EP0941400A1 - Ventil zum steuern von flüssigkeiten - Google Patents

Ventil zum steuern von flüssigkeiten

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EP0941400A1
EP0941400A1 EP98941236A EP98941236A EP0941400A1 EP 0941400 A1 EP0941400 A1 EP 0941400A1 EP 98941236 A EP98941236 A EP 98941236A EP 98941236 A EP98941236 A EP 98941236A EP 0941400 A1 EP0941400 A1 EP 0941400A1
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EP
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pressure
piston
coupling space
valve
low
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EP98941236A
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Rudolf Heinz
Dieter Kienzler
Roger Potschin
Klaus-Peter Schmoll
Friedrich Boecking
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Robert Bosch GmbH
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    • F02M63/02—Fuel-injection apparatus having several injectors fed by a common pumping element, or having several pumping elements feeding a common injector; Fuel-injection apparatus having provisions for cutting-out pumps, pumping elements, or injectors; Fuel-injection apparatus having provisions for variably interconnecting pumping elements and injectors alternatively
    • F02M63/0225—Fuel-injection apparatus having a common rail feeding several injectors ; Means for varying pressure in common rails; Pumps feeding common rails

Definitions

  • the invention relates to a valve for controlling liquids according to the preamble of claim 1.
  • EP 0 477 400 discloses such a valve.
  • the actuating piston of the valve member is arranged so as to be tightly displaceable in a part of a stepped bore that is smaller in diameter, whereas a piston with a larger diameter that is moved with the piezo actuator is arranged in a part of the stepped bore that is larger in diameter.
  • a hydraulic space is clamped between the two pistons, such that when the larger piston is moved by the actuator by a certain distance, the actuating piston of the valve member is moved by a distance increased by the transmission ratio of the stepped bore cross-sectional areas.
  • the valve member, the actuating piston, the piston with the larger diameter and the piezo actuator lie one behind the other on a common axis.
  • a volume which is thus increased leads to a compressibility which reduces the transmission rigidity of the hydraulic column formed by the coupling space.
  • the known device essentially provides for leakage from the coupling space in order to achieve tolerance compensation during the working stroke.
  • it is provided to add stabilizing material to the liquid in the coupling space, which has a compressibility-reducing effect. Rubber parts or metal parts that are added to the liquid are also used for this purpose.
  • the valve according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage over the fact that the coupling space always remains sufficiently filled by coupling fluid can flow in the direction of the coupling space from the adjacent low-pressure spaces in the times that lie between the working strokes of the piezo actuator. A possible change in length of the entire facility is continuously corrected in this way.
  • the coupling space can be refilled or refilled easily via the col- guided tours. This also applies if the piezo actuator, the valve, the enclosed pressure chamber liquid or the housing should change its length, for example when heated, because such a change in length in the coupling chamber is compensated for by leaks.
  • the device works reliably reliably, has a simple structure and ensures a safe and reliable seal.
  • the filling is favored by the increase in volume during the return stroke of the actuator piston together with the piezo actuator and the pressure drop that arises in this way.
  • This pressure drop is advantageously also supported according to claim 3 by a spring loading the actuator piston toward the piezo actuator.
  • the invention is substantially improved in that defined gaps are provided according to claim 4, which are designed with regard to their task for refilling the coupling space. There is a very essential requirement with regard to this dimensioning in the dimensioning rule according to claim 5.
  • the design of the piston actuating the valve and the actuator piston can be designed according to claim 6, according to which only part of the length of the piston determines the criteria defining the connection between the low-pressure chamber and the coupling chamber for refilling, and a remaining part of the piston each provides the length that is required to ensure exact guidance of the pistons.
  • the piston being provided with only a short gap length l w close to the coupling space and according to claim 8, where the liquid from the low-pressure space is unthrottled the pressure medium channel can be brought up very close to the gap l w
  • An essential improvement of the refilling according to the invention results from claim 11 in that a certain pressure which is higher than the ambient pressure is set in the low-pressure rooms. This results in an increase in the pressure gradient favoring the refilling of the coupling space towards the coupling space, this pressure being provided in accordance with patent claim 12.
  • FIG. 1 shows a fuel injector in section
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a piston arrangement on a coupling space with liquid make-up
  • FIG. 3 shows another type of piston
  • FIG. 4 shows a modification of the piston type according to FIG. 3
  • FIG. 5 shows another modification of a Piston type according to FIG. 3
  • FIG. 6 a diagram of the refilling time
  • FIG. 7 a type with three pistons
  • FIG. 8 an injection system with the fuel injection valve according to the invention.
  • the valve according to the invention is used in a fuel injection valve, which is mainly in the
  • This injection valve has a valve housing 1, in which a valve needle 3 is guided in a longitudinal bore 2, which can also be preloaded in the known direction by a closing spring in a known manner (not shown here).
  • the valve needle is provided with a conical sealing surface 4, which cooperates with a seat 6 at the tip 5 of the valve housing projecting into the combustion chamber, from which injection openings lead out into the interior of the injection valve, here the valve needle 3 surrounding it below Connect the fuel pressure-filled annular space 7 to the combustion chamber in order to carry out an injection when the valve needle has lifted from its seat.
  • the annular space is connected to a further pressure space 8, which is constantly connected to a pressure line 10, via which fuel under injection pressure is fed to the fuel injection valve from a high-pressure fuel reservoir 9.
  • This high Kraf material pressure also acts in the pressure chamber 8, and there on a pressure shoulder 11, via which the nozzle needle can be lifted from its valve seat under suitable conditions in a known manner.
