EP1276983A1 - Ventil zum steuern von flüssigkeiten - Google Patents

Ventil zum steuern von flüssigkeiten

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EP1276983A1
EP1276983A1 EP01921223A EP01921223A EP1276983A1 EP 1276983 A1 EP1276983 A1 EP 1276983A1 EP 01921223 A EP01921223 A EP 01921223A EP 01921223 A EP01921223 A EP 01921223A EP 1276983 A1 EP1276983 A1 EP 1276983A1
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EP
European Patent Office
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valve
actuating piston
bore
actuating
chamber
Prior art date
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EP01921223A
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English (en)
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EP1276983B1 (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
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Publication of EP1276983B1 publication Critical patent/EP1276983B1/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
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    • F02M63/0012—Valves
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    • F02M63/0015—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid
    • F02M63/0026—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators
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    • 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
    • F02M2200/704—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic with actuator and actuated element moving in different directions, e.g. in opposite directions

Definitions

  • the invention is based on a valve for controlling liquids according to the type defined in claim 1.
  • 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 an adaptive, mechanical tolerance compensation acting in the stroke direction for a displacement transformer of the piezoelectric actuator, in which the deflection of the piezoelectric actuator is transmitted via a hydraulic chamber.
  • the hydraulic chamber which works as a so-called hydraulic ratio, closes between two pistons delimiting it, one of which is designed as an actuating piston with a smaller diameter and is connected to a valve-closing member to be controlled and the other piston is designed as an actuating piston with a larger diameter and with the piezoelectric actuator is connected, a common compensation volume.
  • This can NEN tolerances due to temperature gradients in the component as well as possible setting effects can be compensated for without a change in the position of the valve member to be controlled.
  • the hydraulic chamber is clamped between the two pistons in such a way that the actuating piston of the valve member makes a stroke which is increased by the transmission ratio of the piston diameter when the larger piston is moved by a certain distance by the piezoelectric actuator.
  • the valve member, the pistons and the piezoelectric actuator lie one behind the other on a common axis.
  • valves A disadvantage of such valves is, in particular, the large overall length, which results from the pistons arranged one behind the other in the longitudinal direction and is very cumbersome with a small available installation space.
  • valve according to the invention for controlling liquids according to the features of claim 1 with an actuating piston, which is arranged in a blind bore of the actuating piston, and with at least one reducing element for realizing the translation advantageously requires only a very small installation space.
  • the leakage losses from the hydraulic chamber can be significantly reduced with the valve according to the invention, since the sealing gaps between the actuating piston, actuating piston and reducing element which run parallel in the solution according to the invention allow far less liquid to escape than via the inevitably larger circumferential surfaces of actuators and actuators arranged in series actuating piston.
  • the transmission ratio is constructive in the valve according to the invention in a particularly simple manner via the area ratios between the cross-sectional area of the actuating piston on the hydraulic chamber, ie the base area of the blind bore, and the cross-sectional area, which is composed of the cross section of the actuating piston and the cross section of the at least one reducing element, realized.
  • the actuating piston can be displaced together with the at least one reducing element for a first partial length of its maximum stroke, and that the actuating piston has a remaining one in the bore of the valve body as soon as the stop for the at least one reducing element is reached Stroke runs.
  • the piezoelectric actuator can also be further reduced, since the maximum actuator force is only required for a short stroke path in order to carry out the required stroke path.
  • the valve is particularly suitable as a servo valve for controlling a fuel injection valve for internal combustion engines, in particular a common rail injector, in which only a very limited installation space is available and in which the servo valve must be opened against a high rail pressure , so that a predetermined flow through an injection needle through the valve seat of the valve closing member is made possible.
  • 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 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 figure 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, the injection of diesel fuel being controlled via the pressure level in a valve control chamber 12 which is connected to a high pressure supply.
  • a multi-part valve member 2 is actuated via a piezoelectric unit designed as a piezoelectric actuator 3, the piezoelectric actuator 3 on the side of the valve member facing away from the valve control chamber and combustion chamber 2 is arranged.
  • the piezoelectric actuator 3 constructed in a manner known per se from several layers has an actuator head 4 on its side facing the valve member 2 and is supported on a valve body 5 on the side facing away from the valve member.
