EP1135596A1 - Ventil zum steuern von flüssigkeiten - Google Patents

Ventil zum steuern von flüssigkeiten

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EP1135596A1
EP1135596A1 EP00975775A EP00975775A EP1135596A1 EP 1135596 A1 EP1135596 A1 EP 1135596A1 EP 00975775 A EP00975775 A EP 00975775A EP 00975775 A EP00975775 A EP 00975775A EP 1135596 A1 EP1135596 A1 EP 1135596A1
Authority
EP
European Patent Office
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valve
actuator
piezoelectric
piezoelectric actuators
valve member
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00975775A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Friedrich Boecking
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1135596A1 publication Critical patent/EP1135596A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0014—Valves characterised by the valve actuating means
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    • F02M63/0026—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators
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    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • 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
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    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/04—Constructional details
    • H02N2/043—Mechanical transmission means, e.g. for stroke amplification
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
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    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/701—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger mechanical
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2547/00—Special features for fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M2547/003—Valve inserts containing control chamber and valve piston

Definitions

  • the invention is based on a valve for controlling liquids according to the preamble of claim 1.
  • the hydraulic chamber works as a so-called hydraulic translation.
  • the hydraulic chamber closes between two pistons delimiting it, of which one piston is designed with a smaller diameter and is connected to a valve member to be controlled and the other piston is designed with a larger diameter and with the piezoelectric one
  • Actuator is connected, a common compensation volume.
  • the valve member, the pistons and the piezoelectric actuator lie one behind the other on a common axis.
  • 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, makes a stroke increased by the ratio of the piston diameter when the larger piston is moved by the piezoelectric Actuator is moved by a certain distance.
  • the compensating volume of the hydraulic chamber enables tolerances due to temperature gradients in the component or different coefficients of thermal expansion of the materials used, as well as possible setting effects, to be compensated for, without a change in the position of the valve element to be controlled thereby occurring.
  • valve member or the valve housing through the hydraulic chamber arranged between two pistons requires a complex construction and is problematic with regard to the leakage losses that occur and the refilling of the hydraulic chamber.
  • a piezo actuator drive or adjusting element which is used to generate tilting movements in high frequency ranges.
  • a first and a second area are made of piezoelectric Active material provided, these two areas are connected to each other via a third area.
  • the third area is made of piezoelectrically passive material.
  • the invention has for its object to provide a valve for the control of liquids, in which an arrangement with a piezoelectric unit and a tolerance compensation is provided, which has a simple construction with as few components as possible and requires little space.
  • valve according to the invention for controlling liquids with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the interaction of the actuator and the piezoelectric unit controls the
  • Valve is realized without an additional tolerance compensation element for temperature-related elongation tolerances in particular.
  • the actuator serving as a lever arm is of the same type as the piezoelectric Unit connected that when only one piezoelectric actuator is electrically acted upon by the resulting elongation, the actuator is tilted with respect to its longitudinal direction.
  • the actuator thus acts as a kind of rocker arm.
  • the valve member connected to the actuator is moved accordingly in the longitudinal bore of the valve body. The valve member thus executes a lifting movement, as a result of which the valve is brought into the closed or open position.
  • both piezoelectric actuators expand approximately the same, so that the actuator, which is arranged approximately at right angles to the direction of movement of the valve member, advantageously does not cause any lifting movement of the valve member.
  • temperature-related elongation tolerances in particular have no influence on the control of the valve.
  • valve according to the invention is particularly suitable for use as a fuel injection valve.
  • other areas of application are also possible in which valves with high-frequency controls are required. Further advantages and advantageous configurations of the subject matter of the invention can be gathered from the description, the drawing and the patent claims.
  • valve for controlling liquids according to the invention is shown in the drawing and is explained in more detail in the following description.
  • the single figure of the drawing shows a schematic, partial representation of an embodiment of the invention in a fuel injection valve for internal combustion engines in longitudinal section.
  • the embodiment shown in the drawing 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 as a common rail injector.
  • a valve member 2 arranged in a valve body 3 is actuated via a piezoelectric unit 4.
  • the piston-shaped valve member 2 is arranged in an axially displaceable manner in a bore of the valve body 3 of the fuel injection valve 1 designed as a longitudinal bore 5 and has at its lower end on the combustion chamber side a valve head 6 forming a valve closing member.
