WO1999066194A1 - Ventil zum steuern von flüssigkeiten - Google Patents

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WO1999066194A1
WO1999066194A1 PCT/DE1999/000642 DE9900642W WO9966194A1 WO 1999066194 A1 WO1999066194 A1 WO 1999066194A1 DE 9900642 W DE9900642 W DE 9900642W WO 9966194 A1 WO9966194 A1 WO 9966194A1
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WO
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valve
housing
piezo
piezo actuator
actuator
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PCT/DE1999/000642
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Inventor
Roger Potschin
Friedrich Boecking
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/0012—Valves
    • 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
    • F02M63/0035—Poppet valves, i.e. having a mushroom-shaped valve member that moves perpendicularly to the plane of the valve seat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0014—Valves characterised by the valve actuating means
    • 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

Definitions

  • the invention is based on a valve for controlling liquids according to the preamble of claim 1.
  • valve member is actuated by a piezo actuator, in that a hydraulic space is provided between the piezo actuator and the valve member, through which it is possible to make tolerances balance.
  • a piezo actuator in that a hydraulic space is provided between the piezo actuator and the valve member, through which it is possible to make tolerances balance.
  • Such valves have the disadvantage that care must be taken to ensure that the hydraulic space is always sufficiently filled with control fluid. The provision of a hydraulic room also means a great deal of effort in terms of sealing the same. If, on the other hand, the valve for controlling liquids is to be actuated directly by a piezo actuator, the difficulties arise that a considerable amount of heat is generated when a piezo actuator is working due to its energization.
  • the valve according to the invention for controlling liquids with the characterizing features of claim 1 has the advantage that a simple valve can be provided that is actuated directly by the piezo actuator, with temperature-related changes in length of the piezo actuator compared to that of the provided compensating element this receiving housing can be substantially compensated. This is advantageously done by using a compensating element that is provided in one of the end faces of the piezo actuator as a length-determining element between the housing and the valve to be actuated. The different thermal expansions can be compensated for by selecting the material of the compensating element or the thermal expansion coefficient of the material.
  • the thickness of the compensating element can be determined. So that the thermal expansions at different degrees of heating of the piezo actuator and the surrounding housing generally do not lead to large temperature differences, it is ensured according to claim 4 that the heat in the piezo actuator or in the piezo stack of the Piezo actuator is created, can be delivered to the housing as well as possible via the compensating element.
  • a safety specification can be provided such that, with the smallest length extension, with a corresponding activation of the piezo actuator, a certain forward stroke between the other end face of the piezo actuator and the valve member is maintained.
  • this preliminary stroke remaining differences in length changes can be absorbed without the closing position of the valve member being endangered.
  • this valve is used to control pressures in a control room, which is used to control an injection valve member of a fuel injection valve.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a fuel injection valve in which the valve according to the invention can be used to control liquids
  • FIG. 2 shows a simplified illustration of the valve according to the invention on the basis of the application in a
  • Fuel injection valve according to Figure la and Figure 3 is a partial view of the compensating element shown in Figure 2, with a resilient guide element.
  • FIG. 1 shows a fuel injection valve 1 in a simplified representation, which has an injection valve housing 2, with a stepped bore 3, in which an injection valve member 5 is guided. This has at one end a conical sealing surface 6 which interacts with a conical valve seat 7 at the end of the stepped bore 3. Fuel injection openings 8 are arranged downstream of the valve seat and are separated from a pressure chamber 9 when the sealing surface 6 is placed on the valve seat 7. The pressure chamber extends over an annular space 10 around the smaller-diameter part 13 of the injection valve member 5 which adjoins the sealing surface 6 up to the valve seat 7.
  • the pressure chamber 9 is connected via a pressure line 12 to a high-pressure fuel source in the form of a high-pressure fuel accumulator 14, which is supplied, for example, by a high-pressure pump 4, which delivers a variable delivery rate, from a reservoir 11 with fuel which is brought to injection pressure.
  • a high-pressure fuel source in the form of a high-pressure fuel accumulator 14, which is supplied, for example, by a high-pressure pump 4, which delivers a variable delivery rate, from a reservoir 11 with fuel which is brought to injection pressure.
