DE4412948C2

DE4412948C2 - Elektrohydraulische Absperrvorrichtung

Info

Publication number: DE4412948C2
Application number: DE4412948A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl Phys Kappel; Randolf Dipl Phys Dr Mock; Hans Prof Dipl Phys Meixner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-04-14
Filing date: 1994-04-14
Publication date: 1998-07-23
Anticipated expiration: 2014-04-15
Also published as: US5857662A; EP0755491A1; JP3609092B2; DE4412948A1; JPH09512080A; KR970702459A; WO1995028592A1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrohydraulische Absperrvor richtung nach den Patentansprüchen 1 bzw. 6.

In allen Bereichen der hydraulischen Steuer- und Regelungs technik benötigt man verzögerungsfrei und schnell schaltende Absperr- und Absteuerventile. Mit schnellen Absteuerventilen ließen sich auch die dynamischen Eigenschaften von Kraft stoff-Einspritzanlagen erheblich verbessern sowie deren Aufbau vereinfachen.

Das aus der DE 39 28 315 A1 bekannte Absteuerventil für die Einspritzpumpe einer Brennkraftmaschine besitzt ein von einem elektromagnetischen oder piezoelektrischen Aktor angetriebe nes Ventilschließglied und einen auf der zylindrischen Wan dung des Ventilschließglieds axialbeweglich angeordneten Schieber. Bei Bestromung des Aktors hebt das Schließglied von seinem Dichtsitz ab und gibt den Absteuerauslaß teilweise frei. Gleichzeitig bewegt sich der Schieber unter der Wirkung des von der Kraftstoffpumpe aufgebauten Drucks relativ zum Schließglied sehr schnell nach oben. Da der Kraftstoff nun aus der Druckkammer über Bohrungen in den axialen Kanal des Schließgliedes gelangen und von dort zum Absteuerauslaß strö men kann, vermindert sich der Druck im pumpenseitigen Teil der Anlage schlagartig soweit, daß die Einspritzventile schließen.

Die Voreinspritzmenge und der zeitliche Abstand zwischen Vor- und Haupteinspritzung kann man in konventionellen Diesel-Ein spritzanlagen nur in sehr engen Grenzen variieren. In der DE 37 35 750 A1 wird deshalb vorgeschlagen, die Einspritzung durch ein im Nebenstrom zur Hochdruckleitung der Anlage ange ordnetes Elektromagnetventil zu steuern. Der Öffnungszeit punkt dieses Ventils bestimmt hierbei die Voreinspritzmenge, seine Öffnungsdauer den zeitlichen Abstand zwischen Vor- und Haupteinspritzung. Als Steuerparameter dienen insbesondere die Motorlast, die Motordrehzahl und die Motortemperatur so wie die Temperatur und der Druck der Umgebungsluft.

Das in der DE 29 18 377 A1 beschriebene Ventil für flüssige und gasförmige Medien besteht im wesentlichen aus einem einen Strömungskanal aufweisenden Grundkörper und einem den Querschnitt des Strömungskanal beeinflussenden Stellglied. Als Stellglied dient ein piezoelektrisches Element, das sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung verformt und dadurch den Durchfluß des Mediums sperrt oder freigibt.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer elektrisch ansteu erbaren Absperrvorrichtung, die sehr gute dynamische Eigen schaften aufweist. Außerdem soll die Absperrvorrichtung einen kompakten Aufbau besitzen, betriebssicher arbeiten und inner halb eines großen Temperaturbereichs einsetzbar sein. Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch elektrohydraulische Absperrvorrichtungen gemäß den Patentansprüchen 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung erlaubt den Bau von Absperrventilen, die nahezu verzögerungsfrei auf ein elektrisches Ansteuersignal anspre chen und auch bei hohen Betätigungsfrequenzen f < 1 kHz noch zuverlässig arbeiten. Ihre Verwendung in einer Diesel-Ein spritzanlage ermöglicht die exakte und reproduzierbare Dosie rung auch kleinster Kraftstoffmengen, da die Öffnungs- und Schließzeiten des Absperrventils im Bereich von τ < 0,1 ms liegen. Außerdem gewährleisten die kurzen Absperrzeiten einen definierten Aufbau und Abriß des von der Einspritzdüse er zeugten Kraftstoffstrahls.

Die abhängigen Ansprüche betreffen Ausgestaltungen und Wei terbildungen der im folgenden anhand der Zeichnung erläuter ten Erfindung.