  • the valve head 6 cooperates with a seat 7 formed on the valve body 3, a connection being made to a spring chamber 8 with a spring 9 exerting a restoring force on the outwardly opening valve head 6 when the valve head 6 is lifted off.
  • the longitudinal bore 5 of the valve body 3 is expanded in terms of its diameter.
  • the expanded area of the longitudinal bore 5 has a leakage drain line 16 through which fuel which has flowed through the longitudinal bore between the valve head 6 and the seat 7 is discharged.
  • the upper end of the valve member 2 facing away from the valve head 6 has a recess 10, which runs transversely to the direction of movement of the valve member 2, for receiving an actuator 12.
  • the recess 10 is formed in the drawing as a bore passing through the valve member 2. Of course, other shapes of the recess 10 are also possible.
  • a corresponding flattening 33 is provided on the valve member 2 for fluid compensation between the recess 10 and a volume at the end of the longitudinal bore 5 in the valve body 3 which is remote from the combustion chamber.
  • the valve body 3 has, at the level of the recess 10, a transverse bore 11 which extends transversely to the longitudinal bore 5 and opens into the latter and widens to a larger diameter.
  • the piezoelectric unit 4 with the actuator 12 serving as a lever arm is arranged in the transverse bore 11.
  • One end of the actuator 12 is received in the recess 10 of the valve member 2.
  • the other end of the actuator 12 facing the piezoelectric unit 4 is connected to the latter.
  • the actuator 12 and the piezoelectric unit 4 can be accommodated in a separate housing.
  • the housing could be connected to the valve body 3, for example.
  • the valve member 2 is formed in two parts in the region of the recess 10, in which case a recess is then provided on the contact surfaces of the two parts of the valve member 2.
  • the piezoelectric unit 4 has two piezoelectric actuators 13, 14 arranged parallel to one another, which are arranged approximately at right angles to the direction of movement of the valve member 2.
  • the piezoelectric actuators 13, 14, which consist of several layers lying parallel to one another, are arranged in a piezo chamber 15.
  • the number of piezoelectric actuators used can also easily deviate.
  • the piezoelectric actuators 13, 14 have head sections 17, 18 and foot sections 19, 20.
  • the foot sections 19, 20 of the piezoelectric actuators 13, 14 are in contact with a support 21, the foot sections 19, 20 each having contacts 22, 23 for the power supply of the piezoelectric actuators 13, 14.
  • the piezoelectric actuators 13, 14 m known per se, “multilayer” type are constructed from several thin layers. So that these layers do not separate from one another when the piezoelectric actuators 13, 14 are energized, they must be biased be, whereby the force to be applied can be approximately 1000 N.
  • the piezoelectric actuators 13, 14 arranged between the actuator 12 and the support 21 are pressed together by means of a prestressing element 24.
  • the biasing element 24 is formed in the embodiment shown with a tension band 25.
  • others are e.g. hydraulic, mechanical or similar prestressing elements can be used.
  • a sealing device 34 is provided which is intended to prevent the fuel in the longitudinal bore 5 from coming into contact with the piezoelectric unit 4.
  • the sealing device 34 is designed in the drawing as a membrane 35.
  • the membrane 35 extends over the entire diameter of the transverse bore 11 and is in a form-fitting manner against the actuator 12.
  • other structural configurations of the sealing device 34 are also possible.
  • valve member 2 Above the seat 7 of the valve body 3, the valve member 2 has a constriction 26 which is approximately parabolic in cross section. In the area of the Schei elembls of the parabolic constriction 26 adjoins the longitudinal bore 5 of the valve body 3 a radially extending to the longitudinal bore 5 drain line 27, which has an outlet throttle 28.
  • the drain line 27 opens into a valve control chamber 29 which adjoins the combustion chamber.
  • a movable valve control piston 30 is arranged in the valve control chamber 29 and is only shown in part in the drawing.
  • An injection nozzle (not shown) of the fuel injection valve 1 is controlled by axial movements of the valve control piston 30 in the valve control chamber 29.
  • An injection line 31 also opens into the valve control chamber 29 and supplies the injection nozzle with fuel.