  • High-pressure fuel supply supplies several of the injection valves shown.
  • the part 13 of the injection valve member with a smaller diameter merges with a pressure shoulder 16 facing the valve seat 7 into a part 18 of the injection valve member with a larger diameter.
  • This is tightly guided in the stepped bore 3 and continues on the side facing away from the pressure shoulder 16 in a connecting part 19 up to a piston-shaped end 20 of the injection valve member.
  • this has a spring plate 22, between which and the housing 2 of the fuel injection valve a compression spring 21 is clamped, which acts on the fuel injection valve member in the closed position.
  • the piston-like end 20 defines an end face 24, the area of which is larger than that of the pressure shoulder 16, in the housing 2 of the fuel injection valve, a control chamber 25 which is in constant communication with the high-pressure fuel accumulator 14 via a first throttle 26 and via a second one in one Drain channel 28 arranged throttle 27 is connected to a relief chamber 29.
  • the passage of the drain channel 28 is controlled by a control valve 31, which is designed as a 2/2-way valve, so that the drain channel is either open or closed.
  • the control of the control valve 31 serves to control the injection quantity and injection timing of fuel into the combustion chambers of an associated internal combustion engine, in particular a diesel internal combustion engine.
  • When the control valve is closed is because of the constant connection of the control room 25 with the
  • the fuel injection valve is opened for injection, the injection timing and the start of injection being determined.
  • the original high fuel pressure is restored very quickly in the control chamber 25, since the fuel is supplied via the the first throttle 26 can continue to flow and the outflow is prevented.
  • the fuel injection valve member 5 returns to its initial position or closed position to end the high-pressure injection.
  • the fuel injection valve is controlled via a control unit 36, which controls the control valves 31 of the individual fuel injection valves as a function of operating parameters, further detects the pressure in the high-pressure fuel reservoir with a pressure sensor 37 and controls the variable, supplying high-pressure fuel pump 4 in accordance with the deviation from a desired setpoint.
  • a pressure relief valve 38 can be provided that also as
  • Pressure control valve is controllable depending on operating parameters, depending on the design of the high-pressure fuel supply.
  • the high-pressure fuel pump can also continuously deliver in the same quantity and the pressure in the high-pressure fuel accumulator 14 can be regulated via the pressure relief valve, which is to be regarded here explicitly as a pressure control valve.
  • FIG. 2 again shows a part of a fuel injection valve according to FIG. 1 a with the injection valve housing 2, in which the control valve 31 is also integrated and the control chamber 25, which is enclosed in the housing by the end face 24 of the piston-shaped end 20.
  • the inflow to the control chamber 25 takes place via the first throttle 26 and the outflow via the outflow channel 28 in which the second throttle 27 is seated.
  • the control valve has a valve member 40 with a stem 41 and a valve head 42 which projects into a valve chamber 43.
  • a spring plate 44 is provided, against which a compression spring 45 rests, which on the other hand is supported fixed to the housing and strives to hold the valve member in the closed position. This is done by placing a sealing surface 47 on the valve head on a conical seat 46 at the transition between the valve chamber 43 to a guide bore 48 of the adjoining stem 41. Immediately adjacent to the sealing surface 47, the stem has an annular recess 49, which makes it possible for the valve head 42 is lifted from the valve seat 46 and the valve chamber 43 is connected to a part of the drain channel 128 branching off from the guide bore 48.
  • This channel opens into a spring chamber 51 which receives the compression spring 45 and the end of the shaft 41 with the spring plate 46 which projects from the guide bore 48 and from which a line 228 leads to the relief chamber 29.
  • the valve member 40 is normally held in the closed position, so that the valve chamber 43 and the control chamber 25 are closed towards the outflow side and the high pressure of the high-pressure fuel accumulator can build up in the control chamber 25 to close the fuel injection valve member.
  • the valve member 40 is actuated in the opening direction by means of the above-mentioned piezo actuator 53.