Hierbei zeigt:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer mit einer Absperrvor richtung ausgestatteten Diesel-Einspritzanlage,

Fig. 2 eine Absperrvorrichtung mit einem drehgesichert ein gebauten Druckkolben,

Fig. 3 bis 6 Ausführungsbeispiele für Absperr- bzw. Absteu erventile,

Fig. 7 eine Absperrvorrichtung mit getrennten Druck- und Ar beitszylindern,

Fig. 8 den Arbeitszylinder eines Absperrventils mit einem als Sitzventil ausgeführten Arbeitskolben.

Die in Fig. 1 gezeigte Einspritzanlage besteht aus einer Hochdruckförderpumpe HDP, einer Einspritzdüse ED, einem Ab steuerventil ASV und einer diese Komponenten verbindenden Druckleitung ZL. Das Absteuerventil ASV hat die Aufgabe, den Rückfluß des von der Hochdruckförderpumpe HDP in die Drucklei tung ZL eingespeisten Diesel-Kraftstoffs zu einem nicht dar gestellten Vorratsbehälter schlagartig zu unterbrechen und dadurch den Einspritzvorgang einzuleiten. Als Antriebselement enthält das Absteuerventil ASV einen auf einen hydraulischen Hubtransformator DK/HK wirkenden elektromechanischen Aktor P, den man über eine druckdichte Gehäusedurchführung LD mit den erforderlichen Betriebsspannungen versorgt. Als elektromecha nischer Aktor P kommt insbesondere ein piezoelektrischer Multilayerstack in Betracht, der auch bei moderaten Betriebs spannungen noch vergleichsweise große Primärhübe erzeugt (relative Längenänderung Δl/l ≈ 1 × 10^-3; Antriebskraft F = 10² bis 10⁵N).

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 Aktor P angetriebenen Massen ab. Da die elektrische Kapazität des Piezostacks typischerweise im Bereich von etwa Cp = 1 bis 100 µF liegt und der Innenwider stand der dem Aktor P zugeordneten Spannungsquelle etwa R_i = 1 Ohm beträgt, ergeben sich für die durch τ = Cp × R_i definierte Ladezeitkonstante Werte von etwa τ = 1 bis 100 µs. Die Ansprechzeiten des Piezoaktors 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 Absperrzeiten ermöglicht.

Um die Einspritzung des von der Hochdruckpumpe HDP geförderten Kraft stoffs in einen nicht dargestellten Verbrennungsraum einzu leiten, wird der Aktor P angesteuert und dadurch in axialer Richtung elongiert. Die Längenänderung Δl des Aktors P hat eine entsprechende Verschiebung des in einer zylindrischen Bohrung G1 des Gehäuses VG spielpassend gelagerten Druckkolbens DK nach oben zur Folge, so daß sich in der mit einem Hydrau likmedium gefüllten Kammer KA1 ein Überdruck p₁, in den ebenfalls mit dem Hydraulikmedium gefüllten und durch eine Druckkolbenbohrung B1 strömungstechnisch miteinander verbun denen Kammern KA2 und KA3 ein Unterdruck p_2/3 < p₁ aufbaut. Sobald die der Druckdifferenz Δp = p₁ - p_2/3 proportionalen hydraulischen Kräfte einen von der Steifigkeit und Vorspannung der Spiralfeder SF abhängigen Wert über schreiten, bewegt sich der hantelförmig ausgebildete Hubkolben HK in der zylindrischen Druckkolbenbohrung ZY vom Anschlag A1 weg nach unten, überfährt hierbei die in die ringförmige Absperrkammer KB mündende Druckkolbenbohrung B3 und setzt schließlich am unteren Anschlag A2 auf. Da der Kraft stoff nun nicht mehr über die mit der Druckleitung ZL verbun dene Gehäusebohrung G2, die Druckkolbenbohrung B2 in die vom Hubkolben HK und der Bohrung ZY gebildete Absperrkammer KB strömen und von dort über die Druckkolbenbohrung B3, die Gehäusebohrung G3 und den Ablauf AL in den Vorratsbehälter abfließen kann, baut sich im pumpenseitigen Teil der Anlage schließlich ein so hoher Druck auf, daß die Düsennadel von ihrer Sitzfläche im Düsenkörper abhebt und der Einspritzvorgang beginnt. Die eingespritzte Kraftstoffmenge läßt sich hierbei in einfacher Weise durch die Verschlußdauer der Druckkolbenbohrung B3 steuern.

