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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einem Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art aus.
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Solche Ventile zum Steuern von Flüssigkeiten, bei denen ein Ventilschließglied einen Niederdruckbereich in einem Ventil von einem Hochdruckbereich trennt, z. B. bei Kraftstoffinjektoren, insbesondere Common-Rail-Injektoren, oder Pumpen von Kraftfahrzeugen, sind aus der Praxis bekannt, beispielsweise aus der
DE 100 24 702 A1 .
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Eine Ansteuerung einer Düsennadel derartiger Ventile erfolgt beispielsweise durch ein 3/2-Schaltventil, wobei bei einem Öffnen des 3/2-Schaltventiles eine Zulaufbohrung für einen Ventilraum, in welchem sich ein Ventilkörper des 3/2-Schaltventiles befindet, geschlossen wird. Der Ventilraum ist mit einem Hochdruckbereich des Ventils verbunden und bei geschlossenem 3/2-Schaltventil gegenüber einem Niederdruckbereich des Ventils abgedichtet.
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An einem Ende der Düsennadel ist eine mit einem Dichtsitz des Düsenkörpers korrespondierende Dichtfläche ausgebildet, über welche bei Anlage der Düsennadel an dem Düsenkörper Ausspritzöffnungen des Düsenkörpers abgedichtet sind. Ein dem mit der Dichtfläche versehenen Ende abgewandtes Ende der Düsennadel begrenzt mit einem Federteller und einer Ventilplatte einen Ventilsteuerraum, der über eine Ablaufdrossel mit dem Ventilraum verbindbar ist.
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Diese Ablaufdrossel ist bei geöffnetem 3/2-Schaltventil geöffnet, während die Zulaufbohrung verschlossen ist. Dadurch entspannt sich der Druck des Ventilsteuerraums in Richtung des Ventilraums und die Düsennadel gibt die Ausspritzöffnungen des Düsenkörpers frei. Um das Ventil wieder zu schließen, wird die Zulaufbohrung durch Schließen des 3/2-Schaltventils geöffnet und die Ablaufdrossel gleichzeitig geschlossen, so daß sich der Druck in dem Ventilsteuerraum erhöht, wodurch die Düsennadel wieder gegen den Dichtsitz des Düsenkorpers gedrückt wird.
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Nachteilig dabei ist jedoch, daß zum Öffnen des 3/2-Schaltventiles sowie zum Schließen der Zulaufbohrung des Ventilraumes aufgrund des in dem Ventilraum anliegenden Hochdrucks sehr hohe Schaltkrafte zum Schalten des 3/2-Schaltventiles benötigt werden, welche einen entsprechend groß dimensionierten Aktuator erfordern, der jedoch hohe Herstellkosten verursacht sowie einen hohen Bauraumbedarf aufweist.
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Des weiteren ist von Nachteil, daß insbesondere bei Einsatz eines piezoelektrischen Aktuators an dessen piezoelektrischen Keramik hohe Energieströme zum Betätigen des Ventilkörpers des 3/2-Schaltventiles angelegt werden müssen. Die hohen Energieströme verursachen insbesondere bei hohen Drehzahlen Probleme in einem Steuergerät. Um die hohen Stellkräfte des vorzugsweise piezoelektrischen Aktuators sicher übertragen zu können, müssen zusätzlich für die Ansteuerung des Ventilkörpers Stellkolben der Aktuatorik des Ventils groß dimensioniert werden, was zusätzlichen Bauraumbedarf verursacht.
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Ein weiterer Nachteil derartiger Ventile ist, daß zur Ansteuerung einer Düsennadel ein aufwendig herzustellendes 3/2-Schaltventil mit zwei in einem Ventilgehäuse ausgebildeten Dichtflächen erforderlich ist. Zusätzlich weist der Dichtsitz der Düsennadel im Düsenkörper aufgrund eines sehr kleinen Sitzdurchmessers, dessen Durchmesser für eine Gewährleistung der Funktionalität eines Ventils aufgrund der Druck- und Krafteverhältnisse nach oben begrenzt ist, nachteilhafterweise eine nicht hinreichend hohe Verschleißfestigkeit auf.
