EP1379775A1 - Ventil zum steuern von flüssigkeiten - Google Patents

Ventil zum steuern von flüssigkeiten

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EP1379775A1
EP1379775A1 EP02729861A EP02729861A EP1379775A1 EP 1379775 A1 EP1379775 A1 EP 1379775A1 EP 02729861 A EP02729861 A EP 02729861A EP 02729861 A EP02729861 A EP 02729861A EP 1379775 A1 EP1379775 A1 EP 1379775A1
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EP
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actuating piston
valve
valve according
bore
chamber
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Wolfgang Stoecklein
Dietmar Schmieder
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • 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 type defined in more detail in the preamble of claim 1.
  • Such a valve is known from practice and is used, for example, in connection with an injection valve, in particular an injection valve of a common rail accumulator injection system for diesel internal combustion engines.
  • an injection valve has a valve control piston which forms a structural unit with a nozzle needle and is at least partially surrounded by a space which is connected to a high-pressure connection via a fuel supply line and contains fuel.
  • the nozzle needle interacts with a correspondingly designed valve seat, so that depending on the position of the valve control piston, one to one Combustion chamber of the internal combustion engine leading opening of the injection valve, the fuel injection into the combustion chamber can be controlled.
  • the position of the valve control piston and thus that of the nozzle needle is determined by means of the valve for controlling liquids mentioned above, which is operatively connected to the valve control piston via a so-called valve control chamber.
  • the valve control chamber is operatively connected via an inlet throttle to the fuel supply line and via a so-called drain plug with the valve mentioned in the introduction, the so-called valve control module, and borders on the free end, i.e. to the end of the valve control piston facing away from the nozzle needle.
  • This structure enables a targeted pressure build-up and pressure reduction in the valve control chamber, which is triggered by means of the valve control module and described below.
  • valve-like valve control module In the closed position of the valve-like valve control module, the high pressure acting via the inlet throttle prevails in the valve control chamber, in the case of a Commori rail injection system, the so-called rail pressure.
  • the valve control piston and thus also the nozzle needle are in the closed position under these pressure conditions. If, for example, the piezoelectric actuator of the valve control module is actuated, the valve closing member of the valve control module opens. As a result, the fuel located in the valve control chamber can flow into a return channel via a control bore and an outlet chamber which are assigned to the valve control module, the pressure reduced in the valve control room.
  • the structural unit consisting of the valve control piston and the nozzle needle moves in the direction of the valve control chamber, so that the opening leading to the combustion chamber is opened and fuel is injected into the latter.
  • the so-called rail pressure builds up again in the valve control room via the inlet throttle, and the valve control piston is thus moved back into the closed position.
  • the injection valve is sealed off from the combustion chamber and no fuel gets into the latter *.
  • the known injection valve of the type mentioned in the introduction which is designed, for example, as a single seat valve, has the disadvantage that a high opening force is required to actuate the nozzle needle. Furthermore, the refilling of the hydraulic chamber, which is always necessary due to leakage, is complex.
  • valve according to the invention with the features according to the preamble of patent claim 1, in which the actuating piston is at least hydraulically balanced, at least when the valve closing member is closed, has the advantage that considerably lower forces are required to open the valve closing member. Because here the actuating piston does not have to - as with the Prior art valves - are opened against the fluid pressure acting on the valve closing member, in the case of a common rail injection system against the so-called rail pressure, which can be up to 1.6 kbar.
  • the particular piezoelectric actuator in the valve of the invention can also with a lower voltage controlled ", which in turn compared with the valves according to the prior art results in a reduction of energy requirements.
  • the valve closing member is preferably part of the actuating piston.
  • the actuating piston advantageously has an axial bore which branches off from the control chamber and which extends through the actuating piston. This axial bore leads, for example, from the control space arranged in front of the valve seat to a space located on the opposite side of the actuating piston, so that the pressure prevailing in the control space prevails in this, at least when the valve closing member is closed.
  • the axial bore is advantageously designed as a stepped bore, the region of increased diameter being formed at the end of the actuating piston facing away from the control chamber and a guide pin being arranged in this region. This guide pin then delimits the space at the end of the actuating piston is located and in which the pressure prevailing in the control bore prevails.
  • the latter advantageously has a blind bore which lies essentially in the axis of the axial bore of the actuating piston.
  • the actuating piston is designed, for example, as a stepped cylinder.