  • This consists of a piezo stack 56, which is enclosed axially as seen by a base plate 57 and a cover plate 58, the base plate 57 being an actuating part with a piston-shaped end 59 can be brought into contact with the shaft 41. Since piezo components can only be stressed permanently and reliably under pressure, the piezo stack is prestressed by spring elements 60. The electrical lead to the piezo stack is not shown in the drawing takes place in the usual way.
  • the actuator thus formed from the piezo stack, base plate 57, cover plate 58 and spring elements 60 is sealed by an elastic membrane element 61 in an actuator space 54.
  • the membrane element 61 closes off the actuator chamber 54 from the spring chamber 51 and also holds the actuator with its cover disk 58 in contact with a compensating element 62. This rests with flat surfaces on the one hand on the cover disk 58 and on the other hand on the one pointing in the axial direction of the valve member 40 Housing wall 63. This results in a good temperature flow via cover plate 58 and the compensating element 62 to the housing wall of the injector housing 2 when heat develops in the piezo stack.
  • the piezo actuator When voltage is supplied to the piezo stack, the piezo actuator expands and displaces the valve member 40 in the opening direction that comes back to the closed position when the excitation of the piezo stack is reduced by the force of the compression spring 45 and the piezo stack, which in turn is reduced in length.
  • the piezo actuator would therefore increase in size compared to the predetermined length of the housing in which it is installed, and would influence the position of the valve member 40. So that the valve member 40 can regularly return to the closed position, a preliminary stroke hv is provided here, which the piston-shaped end 59 has to cover in order to come into contact with the valve member. This The forward stroke can accommodate temperature-related differences in length, so that this does not affect the operation of the control valve.
  • the compensating element offers a further possibility of compensating for the length differences, namely the material of this
  • Compensation element is selected so that it has the greatest possible temperature-related change in length or a correspondingly large coefficient of expansion oc. If «pi ezo is positive. On the other hand, if ⁇ P ⁇ ezo is negative, choose ⁇ Balancing very large. The dimensioning of the
  • Compensating elements or the thickness x can be determined by the equation
  • Y is the remaining length between the actuator-side end face of the compensation element to the opposite side of the actuator space 54. If the total length (x + y) is known and the respective expansion coefficients are known, the thickness x of the compensation element can be easily determined from the above equation.
  • the compensating element is in good heat-conducting contact with the surrounding housing.
  • this has a correspondingly adapted end face and it is also possible, as shown in FIG. 3, to keep the circumferential side of the compensating element in good heat-conducting contact with the circumferential wall of the actuator space 54.
  • a resilient guide element 65 is provided, which is ring-shaped and U-shaped in cross section, forming the first leg 66 and a second
  • a piezo Actuator In the construction of a valve for controlling liquids presented here, a piezo Actuator can be used, which has the advantage of precisely controllable opening strokes in terms of both the opening path and the opening times. For this purpose, it offers the great advantage of being able to achieve high switching speeds which are able to control even small pilot injection quantities by briefly and / or slightly relieving the pressure on the control chamber 25.

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Abstract

Es wird ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten vorgeschlagen, das durch einen Piezo-Aktor (53) betätigbar ist, der unmittelbar auf ein Ventilglied (40) des Steuerventils (31) einwirkt. Zur Kompensation unterschiedlich großer Längenänderungen aufgrund von Temperatureinflüssen ist dabei ein Ausgleichselement (62) vorgesehen, das zwischen Piezo-Aktor und Gehäuse (2) in Achsrichtung des Ventilglieds (40) eingespannt ist und aufgrund eines ausgewählten Ausdehnungskoeffizienten des Materials in der Lage ist, temperaturbedingte unterschiedliche Längenänderungen von Piezo-Aktor (53) einerseits und Gehäuse (2) andererseits zu kompensieren.

Description

Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus.