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Vorteile der Erfindung
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Das Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß eine Verbindung zwischen einem Hochdruckbereich und dem Ventilraum zur Reduzierung von Schaltkräften des Schaltventils mit einer Druckeinstelleinrichtung versehen ist. Mittels dieser Druckeinstelleinrichtung ist ein Druck in dem Ventilraum gegenüber dem Hochdruckbereich reduzierbar, so daß eine zum Betätigen des Ventilkörpers vorgesehene Aktuatorik aufgrund der reduzierten Schaltkräfte kleiner als bei aus der Praxis bekannten Ventilen dimensioniert werden kann, wodurch in vorteilhafter Weise ein geringerer Bauraum für die Aktuatorik des Ventils erforderlich ist.
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Insbesondere beim Einsatz eines piezoelektrischen Aktuators besteht die Möglichkeit, eine kleinere piezoelektrische Keramik einzusetzen sowie reduzierte Energieströme für deren Ansteuerung vorzusehen, wodurch einerseits die Herstellkosten und ein Bauraumbedarf reduziert werden und andererseits eine Funktion eines Steuergerätes durch die Energieströme nicht beeinträchtig wird. Dies ist insbesondere bei Mehrfacheinspritzungen bei hohen Einspritzdrücken sowie bei hohen Drehzahlen einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges von Vorteil.
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Bei Einsatz des Ventils nach der Erfindung zur Steuerung einer Düsennadel eines Einspritzventils besteht der Vorteil, daß an einem Dichtsitz der Düsennadel ein Verschleiß im Vergleich zu den aus der Praxis bekannten Ventilen reduziert ist, da der Dichtsitz des erfindungsgemäßen Ventils mit einem größeren Sitzdurchmesser ausgeführt werden kann, ohne die Funktion, d. h. das Öffnungs- und Schließverhalten des Ventils zu verschlechtern.
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Zusätzlich besteht die Möglichkeit, ein als 2/2-Schaltventil ausgeführtes Schaltventil zum druckabhängigen Schalten des Ventils einzusetzen, welches lediglich einen Dichtsitz aufweist und somit geringere Herstellkosten verursacht.
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Besonders vorteilhaft ist es, daß das Ventil nach der Erfindung aufgrund der reduzierten Schaltkräfte schneller öffnet und schließt als aus der Praxis bekannte Ventile, wodurch Einspritzungen in Bezug auf ein jeweils einzuspritzendes Flüssigkeitsvolumen, wie beispielsweise eine bestimmte Kraftstoffmenge in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, verbrauchsoptimiert und präzise durchführbar sind.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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Zwei Ausführungsbeispiele des Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten nach der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erlautert. Es zeigen
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1 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung bei einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen im Langsschnitt, und
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2 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils bei einem Kraftstoffeinspritzventil 1 für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen. In der vorliegenden Ausführung ist das Kraftstoffeinspritzventil 1 als 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.
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Zur Einstellung eines Einspritzbeginns, einer Einspritzdauer und einer Einspritzmenge über Kraftverhältnisse in dem Kraftstoffeinspritzventil 1 wird ein Ventilglied 3 über eine als piezoelektrischer Aktor ausgebildete piezoelektrische Einheit angesteuert, welche auf der ventilsteuerraum- und brennraumabgewandten Seite des Ventilgliedes 3 angeordnet ist. Der nicht näher dargestellte piezoelektrische Aktor ist in an sich bekannter Art und Weise aus mehreren keramischen Schichten aufgebaut und weist auf seiner dem Ventilglied 3 zugewandten Seite einen Aktorkopf und auf seiner dem Ventilglied 3 abgewandten Seite einen Aktorfuß auf, der sich an einer Wand des Ventilgehäuses 4 abstützt.