  • valve needle At the other end of the valve needle, it is guided in a cylinder bore 12 and includes with its end face 14 a control pressure chamber 15 which is constantly connected via a throttle connection 16 to an annular chamber 17 which, like the pressure chamber 8, is always connected to the high-pressure fuel accumulator stands. Axially from the control pressure chamber 15, a bore having a throttle 19 leads off to a valve seat 20 of a control valve 21. A valve member 22 of the control valve interacts with the valve seat, which in the raised state establishes a connection between the control pressure chamber 15 and a low-pressure chamber 18, which is constantly connected a relief room is connected.
  • a compression spring 24 which loads the valve member 22 in the closing direction and acts on the valve member 22 towards the valve seat 20, so that this connection of the control pressure chamber 15 is closed in the normal position of the control valve. Since the end face of the valve needle 3 is larger in the area of the control pressure chamber. ßer than the area of the pressure shoulder 11, the same fuel pressure in the control pressure chamber, which also prevails in the pressure chamber 8 now holds the valve needle 3 in the closed position. If the valve member 22 is lifted off, however, the pressure is decoupled via the throttle connection 16
  • Control pressure chamber 15 relieved. If the closing force is now missing or reduced, the valve needle 3 opens quickly against the force of a closing spring and, on the other hand, can be brought into the closed position as soon as the valve member 22 comes back into the closed position, since from this point on the throttle connection 16 is the original high fuel pressure then quickly rebuilds in the control pressure chamber 15.
  • the control valve according to the invention has a piston 25 intended for its actuation, which acts on the valve member 22 and can be actuated by a piezo actuator 32 (not shown in detail).
  • the piston 25 is tightly guided in a guide bore 28 arranged in a housing part 26 of the fuel injection valve and limits how the
  • FIG. 2 shows, with its end face 29, a coupling space 30, which on its opposite wall is closed off by a larger diameter piston 65 in a bore 65, which is part of the piezo actuator 32 and which is also arranged in the coupling space 30
  • Spring washer 66 can be non-positively coupled to the piezo actuator 32.
  • the actuator piston can be returned together with the piezo actuator 32 in another suitable manner.
  • Both pistons 25 and 31 are tightly guided in their bores. Due to the different piston surfaces of the two pistons 25 and 31, the coupling space 30 serves as a translator space by translating a design-related small stroke of the piezo actuator piston 31 into a larger stroke of the piston 25 actuating the control valve 21.
  • the piezo actuator 32 When the piezo actuator 32 is excited, the piston 25 is displaced provides that the valve member 22 lifts from its seat 20. This results in a relief of the control pressure chamber 15, which in turn causes the valve needle 3 to open.
  • FIG. 2 shows the coupling space 30 and the two pistons 25 and 31 detached from the valve housing 1.
  • the cylinder bores for the pistons 25 and 31 have gaps 35 and 36 of a width s 1 and s 2 , via which the low-pressure spaces 33 and 18 are connected to the coupling space 30.
  • the length of the gap 35 is denoted by 1 and that of the gap 36 by 1 2 and the diameter of the piston 31 is d and that of the piston 25 is d 2 -
  • the piezo actuator 32 is energized and the actuator piston 31 is subsequently adjusted. This leads to an increase in pressure in the coupling space 30, which in turn results in an adjustment of the piston 25 together with the valve member 22. Because of the different diameters of the pistons, the piston 25 moves further than the actuator piston 31.
  • the pressure increase in the coupling space leads to leakage losses in the coupling space fluid via the leakage gaps between the pistons 25 and 31 and their guidance in the bores.
  • the time in which there is a high pressure in the coupling space for actuating the valve member is short in comparison to the times, the load pauses which lie in between.
  • the coupling space 30 is not pumped empty over the gaps 35 and 36 over time when a high pressure in the coupling space arises during the work of the valve, according to the invention it is possible, in the load pauses, to achieve a rapid refilling of the coupling space 30 in order to compensate for any loss of fluid, even at relatively low pressures in the low-pressure spaces 18 and 33. This is favored by the fact that the actuator piston with the piezo actuator
  • the two pistons 25 and 31 and their guides have to be designed geometrically in a special way in order to achieve an optimal working ability of the arrangement and a repeated production of the filling volume of the coupling space 30.
  • a geometric ratio according to the following equation is to be aimed for as a leak rate characteristic:
  • V Formula From such a ratio, the fastest possible refilling takes place without tolerances, in particular in columns 35 and 36, having a greater influence on the duration of the refilling. It follows from the above relationship that the gap and the piston diameter tend to be large and the initial volume and the length of the sealing gaps are to be chosen small. However, this leak rate characteristic value of> 8 should not be chosen too large, since otherwise the leak rate will become too large and the coupling function, ie the hydraulic rigidity of the coupling space filling volume and thus the stroke, will decrease. In order to keep the stiffness of the coupling space 30 necessary for switching the valve as large as possible, the output volume V 0 of the coupling space must be as small as possible.
  • the gaps 35 and 36 should not be too large and the piston lengths Z and 1 2 should not be too small for the two pistons 25 and 31, and nevertheless the n • d • s 3 “characteristic value > 4, then for the pistons 25 and
  • a piston 37 is shown in FIG. 3, the length dimension 1 of which is interrupted twice by annular grooves 38 and 39 in order to obtain guide parts which are far apart with a short sealing gap length, as a result of which the guide accuracy is increased.
  • the gap lengths lying between the annular groove 39 and 38, the low pressure chamber 18 or 43 and the coupling chamber 30 are shorter than the original total length of the piston. This results in a more favorable geometric ratio for filling according to the above formula for the leakage rate value with very good guidance accuracy.
  • a piston 40 has an annular groove 41 which is arranged close to the coupling space 30 and thus defines a short effective gap length l w there .
  • This short gap length is only included in the result value according to the above formula.
  • the piston part following this effective gap length serves as a necessary guide part, but it has no influence on the value resulting from the above formula. In this way, the favorable value for refilling during the rest periods can be achieved in a simple and safe manner.
