EP1276985A1 - Ventil zum steuern von flüssigkeiten - Google Patents

Ventil zum steuern von flüssigkeiten

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EP1276985A1
EP1276985A1 EP01916927A EP01916927A EP1276985A1 EP 1276985 A1 EP1276985 A1 EP 1276985A1 EP 01916927 A EP01916927 A EP 01916927A EP 01916927 A EP01916927 A EP 01916927A EP 1276985 A1 EP1276985 A1 EP 1276985A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
pressure
piston
throttle body
system pressure
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01916927A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Patrick Mattes
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 EP1276985A1 publication Critical patent/EP1276985A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02M63/0031—Valves characterized by the type of valves, e.g. special valve member details, valve seat details, valve housing details
    • F02M63/0033—Lift valves, i.e. having a valve member that moves perpendicularly to the plane of the valve seat
    • F02M63/0036—Lift valves, i.e. having a valve member that moves perpendicularly to the plane of the valve seat with spherical or partly spherical shaped valve member ends
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    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
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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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    • 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
    • F02M2200/705—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic with means for filling or emptying hydraulic chamber, e.g. for compensating clearance or thermal expansion

Definitions

  • the invention is based on a valve for controlling liquids according to the type defined in more detail in claim 1.
  • the actuating piston thus 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.
  • This known valve is provided for separating a low-pressure area from a high-pressure area and can be used, for example, in fuel injectors, in particular common-rail injectors, or in pumps of motor vehicles, where different types of such valves are also known in practice.
  • the hydraulic system in the low-pressure range in particular in the hydraulic coupler, requires a system pressure which, however, drops due to leakage if there is insufficient refilling with hydraulic fluid.
  • a filling device is therefore generally provided, with which pressure medium can be fed from the high pressure area into the system pressure area.
  • a system pressure in the hydraulic chamber which is essentially constant and is at least largely independent of the prevailing high pressure in the high-pressure range, creates the problem that, at high pressure values, a large actuator force is required to open the valve closing member against the high-pressure direction, which requires the use of a large one and correspondingly expensive actuator. Furthermore, at high pressure in the high pressure range, the displacement of hydraulic volume from the hydraulic chamber via the gaps surrounding the adjacent pistons is correspondingly increased, whereby the refilling time for building up and maintaining the system pressure on the low pressure side may be extended in such a way that there is a lack of complete refilling shortly thereafter subsequent actuation of the valve, a shorter valve lift is carried out, which may have a negative influence on the opening behavior of the entire valve.
  • the valve according to the invention for controlling liquids with the features of claim 1 has the advantage that the system pressure can be varied in a structurally simple manner depending on the pressure prevailing in the high pressure range. Due to the high-pressure-dependent refilling, an increase in the system pressure in the hydraulic chamber is possible at a high pressure level in the high-pressure range, as a result of which the actuating piston is supported to open the valve closing member against the high pressure that is present. In front- In some cases, a reduced control voltage of the actuator unit compared to a valve with constant system pressure is required, which is why the valve according to the invention can be equipped with a smaller and less expensive actuator unit. In addition, the valve according to the invention enables a defined filling of the low pressure area, in particular the hydraulic chamber. With increasing pressure in the high pressure range, the refilling time can be shortened with the variable system pressure.
  • the solution according to the invention is characterized by its simple nature, which allows the variable system pressure in the hydraulic chamber to be defined by easily adjustable geometric variables such as the diameter and lengths of the throttle body and the piston, along which the system pressure is reduced towards the low-pressure region.
  • the robustness of the system pressure supply against particles or dirt in the hydraulic fluid is particularly advantageous, which is due to the configuration of the refilling device with a quasi-bypass flow. This ensures the reliable provision of the required system pressure in the entire engine map.
  • the at least one throttle body is arranged axially adjustable in the cavity, wherein it is preferably movable in such a way that it branches off the system pressure line when the system pressure drops. pressure at least partially overlaps. This shortens the length of the gap around the throttle body, which results in a higher flow and an increase in the system pressure.
  • the valve according to the invention is particularly suitable for controlling fuel injection valves, but in principle it can also be implemented in all hydraulically translated systems with a piezoelectric actuator or a magnetic actuator, such as in pumps.
  • Figure 1 is a schematic, partial representation of a first embodiment of the invention in a fuel injector in longitudinal section
  • FIG. 2 shows a schematic, partial illustration of a further exemplary embodiment of the invention in longitudinal section, in which case a throttle body of a filling device is mounted so as to be axially displaceable. Description of the embodiments
  • FIG. 1 shows a realization of a valve according to the invention in a fuel injection valve 1 for internal combustion engines of motor vehicles.
  • This fuel injection valve 1 is designed here as a common rail injector for the injection of preferably diesel fuel, the fuel injection being controlled via the pressure level in a valve control chamber 2, which is connected to a high pressure supply.
  • a valve member 3 is actuated via an actuator unit designed as a piezoelectric actuator 4, which is arranged on the side of the valve member 3 facing away from the valve control chamber 2 and is constructed in a manner known per se from several layers.
  • the piezoelectric actuator 4 has an actuator head 5 on its side facing the valve member 2 and an actuator foot ⁇ on its side facing away from the valve member 3, which is supported on a wall of a valve body 7.