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Das Ventilglied 3 ist aus einem ersten Kolben 5 und einem dazu in Reihe angeordneten zweiten Kolben 6 gebildet, zwischen welchen eine Hydraulikkammer 7 ausgebildet ist. Die beiden Kolben 5, 6 sind axial in einer Längsbohrung 8 des Ventilgehäuses 4 verschiebbar angeordnet, wobei der erste Kolben 5 den Stellkolben der Aktuatorik des Kraftstoffeinspritzventiles 1 und der zweite Kolben, welcher ein Ventilschließglied 9 eines Schaltventiles 10 betätigt, den sogenannten Betätigungskolben der Aktuatorik darstellt.
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Die Hydraulikkammer 7 stellt eine hydraulische Übersetzung zwischen dem Stellkolben 5 und dem Betätigungskolben 6 dar, so daß eine Auslenkung des piezoelektrischen Aktors eine ausreichende Verschiebung des Ventilschließgliedes 9 zur Folge hat. Die Hydraulikkammer 7 schließt zwischen den beiden sie begrenzenden Kolben 5 und 6, bei denen der Durchmesser des zweiten Kolbens 6 kleiner ist als der Durchmesser des ersten Kolbens 5, ein gemeinsames Ausgleichsvolumen ein, in dem ein Systemdruck herrscht. Die Hydraulikkammer 7 ist dabei derart zwischen den Kolben 5 und 6 eingespannt, daß der zweite Kolben 6 des Ventilgliedes 3 einen um das Übersetzungsverhältnis der Kolbendurchmesser vergrößerten Hub macht, wenn der größere erste Kolben 5 durch den piezoelektrischen Aktor um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird. Das Ventilglied 3, seine Kolben 5 und 6 und der piezoelektrische Aktor sind dabei in Reihe angeordnet.
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Über das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer 7 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 9 auftritt.
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An dem ventilsteuerraumseitigen Ende des Ventilgliedes 3 wirkt das mit einem kugelabschnittsförmigen Bereich ausgeführte Ventilschließglied 9 mit einem an dem Ventilgehäuse 4 ausgebildeten Ventilsitz 11 zusammen, wobei das Ventilschließglied 9 einen Niederdruckbereich 12 von einem Zwischendruckbereich 13 trennt. Der in dem Niederdruckbereich 12 herrschende Druck ist kleiner als der Druck in dem Zwischendruckbereich.
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Der Ventilsitz 11 ist in einem von dem Ventilgehäuse 4 gebildeten Ventilraum 14 ausgebildet, von dem ein Leckageablaufkanal 15 auf der dem piezoelektrischen Aktor zugewandten Seite des Ventilsitzes 11 wegführt und der zwischendruckseitig über eine Rücklaufdrossel 16 mit dem Ventilsteuerraum 2 des Zwischendruckbereiches 13 verbunden ist.
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Der Ventilsteuerraum 2 ist von einer Ventilplatte 17, einem Federteller 18 und einer Düsennadel 19 begrenzt, wobei in Abhängigkeit eines Druckniveaus in dem Ventilsteuerraum 2 die Düsennadel 19 von einem zweiten Ventilsitz 20, der zum Abdichten mehrerer, in einem Düsenkörper 21 über dessen Umfang verteilt angeordneter Ausspritzöffnungen 22 vorgesehen ist.
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Der Federteller 18 ist über eine Feder 23 gegen die Ventilplatte 17 gedruckt, die sich mit ihrem dem Federteller 18 abgewandten Ende in an sich bekannter Weise an einem nicht näher dargestellten Absatz der Düsennadel 19 abgestützt ist.
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Der Ventilsteuerraum 2 ist mit einem Hochdruckbereich 24, der mit einem für mehrere Kraftstoffeinspritzventile gemeinsamen Hochdruckspeicherraum (Common-Rail) verbunden ist und eine Einspritzdüse mit Kraftstoff versorgt, über eine Druckeinstelleinrichtung 25 verbindbar. Die Druckeinstelleinrichtung 25 ist zwischen dem Hochdruckbereich 24 und dem Ventilsteuerraum 2 zur Reduzierung von Schaltkräften des Schaltventils 10 angeordnet und weist ein zwischen zwei Endstellungen verschieblich angeordnetes Drosselelement 26 auf. Mit der Druckeinstelleinrichtung 25 wird ein Hochdruck des Hochdruckbereiches 24 auf ein niedrigeres Druckniveau, welches in dem Zwischendruckbereich 13 herrscht, ohne zusätzliche Steuerelektronik reduziert.