  • the injection line 31 is connected to a high-pressure storage space (common rail) 32 common to a plurality of fuel injection valves.
  • the high-pressure storage space 32 is fed in a known manner by a high-pressure fuel delivery pump with high-pressure fuel from a storage tank.
  • the fuel injection valve 1 shown in the drawing operates in the manner described below.
  • the stacked piezoelectric actuators 13, 14 are alternately supplied with electrical current, so that the actuator 12 acts as a rocker arm due to the longitudinal expansion of one of the two piezoelectric actuators 13, 14 and the valve member 2 can perform corresponding stroke movements in the longitudinal bore 5 of the valve body 3 ,
  • the lower piezoelectric actuator 13 is energized, whereby an abrupt expansion transverse to the direction of movement of the valve member 2 is achieved, wherein the foot portion 19 of the piezoelectric actuator 13 is supported on the support 21.
  • the elongation of the actuator 13 causes the actuator 12 to operate like a rocker arm, the valve member 2 being moved axially upward in the longitudinal bore 5 by the actuator 12.
  • the valve head 6 of the valve member 2 serving as the valve closing member is brought into contact with the seat 7 assigned to it, so that no liquid, i.e. In the fuel injector 1 shown, there is no fuel from which the valve control chamber 29 connected to the high-pressure storage chamber 32 can reach the region of the longitudinal bore 5.
  • the spring 9 arranged in the spring chamber 8 also acts as a sealing spring, since it likewise presses the valve head 6 of the valve member 2 against the seat 7 provided on the valve body 3.
  • the spring 9 thus holds the valve member 2 in the closed position, even when the lower piezoelectric actuator 13 is no longer energized.
  • the spring 9 can be dimensioned correspondingly small.
  • Actuator 12 serving as a lever arm now executes an opposite tilting movement, since only the piezoelectric actuator 14 arranged at the top is stretched. As a result, the valve member 2 is moved axially downward by the actuator 12 in the longitudinal bore 5. The valve head 6 of the valve member 2 is lifted from its seat 7 provided on the valve body 3 into an open position against the spring force of the spring 9. Fuel can thus enter the longitudinal bore 5 of the valve body 3 from the valve control chamber 29 in the area of the drain line 27. The occurred
  • Fuel can escape again through the leakage drain line 16.
  • valve control piston 30 is moved upward in the valve control chamber 29 and fuel is injected into the combustion chamber, which is not shown, through the now releasing injection nozzle.
  • the piezoelectric actuators 13, 14 arranged transversely to the direction of movement of the valve member 2 are both stretched evenly when the length changes due to temperature or abruptly so that the actuator does not perform a tilting movement. Due to the arrangement of the actuator 12 in the longitudinal bore 5 transverse to the direction of movement of the valve member 2, it is sufficient to realize the tolerance compensation that the actuator 12 has sufficient axial freedom of movement in the longitudinal bore, which may be increased by an additional groove in the valve body 3 can.

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Abstract

Es ist ein Ventil (1) zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem in einer Bohrung (5) eines Ventilkörpers (3) axial verschiebbaren Ventilglied (2) vorgesehen, das einen ein Ventilschließglied bildenden Ventilkopf (6) aufweist, der mit einem an dem Ventilkörper (3) vorgesehenen Sitz (7) zum Öffnen und Schließen des Ventils (1) zusammenwirkt. Des weiteren sind eine piezoelektrische Einheit (4) zur Betätigung des Ventilglieds (2) sowie ein Toleranzausgleichselement (12) zum Ausgleich von Längungstoleranzen der piezoelektrischen Einheit (4) und/oder anderer Ventilbauteile (3) vorgesehen. Die piezoelektrische Einheit (4) ist hinsichtlich ihrer Wirkrichtung im wesentlichen im rechten Winkel zur axialen Bewegungsrichtung des Ventilgliedes (2) angeordnet und mit elektrischem Strom derart beaufschlagbar, daß die piezoelektrische Einheit (4) auf ein als Hebelarm dienendes, mit dem Ventilglied (2) in Wirkverbindung stehendes Stellglied (12) eine Kippbewegung ausübt. Das Ventil ist insbesondere als Bestandteil eines Kraftstoffeinspritzventils vorgesehen.