  • the valve member 3 comprises a second piston 11, which is also displaceably arranged in a longitudinal bore 10 of the valve body 7 and which has a valve closing member 12 actuated and is therefore also referred to as an actuating piston.
  • the two pistons 9 and 11 delimit a hydraulic chamber 13, which serves as a hydraulic coupler and transmits the deflection of the piezoelectric actuator 4. Since the diameter AI of the second piston 11 is smaller than the diameter of the first piston 9, the second piston 11 makes a stroke which is increased by the transmission ratio of the piston diameter when the larger first piston 9 is moved by the piezoelectric actuator 4 by a certain distance.
  • the hydraulic chamber 13 also serves to compensate for tolerances due to temperature gradients in the component or different coefficients of thermal expansion of the materials used and any setting effects, so that these have no effect on the position of the valve closing element 12 to be controlled.
  • valve seats 14, 15 formed on the valve body 7 and thereby separates a low-pressure region 16 with the system pressure p_sys from a high-pressure region 17 with a high pressure or rail pressure p_R.
  • the valve seats 14, 15 are formed in a valve chamber 18 formed by the valve body 7, from which a leakage drain channel 19 leads away on the side of the valve seat 14 facing the piezoelectric actuator 4. Having high pressure the valve chamber 18 can be connected to the valve control chamber 2 of the high-pressure region 17 via the second valve seat 15 and an outlet throttle 20.
  • valve control chamber 2 which is not shown in any more detail, a movable valve control piston can be arranged in a manner known per se, by means of its axial movements in the valve control chamber 2, which is connected in the usual way to an injection line, which is connected to a high-pressure storage chamber (common for several fuel injection valves) -Rail) is connected and supplies an injection nozzle with fuel, the injection behavior of the fuel injection valve 1 is controlled.
  • a high-pressure storage chamber common for several fuel injection valves
  • a further valve pressure chamber 21 adjoins the piezo-side end of the bore 10 with the valve member 3 and is delimited by the valve body 7, the first piston 9 and a sealing element 22 connected to the first piston 9 and to the valve body 7.
  • a leakage line 23 leads out of this valve pressure chamber 21.
  • the sealing element 22 is designed as a bellows-like membrane and prevents the actuator 4 from coming into contact with the fuel contained in the low-pressure region 16.
  • a filling device 24 is provided. This has a channel-like cavity 25, in which a pin-like throttle body 26 is arranged with a gap 27 surrounding it.
  • a system pressure line 28 branches off, which leads to hydraulic chamber 13.
  • the system pressure line 28 opens into a gap 29 surrounding the first piston 9, via which the system pressure is reduced to the valve pressure chamber 21 and thus to the low pressure region 16.
  • system pressure line 28 opens into a gap 30 surrounding the second piston 11, as is indicated in FIG. 1 by the line 28 ⁇ , or that the system pressure line is direct opens into the hydraulic chamber 13.
  • the indirect filling of the hydraulic chamber 13 serves to improve the pressure holding capacity in the hydraulic chamber during the activation.
  • the arrangement shown in FIG. 1 thus represents a series connection of two separate pistons, namely the throttle body 26 and the first piston 9, via which the high pressure p_R is reduced to the low pressure region 16.
  • the high pressure p_R is reduced to the system pressure p_sys via the gap 27 of the throttle body 26 which is arranged essentially axially immovably in the cavity 25.
  • the pressure divider ratio is determined by the ratio of the lengths and diameters of the throttle body 26 and the piston connected downstream 9 set.
  • the setting of the system pressure p_sys by the separate piston-like components allows the length of the throttle body to be dimensioned very small, since the second half of the pressure divider is formed by the piston 9.
  • the short lengths or larger diameters allow a higher quality of the components with a simultaneous reduction in the costs of manufacture and, above all, when adjusting or assembling.
  • the system pressure p_sys which is reached after an injection after a certain refilling time, and the ratio of the diameters and leakage gap lengths on the throttle body 26 and the piston 9 is dependent on several parameters, to which the seat diameter A2 of the first valve seat 14 and the ratio of the diameter Count A0 of the first piston 9 to the diameter AI of the second piston 11.
  • the spring force F_F a further parameter for geometrically determining the throttle body 26 and the first piston 9.
  • the system pressure p_sys is set so that it is always less than a maximum permissible system pressure, which in turn corresponds to a pressure level at which occurs an automatic valve opening without actuation of the actuator unit 4.
  • FIG. 2 shows an embodiment variant of the exemplary embodiment shown in FIG. 1, in which, for reasons of clarity, functionally identical components are identified by the reference numerals used in FIG. 1.
  • the throttle body 26 is arranged essentially axially immovably in the cavity 25 of the filling device 24
  • the throttle body 26 is here arranged axially displaceably in the cavity 25 by means of a spring device 32.
  • the throttle body 26 is displaced in the cavity 25 by the spring force of the spring device 32 when the high-pressure region 17 is relieved to a stop 33 on the high-pressure side.
  • high pressure p_R is applied, the throttle body 26 is displaced against the spring force of the spring device 32 and the system pressure.
  • the spring force and the dimensioning of the throttle body 26 are designed such that the throttle body 26 with its end on the system pressure side, which forms a control edge 34, at least partially overlaps the branching of the system pressure line 28 when the system pressure p_sys drops inadmissibly.
