EP1135593A1 - Ventil zum steuern von flüssigkeiten - Google Patents

Ventil zum steuern von flüssigkeiten

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EP1135593A1
EP1135593A1 EP00974318A EP00974318A EP1135593A1 EP 1135593 A1 EP1135593 A1 EP 1135593A1 EP 00974318 A EP00974318 A EP 00974318A EP 00974318 A EP00974318 A EP 00974318A EP 1135593 A1 EP1135593 A1 EP 1135593A1
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EP
European Patent Office
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valve
pressure
low
chamber
piston
Prior art date
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EP00974318A
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English (en)
French (fr)
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EP1135593B1 (de
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Wolfgang Stoecklein
Dietmar Schmieder
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Application granted granted Critical
Publication of EP1135593B1 publication Critical patent/EP1135593B1/de
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    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
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    • F02M2200/304—Fuel-injection apparatus having mechanical parts, the movement of which is damped using hydraulic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic

Definitions

  • the invention is based on a valve for controlling liquids according to the preamble of claim 1.
  • Such a valve which can be actuated via a piezoelectric actuator, is already known from EP 0 477 400 A1.
  • This known valve has an arrangement for a displacement transformer of the piezoelectric actuator acting in the stroke direction, in which the deflection of the piezoelectric actuator is transmitted via a hydraulic chamber which works as a hydraulic translation or coupling and tolerance compensation element.
  • the hydraulic chamber encloses between two pistons delimiting it, of which one piston is designed with a smaller diameter and is connected to a valve member to be actuated and the other piston, which is designed with a larger diameter and is connected to the piezoelectric actuator common compensation lumen one.
  • the hydraulic chamber is clamped between the two pistons in such a way that the actuating piston of the valve member, which is held in its rest position by means of one or more springs relative to a predetermined position, one by the transmission ratio of the
  • Piston diameter increases stroke when the larger piston is moved by the piezoelectric actuator by a certain distance.
  • the valve member, the pistons and the piezoelectric actuator lie one behind the other on a common axis.
  • Hydraulic chamber tolerances due to temperature gradients in the component or different thermal expansion coefficients of the materials used, as well as possible setting effects can be compensated for without changing the position of the valve member to be controlled.
  • the hydraulic coupler requires a system pressure, which drops due to leakage if there is insufficient refilling with hydraulic fluid.
  • the invention has for its object to provide a valve for controlling liquids with which the leakage losses are limited with increasing pressure in the high pressure range.
  • the valve according to the invention for controlling liquids with the features of claim 1 has the advantage that a throttle bore is used to generate the minimum leak rate from the high pressure area to the low pressure area with system pressure, so that the leakage loss at high pressures in the high pressure area compared to the system pressure supply by a conventional leakage gap or filling pen is reduced many times over.
  • valve for controlling liquids according to the invention is shown in the drawing and is explained in more detail in the following description. Show it
  • Figure 1 is a schematic, partial representation of an embodiment of the invention in a fuel injection valve for internal combustion engines in longitudinal section, and
  • FIG. 2 shows a diagram with a greatly simplified course of a pressure-dependent leakage quantity in a throttle bore according to the invention in comparison with the pressure-dependent leakage quantity in the case of a filler pin.
  • FIG. 1 shows a use of the valve according to the invention in a fuel injection valve 1 for internal combustion engines of motor vehicles.
  • the fuel injection valve 1 is designed here as a common rail injector, the fuel injection being controlled via the pressure level in a valve control chamber 12, which is connected to a high-pressure supply.
  • a valve member 2 is actuated via a piezoelectric actuator 3 designed as a piezoelectric actuator.
  • tric unit controlled which is arranged on the valve control chamber and the combustion chamber remote side of the valve member 2.
  • the piezoelectric actuator 3 is constructed from several layers and has an actuator head 4 on its side facing the valve member 2 and an actuator base 5 on its side facing away from the valve member, which is supported on a wall of a valve body 9.
  • a first piston 7 of the actuator head 4 is located on a support 6
  • Valve member 2 which is designed stepped in diameter.
  • valve member 2 is arranged axially displaceably in a bore 8 of the valve body 9 designed as a longitudinal bore and, in addition to the first piston 7, comprises a second piston 10 actuating a valve closing member 13, the pistons 7 and 10 being coupled to one another by means of a hydraulic transmission.