  • the shoulder surface of this stepped cylinder can then form the surface of the actuating piston that. to the pressure exerted by the actuating piston on the actuating piston by means of the hydraulic chamber.
  • the shoulder surface can be oriented so that the actuating piston moves in the direction facing away from the control bore when the actuator unit is actuated.
  • the actuating piston can be biased in the closing direction by means of a compression spring arranged in a spring chamber.
  • the spring chamber can be connected to the return channel, so that the pressure prevailing in the return channel is present in the spring chamber.
  • the spring chamber can be connected via a pressure compensation channel to an annular space which is formed by an annular groove 'which is on the Scope of the actuating piston is formed.
  • FIG. 1 shows an area of an injection valve relevant to the invention with a valve control unit according to the invention in longitudinal section;
  • Figure 2 shows an alternative embodiment of an injection valve designed according to the invention in longitudinal section.
  • the exemplary embodiment shown in the figure shows a fuel injection valve 1 which is provided for installation in an internal combustion engine (not shown) of a motor vehicle and is designed here as a come-rail injector for the injection of preferably diesel fuel.
  • the fuel injection valve 1 comprises, as essential structural units, a nozzle module 2 and a valve control module 3.
  • the nozzle module 2 comprises a nozzle body 4, in which a so-called valve control piston 5 is arranged, which is in operative connection with a nozzle needle, not shown here, which controls an opening of the injection valve 1 leading to a combustion chamber of the internal combustion engine, or forms a structural unit with the latter.
  • a spring plate 6 is also arranged in the nozzle module 2, in which the free end of the valve control piston 5 is guided and which, together with the latter, delimits a valve control chamber 7.
  • the spring plate ⁇ is supported by a spring 8 on a support 9 which is connected to the valve control piston 5.
  • a radially outwardly oriented, so-called inlet throttle 10 is formed, which leads from the valve control chamber 7 to a high-pressure chamber 11, which between the outer contour of the spring plate 6 and the one surrounding it Nozzle body 4 is formed and is connected via a fuel supply line 12 to a high-pressure accumulator, not shown here, the so-called common rail.
  • the valve control chamber 7 is connected via a so-called discharge throttle 13 to a control chamber 14, which is assigned to the valve control module 3.
  • valve control module 3 comprises a control module body 15, in which a stepped actuating piston 16 is guided in a stepped bore 17.
  • the actuating piston 16 is operatively connected to an actuating piston 19 via a hydraulic chamber 18.
  • the actuating piston 19 can be arranged at any location inside or outside the control body 15. It is actuated by means of an actuator unit 20 designed here as a piezoelectric actuator.
  • the hydraulic chamber 18 here consists of a cylinder space 21 assigned to the actuating piston 19 and delimiting its free end face, a channel 22 and an annular annular space 23 surrounding the reduced diameter of the stepped actuating piston 16.
  • the actuating piston 16 in the present exemplary embodiment is designed as a valve closing member which interacts with a valve seat 24 and in the closed position separates the control chamber 14 from a so-called drain chamber 25, from which a fuel return channel 26 branches off, which leads to one here leads fuel tank, not shown.
  • a fuel return channel 26 branches off, which leads to one here leads fuel tank, not shown.
  • the actuating piston 16 there is an axially aligned channel 27, for example in the form of a bore, which leads from the control chamber 14 to the end of the actuating piston 16 facing away from it and widens into a region 36 of enlarged diameter.
  • a guide pin 28 is arranged in the region 36 of enlarged diameter and has a blind bore 29 on the side facing the control chamber 14.
  • the diameter dl of the guide pin 28 and thus also that of the bore area 36 corresponds essentially to the diameter d2 of the valve seat '24, i.e. the sealing diameter of the area of the actuating piston 16 designed as a valve closing member.
  • the guide pin 28 is designed such that it is guided in the bore area 36 with a minimum clearance and a maximum guide length L.
  • the spring chamber 31 is connected to the fuel return duct 16 via a transverse duct 32.
  • a pressure relief valve 33 is arranged in the fuel return duct 32 downstream of the opening point of the transverse duct 32.
  • the injection valve described above works in the manner described below.
  • the closed state of the fuel injection valve 1 ie when there is no voltage at the piezoelectric actuator 20, the area of the actuating piston 16 designed as a valve closing element is located on the valve seat 24 assigned to it.