  • a control piston 7 of the valve member 2 rests on a support 6.
  • the valve member 2 is axially displaceable in a bore 8 of the valve body 5 designed as a longitudinal bore and, in addition to the actuating piston 7, also comprises an actuating piston 10 actuating a valve closing member 9, the actuating piston 7 and the actuating piston 10 being coupled to one another by means of a hydraulic transmission.
  • the hydraulic transmission is designed with a hydraulic chamber 11, via which the deflection of the piezoelectric actuator 3 is transmitted.
  • the hydraulic chamber 11 is formed in a blind bore 13 of the actuating piston 7 which is open in the valve seat direction and in which the actuating piston 10 is slidably mounted and thereby delimits the hydraulic chamber 11 in the valve seat direction.
  • the transmission ratio results from the ratio between the cross-sectional area A0 of the actuating piston 7 bordering the hydraulic chamber 11 on the one hand and the smaller cross-sectional area AI of the actuating piston 10 on the other hand.
  • a reduction element 14 designed as a bolt is provided on the actuating piston 10 side, which is inserted into a through-bore 17 formed axially in the actuating piston 10 and with a cross-sectional area A2 borders the hydraulic chamber 11.
  • the length of the bolt 14 is selected to be greater than the length of a region 10A of the actuating piston 10 with the cross-sectional area AI bordering on the compensation volume of the hydraulic chamber 11.
  • the cross section of the actuating piston 10 tapers from this area 10A against a contact surface 16 for the valve closing member 9.
  • the reducing element 14 can also be made somewhat shorter in the valve seat direction, so that a stepped translation is possible in which the actuating piston 10 initially together with the reducing element 14 for a first partial length of its maximum stroke is displaceable, namely until the reducing element comes to rest on the stop 15, which is preferably formed on a dividing surface of the split valve body 5.
  • the stop 15 which is preferably formed on a dividing surface of the split valve body 5.
  • valve closing member 9 which in the present case is designed with ball caps and is provided on the end of the valve member 2 on the valve control chamber side, interacts with valve seats 19, 20 formed on the valve body 5, with the lower valve seat 20 being associated with a spring device 21 which the valve closing member 9 stops at the upper valve seat 19 when the valve control chamber 12 is relieved.
  • the valve seats 19, 20 are formed in a first valve chamber 22 formed in the valve body 5, which has a leakage outlet channel 23 and a valve system pressure chamber 24 leading compensation channel 25 of a filling device 26 is connected.
  • valve closing member 9 which of course can also cooperate with only one valve seat in an alternative embodiment, separates a low-pressure region 27 with a system pressure from a high-pressure region 28 with a high pressure or rail pressure.
  • the bore 8 is followed by a second valve chamber 29, which is delimited on the one hand by the valve body 5 and on the other hand by a sealing element 30 connected to the actuating piston 7 and the valve body 5, the sealing element 30 in the present case being a bellows - Term membrane is formed and prevents the piezoelectric actuator 3 from coming into contact with the fuel contained in the low pressure region 27.
  • the hydraulic chamber 11 is refilled with hydraulic fluid from the high-pressure region 28 during a pause in the activation or energization of the piezoelectric actuator 3 to compensate for a leakage quantity in the low-pressure region 27.
  • a channel-like cavity 31 opens into the system pressure chamber 24 of the low-pressure region 27, which is designed as a bore in a region 7A of the actuating piston 7 surrounding the actuating piston 10 between a gap 32 surrounding the actuating piston 7 and a gap 33 surrounding the actuating piston 10.
  • the filling device 26 can have a suitable throttling in relation to the high-pressure region 28 and a suitable device for releasing excess pressure.
  • the fuel injection valve 1 operates in the manner described below.
  • valve closing member 9 of the valve member 2 is held in contact with the upper valve seat 19 by the high pressure or rail pressure in the high pressure region 28, so that no fuel from the high pressure storage space (common rail) common to a plurality of fuel injection valves. connected valve control chamber 12 can get into the first valve chamber 22 and then escape through the leakage drain channel 23.
  • the actuating piston 7 presses in the valve seat direction while reducing the compensation volume of the hydraulic chamber 11 and retracts accordingly when the temperature drops, without this having any effect on the closing and Open position of the valve member 2 and the fuel valve 1 has a total.