  • the hydraulic transmission is designed as a hydraulic chamber 11, which transmits the deflection of the piezoelectric actuator 3.
  • the hydraulic chamber 11 encloses a common compensation volume between the two pistons 7 and 10 delimiting it, of which the second piston 10 is designed with a smaller diameter and the first piston 7 with a larger diameter.
  • the hydraulic chamber 11 is clamped between the pistons 7 and 10 in such a way that the second piston 10 of the valve member 2 has a diameter that corresponds to the transmission ratio of the piston. sers increased stroke when the larger first piston 7 is moved by the piezoelectric actuator 3 by a certain distance.
  • the valve member 2, the pistons 7, 10 and the piezoelectric actuator 3 lie one behind the other on a common axis.
  • Tolerances based on temperature gradients in the component or different coefficients of thermal expansion of the materials used and any setting effects can be compensated for via the compensation volume of the hydraulic chamber 11, without a change in the position of the valve closing element 13 to be controlled thereby occurring.
  • the ball-like valve closing member 13 cooperates with valve seats 14, 15 formed on the valve body 9, the valve closing member 13 separating a low pressure region 16 with a system pressure p_sys from a high pressure region 17 with a high pressure or rail pressure p_R.
  • valve seats 14, 15 are formed in a valve low pressure chamber 18 formed by the valve body 9, from which a leakage drain channel 19 and an opening 21 leading to a valve system pressure chamber 20 on the side of the valve member 2 facing the piezoelectric actuator 3 lead away.
  • valve low-pressure chamber 18 has a connection, formed by the lower valve seat 15, to the valve control chamber 12, which is only indicated in FIG. 1 the high pressure area 17.
  • a movable valve control piston which is not shown in the drawing, is arranged in the valve control chamber 12. Axial movements of the valve control piston in the valve control chamber 12, which is connected in the usual way to an injection line, which is connected to a high-pressure storage chamber (common rail) common to several fuel injection valves and supplies an injection nozzle with fuel, improves the injection behavior of the fuel injector.
  • Spray valve 1 controlled in a manner known per se.
  • the valve system pressure chamber 20 adjoins the piezo-side end of the bore 8 and is connected on the one hand by the valve body 9 and on the other hand by a connection to the first piston 7 of the valve member 2 and the valve body 9
  • Sealing element 22 limits, with a leakage line 23 discharging from the valve system pressure chamber 20.
  • the sealing element 22 is designed as a bellows-like membrane and prevents the piezoelectric actuator 3 from coming into contact with the fuel contained in the valve system pressure chamber 20.
  • a compensation of a leakage quantity of the Low pressure area 16 is provided by removing hydraulic fluid from the high pressure area 17.
  • a filling device 26 is used, which is formed with a channel 27 in which a throttle bore 28 is arranged. The channel 27 of the filling device 26 opens out on the
  • channel 27 of the filling device 26 leads to the gap 25 surrounding the second piston 10.
  • the diameter of the throttle bore 28 is designed in such a way that a volume flow from the high-pressure region 17 passing through the throttle bore 28 compensates for the leakage quantity of the low-pressure region 16 at a defined minimum high pressure p_R_min.
  • the throttle bore 28 has a diameter of 50 micrometers.
  • a connection between the channel 27 of the filling device 28 and the valve low-pressure chamber 18 is provided between the throttle bore 28 and the mouth of the channel 27 in the annular gap 29 via a pressure relief valve 30, which is spring-loaded.
  • This pressure relief valve 30 is used for a constant system pressure p_sys in setting the valve system pressure chamber 20, so that 'the system pressure can be kept the same for all connected common rail injectors.
  • the fuel injection valve 1 according to FIG. 1 operates in the manner described below.
  • valve closing member 13 of the valve member 2 is held in contact with the upper valve seat 14 assigned to it by the high pressure or rail pressure p_R in the high pressure region 17, so that no fuel from the memory space to the high pressure ⁇ associated valve control chamber 12 pass into the valve low-pressure chamber 18 and can then escape through the leak drainage channel nineteenth
  • valve closing member 13 ⁇ Upon relief of the valve control chamber 12, the valve closing member 13 ⁇ is held at the upper valve seat 14 by a spring 31st
  • the first piston 7 penetrates into the equalizing volume of the hydraulic chamber 11 as the temperature rises or contracts Temperature ⁇ lowering back from this, without this having an effect on the closing and opening position of the valve member 2 and the fuel valve 1 as a whole.