Bei einem solchen, durch die EP-A-0 371 469 bekannten Ventil erfolgt die Betätigung des Ventilglieds durch einen Piezo- Aktor, dadurch, daß zwischen dem Piezo-Aktor und dem Ventilglied ein hydraulischer Raum vorgesehen ist, über den es möglich ist, Toleranzen auszugleichen. Solche Ventile haben den Nachteil, daß dafür Sorge getragen werden muß, daß der hydraulische Raum immer ausreichend mit Stellflüssigkeit gefüllt ist. Die Bereitstellung eines hydraulischen Raumes bedeutet weiterhin einen hohen Aufwand bezüglich einer Abdichtung desselben. Soll dagegen das Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten durch einen Piezo-Aktor direkt betätigt werden, so ergeben sich die Schwierigkeiten, daß bei der Arbeit eines Piezo-Aktors durch seine Bestromung eine erhebliche Wärmeentwicklung auftritt. Diese führte zu Längenänderungen aufgrund der Temperatursteigung am Piezo- Aktor selbst und auch zu Wärmeausdehnungen des sich erwärmenden umgebenden Gehäuses. Somit kann es im Laufe des Betriebs eines solchen Ventils dazu kommen, daß aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen das Ventil nicht mehr in seine Schließstellung oder nicht mehr in eine genügend weite Offenstellung gelangen kann.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß ein einfaches Ventil bereitgestellt werden kann, daß direkt vom Piezo-Aktor betätigt wird, wobei durch das vorgesehene Ausgleichselement temperaturbedingte Längenänderungen des Piezo-Aktors gegenüber den des diesen aufnehmenden Gehäuses wesentlich kompensiert werden. Vorteilhafterweise erfolgt dies durch Verwendung eines Ausgleichselements, daß in einer der Stirnseiten des Piezoaktors als längenbestimmendes Element zwischen dem Gehäuse und dem zu betätigenden Ventil vorgesehen wird. Durch Auswahl des Materials des Ausgleichselements bzw. des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials können die unterschiedlichen Wärmedehnungen ausgeglichen werden.
In vorteilhafter Weise erfolgt das unter Ansatz der Gleichung gemäß Patentanspruch 3, aus der bei gegebenen Werten wie die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Piezo- Stacks im Piezo-Aktor und des Materials des den Piezo-Aktor aufnehmenden Gehäuses sowie die vorliegenden Abmessungen bei gegebener Temperaturspreizung die Dicke des Ausgleichselements ermittelt werden kann. Damit die Wärmedehnungen bei unterschiedlichen Graden der Erwärmung des Piezo-Aktors und des umgebenden Gehäuse grundsätzlich zu keinen zu großen Temperaturunterschieden führen, ist gemäß Patentanspruch 4 dafür Sorge getragen, daß die Wärme, die in dem Piezo-Aktor bzw. in dem Piezo-Stack des Piezo-Aktors entsteht, möglichst gut über das Ausgleichselement an das Gehäuse abgegeben werden kann. Dazu dienen vorteilhaft die federnden Führungselemente, die diesen wärmeleitenden Kontakt ständig auch zur Seite des Ausdehnungselements aufrechterhalten. Darüberhinaus kann eine Sicherheitsvorgabe derart konstruktiv vorgesehen werden, daß bei kleinster Längenerstreckung bei entsprechender Ansteuerung des Piezo- Aktors ein bestimmter Vorhub zwischen der anderen Stirnseite des Piezo-Aktors und dem Ventilglied eingehalten wird. Im Rahmen dieses Vorhubes können noch restliche Unterschiede in den Längenänderungen aufgefangen werden, ohne das die Schließposition des Ventilglieds gefährdet wäre. Bei kaltem Ventil, bzw. bei aufgrund des Betriebszustands minimalstem Unterschied der Längendehnungen zwischen Piezo und dem diesen aufnehmenden Gehäuse ist der Vorhub so klein, daß er sich nicht negativ auf den Öffnungsgrad des Ventils auswirkt bzw. negativ auf die durch das Ventil wahrzunehmenden
Funktionen. In vorteilhaf er Weise wird gemäß Patentanspruch 7 dieses Ventil zur Steuerung von Drücken in einem Steuerraum verwendet, der zur Steuerung eines Einspritzventilgliedes eines Kraftstoffeinspritzventils dient.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung widergegeben und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzventils , bei dem das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten Anwendung finden kann, Figur 2 eine vereinfachte Darstellung des erfindungsgemäßen Ventils anhand der Anwendung bei einem
Kraftstoffeinspritzventil gemäß Figur la und Figur 3 eine Teilansicht des in Figur 2 wiedergegebenen Ausgleichselements, mit einem federnden Führungselement .