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 eine /Anordnung für ein gattungsgemäßes Ventil bekannt, bei der die Auslenkung des piezoelektrischen Aktors über eine Hydraulikkammer übertra- gen wird. Dabei ist ein in Hubrichtung wirkender adaptiver, mechanischer Toleranzausgleich für einen egcransformator des piezoelektrischen Aktors vorgesehen.
Bei der bekannten /Anordnung arbeitet die Hydraulikkammer als eine sogenannte hydraulische Übersetzung. Die Hydraulikkammer schließt zwischen zwei sie begrenzenden Kolben, von denen ein Kolben mit einem kleineren Durchmesser ausgebildet ist und mit einem anzusteuernden Ventilglied verbunden ist und der andere Kolben mit einem größeren Durchmesser ausgebildet ist und mit dem piezoelektrischen
Aktor verbunden ist, ein gemeinsames Ausgleichsvolumen ein. Das Ventilglied, die Kolben und der piezoelektrische Aktor liegen dabei auf einer gemeinsamen Achse hintereinander.
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 Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer ermöglicht es, daß Toleranzen aufgrund von Temperaturgradienten im Bauteil oder unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien sowie eventuelle Setzeffekte ausgeglichen werden können, ohne daß dadurch eine Änderung der Position des anzusteuernden Ventilgliedes auftritt .
Ein Ausgleich von Längenänderungen des piezoelektrischen
Aktors, des Ventilgliedes oder des Ventilgehäuses durch die zwischen zwei Kolben angeordnete Hydraulikkammer erfordert jedoch eine aufwendige Konstruktion und ist hinsichtlich der auftretenden Leckageverluste und der Wiederbefüllung der Hydraulikkammer problematisch.
Aus der DE 196 46 511 Cl ist ein piezoaktuatorisches Antriebs- oder Verstellelement bekannt, welches zur Erzeugung von Kippbewegungen in hohen Frequenzbereichen Verwendung findet. Bei dem Antriebs- oder Verstellelement ist ein erster und ein zweiter Bereich aus piezoelektrisch aktivem Material vorgesehen, wobei diese beiden Bereiche über einen dritten Bereich miteinander verbunden sind. Der dritte Bereich ist aus piezoelektrisch passivem Material. Durch Anlegen einer Spannung z.B. an den ersten Bereich des Antriebselements wird dieser Bereich in seiner Längsrichtung entsprechend gedehnt, so daß an dem gesamten piezoelektrischen Antriebselement entlang seiner Symmetrieachse eine entsprechende Biegung vollzogen wird. Eine Umkehrung der Biegung bzw. des Kippwinkels des Antriebselements kann durch Anlegung einer Spannung an den zweiten Bereich des Antriebselements erreicht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil zur Steuerung von Flüssigkeiten zu schaffen, bei dem eine Anordnung mit einer piezoelektrischen Einheit und einem Toleranzausgleich vorgesehen ist, welche einen einfachen konstruktiven Aufbau mit möglichst wenigen Bauteilen und geringem Platzbedarf aufweist.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil zur Steuerung von Flüssigkeiten mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, daß durch das Zusammenwirken des Stellgliedes und der piezoelektrischen Einheit eine Ansteuerung des
Ventils ohne ein zusätzliches Toleranzausgleichselement für insbesondere temperaturbedingte Längungstoleranzen realisiert ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Ventil ist das als Hebelarm dienende Stellglied derart mit der piezoelektrischen Einheit verbunden, daß bei elektrischer Beaufschlagung nur eines piezoelektrischen Aktors durch die daraus resultierende Längendehnung das Stellglied bezüglich seiner Längsrichtung gekippt wird. Das Stellglied wirkt somit quasi als Kipphebel. Je nach Kipprichtung des Stellgliedes wird das mit dem Stellglied verbundene Ventilglied entsprechend in der Längsbohrung des Ventilkörpers bewegt. Das Ventilglied führt somit eine Hubbewegung aus, wodurch das Ventil in Schließ- bzw. Öffnungsstellung gebracht wird.
Durch Temperaturänderungen dehnen sich beide piezoelektrischen Aktoren etwa gleich aus, so daß das Stellglied, welches etwa im rechten Winkel zur Bewegungsrichtung des Ventilgliedes angeordnet ist, in vorteilhafter Weise keine Hubbewegung des Ventigliedes bewirkt. Somit haben insbesondere temperaturbedingte Längungstoleranzen keinen Einfluß auf die Steuerung des Ventils.