  • FIG. 5 shows a piston 42 which, based on the embodiment according to FIG. 4, has a short length
  • the sealing gap length according to the piston 40 is modified in that one or more lateral flats 44 lead away from the annular groove 43, which corresponds to the annular groove 41 in FIG. 4, towards the piston end.
  • the gap width formed by the annular groove 43 and the lateral flats 44 is hydraulically so large that it is ineffective for a sealing function, and the piston part determined by its length only acts as a piston guide and is not included in the result of the leak rate characteristic value.
  • the flattened area 44 is to be regarded as a pressure medium channel through which the annular groove 43 is supplied with pressure medium from the adjacent low-pressure space. However, this flattening can also be realized in a different form, for example also as a bore or another type of channel between the annular groove 43 and the low-pressure space.
  • FIG. 6 shows a diagram which, on the basis of three curves 45, 46 and 47, shows the different duration of the refilling in relation to the duration of the working pressure in the coupling space and at different ambient pressures.
  • a time ratio is plotted on the ordinate, which is determined by the time required to couple the coupling space to a certain pressure, for example 90% of the ambient pressure and the values of the leakage rate parameter, which arise from different parameters and two columns, ie two pistons, the pistons 25 and 31, from the above formula.
  • the leakage rate is ⁇ 4 times, the infinite.
  • the pressure that prevails in the low-pressure chamber is also important. With increasing pressure there is a faster refilling.
  • FIG. 7 shows a design with 3 pistons, namely with the actuator piston 31 already described and with the coupling space 30.
  • a control valve is a control valve
  • the refilling according to the invention can also be used for such a type. It can also be used for devices with more than three pistons.
  • one injection valve 51 is used per engine cylinder, as has already been dealt with on the basis of FIG.
  • the injection valve 51 is on the one hand via a supply line 52 to a high-pressure accumulator 53 and on the other hand via a return line 54 to a low-pressure container 55
  • the injection system also includes a fuel pump 56, a high-pressure pump 57, an overflow valve 58, a pressure control valve 59, a pressure limiter 60, a flow limiter 61 and an electronic control device 62.
  • a pressure-maintaining valve 63 is now inserted into the return line 54, which is led from the injection valve 51 to the container 55 and is set to a pressure of 10 to 20 bar.
  • the return line 54 must then be made correspondingly stable.
  • the two low-pressure chambers 18 and 34 which lie on the two sides of the actuator piston 31 facing away from the coupling chamber 30 and of the piston 25 actuating the valve member 22, are connected to the low pressure, and this low pressure is connected now held by the pressure-maintaining valve 63 at an elevated level of, for example, 10 to 20 bar.
  • a retention valve 63 is particularly recommended if the pressure difference between the pressure in the coupling chamber 30 which has dropped to about 0 bar after the actuator stroke and the ambient pressure of 1 bar until the next injection process of the internal combustion engine (for example 25 ms at an engine speed of 4800 rpm). is not sufficient for refilling the coupling space 30. With the differential pressure increased to 10 to 20 bar, the coupling space 30 can be refilled with certainty in the short time available.
  • the advantage here is that only a single pressure control valve 63 is required per motor.

Abstract

Es wird ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten vorgeschlagen, das zu seiner Betätigung mit einem flüssigkeitsgefüllten Kopplungsraum (30) versehen ist, der zwischen einem Aktorkolben (31) eines Piezoaktors (32) und einem ein Ventilglied betätigenden Kolben (25) angeordnet ist. Zum Ausgleich von Flüssigkeitsverlusten, die der bei jedem Arbeitsspiel kurzzeitig unter hohem Druck stehende Kopplungsraum (30) erleidet, wird die zwischen dem Kopplungsraum (30) und den auf den beiden dem Kopplungsraum (30) abgekehrten Seiten des Aktorkolbens (31) und des das Ventilglied (22) betätigenden Kolbens (25) in Niederdruckräumen (18, 33) bestehende Druckdifferenz beim Rückhub des Aktorkolbens (31) genutzt, um entlang von Spalten (35, 36) ventillos eine Wiederbefüllung zu erreichen. Das Ventil ist zur Anwendung bei Kraftstoffeinspritzeinrichtungen für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen bestimmt.

Description

Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssig- keiten gemäß der Gattung des Patentanspruches 1. Durch die EP 0 477 400 ist ein solches Ventil bekannt. Dort ist der Betätigungskolben des Ventilgliedes in einem im Durchmesser kleineren Teil einer Stufenbohrung dicht verschiebbar angeordnet, wogegen ein im Durchmesser größerer Kolben, der mit dem Piezoaktor bewegt wird, in einem im Durchmesser größeren Teil der Stufenbohrung angeordnet ist. Zwischen den beiden Kolben ist ein hydraulischer Raum eingespannt, derart, daß, wenn der größere Kolben durch den Aktor um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird, der Betätigungskolben des Ventil- gliedes um einen um das Übersetzungsverhältnis der Stufen- bohrungsquerschnittsflachen vergrößerten Weg bewegt wird. Das Ventilglied, der Betätigungskolben, der im Durchmesser größere Kolben und der Piezoaktor liegen auf einer gemeinsamen Achse hintereinander.