  • the piezoelectric actuator 3 is energized, as a result of which its axial expansion increases abruptly.
  • valve closing member 13 can be moved into its closed position on the lower valve seat 15, as a result of which fuel can no longer penetrate from the valve control chamber 12 into the valve low-pressure chamber 18. The fuel injection is then ended.
  • the throttle bore 28 Since a certain system pressure p_sys is always required, the throttle bore 28 must be dimensioned such that the provision of the system pressure p_sys is still ensured even at a minimal high pressure p_R_min. On the other hand, ⁇ also increases the leakage into the low pressure area 16 with increasing high or rail pressure p_R. Therefore, the pressure relief valve 30 opens the more, the higher the high pressure p_R fed to the channel 27, in order to maintain the constant system pressure p_sys drain excess Hydraulikflüs ⁇ stechnik or fuel.
  • FIG. 3 shows that the throttle bore 28 has clear advantages over the implementation of filling the low-pressure region 16 with a conventional filler pin.
  • a relatively low high pressure p_R of e.g. 200 bar the leakage through the throttle bore 28 may be greater than the losses from the low pressure area 16, which results in a minimum flow rate Q_min of here 5 liters / hour. results.
  • Throttle bore 28 while simplifying the numerous factors to be considered in addition to the pressure difference to a flow factor A, are described as follows:
  • the equation is linear with respect to the pressure difference.
  • the flow Q_s thus increases linearly at a high rail pressure p_R.

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Description

Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1 aus.
Aus der EP 0 477 400 AI ist ein derartiges Ventil, welches über einen piezoelektrischen Aktor betätigbar ist, bereits bekannt . Dieses bekannte Ventil weist eine Anordnung für einen in Hubrichtung wirkenden Wegtransformator des piezoelektrischen Aktors auf, bei der die Auslenkung des piezoelektrischen Aktors über eine Hydraulikkammer übertragen wird, welche als hydraulische Übersetzung bzw. Kopplung und Toleranzausgleichselement arbeitet.
Die Hydraulikkammer schließt zwischen zwei sie begrenzenden Kolben, von denen ein Kolben mit einem kleineren Durchmesser ausgebildet ist und mit einem anzusteuernden Ventil - glied verbunden ist und der andere Kolben,.mit einem größeren Durchmesser ausgebildet ist und mit "dem piezoelektrischen Aktor verbunden ist, ein gemeinsames Ausgleichsvo- lumen ein. Die Hydraulikkammer ist derart zwischen den beiden Kolben eingespannt, daß der Betätigungskolben des Ventilgliedes, das in seiner Ruhelage mittels einer oder mehrerer Federn relativ zu einer vorgegebenen Position gehalten ist, einen um das Übersetzungsverhältnis des
Kolbendurchmessers vergrößerten Hub macht, wenn der größere Kolben durch den piezoelektrischen Aktor um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird. Das Ventilglied, die Kolben und der piezoelektrische Aktor liegen dabei auf einer gemeinsamen Achse hintereinander. Über das Ausgleichsvolumen der
Hydraulikkammer 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 Ventilgliedes auftritt.
Der hydraulische Koppler benötigt einen Systemdruck, welcher aufgrund von Leckage abfällt, falls keine ausrei- chende Nachfüllung mit Hydraulikflüssigkeit stattfindet.
Aus der Praxis sind bei Common-Rail-Inj ektoren Lösungen bekannt, bei denen der Systemdruck zweckmäßig im Ventil selbst erzeugt wird, wobei ein konstanter Systemdruck auch bei einem Systemstart sichergestellt ist. Hierzu wird Hydraulikflüssigkeit aus einem Hochdruckbereich des zu steuernden Kraftstoffs entnommen und dem Niederdruckbereich mit dem Systemdruck zugeführt. Dies geschieht mit Hilfe von Leckspalten, die durch Leck- bzw. Befüllstάfte dargestellt werden. Wenn jedoch der Druck im Hochdruckbereich ansteigt, nimmt automatisch die Leckrate in den Systembereich zu. Dies führt unter Umständen zu einem nicht zulässigen hohen Leckverlust des Ventils, wobei der Wirkungsgrad des Systems stark abnimmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil zur Steuerung von Flüssigkeiten zu schaffen, mit dem die Leckverluste bei steigendem Druck im Hochdruckbereich begrenzt werden.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil zur Steuerung von Flüssigkeiten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, daß zur Erzeugung der Mindestleckrate von dem Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich mit Systemdruck eine Drosselbohrung benutzt wird, womit der Leckageverlust bei hohen Drücken im Hochdruckbereich gegenüber der System- druckversorgung durch einen herkömmlichen Leckspalt bzw. Befüllstift um ein Vielfaches reduziert wird.