  • the valve closing member 9 must be opened against the direction of flow and thus against the rail pressure in the high pressure region 28. The actuator force required for this is generated by the piezoelectric actuator 3, which suddenly expands axially when energized and builds up a certain pressure in the hydraulic chamber 11 by displacing the actuating piston 7 in the valve seat direction.
  • a hydraulic force which corresponds to the force of the piezoelectric actuator 3 is thus exerted on the actuating piston 10 and the reducing element or the bolt 14 via the hydraulic chamber 11. Since the reducing element 14 is supported on the shoulder 15 in the bore 8 of the valve body 5 in the embodiment shown, only the actuating piston 10 is moved by a greater stroke, the larger the cross-sectional area A2 of the reducing element 14 compared to the cross-sectional area AI of the actuating piston 10 is.
  • valve closing member 9 is brought into a central position between the two valve seats 19, 20 and then moved into a closed position on the lower valve seat 20, as a result of which no fuel reaches the first valve chamber 22 from the valve control chamber 12.
  • valve closing member 9 If the energization of the piezoelectric actuator 3 is interrupted, it shortens again, and the valve closing member 9 is brought into the central position between the two valve seats 19, 20, with one ne fuel injection takes place. After the pressure reduction in the valve chamber 22 through the leakage drain channel 23, the valve closing member 9 moves into its closed position to the upper valve seat 19, in which it is held by the spring device 21.
  • the exemplary embodiment relates to a non-force-balanced fuel injection valve
  • the invention can of course also be used in force-balanced designed valves.
  • the invention is also not limited to fuel injection valves, but is suitable for all valves with a piezoelectric actuator system in which a valve closing member separates a high pressure area from a low pressure area, such as e.g. in pumps.

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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 in Patentanspruch 1 näher definierten Art aus.
Aus der EP 0 477 400 AI ist ein Ventil, welches über einen piezoelektrischen Aktor betätigbar ist, bereits bekannt. Dieses bekannte Ventil weist eine Anordnung für einen in Hubrichtung wirkenden adaptiven, mechanischen Toleranzausgleich für einen Wegtransformator des piezoelektrischen Aktors auf, bei der die Auslenkung des piezoelektrischen Aktors über eine Hydraulikkammer übertragen wird. Die Hydraulikkammer, welche als eine sogenannte hydraulische Übersetzung arbeitet, schließt zwischen zwei sie begrenzenden Kolben, von denen einer als Betätigungskolben mit einem kleineren Durchmesser ausgebildet ist und mit einem anzusteuernden Ventilschließglied verbunden ist und der andere Kolben als Stellkolben mit einem größeren Durchmesser ausgebildet ist und mit dem piezoelektrischen Aktor verbunden ist, ein gemeinsames Ausgleichsvolumen ein. Über dieses kön- nen Toleranzen aufgrund von Temperaturgradienten im Bauteil sowie eventuelle Setzeffekte ausgeglichen werden, ohne daß dadurch eine Änderung der Position des anzusteuernden Ventilgliedes auftritt.
Die Hydraulikkammer ist dabei derart zwischen den beiden Kolben eingespannt, daß der Betätigungskolben des Ventilgliedes 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.
Nachteilig ist bei derartigen Ventilen insbesondere die große Baulänge, welche sich durch die in Längsrichtung hintereinander angeordneten Kolben ergibt und bei geringem zur Verfügung stehenden Einbauraum sehr hinderlich ist.
Des weiteren sind bei solchen Ventilen die Leckageverluste aus der Hydraulikkammer entlang eines den Stellkolben bzw. den Betätigungskolben umgebenden Spaltes problematisch, da diese Verluste zu einer empfindlichen Verschlechterung des Wirkungsgrades führen können.
Die beschriebenen Nachteile der bekannten Lösungen treffen vor allem auf Servoventile zur Ansteuerung von als Common-Rail-Injektoren ausgebildeten Kraftstoffein- spritzventilen zu, bei denen ein hoher Wirkungsgrad er- wünscht ist sowie ein nur sehr begrenzter Bauraum zur Verfügung steht.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil zur Steuerung von Flüssigkeiten gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 mit einem Betätigungskolben, welcher in einer Sackbohrung des Stellkolbens angeordnet ist, und mit wenigstens einem Reduzierelement zur Realisierung der Übersetzung benötigt in vorteilhafter Weise einen nur sehr kleinen Einbauraum.
