WO2001023741A1 - Ventil zum steuern von flüssigkeiten - Google Patents

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WO2001023741A1
WO2001023741A1 PCT/DE2000/003136 DE0003136W WO0123741A1 WO 2001023741 A1 WO2001023741 A1 WO 2001023741A1 DE 0003136 W DE0003136 W DE 0003136W WO 0123741 A1 WO0123741 A1 WO 0123741A1
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valve
pressure chamber
leakage
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system pressure
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PCT/DE2000/003136
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Wolfgang Stoecklein
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Robert Bosch Gmbh
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    • 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 fluids according to the type defined in more detail in patent claim 1.
  • DE 197 328 02 discloses a fuel injection device for internal combustion engines with a high-pressure fuel source.
  • the fuel injector has two valve seats with sealing surfaces on a closing body
  • Actuation by means of a piezo drive interact in a movement sequence, the closing body initially being in the closed position on the first valve seat, then being brought into an intermediate position between the valve seats in order to then return to the second valve seat in a closed position.
  • Pressure level determines an opening or closing position of a valve needle in the force-balanced designed fuel injection device and thus the fuel injection is controlled.
  • the fuel injection is made possible while the closing body is in an intermediate position between the two valve seats. In this way, fuel injection is implemented by means of a single excitation of the piezo drive.
  • the loss times in the control of the known fuel injection device are advantageously relatively short.
  • the invention has for its object to provide a valve for controlling liquids, with which the aforementioned disadvantages, in particular overshoots in the central position of the valve closing member, are avoided.
  • valve according to the invention for controlling liquids with the features of claim 1 has the advantage that the actuating movements of the valve member are damped by means of steaming elements in such a way that the valve closing member is stabilized in its central position between the two valve seats.
  • high-frequency injections of liquids, in particular fuel can also be carried out exactly by the valve according to the invention, without there being any fluctuations in the injection quantity due to overshoots of the valve closing element in an unfavorable intermediate position.
  • valve according to the invention hydraulic forces are generated by the damping organs, which act briefly against the direction of movement of the valve closing member and thus brake it accordingly into a central position between the two valve seats. Accordingly, the valve closing member can reach its stable middle position without the occurrence of overshoots.
  • a significant advantage of the invention is further that the hydraulic counter forces generated by the damping elements only act for a short time, so that the piezoelectric unit does not move the valve closing member against these damping forces m the closed position to the second valve seat.
  • the piezoelectric unit can thus be dimensioned correspondingly small, as a result of which the production costs are reduced.
  • Figure 1 is a schematic, partial representation of a first embodiment of the invention in a fuel injection valve for internal combustion engines in longitudinal section
  • Figure 2 is a schematic, partial illustration of a second embodiment in a fuel injection valve in longitudinal section with a hollow drilled leakage pin
  • FIG. 3 shows a diagram with diagrams for a leakage pin, a gap pressure and a gap width being plotted over a length of the pin.
  • the first exemplary embodiment shown in FIG. 1 shows the use of the valve according to the invention in a fuel injection valve 1 for internal combustion engines of motor vehicles.
  • the fuel injection valve 1 is designed here as a common rail injector, the fuel injection being controlled via the pressure level in a valve control chamber 12, which is connected to a high pressure supply.
  • a valve member 2 is controlled via a piezoelectric unit designed as a piezoelectric actuator 3, which is arranged on the side of the valve member 2 facing away from the valve control chamber and combustion chamber.
  • the piezoelectric actuator 3 is made up of several layers and has an actuator head 4 on its side facing the valve member 2 and an actuator foot 5 on its side facing away from the valve member, which is supported on a wall 26.
  • An actuator piston 7 of the valve member 2 is in contact with the actuator head 4 via a support 6, the piston being of stepped diameter.
  • the valve member 2 is axially displaceable in a bore 8 of a valve body 9 designed as an elongated bore and, in addition to the actuating piston 7, also comprises an actuating piston 10 actuating a valve closing member 13, the actuating piston 7 and the actuating piston 10 having different diameters.