Beschreibung des Ausführungsbeispiels Figur 1 zeigt ein Kraftstoffeinspritzventil 1 in vereinfachter Darstellung, das ein Einspritzventilgehäuse 2 aufweist, mit einer gestuften Bohrung 3, in der ein Einspritzventilglied 5 geführt ist. Dieses weist an seinem einen Ende eine kegelförmige Dichtfläche 6 auf, die mit einem kegelförmigen Ventilsitz 7 am Ende der gestuften Bohrung 3 zusammen wirkt. Stromabwärts des Ventilsitzes sind Kraftstoffeinspritzöffnungen 8 angeordnet, die beim Aufsetzen der Dichtfläche 6 auf den Ventilsitz 7 von einem Druckraum 9 getrennt werden. Der Druckraum erstreckt sich über einen Ringraum 10 um den sich an die Dichtfläche 6 stromaufwärts anschließenden, mit kleinerem Durchmesser versehenen Teil 13 des Einspritzventilglieds 5 bis zum Ventilsitz 7 hin. Der Druckraum 9 ist über eine Druckleitung 12 mit einer Kraftstoffhochdruckquelle in Form eines Kraftstoffhochdruckspeichers 14 verbunden, der zum Beispiel von einer mit variabler Förderrate fördernden Hochdruckpumpe 4 aus einem Vorratsbehälter 11 mit Kraftstoff, der auf Einspritzdruck gebracht ist, versorgt wird. Der
Kraftstoffhochdruckspeicher versorgt dabei mehrere der gezeigten Einspritzventile. Im Bereich des Druckraumes 9 geht der im Durchmesser kleinere Teil 13 des Einspritzventilglieds mit einer zum Ventilsitz 7 weisenden Druckschulter 16 in einen im Druchmesser größeren Teil 18 des Einspritzventilglieds über. Dieser ist in der gestuften Bohrung 3 dicht geführt und setzt sich auf der der Druckschulter 16 abgewandten Seite in einem Verbindungsteil 19 fort, bis hin zu einem kolbenförmigen Ende 20 des Einspritzventilglieds. Im Bereich des Verbindungsteils 19 hat dieses einen Federteller 22, zwischen dem und dem Gehäuse 2 des Kraftstoffeinspritzventils eine Druckfeder 21 eingespannt ist, die das Kraftstoffeinspritzventilglied in Schließstellung beaufschlagt . Das kolbenartige Ende 20 begrenzt mit einer Stirnseite 24, deren Fläche größer ist, als die der Druckschulter 16, im Gehäuse 2 des Kraftstoffeinspritzventils einen Steuerraum 25, der über eine erste Drossel 26 in ständiger Verbindung mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher 14 ist und über eine zweite in einem Abflußkanal 28 angeordnete Drossel 27 zu einem Entlastungsraum 29 verbunden ist. Der Durchgang des Abflußkanals 28 wird durch ein Steuerventil 31, das als 2/2- Wegeventil ausgebildet ist, gesteuert ist, so, daß der Abflußkanal entweder geöffnet oder geschlossen ist.
Die Ansteuerung des Steuerventils 31 dient zur Steuerung von Einspritzmenge und Einspritzzeitpunkt von Kraftstoff in die Brennräume einer zugehörigen Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine. Bei geschlossenem Steuerventil ist wegen der ständigen Verbindung des Steuerraums 25 mit dem
Kraftstoffhochdruckspeicher der dort herrschende Druck auf hohem Niveau. Weil die Fläche der Stirnseite 24 größer ist als die Fläche der Druckschulter 16 und der auf beiden
Flächen wirkende Druck in dem Moment gleich groß ist, bleibt das Kraftstoffeinspritzventilglied 5 in geschlossener Stellung, unterstützt zudem durch die Druckfeder 21. Wird zur Auslösung einer Einspritzung das Steuerventil 31 geöffnet, so kann der Steuerraum 25 zum Entlastungsraum 29 entlastet werden, so daß abgekoppelt vom
Kraftstoffhochdruckspeicher durch die erste Drossel 26 sich im Steuerraum 25 ein Druck niedrigeren Niveaus einstellt. In diesem Fall überwiegen die auf die Druckschulter 16 in Öffnungsrichtung wirkenden Druckkräfte und das
Kraftstoffeinspritzventil wird zur Einspritzung geöffnet, wobei der Einspritzzeitpunkt und der Einspritzbeginn festgelegt sind. Durch Wiederschließen des Steuerventils 31 stellt sich im Steuerraum 25 sehr schnell der ursprüngliche hohe Kraftstoffdruck wieder ein, da der Kraftstoff über die erste Drossel 26 weiterhin zufliessen kann und der Abfluß unterbunden ist . Dadurch gelangt das Kraftstoffeinspritzventilglied 5 wieder in seine Ausgangsstellung bzw. Schließstellung zurück zur Beendigung der Hochdruckeinspritzung.