Dadurch daß bei dem erfindungsgemäßen Ventil auf ein zusätzliches Temperaturausgleichselement verzichtet werden kann, ist eine vorteilhaft einfache konstruktive Ausgestaltung des Ventils möglich.
Das erfindungsgemäße Ventil eignet sich besonders zum Einsatz als ein Kraftstoffeinspritzventil . Es versteht sich jedoch, daß auch andere Einsatzgebiete möglich sind, bei denen Ventile mit hochfrequenten Ansteuerungen erforderlich sind. 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.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung bei einem Kraftstoffeinspritzventil für Brenn- kraftmaschinen im Längsschnitt.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils bei einem Kraftstoffeinspritzventil 1 für Brennkraftmaschinen von Kraftf hrzeugen. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 ist vorliegend als ein Common-Rail-Inj ektor ausgebildet.
Zur Einstellung eines Einspritzbeginns, einer Einspritzdauer und einer Einspritzmenge über Kräfteverhältnisse in dem Kraftstoffeinspritzventil 1 wird ein in einem Ventilkörper 3 angeordnetes Ventilglied 2 über eine piezoelektrische Einheit 4 angesteuert . Das kolbenförmige Ventilglied 2 ist axial verschiebbar in einer als Längsbohrung 5 ausgeführten Bohrung des Ventil - körpers 3 des Kraftstoffeinspritzventils 1 angeordnet und weist an seinem brennraumseitigen, unteren Ende einen ein Ventilschließglied bildenden Ventilkopf 6 auf. Der Ventilkopf 6 wirkt mit einem an dem Ventilkörper 3 ausgebildeten Sitz 7 zusammen, wobei in abgehobenem Zustand des Ventil- kopfes 6 eine Verbindung zu einem Federraum 8 mit einer eine Rückstellkraft auf den nach außen öffnenden Ventilkopf 6 ausübenden Feder 9 hergestellt wird.
Im Bereich des Ventilkopfes 6 ist die Längsbohrung 5 des Ventilkörpers 3 hinsichtlich ihres Durchmessers erweitert. Der erweiterte Bereich der Längsbohrung 5 weist eine Leckageablaufleitung 16 auf, durch die Kraftstoff, welcher die Längsbohrung zwischen dem Ventilkopf 6 und dem Sitz 7 durchströmt hat, abgeführt wird.
Das dem Ventilkopf 6 abgewandte, obere Ende des Ventilglie- des 2 weist eine quer zur Bewegungsrichtung des Ventilgliedes 2 verlaufende Ausnehmung 10 zur Aufnahme eines Stellgliedes 12 auf. Die Ausnehmung 10 ist in der Zeichnung als durch das Ventilglied 2 durchlaufende Bohrung ausgebildet. Selbstverständlich sind auch andere Formgebungen der Ausnehmung 10 möglich. Zum Flüssigkeitsausgleich zwischen der Ausnehmung 10 und einem Volumen an dem brennraumabge- wandten Ende der Längsbohrung 5 in dem Ventilkörper 3 ist an dem Ventilglied 2 eine entsprechende Abflachung 33 vorgesehen. Der Ventilkörper 3 weist in Höhe der Ausnehmung 10 eine quer zu der Längsbohrung 5 verlaufende und in diese einmündende Querbohrung 11 auf, die sich auf einen größeren Durchmesser erweitert. In der Querbohrung 11 ist die piezoelektrische Einheit 4 mit dem als Hebelarm dienenden Stellglied 12 angeordnet. Dabei ist ein Ende des Stellgliedes 12 in der Ausnehmung 10 des Ventilgliedes 2 aufgenommen. Das andere, der piezoelektrischen Einheit 4 zugekehrte Ende des Stellgliedes 12 ist mit dieser verbunden.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann das Stellglied 12 und die piezoelektrische Einheit 4 in einem separaten Gehäuse untergebracht sein. Das Gehäuse könnte beispielsweise mit dem Ventilkörper 3 verbunden sein. Des weiteren kann in einer alternativen Ausgestaltung vorsehen sein, daß das Ventilglied 2 im Bereich der Ausnehmung 10 zweiteilig ausgebildet ist, wobei dann an den Anlageflächen der beiden Teile des Ventilgliedes 2 eine Ausnehmung vorgesehen ist.