Bei solchen Ventilen besteht das Problem, Längenänderungen des Piezoaktors, des Ventils, der eingeschlossenen Druckraumflüssigkeit oder des Ventilgehäuses durch den hydraulischen Kopplungsraum auszugleichen. Da der Piezoaktor zum Öffnen des Ventils im Druckraum einen Druck erzeugt, führt dieser Druck auch zu einem Verlust an Druckraumflüssigkeit. Um ein Leerpumpen des Kopplungsraums zu verhindern, ist eine Wiederbefüllung notwendig. Eine Einrichtungen, die eine solche Wiederbefüllung bewirken soll, ist zwar durch den ein- gangs genannten Stand der Technik bereits bekannt, doch hat diese den Nachteil, daß eine ständig in den beiden möglichen Flußrichtungen offene Verbindung zwischen dem Kopplungsraum und einem geschlossenem, mit einem bestimmten konstanten Volumen ausgestatteten Vorratsbehälter vorgesehen ist, die das Arbeitsverhalten des Piezoaktors wesentlich beeinflußt. Insbesondere führt ein somit vergrößertes Volumen zu einer die Übertragungssteifigkeit der durch den Kopplungsräumes gebildeten hydraulischen Säule reduzierende Kompressibilität. Im wesentlichen sieht die bekannte Vorrichtung aber ein Lecken aus dem Kopplungsraum vor, um beim Arbeitshub einen Toleranzausgleich zu erzielen. Um der damit verbundenen Erhöhung der Kompressibilität zu begegnen, ist vorgesehen, der Flüssigkeit im Kopplungsraum stabilisierendes Material beizufügen, das eine die Kompressiblität verringernde Wirkung hat. Dazu dienen z.B. auch Gummiteile oder Metallteile, die der Flüssigkeit beigegeben werden.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat dem gegenüber den Vorteil, daß der Kopplungsraum immer ausreichend gefüllt bleibt indem Kopplungsflüssigkeit in Richtung Kopplungsraum aus den angrenzenden Niederdruckräumen in den Zeiten nachstrδmen kann, die zwischen den Arbeitshüben des Piezoaktors liegen. Eine eventuell auftretende Längenänderung der Gesamteinrichtung wird so laufend korrigiert. Die Wiederbefüllung oder Nach- füllung des Kopplungsraumes erfolgt problemlos über die Kol- benführungen . Dies gilt auch, wenn der Piezoaktor, das Ventil, die eingeschlossene Druckraumflüssigkeit oder das Gehäuse seine Länge z.B. bei Erwärmung ändern sollte, weil eine solche Längenänderung im Kopplungsraum durch Lecken kom- pensiert wird. Des weiteren ist es von Vorteil, daß die Einrichtung sicher zuverlässig arbeitet, einen einfachen Aufbau hat und eine sichere und zuverlässige Abdichtung gewährleistet ist.
In vorteilhafter Weiterbildung nach Anspruch 2 wird die Be- füllung durch die Volumenvergrößerung beim Rückhub des Aktorkolbens zusammen mit dem Piezoaktor und dem so entstehenden Druckgefälle begünstigt.
Vorteilhaft wird dieses Druckgefälle auch gemäß Patentanspruch 3 durch eine den Aktorkolben zu Piezoaktor hin belastende Feder unterstützt. Wesentlich wird die Erfindung dadurch verbessert, daß gemäß Patentanspruch 4 definiert bemessene Spalte vorgesehen sind, die bezüglich ihrer Aufgabe zur Wiederbefüllung des Kopplungsraumes ausgelegt sind. Dabei besteht eine sehr wesentliche Forderung bezüglich dieser Bemessung in der Bemessungsregel nach Patentanspruch 5.
Auf dieser Basis kann die Auslegung der Konstruktion des das Ventil betätigenden Kolbens und des Aktorkolbens gemäß Patentanspruch 6 erfolgen, gemäß der nur ein Teil der Länge der Kolben die die Verbindung zwischen den Niederdruckraum und dem Kopplungsraum zwecks Wiederbefüllung festlegenden Kriterien bestimmt und ein restlicher Teil des Kolbens je- weils die Länge bereitstellt, die erforderlich ist, um eine exakte Führung der Kolben zu gewährleisten. Dies erfährt gemäß Patentanspruch 7 noch eine weitere Verbesserung, wobei den Kolben nur noch eine kurze, dem Kopplungsraum nahe Spaltlänge lw vorgesehen wird und gemäß Patentanspruch 8, wo die Flüssigkeit aus dem Niederdruckraum ungedrosselt über den Druckmittelkanal bis ganz nahe an den Spalt lw herangeführt werden kann
Einen wesentliche Verbesserung des erfindungsgemäßen Wieder- auffüllens ergibt sich nach Patentanspruch 11, indem in den Niederdruckräumen ein gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhter bestimmter Druck eingestellte wird. Das ergibt eine Erhöhung des die Wiederauffüllung des Kopplungsraumes begünstigenden Druckgefälles zum Kopplungsraum hin, wobei dieser Druck ge- maß Patentanspruch 12 bereitgestellt wird.
Zeichnung
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 ein Kraftstoffeinspritz- ventil im Schnitt, Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kolbenanordnung an einem Kopplungsraum mit Flüssigkeitsnachspeisung, Figur 3 eine andere Bauart eines Kolbens, Figur 4 eine Abwandlung der Kolbenbauart nach der Figur 3, Figur 5 eine weitere Abwandlung einer Kolbenbauart nach der Figur 3, Figur 6 ein Diagramm über den Zeitablauf der Wiederbefüllung, Figur 7 eine Bauart mit drei Kolben und Figur 8 eine Einspritzanlage mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoff- einspritzventil .