Beendet wird der Einspritzvorgang durch die elektrische Entladung des sich am Gehäuseboden abstützenden Piezoaktors P. Infolge der damit einhergehenden Kontraktion des Aktors P bewegt sich der Druckkolben DK unter dem Zwang der von einer starken Tellerfeder TF ausgeübten Rückstellkraft wieder nach unten. Unterstützt durch die Spiralfeder SF und die zwischen den Kammern KA1 und KA2/KA3 bestehende Druckdifferenz führt der Hubkolben HK eine gegenläufige Bewegung nach oben aus, gibt die Bohrung B3 wieder frei und der Kraftstoff kann ungehindert in den Vorratsbehälter zurückströmen. Die Freiga be der Druckkolbenbohrung B3 hat im pumpenseitigen Teil der Anlage einen solchen Druckabfall zur Folge, daß sich die Ventilnadel der Einspritzdüse ED wieder auf die Dichtfläche des Düsenkörpers absenkt und die Abspritzöffnung verschließt.

Die transiente Arbeitsweise des Antriebs macht es erforder lich, den Piezoaktor P mechanisch vorzuspannen. Die dazu notwendige Kraft erzeugt die in der Kammer KA1 angeordnete Tellerfeder TF, die auch die Rückführung des Druckkolbens in seine Ruhelage unterstützt. Um den Flüssigkeitsaustausch zwischen dem von der Tellerfeder TF, dem äußeren Bereich der Druckkolbenfläche AD1 und dem Gehäuse VG eingeschlosse nen Volumen und der oberen Hydraulikkammer KA1 nicht zu behindern, ist die Druckkolbenfläche AD1 mit Kanälen SK versehen.

Um eine von der Orientierung des Druckkolbens DK relativ zum Gehäuse VG unabhängige Verbindung der Absperrkammer KB zur Druckleitung ZL bzw. zum Ablauf AL zu gewährleisten, besitzt das Gehäuse VG im Bereich der Druckkolbendichtfläche zwei Ringkanäle RZ und RA. Diese sind in verschiedenen Ebenen derart angeordnet, daß die Gehäusebohrung G2 und die Druck kolbenbohrung B2 in den unteren Ringkanal RZ, die Gehäuseboh rung G3 und die Druckkolbenbohrung B3 in den Ringkanal RA münden.

Die Ringkanäle RA und RZ können entfallen, wenn man den Druckkolben DK beispielsweise mit einer Nase NA versieht, diese in einer vertikalen Nut NT des Gehäuses VG führt und dadurch Kolbendrehungen um die vertikale Achse blockiert, axiale Verschiebungen des Druckkolbens DK dadurch aber nicht behindert (s. Fig. 2). Für die Kraftstoffversorgung der Absperrkammer KB sind daher einfache, den Druckkolbenbohrung B2 und B3 zugeordnete Zulauf- und Ablaufbohrungen G2 und G3 im Gehäuse VG ausreichend.

Das erfindungsgemäße Absteuerventil verwendet einen hydrauli schen Hubtransformator zur Übersetzung des vom Aktor P er zeugten primären Stellwegs Δl. Dies ermöglicht einen kompak ten rotationssymmetrischen Ventilaufbau, große und weitgehend frei wählbare Übersetzungsverhältnisse sowie die Übertragung großer Kräfte auf kleinstem Raum. Aufgrund der kleinen bewegten Massen besitzt das Ventil auch sehr gute dynamische Eigenschaften. Bei Verwendung geeigneter Hydraulikflüssig keiten ist es äußerst betriebssicher und weitgehend wartungs frei. Außerdem ermöglicht der hydraulische Hubtransformator die Integration eines adaptiven Toleranzausgleichs, der das Ventil unanfällig macht gegenüber den durch Temperatur, Druck, Vibrationen usw. hervorgerufenen Drifterscheinungen.

In dem erfindungsgemäßen Absteuerventil treibt der Piezoaktor P zwei gekoppelte hydraulische Hubtransformatoren an, wobei das Übersetzungsverhältnis η1 des oberen Hubtransformators durch

η₁: = (AD1/AH1)
mit AD1: Fläche der Druckkolbenoberseite
AH2: Fläche der Hubkolbenoberseite

gegeben ist. Ändert der in der Kammer KA2 angeordnete Aktor P sein Volumen trotz einer Längenänderung um Δl nicht, berechnet sich das Übersetzungsverhältnis η2 des unteren hydraulischen Hubtransformators in entsprechender Weise zu

η₂: = (AD2/AH2)
mit AD2: Fläche der Druckkolbenunterseite
AH2: Fläche der Hubkolbenunterseite.

