydraulikkammer 13 mündet, sondern in einen den ersten Kolben 9 umgebenden Spalt 36 und/oder in einen den zweiten Kolben 11 umgebenden Spalt 37. Eine derartige Lösung ist stark vereinfacht in Fig. 4 angedeutet. Dabei ist ersichtlich, daß die von der Abzwei­ gung 28 zu der Hydraulikkammer 13 führende Leitung 29 in eine erste Leitung 29A und eine zweite Leitung 29B aufge­ teilt ist, deren Mündungsbereich in den Spalt 36 bzw. Spalt 37 jeweils als Befüllnut 38, 39 ausgebildet ist. Mit dem über den Stift 25 zugeführten Druck können die Befüllnuten 38, 39 jeweils einzeln oder gemeinsam versorgt werden.

Selbstverständlich kann es auch vorgesehen sein, daß nur eine der Leitungen 29A oder 29B vorhanden ist. Die indirek­ te Befüllung der Hydraulikkammer 13 dient in jedem Fall einer Verbesserung des Druckhaltevermögens in der Hydrau­ likkammer während der Ansteuerung. Beachtet werden muß allerdings, daß die Flußmenge durch die Spalte 36, 37 wesentlich kleiner als die Flußmenge am Stift 25 ist, da somit der bereitgestellte Druck nur noch von den Längenver­ hältnissen an dem Stift 25 abhängt.

Das Kraftstoffeinspritzventil 1 nach Fig. 1 bzw. 4 arbeitet in nachfolgend beschriebener Weise.

In geschlossenem Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 1, d. h. bei unbestromtem piezoelektrischen Aktor 4, liegt das Ventilschließglied 12 an dem ihm zugeordneten oberen Ventilsitz 14 an und wird u. a. von der Feder 30 mit der Federvorspannung F_F belastet. Vor allem liegt an dem Ventilschließglied 12 der Raildruck p_R an, welcher das Ventilschließglied gegen den ersten Ventilsitz 14 preßt.

Im Falle einer langsamen Betätigung, wie sie bei einer temperaturbedingten Längenänderung des piezoelektrischen Aktors 4 oder weiterer Ventilbauteile auftritt, dringt der als Stellkolben dienende erste Kolben 9 mit Temperaturerhö­ hung in das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer 13 ein und zieht sich bei Temperaturabsenkung daraus zurück, ohne daß dies Auswirkungen auf die Schließ- und Öffnungsstellung des Ventilschließgliedes 3 und des Kraftstoffeinspritzven­ tiles 1 insgesamt hat.

Soll das Ventil geöffnet werden und eine Einspritzung durch das Kraftstoffeinspritzventil 1 erfolgen, wird der piezo­ elektrische Aktor 4 bestromt bzw. mit Spannung beauf­ schlagt, wodurch sich dieser schlagartig axial ausdehnt. Bei einer derart schnellen Betätigung des piezoelektrischen Aktors 4 stützt sich dieser an dem Ventilkörper 7 ab und baut einen Öffnungsdruck in der Hydraulikkammer 13 auf. Erst wenn das Ventil 1 durch den Kopplerdruck bzw. System­ druck p_sys in der Hydraulikkammer 13 im Gleichgewicht ist, bewegt der zweite Kolben 11 das Ventilschließglied 12 aus seinem oberen Ventilsitz 14 in eine Mittelstellung zwischen den beiden Ventilsitzen 14 und 15. Bei hohem Raildruck p_R ist piezoseitig eine größere Kraft erforderlich, um in der Hydraulikkammer 13 den Gleichgewichtsdruck zu erreichen. Bei dem erfindungsgemäßen Ventil 1 wird deshalb der Stift 25 der Befülleinrichtung 23 eingesetzt, mittels dem bei hohem Raildruck p_R auch der Druck in der Hydraulikkammer 13 entsprechend erhöht wird. Auf diese Weise wird die piezoseitige Kraft auf das Ventilschließglied 12 bei gleicher Spannung auf den piezoelektrischen Aktor 4 erhöht, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.