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Das Drosselelement 26 ist vorliegend als Stufenkolben ausgeführt, der in Längsrichtung in einer Führung 27 des Ventilgehäuses 4 zwischen zwei Endstellungen verschieblich geführt ist. Die Führung 27 ist zweiteilig ausgeführt, wobei eine erste Führung 27A einen Bereich des Drosselelementes 26 führt, der mit einem geringeren Durchmesser D6 ausgeführt ist als der Bereich des Drosselelementes 26, der von einer zweiten Führung 27B mit einem Durchmesser D2 geführt wird.
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Zwischen den beiden Führungen 27A, 27B ist ein sogenannter Drosselraum 28 ausgebildet, der von dem Drosselelement 26 und dem Ventilgehäuse 4 begrenzt ist. Der Drosselraum 28 ist mit dem Niederdruckbereich 12 des Kraftstoffeinspritzventiles 1 über Verbindungsleitungen 29A und 29B verbunden. Die Verbindungsleitung 29A ist dabei mit einem Rückschlagventil 30 ausgeführt. Bei Vorliegen eines Druckes in dem Drosselraum 28, der größer ist als ein Druck des Niederdruckbereiches 12, sperrt das Rückschlagventil 30 die Verbindungsleitung 29A. Ist der Druck in dem Drosselraum 28 kleiner als der Druck des Niederdruckbereiches 12, öffnet sich das Rückschlagventil 30 und es wird ein schneller Druckausgleich zwischen dem Niederdruckbereich 12 und dem Drosselraum 28 durchgeführt.
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Die Verbindungsleitung 29B ist mit einer Rücklaufdrossel 31 ausgeführt, über welche bei Vorliegen eines Druckes in dem Drosselraum 28, der größer als ein Druck in dem Niederdruckbereich 12 ist, Flüssigkeit aus dem Drosselraum 28 in den Niederdruckbereich 12 führbar ist.
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Des weiteren ist das Drosselelement 26 mit einem mittigen, in Längsrichtung des Drosselelementes 26 verlaufenden Kanal 32 ausgeführt, der als Sacklochbohrung ausgeführt ist. Der Kanal 32 ist über eine in dem Drosselelement 26 ausgebildete Zulaufdrossel 33 mit einem von dem Ventilgehäuse 4 und dem Drosselelement 26 begrenzten Steuerraum 34 verbunden, wobei der Steuerraum 34 bei Anliegen des Drosselelementes 26 an einem dritten Ventilsitz 35 von dem Hochdruckbereich 24 getrennt ist. Der dritte Ventilsitz 35 ist mit einem Durchmesser D1 ausgeführt, der eine erste Wirkfläche 36 des Drosselelementes 26, an welcher ein Hochdruck des Hochdruckbereiches 24 ansteht, an einer ersten Stirnfläche des Drosselelementes 26 definiert.
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Eine zweite Stirnfläche des Drosselelementes 26, die an dem dem Hochdruckbereich 24 abgewandten Ende des Drosselelementes 26 ausgeführt ist, stellt eine zweite Wirkfläche 37 des Drosselelementes 26 dar. An der zweiten Wirkfläche 37 liegt bei geschlossenem Schaltventil 10 wenigstens ein Druck des Ventilraumes 14 bzw. ein Druck des Zwischendruckbereiches 13 an, wobei die erste Wirkfläche 36 kleiner ist als die zweite Wirkfläche 37, welche durch einen Durchmesser D2 des Drosselelementes 26 definiert ist.