Des weiteren lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Ventil die Leckverluste aus der Hydraulikkammer deutlich reduzieren, da durch die bei der erfindungsgemäßen Lösung parallel verlaufenden Dichtspalte zwischen Stellkolben, Betätigungskolben und Reduzierelement weit weniger Flüssigkeit entweichen kann als über die zwangsläufig größeren ümfangsflachen von seriell hintereinander angeordneten Stell- und Betätigungskolben.
Aufgrund der geringeren Leckverluste insbesondere bei kleinen Übersetzungen wird ein besserer Wirkungsgrad realisiert. Zudem kann ein kleinerer bzw. kürzerer piezoelektrischer Aktor eingesetzt werden, wodurch die Fertigungskosten für das erfindungsgemäße Ventil deutlich gesenkt werden können, da die Dimensionierung des piezoelektrischen Aktors ein bedeutender Kostenfaktor ist. Das Übersetzungsverhältnis wird konstruktiv bei dem erfindungsgemäßen Ventil auf besonders einfache Weise über die Flächenverhältnisse zwischen der Querschnittsfläche des Stellkolbens an der Hydraulikkammer, d.h. der Grundfläche der Sackbohrung, und der Querschnittsfläche, welche sich aus dem Querschnitt des Betätigungskolbens und dem Querschnitt des wenigstens einen Reduzierelementes zusammensetzt, realisiert.
In einer sehr vorteilhaften Weiterführung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der Betätigungskolben zusammen mit dem wenigstens einen Reduzierelement für eine erste Teillänge seines maximalen Hubweges verschiebbar ist, und daß der Betätigungskolben ab Erreichen des Anschlags für das wenigstens eine Reduzierelement in der Bohrung des Ventilkörpers einen verbleibenden Hubweg ausführt .
Damit wird die Erkenntnis berücksichtigt, daß der piezoelektrische Aktor zwar eine große Kraftreserve liefert solange der Aktorhub klein ist, daß aber der maximale Hub piezoelektrischer Aktoren ebenfalls klein ist. Mit einer erfindungsgemäßen Stufenübersetzung ist es aber in vorteilhafter Weise möglich, eine große Kraft auf das Ventilschließglied für eine erste Teillänge des maximalen Hubweges aufzubringen, da das Übersetzungsverhältnis gegenüber dem Stellkolben 1:1 beträgt. Damit kann das Ventilschließglied gegen einen sehr hohen Druck geöffnet werden. Nachdem das Reduzierelement seinen Anschlag erreicht hat, kann der Betätigungskolben je nach Dimensionierung einen restlichen Hubweg mit geringerer Kraft überwinden.
Mit einer derartigen erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Ventils kann zudem der piezoelektrische Aktor weiter verkleinert werden, da zur Ausführung des erforderlichen Hubweges die maximale Aktorkraft nur noch für einen geringen Hubweg erforderlich ist.
Mit seiner erfindungsgemäßen Ausgestaltung eignet sich das Ventil in besonderer Weise als Servoventil zur Ansteuerung eines Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen, insbesondere eines Common-Rail- Injektors, bei dem ein nur sehr begrenzter Bauraum zur Verfügung steht und bei dem das Servoventil gegen einen hohen Raildruck geöffnet werden muß, damit ein durch eine Einspritznadel vorgegebener Durchfluß durch den Ventilsitz des Ventilschließgliedes ermöglicht wird.
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 zeigt eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung bei einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen im Längsschnitt.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Das in der Figur 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 Einspritzung von Dieselkraftstoff über das Druckniveau in einem Ventilsteuerraum 12, welcher mit einer Hochdruckversorgung verbunden ist, gesteuert wird.
Zur Einstellung eines Einspritzbeginns, einer Einspritzdauer und einer Einspritzmenge in dem vorliegend nicht kraftausgeglichen ausgestalteten Kraftstoffeinspritzventil 1 wird ein mehrteiliges Ventilglied 2 über eine als piezoelektrischer Aktor 3 ausgebildete piezoelektrische Einheit angesteuert, wobei der piezoelektrische Aktor 3 auf der ventilsteuerraum- und brennrau- mabgewandten Seite des Ventilgliedes 2 angeordnet ist.