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Das erfindungsgemäße Ventil findet Anwendung bei einem Kraftstoffeinspritzventil, das in wesentlichen Teilen im
Schnitt in der Figur 1 wiedergegeben ist. Dieses Einspritzventil weist ein Ventilgehäuse 1 auf, in dem in einer Längsbohrung 2 eine Ventilnadel 3 geführt ist, die auch in hier nicht weiter gezeigter, bekannter Weise durch eine Schließ- feder in Schließrichtung vorbelastet sein kann. An ihrem ei- nen Ende ist die Ventilnadel mit einer kegelförmigen Dichtfläche 4 versehen, die an der in den Brennraum ragenden Spitze 5 des Ventilgehäuses mit einem Sitz 6 zusammen wirkt, von dem aus Einspritzöffnungen abführen, die in das Innere des Einspritzventils, hier den die Ventilnadel 3 umgebenden unter Einspritzdruck stehenden Kraftstoff gefüllten Ringraum 7 mit dem Brennraum verbinden, um so eine Einspritzung zu vollziehen, wenn die Ventilnadel von ihrem Sitz abgehoben hat. Der Ringraum ist mit einem weiteren Druckraum 8 verbun- den, der ständig in Verbindung mit einer Druckleitung 10 steht, über die dem Kraftstoffeinspritzventil von einem Kraftstoffhochdruckspeicher 9 Kraftstoff unter Einspritzdruck zugeführt wird. Dieser hohe Kraf stoffdruck wirkt auch in den Druckraum 8, und dort auf eine Druckschulter 11, über die in bekannter Weise die Düsennadel bei geeigneten Bedingungen von ihrem Ventilsitz abgehoben werden kann.
Am anderen Ende der Ventilnadel ist diese in einer Zylinderbohrung 12 geführt und schließt dort mit ihrer Stirnseite 14 einen Steuerdruckraum 15 ein, der über eine Drosselverbindung 16 ständig mit einem Ringraum 17 verbunden ist, der, wie auch der Druckraum 8 immer mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher in Verbindung steht. Axial führt von Steuerdruckraum 15 eine eine Drossel 19 aufweisende Bohrung ab zu einem Ventilsitz 20 eines Steuerventils 21. Mit dem Ventilsitz wirkt ein Ventilglied 22 des Steuerventils zusammen, das in abgehobenem Zustand eine Verbindung zwischen dem Steuerdruckraum 15 und einem Niederdruckraum 18 herstellt, der ständig mit einem Entlastungsraum verbunden ist. In dem Nie- derdruckraum 18 ist eine das Ventilglied 22 in Schließrichtung belastende Druckfeder 24 angeordnet, die das Ventilglied 22 auf den Ventilsitz 20 hin beaufschlagt, so daß in Normalstellung des Steuerventils diese Verbindung des Steuerdruckraumes 15 verschlossen ist. Da die stirnseitige Flä- ehe der Ventilnadel 3 im Bereich des Steuerdruckraumes grö- ßer ist als die Fläche der Druckschulter 11, hält derselbe Kraftstoffdruck im Steuerdruckraum, der auch in dem Druckraum 8 vorherrscht nun die Ventilnadel 3 in geschlossener Stellung. Ist das Ventilglied 22 jedoch abgehoben, so wird der Druck im über die Drosselverbindung 16 abgekoppelten
Steuerdruckraum 15 entlastet. Bei der nun fehlenden oder reduzierten Schließkraft öffnet die Ventilnadel 3 ggfs. entgegen der Kraft einer Schließfeder schnell und kann andererseits sobald das Ventilglied 22 wieder in Schließstellung kommt, in Schließstellung gebracht werden, da sich von diesem Zeitpunkt an über die Drosselverbindung 16 der ursprüngliche hohe Kraftstoffdruck im Steuerdruckraum 15 dann schnell wieder aufbaut.
Das erfindungsgemäße Steuerventil weist einen zu seiner Betätigung bestimmten Kolben 25 auf, der auf das Ventilglied 22 wirkt und durch einen nicht näher dargstellten Piezoaktor 32 betätigbar ist. Der Kolben 25 ist in einer in einem Gehäuseteil 26 des Kraftstoffeinspritzventils angeordneten Führungsbohrung 28 dicht geführt und begrenzt , wie man der
Figur 2 entnimmt, mit seiner Stirnfläche 29 einen Kopplungs- raum 30, der auf seiner gegenüberliegenden Wand von einem in einer Bohrung 65 Aktorkolben 31 größeren Durchmessers abgeschlossen ist, der Teil des Piezoaktors 32 ist und der zu- sätzlich auch durch eine im Kopplungsraum 30 angeordente Federscheibe 66 mit dem Piezoaktor 32 kraftschlüssig gekopp- pelt werden kann. Die Rückführung des Aktorkolbens zusammen mit dem Piezoaktor 32 kann auch in anderer geeigneter Weise erfolgen. Beide Kolben 25 und 31 sind in ihren Bohrungen dicht geführt. Der Kopplungsraum 30 dient aufgrund der unterschiedlichen Kolbenflächen der beiden Kolben 25 und 31 als Übersetzerraum, indem er einen konstruktionsbedingten kleinen Hub des Piezoaktorkolbens 31 in einen größeren Hub des das Steuerventil 21 betätigenden Kolbens 25 übersetzt. Bei Erregung des Piezoaktors 32 wird der Kolben 25 so ver- stellt, daß das Ventilglied 22 von seinem Sitz 20 abhebt. Das hat eine Entlastung des Steuerdruckraumes 15 zur Folge, was wiederum das Öffnen der Ventilnadel 3 bewirkt.