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Die zweite Wirkfläche 37 weist einen ersten Flächenbereich 38 und einen zweiten Flächenbereich 39 auf, welche durch eine Steuerkante 40 voneinander abgegrenzt sind. Der erste Flächenbereich 38 ist mit einer derartigen konvexen Krümmung und der zweite Flächenbereich 39 ist mit einer derartigen konkaven Krümmung ausgeführt, daß bei Anlage der Steuerkante 40 an dem Ventilgehäuse 4, welches vorliegend das Gehäuse der Druckeinstelleinrichtung 25 darstellt, im Bereich zwischen der zweiten Wirkfläche 37 und dem Ventilgehause 4 zwei von dem Drosselelement 26, dem Ventilgehäuse 4 und von der Steuerkante 40 voneinander getrennt ausgebildete Steuerräume 41 vorhanden sind. Dabei ist der zweite Steuerraum 41 über eine Bohrung 43 und eine schematisch dargestellte weitere Verbindungsleitung 44 mit dem Ventilsteuerraum 2 bzw. dem Ventilraum 14 fluidisch verbunden. Der dritte Steuerraum 42 ist über den Kanal 32 und die Zulaufdrossel 33 des Drosselelementes 26 mit dem Hochdruckbereich 24 verbunden.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ventiles zum Steuern von Flüssigkeiten nach der Erfindung dargestellt, wobei sich diese Ausführungsform von der in der 1 dargestellten Ausführung des Kraftstoffeinspritzventiles 1 lediglich dadurch unterscheidet, daß von der weiteren Verbindungsleitung 44 eine Befülleitung 45 abzweigt, welche im Bereich des zweiten Kolbens 6 in die Längsbohrung 8 mündet. Aufgrund der ansonsten identischen konstruktiven Ausführung der in den 1 und 2 dargestellten Ventile sind für bau- bzw. funktionsgleiche Bauteile in der Zeichnung dieselben Bezugszeichen vorgesehen.
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Das Kraftstoffeinspritzventil nach 1 bzw. 2 arbeitet in nachfolgend beschriebener Weise.
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Im Betrieb des Kraftstoffeinspritzventiles 1 liegt an der ersten Wirkfläche 36 des Drosselelements 26 ein Hochdruck des Hochdruckbereiches 24 an. Dieser Hochdruck wird bei einem Common-Rail-System auch als Rail-Druck bezeichnet. An der zweiten Wirkfläche 37 des Drosselelementes 26 liegt in der in den 1 und 2 dargestellten Position des Drosselelementes 26 ein Druck des Ventilsteuerraumes 2 bzw. des Zwischendruckbereiches 13 an, der nachfolgend als Steuerdruck bezeichnet ist. Des weiteren liegt in einem Spaltraum 46, der von der Ventilplatte 17, dem Düsenkörper 21 und der Düsennadel 19 begrenzt ist und über eine nicht dargestellt Verbindungsleitung mit dem Hochdruckbereich verbunden ist, Rail-Druck vor.
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Bei geschlossenem dritten Ventilsitz 35 und bei geschlossenem Schaltventil 10, d. h. wenn das Ventilschließglied 9 am Ventilsitz 11 dichtend anliegt, ist der Zwischendruckbereich 13, welcher unter anderem den Ventilsteuerraum 2, den Ventilraum 14 sowie die Steuerräume 41, 42 umfaßt, gegenüber dem Hochdruckbereich 24 als auch gegenüber dem Niederdruckbereich 12 des Ventils 1 abgeschlossen.
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Aufgrund von Leckagestromen im Bereich der zweiten Führung 27B, welche von dem Zwischendruckbereich in Richtung des Drosselraumes 28 fließen, sinkt der Steuerdruck des Ventilraumes 14 bzw. der Druck des Zwischendruckbereiches 13 langsam ab, bis an dem Drosselelement bzw. Steuerkolben 26 eine resultierende Kraft wirkt, welche den Steuerkolben 26 von dem dritten Ventilsitz 35 abhebt.