  • the spring device 32 thus allows the system pressure p_sys to be automatically corrected as a function of the leakage via the pistons 9 and 11 as a result of temperature and position influences.
  • the overlap shortens the Control edge 34 with the branching of the system pressure line 28, the effective sealing length or leakage gap length along the throttle body 26, and the leaks are compensated. In this way, the system pressure p_sys in the hydraulic chamber can be kept constant.
  • the axial mobility of the throttle body 26 also advantageously ensures that the gap 27 is cleaned independently and is not clogged by dirt particles contained in the fuel.
  • the line 33 of the filling device 24 branching off from the high-pressure region 17 is connected to the valve chamber 18, in which the valve-closing member 12 can be moved between the valve seats 14 and 15, and which can also be integrated in a high-pressure line.
  • the line 33 leading away from the high-pressure region 17 is connected in terms of flow with a high-pressure inlet from a high-pressure pump to the valve control chamber 2 or with other regions in the high-pressure region 17, for example with the valve control chamber or the outlet throttle 20.
  • the fuel injection valve 1 according to FIGS. 1 and 2 operates in the manner described below.
  • the first piston 9 penetrates into the hydraulic chamber 13 with a temperature increase and withdraws from it when the temperature drops without this having any effect on the closed and open position of the valve closing element 12 and the fuel injector 1 in total.
  • the piezoelectric actuator 4 is acted on by voltage, so that it suddenly expands axially.
  • the piezoelectric actuator 4 is supported on the valve body 7 and builds up an opening pressure in the hydraulic chamber 13.
  • the second piston 11 moves the valve closing member 12 out of its upper valve seat 14 into a central position between the two valve seats 14, 15.
  • the piezo side is reached to achieve the equilibrium pressure a greater force is required. This is applied by the filling device 24 in that the pressure p_sys in the hydraulic chamber 13 is correspondingly increased at a high rail pressure p_R.
  • the piezo-side force on the valve closing member 12 is increased at the same voltage on the piezoelectric actuator 4, the increase in force resulting from the system pressure p_sys and the diameter AI of the second piston 11.
  • This increase in force corresponds to a substantially higher voltage which would have to be applied to the piezoelectric actuator, so that the force reserve obtained can be used, for example, for the smaller dimensioning of the piezoelectric actuator.
  • valve closing member 12 As soon as the valve closing member 12 has reached its lower valve seat 15 against the rail pressure p_R, the covering of the piezoelectric actuator 4 is interrupted, whereupon the valve member 12 moves back to its central position and fuel is injected again. At the same time, the hydraulic chamber 13 is refilled to the system pressure p_sys via the filling device 23.
  • the described embodiments each relate to a so-called double-seat valve, but the invention can of course also be applied to single-switching valves with only one valve seat.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einer Aktuator-Einheit (4) zur Betätigung eines axial verschiebbaren Ventilglieds (3), welches einen ersten Kolben (9) und einen davon durch eine Hydraulikkammer (13) getrennten zweiten Kolben (11) aufweist, und das ein Ventilschließglied (12) betätigt, das einen Niederdruckbereich (16) mit Systemdruck von einem Hochdruckbereich (17) trennt. Zum Leckageausgleich ist eine mit dem Hochdruckbereich (17) verbindbare Befülleinrichtung (24) mit einem Hohlraum (25) vorgesehen, in dem ein Drosselkörper (26) derart angeordnet ist, daß in den Hohlraum (25) einenends des Drosselkörpers (26) eine zu dem Hochdruckbereich (17) führende Leitung (33) mündet und anderenends eine zu der hydraulischen Übersetzung führende Systemsdruck-Leitung (28) abzweigt. Durch geometrische Festlegung des Drosselkörpers (26), eines ihn umgebenden Spaltes (27) und der Abmessungen des Kolbens (9), entlang dem der Systemdruck zum Niederdruckbereich (16) hin abgebaut wird, wird der Systemdruck (p_sys) in Abhängigkeit des vorliegenden Drucks (p_R) im Hochdruckbereich (17) aufgebaut.

Description

Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß der im Patentanspruch 1 näher definierten Art aus.
Ein derartiges Ventil ist beispielsweise in der EP 0 477 400 AI beschrieben, wobei hier die Auslenkung eines piezoelektrischen Aktors über eine Hydraulikkammer übertragen wird, welche als hydraulische Übersetzung bzw. Toleranzausgleichselement arbeitet und zwischen zwei sie begrenzenden Kolben, von denen einer mit einem kleineren Durchmesser ausgebildet ist und mit einem anzusteuernden Ventilschließglied verbunden ist, und der andere Kolben mit einem größeren Durchmesser ausgebildet ist und mit dem piezoelektrischen Aktor verbunden ist, ein gemeinsames Ausgleichsvolumen einschließt. Somit macht der Betätigungskolben einen um das Übersetzungsverhältnis des Kolbendurchmessers vergrößerten Hub, wenn der größere Kolben durch den piezoelektrischen Aktor um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird. Dieses bekannte Ventil ist zur Trennung eines Niederdruckbereichs von einem Hochdruckbereich vorgesehen und kann zum Beispiel bei Kraftstoffinjektoren, insbesondere Common-Rail-Injektoren, oder Pumpen von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, wo derartige Ventile in unterschiedlichen Ausführungen auch aus der Praxis bekannt sind.