Ein in guter Näherung volumeninvariantes Verhalten bei einer Elongation zeigen piezoelektrische, elektrostriktive, magne tostriktive und elektromagnetische Aktoren.

Falls der Aktor P eine der Längenänderung Δl proportionale Volumenänderung ΔV erfährt, kann man ihm die effektiv wirk same Aktorfläche AP: = (ΔV/Δl) zuordnen. In diesem Fall berechnet sich das Übersetzungsverhältnis η2' des unteren Hubtransformators zu

η'₂ = (AD2 - AP)/AH2.

Im Idealfall sollten oberes und unteres Hubübersetzungsver hältnis identisch sein (η1 = η2 = η ), was sich durch eine ent sprechende Auslegung der druckwirksamen Stirnflächen der beiden Kolben DK und HK immer erreichen läßt. So kann man beispielsweise den Druckkolben DK stufig ausführen (AD1 ≠ AD2), um einen Volumeneffekt des Aktors zu kompensieren. Aufgrund der Kompressibilität hydraulischer Medien und der Nachgiebigkeit des Gehäuses VG sowie der Einbauten (Druckkolben DK, Hubkolben HK) ist eine eingeschränkte Funk tion des Antriebs aber auch dann noch gegeben, wenn η1 und η2 nur annähernd übereinstimmen.

Die hydraulische Kopplung der beiden Hubtransformatoren hat zur Folge, daß sich bei jeder Längenänderung des Aktors 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 Temperaturabhängigkeit des Antriebs zu gewährleisten, sind die Hydraulikkammern KA1, KA2, KA3 sowohl untereinander als auch über die zwischen den Kolben DK und HK und den entsprechenden Zylinderbohrungen jeweils vorhandenen Kapillarspalte KS mit einem unter Überdruck stehenden Aus gleichsvolumen AV verbunden. Temperaturbedingte Volumenände rungen der Hydraulikflüssigkeit können daher weder zur Aus bildung statischer Druckdifferenzen zwischen den Kammern KA1 und KA2/KA3 (dies hätte undefinierte Stellungen des Hubkol bens HK zur Folge), noch zur Ausbildung undefinierter Druck zustände im gesamten System führen. Die über die Gehäuseboh rung G1 bewerkstellige Verbindung mit dem Ausgleichsvolumen AV hat außerdem den Vorteil, daß keine die maximale Betäti gungsfrequenz herabsetzende Kavitation in der Hydraulikflüs sigkeit auftritt.

Durch Anpassung der Strömungswiderstände der Kapillarspalte KS an die Viskosität der verwendeten Hydraulikflüssigkeit läßt sich sicherstellen, daß das Ventil im relevanten Arbeit stemperaturbereich mit der durch das Ansteuersignal vorgege benen Frequenz und der gewünschten Dauer absperrt. Um einen großen Strömungswiderstand einzustellen, bietet sich bei spielsweise an, die Bohrung G1 im Bereich der Druckkolben dichtfläche vorzusehen (siehe Fig. 7). Sie kann prinzipiell aber auch in jedem anderen Bereich des Gehäuses VG angebracht sein, sofern Strömungswiderstände in Form von Blenden, Spalten, Drosseln, Verengungen SW (vgl. Fig. 1) usw. dafür sorgen, daß zwischen der im Ventilgehäuse VG einge schlossenen und der im Ausgleichsvolumen AV vorhandenen Hydraulikflüssigkeit bzw. zwischen den Flüssigkeiten der einzelnen Kammern KA1, KA2 und KA3 nur vergleichsweise lang same Ausgleichsvorgänge stattfinden können. Ggf. sind die verschiedenen Volumina bzw. Kammern soweit gegeneinander abzudichten, daß man die geforderten Absperrzeiten erreicht und die Temperaturunabhängigkeit des Antriebs weiterhin gewährleistet ist. Eine temperaturabhängige Steuerung der Spaltströmungen ist möglich, wenn man das Gehäuse VG und die Einbauten (Druckkolben DK, Hubkolben HK) aus Materialien mit unterschiedlichen thermischen Volumen- /Längenausdehnungskoeffizienten herstellt. Es kann damit erreicht werden, daß sich die Spaltbreiten mit zunehmender Temperatur verringern, was den Strömungswiderstand ent sprechend erhöht. Temperaturgesteuerte Strömungswiderstände lassen sich selbstverständlich auch als diskrete Bauelemente fertigen und in die entsprechenden Gehäusebohrungen G3 oder Zuleitungen einbauen.