In Fig. 3 ist für eine erste Spannung U1 und für eine zweite niedrigere Spannung U2 jeweils mit strichlierter Linie der Verlauf der Kraft F_A des piezoelektrischen Aktors 4 auf das Ventilschließglied 12 bei variierbarem Systemdruck p_sys gemäß der Erfindung und mit durchgezoge­ ner Linie bei konventionellem statischem Systemdruck p_sys dargestellt. Dabei zeigt sich, daß mit dem variierbaren Systemdruck p_sys gemäß der Erfindung der piezoelektrische Aktor bei ein und derselben Spannung bei der Bewegung des Ventilschließgliedes 12 von einer Position S1 am ersten Ventilsitz 14 zu einer Position S2 am zweiten Ventilsitz 15 eine größere Kraft aufbringt, wobei sich die Krafterhöhung ΔF aus dem Systemdruck p_sys in der Hydraulikkammer 13 und dem Durchmesser A1 des zweiten Kolbens 11 ergibt. Die Krafterhöhung ΔF entspricht einer substantiell höheren Spannung, welche an dem piezoelektrischen Aktor angelegt werden müßte, da der Kraftgewinn gegenüber einem Ventil mit konstantem Systemdruck beispielsweise 20% betragen kann. Diese gewonnene Kraftreserve kann bei der Auslegung des Ventils beispielsweise zur Verkleinerung des piezoelektri­ schen Aktors genützt werden.

Wenn das Ventilschließglied 12 entgegen dem Raildruck p_R seinen zweiten unteren Ventilsitz 15 erreicht hat, wird die Bestromung des piezoelektrischen Aktors 3 unterbrochen, woraufhin sich das Ventilglied 12 wieder in seine Mittel­ stellung bewegt und abermals eine Kraftstoffeinspritzung erfolgt. Gleichzeitig erfolgt über die Befülleinrichtung 23 eine Wiederbefüllung der Hydraulikkammer 23 auf den Systemdruck p_sys.

Bezug nehmend auf Fig. 5 ist ein Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels des Kraftstoffeinspritzventils dargestellt, welches im Prinzip wie das zu Fig. 1 und 4 beschriebene Kraftstoffeinspritzventil arbeitet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind funktionsgleiche Bauteile mit den in Fig. 1 verwendeten Bezugszeichen bezeichnet.

Gegenüber der Ausführung nach Fig. 1, bei welcher der Festkörper bzw. Stift 25 in dem Hohlraum 24 der Befüllein­ richtung 23 zwar mit Spiel, jedoch im wesentlichen axial unbeweglich angeordnet ist, ist der wie ein "Druckteiler­ stift" wirkende Festkörper bzw. Stift 25 hier mittels einer mechanischen Verstelleinrichtung 32 in dem Hohlraum 24 axial verstellbar angeordnet. Durch die mechanische Verstelleinrichtung 32, welche in der Ausführung nach Fig. 5 mit Einstellscheiben 33 an seinem der Leckageleitung 27 zugewandten Ende 25B realisiert ist, kann der Stift 25 in dem Hohlraum 24 verschoben werden. Dadurch wird der von dem Stift 25 zu der Hydraulikkammer 13 abgezweigte Systemdruck p_sys verändert, da sich die Längenverhältnisse an dem Stift 25 verschieben.

Wenn der piezoelektrische Aktor 4 bei der Ausführung nach Fig. 5 bestromt wird, führt die Längenänderung wie zuvor beschrieben zu einer Erhöhung des Druckes in der Hydraulik­ kammer 13, wobei der Druckaufbau in der Hydraulikkammer 13 wiederum von verschiedenen Faktoren wie z. B. einem Ansteuergradienten, dem Volumen der Hydraulikkammer 13 und der Streuung der Aktorkeramik abhängt. Bei Kraftstoffeinspritz­ ventilen werden häufig Voreinspritzungen mit kleinen Einspritzmengen durchgeführt, welche möglichst genau dosiert werden sollen. Da die reale Voreinspritzmenge aufgrund unterschiedlicher Toleranzeinflüsse oft mit der vorberechneten Voreinspritzmenge nicht genau übereinstimmt, kann bei dieser Ausführung eine Korrektur der Voreinspritz­ menge bei der Bewegung des Ventilschließgliedes von seinem ersten Ventilsitz 14 entgegen dem zweiten Ventilsitz 15 derart vorgenommen werden, daß durch eine Variierung des Systemdrucks p_sys die Einspritzzeit oder auch der Ein­ spritzbeginn verändert wird.

In Fig. 6 ist eine Ausführungsvariante zu der Ausführung nach Fig. 5 dargestellt, wobei die mechanische Verstell­ einrichtung 32 zur axialen Verschiebung des Stiftes 25 in dem Hohlraum 24 der Befülleinrichtung 23 mit einer Ein­ stellschraube 34 ausgebildet ist, welche in einem Gewinde 35 mittels eines geeigneten Schraubenziehers extern einstellbar ist.

Die Fig. 7 bis 13 zeigen weitere Ausführungsvarianten der Erfindung, wobei hier der Stift 25 jeweils mit einer Positioniereinrichtung 40 in dem Hohlraum 24 angeordnet ist.