Dabei werden auf einfache Art und Weise die grundlegend unterschiedlichen stömungsphysikalisehen Effekte zwischen der turbulenten Durchströmung einer Drosselbohrung und der laminaren Spaltströmung um einen Befüllstift zur Realisierung der Befüllung des Niederdruckbereiches genutzt.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der
Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar. Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ventils zur Steuerung von Flüssigkeiten ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung bei einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen im Längsschnitt, und
Figur 2 ein Diagramm mit einem stark vereinfachten Verlauf einer druckabhängigen Leckmenge bei einer erfindungsgemäßen Drosselbohrung im Vergleich zu der druckabhängigen Leckmen- ge bei einem Befüllstift.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Das in der Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils bei einem Kraftstoffeinspritzventil 1 für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 ist vorliegend als ein Common-Rail- Injektor ausgebildet, wobei die Kraftstoffeinspritzung über das Druckniveau in einem Ventilsteuerraum 12, welcher mit einer Hochdruckversorgung verbunden ist, gesteuert wird.
Zur Einstellung eines Einspritzbeginns, einer Einspritzdau- er und einer Einspritzmenge über Kräfteverhältnisse in dem Kraftstoffeinspritzventil 1 wird ein Ventilglied 2 über eine als piezoelektrischer Aktor 3 ausgebildete piezoelek- trische Einheit angesteuert, welche auf der ventilsteuer- raum- und brennraumabgewandten Seite des Ventilgliedes 2 angeordnet ist.
Der piezoelektrische Aktor 3 ist aus mehreren Schichten aufgebaut und weist auf seiner dem Ventilglied 2 zugewandten Seite einen Aktorkopf 4 sowie auf seiner dem Ventil - glied abgewandten Seite einen Aktorfuß 5 auf, der sich an einer Wand eines Ventilkorpers 9 abstützt. An dem Aktorkopf 4 liegt über ein Auflager 6 ein erster Kolben 7 des
Ventilgliedes 2 an, welcher in seinem Durchmesser gestuft ausgeführt ist.
Das Ventilglied 2 ist axial verschiebbar in einer als Längsbohrung ausgeführten Bohrung 8 des Ventilkörpers 9 angeordnet und umfaßt neben dem ersten Kolben 7 einen ein Ventilschließglied 13 betätigenden zweiten Kolben 10, wobei die Kolben 7 und 10 mittels einer hydraulischen Übersetzung miteinander gekoppelt sind.
Die hydraulische Übersetzung ist als Hydraulikkammer 11 ausgebildet, die die Auslenkung des piezoelektrischen Aktors 3 überträgt. Die Hydraulikkammer 11 schließt zwischen den beiden sie begrenzenden Kolben 7 und 10, von denen der zweite Kolben 10 mit einem kleineren Durchmesser und der erste Kolben 7 mit einem größeren Durchmesser ausgebildet ist, ein gemeinsames Ausgleichsvolumen ein.
Die Hydraulikkammer 11 ist derart zwischen-den Kolben 7 und 10 eingespannt, daß der zweite Kolben 10 des Ventilgliedes 2 einen um das Übersetzungsverhältnis des Kolbendurchmes- sers vergrößerten Hub macht, wenn der größere erste Kolben 7 durch den piezoelektrischen Aktor 3 um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird. Das Ventilglied 2, die Kolben 7, 10 und der piezoelektrische Aktor 3 liegen dabei auf einer gemeinsamen Achse hintereinander.
Über das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer 11 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 13 auftritt .
An dem ventilsteuerraumseitigen Ende des Ventilgliedes 2 wirkt das kugelartige Ventilschließglied 13 mit an dem Ventilkörper 9 ausgebildeten Ventilsitzen 14, 15 zusammen, wobei das Ventilschließglied 13 einen Niederdruckbereich 16 mit einem Systemdruck p_sys von einem Hochdruckbereich 17 mit einem Hochdruck bzw. Raildruck p_R trennt.