Die piezoelektrische Einheit 4 weist zwei parallel zueinander angeordnete piezoelektrische Aktoren 13, 14 auf, welche etwa im rechten Winkel zur Bewegungsrichtung des Ventil - gliedes 2 angeordnet sind. Die aus mehreren parallel aneinander liegenden Schichten bestehenden piezoelektri- sehen Aktoren 13, 14 sind in einer Piezokammer 15 angeordnet. Selbstverständlich kann die Anzahl der verwendeten piezoelektrischen Aktoren ohne weiteres auch abweichen.
Die piezoelektrischen Aktoren 13, 14 weisen Kopfabschnitte 17, 18 und Fußabschnitte 19, 20 auf. Die Kopfabschnitte 17,
18 der piezoelektrischen Aktoren 13, 14 sind mit dem zugekehrten Ende des Stellgliedes 12 verbunden. Die Fußabschnitte 19, 20 der piezoelektrischen Aktoren 13, 14 stehen mit einem Auflager 21 in Anlage, wobei die Fußabschnitte 19, 20 jeweils Kontaktierungen 22, 23 für die Stromversorgung der piezoelektrischen Aktoren 13, 14 aufweisen.
Um einen möglichst großen Hub zu erzielen, sind die piezoelektrischen Aktoren 13, 14 m an sich bekannter „Multilayer" -Bauart aus mehreren dünnen Schichten aufgebaut. Damit sich diese Schichten bei einer Bestromung der piezoelektrischen Aktoren 13, 14 nicht voneinander lösen, müssen diese vorgespannt werden, wobei die dabei aufzubringende Kraft annähernd 1000 N betragen kann.
Hierzu werden die zwischen dem Stellglied 12 und dem Auflager 21 angeordneten piezoelektrischen Aktoren 13, 14 mittels eines Vorspannelements 24 zusammengepreßt. Das Vorspannelement 24 ist in der gezeigten Ausführung mit einem Zugband 25 ausgebildet. Alternativ sind selbstverständlich andere z.B. hydraulische, mechanische oder dergleichen Vorspannelemente einsetzbar.
Zwischen der Längsbohrung 5 des Ventilkörpers 3 und den piezoelektrischen Aktoren 13, 14 ist eine Dichteinrichtung 34 vorgesehen, die verhindern soll, daß der in der Längsbohrung 5 befindliche Kraftstoff mit der piezoelektrischen Einheit 4 in Kontakt tritt. Die Dichteinrichtung 34 ist in der Zeichnung als Membran 35 ausgebildet. Die Membran 35 erstreckt sich über den gesamten Durchmesser der Querbohrung 11 und liegt formschlüssig an dem Stellglied 12 an. Selbstverständlich sind auch andere konstruktive Ausgestaltungen der Dichteinrichtung 34 möglich.
Oberhalb des Sitzes 7 des Ventilkörpers 3 weist das Ventilglied 2 eine in ihrem Querschnitt etwa parabelförmige Einschnürung 26 auf. Im Bereich des Schei elpunktes der parabelförmigen Einschnürung 26 schließt sich an die Längsbohrung 5 des Ventilkörpers 3 eine radial zur Längsbohrung 5 verlaufende Ablaufleitung 27 an, die eine Ablaufdrossel 28 aufweist. Die Ablaufleitung 27 mündet in einen sich brennraumseitig anschließenden Ventilsteuerraum 29. In dem Ventilsteuerraum 29 ist ein bewegbarer Ventilsteuerkolben 30 angeordnet, der in der Zeichnung nur ausschnittsweise dargestellt ist. Durch axiale Bewegungen des Ventilsteuerkolbens 30 in dem Ventilsteuerraum 29 wird eine nicht weiter dargestellte Einspritzdüse des Kraftstoffeinspritzventils 1 gesteuert.