In der Figur 2 sind der Kopplungsraum 30 und die beiden Kolben 25 und 31 losgelöst vom Ventilgehäuse 1, dargestellt. Es sind in dem Gehäuseteil 26 der Niederdruckräume 18 auf de Seite des Kolbens 25 und ein Niederdruckraum 33 auf der dem Kopplungsraum 30 abgekehrten Seite des Kolbens 31 vorgesehen. Die Zylinderbohrungen für die Kolben 25 und 31 weisen Spalte 35 und 36 von einer Breite s1 und s2 auf, über welche die Niederdruckräume 33 und 18 mit dem Kopplungsraum 30 in Verbindung stehen. Die Länge des Spaltes 35 ist mit l und die des Spaltes 36 mit 12 bezeichnet und der Durchmesser des Kolbens 31 ist d und der des Kolbens 25 ist d2 -
Zur Betätigung des Ventilglieds 22 wird der Piezoaktor 32 erregt und in der Folge der Aktorkolben 31 verstellt. Dies führt zu einer Druckerhöhung im Kopplungsraum 30, die wiederum in einer Verstellung des Kolbens 25 zusammen mit dem Ventilglied 22 resultiert. Wegen der unterschiedliche Durchmesser der Kolben, bewegt sich dabei der Kolben 25 weiter als der Aktorkolben 31. Die Druckerhöhung im Kopplungsraum führt zu Leckverlusten von Koppelraumflüsssigkeit über die Leckspalte zwischen den Kolben 25 und 31 und ihrer Führung in den Bohrungen. Die Zeit in der zur Betätigung des Ventilglieds ein hoher Druck im Kopplungsraum herrscht sind jedoch kurz im Vergleich zu den Zeiten, den Belastungspausen, die dazwischen liegen.
Damit der Kopplungsraum 30 bei einer bei der Arbeit des Ventils entstehenden hohem Druck im Kopplungsraum im Laufe der Zeit nicht über die Spalte 35 und 36 leergepumpt wird, wird es gemäß der Erfindung ermöglicht, in den Belastungspausen, auch bei verhältnismäßig niedrigen Drücken in den Niederdruckräumen 18 und 33 eine schnelle Wiederbefüllung des Kopplungsraumes 30 zum Ausgleichen eines entstandenen Flüssigkeitsverlustes zu erreichen. Dies wird dadurch begün- stigt, daß der Aktorkolben sich mit dem Piezoaktor bei
Nichterregung zurückbewegt. Vorteilhaft wird dies dadurch unterstützt, wenn der Aktorkolben zum Piezoaktor hin von einer Rückstellkraft beaufschlagt wird, die vorzugsweise durch die sich im Kopplungsraum abstützenden Feder 57 bereitge- stellt wird.
Es müssen zu dieser Wiederauffüllung die beiden Kolben 25 und 31 und ihre Führungen auf besondere Weise geometrisch ausgelegt werden, um eine optimale Arbeitsfähigkeit der An- ordnungund ein immer wieder Herstellen des Füllvolumens des Kopplungsraumes 30 zu erzielen. Anzustreben ist ein geometrisches Verhältnis nach der folgenden Gleichung als Leckratenkennwert :
worin d = mittlerer Kolbendurchmesser in mm s = Spaltgröße in μm 1 = Dichtspaltlänge in mm, n = die Anzahl der Dichtspalte bzw. Kolben und V0 = das Ausgangsvolumen des
Kopplungsräumes in mm3 sind,
besser noch ein Verhältnis:
3 n ■ d • s3
>8
V». Ab einem solchen Verhältnis ist eine schnellst mögliche Wiederbefüllung gegeben, ohne daß Toleranzen, insbesondere in den Spalten 35 und 36 einen größeren Einfluß auf die Dauer der Wiederbefüllung haben. Aus dem obigen Verhältnis folgt, daß die Spalte und der Kolbendurchmesser tendentiell groß und das Ausgangsvolumen und die Dichtspaltenlänge klein zu wählen sind. Dieser Leckratenkennwert von > 8 sollte aber nicht zu groß gewählt werden, da sonst die Leckrate zu groß wird und die Kopplungsfunktion, d.h. die hydraulische Stei- figkeit des Kopplungsraumfüllvolumens und damit der Hub sinkt. Um die für das Schalten des Ventils notwendige Stei- figkeit des Kopplungsraumes 30 so groß wie möglich zu halten, muß das Ausgangsvolumen V0 des Kopplungsräumes so klein wie möglich sein.
Soll aus Gründen der Führungsgenauigkeit und der damit konstant zu haltenden Spaltgeometrie bei den beiden Kolben 25 und 31 die Spalte 35 und 36 nicht zu groß und die Kolbenlängen Z und 12 nicht zu klein gewählt werden und trotzdem der n • d • s3 „ Kennwert > 4 sein, dann können für die Kolben 25 und
31 Bauarten verwendet werden, wie sie in den Figuren 3, 4 und 5 dargestellt sind und bei denen die hydraulisch wirksame Dichtspaltlänge reduziert ist, d.h. auf eine den obigen Kennwert festlegende kurze Länge beschränkt wird.
In der Figur 3 ist ein Kolben 37 gezeigt, dessen Längenabmessung 1 zweimal durch Ringnuten 38 und 39 unterbrochen ist, um bei kurzer Dichtspaltlänge weit auseinanderliegende Führungsteile zu bekommen , wodurch die Führungsgenauigkeit erhöht wird. Die zwischen der Ringnut 39 und 38, dem Niederdruckraum 18 bzw. 43 und dem Kopplungsraum 30 liegenden Spaltlängen sind kürzer als die ursprüngliche Gesamtlänge des Kolbens. Das ergibt ein für die Befüllung günstigeres geometrisches Verhältnis nach der oben stehender Formel für den Leckratenkennwert bei sehr guter Führungsgenauigkeit.
Bei der Bauart nach der Figur 4 hat ein Kolben 40 eine Ringnut 41, die nahe am Kopplungsraum 30 angeordnet ist und somit dort eine kurze wirksame Spaltlänge lw definiert. Diese kurze Spaltlänge geht allein in den Ergebniswert nach obenstehender Formel ein. Der dieser wirksamen Spaltlänge folgende Kolbenteil, dient als notwendiger Führungsteil, der aber auf den sich aus obiger Formel ergebenden Wert keinen Einfluß hat. Auf diese Weise kann der günstige Wert für die Wiederbefüllung in den Belastungspausen in einfacher und sicherer Weise erzielt werden.