Der in das erfindungsgemäße Absteuerventil eingebaute Antrieb weist eine Reihe von Vorteilen auf. So erlaubt der Antrieb ein symmetrisches kavitationsfreies Schalten mit sehr kurzen Schaltzeiten, äußerst geringen Totzeiten und hohen Betätigungsfrequenzen. Weiterhin zeichnet sich der Antrieb aufgrund seines einfachen und kompakten Aufbaus und des großen Arbeitstemperaturbereichs durch eine hohe Betriebszu verlässigkeit aus. Hierzu trägt auch der Umstand bei, daß der Aktor P hermetisch gekapselt in einer der Kammern KA2 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 elektrischen Anschlüsse L des Aktors P durch ein druckdichtes, elektrisch isolierendes Element LD nach außen führt.

Bisher wurde davon ausgegangen, daß das Hydraulikmedium und das abzusperrende Medium identisch sind. Aufgrund seiner tribologischen Eigenschaften kann man beispielsweise Diesel kraftstoff als Hydraulikmedium verwenden, so daß keine Ab dichtungen im Bereich der Druckkolben- und Hubkolbenlaufflä chen erforderlich sind. Die Funktionen des Druckspeichers AV kann dann ein am Zulauf ZL anliegender Standdruck übernehmen.

Ein solcher Standdruck führt über die verschiedenen Kapillarspalte ebenfalls zu einer Druckvorspannung des Hydraulikmediums, was Kavitation verhindert. Außerdem ermöglicht der dauernd anliegende Standdruck den Ausgleich temperaturbedingter Volumenänderungen des Hydraulikmediums, wodurch die Temperaturunabhängigkeit des Antriebs sichergestellt ist. Für den Fall, daß abzusperrendes und hydraulisches Medium (z. B. Dieselkraftstoff) identisch sind, kann der in Fig. 1 gezeigte Hydrospeicher AV somit entfallen. Durch zusätzliche Abdichtung der Kammern und Bohrungen läßt sich aber die maximale Betätigungsdauer vergrößern, die hydraulische Steifigkeit erhöhen und die über den Zulauf ZL auf das Gehäuse und die Einbauten ausgeübte Druck wirkung vermindern.

Die Fig. 3 und 4 zeigen Absperrventile mit gedichtet in das Gehäuse VG eingebauten Druckkolben DK. Da der Druckkolben DK bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 sich im Gehäuse VG drehen kann, müssen die O-Ringe OR auf dem gesamten Druck kolbenumfang die Hydraulikkammern KA1 und KA2 gegenüber den das abzusperrende Medium führenden Ringkanälen RA und RZ abdichten.

Das in Fig. 4 dargestellte Absperrventil besitzt einen drehgesichert eingebauten Druckkolben (DK). In diesem Fall kann man die Abdichtung mit Hilfe der beiden im Bereich der Zulauf- und Ablaufbohrung G2/G3 des Gehäuses VG angebrachten O-Ringe OR bewerkstelligen. Sind hydraulisches und abzusperr endes Medium nicht identisch, muß durch entsprechende Abdichtungen eine Vermischung der beiden Medien verhindert werden. Dies kann auf die in Fig. 3 und Fig. 4 gezeigte Art der Abdichtung von Druckkolben DK und Bohrungsöffnungen sowie durch zusätzliche Dichtelemente am Hubkolben HK erreicht werden. In diesem Fall muß man für das Hydraulikmedium einen eigenen Hydrospeicher vorsehen.