In den Ventilsteuerräum 29 mündet auch eine Einspritzlei- tung 31, welche die Einspritzdüse mit Kraftstoff versorgt. Die Einspritzleitung 31 ist mit einem für mehrere Kraftstoffeinspritzventile gemeinsamen Hochdruckspeicherraum (Common-Rail) 32 verbunden. Der Hochdruckspeicherraum 32 wird dabei in bekannter Weise von einer Kraftstoffhoch- druckförderpumpe mit Kraftstoff hohen Druckes aus einem Vorratstank gespeist.
Das in der Zeichnung dargestellte Kraftstoffeinspri zventil 1 arbeitet dabei in nachfolgend beschriebener Weise. Die übereinander angeordneten piezoelektrischen Aktoren 13, 14 werden abwechselnd mit elektrischem Strom beaufschlagt, so daß das Stellglied 12 aufgrund der Längsdehnung eines der beiden piezoelektrischen Aktoren 13 , 14 quasi als Kipphebel fungiert und das Ventilglied 2 entsprechende Hubbewegungen in der Längsbohrung 5 des Ventilkörpers 3 ausführen läßt.
Zum Schließen des Kraf stoffeinspritzventils 1 wird der untere piezoelektrische Aktor 13 bestromt, wodurch bei diesem eine schlagartige Ausdehnung quer zur Bewegungsrichtung des Ventilgliedes 2 erreicht wird, wobei sich der Fußabschnitt 19 des piezoelektrischen Aktors 13 auf dem Auflager 21 abstützt. Die Längung des Aktors 13 bewirkt, daß das Stellglied 12 wie ein Kipphebel arbeitet, wobei das Ventilglied 2 durch das Stellglied 12 in der Längsbohrung 5 axial nach oben bewegt wird. Dadurch wird der als Ventil- schließglied dienende Ventilkopf 6 des Ventilgliedes 2 in Anlage an den ihm zugeordneten Sitz 7 gebracht, so daß keine Flüssigkeit, d.h. bei dem dargestellten Kraftstoff - einspritzventil 1 kein Kraftstoff, aus dem mit dem Hoch- druckspeicherraum 32 verbundenen Ventilsteuerraum 29 in den Bereich der Längsbohrung 5 gelangen kann.
Die in dem Federraum 8 angeordnete Feder 9 wirkt zusätzlich als Dichtfeder, da sie ebenfalls den Ventilkopf 6 des Ventilgliedes 2 gegen den am Ventilkörper 3 vorgesehenen Sitz 7 preßt. Die Feder 9 hält das Ventilglied 2 somit in geschlossener Stellung, auch wenn der untere piezoelektri- sehe Aktor 13 nicht weiter bestromt wird. Bei einer kraftausgeglichenen Ausgestaltung des Kraftstoffeinspritz- ventils 1 wie im vorliegenden Fall kann die Feder 9 entsprechend gering dimensioniert sein.
Wenn eine Einspritzung durch das Kraftstoffeinspritzventil 1 erfolgen soll, wird nur der obere piezoelektrische Aktor 14 bestromt, wodurch bei diesem eine schlagartige Ausdehnung quer zur Bewegungsrichtung des Ventilgliedes 2 erreicht wird, wobei sich der Fußabschnitt 20 des piezoelektrischen Aktors 14 ebenfalls an dem Auflager 21 abstützt. Die Längenänderung bewirkt somit, daß das als
Hebelarm dienende Stellglied 12 nun eine entgegengesetzte Kippbewegung ausführt, da nur der oben angeordnete piezoelektrische Aktor 14 gedehnt wird. Dadurch wird das Ventilglied 2 durch das Stellglied 12 in der Längsbohrung 5 axial nach unten bewegt. Der Ventilkopf 6 des Ventilgliedes 2 wird dabei von seinem am Ventilkörper 3 vorgesehenen Sitz 7 in eine geöffnete Stellung entgegen der Federkraft der Feder 9 abgehoben. Somit kann aus dem Ventilsteuerraum 29 Kraftstoff im Bereich der Ablaufleitung 27 in die Längsboh- rung 5 des Ventilkörpers 3 eintreten. Der eingetretene
Kraftstoff kann durch die Leckageablaufleitung 16 wieder entweichen.
Dies hat zur Folge, daß der Ventilsteuerkolben 30 in dem Ventilsteuerräum 29 nach oben bewegt wird und Kraftstoff durch die nun freigebende Einspritzdüse in den nicht weiter dargestellten Brennraum eingespritzt wird.