Die Ansteuerung des Kraftstoffeinspritzventils erfolgt über ein Steuergerät 36, das in Abhängigkeit von Betriebsparametern die Steuerventile 31 der einzelnen Kraftstoffeinspritzventile ansteuert, ferner mit einem Drucksensor 37 den Druck im Kraftstoffhochdruckspeicher erfaßt und entsprechend der Abweichung von einem gewünschten Sollwert die variable fördernde Kraftstoffhochdruckpumpe 4 steuert. Parallel zu dieser kann ein Druckbegrenzungsventil 38 vorgesehen werden, daß ebenfalls auch als
Drucksteuerventil in Abhängigkeit von Betriebsparametern steuerbar ist, je nach Konzeption der Kraftstoffhochdruckversorgung . Auch kann die Kraftstoffhochdruckpumpe ständig in gleicher Menge fördern und über das Druckbegrenzungsventil , daß hier explizit als Drucksteuerventil anzusehen ist, der Druck im Kraftstoffhochdruckspeicher 14 eingeregelt werden.
Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten kann als Steuerventil 31 Anwendung finden. In Figur 2 ist wiederum ein Teil eines Kraf stoffeinspritzventils gemäß Figur la gezeigt mit dem Einspritzventilgehäuse 2, in dem auch das Steuerventil 31 integriert ist und dem Steuerraum 25, der in dem Gehäuse von der Stirnseite 24 des kolbenförmigen Endes 20 eingeschlossen wird. Der Zufluß zum Steuerraum 25 erfolgt über die erste Drossel 26 und der Abfluß über den Abflußkanal 28, in der die zweite Drossel 27 sitzt . Das Steuerventil weist ein Ventilglied 40 auf, mit einem Schaft 41 und einem Ventilkopf 42, der in einen Ventilraum 43 ragt. An dem Ventilkopf abgewandten Ende des Schaftes 41 ist ein Federteller 44 vorgesehen, an dem eine Druckfeder 45 anliegt, die sich andererseits gehäusefest abstützt und bestrebt ist, das Ventilglied in Schließstellung zu halten. Dies geschieht durch Anlage einer Dichtfläche 47 am Ventilkopf an einem kegelförmigen Sitz 46 am Übergang zwischen dem Ventilraum 43 zu einer Führungsbohrung 48 des sich anschließenden Schaftes 41. Unmittelbar angrenzend an die Dichtfläche 47 weist der Schaft eine Ringausnehmung 49 auf, die es ermöglicht, das bei vom Ventilsitz 46 abgehobenen Ventilkopf 42 der Ventilraum 43 mit einem von der Führungsbohrung 48 abzweigenden Teil des Abflußkanals 128 verbunden wird. Dieser Kanal mündet in einen die Druckfeder 45 und das aus der Führungsbohrung 48 herausragende Ende des Schaftes 41 mit Federteller 46 aufnehmenden Federraums 51, von dem eine Leitung 228 zum Entlastungsraum 29 führt. Durch die Druckfeder 45 wird das Ventilglied 40 normalerweise in Schließstellung gehalten, so daß Ventilraum 43 und Steuerraum 25 zur Abflußseite hin verschlossen sind und sich im Steuerraum 25 der hohe Druck des Kraftstoffhochdruckspeichers aufbauen kann zur Schließung des Kraftstoffeinspritzventilglieds .