Der als Ventilschieber dienende Hubkolben HK läßt sich auch zum Öffnen und Verschließen mehrerer in die Absperrkammer KB mün dender Druckkolbenbohrungen B2, B3, B4 verwenden (s. Fig. 5): Eine solche Maßnahme ist dann angebracht, wenn man die durch Druckgradienten beim transienten Öffnen und Schließen des Ventils hervorgerufenen Verlustmechanismen klein halten und die Betriebssicherheit weiter erhöhen will. Die Versor gung der Einspritzdüse ED mit dem Absteuerfluid erfolgt hier über eine als koaxiales Hohlrohr ausgeführte Druckleitung DR. Da der untere zylindrische Teil des Hubkolbens HK die Druck kolbenbohrung B2 bei nicht aktiviertem Aktor P verschließt, strömt die von der Hochdruckpumpe HDP geförderte Flüssigkeit zunächst durch den äußeren Ringkanal RK der Druckleitung DR bis zur Einspritzdüse ED, von dort über das Kernrohr KR, den Zulauf ZL1, die Gehäusebohrung G4 und den Druckkolbenbohrung B4 in die Absperrkammer KB, um schließlich über die Druckkolbenbohrung B3, die Gehäusebohrung G3 und den Ablauf AL in den Vorratsbe hälter zurückzufließen. In dieser Betriebsphase durchspült die Absteuerflüssigkeit das System auf der gesamten Leitungs länge, wodurch Gasblasen und Verunreinigungen effektiv entfernt werden. Mit der Ansteuerung des Aktors P bewegt sich der Hubkolben HK nach unten, versperrt dabei den Ablauf AL und gibt gleichzeitig die Druckkolbenbohrung B2 frei. Die Hochdruckpumpe HDP baut damit in der Absperrkammer KB, den Druckkolbenboh rungen B2 und B4, dem Ringkanal RK und dem Kernrohr KR der Leitung DR den Überdruck gleichzeitig auf, so daß im pumpen seitigen Teil des Systems nur sehr kleine Druckgradienten auftreten.

Bei dem in Fig. 6 dargestellten Absteuerventil ist der die beiden zylindrischen Kopfstücke verbindende Mittelteil des Hubkolbens HK als Sitzventil VT ausgebildet. Im nicht ange steuerten Zustand strömt der von der Hochdruckpumpe HDP geförderte Kraftstoff über den Zulauf ZL, die Gehäusebohrung G2 und die Druckkolbenbohrung B2 in die Absperrkammer KB und von dort über die Druckkolbenbohrung B3, die Gehäusebohrung G3 und den Ablauf AL zurück in den Vorratsbehälter. Um in der Absperrkammer KB und den mit der Einspritzdüse verbundenen Bohrungen B5, G5 und Zuleitungen den erforderlichen Einspritzdruck aufzu bauen, wird der Aktor P angesteuert, der Hubkolben HK dadurch nach unten bewegt, so daß der Ventilteller VT schließlich am Anschlag A2 aufsetzt und den Ablauf AL absperrt. Bei Deakti vierung des Aktors P hebt der Ventilteller VT wieder von dem als Dichtsitz ausgeführten Anschlag A2 ab und der Kraftstoff kann über die Bohrungen B3 und G3 abfließen. Mit der Freigabe des Ablaufs AL fällt auch der in der Absperrkammer KB aufgebaute Überdruck schlagartig unter den für die Kraftstoffein spritzung kritischen Wert ab und die Einspritzdüse ED schließt.

Sehr universelle Einsatzmöglichkeiten für Absperr- bzw. Absteuerventile ergeben sich durch räumliche Trennung der druckerzeugenden Elemente von den die Absperrfunktion wahr nehmenden Komponenten. Wie Fig. 7 zeigt, werden dazu die obere und untere Hydraulikkammer KA1'/KA2' eines den Aktor P, den Kolben DK' und die Tellerfeder TF' enthaltenden Druckzylin ders DZ über Bohrungen DÖ1, DÖ2 und Rohrleitungen L1, L2 mit entsprechenden Bohrungen AÖ1, AÖ2 in den Wandungen eines den hantelförmigen Hubkolben HK' und die Schließfeder SF' aufneh menden Arbeitszylinders AZ verbunden. Da auch bei diesem Ausführungsbeispiel die gekoppelten Hubtransformatoren das selbe Übersetzungsverhältnis η1 = η2 mit η1 = AD1/AH1 und η2 = AD2/AH2 aufweisen, führt jede Längenänderung des Aktors P zu komplementären Drücken in den Kammern KA1' und KA2' und den mit ihnen in Verbindung stehenden Volumina KA4' bzw. KA3' des Arbeitszylinders AZ. Die der Hochdruckpumpe HDP, der Einspritzdüse ED und dem Ablauf AL jeweils zugeordneten Gehäusebohrungen G2', G5', G3' des Arbeitszylinders AZ sind hier wieder derart angebracht, daß die durch eine Elongation des Aktors P bewirkte Verschiebung des Hubkolbens HK' vom Anschlag A1 zum Anschlag A2 lediglich den Rückfluß des Kraftstoffs in den Vorratsbehälter unterbricht.