Die Ventilsitze 14, 15 sind in einem von dem Ventilkörper 9 gebildeten Ventilniederdruckraum 18 ausgebildet, von dem ein Leckageablaufkanal 19 und eine zu einem Ventilsystem- druckraum 20 auf der dem piezoelektrischen Aktor 3 zugewandten Seite des Ventilgliedes 2 führende Öffnung 21 abführt .
Darüber hinaus weist der Ventilniederdruckraum 18 eine durch den unteren Ventilsitz 15 gebildete Verbindung zu dem in Figur 1 lediglich angedeuteten Ventilsteuerraum 12 in dem Hochdruckbereich 17 auf. In dem Ventilsteuerraum 12 ist ein bewegbarer Ventilsteuerkolben angeordnet, der in der Zeichnung nicht weiter dargestellt ist. Durch axiale Bewegungen des Ventilsteuerkolbens in dem Ventilsteuerraum 12, der in üblicher Weise mit einer Einspritzleitung verbunden ist, welche mit einem für mehrere Kraftstoffein- spritzventile gemeinsamen Hochdruckspeicherraum (Common- Rail) verbunden ist und eine Einspritzdüse mit Kraftstoff versorgt, wird das Einspritzverhalten des Kraftstoffein- spritzventils 1 auf an sich bekannte Art gesteuert.
Der VentilSystemdruckraum 20 schließt an das piezoseitige Ende der Bohrung 8 an und ist einerseits durch den Ventil - körper 9 und andererseits durch ein mit dem ersten Kolben 7 des Ventilgliedes 2 und dem Ventilkörper 9 verbundenes
Dichtelement 22 begrenzt, wobei eine Leckageleitung 23 aus dem Ventilsystemdruckraum 20 abführt. Das Dichtelement 22 ist vorliegend als faltenbalgartige Membran ausgebildet und verhindert, daß der piezoelektrische Aktor 3 mit dem in dem Ventilsystemdruckraum 20 enthaltenen Kraftstoff in Kontakt kommt .
Über einen den ersten Kolben 7 umgebenden Spalt 24 und einen den zweiten Kolben 10 umgebenden Spalt 25 ist eine Leckage von der Hydraulikkammer 11 in den Ventilniederdruckraum 18 und insbesondere in den Ventilsystemdruckraum 20 gegeben.
Da die Hydraulikkammer 11 während einer- Ansteuer- bzw. Bestromungspause des piezoelektrischen Aktors 3 wiederbe- füllt werden muß, ist ein Ausgleich einer Leckagemenge des Niederdruckbereiches 16 durch Entnahme von Hydraulikflüs- sigkeit des Hochdruckbereichs 17 vorgesehen. Hierzu dient eine Befülleinrichtung 26, welche mit einem Kanal 27, in dem eine Drosselbohrung 28 angeordnet ist, ausgebildet ist. Der Kanal 27 der Befülleinrichtung 26 mündet auf der dem
Niederdruckbereich 16 zugewandten Seite der Drosselbohrung 28 in den den ersten Kolben 7 umgebenden Spalt 24, wobei im Mündungsbereich eine Ringnut 29 vorgesehen ist. Auf der dem Hochdruckbereich 17 zugewandten Seite der Drosselbohrung 28 mündet der Kanal 27 in den Ventilniederdruckraum 18.
Selbstverständlich kann in einer alternativen Ausführung auch vorgesehen sein, daß der Kanal 27 der Befülleinrichtung 26 zu dem den zweiten Kolben 10 umgebenden Spalt 25 führt.
Der Durchmesser der Drosselbohrung 28 ist derart ausgelegt, daß ein die Drosselbohrung 28 passierender Volumenstrom aus dem Hochdruckbereich 17 bei einem definierten minimalen Hochdruck p_R_min die Leckagemenge des Niederdruckbereiches 16 ausgleicht. In der gezeigten Ausführung weist die Drosselbohrung 28 einen Durchmesser von 50 Mikrometer auf.
Des weiteren ist zwischen der Drosselbohrung 28 und der Mündung des Kanals 27 in den Ringspalt 29 eine Verbindung zwischen dem Kanal 27 der Befülleinrichtung 28 und dem Ventilniederdruckraum 18 über ein Überdruckventil 30 vorgesehen, welches federbelastet ist . Dieses Überdruckventil 30 dient zur Einstellung eines konstanten Systemdrucks P_sys in dem Ventilsystemdruckraum 20, so daß 'der System- druck bei allen zusammenhängenden Common-Rail- Injektoren gleich gehalten werden kann.