Zur Funktionsfähigkeit eines solchen Ventils benötigt das hydraulische System im Niederdruckbereich, insbesondere im hydraulischen Koppler, einen Systemdruck, welcher jedoch leckagebedingt abfällt, wenn keine ausreichende Nachfüllung mit Hydraulikflüssigkeit stattfindet. Daher ist in der Regel eine Befüllvorrichtung vorgesehen, mit der Druckmittel aus dem Hochdruckbereich in den Systemdruckbereich nachgeführt werden kann.
Für Common-Rail-Injektoren sind aus der Praxis hierzu Lösungen bekannt, bei denen der Systemdruck, der zweckmäßig im Ventil selbst erzeugt wird und auch bei einem Systemstart möglichst konstant sein soll, durch Zuführung von Hydraulikflüssigkeit aus dem Hochdruckbereich des zu steuernden Kraftstoffs in den Niederdruckbereich, in welchem Systemdruck vorherrscht, mit Hilfe von Leckspalten sichergestellt wird, die zum Beispiel durch Leck- bzw. Befüllstifte dargestellt werden. Der Systemdruck wird üblicherweise durch ein Ventil eingestellt und kann zum Beispiel auch von mehreren Common- Rail-Ventilen konstant gehalten werden. Ein Systemdruck in der Hydraulikkammer, welcher im wesentlichen konstant ist und zumindest weitgehend unabhängig von dem vorherrschenden Hochdruck im Hochdruckbereich ist, bereitet jedoch das Problem, daß bei hohen Druckwerten eine große Aktorkraft zur Öffnung des Ventilschließgliedes entgegen der Hochdruckrichtung erforderlich ist, was den Einsatz eines großen und entsprechend kostenintensiven Aktuators bedingt. Des weiteren ist bei hohem Druck im Hochdruckbereich die Verdrängung von Hydraulikvolumen aus der Hydraulikkammer über die die angrenzenden Kolben umgebenden Spalte entsprechend verstärkt, wodurch die Wiederbefüllzeit zum Aufbau und Halten des Systemdrucks auf der Niederdruckseite gegebenenfalls derart verlängert wird, daß mangels vollständiger Wiederbefüllung bei einer kurz darauf folgenden Betätigung des Ventils ein kürzerer Ventilhub ausgeführt wird, der das Öffnungsverhalten des gesamten Ventils unter Umständen negativ beeinflussen kann.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil zur Steuerung von Flüssigkeiten mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 hat den Vorteil, daß der Systemdruck auf konstruktiv einfache Weise in Abhängigkeit des in dem Hochdruckbereich vorherrschenden Druckes variierbar ist. Durch die hochdruckabhängige Wiederbefüllung ist bei hohem Druckniveau im Hochdruckbereich eine Erhöhung des Systemdrucks in der Hydraulikkammer möglich, wodurch der Betätigungskolben zur Öffnung des Ventilschließglieds entgegen dem anstehenden Hochdruck unterstützt wird. Vor- teilhafterweise wird damit eine verringerte Ansteuerspannung der Aktuator-Einheit gegenüber einem Ventil mit konstantem Systemdruck erforderlich, weshalb das erfindungsgemäße Ventil mit einer kleineren und kostengünstigeren Aktuator-Einheit ausgestattet werden kann. Daneben ermöglicht das erfindungsgemäße Ventil eine definierte Befüllung des Niederdruckbereiches, insbesondere der Hydraulikkammer. Bei steigendem Druck im Hochdruckbereich kann dabei mit dem variablen Systemdruck die Wiederbefüllzeit verkürzt werden.
Konstruktiv zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung durch ihre einfache Art aus, die es erlaubt, den variablen Systemdruck in der Hydraulikkammer durch leicht einstellbare geometrische Größen wie Durchmesser und Längen des Drosselkörpers und des Kolbens, entlang dem der Systemdruck zum Niederdruckbereich hin abgebaut wird, zu definieren. Neben den niedrigen Kosten bei Herstellung und Montage ist vor allem die Robustheit der Systemdruckversorgung gegenüber Partikeln bzw. Schmutz in der Hydraulikflüssigkeit vorteilhaft, die auf die Ausgestaltung der Wiederbefülleinrichtung mit einem quasi Nebenstrom zurückzuführen ist. Damit ist die sichere Bereitstellung des erforderlichen Systemdrucks im gesamten Motorkennfeld gewährleistet.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung kann vorgesehen sein, daß der wenigstens eine Drosselkörper in dem Hohlraum axial verstellbar angeordnet ist, wobei er vorzugsweise derart beweglich ist, daß er die Abzweigung der Systemdruck-Leitung bei Absinken des System- druckes wenigstens teilweise überschneidet. Damit verkürzt sich die zu durchströmende Länge des Spaltes um den Drosselkörper, was einen höheren Durchfluß und einen Anstieg des Systemdrucks zur Folge hat.