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Bei geöffnetem dritten Ventilsitz 35 strömt unter Hochdruck zugeführte Flüssigkeit des Hochdruckbereiches 24 in den Steuerraum 34. Von dort aus strömt die Flüssigkeit über die Zulaufdrossel 33 und den Kanal 32 in den Zwischendruckbereich 13, wodurch der Steuerdruck im Ventilsteuerraum 2 sowie im Ventilraum 14 wieder ansteigt. Das bedeutet, daß mit dieser Anordnung des Steuerkolbens 26 der Druck des Ventilsteuerraumes 2 zum Rail-Druck im Verhältnis der Durchmesser D12/D22 bei geschlossenem Schaltventil 10 geregelt eingestellt wird.
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Um die Funktion des Kraftstoffeinspritzventiles 1 zu gewährleisten, ist ein Verhältnis zwischen einem Durchmesser D3 des zweiten Ventilsitzes 20 und einem Durchmesser D4 des Ventilsteuerraumes 2 derart auszulegen, daß die Düsennadel 19 bei geschlossenem Schaltventil 10 und bei Vorliegen des nunmehr gegenüber dem Rail-Druck bzw. Hochdruck des Hochdruckbereiches 24 reduzierten Drucks bzw. Steuerdruckes des Ventilsteuerraumes 2 sicher schließt.
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Mit zunehmender Öffnungszeit des dritten Ventilsitzes 35 steigt der Druck des Zwischendruckbereiches 13 derart an, daß der auf die zweite Wirkfläche 37 einwirkende Druck des Zwischendruckbereiches 13 ab einem bestimmten Druckwert den Steuerkolben 26 entgegen dem Rail-Druck sowie entgegen eines Drucks des Drosselraumes 28 in Richtung des dritten Ventilsitzes 35 verschiebt, wobei der Druck des Drosselraumes 28, der an einer dritten Wirkfläche 48 des Drosselelementes 28 anliegt, aufgrund der vorbeschriebenen Leckageströme zwischen dem Steuerkolben 26 und der zweiten Führung 27B sowie zwischen dem Steuerkolben 26 und der ersten Führung 27A ausgehend vom Hochdruckbereich 24 bei geöffnetem dritten Ventilsitz 35 ansteigt.
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Liegt der Steuerkolben 26 nach dem vorbeschriebenen Druckaufbau in dem Zwischendruckbereich 13 wieder in einer ersten Endlage an dem dritten Ventilsitz 35 an, ist der Zwischendruckbereich 13 wieder abgeschlossen und der Druck des Zwischendruckbereiches 13 baut sich aufgrund der Leckageströme wieder langsam ab. Der Druck des Zwischenbereiches 13 nimmt solange ab, bis wiederum ein Wert des Steuerdrucks erreicht wird, der zu einem Abheben des Steuerkolbens 26 von dem dritten Ventilsitz 35 und zu einem damit einhergehenden Druckaufbau des Zwischendruckbereiches 13 ausgehend vom Hochdruckbereich 24 führt.
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Um eine Einspritzung des Kraftstoffeinspritzventiles 1 einzuleiten, wird das Schaltventil 10 geöffnet. Dadurch wird zunächst ein Druck des Ventilraumes 14 schlagartig in Richtung des Niederdruckbereiches 12 abgebaut. Gleichzeitig baut sich der Druck des Zwischendruckbereiches 13 über die Rücklaufdrossel 16 der Ventilplatte 17 in Richtung des Ventilraumes 14 und somit des Niederdruckbereiches 12 ab, wobei dies jedoch langsamer als der Druckabbau des Ventilraumes 14 geschieht. Dies führt wiederum zu einem Absenken des Druckniveaus des Ventilsteuerraumes 2 auf einen Wert, der ein Abheben der Düsennadel 19 von dem zweiten Ventilsitz 20 zur Folge hat und Flüssigkeit bzw. Kraftstoff über die Ausspritzöffnungen 22 aus dem Spaltraum 46 in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
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Das Schaltventil 10 wird dadurch geöffnet, daß der piezoelektrische Aktuator bzw. dessen piezoelektrische Keramik bestromt wird, was zu einer Längung der piezoelektrischen Keramik führt. Die Längung der piezoelektrischen Keramik bewirkt eine axiale Verstellung des mit dem piezoelektrischen Aktuator wirkverbundenen ersten Kolbens 5, die eine von der Hydraulikkammer 7 entsprechend dem Durchmesserverhältnis des Durchmessers des ersten Kolbens 5 und des zweiten Kolbens 6 übersetzte axiale Verstellung des zweiten Kolbens 6 bewirkt. Die resultierende axiale Verschiebung bzw. Verstellung des zweiten Kolbens 6 führt zu einem Abheben des Ventilschließgliedes 9 von dem Ventilsitz 11.