Das Kraftstoffeinspritzventil 1 nach Figur 1 arbeitet dabei in nachfolgend beschriebener Weise.
In geschlossenem Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 1, d.h. bei unbestromtem piezoelektrischen Aktor 3 wird das Ventilschließglied 13 des Ventilglieds 2 durch den Hoch- druck bzw. Raildruck p_R in dem Hochdruckbereich 17 in Anlage an dem ihm zugeordneten oberen Ventilsitz 14 gehalten, so daß kein Kraftstoff aus dem mit dem Hochdruck¬ speicherraum verbundenen Ventilsteuerraum 12 in den Ventilniederdruckraum 18 gelangen und dann durch den Leckageablaufkanal 19 entweichen kann.
Bei Entlastung des Ventilsteuerraums 12 wird das Ventil¬ schließglied 13 am oberen Ventilsitz 14 durch eine Feder 31 gehalten.
Im Falle einer langsamen Betätigung, wie sie bei einer temperaturbedingten Längenänderung des piezoelektrischen Aktors 3 oder weiterer Ventilbauteile wie z.B. des Ventil - glieds 2 oder des Ventilkörper 9 auftritt, dringt der erste Kolben 7 mit Temperaturerhöhung in das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer 11 ein oder zieht sich bei Temperatur¬ absenkung daraus zurück, ohne daß dies Auswirkungen auf die Schließ- und Öffnungsstellung des Ventilgliedes 2 und des Kraftstoffventils 1 insgesamt hat. Wenn eine Einspritzung durch das Kraftstoffeinspritzventil 1 erfolgen soll, wird der piezoelektrische Aktor 3 be- stromt, wodurch dieser seine axiale Ausdehnung schlagartig vergrößert. Bei einer derartigen schnellen Betätigung des piezoelektrischen Aktors 3 stützt sich dieser an dem Ventilkörper 9 ab, wodurch der zweite Kolben 10 das Ventilschließglied 13 des Ventilgliedes 2 von seinem oberen Ventilsitz 14 in eine Mittelstellung zwischen den beiden Ventilsitzen 14, 15 bewegt. Durch die Stellbewegung des Ventilgliedes 2 wird aufgrund der sich bewegenden Membran 22 das Volumen des Ventilsystemdruckraumes 20 verringert, wobei ein Druckabbau durch Leckage von der Hydraulikkammer in den Ventilsystemdruckraum 20 und den Ventilniederdruckraum 18 und aus diesen über die Leckageleitung 23 und den Leckageablaufkanal 19 sowie über das Überdruckventil 30 stattfindet .
Nach Ablassen des den Systemdruck p_sys übersteigenden Drucks in dem Niederdruckbereich 16 kann das Ventilschließ- glied 13 in seine Schließstellung an den unteren Ventilsitz 15 bewegt werden, wodurch kein Kraftstoff mehr aus dem Ventilsteuerraum 12 in den Ventilniederdruckraum 18 eindringen kann. Die Kraftstoffeinspritzung ist dann beendet .
Danach wird die Bestromung des piezoelektrischen Aktors 3 unterbrochen, wodurch sich dieser wieder verkürzt und das Ventilschließglied 13 in die Mittelstellung zwischen die beiden Ventilsitze 14, 15 gebracht wird-, wobei eine erneute Kraftstoffeinspritzung erfolgt. Durch den unteren Ventilsitz kann Kraftstoff in den Ventilniederdruckraum 18 eindringen. Dabei wird durch eine in dem Leckageablaufkanal 19 angeordnete Drossel 32 der Druck jedoch nicht sofort abgebaut. Die kurzzeitige Druckerhöhung in dem Ventilnie¬ derdruckraum 18 bewirkt eine hydraulische Gegenkraft, welche die Stellbewegung des Ventilgliedes 2 derart abbremst, daß das Ventilschließglied 13 in seiner Mittel¬ stellung zwischen den beiden Ventilsitzen 14, 15 stabili¬ siert wird.
Nach dem Druckabbau in dem Ventilniederdruckraum 18 durch den Leckageablaufkanal 19 bewegt sich das Ventilschlie߬ glied 13 in seine Schließstellung zum oberen Ventilsitz 14. Somit wird durch jede Ansteuerung (Bestromen oder Beenden des Bestromens) der piezoelektrischen Einheit eine Kraft- stoffeinspritzung ermöglicht .