  • the actuating piston 7 and the actuating piston 10 are coupled to one another by means of a hydraulic transmission.
  • the hydraulic transmission is designed as a hydraulic chamber 11, which transmits the deflection of the piezoelectric actuator 3.
  • the hydraulic chamber 11 encloses a common compensation volume between the two pistons 7 and 10 delimiting it, of which the actuating piston 10 is designed with a smaller diameter and the actuating piston 7 with a larger diameter.
  • the hydraulic chamber 11 is clamped between the actuating piston 7 and the actuating piston 10 in such a way that the actuating piston 10 of the valve member 2 makes a stroke which is increased by the ratio of the piston diameter when the larger actuating piston 7 is moved by the piezoelectric actuator 3 by a certain distance.
  • the valve member 2 the
  • the actuating piston 7, the actuating piston 10 and the piezoelectric actuator 3 lie one behind the other on a common axis.
  • the filling of the hydraulic chamber 11 is not shown in FIG. 1. Tolerances based on temperature gradients in the component or different coefficients of thermal expansion of the materials used and any setting effects can be compensated for via the compensation volume of the hydraulic chamber 11, without a change in the position of the valve closing element 13 to be controlled thereby occurring.
  • valve closing member 13 At the valve control chamber end of the valve member 2, the spherical valve closing member 13 is provided.
  • the valve closing member 13 cooperates with valve seats 14, 15 formed on the valve body 9, the lower valve seat 15 being assigned a spring 27 which holds the valve closing member 13 on the upper valve seat 14 when the valve control chamber 12 is relieved.
  • valve seats 14, 15 are formed in a valve low-pressure chamber 16 formed by the valve body 9, which is connected to a leakage drain channel 17 and to a compensation channel 19 leading to a valve system pressure chamber 18.
  • the leakage drain channel 17 has a damping element designed as a throttle 20.
  • the valve low-pressure chamber 16 has a connection, formed by the lower valve seat 15, to the valve control chamber 12, which is only indicated in FIG. 1, and a filling channel 21 which flows into the equalization channel 19.
  • a movable valve control piston which is not shown in the drawing, is arranged in the valve control chamber 12.
  • An injection nozzle of the fuel injection valve 1 is controlled in a manner known per se by axial movements of the valve control piston in the valve control chamber 12.
  • An injection line, which supplies the injection nozzle with fuel, usually also flows into the valve control chamber 12.
  • the injection line is one for multiple fuel injectors common high-pressure storage space (common rail) connected.
  • the high-pressure storage space is fed in a known manner from a high-pressure fuel pump with high-pressure fuel from a storage tank.
  • the compensation channel 19 leading to the valve system pressure chamber 18 has a spring-loaded pressure relief valve 22 regulating the system pressure in the valve system pressure chamber 18 on the valve low pressure chamber side and is equipped with a damping element designed as a throttle 24.
  • the filling channel 21 is connected to the compensation channel 19 via a leakage pin 23 regulating the filling, which is fitted into a bore and enables a predetermined leakage.
  • the leakage pin 23 enables the realization of a small flow cross-section in a simple manner, however, of course, a precision bore can of course also serve as a filling device.
  • the material of the leakage pin 23 has a greater coefficient of thermal expansion than the material of the
  • Valve body 9 has that, with increasing temperature, a viscosity-related increase in the volume flow flowing around the leakage pin 23 is severely limited, an almost constant volume flow with temperature changes being achievable with an optimal choice of material.
  • the valve system pressure chamber 18 connects to the piezo-side end of the bore 8 and is delimited on the one hand by the valve body 9 and on the other hand by a sealing element 25 connected to the actuating piston 7 of the valve member 2 and the valve body 9.
  • the sealing element is designed as a bellows-like membrane 25 and prevents the piezoelectric actuator 3 from coming into contact with the fuel contained in the valve system pressure chamber 18.