Wie oben beschrieben, wird der Stift 25 mit einem gewissen Spiel in die Bohrung des Hohlraumes 24 eingesetzt, wobei die genaue Lage des Stiftes 25 unbekannt bleibt. Die radiale Anordnung des Stiftes 25 in dem Hohlraum 24 hat nach empirischen Untersuchungen aber einen nicht zu unterschätzenden Einfluß auf die Spaltflußmenge und die exakte Funktion des Kraftstoffeinspritzventils. Das Teilungsverhältnis zwischen den Längen an dem Stift 25 hinsichtlich der Anordnung der Abzweigung 28 wird z. B. bei einer Schieflage des Stiftes 25 ungenau. Auch die Durch­ flußmenge variiert und kann bei völliger Exzentrizität des Stiftes 25 um den Faktor 2,5 höher sein als bei exakt mittiger Anordnung des Stiftes 25. Die erfindungsgemäße Positioniereinrichtung 40 ermöglicht hingegen eine defi­ nierte Anordnung des Stiftes 25. Damit wird der Durchfluß genau eingestellt bzw. das Teilungsverhältnis genau eingehalten und die Funktion des Injektors somit exakter.

Bei den Ausführungen gemäß den Fig. 7 bis 11 ist der Stift 25 jeweils durch wenigstens ein Federelement exzen­ trisch derart angeordnet, daß er mit seiner Längsseite an der Wandung des Hohlraumes 24 abgestützt ist.

Bei einer ersten Ausführung der Positioniereinrichtung 40 gemäß den Fig. 7 und 8 kann der Stift 25 hierzu mit einer Nut 41 versehen sein. In dieser Nut 41 liegt als Federelement ein Blechstreifen 42 aus federndem Material, welches sich gegen die Bohrungswand des Hohlraumes 24 abstützt. Das Federelement 42 ergibt eine Kraft, welche den Stift 25 gegen die Wandung drückt. Damit liegt der Stift 25 definiert exzentrisch. Der Durchfluß wird jetzt alleine durch das Spiel zwischen Stift 25 und Bohrung definiert.

Die in Fig. 9 gezeigte Ausführung entspricht im wesentli­ chen der Ausführung nach Fig. 7 bzw. 8, jedoch stellt das Federelement hier eine Schraubenfeder 43 dar, welche in der Nut 41 liegt und gegen eine Kugel 44 drückt.

Wie die Fig. 10 und 11 zeigen, kann auch jeweils ein Federelement 45, 46 in einer Abflachung an den beiden Enden des Stiftes 25 zur Ausbildung der Positioniereinrichtung 40 vorgesehen sein.

Die Positioniereinrichtung 40 kann aber auch als eine jeweils an einem Ende des Stiftes 25 angeordnete Druck­ schulter 47, 48 bzw. 49, 50 ausgebildet sein, wie es die Ausführungsvarianten der Fig. 12 und 13 zeigen. Die Druckschultern 47, 48 bzw. 49, 50 sind dabei jeweils um 180° zueinander versetzt und stellen Abkantungen dar, welche wie in Fig. 12 an dem Stift 25 oder an dem Hohlraum 24 wie in Fig. 13 ausgebildet sein können. Durch zwei um 180° verdreht angebrachte Abkantungen am Ende des Stiftes 25 wird die sich ergebende hydraulische Kraft ausgenutzt. Wie insbesondere Fig. 12 und den zugehörigen Druckverläu­ fen zu entnehmen ist, fließt der Kraftstoff von unten nach oben, wenn ein Druck p_1 unten größer ist als ein Druck p_0 oben. Ohne die Abkantungen würde sich auf der Stiftoberflä­ che ein linearer Druckverlauf einstellen von p_1 nach p_0. Die Abkantungen bewirken, daß der Druck auf der linken unteren Seite des Stiftes 25 zunächst gleich p_1 ist, wogegen rechts unten der Druck schon linear abnimmt. Damit wird der Stift 25 unten nach rechts gedrückt. Oben am Stift 25 gilt sinngemäß dasselbe.

Abgesehen von der Problematik der exakten Positionierung des Stiftes 25 kann gegebenenfalls dessen Baulänge zu Einbau- und Fertigungsproblemen führen, wenn das Druckver­ hältnis des Hochdruckes p_R zum Systemdruck p_sys in der Hydraulikkammer 13 groß ist.

Daher kann es auch vorgesehen sein, daß mehrere "Druckver­ teilerstifte" wie der in den Fig. 1 bis 13 gezeigte Stift 25 vorhanden sind, wodurch die Baulänge der einzelnen Stifte gegenüber einem einzigen Stift deutlich reduziert werden kann.