Das erfindungsgemäße Ventil ist besonders geeignet zur Ansteuerung von Kraftstoffeinspritzventilen, jedoch kann es prinzipiell auch bei allen hydraulisch übersetzten Systemen mit einem piezoelektrischen Aktuator oder einem Magnetsteller, wie zum Beispiel in Pumpen, verwirklicht werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Ventils zur Steuerung von Flüssigkeiten sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung bei einem Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt, und
Figur 2 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung im Längsschnitt, wobei hier ein Drosselkörper einer Be- fülleinrichtung axial verschieblich gelagert ist. Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Verwirklichung eines Ventils gemäß der Erfindung bei einem Kraftstoffeinspritzventil 1 für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen. Dieses Kraftstoffeinspritzventil 1 ist vorliegend als ein Common-Rail- Injektor zur Einspritzung von vorzugsweise Dieselkraftstoff ausgebildet, wobei die Kraftstoffeinspritzung über das Druckniveau in einem Ventilsteuerraum 2, welcher mit einer Hochdruckversorgung verbunden ist, gesteuert wird.
Über Kräfteverhältnisse in dem Kraftstoffeinspritzventil 1 wird ein Einspritzbeginn, eine Einspritzdauer und eine Einspritzmenge eingestellt. Hierzu wird ein Ventilglied 3 über eine als piezoelektrischer Aktor 4 ausgebildete Aktuator-Einheit angesteuert, welcher auf der dem Ventilsteuerraum 2 abgewandten Seite des Ventilgliedes 3 angeordnet ist und in an sich bekannter Weise aus mehreren Schichten aufgebaut ist. Auf seiner dem Ventilglied 2 zugewandten Seite weist der piezoelektrische Aktor 4 einen Aktorkopf 5 und auf seiner dem Ventilglied 3 abgewandten Seite einen Aktorfuß β auf, der sich an einer Wand eines Ventilkörpers 7 abstützt. An dem Aktorkopf 5 liegt über ein Auflager 8 ein erster Kolben 9 des Ventilglieds 3 an, welcher auch als Stellkolben bezeichnet wird. Das Ventilglied 3 umfaßt neben diesem ersten Kolben 9 einen ebenfalls in einer Längsbohrung 10 des Ventilkörpers 7 verschiebbar angeordneten zweiten Kolben 11, welcher ein Ventilschließglied 12 betätigt und daher auch als Betätigungskolben bezeichnet wird.
Die beiden Kolben 9 und 11 begrenzen eine Hydraulikkammer 13, welche als hydraulischer Koppler dient und die Auslenkung des piezoelektrischen Aktors 4 überträgt. Da der Durchmesser AI des zweiten Kolbens 11 kleiner ist als der Durchmesser des ersten Kolbens 9, macht der zweite Kolben 11 einen um das Übersetzungsverhältnis des Kolbendurchmessers vergrößerten Hub, wenn der größere erste Kolben 9 durch den piezoelektrischen Aktor 4 um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird.
Neben ihrer Funktion als hydraulischer Koppler dient die Hydraulikkammer 13 auch zum Ausgleich von Toleranzen aufgrund von Temperaturgradienten im Bauteil oder unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien sowie eventueller Setzeffekte, so daß diese ohne Auswirkung auf die Position des anzusteuernden Ventilschließgliedes 12 bleiben.
An dem ventilsteuerraumseitigen Ende des Ventilgliedes 3 wirkt das kugelartige Ventilschließglied 12 mit an dem Ventilkörper 7 ausgebildeten Ventilsitzen 14, 15 zusammen und trennt dabei einen Niederdruckbereich 16 mit dem Systemdruck p_sys von einem Hochdruckbereich 17 mit einem Hochdruck bzw. Raildruck p_R. Die Ventilsitze 14, 15 sind in einem von dem Ventilkörper 7 gebildeten Ventilraum 18 ausgebildet, von dem ein Leckageablaufka- nal 19 auf der dem piezoelektrischen Aktor 4 zugewandten Seite des Ventilsitzes 14 wegführt. Hochdruckseitig ist der Ventilraum 18 über den zweiten Ventilsitz 15 und eine Ablaufdrossel 20 mit dem Ventilsteuerraum 2 des Hochdruckbereiches 17 verbindbar. In diesem nicht näher dargestellten Ventilsteuerraum 2 kann in an sich bekannter Art und Weise ein bewegbarer Ventilsteuerkolben angeordnet sein, durch dessen axiale Bewegungen in dem Ventilsteuerraum 2, der in üblicher Weise mit einer Einspritzleitung verbunden ist, welche mit einem für mehrere Kraftstoffeinspritzventile gemeinsamen Hochdruckspeicherraum (Common-Rail) verbunden ist und eine Einspritzdüse mit Kraftstoff versorgt, das Einspritzverhalten des Kraftstoffeinspritzventils 1 gesteuert wird.
An das piezoseitige Ende der Bohrung 10 mit dem Ventilglied 3 schließt sich ein weiterer Ventildruckraum 21 an, der durch den Ventilkörper 7, den ersten Kolben 9 und ein mit dem ersten Kolben 9 sowie mit dem Ventilkörper 7 verbundenes Dichtelement 22 begrenzt ist. Aus diesem Ventildruckraum 21 führt eine Leckageleitung 23 ab. In der gezeigten Ausführung ist das Dichtelement 22 als faltenbalgartige Membran ausgebildet und verhindert, daß der Aktor 4 mit dem in dem Niederdruckbereich 16 enthaltenen Kraftstoff in Kontakt kommt.