  • the inlet throttle valve 10 in the valve control chamber 7 and thus prevail Via the outlet throttle 13 in the control chamber 14, the pressure prevailing in the high-pressure chamber 11, in the present case thus the rail pressure. Via the bore 27, this pressure is further transmitted into the space of the bore region 36 located between the guide pin 28 and the actuating piston 16.
  • the surface of the free end face of the actuating piston 16 which is acted upon by the rail pressure and which surrounds the mouth of the bore 27 corresponds to the surface of the actuating piston 16 which is oriented parallel to this and which surrounds the mouth of the bore 27 into the bore region 36.
  • the same hydraulic force acts on the actuating piston 16 on the opposite sides, so that it is hydraulically balanced.
  • the closed position of the actuating piston 16 is ensured by means of the compression spring 30, which exerts the required pressure on the actuating piston.
  • the injection valve 1 is to be opened, that is to say if the injection nozzle which is closed by means of the nozzle needle (not shown here) is to be opened, a voltage is applied to the piezoelectric actuator 20, whereupon the latter suddenly expands in the axial direction, ie in the direction of the actuating piston 19. The actuating piston 19 is thereby shifted in the direction facing away from the actuator 20.
  • the fuel discharged via the fuel return channel 26 flows back into the fuel storage tank when the pressure in the return channel 26 exceeds a certain value, for example 30 bar.
  • This pressure acts in the spring chamber 31 and from there via a leakage gap 38 surrounding the enlarged diameter area of the actuating piston 16 into the annular chamber 23, the channel 22 and the cylinder chamber 21, so that the hydraulic chamber 18 is always filled if necessary can be done.
  • the guide pin 28 is guided in the bore 36 of the actuating piston 16 with minimal play and maximum guide length L.
  • the ratio of the diameter dl of the bore 36 and the sealing diameter d2 determines the hydraulic force that acts on the actuating piston 16. In the present case, this ratio is approximately equal to 1, so that the actuating piston 16 is hydraulically balanced. As a result, only a small force to be exerted by the actuator 20 is required to displace the actuating piston 16 by means of the actuating piston 19.
  • the pressure compensation channel 41 ensures that the same constant pressure prevails in the hydraulic chamber 21 as in the spring chamber 31. This can be compensated for by the radial play of the actuating piston 16 in the stepped bore 17 and the radial play of the actuating piston 19 in its guide bore, so that there are always constant loads on the piezoelectric actuator 20 and scatter in the injection quantities injected by means of the injector 1 largely excluded are.

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Abstract

Es wird ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, mit einer insbesondere piezoelektrischen Aktor-Einheit (20) zur Betätigung eines Ventilglieds vorgeschlagen, das mindestens einen Stellkolben (19) und mindestens einen in einem Ventil-korper (15) geftihrten Betatigungskolben (16) aufweist, der ein VentilschlieBglied betatigt, das mit mindestens einem an dem Ventilkorper (15) ausgebildeten Ventilsitz (24) zu- sammenwirkt und in SchlieBste∩lung eine Steuerbohrung (14) von einem Ablaufraum (25) trennt, von welchem ein Rticklauf-kanal (26) abzweigt, wobei zwischen dem Stellkolben (19) und dem Betatigungskolben (16) eine Hydraulikkammer (18) angeordnet ist, die eine Bewegung des Stellkolbens (19) auf den Betätigungskolben (16) tibertragt. Urn die GroBe der Aktor-Einheit (20) gering halten zu konnen, ist der Betätigungskolben (16) bei geschlossenem VentilschlieBglied im wesentlichen hydraulisch kraftausgeglichen gelagert ist.

Description

Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art aus.
Ein derartiges Ventil ist aus der Praxis bekannt und wird beispielsweise in Verbindung mit einem Einspritzventil, insbesondere einem Einspritzventil eines Common-Rail- Speichereinspritzsyste s für Dieselverbrennungsmaschinen eingesetzt. Ein solches Einspritzventil weist einen Ventilsteuerkolben auf, der mit einer Düsennadel eine Baueinheit bildet und zumindest teilweise von einem Raum umschlossen ist, der über eine Kraftstoffzufuhrleitung mit einem Hochdruckanschluß verbunden ist und Kraftstoff -enthält. Die Düsennadel wirkt mit einem korrespondierend ausgebildeten Ventilsitz zusammen, so daß in Abhängigkeit von der Lage des Ventilsteuerkolbens über eine zu einem Verbrennungsraum der Verbrennungsmaschine führende Öffnung des Einspritzventils die Kraftstoffeinspritzung in den Verbrennungsraum gesteuert werden kann. Die Lage des Ventilsteuerkolbens und damit diejenige der Düsennadel wird mittels des einleitend genannten Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten festgelegt, das über einen sogenannten Ventilsteuerraum mit dem Ventilsteuerkolben in Wirkverbindung steht .