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Der Steuerkolben 26 wird gleichzeitig mit der Reduktion des Druckes des Zwischendruckbereiches 13 aufgrund des anliegenden Rail-Drucks von seiner in den 1 und 2 dargestellten ersten Endstellung, in welcher der Steuerkolben 26 an dem dritten Ventilsitz 35 anliegt, in seine zweite Endstellung, in welcher er mit einem Durchmesser D5 der Steuerkante 40 an dem Ventilgehäuse 4 dichtend anliegt, verschoben.
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Mit zunehmender Öffnungszeit des Ventils 1 bzw. während der Einspritzung baut sich in dem Steuerraum 42, welcher von dem Steuerkolben 26 und dem Ventilgehäuse 4 begrenzt ist, über den Kanal 32 ein Druck auf, der ab einem bestimmten Druckwert den Steuerkolben 26 in Richtung des dritten Ventilsitzes 35 verstellt, da der Durchmesser D5 größer als der Durchmesser D6 ist. Bei geoffnetem Schaltventil 10 wird der Druck des Steuerraumes 42 schnell wieder abgebaut, so daß der Steuerkolben 26 wiederum in seine zweite Endstellung, bei der die Verbindung zwischen dem Hochdruckbereich 24 und dem Zwischendruckbereich 13 bzw. dem Ventilsteuerraum 2 geschlossen ist, verstellt wird.
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Zum Schließen des Kraftstoffeinspritzventiles 1 bzw. der Ausspritzöffnungen 22 wird das Schaltventil 10 wieder geschlossen, wobei die Bestromung des piezoelektrischen Aktuators unterbrochen wird. Dabei bildet sich die Längung der piezoelektrischen Keramik wieder zurück und das Ventilschließglied 9 wird aufgrund einer Federkraft einer weiteren Feder 47 und dem Druck in dem Ventilraum 14 gegen den Ventilsitz 11 gedrückt.
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Gleichzeitig führt ein Druckaufbau in dem Steuerraum 42 bei Anlage der Steuerkante 40 des Steuerkolbens 26 an dem Ventilgehäuse 4 ab einem bestimmten Druckwert in dem Steuerraum 42 zu einem Abheben des Steuerkolbens 26 von dem Ventilgehäuse 4 in Richtung des dritten Ventilsitzes 35. Bis zu dem Zeitpunkt, in welchem der Steuerkolben 26 seine erste Endlage an dem dritten Ventilsitz 35 erreicht, strömt über die Zulaufdrossel 34 und den Kanal 32 unter hohem Druck zugeführter Kraftstoff in Richtung des Zwischendruckbereiches 13. Dabei wird ein Druck des Zwischendruckbereiches 13 sowie der Steuerdruck des Ventilsteuerraumes 2 derart erhöht, daß die Düsennadel 19 dichtend an dem zweiten Ventilsitz 20 anliegt und die Ausspritzöffnungen 22 verschließt.
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Anschließend wird der Druck in dem Zwischendruckbereich 13 und somit auch in dem Ventilsteuerraum 2 in der vorbeschriebenen Art und Weise uber den ”pendelnd” den Steuerdruck des Ventilsteuerraumes 2 regelnden Steuerkolben 26 auf ein Druckniveau eingestellt, das unterhalb des Rail-Druckniveaus liegt.