Zum Ausgleich von Leckageverlusten des Niederdruckbereiches 16 bei einer Betätigung des Kraftstoffeinspritzventils 1 ist eine Befülleinrichtung 24 vorgesehen. Diese weist einen kanalartigen Hohlraum 25 auf, in dem ein stiftartiger Drosselkörper 26 mit einem ihn umgebenden Spalt 27 angeordnet ist. In einen Bereich des Hohlraumes 25 an einem Ende des Drosselkörpers 26 mündet eine von dem Hochdruckbereich 17 herführende Leitung 33, und aus einem Bereich des Hohlraumes 25 an dem entgegengesetzten Ende des Drosselkörpers 26 zweigt eine Systemdruck-Leitung 28 ab, welche zu der Hydraulikkammer 13 führt. Die Systemdruck-Leitung 28 mündet in der gezeigten bevorzugten Ausführung in einen den ersten Kolben 9 umgebenden Spalt 29, über den der Systemdruck zu dem Ventildruckraum 21 und damit zu dem Niederdruckbereich 16 hin abgebaut wird.
Selbstverständlich kann in einer hiervon abweichenden Ausführung auch vorgesehen sein, daß die Systemdruck- Leitung 28 in einen den zweiten Kolben 11 umgebenden Spalt 30 mündet, wie dies in der Figur 1 strichliert mit der Leitung 28 λ angedeutet ist, oder daß die Systemdruck-Leitung direkt in die Hydraulikkammer 13 mündet. Die indirekte Befüllung der Hydraulikkammer 13 dient jedoch einer Verbesserung des Druckhaltevermögens in der Hydraulikkammer während der Ansteuerung.
Die in Figur 1 gezeigte Anordnung stellt somit eine Reihenschaltung von zwei getrennten Kolben dar, nämlich dem Drosselkörper 26 und dem ersten Kolben 9, über die der Hochdruck p_R zum Niederdruckbereich 16 hin abgebaut wird. Dabei wird der Hochdruck p_R über den Spalt 27 des im wesentlichen axial unbeweglich in dem Hohlraum 25 angeordneten Drosselkörpers 26 auf den Systemdruck p_sys reduziert. Das Druckteilerverhältnis wird dabei durch das Verhältnis der Längen und Durchmesser des Drosselkörpers 26 und des nachgeschalteten Kolbens 9 eingestellt. Die Einstellung des Systemdruckes p_sys durch die getrennten kolbenartigen Bauteile erlaubt es, die Länge des Drosselkörpers sehr gering zu dimensionieren, da die zweite Hälfte des Druckteilers durch den Kolben 9 gebildet wird. Die kurzen Längen bzw. größeren Durchmesser erlauben eine höhere Qualität der Bauteile bei gleichzeitiger Reduzierung der Kosten bei der Herstellung und vor allem bei der Einstellung bzw. Montage.
Der Systemdruck p_sys, welcher nach einer Einspritzung nach einer gewissen Wiederbefüllzeit erreicht ist, und das Verhältnis der Durchmesser und Leckspaltenlängen an dem Drosselkörper 26 und dem Kolben 9 ist von mehreren Parametern abhängig, zu denen der Sitzdurchmesser A2 des ersten Ventilsitzes 14 und das Verhältnis des Durchmessers A0 des ersten Kolbens 9 zu dem Durchmesser AI des zweiten Kolbens 11 zählen. In der gezeigten Ausführung, bei der das Ventilschließglied 12 bei Entlastung des Hochdruckbereiches 17 durch eine Federkraft F_F einer Feder 31, die zwischen dem Ventilschließglied 12 und dem zweiten Ventilsitz 15 angeordnet ist, in Schließstellung an dem ersten Ventilsitz 14 gehalten wird, ist die Federkraft F_F ein weiterer Parameter zur geometrischen Festlegung des Drosselkörpers 26 und des ersten Kolbens 9.
Dabei wird der Systemdruck p_sys so eingestellt, daß er stets kleiner ist als ein maximal zulässiger Systemdruck, der wiederum einem Druckniveau entspricht, bei dem eine selbsttätige Ventilöffnung ohne Betätigung der Aktuator-Einheit 4 eintritt.
In der Figur 2 ist eine Ausführungsvariante zu dem in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem aus Gründen der Übersichtlichkeit funktionsgleiche Bauteile mit den in Figur 1 verwendeten Bezugszeichen bezeichnet sind.