Der Ventilsteuerraum steht über eine Zulaufdrossel mit der Kraftstoffzufuhrleitung und über eine sogenannte Ablauf- dr ssel mit dem einleitend genannten Ventil, dem sogenannten Ventilsteuermodul, in Wirkverbindung und grenzt an das freie Ende, d.h. an das der Düsennadel abgewandte Ende des Ventilsteuerkolbens. Dieser Aufbau ermöglicht einen gezielten, mittels des Ventilsteuermoduls ausgelösten, nachfolgend beschriebenen Druckaufbau und Druckabbau in dem Ventilsteuerraum.
In Schließstellung des ventilartig ausgebildeten Ventilsteuermoduls herrscht in dem Ventilsteuerraum der über die Zulaufdrossel wirkende Hochdruck, im Fall eines Commori- Rail-Einspritzsystems der sogenannte Rail-Druck. Unter diesen Druckverhältnissen befindet sich der Ventilsteuerkolben und damit auch die Düsennadel in Schließstellung. Wird nun der beispielsweise piezoelektrische Aktor des Ventilsteuermoduls betätigt, so öffnet das Ventilschließglied des Ventilsteuermoduls. Dadurch kann der sich in dem Ventilsteuerraum befindende Kraftstoff über eine Steuerbohrung und einen Ablaufraum, welche dem Ventilsteuermodul zugeordnet sind, in einen Rücklaufkanal ablaufen, wobei sich der 'Druck in dem Ventilsteuerraum reduziert. Aufgrund dessen verschiebt sich die aus dem Ventilsteuerkolben und der Düsennadel bestehende Baueinheit in Richtung Ventilsteuerraum, so daß die zu dem Verbrennungsraum führende Öffnung freigegeben und Kraftstoff in denselben eingespritzt wird. Sobald das Ventilschließglied des Ventilsteuermoduls wieder in Schließstellung gebracht wird, baut sich in dem Ventilsteu- errau über die Zulaufdrossel erneut der sogenannte Rail- Druck auf, und der Ventilsteuerkolben wird so wieder in Schließstellung verfahren. Dadurch .wird das Einspritzventil zum Verbrennungsraum hin dicht abgeschlossen, und es gelangt kein Kraftstoff in letzteren*.
Bei dem bekannten, vorstehend beschriebenen Einspritzventil der einleitend genannten Art, welches beispielsweise als Einfachsitzventil ausgebildet ist, besteht der Nachteil, daß eine hohe Öffnungskraft zur Betätigung der Düsennadel erforderlich ist. Des weiteren gestaltet sich die aufgrund von Leckage stets erforderliche Nachbefüllung der Hydraulikkammer als aufwendig.
Vorteile der Erfindung
Das Ventil nach der Erfindung mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patenanspruches 1, bei welchem der Betätigungskolben zumindest bei geschlossenem Ventilschließglied im wesentlichen hydraulisch kraftausgeglichen gelagert ist, hat demgegenüber den Vorteil, daß zur Öffnung des Ventilschließglieds erheblich geringere Kräfte erforderlich sind. Denn hier muß der Betätigungskolben nicht - wie bei den Ventilen nach dem Stand der Technik - gegen den auf das Ventilschließglied wirkenden Fluiddruck, im Fall eines Com- men-Rail-Einspritzsystems gegen den sogenannten Rail-Druck, der bis zu 1,6 kbar betragen kann, geöffnet werden.
Dadurch ist es möglich, piezoelektrische Aktoren geringerer Größe einzusetzen, was wiederum zu einer Kostenreduzierung des Schaltventils führt. Alternativ oder zusätzlich kann der insbesondere piezoelektrische Aktor bei dem Ventil nach der Erfindung auch mit einer geringeren Spannung angesteuert "werden, was wiederum gegenüber den Ventilen nach dem Stand der Technik zu einer Verringerung des Energiebedarfs führt.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des Ventils nach der Erfindung ist das Ventilschließglied vorzugsweise Bestandteil des Betatigungskolben. Der Betätigungskolben weist vorteilhaft eine von dem Steuerraum abzweigende Axialbohrung auf, die den Betätigungskolben durchgreift. Diese Axialbohrung führt beispielsweise von dem vor dem Ventilsitz angeordneten Steuerraum zu einem an der entgegengesetzten Seite des Betätigungskolben angeordneten Raum, so daß in diesem zumindest bei geschlossenem Ventilschließglied der in dem Steuerraum herrschende Druck herrscht.