Die Fig. 14 zeigt eine solche Ausführungsvariante mit zwei Stiften 25 und 25', wobei zwei Hohlräume 24, 24' mit jeweiliger Hochdruck zuführender Leitung 26, 26' und Leckageleitung 27, 27' derart seriell angeordnet sind, daß eine zu der Hydraulikkammer 13 führende Leitung 29' aus dem vorgeschalteten Hohlraum 24 gleichzeitig die von dem Hochdruckbereich 17 herführende Leitung 26 bildet, welche in den nachgeschalteten Hohlraum 24 mündet.

Die beschriebenen Ausführungen beziehen sich jeweils auf ein sogenanntes Doppelsitzventil, jedoch ist die Erfindung selbstverständlich auch auf einfachschaltende Ventile mit nur einem Ventilsitz anwendbar.

Die Erfindung kann selbstverständlich auch nicht nur bei den hier als bevorzugtes Einsatzgebiet beschriebenen Common-Rail-Injektoren Verwendung finden, sondern generell bei Kraftstoffeinspritzventilen oder auch in anderen Umfeldern, wie z. B. bei Pumpen, verwirklicht werden.

Claims (19)

1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, mit einer piezo­ elektrischen Einheit (4) zur Betätigung eines in einem Ventilkörper (7) axial verschiebbaren Ventilglieds (3), dem ein Ventilschließglied (12) zugeordnet ist, welches mit wenigstens einem Ventilsitz (14, 15) zum Öffnen und Schließen des Ventils (1) zusammenwirkt und einen Nie­ derdruckbereich (16) mit Systemdruck von einem Hoch­ druckbereich (17) trennt, wobei das Ventilglied (3) wenigstens einen ersten Kolben (9) und einen zweiten Kolben (11) aufweist, zwischen denen eine als Toleranz­ ausgleichselement und als hydraulische Übersetzung ar­ beitende Hydraulikkammer (13) ausgebildet ist, wobei zum Ausgleich von Leckverlusten eine mit dem Hochdruckbe­ reich (17) verbindbare Befülleinrichtung (23) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Befülleinrichtung (23) mit wenigstens einem kanalartigen Hohlraum (24, 24') ausgebildet ist, in dem ein Festkörper (25, 25') mit einem ihn umgebenden Spalt derart angeordnet ist, daß in den Hohlraum (24, 24') an einem Ende (25A) des Festkörpers (25, 25') eine zu dem Hochdruckbereich (17) führende Leitung (26, 26') und an dem entgegengesetzten Ende (25B) des Festkörpers (25, 25') eine Leckageleitung (27, 27') mündet, und daß eine zu der Hydraulikkammer (13) führende Leitung (29, 29A, 29B, 29') entlang der Längserstreckung des Festkörpers (25, 25') abzweigt, wobei der Systemdruck (p_sys) in der Hydraulikkammer (13) durch geometrische Festlegung der Abzweigung (28) an der Längserstreckung des Festkörpers (25, 25') ein­ stellbar ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Systemdruck (p_sys) in der Hydraulikkammer (13) in Ab­ hängigkeit des im Hochdruckbereich (17) herrschenden Druckes (p_R) variierbar ist, wobei sich der Systemdruck (p_sys) im wesentlichen aus dem Produkt des Hochdruckes (p_R) und des Abstandes (l_B) zwischen der Abzweigung (28) zur Hydraulikkammer (13) und dem Ende (25B) des Festkörpers, an dem die Leckageleitung (27) in den Hohl­ raum (24) mündet, bezogen auf die Gesamtlänge (l_A + l_B) des Festkörpers (25) ergibt.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Abstands (l_A) zwischen der Ab­ zweigung (28) zur Hydraulikkammer (13) und dem Ende (25A) des Festkörpers (25), an dem die mit dem Hoch­ druckbereich (17) verbundene Leitung (26) in den Hohl­ raum (24) mündet, zu dem Abstand (l_B) zwischen der Abzweigung (28) zur Hydraulikkammer und dem Ende (25B) des Festkörpers (25), an dem die Leckageleitung (27) in den Hohlraum (24) mündet, in Abhängigkeit wenigstens der Parameter Sitzdurchmesser (A2) und Verhältnis des Durchmessers (A0) des ersten Kolbens (9) zu dem Durchmesser (A1) des zweiten Kolbens (11) gewählt ist.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Federkraft (F_F) einer Feder (30), welche zwischen dem Ventilschließglied (12) und einem dem Hochdruckbereich (17) zugewandten zweiten Ventilsitz (15) angeordnet ist und das Ventilschließ­ glied (12) bei Entlastung des Hochdruckbereiches (17) in Schließstellung an dem ersten Ventilsitz (14) hält, ein Parameter zur geometrischen Festlegung der Abzweigung (28) der Leitung (29) zur Hydraulikkammer (13) ist.