Gegenüber der Ausführung nach Figur 1, bei welcher der Drosselkörper 26 in dem Hohlraum 25 der Befülleinrich- tung 24 im wesentlich axial unbeweglich angeordnet ist, ist der Drosselkörper 26 hier mittels einer Federeinrichtung 32 in dem Hohlraum 25 axial verschiebbar angeordnet. Dabei wird der Drosselkörper 26 in dem Hohlraum 25 durch die Federkraft der Federeinrichtung 32 bei Entlastung des Hochdruckbereiches 17 an einen hoch- druckseitigen Anschlag 33 verschoben. Bei anliegendem Hochdruck p_R wird der Drosselkörper 26 entgegen der Federkraft der Federeinrichtung 32 und dem Systemdruck verschoben. Die Federkraft und die Dimensionierung des Drosselkörpers 26 sind dabei so ausgelegt, daß der Drosselkörper 26 mit seinem systemdruckseitigen Ende, welches eine Steuerkante 34 bildet, die Abzweigung der Systemdruck-Leitung 28 wenigstens teilweise überschneidet, wenn der Systemdruck p_sys unzulässig abfällt. Die Federeinrichtung 32 erlaubt damit eine selbsttätige Korrektur des Systemdruckes p_sys als Funktion der Leckage über die Kolben 9 und 11 infolge von Temperatur- und Lageeinflüssen. Sobald nämlich der Systemdruck p_sys sinkt, verkürzt sich durch die Überlappung der Steuerkante 34 mit der Abzweigung der Systemdruck- Leitung 28 die effektive Dichtlänge bzw. Leckspaltlänge entlang dem Drosselkörper 26, und die Leckagen werden ausgeglichen. Auf diese Weise kann der Systemdruck p_sys in der Hydraulikkammer konstant gehalten werden.
Neben der Funktion der Federeinrichtung 32, mit dem Drosselkörper 26 ein selbstregulierendes System zu bilden, das auf Druckänderungen, d.h. Druckverluste im Systemdruckbereich, reagieren kann, sorgt die axiale Beweglichkeit des Drosselkörpers 26 in vorteilhafter Weise auch dafür, daß der Spalt 27 selbständig gereinigt wird und nicht durch im Kraftstoff enthaltene Schmutzpartikel zugesetzt wird.
Bei beiden gezeigten Ausführungen ist die von dem Hochdruckbereich 17 abzweigende Leitung 33 der Befüllein- richtung 24 mit dem Ventilraum 18 verbunden, in dem das Ventilschließglied 12 zwischen den Ventilsitzen 14 und 15 bewegbar ist, und welcher auch in eine Hochdruckleitung integriert sein kann.
Abweichend hiervon kann es selbstverständlich auch vorgesehen sein, daß die von dem Hochdruckbereich 17 abführende Leitung 33 mit einem Hochdruckzulauf von einer Hochdruckpumpe zu dem Ventilsteuerraum 2 oder mit anderen Bereichen im Hochdruckbereich 17, wie zum Beispiel mit dem Ventilsteuerraum oder der Ablaufdrossel 20 strömungsmäßig verbunden ist. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 nach Figur 1 bzw. 2 arbeitet in nachfolgend beschriebener Weise.
Bei unbestromtem piezoelektrischen Aktor 4, d.h. geschlossenem Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 1, wird das Ventilschließglied 12 an den ihm zugeordneten oberen Ventilsitz 14 durch den Hochdruck bzw. Raildruck p_R und die Feder 31 gepreßt.
Bei langsamer Betätigung, zum Beispiel infolge temperaturbedingter Längenänderungen des piezoelektrischen Aktors 4 oder weiterer Ventilbauteile, dringt der erste Kolben 9 mit Temperaturerhöhung in die Hydraulikkammer 13 ein und zieht sich bei Temperaturabsenkung daraus zurück, ohne daß dies Auswirkungen auf die Schließ- und Öffnungsstellung des Ventilschließgliedes 12 und des Kraftstoffeinspritzventiles 1 ingesamt hat.
Zur Öffnung des Ventils und damit zur Einspritzung durch das Kraftstoffeinspritzventil 1 wird der piezoelektrische Aktor 4 mit Spannung beaufschlagt, so daß sich dieser schlagartig axial ausdehnt. Dabei stützt sich der piezoelektrische Aktor 4 an dem Ventilkörper 7 ab und baut einen Öffnungsdruck in der Hydraulikkammer 13 auf. Wenn das Ventil 1 durch den Systemdruck p_sys in der Hydraulikkammer 13 im Gleichgewicht ist, bewegt der zweite Kolben 11 das Ventilschließglied 12 aus seinem oberen Ventilsitz 14 in eine Mittelstellung zwischen den beiden Ventilsitzen 14, 15. Bei hohem Raildruck p_R ist zum Erreichen des Gleichgewichtsdrucks piezoseitig eine größere Kraft erforderlich. Diese wird durch die Befülleinrichtung 24 aufgebracht, indem bei hohem Raildruck p_R auch der Druck p_sys in der Hydraulikkammer 13 entsprechend erhöht wird. Auf diese Weise wird die piezoseitige Kraft auf das Ventilschließglied 12 bei gleicher Spannung auf den piezoelektrischen Aktor 4 erhöht, wobei sich die Krafterhöhung aus dem Systemdruck p_sys und dem Durchmesser AI des zweiten Kolbens 11 ergibt. Diese Krafterhöhung entspricht einer substantiell höheren Spannung, welche an dem piezoelektrischen Aktor angelegt werden müßte, so daß die gewonnene Kraftreserve zum Beispiel zur kleineren Dimensionierung des piezoelektrischen Aktors genützt werden kann.
Sobald das Ventilschließglied 12 entgegen dem Raildruck p_R seinen unteren Ventilsitz 15 erreicht hat, wird die Bespannung des piezoelektrischen Aktors 4 unterbrochen, woraufhin sich das Ventilglied 12 wieder in seine Mittelstellung bewegt und abermals eine Kraftstoffeinspritzung erfolgt. Gleichzeitig findet über die Befülleinrichtung 23 eine Wiederbefüllung der Hydraulikkammer 13 auf den Systemdruck p_sys statt.