Vorteilhaft ist die Axialbohrung als gestufte Bohrung ausgebildet, wobei der Bereich vergrößerten Durchmessers an dem dem Steuerräum abgewandten Ende des Betätigungskolben ausgebildet und in diesem Bereich ein Führungsstift angeordnet ist. Dieser Führungsstift begrenzt dann den Raum, der an der dem Steuerraum abgewandten Ende des Betätigungs- kolben liegt und in dem der in der Steuerbohrung herrschende Druck herrscht.
Um den •Führungsstift definiert an eine Wandung des Ventilkörpers pressen zu können, weist dieser vorteilhaft eine Sackbohrung auf, welche im wesentlichen in der Achse der Axialbohrung des Betätigungskolbens liegt.
Der Betätigungskolben ist beispielsweise als gestufter Zylinder ausgebildet. Die Schulterfläche dieses gestuften Zy-- linders kann dann die Fläche des Betätigungskolbens bilden, die. dem mittels der Hydraulikkammer von dem Stellkolben auf dem .Betatigungskolben ausgeübten Druck ausgesetzt ist.
Die Schulterfläche kann hierbei so ausgerichtet sein, daß sich der Betätigungskolben bei Betätigung der Aktor-Einheit in der der Steuerbohrung abgewandten Richtung bewegt.
Der Betätigungskolben kann mittels einer in einem Federraum angeordneten Druckfeder in Schließrichtung vorgespannt sein. Der Federraum kann mit dem Rücklaufkanal in Verbindung stehen, so daß in dem Federraum der in dem Rücklaufkanal herrschende Druck vorliegt.
Um auch bei unterschiedlichem Radialspiel des Stellkolbens und des* Betätigungskolbens zu gewährleisten, daß in der Hydraulikkammer stets der gleiche Druck herrscht wie in dem Federraum, kann der Federraum über einen Druckausgleichskanal mit einem Ringraum verbunden sein, der von einer Ringnut gebildet ist', die am Umfang des Stellkolbens ausgebildet ist. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele des Ventils nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 einen für die Erfindung relevanten Bereich eines Einspritzventils mit einer Ventilsteuereinheit nach der Erfindung im Längsschnitt; und
Figur 2 eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Einspritzventils im Längsschnitt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein Kraftstoffeinspritzventil 1, welches zum Einbau in eine nicht dargestellte Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist und hier als Commen-Rail-Injektor zur Einspritzung von vorzugsweise Dieselkraftstoff ausgebildet ist. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 umfaßt hierzu als wesentliche Baueinheiten ein Düsenmodul 2 und ein Ventilsteu- ermodul 3. Das Düsenmodul 2 umfaßt einen Düsenkörper 4, in welchem ein sogenannter Ventilsteuerkolben 5 angeordnet ist, der mit einer hier nicht dargestellten Düsennadel, welche eine zu einem Brennraum der Brennkraftmaschine führende Öffnung des Einspritzventils 1 steuert, in Wirkverbindung steht bzw. mit dieser eine Baueinheit bildet.
In dem Düsenmodul.2 ist des weiteren ein Federteller 6 angeordnet, in dem das freie Ende des Ventilsteuerkolbens 5 geführt ist und der zusammen mit letzterem einen Ventilsteuerraum 7 begrenzt. Der Federteller β stützt sich über eine Feder 8 an einem Auflager 9 ab, das mit dem Ventilsteuerkolben 5 verbunden ist.
In dem Federteller 6 bzw. in dessen die Aufnahme für den Ventilsteuerkolben 5 umgebenden Wandung ist eine radial nach außen ausgerichtete, sogenannte Zulaufdrossel 10 ausgebildet, die von dem Ventilsteuerraum 7 zu einem Hochdruckraum 11 führt, welcher zwischen der Außenkontur des Federtellers 6 und dem ihn umschließenden Düsenkörper 4 ausgebildet ist und über eine Kraftstoffzufuhrleitung 12 mit einem hier nicht dargestellten Hochdruckspeicher, dem sogenannten Common-Rail, verbunden ist. In axialer Richtung ist der Ventilsteuerraum 7 über eine sogenannte Ablaufdrossel 13 mit einem Steuerraum 14 verbunden, der dem Ventilsteuermodul 3 zugeordnet ist.