Wenn das Ventilschließglied 13 von seinem unteren Ventil¬ sitz 15 abgehoben ist, wird dem Kanal 27 der Befülleinrich¬ tung 26 Hochdruck p_R aus dem Ventilsteuerraum 12 zuge- führt, so daß die Leckageverluste in dem Niederdruckbereich
16 ausgeglichen werden können.
Da stets ein bestimmter Systemdruck p_sys benötigt wird, muß die Drosselbohrung 28 so dimensioniert sein, daß die Bereitstellung des Systemdrucks p_sys auch bei einem minimalen Hochdruck p_R_min noch gesichert ist. Anderer¬ seits nimmt mit steigendem Hoch- bzw. Raildruck p_R auch die Leckage in den Niederdruckbereich 16 zu. Deshalb öffnet das Überdruckventil 30 um so mehr, je höher der dem Kanal 27 zugeführte Hochdruck p_R ist, um zur Einhaltung des konstanten Systemdrucks p_sys überschüssige Hydraulikflüs¬ sigkeit bzw. Kraftstoff abzulassen.
In Figur 3 ist ein Diagramm ersichtlich, welches zeigt, daß die Drosselbohrung 28 dabei deutliche Vorteile gegenüber der Realisierung der Befüllung des Niederdruckbereiches 16 mit einem herkömmlichen Befüllstift hat.
Dabei ist ein Verlauf einer druckabhängigen Leckmenge Q_d bei der erfindungsgemäßen Drosselbohrung 28 im Vergleich zu einer druckabhängigen Leckmenge Q_sl bei einem Befüllstift ohne Spaltaufweitung und einer druckabhängigen Leckmenge Q_s2 bei einem Befüllstift mit Spaltaufweitung dargestellt.
Damit der Systemdruck p_sys gehalten werden kann, muß schon bei einem relativ niedrigen Hochdruck p_R von z.B. 200 bar die Leckage durch die Drosselbohrung 28 größer sein als die Verluste aus dem Niederdruckbereich 16, wodurch sich ein minimaler Durchfluß Q_min von hier 5 Liter/Std. ergibt.
Die Verläufe der Durchflußmengen zeigen, daß die Durchflu߬ menge Q_d durch die Drosselbohrung 28 mit ansteigendem Druck p_R nicht in dem Maße zunimmt wie bei einem Befüll¬ stift. Betrachtet man die Unterschiede der Durchflußmengen formelmäßig, so kann der Volumenstrom Q_d durch die
Drosselbohrung 28 bei Vereinfachung der zahlreichen neben der Druckdifferenz zu berücksichtigenden Faktoren auf einen Durchflußfaktor A folgendermaßen beschrieben werden:
Q_d(p) = A^(p_R - p_sys) Mit steigendem Hoch- bzw. Raildruck p_R nimmt der Durchfluß und damit die überschüssige Menge, die durch das Überdruckventil 30 abgelassen wird, nur in der Wurzel zu. Eine Befüllung des Niederdruckbereichs 16 mit einem Befüllstift kann hingegen mit vereinfachtem Durchflußfaktor B durch nachfolgenden Zusammenhang beschrieben werden:
Q_s(p) = B(p_ R - p_sys)
Die Gleichung ist linear bezüglich der Druckdifferenz. Der Durchfluß Q_s nimmt somit bei hohem Raildruck p_R linear zu.
Während die Befüllung mit Befüllstift und mit Drosselboh- rung bei einem Hochdruck p_R von 200 bar noch dieselbe nötige Mindestmenge Zulauf zum Niederdruckbereich 16 ergeben, erzeugt der Befüllstift bereits ohne Spaltaufweitung mit steigendem Hochdruck p_R eine erheblich größere Leckmenge Q_sl als die Drosselbohrung. Wird am Befüllstift weiterhin berücksichtigt, daß sich der Leckspalt durch den Hochdruck p_R zusätzlich aufweitet, wie es der Verlauf des Volumenstroms Q_s2 zeigt, erweist sich die Befüllung mit der Drosselbohrung 28 als noch günstiger hinsichtlich des Wirkungsgrades des gesamten Systems.