Der auf an sich bekannte Weise aus mehreren Schichten aufgebaute piezoelektrische Aktor 3 weist auf seiner dem Ventilglied 2 zugewandten Seite einen Aktorkopf 4 auf und stützt sich auf der dem Ventilglied abgewandten Seite an einem Ventilkörper 5 ab. An dem Aktorkopf 4 liegt über ein Auflager 6 ein Stellkolben 7 des Ventilgliedes 2 an. Das Ventilglied 2 ist in einer als Längsbohrung ausgeführten Bohrung 8 des Ventilkörpers 5 axial verschiebbar und umfaßt neben dem Stellkolben 7 noch einen ein Ventilschließglied 9 betätigenden Betätigungskolben 10, wobei der Stellkolben 7 und der Betätigungskolben 10 mittels einer hydraulischen Übersetzung miteinander gekoppelt sind.
Die hydraulische Übersetzung ist mit einer Hydraulikkammer 11 ausgebildet, über die die Auslenkung des piezoelektrischen Aktors 3 übertragen wird. Die Hydraulikkammer 11 ist dabei in einer in Ventilsitzrichtung offenen Sackbohrung 13 des Stellkolbens 7 ausgebildet, in welcher der Betätigungskolben 10 verschiebbar gelagert ist und dabei die Hydraulikkammer 11 in Ventilsitzrichtung begrenzt. Das Übersetzungsverhältnis ergibt sich dabei aus dem Verhältnis zwischen der an die Hydraulikkammer 11 grenzenden Querschnittsfläche A0 des Stellkolbens 7 einerseits und der kleineren Querschnittsfläche AI des Betätigungskolbens 10 andererseits.
Zum Ausgleich der Differenz zwischen der Querschnittsfläche AI des Betätigungskolbens 10 und der größeren Querschnittsfläche A0 an dem Stellkolben 7 ist seitens des Betätigungskolbens 10 ein als Bolzen ausgebildetes Reduzierelement 14 vorgesehen, welches in eine axial in dem Betätigungskolben 10 ausgebildeten Durchgangsbohrung 17 eingesetzt ist und mit einer Querschnittsfläche A2 an die Hydraulikkammer 11 grenzt. Die Querschnittsfläche AI des Betätigungskolbens 10 und die Quer- schnittsfläche A2 des Reduzierelementes 14 ergeben zusammen unter Vernachlässigung von Spaltflächen die an die Hydraulikkammer 11 grenzende Querschnittsfläche A0 des Stellkolbens 7. Damit ist bei Betätigung des Stellkolbens 7 über die Hydraulikkammer 11 ein Verschieben des Betätigungskolbens 10 in Ventilsitzrichtung über wenigstens eine Teillänge seines maximalen Hubweges möglich, während der als Reduzierelement vorgesehene Bolzen 14 an einem Anschlag 15 in der Bohrung 8 abgestützt ist.
Bei der in der Figur dargestellten Ausführung ist die Länge des Bolzens 14 größer als die Länge eines Bereiches 10A des Betätigungskolbens 10 mit der an das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer 11 grenzenden Querschnittsfläche AI gewählt. Der Querschnitt des Betätigungskolbens 10 verjüngt sich von diesem Bereich 10A entgegen einer Anlagefläche 16 für das Ventilschließglied 9.
In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungen kann selbstverständlich auch vorgesehen sein, daß als Reduzierelement mehrere Bolzen vorhanden sind oder daß das Reduzierelement eine andere Form, wie z.B. eine Ringform, aufweist .
Des weiteren kann das Reduzierelement 14 in Ventilsitzrichtung auch etwas kürzer ausgeführt sein, so daß eine gestufte Übersetzung möglich ist, bei der der Betätigungskolben 10 zunächst zusammen mit dem Reduzierelement 14 für eine erste Teillänge seines maximalen Hub- weges verschiebbar ist, nämlich bis das Reduzierelement an dem vorzugsweise an einer Teilungsfläche des geteilt ausgeführten Ventilkörpers 5 ausgebildeten Anschlag 15 zum Anliegen kommt. Mit der bis dahin wirkenden 1:1 Kopplung kann eine große Kraft auf das Ventilschließglied 9 aufgebracht werden, während bei der anschließenden alleinigen Fortbewegung des Betätigungskolbens 10 ein großer Resthub durchgeführt werden kann, der einen stabilen Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils 1 sicherstellt, da zum einen die Ventilstellung eindeutig ist und zum anderen eine für Com on-Rail-Injektoren typische Ablaufdrossel 18 sicher kavitieren kann.