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Der Druck des Zwischendruckbereiches 13 baut sich nach dem Erhöhen des Druckniveaus des Zwischendruckbereiches 13 bei Anlage des Steuerkolbens 26 an dem dritten Ventilsitz 35 über die zweite Führung 27B in Richtung des Drosselraumes 28 und über die Verbindungsleitung 29B, die mit der Rücklaufdrossel 21 ausgeführt ist, aufgrund des Leckagestrom letztendlich in Richtung des Niederdruckbereiches 12 ab. Ab einem unteren Druckniveau des Zwischendruckbereiches 13, der zu einem Öffnen des dritten Ventilsitzes 35 führt, wird der Druck des Zwischendruckbereiches 13 in der vorbeschriebenen Art und Weise bis auf das durch das Durchmesserverhältnis zwischen dem Durchmesser D1 und dem Durchmesser D2 des Steuerkolbens 26 und des anstehenden Rail-Drucks definierte Druckniveau angehoben.
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Zusätzlich wird die Hydraulikkammer 7 gemäß der in 2 dargestellten Ausführung des Ventiles 1 im Betrieb über die Befülleitung 45 des Zwischendruckbereiches 13 und uber einen zwischen dem Ventilgehäuse 4 und dem zweiten Kolben 6 ausgebildeten Spalt mit Kraftstoff beaufschlagt und befüllt, so daß die vorbeschriebene Funktionalität der Hydraulikkammer 7 gewährleistet ist.
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Diese Wiederbefüllung der Hydraulikkammer 7 mit dem variablen Systemdruck des Zwischendruckbereiches 13 ausgehend vom Hochdruckbereich 24, bietet vorteilhafterweise die Möglichkeit, das Ventil 1 ohne ein bei aus der Praxis bekannten Kraftstoffeinspritzventilen vorgesehenes Überdruckventil, welches üblicherweise auf einen Druckwert von ca. 30 bar eingestellt ist, auszubilden, da mit der vorgeschlagenen Befüllung ein die Funktionalität des Ventils 1 beeinträchtigender Überdruck in der Hydraulikkammer 7 vermieden wird.
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Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Befüllung der Hydraulikkammer 7 vom Zwischendruckbereich 13 aus ist, daß eine Werkbefüllung der Hydraulikkammer 7, die eine Funktion des Ventils 1 bei einer ersten Inbetriebnahme gewährleisten soll, nicht erforderlich ist.
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Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, daß die Befülleitung 45 hiervon abweichend im Bereich des ersten Kolbens 5 in der Längsbohrung 8 zur Befüllung der Hydraulikkammer 7 über den Zwischendruckbereich 13 mündet.
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Der am Durchmesser D2 des Steuerkolbens 26 bei geschlossenem dritten Ventilsitz 35 auftretende Leckagestrom ausgehend von dem Zwischendruckbereich 13 in Richtung des Drosselraumes 28 kann durch geeignete Auswahl eines Durchmesserverhältnisses zwischen dem Durchmesser D6 des Steuerkolbens 26 im Bereich der ersten Führung 27A und dem Durchmesser D5 der Steuerkante 40 sowie durch eine Optimierung der konvexen Ausgestaltung des ersten Flächenbereiches 38 und der konkaven Ausgestaltung des zweiten Flächenbereiches 39 der zweiten Wirkfläche 37 auf ein Minimum reduziert werden.
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In einer weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsform des Ventiles zum Steuern von Flüssigkeiten nach der Erfindung kann es vorgesehen sein, daß durch eine geeignete Abstimmung der Wirkflächen des Steuerkolbens der Druckeinstelleinrichtung das Rückschlagventil und die Rücklaufdrossel der Verbindungen des Drosselraumes zu dem Niederdruckbereich entfallen können. Der Steuerkolben wird bei einer derartigen geeigneten Abstimmung während einem Schließen der Düsennadel axial in Richtung des dritten Ventilsitzes verschoben, bis die Düsennadel eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht hat.