Die quer zur Bewegungsrichtung des Ventilgliedes 2 angeord- neten piezoelektrischen Aktoren 13, 14 werden bei temperaturbedingten Längenänderung beide gleichmäßig gedehnt bzw. geschrupft, so daß das Stellglied keine Kippbewegung ausführt. Durch die Anordnung des Stellgliedes 12 in der Längsbohrung 5 quer zur Bewegungsrichtung des Ventilglieds 2 reicht es zur Realisierung des Toleranzausgleichs aus, daß das Stellglied 12 in der Längsbohrung einen ausreichenden axialen Bewegungsspielraum hat, welcher gegebenenfalls durch eine zusätzliche Nut in dem Ventilkörper 3 noch vergrößert werden kann.
Somit ist gewährleistet, daß die temperaturbedingten
Längenänderungen der piezoelektrischen Aktoren 13, 14 keine Auswirkungen auf die Schließ- und Öffnungsstellung des Ventilgliedes 2 und des Kra tstoffventils 1 insgesamt haben .

Claims

Ansprüche
1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, mit einem in einer Bohrung (5) eines Ventilkörpers (3) axial verschiebbaren Ventilglied (2) , das einen ein Ventilschließglied bil- denden Ventilkopf (6) aufweist, der mit einem an dem Ventilkörper (3) vorgesehenen Sitz (7) zum Öffnen und Schließen des Ventils (1) zusammenwirkt, und mit einer piezoelektrischen Einheit (4) zur Betätigung des Ventilglieds (2) sowie mit einem Toleranzausgleichselement (12) zum Ausgleich von Längungstoleranzen der piezoelektrischen Einheit (4) und/oder anderer Ventilbauteile (3), dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Einheit (4) hinsichtlich ihrer Wirkrichtung im wesentlichen im rechten Winkel zur axialen Bewegungsrichtung des Ventilgliedes (2) angeordnet ist, und mit elektrischem Strom derart beaufschlagbar ist, daß die piezoelektrische Einheit (4) auf ein als Hebelarm dienendes, mit dem Ventilglied (2) in Wirkverbindung stehendes Stellglied (12) eine Kippbewegung ausübt.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Einheit (4) wenigstens zwei parallel zueinander angeordnete piezoelektrische Aktoren (13, 14) aufweist, wobei die piezoelektrischen Aktoren (13, 14) abwechselnd mit elektrischem Strom beaufschlagbar sind.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (12) gleichzeitig als Toleranzausgleichselement zum Ausgleich von Längenänderungen der piezoelektrischen Einheit (4) quer zur Bewegungsrichtung des Ventilgliedes (2) vorgesehen ist.
4. Ventil nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Ende des Stellgliedes (12) mit dem Ventilglied (2) und ein zweites Ende des
Stellgliedes (12) mit Kopfabschnitten (17, 18) der piezoelektrischen Aktoren (13, 14) verbunden sind.
5. Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Aktoren (13,
14) hinsichtlich der Bewegungsrichtung des Ventilgliedes (2) übereinander in einer Querbohrung (11) im Ventilkörper (3) angeordnet sind, wobei ein Anschlag (21) für Fußabschnitte (19, 20) der piezoelektrischen Aktoren (13, 14) vorgesehen ist.
6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Fußabschnitten (19, 20) der piezoelektrischen Aktoren (13, 14) jeweils Kontaktierungen (22, 23) für die Stromversorgung der piezoelektrischen Aktoren (13, 14) vorgesehen sind.
7. Ventil nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Aktoren (13, 14) zwischen dem Stellglied (12) und dem Anschlag (21) gehalten sind, und daß ein mit dem Stellglied (12) und dem Anschlag (21) verbundenes Vorspannelement (24) für die piezoelektrischen Aktoren (13, 14) vorgesehen ist.
8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorspannelement (24) mit einem Zugband (25) ausgebildet ist .
9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dichteinrichtung (34) zwischen der Längsbohrung (5) des Ventilkörpers (3) und der piezoelektrischen Einheit (4) vorgesehen ist.
10. Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichteinrichtung (34) mit einer Membran (35) ausgebildet ist.
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