Zur Erzielung dieses Effekts kann es ausreichend sein, das Reduzierelement 14 gegenüber der zuvor beschriebenen Ausführung in einer so geringen Größenordnung zu verkürzen, daß sich diese Variante bei den gegebenen Größenverhältnissen von der in der Figur gezeigten Ausführung zeichnerisch unmerklich unterscheidet.
Das Ventilschließglied 9, welches vorliegend mit Kugelkappen ausgebildet ist und an dem ventilsteuerraumsei- tigen Ende des Ventilgliedes 2 vorgesehen ist, wirkt mit an dem Ventilkörper 5 ausgebildeten Ventilsitzen 19, 20 zusammen, wobei dem unteren Ventilsitz 20 eine Federeinrichtung 21 zugeordnet ist, die das Ventilschließglied 9 bei Entlastung des Ventilsteuerraumes 12 am oberen Ventilsitz 19 hält. Die Ventilsitze 19, 20 sind in einem in dem Ventilkörper 5 gebildeten ersten Ventilraum 22 ausgebildet, der mit einem Leckageablauf- kanal 23 und mit einem zu einem Ventilsystemdruckraum 24 führenden Ausgleichkanal 25 einer Befülleinrichtung 26 verbunden ist.
Das Ventilschließglied 9, welches in einer alternativen Ausführung selbstverständlich auch mit nur einem Ventilsitz zusammenwirken kann, trennt einen Niederdruckbereich 27 mit einem Systemdruck von einem Hochdruckbereich 28 mit einem Hochdruck bzw. Raildruck.
An dem piezoseitigen Ende des Ventilglieds 2 schließt sich an die Anbohrung 8 ein zweiter Ventilraum 29 an, welcher einerseits durch den Ventilkörper 5 und andererseits durch ein mit dem Stellkolben 7 und dem Ventilkörper 5 verbundenes Dichtelement 30 begrenzt ist, wobei das Dichtelement 30 vorliegend als faltenbalgar- tige Membran ausgebildet ist und verhindert, daß der piezoelektrische Aktor 3 mit dem in dem Niederdruckbereich 27 enthaltenen Kraftstoff in Kontakt kommt.
Über die Befülleinrichtung 26 wird die Hydraulikkammer 11 während einer Ansteuer- bzw. Bestromungspause des piezoelektrischen Aktors 3 zum Ausgleich einer Leckagemenge des Niederdruckbereiches 27 mit Hydraulikflüssigkeit aus dem Hochdruckbereich 28 wiederbefüllt . Hierzu mündet ein kanalartiger Hohlraum 31 in den Systemdruckraum 24 des Niederdruckbereiches 27, welcher als Bohrung in einem den Betätigungskolben 10 umgebenden Bereich 7A des Stellkolbens 7 zwischen einem den Stellkolben 7 umgebenden Spalt 32 und einem den Betätigungskolben 10 umgebenden Spalt 33 ausgeführt ist. Es versteht sich, daß auch andere konstruktive Ausgestaltungen des Systemdruckraumes denkbar sind und daß die Befülleinrichtung 26 eine geeignete Drosselung gegenüber dem Hochdruckbereich 28 sowie eine geeignete Vorrichtung zum Ablassen eines Überdruckes aufweisen kann.
Das Kraftstoffeinspritzventil 1 gemäß der Figur arbeitet in nachfolgend beschriebener Weise.
In geschlossenem Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 1, d.h. bei unbestromtem piezoelektrischen Aktor 3, wird das Ventilschließglied 9 des Ventilglieds 2 durch den Hochdruck bzw. Raildruck in dem Hochdruckbereich 28 in Anlage an dem oberen Ventilsitz 19 gehalten, so daß kein Kraftstoff aus dem mit einem für mehrere Kraftstoffeinspritzventile gemeinsamen Hochdruckspeicherraum (Common-Rail) verbundenen Ventilsteuerraum 12 in den ersten Ventilraum 22 gelangen und dann durch den Leckageablaufkanal 23 entweichen kann.