Die beschriebenen Ausführungen beziehen sich jeweils auf ein sogenanntes Doppelsitzventil, jedoch ist die Erfindung selbstverständlich auch auf einfachschaltende Ventile mit nur einem Ventilsitz anwendbar.

Claims

Ansprüche
1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einer Aktuator-Einheit (4), insbesondere mit einem piezoelektrischen Aktuator, zur Betätigung eines in einem Ventilkörper (7) axial verschiebbaren Ventilglieds (3), dem ein Ventilschließglied (12) zugeordnet ist, welches mit wenigstens einem Ventilsitz (14, 15) zum Öffnen und Schließen des Ventils (1) zusammenwirkt und einen Niederdruckbereich (16) mit Systemdruck von einem Hochdruckbereich (17) trennt, wobei das Ventilglied (3) wenigstens einen ersten Kolben (9) und einen zweiten Kolben (11) aufweist, zwischen denen eine als hydraulische Übersetzung arbeitende Hydraulikkammer (13) ausgebildet ist, wobei zum Ausgleich von Leckverlusten eine mit dem Hochdruckbereich (17) verbindbare Befülleinrichtung (24) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Befülleinrichtung (24) mit wenigstens einem kanalartigen Hohlraum (25) ausgebildet ist, in dem wenigstens ein Drosselkörper (26) derart angeordnet ist, daß in den Hohlraum (25) an einem Ende des Drosselkörpers (26) eine zu dem Hochdruckbereich (17) führende Leitung (33) mündet, und daß an dem entgegengesetzten Ende des Drosselkörpers (26) eine zu der Hydraulikkammer (13) füh- rende Systemdruck-Leitung (28) abzweigt, wobei sich ein Systemdruck (p_sys) durch geometrische Festlegung des als Vollkörper ausgebildeten Drosselkörpers (26), eines ihn umgebenden Spaltes (27) und der Abmessungen des Kolbens (9) , entlang dem der Systemdruck p_sys zum Niederdruckbereich () hin abgebaut wird, in Abhängigkeit des vorliegenden Drucks (p_R) im Hochdruckbereich (17) aufbaut.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Drosselkörper (26) in dem Hohlraum
(25) axial verstellbar angeordnet ist.
3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselkörper (26) in dem Hohlraum (25) derart axial beweglich angeordnet ist, daß der Drosselkörper
(26) die Abzweigung der Systemdruck-Leitung (28) bei Absinken des Systemdruckes (p_sys) wenigstens teilweise überschneidet .
4. Ventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselkörper (26) zur selbsttätigen Korrektur des Systemdruckes (p_sys) in dem Hohlraum (25) mittels einer auf der der Systemdruck-Leitung (28) zugewandten Seite des Drosselkörpers angeordneten Federeinrichtung (32) axial verschiebbar ist.
5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Festlegung des Drosselkörpers (26) und/oder des Kolbens (9), entlang dem der Systemdruck (p sys) zum Niederdruckbereich (16) hin abgebaut wird, in Abhängigkeit wenigstens der Parameter Sitzdurchmesser (A2) und Verhältnis des • Durchmessers (AO) des ersten Kolbens (9) zu dem Durchmesser (AI) des zweiten Kolbens (11) gewählt ist.
6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Federkraft (F_F) einer Feder (31), welche zwischen dem Ventilschließglied (12) und einem dem Hochdruckbereich (17) zugewandten zweiten Ventilsitz (15) angeordnet ist und das Ventilschließglied (12) bei Entlastung des Hochdruckbereiches (17) in Schließstellung an dem ersten Ventilsitz (14) hält, ein Parameter zur geometrischen Festlegung des wenigstens einen Drosselkörpers (26) und des Kolbens (9) , entlang dem der Systemdruck (p_sys) zu dem Niederdruckbereich (16) hin abgebaut wird, ist.
7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Festlegung derart erfolgt, daß der Systemdruck (p_sys) in der Hydraulikkammer (13) stets kleiner ist als ein maximal zulässiger Systemdruck, wobei der maximal zulässige Systemdruck der Hydraulikkammer (13) vorzugsweise einem Druck entspricht, bei dem eine selbsttätige Ventilöffnung ohne Betätigung der Aktuator-Einheit (4) eintritt.
8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Drosselkörper (26) als ein zylindrischer Stift ausgebildet ist, wobei jeweils der Durchmesser bezogen auf die jeweils umgebende Bohrung (27, 29) und die Länge des Drosselkörpers (26) und des Kolbens (9) , entlang dem der Systemdruck (p_sys) zu dem Niederdruckbereich (16) hin abgebaut wird, bei deren geometrischer Festlegung variiert werden.
9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zu der Hydraulikkammer (13) führende Systemdruck-Leitung (28) in diese über einen an die Hydraulikkammer (13) angrenzenden, den ersten Kolben (9) umgebenden Spalt (29) und/oder den zweiten Kolben (11) umgebenden Spalt (30), vorzugsweise über den den ersten Kolben (9) umgebenden Spalt (29) führt.
10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktuator-Einheit als piezoelektrische Einheit (4) ausgebildet 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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