Claims

Ansprüche
1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, mit einer piezoelektrischen Einheit (3) zur Betätigung eines Ventilglieds (2) , welches in einer Bohrung (8) eines Ventil - körpers (9) axial verschiebbar ist und an einem Ende ein Ventilschließglied (13) aufweist, das mit wenigstens einem an dem Ventilkörper (9) vorgesehenen Sitz (14, 15) zum Öffnen und Schließen des Ventils (1) zusammenwirkt, wobei das Ventilschließglied (13) einen Niederdruckbe- reich (16) mit einem Systemdruck (p_sys) von einem Hochdruckbereich (17) trennt, und wobei eine Befülleinrichtung (26) zum Ausgleich einer Leckagemenge des Niederdruckbereiches (16) durch Entnahme von Hydraulikflüssigkeit des Hochdruckbereichs (17) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Befülleinrichtung (26) mit einem Kanal (27) mit einer Drosselbohrung (28) ausgebildet ist, deren Durchmesser derart ausgelegt ist, daß ein die Drosselbohrung (28) passierender Volumenstrom aus dem Hochdruckbereich (17) bei einem definierten minimalen Hochdruck (p_R_min) die Leckagemenge des Ni'ederdruckbe- reiches (16) ausgleicht.
. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (2) geteilt ausgebildet ist mit wenigstens einem ersten Kolben (7) und einem zweiten Kolben (10) , die durch eine Hydraulikkammer (11) voneinander getrennt sind, wobei der erste Kolben (7) an die piezoelektrische Einheit (3) grenzt und in einem an die Bohrung (8) des Ventilkörpers (9) anschließenden Bereich von einem Ven¬ tilsystemdruckraum (20) umgeben ist, und der zweite Kolben (10) an einen den wenigstens einen Ventilsitz
(14, 15) und einen Leckageablaufkanal (19) aufweisenden Ventilniederdruckraum (18) grenzt, wobei der Kanal (27) der Befülleinrichtung (26) auf der dem Niederdruckbe¬ reich (16) zugewandten Seite der Drosselbohrung (28) in einen den ersten (7) oder den zweiten Kolben (10) umge¬ benden Spalt (24, 25) mündet und auf der dem Hochdruck¬ bereich (17) zugewandten Seite der Drosselbohrung (28) in den Ventilniederdruckraum (18) mündet.
3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (27) der Befülleinrichtung (26) auf der dem Nie¬ derdruckbereich (16) zugewandten Seite der Drosselboh¬ rung (28) in den den ersten Kolben (7) umgebenden Spalt (24) mündet.
4. Ventil nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilschließglied (13) mit zwei in dem Ventilniederdruckraum (18) angeordneten Ventilsitzen (14, 15) zum Öffnen und Schließen- des Ventils (1) derart zusammenwirkt, daß es in einer Schli'eßstellung den Ventilniederdruckraum (18) von einem unter Hochdruck stehenden Ventilsteuerraum (12) trennt und in einer Zwischenstellung zwischen den Ventilsitzen (14, 15) den Ventilniederdruckraum (18) mit dem Ventilsteuerraum (12) strömungsmäßig verbindet .
5. Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überdruckventil (30) zum Ein¬ stellen des Systemdruckes (p_sys) zwischen einem dem Niederdruckbereich (16) zugewandten Bereich des Kanals (27) und dem Ventilniederdruckraum (18) vorgesehen ist.
6. Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikkammer (11) mit System¬ druck (p sys) als Toleranzausgleichselement zum Aus- gleich von Längungstoleranzen der piezoelektrischen
Einheit (3) und/oder weiterer Ventilbauteile (9) und als hydraulische Übersetzung ausgebildet ist.
7. Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsystemdruckraum (20) durch ein Dichtelement (25) begrenzt ist.
8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das den Ventilsystemdruckraum (20) begrenzende Dichtelement als faltenbalgartige Membran (25) ausgebildet ist, die derart mit dem Ventilglied (2) und mit dem Ventilkörper (9) verbunden ist, daß die piezoelektrische Einheit (3) vor einem Kontakt mit der zu steuernden Flüssigkeit geschützt ist.
9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselbohrung (28) einen Durchmesser von wenigstens annähernd 40 Mikrometer bis 60 Mikrometer, vorzugsweise 50 Mikrometer, aufweist.
10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Bestandteil eines Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen, insbesondere eines Common-Rail- Injektors (1) .
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