Schließlich ist in der Figur 5 ein Kolben 42 dargestellt, der ausgehend von der Ausführung nach Figur 4 mit kurzer
Dichtspaltlänge gemäß dem Kolben 40 dadurch modifiziert ist, daß hier von der Ringnut 43, die der Ringnut 41 von Figur 4 entspricht, eine oder mehrere seitliche Abflachungen 44 zum Kolbenende hin abführen. Bei einer solchen Bauart ist die sehr kurze Spaltlänge lw erreicht, die die obige Forderung erfüllt und trotzdem ist die Führung des Kolbens 42 verhältnismäßig lang und damit genau. Die durch die Ringnut 43 und die seitliche Abflachungen 44 gebildete Spaltenbreite ist hydraulisch so groß, daß sie für eine Dichtfunktion unwirk- sam ist, und der durch ihre Länge bestimmte Kolbenteil nur als Kolbenführung wirkt und nicht in das Ergebnis des Leckratenkennwertes eingeht. Die Abflachung 44 ist als Druckmittelkanal anzusehen, durch den die Ringnut 43 vom angrenzendem Niederdruckraum mit Druckmittel versorgt wird. Diese Ab- flachung kann aber auch in anderer Form verwirklicht werden, z.B. auch als Bohrung oder eine andere Art von Kanal zwischen Ringnut 43 und Niederdruckraum.
Die Figur 6 zeigt ein Diagramm, das anhand von drei Kurven 45, 46 und 47 die unterschiedliche Dauer der Wiederbefüllung im Verhältnis zur Zeitdauer des Anstehens des Arbeitsdruckes im Kopplungsraum und bei verschiedenen Umgebungsdrücken erkennen läßt. Auf der Ordinate ist ein Zeitverhältnis aufgetragen , das von der Zeit bestimmt ist, die erforderlich ist, den Kopplungsraum auf einen bestimmten Druck, z.B. 90% des Umgebungsdruckes wieder aufzufüllen und auf der Abszisse aufsteigend die Werte der Leckratenkenngröße, die sich bei unterschiedlichen Parametern und zwei Spalten, d.h. zwei Kolben, den Kolben 25 und 31, aus obiger Formel ergeben. Es ist zu erkennen, daß die Wiederbefüllung bei großen Spalten, d.h. mit größer werden der sich aus obiger Formel ergebenden Werten schneller und günstiger abläuft. Umgekehrt ergeben sich, bei Leckratenkennwerten < 4 Zeiten die in Unendliche gehen. Wesentlich geht dabei auch der Druck ein, der im Nie- derdruckraum herrscht. Mit zunehmendem Druck ergibt sich ein schnellere Wiederbefüllung.
In der Figur 7 ist eine Bauart mit 3 Kolben dargestellt und zwar mit dem bereits beschriebenen Aktorkolben 31 und mit dem Kopplungsraum 30. Hier ist jedoch ein das Steuerventil
21 betätigender Kolben als Stufenkolben ausgebildet, der mit zwei Kolben 49 und 50 versehen ist. Demzufolge gibt es hier insgesamt 3 Spalten, über die Flüssigkeit aus dem Kopplungsraum austreten kann und über die der Kopplungsräum 30 wie- derbefüllt werden muß. Auch für eine solche Bauart ist die erfindungsgemäße Wiederbefüllung anwendbar. Sie ist darüber hinaus auch für Einrichtungen mit mehr als drei Kolben brauchbar .
Bei einer Einspritz-Anlage, wie sie vereinfacht in der Figur 8 abgebildet ist, ist pro Motorzylinder eine Einspritzventil 51 verwendet, wie es anhand der Figur 1 bereits abgehandelt wurde. Das Einspritzventil 51 ist einerseits über eine Zuleitung 52 an einen Hochdruckspeicher 53 und andererseits über eine Rückleitung 54 an einen Niederdruckbehälter 55
(Tank) angeschlossen. Außerdem gehören zur Einspritz-Anlage eine Kraftstoffpumpe 56, eine Hochdruckpumpe 57, ein Überströmventil 58, ein Druckregelventil 59, ein Druckbegrenzer 60, ein Durchflußbegrenzer 61 und ein elektronisches Steuer- gerät 62. Gemäß der Erfindung ist nun in die Rückleitung 54, die vom Einspritzventil 51 zum Behälter 55 geführt ist, ein Druckhalteventil 63 eingesetzt, das auf einen Druck von 10 bis 20 bar eingestellt ist. Die Rückleitung 54 muß dann entsprechend stabil ausgebildet werden. Im Einspritzventil 51 sind, wie bereits beschrieben, die beiden Niederdruckräume 18 und 34, die auf den beiden auf den Kopplungsraum 30 abgekehrten Seiten des Aktorkolbens 31 und des das Ventilglied 22 betä- tigenden Kolbens 25 liegen, an den Niederdruck angeschlossen, und dieser Niederdruck wird nun durch das Druckhalteventil 63 auf einem erhöhtem Niveau von z.B. 10 bis 20 bar gehalten.
Eine solche Maßnahme bewirkt dann eine schnelle Wiederbefüllung des Kopplungsräumes 30 über die Spalte 35 und 36 (vgl. Figur 2) nach der Gleichung π ■ d • s
Q = — (PO-Pkopp)
12- η • 1
worin Q die Durchflußmenge, d der Kolbendurchmesser, s das Spaltmaß und η die dynamische Viskosität und 1 die Leck- spaltlänge sind.