5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzweigung (28) der Leitung (29) zur Hydraulikkammer (13) geometrisch derart festgelegt ist, daß der Systemdruck (p_sys) in der Hydraulikkammer (13) stets kleiner ist als ein maximal zulässiger Sy­ stemdruck (p_sys_max).

6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der maximal zulässige Systemdruck (p_sys_max) der Hydraulik­ kammer (13) einem Druck entspricht, bei dem eine selbstätige Ventilöffnung ohne Betätigung der piezoelek­ trischen Einheit (4) eintritt.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zu der Hydraulikkammer (13) führende Leitung (29, 29A, 29B) in diese über den an die Hydraulikkammer (13) angrenzenden, den ersten Kolben (9) umgebenden Spalt (36) und/oder den zweiten Kolben (11) umgebenden Spalt (37) führt.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Spaltmaße des den Festkörper (25) umgebenden Spaltes zu den den ersten Kolben (9) und den zweiten Kolben (11) umgebenden Spal­ ten (36, 37) derart gewählt ist, daß der maximal zuläs­ sige Systemdruck (p_sys_max) in der Hydraulikkammer (13) nicht überschritten wird.

9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Befülleinrichtung (23) wenig­ stens einen zweiten Hohlraum (24') mit darin angeordne­ tem Festkörper (25') aufweist, wobei die Hohlräume (24, 24') mit jeweiligen Festkörper (25, 25') derart seriell angeordnet sind, daß die zur Hydraulikkammer (13) füh­ rende Leitung (29') aus dem vorgeschalteten Hohlraum (24') die von dem Hochdruckbereich (17) herführende Leitung (26) für den nachgeordneten Hohlraum (24) bil­ det.

10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zu dem Hochdruckbereich (17) führende Leitung (26) strömungsmäßig mit einem Hoch­ druckzulauf (31) von einer Hochdruckpumpe (32) zu einem Ventilsteuerraum (2) in dem Hochdruckbereich (17) oder mit einer Ablaufdrossel (20) zwischen dem wenigstens einen Ventilsitz (14, 15) und dem Ventilsteuerraum (2) in dem Hochdruckbereich (17) oder mit einem Ventilraum (18), in dem das Ventilschließglied (12) zwischen einem ersten Ventilsitz (14) und einem zweiten Ventilsitz (15) bewegbar ist, verbunden ist.

11. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper (25) in dem Hohlraum (24) im wesentlichen axial unbeweglich angeordnet ist. 12. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper (25) in dem Hohlraum (24) mittels einer mechanischen Verstelleinrichtung (32) axial verstellbar angeordnet ist.

13. Ventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Verstelleinrichtung mit wenigstens einer Einstellscheibe (33) und/oder mit einer Einstellschraube (34) an wenigstens einem der Enden des Festkörpers (25) ausgebildet ist.

14. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper (25) mit einer Posi­ tioniereinrichtung (40) zur radialen Ausrichtung in dem Hohlraum (24) angeordnet ist.

15. Ventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper (25) mittels der Positioniereinrichtung (40) derart exzentrisch angeordnet ist, daß er mit einer Längsseite an der Wandung des Hohlraumes (24) abgestützt ist.

16. Ventil nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniereinrichtung (40) wenigstens ein Federelement (42, 43, 45, 46) zwischen einer Wandung des Hohlraumes (24) und dem Festkörper (25) aufweist, wobei das Federelement (42, 43, 45, 46) vorzugsweise in eine Nut (41) des Festkörpers (25) eingreift.

17. Ventil nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniereinrichtung (40) mit jeweils einer an einem Ende des Festkörpers (25) angeordneter Druckschul­ ter (47, 48, 49, 50) ausgebildet ist, wobei die Druck­ schultern (47, 48, 49, 50) um wenigstens annähernd 180° versetzt zueinander angeordnet sind.

18. Ventil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckschultern (47, 48, 49, 50) jeweils als Abkantungen an dem Festkörper (25) oder dem Hohlraum (24) ausgeformt sind.

19. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper (25, 25') als ein zylindrischer Stift ausgebildet ist.

20. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Bestandteil eines Kraft­ stoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen, insbeson­ dere eines Common-Rail-Injektors (1).