Die Lage des Ventilsteuerkolbens 5 und damit diejenige der Düsennadel wird über das Druckniveau in dem Ventilsteuerraum 7 gesteuert. Dieses wird wiederum mittels des Ventilsteuermoduls 3 eingestellt. Das Ventilsteuermodul 3 umfaßt einen Steuermodulkörper 15, in welchem ein gestuft ausgebildeter Betätigungskolben 16 in einer gestuften Bohrung 17 geführt ist. Der Betätigungskolben 16 steht über eine Hydraulikkammer 18 mit einem Stellkolben 19 in Wirkverbindung. Der Stellkolben 19 kann an einem beliebigen Ort innerhalb oder außerhalb des Steuerkörpers 15 angeordnet sein. Er wird mittels einer hier als piezoelektrischer Aktor ausgebildeten Aktuator-Einheit 20 betätigt.
Über das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer 18 können Toleranzen aufgrund von Temperaturgradienten bzw. unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien sowie eventuelle Setzeffekte ausgeglichen werden, ohne daß dadurch eine Änderung der Position des anzusteuernden Betätigungskolbens 16 auftritt. Die Hydraulikkammer 18 besteht hier aus einem dem Stellkolben 19 zugeordneten und dessen freie Stirnseite begrenzenden Zylinderraum 21, einem Kanal 22 und einem ringförmigen, den Bereich verringerten Durchmessers des gestuften Betätigungskolbens 16 umgebenden Ringraum 23.
An dem dem Steuerraum 14 zugewandten Ende ist der Betätigungskolben 16 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Ventilschließglied ausgebildet, das mit einem Ventilsitz 24 zusammenwirkt und in Schließstellung den Steuerraum 14 von einem sogenannten Ablaufraum 25 trennt, von welchem ein Kraftstof rücklaufkanal 26 abzweigt, welcher zu einem hier nicht dargestellten Kraftstoffvorratstank führt. In dem Betätigungskolben 16 ist axial ausgerichtet ein beispielsweise als Bohrung ausgebildeter Kanal 27 angeordnet, welcher von dem Steuerraum 14 zu dem diesem abgewandten Ende des Betätigungskolben 16 führt und sich in einen Bereich 36 vergrößerten Durchmessers aufweitet.
In dem Bereich 36 vergrößerten Durchmessers ist ein Führungsstift 28 angeordnet, der an der dem Steuerraum 14 zugewandten Seite eine Sackbohrung 29 aufweist.
Der Durchmesser dl des Führungsstiftes 28 und damit auch derjenige des Bohrungsbereichs 36 entspricht im wesentlichen dem Durchmesser d2 des Ventilsitzes '24, d.h. dem Dichtdurchmesser des als Ventilschließglied ausgebildeten Bereichs des Betätigungskolbens 16. Der Führungsstift 28 ist so ausgebildet, daß er mit minimalem Spiel und maximaler Führungslänge L in dem Bohrungsbereich 36 geführt ist.
An der dem Düsenmodul 2 abgewandten Stirnseite des Betätigungskolbens 16 greift an demselben eine Druckfeder 30 an, die in einem Federraum 31 angeordnet ist, den Führungsstift 28 umgreift und sich an einer Wand des Steuerkörpers 15 abstützt. Der Federraum 31 ist über einen Querkanal 32 mit dem Kraftstoffrücklaufkanal 16 verbunden. Stromab der Mündungsstelle des Querkanals 32 ist in dem Kraftstoffrücklaufkanal 32 ein Druckbegrenzungsventil 33 angeordnet.
Das vorstehend beschriebene Einspritzventil arbeitet in nachfolgend beschriebener Weise. In geschlossenem Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 1, d.h., wenn keine Spannung an dem piezoelektrischen Aktor 20 anliegt, befindet sich der als Ventilschließglied ausgebildete Bereich des Betätigungskolbens 16 an dem diesem zugeordneten Ventilsitz 24. In diesem Zustand herrscht über die Zulaufdrossei 10 in dem Ventilsteuerraum 7 und damit über die Ablaufdrossel 13 in dem Steuerraum 14 der in dem Hochdruckraum 11 herrschende Druck, im vorliegenden Fall also der Rail-Druck. Über die Bohrung 27 wird dieser Druck weiter in den zwischen dem Führungsstift 28 und dem Betätigungskolben 16 liegenden Raum des Bohrungsbereichs 36 übertragen.