Eine Betätigung des Ventilglieds 40 in Öffnungsrichtung erfolgt mittels des genannten Piezo-Aktors 53. Dieser besteht aus einem Piezo-Stack 56, der von einer Bodenscheibe 57 und einer Deckscheibe 58 axial gesehen eingeschlossen wird, wobei die Bodenscheibe 57 als Betätigungsteil mit einem kolbenförmigen Ende 59 zur Anlage an den Schaft 41 bringbar ist. Da Piezo-Bauelemente nur auf Druck dauerhaft und verläßlich beanspruchbar sind, ist der Piezo-Stack durch Federelemente 60 vorgespannt. Die elektrische Zuleitung zu dem Piezo-Stack ist in der Zeichnung nicht gezeigt und erfolgt in üblicher Weise. Der so aus Piezo-Stack, Bodenscheibe 57, Deckscheibe 58 und Federelemente 60 gebildete Aktor wird durch ein federndes Membranelement 61 in einem Aktorraum 54 dicht eingeschlossen. Das Membranelement 61 schließt dabei den Aktorraum 54 gegenüber dem Federraum 51 ab und hält ferner den Aktor mit seiner Deckscheibe 58 in Anlage an einem Ausgleichselement 62. Dieses liegt mit ebenen Flächen einerseits an der Deckscheibe 58 an und andererseits an der in Achsrichtung des Ventilglieds 40 weisenden Gehäusewand 63. Hiermit ergibt sich bei einer Wärmeentwicklung im Piezo-Stack ein guter Temperaturabfluß über Deckscheibe 58 und das Ausgleichelement 62 zur Gehäusewand des Einspritzventilgehäuses 2. Bei zugeführter Spannung zum Piezo-Stack dehnt sich der Piezo-Aktor aus und verschiebt das Ventilglied 40 in Öffnungsrichtung, das bei Rücknahme der Erregung des Piezo-Stacks durch die Kraft der Druckfeder 45 und sich in der Länge wiederrum reduzierenden Piezo- Stacks wieder in Schließstellung kommt. Diese Arbeitsvorgänge des Piezo-Stacks erzeugen Wärme, die zur
Materialausdehnung führen unter Berücksichtigung der für die verschiedene Materialien geltenden
Wärmeausdehnungskoeffizienten. Trotz guter Wärmeabfuhr wird die Temperatur im Bereich des Piezo-Aktors, der als Wärmequelle eine hohe Wärmeflußbelastung hat im Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils größer werden als die Temperatur des den Aktorraum 54 umgebenden Gehäuses, das eine geringerer Wärmeflußbelastung hat. Mit zunehmender Betriebsdauer würde sich der Piezo-Aktor also gegenüber der vorgegebenen Länge des Gehäuses, in das er eingebaut ist, vergrößern und die Position des Ventilglieds 40 beeinflußen. Damit das Ventilglied 40 regelmäßig wieder in Schließstellung gelangen kann, ist hier zunächst ein Vorhub hv vorgesehen, den das kolbenförmige Ende 59 zurücklegen muß, um zur Anlage an dem Ventilglied zu gelangen. Dieser Vorhub kann temperaturbedingte Längenunterschiede aufnehmen, so daß hiermit die Arbeitsweise des Steuerventils nicht beeinflußt wird. Darüberhinaus bietet das Ausgleichselement noch eine weiter Kompensationsmöglichkeit der Längendifferenzen, indem nämlich das Material dieses
Ausgleichelement so ausgewählt wird, daß es eine möglichst große temperaturbedingte Längenänderung aufweist bzw. einen entsprechend großen Ausdehnungskoeffizienten ocAusgleιch . Wenn «piezo positiv ist. Wenn αPιezo dagegen negativ ist, ist αAusgleιch sehr groß zu wählen. Die Dimensionierung des
Ausgleichselements bzw. die Dicke x kann dabei durch die Gleichung
[y * αPιezo * ΔT] + [x * αAusgleιch * ΔT] = [ (x+y) * αGehSuse* ΔT] werden. Y ist dabei die verbleibende Länge zwischen aktorseitiger Stirnseite des Ausgleichelements bis zur gegenüberliegenden Seite des Aktorraumes 54. Ist die Gesamtlänge (x+y) bekannt und sind die jeweiligen Ausdehnungskoeffizienten bekannt, so kann aus der obigen Gleichung die Dicke x des Ausgleichelements leicht ermittelt werden.