Die Fig. 8 zeigt einen Arbeitszylinder AZ mit einem als Sitzventil ausgebildeten Hubkolben HK'. Auch bei diesem Aus führungsbeispiel sind die Bohrungen AÖ1 und AÖ2 über Hydrau likleitungen L1 und L2 mit den entsprechenden Gehäusebohrun gen DÖ1, DÖ2 des in Fig. 7 dargestellten Druckzylinders DZ verbunden. Im deaktivierten Zustand fließt der von der Hoch druckpumpe HDP geförderte Kraftstoff über den Zulauf ZL, die Gehäusebohrung G2', die Absperrkammer KB', die Gehäusebohrung G5' und den Ablauf AL in den Vorratsbehälter, so daß sich in der Anlage kein signifikanter Überdruck aufbauen kann. Um in der Absperrkammer KB' und der damit verbundenen Leitung zur Einspritzdüse ED den erforderlichen Einspritzdruck zu erzeugen, wird der Aktor P elongiert. Der Hubkolben HK' bewegt sich daraufhin vom An schlag A1 weg solange nach unten, bis der Ventilteller VT auf den Dichtsitz A2 aufsetzt und den Ablauf AL absperrt. Die Deaktivierung des Aktors P führt zur Freigabe der Ablaufboh rung G5' und damit zu einem schlagartigen Druckabfall in der Absperrkammer KB', was den Einspritzvorgang schließlich beendet.

Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele. So ist die Absperr funktion der in den Fig. 1-4 gezeigten Ventile auch dann gewährleistet, wenn der Hubkolben HK bei einer Elongation des Aktors P sowohl die als Zulauf dienende Druckkolbenbohrung B2 als auch die als Ablauf dienende Druckkolbenbohrung B3 bzw. nur die Druckkolbenbohrung B2 absperrt.

Falls das Hydraulikmedium und das abzusperrende Medium iden tisch sind, kann man, wie oben erläutert, auf den Druckspeicher AV verzichten und die Gehäusebohrung G2 mit einem Druckanschluß der Hochdruckpumpe HDP bzw. mit dem Zulauf ZL verbinden.

Es ist selbstverständlich auch möglich, mehrere der in Fig. 7 und 8 dargestellten Arbeitszylinder AZ mit einem einzigen Druckzylinder DZ anzusteuern.

Claims

1. Elektrohydraulische Absperrvorrichtung mit den folgenden Merkmalen:

a) ein in einem Gehäuse (VG) angeordneter Druckkolben (DK) ist in einer ersten Gehäusebohrung (G1) axialverschiebbar gelagert, wobei
- 1. der Druckkolben (DK) und die erste Gehäusebohrung (G1) eine erste und eine zweite Kammer (KA1, KA2) bilden und
- 2. die beiden Kammern (KA1, KA2) jeweils mit einem Hydraulikmedium gefüllt sind;
b) auf den Druckkolben (DK) wirkt ein in einer ersten oder zweiten Kammer (KA1, KA2) angeordneter Aktor (P), dessen axiale Länge sich steuerbar ändern läßt;
c) ein hantelförmig ausgebildeter Hubkolben (HK) ist in einer Druckkolbenbohrung (ZY) des Druckkolbens (DK) axialverschiebbar angeordnet, wobei
- 1. der Hubkolben (HK) auf ein im Gehäuse (VG) angeordnetes erstes Federelement (SF) wirkt,
- 2. der Hubkolben (HK) und die erste Druckkolbenbohrung (ZY) eine mit dem Hydraulikmedium gefüllte dritte Kammer (KA3) bilden und
- 3. die dritte Kammer (KA3) mit der zweiten Kammer (KA2) in Verbindung steht;
d) der Hubkolben (HK) und die erste Druckkolbenbohrung (ZY) bilden eine Absperrkammer (KB), wobei
- 1. die Absperrkammer (KB) über eine zweite Druckkolben bohrung (B2) mit einer zweiten Gehäusebohrung (G2) und über eine dritte Druckkolbenbohrung (B3) mit einer dritten Gehäusebohrung (G3) verbunden ist und
- 2. die zweite und die dritte Druckkolbenbohrung (B2, B3) derart in die Absperrkammer (KB) münden, daß der Hubkolben (HK) eine der Druckkolbenbohrungen bei einer Längenänderung des Aktors (P) absperrt.

2. Absperrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (VG) im Bereich der Seitenfläche des Druckkolbens (DK) einen ersten und einen zweiten Ringkanal (RZ, RA) aufweist, wobei der erste Ringkanal (RZ) die zweite Druckkolbenbohrung (B2) mit der zweiten Gehäusebohrung (G2) und der zweite Ringkanal (RA) die dritte Druckkolbenbohrung (B3) mit der dritten Gehäusebohrung (G3) verbindet.

3. Absperrvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkolben (DK) drehgesichert im Gehäuse (VG) angeordnet ist.

4. Absperrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine in die Absperrkammer (KB) mündende vierte Druckkolbenbohrung (B4) mit einer vierten Gehäusebohrung (G4) verbunden ist.

5. Absperrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit einer fünften Gehäusebohrung (G5) verbundene fünfte Druckkolbenbohrung (B5) derart in die Absperrkammer (KB) mündet, daß sie bei einer Verschiebung des Hubkolbens (HK) nicht abgesperrt wird.

6. Elektrohydraulische Absperrvorrichtung mit den folgenden Merkmalen:

a) ein in einem ersten Gehäuse (DZ) angeordneter Druckkol ben (DK') ist in einer Bohrung (G1') axialverschiebbar ge lagert, wobei
- 1. der Druckkolben (DK') und die Bohrung (G1') eine erste und eine zweite Kammer (KA1', KA2') bilden und
- 2. die beiden Kammern (KA1', KA2') jeweils mit einem Hydraulikmedium gefüllt sind;
b) auf den Druckkolben (DK') wirkt ein in der ersten oder zweiten Kammer (KA1', KA2') angeordneter Aktor (P), dessen axiale Länge sich steuerbar ändern läßt;
c) ein hantelförmig ausgebildeter Hubkolben (HK') ist in einer Druckkolbenbohrung (ZY') eines zweiten Gehäuses (AZ) axialverschiebbar angeordnet, wobei
- 1. der Hubkolben (HK') und die Druckkolbenbohrung (ZY') eine jeweils mit dem Hydraulikmedium gefüllte dritte und vierte Kammer (KA3', KA4') bilden und
- 2. der Hubkolben (HK') auf ein im zweiten Gehäuse (AZ) angeordnetes erstes Federelement (SF') wirkt;
d) die ersten bis vierten Kammern (KA1' bis KA4') stehen derart miteinander in Verbindung, daß eine axiale Verschiebung des Druckkolbens (DK') eine Verschiebung des Hubkolbens (HK') hervorruft;
e) der Hubkolben (HK') und die Druckkolbenbohrung (ZY') bilden eine Absperrkammer (KB');
f) eine erste und eine zweite Gehäusebohrung (G2', G3') münden derart in die Absperrkammer (KB'), daß der Hubkolben (HK') die erste oder zweite Gehäusebohrung (G2', G3') bei einer Längenänderung des Aktors (P) verschließt.

7. Absperrvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Gehäusebohrung (G5') derart in die Absperr kammer (KB') mündet, daß sie bei einer Verschiebung des Hub kolbens (HK') nicht abgesperrt wird.

8. Absperrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (G1 bzw. G2') oder die zweite Gehäusebohrung (G2 bzw. G3') mit einer Förderpumpe (HDP) verbunden sind.

9. Absperrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5 oder 7-8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite (G2 bzw. G3') und die dritte Gehäusebohrung (G3 bzw. G5') in verschiedenen Ebenen liegen.

10. Absperrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5 oder 7-9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite (G3'), dritte (G5') oder die fünfte Gehäusebohrung (G5) mit einer Einspritzdüse (ED) verbunden sind.

11. Absperrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hubkolben (HK, HK') als Dichtventil (VT, VT') ausgebildet ist.

12. Absperrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (AH1, AH2) des Hubkolbens (HK, HK') jeweils kleiner sind als die entsprechenden Stirnflächen (AD1, AD2) des Druckkolbens (DK, DK').

13. Absperrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Seitenflächen des Druckkolbens (DK bzw. DK') und/oder des Hubkolbens (HK bzw. HK') und der jeweiligen Bohrung (G1, ZY bzw. G1', ZY') ein Kapillarspalt (KS) vorhanden ist.

14. Absperrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch ein auf den Druckkolben (DK bzw. DK') wirkendes zweites Federelement (TF).

15. Absperrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkolben (DK bzw. DK') und/oder der Hubkolben (HK bzw. HK') gedichtet eingebaut sind.

16. Absperrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch einen piezoelektrischen, elektrostriktiven, magnetostriktiven oder elektromagnetischen Aktor (P).

17. Absperrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Kammern (KA1-KA4, KA1'-KA2') mit einem Druckspeicher (AV) verbunden ist.