Die von dem Rail-Druck beaufschlagte Fläche der freien Stirnseite des Betätigungskolben 16, welche die Mündung der Bohrung 27 umgibt, entspricht der zu dieser parallel ausgerichteten Fläche des Betätigungskolbens 16, welche die Mündung der Bohrung 27 in den Bohrungsbereich 36 umgibt. Damit wirkt auf den sich gegenüberliegenden Seiten jeweils die gleiche hydraulische Kraft auf den Betätigungskolben 16, so daß dieser hydraulisch kraftausgeglichen gelagert ist. Die Schließstellung des Betätigungskolben 16 wird mittels der Druckfeder 30 gewährleistet, welche den erforderlichen Druck auf den Betätigungskolben ausübt.
Wenn das Einspritzventil 1 geöffnet werden soll, wenn also die mittels der hier nicht dargestellten Düsennadel verschlossene Einspritzdüse geöffnet werden soll, wird an dem piezoelektrischen Aktor 20 eine Spannung angelegt, worauf sich dieser schlagartig in axialer Richtung, d.h. in Richtung des Stellkolbens 19, ausdehnt. Der Stellkolben 19 wird dadurch in die dem Aktor 20 abgewandte Richtung verschoben. Dies wiederum löst über die Hydraulikkammer 18 eine Verschiebung des Betätigungskolbens 13 aus, und zwar so, daß der von dem Stellkolben 19 über die Hydraulikkammer 18 vermittelte Druck auf die Schulterfläche 34 des gestuften Betätigungskolben 16 wirkt und diesen gegen den von der Druckfeder 30 ausgeübten Druck in der dem Steuerraum 14 abgewandten Richtung verschiebt, wodurch eine Verbindung zwischen dem Steuerraum 14 und dem Ablaufraum 25 hergestellt wird. Dadurch strömt' sich in dem Steuerraum 14 befindlicher Kraftstoff in den Ablaufraum 25 und von dort in der Kraftstoffrücklaufkanal 26. Über die Ablaufdrossel 13 wird dadurch der Ventilsteüerraum 7 entlastet, so daß sich der Druck in demselben abbaut und sich der Ventilsteuerkolben 5 in Richtung des Ventilsteuermoduls 3 verschiebt. Dadurch wird die zu dem Verbrennungsraum der Verbrennungsmaschine führende Öffnung freigegeben, so daß unter Hochdruck stehender, in dem Hochdruckraum 11 befindlicher Kraftstoff in den Verbrennungsraum eingespritzt wird.
Der über den Kraftstoffrücklaufkanal 26 abgeführte Kraftstoff strömt in den Kraftstoffvorratstank zurück, wenn der Druck in dem Rücklaufkanal 26 einen bestimmten Wert, z.B. 30 bar, übersteigt. Dies bedeutet, daß dieser Druck in den Federraum 31 und von dort über einen den Bereich vergrößerten Durchmessers- des Betätigungskolbens 16 umgebenden Leckspalt 38 in den Ringraum 23, den Kanal 22 und den Zylinderraum 21 wirkt, so daß stets eine gegebenenfalls erforderliche Befüllung der Hydraulikkammer 18 erfolgen kann. Wie oben schon ausgeführt, ist der Führungsstift 28 mit minimalen Spiel und maximaler Führungslänge L in der Bohrung 36 des Betätigungskolben 16 geführt. Das Verhältnis des Durchmessers dl der Bohrung 36 und zu dem Dichtdurchmesser d2 bestimmt die hydraulische Kraft, die auf den Betätigungskolben 16 wirkt. Dieses Verhältnis ist im vorliegenden Fall etwa gleich 1, so daß der Betätigungskolben 16 hydraulisch kraftausgeglichen gelagert ist. Dadurch ist zur Verschiebung des Betätigungskolben 16 mittels des Stellkolbens 19 nur eine geringe, mittels des Aktors 20 auszuübende Kraft erforderlich.