Wesentlich ist, daß das Ausgleichselement in gutem wärmeleitenden Kontakt zum umgebenden Gehäuse ist . Dazu weist dieses eine entsprechend angepaßte Stirnseite auf und es ist ferner möglich gemäß Figur 3 auch die Umfangsseite des Ausgleichselement in guten wärmeleitenden Kontakt mit der umfangsseitigen Wand des Aktorraumes 54 zu halten. Dazu ist gemäß Figur 3 ein federndes Führungselement 65 vorgesehen, das ringförmig ist und im Querschnitt u-förmig, unter Bildung des ersten Schenkels 66 und eines zweiten
Schenkels 67, die unter Vorspannung am Gehäuse 2 einerseits und am Ausgleichselement 62 andererseits anliegen.
In der hier vorgestellten Konstruktion eines Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten kann in einfacher Weise ein Piezo- Aktor eingesetzt werden, der den Vorteil von exakt steuerbaren Öffnungshüben sowohl bezüglich des Öffnungsweges als auch der Öffnungszeitpunkte hat. Dazu bietet er den großen Vorteil, hohe Schaltgeschwindigkeiten verwirklichen zu können, die in der Lage sind, auch kleine Voreinspritzmengen durch kurzzeitige und/oder geringe Entlastung des Steuerraums 25 zu steuern.

Claims

Ansprüche
1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Ventil - glied (40), das entgegen einer Rückstellkraf wenigstens mittelbar durch einen Piezoaktor (53) betätigbar ist, der einen sich mit seiner eine Stirnseite (58) in einem Gehäuse (2) abstützenden Piezostack (56) aufweist, welcher bei Änderung einer am Piezostack angelegten Spannung eine
Längenänderung durchführt, die mittels der andere Stirnseite (57) des Piezoaktors auf das Ventilglied (40) zu dessen Verstellung übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß an einer der in der Längenänderungsrichtung des Piezoaktors (53) weisenden Stirnseiten des Piezoaktors ein
Ausgleichselement (62) vorgesehen ist, durch das der Unterschied von temperaturbedingten Längenänderungen des Piezoaktor (53) gegenüber denen des den Piezoaktor auf nehmenden Gehäuses (2) wenigstens zum Teil kompensiert werden.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichselement (62) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der größer als der des Gehäuses ist, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Piezos nwegativ oder klein ist .
3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Ausgleichselements (62) durch die Gleichung [y * αPιezo * ΔT] + [x * αAusgleιch * ΔT] = [ (x+y) * αGehäuse* ΔT] bestimmt wird,
wobei x die Dicke des Ausgleichselements ist, y die Länge des Piezoaktors, ΔT die Erwärmung und α der jeweilige Wärmeausdehnungskoeffizient von Piezo, Ausdehnungselement und Gehäuse sind.
4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichselement (62) zwischen der einen Stirnseite (58) und dem Gehäuse (2) angeordnet ist und eine ebene
Anlagefläche zur Anlage an die ebenen Stirnseiten (63, 58) des Gehäuses (2) und des Piezoaktors (53) aufweist und durch ein federndes Führungselement (65) ständig einen seitlichen, wärmeleitenden Kontakt zum Gehäuse (2) hat.
5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungselement ein Federring (65) mit U-förmigem Querschnitt ist.
6. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die andere Stirnseite (57, 59) des Piezoaktors (53) bei der kleinsten sich durch die elektriche Ansteuerung einstellenden Länge des Piezoaktors (53) einen vorgegebenen Abstand zur einem die Verstellung des Ventiglieds (40) bewirkenden Teil hat.
7. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil der Steuerung eines Druckes in einem Steuerraum (25) dient, der die Bewegung eines Einspritzventilgliedes (5) eine Kraftstoffeinspritzventils (1) steuert.
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