Bei einer langsamen Betätigung, wie sie bei einer temperaturbedingten Längenänderung des piezoelektrischen Aktors 3 oder weiterer Ventilbauteile auftritt, drückt der Stellkolben 7 unter Verkleinerung des Ausgleichsvolumens der Hydraulikkammer 11 in Ventilsitzrichtung und zieht sich bei Temperaturabsenkung entsprechend zurück, ohne daß dies Auswirkungen auf die Schließ- und Öffnungsstellung des Ventilgliedes 2 und des Kraftstoffventils 1 insgesamt hat. Zur Kraftstoffeinspritzung muß das Ventilschließglied 9 gegen die Strömungsrichtung und damit gegen den Raildruck im Hochdruckbereich 28 geöffnet werden. Die hierzu erforderliche Aktorkraft wird durch den piezoelektrischen Aktor 3 erzeugt, welcher sich bei Bestrom- ung schlagartig axial ausdehnt und durch Verschiebung des Stellkolbens 7 in Ventilsitzrichtung einen bestimmten Druck in der Hydraulikkammer 11 aufbaut. Damit wird über die Hydraulikkammer 11 auf den Betätigungskolben 10 sowie das Reduzierelement bzw. den Bolzen 14 eine hydraulische Kraft ausgeübt, welche der Kraft des piezoelektrischen Aktors 3 entspricht. Da bei der gezeigten Ausführung das Reduzierelement 14 an dem Absatz 15 in der Bohrung 8 des Ventilkörpers 5 abgestützt ist, wird lediglich der Betätigungskolben 10 um einen umso größeren Hub bewegt, je größer die Querschnittsfläche A2 des Reduzierelements 14 im Vergleich zu der Querschnittsfläche AI des Betätigungskolbens 10 ist.
Bei dem in der Figur gezeigten Doppelsitzventil wird dabei das Ventilschließglied 9 in eine Mittelstellung zwischen den beiden Ventilsitzen 19, 20 gebracht und anschließend in eine Schließstellung an den unteren Ventilsitz 20 bewegt, wodurch kein Kraftstoff mehr aus dem Ventilsteuerraum 12 in den ersten Ventilraum 22 gelangt.
Wenn die Bestromung des piezoelektrischen Aktors 3 unterbrochen wird, verkürzt sich dieser wieder, und das Ventilschließglied 9 wird in die Mittelstellung zwischen die beiden Ventilsitze 19, 20 gebracht, wobei ei- ne erneute Kraftstoffeinspritzung erfolgt. Nach dem Druckabbau in dem Ventilraum 22 durch den Leckageablaufkanal 23 bewegt sich das Ventilschließglied 9 in seine Schließstellung zum oberen Ventilsitz 19, in der es durch die Federeinrichtung 21 gehalten wird.
Bei jeder Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 3 wird eine Kraftstoffeinspritzung und eine erforderliche Wiederbefüllung der Hydraulikkammer 11 bei dem erfindungsgemäßen Ventil 1 durchgeführt, wobei im Hochdruckbereich 28 durch axiale Bewegungen eines Ventilsteuerkolbens in dem Ventilsteuerraum 12 eine Einspritzdüse auf an sich bekannte Art mit Kraftstoff versorgt wird.
Wenngleich sich das Ausführungsbeispiel auf ein nicht kraftausgegliches Kraftstoffeinspritzventil bezieht, kann die Erfindung selbstverständlich auch bei kraftausgeglichen gestalteten Ventilen Verwendung finden. Die Erfindung ist auch nicht auf Kraftstoffeinspritz- ventile beschränkt, sondern sie eignet sich bei allen Ventilen mit einer piezoelektrischen Aktuatorik, bei denen ein Ventilschließglied einen Hochdruckbereich von einem Niederdruckbereich trennt, wie z.B. in Pumpen.