Wird die an dem piezoelektrische Aktor 20 angelegte Spannung unterbrochen, so wird der Stellkolben 19 zurückgefahren, wodurch der in der Hydraulikkammer 18 herrschende Druck reduziert wird und der Betätigungskolben 16 mittels der Feder 30 in Richtung des Düsenmoduls 2 verfahren wird, bis er in dem Ventilsitz 24 zu liegen kommt. Dadurch baut sich in dem Ventilsteuerraum 7 erneut der sogenannte Rail- Druck auf, so daß der Betätigungskolben 5 und damit die Düsennadel wieder in Schließstellung verfahren werden.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 2, bei dem aus Gründen der Übersichtlichkeit für funktionsgleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 gewählt sein, unterscheidet sich von demjenigen nach Figur 1 dadurch, daß der Federraum 31 über einen Druckausgleichskanal 41 mit einem Ringraum verbunden ist, der von einer Ringnut 40 des Stellkolbens 19 gebildet ist. Durch den Druckausgleichskanal 41 wird gewährleistet, daß in der Hydraulikkammer 21 stets der gleiche Konstantdruck wie in dem Federraum 31 herrscht. Dadurch können gegebenenfalls durch das Radialspiel des Betätigungskolbens 16 in der gestuften Bohrung 17 und das Radialspiel des Stellkolbens 19 in seiner Führungsbohrung entstehende Druckunterschiede ausgeglichen werden, so daß stets konstante Belastungen des piezoelektrischen Aktors 20 herrschen und Streuungen in der mittels des Einspritzventils 1 eingespritzten Einspritzmengen weitgehend ausgeschlossen sind.

Claims

Ansprüche
1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, .mit einer insbesondere piezoelektrischen Aktor-Einheit (20) zur Betätigung eines Ventilglieds, das mindestens einen Stellkolben (19) und mindestens einen in einem Ventilkörper (15) geführten Betätigungskolben (16) aufweist, der ein Ventilschließglied betätigt, das mit mindestens einem an dem Ventilkörper (15) ausgebildeten Ventilsitz (24) zusammenwirkt und in Schließstellung eine Steuerbohrung (14) von einem Ablaufraum (25) trennt, von welchem ein Rücklaufkanal (26) abzweigt, wobei zwischen dem Stellkolben (19) und dem Betätigungskolben (16) eine Hydraulikkammer (18) angeordnet ist, die eine Bewegung des Stellkolbens (19) auf den Betätigungskolben (16) überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungskolben (16) zumindest bei geschlossenem Ventilschließglied im wesentlichen hydraulisch kraftausgeglichen gelagert ist.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilschließglied Bestandteil des Betätigungskolbens
(16) ist.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungskolben (16) eine von dem Steuerraum (14) abzweigende Axialbohrung (27) hat, die den Betätigungskolben (16) durchgreift.
4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialbohrung (27) als gestufte Bohrung ausgebildet ist und in dem Bohrungsbereich (36) vergrößerten Durchmessers ein Führungsstift (28) angeordnet ist.
5. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (dl) des Bohrungsbereichs (36) vergrößerten Durchmessers dem Dichtdurchmesser (d2) des Ventilschließglieds entspricht.
6. Ventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsstift (28) eine Sackbohrung (29) aufweist, die im wesentlichen in der Achse der Axialbohrung
(27) des Betätigungskolbens liegt.
7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungskolben (16) im. wesentlichen als gestufter Zylinder ausgebildet ist.
8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Betätigungskolben (16) bei Beta- tigen der Aktor-Einheit (20) in der der Steuerbohrung (14) abgewandten Richtung bewegt.
9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungskolben (16) mittels einer in einem Federraum (31) angeordneten Druckfeder (30) in Schließrichtung vorgespannt ist.
10. Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Federraum (31) mit dem Rücklaufkanal (26) in Verbindung steht.
11. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Rücklauf anal (26) ein Überdruckventil (33) angeordnet ist.
12. Ventil nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schulterfläche (34) des einen gestuften Zylinder bildenden Betätigungskolbens (16) die Fläche des Betätigungskolbens (16) bildet, auf die der mittels der Hydraulikkammer (18) von dem Stellkolben
(19) auf den Betätigungskolben (16) ausgeübte Druck wirkt .
13. Ventil nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Federraum (31) über einen Druckausgleichskanal (41) mit einem Ringraum verbunden ist, der aus einer Ringnut (40) gebildet ist, die an der Um- fangsflache des Stellkolbens (19) ausgebildet ist.
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