Die Verwendung eines Rückhalteventils 63 ist insbesondere dann empfehlenswert, wenn die Druckdifferenz zwischen dem nach dem Aktorhub auf etwa 0 bar gefallenen Druck im Kopplungsraum 30 und dem Umgebungsdruck von 1 bar bis zum nächsten Einspritzvorgang des Verbrennungsmotors (z.B. 25 ms bei einer Motordrehzahl von 4800 Umin) zu einer Wiederbefüllung des Kopplungsräumes 30 nicht ausreicht. Mit dem auf 10 bis 20 bar erhöhten Differenzdruck läßt sich der Kopplungsraum 30 in dem zur Verfügung stehenden kurzen Zeitraum mit Sicherheit wieder befüllen. Vorteilhaft dabei ist, daß pro Motor nur ein einziges Druckhalteventil 63 benötigt wird.

Claims

Ansprüche
1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Ventilglied (22), das gegen die Kraft einer Feder (24) vorzugsweise in Öffnungsrichtung durch einen Kolben (25) betätigbar ist der mit seiner Stirnseite einen hydraulischen Kopplungsraum (30) als bewegliche Wand abschließt, welcher Kopplungs- räum andererseits von der Stirnseite eines einen größeren Durchmesser als der des Kolbens (25) aufweisenden Aktorkolbens (31) begrenzt wird, der Teil eines Piezoaktors (32) ist, durch dessen Arbeitshub eine Druckerhöhung im Kopplungsraum (30) erzeugbar ist, durch die der Kolben (25) ge- gen die Kraft der Druckfeder (24) verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf den beiden dem Kopplungsraum (30) abgekehrten Seiten des Aktorkolbens (31) und des das Ventilglied (22) betätigenden Kolbens (15) je ein Niederdruckraum (18 bzw. 33) vorgesehen ist, in dem Lecköldruck herrscht und ein zwischen den Außenumfang von Kolben (25) und Aktorkolben (31) und jeweils der diese Kolben führenden Bohrungen (28, 65) liegender Spalt (35, 36) so bemessen ist, daß der Kopplungraum (30) dann, wenn in diesem keine Druckerhöhung vorhanden ist, aus den Niederdruckräumen über diesen Spalt wie- der aufgefüllt wird zum Ausgleich von während der Druckerhδ- hungszeiten, auftretenden Leckverlusten über diesen Spalt in die Niederdruckräume hinein, wobei die Zeiten, die die zwischen dem Auftreten der Druckerhöhungen liegen, kürzer sind als die Zeiten, in denen die Druckerhöhungen auftreten.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leckverlust im Kopplungsraum (30) durch eine Volumenvergrößerung der Kopplungsraumes durch einen Rückhub des Aktorkolbens (31) auftretende Druckgefälle zwischen dem Kopp- lungsraum (30) und den Niederdruckräumen (18, 33) ausgleichbar ist.
3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktorkolben (31) durch eine Rückstellfeder (66) mit dem Piezoaktor (32) für seinen Rückhub gekoppelt ist
4. Ventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederfüllung des Kopplungsraumes (30) über die Spalte (35, 36) entlang einer definierten Länge lλ und 12 der Dichtspalten der Kolben (25, 31) ventillos durchgeführt ist, wobei die Spalte so bemessen sind, daß ein Wiederfüllen des Kopplungsraumes immer innerhalb der Zeiten zwischen den einzelnen Arbeitshüben des Piezoaktors (32) ermöglicht ist.
5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Länge und die Breite der Spalten bezogen auf das vom
Kopplungsraum beanspruchte größte Volumen in den Zeiten, in denen keine Druckerhöhungen vorliegen, für ein Wiederbefül- len folgendes geometrisches Verhältnis eingehalten wird: n ■ d • s3 Λ > 4 , vorzugweise > 8 wobei V0 das Volumen des Kopplungsraumes (30) in mm3, n die
Zahl der Spalten ist, die vom Kopplungsraum (30) abführen, s die Breite der Spalte in μm, 1 die Länge der Spalte in mm und d der mittelere Durchmesser der Kolben in mm ist.
6. Ventil nach Ansprüche 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (25) zur Betätigung des Ventilgliedes (22) und/oder der Aktorkolben (31) in der Länge ihrer Führung in der Boh- rung (28) bzw. der Bohrung (65) durch wenigstens eine Ringnut ( 38, 39, 41, 43) unterteilt ist
7. Ventil nach Ansprüche 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kopplungraum (30) und der wenigsten einen Ringnut (41, 43) eine kurze Spaltlänge lw definiert ist, die das geometrische Verhältnis erfüllt und die jenseits der wenigstens einen Ringnut (41, 43) liegenden Teile des Kolbens als der Führung dienende Teile (40, 42) ausgebildet sind.
8. Ventil nach Ansprüche 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der wenigstens einen Ringnut (43) und der dem Niederdruckraum (18, 34) zugewandten Seite des Kolbens (42) ein Druckmittelkanal (44) vorgesehen ist, durch den die Ringnut ungedrosselt mit Druckflüssigkeit versorgt wird.
9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungsraum (30) vom Aktorkolben (31) und von mehr als einem weiteren Kolben (49, 50) begrenzt ist. (Figur 7)
10. Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Kolben (49, 50) zu einem Stufenkolben (48) zusammengefaßt sind.
11. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in den Niederdruckräumen auf einem bestimmten, gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhten Niveau gehalten wird.
12. Ventil nach Anspruch 11, das in ein Einspritzsystem mit Hochdruckpumpe (57) Hochdruckspeicher (52) und Niederdruck- Behälter (55) eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß auch der an den Niederdruck-Behälter (55) angeschlossene Niederdruckseite, die mit dem Niederdruckräumen (18,33) des Ventils verbunden sind, ein Druckhalteventil (63) in einer Rückleitung (54) eingesetzt ist, das auf einen Druck über 1 bar eingestellt ist. (Figur 8).
13. Ventil nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das der in den Niederdrukraumen (18, 33) wirksame Druck auf 10 bis 20 bar eingestellt ist.
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