Claims

Ansprüche
1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, mit einer piezoelektrischen Einheit (3) zur Betätigung eines in einer Bohrung (8) eines Ventilkörpers (9) verschiebbaren Ventilglieds (2) , welches wenigstens einen Stellkolben (7) und wenigstens einen Betätigungskolben (10) aufweist zur Betätigung eines Ventilschließgliedes (9) , welches mit wenigstens einem an dem Ventilkörper (5) vorgesehenen Ventilsitz (19, 20) zum Öffnen und Schließen des Ventils (1) zusammenwirkt, und mit einer als Toleranzausgleichselement und als hydraulische Übersetzung arbeitenden Hydraulikkammer (11) zwischen Stellkolben (7) und Betätigungskolben (10), dadurch gekennzeichnet, daß der Stellkolben (7) eine in Ventilsitzrichtung offene Sackbohrung (12) aufweist, in welcher der Betätigungskolben (10) die Hydraulikkammer (11) begrenzend und verschiebbar gelagert ist, wobei eine jeweils an die Hydraulikkammer (11) grenzende Querschnittsfläche (A0) des Stellkolbens (7) wenigstens annähernd einer kleineren Querschnittsfläche (AI) des Betätigungskolbens (10) zusammen mit einer Querschnittsfläche (A2) wenigstens eines Reduzierelementes (14) entspricht, und wobei eine Übersetzung derart vorgesehen ist, daß der Betätigungskolben (10) für wenigstens eine Teillänge seines maximalen Hubweges in Ventilsitzrichtung verschiebbar ist, während das wenigstens eine Reduzierelement (14) an einem Anschlag (15) in der Bohrung (8) abgestützt ist.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine gestufte Übersetzung derart vorgesehen ist, daß der Betätigungskolben (10) zusammen mit dem wenigstens einen Reduzierelement (14) für eine erste Teillänge seines maximalen Hubweges verschiebbar ist, und daß der Betätigungskolben (10) ab Erreichen des Anschlags (15) für das wenigstens eine Reduzierelement (14) einen verbleibenden Hubweg ausführt.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Reduzierelement als ein Bolzen (14) ausgebildet ist, welcher in eine axial in dem Betätigungskolben (10) ausgebildete Durchgangsbohrung (17) eingesetzt ist.
4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des (der) Bolzen (s)
(14) größer ist als die Länge des Bereiches (10A) des Betätigungskolbens (10) mit seiner Querschnittsfläche (AI) .
5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt des Betätigungskolbens (10) entgegen einer Anlagefläche (16) für das Ventilschließglied (9) verjüngt.
6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (15) für den (die) Bolzen (14) als Absatz in der Bohrung (8) des Ventilkörpers (5) , vorzugsweise an einer Teilungsfläche des Ventilkörpers (5), ausgebildet ist.
7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungskolben (10) an einen ersten Ventilraum (22) grenzt, in dem der wenigstens eine Sitz (19, 20) für das Ventilschließglied (9) vorgesehen ist, wobei das Ventilschließglied (9) einen Niederdruckbereich (27) in dem Ventil (1) von einem Hochdruckbereich (28) trennt, und daß der Stellkolben (7) in einem an die Bohrung (8) des Ventilkörpers (5) anschließenden Bereich von einem zweiten Ventilraum (29) umgeben ist.
8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Befülleinrichtung (26) zum Ausgleich einer Leckagemenge des Niederdruckbereiches (27) durch Entnahme von Hydraulikflüssigkeit des Hochdruckbereichs (28) vorgesehen ist, wobei die Befülleinrichtung (26) in dem Ventilkörper (5) mit einem kanalartigen Hohlraum (31) ausgebildet ist, der in einen Systemdruckraum (24) des Niederdruckbereiches (27) mündet, vorzugsweise in einen den Stellkolben (7) und/oder den Betätigungskolben (10) umgebenden Spalt (32, 33) , und der hochdruckseitig vorzugsweise in den ersten Ventilraum (22) mündet.
9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Systemdruckraum (24) als Bohrung in einem den Betätigungskolben (10) umgebenden Bereich (7A) des Stellkolbens (7) ausgeführt ist, wobei der Systemdruckraum (24) in den den Betätigungskolben (10) umgebenden Spalt (33) mündet.
10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es in sich kraftunausgeglichen ausgestaltet ist.
11. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Bestandteil eines Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen, insbesondere eines Common-Rail-Injektors (1) •
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