  • the sealing element can be used in others Versions can also be designed as a corrugated tube or the like.
  • the fuel injection valve 1 according to FIG. 1 operates in the manner described below.
  • Fuel can get into the valve low pressure chamber 16 from the valve control chamber 12 connected to the high pressure storage chamber and can then escape through the leakage drain channel 17.
  • Diameter of the actuating piston 7 projecting into the hydraulic chamber 11 increases proportionally, the biasing force of the piezoelectric actuator 3 can be adjusted via the diameter of the actuating piston 7, with the largest possible piston diameter being advantageous. Values adapted to the individual case can be selected by the person skilled in the art.
  • Valve body 9 occurs, the control piston 7 penetrates into the compensating volume of the hydraulic chamber 11 with an increase in temperature or withdraws from it when the temperature drops without this having any effect on the closed and open position of the valve member 2 and the fuel valve 1 as a whole.
  • the piezoelectric actuator 3 If an injection is to take place through the fuel injection valve 1, the piezoelectric actuator 3 is energized, as a result of which its axial expansion increases abruptly. With such a rapid actuation of the piezoelectric actuator 3, it is supported on the wall 26, as a result of which the actuating piston 10 with the valve closing member 7 of the valve member 2 moves from its upper valve seat 14 into a central position between the two valve seats 14, 15. Due to the actuating movement of the valve member 2, the volume of the valve system pressure chamber 18 is reduced due to the moving membrane 25, as a result of which the system pressure in the valve system pressure chamber 18 increases accordingly. This pressure increase cannot be reduced immediately by the pressure relief valve 22, since the
  • Throttle 24 briefly builds up the system pressure. As a result, a hydraulic counterforce acts on the diaphragm 25 against the actuating movement of the valve member 2. The actuating movement is accordingly damped, so that the valve closing member 13 is stabilized in the central position between the two valve seats 14, 15.
  • valve closing member 13 can be moved into its closed position on the lower valve seat 15, as a result of which fuel can no longer penetrate from the valve control chamber 12 into the valve low pressure chamber 16. The fuel injection is then ended.
  • FIG. 2 a second exemplary embodiment of fuel injector 1 is shown, in which:
  • the fuel injection valve 1 shown here differs in that the throttle 24 arranged in the compensating channel 19 is replaced by a leakage pin 23, which is at least partially drilled hollow, for filling the valve system pressure chamber.
  • the leakage pin 23 has a throttle area a and a leakage area b.
  • the bore in which the leakage pin 23 ⁇ is arranged has an annular groove 28 which is connected to the pressure relief valve 22.
  • the throttle 24 in the first exemplary embodiment is replaced here by a gap throttling, so that the mode of operation of the damping element of the fuel injector does not change.
  • the throttle 20 arranged in the leakage discharge channel 17 was also dispensed with in the second exemplary embodiment.
  • the leakage pin 23 ⁇ has a substantially greater coefficient of thermal expansion than the material of the valve body 9 in order to limit a viscosity-related increase in the temperature as the temperature increases.
  • the damping elements designed as throttles 20, 24 or leakage pin 23 can alternatively or also be used side by side in the valve according to the invention. The operation of the valve can be further stabilized if several steaming elements are used side by side.
  • FIG. 3 shows a diagram with diagrams, in which on the one hand a gap width s (x) and a gap pressure p (x) over the gap height or pin length x of the leakage pin 23 "can be seen.
  • the pressure decrease takes place in the gap between the leakage pin 23 ⁇ and the surrounding bore linear if the bore and the leakage pin 23 ⁇ fitted into the bore are cylindrical, the maximum pressure corresponds to an internal pressure p_0 in the leakage pin 23 ⁇ and there is a minimum pressure in the gap at a maximum gap width s_0 ,
  • the internal pressure p_0 in the hollow leakage pin 23 ⁇ is constant over the pin length x.
  • the hydraulic medium for filling the hydraulic chamber 11 is the fuel, which is also injected into a combustion chamber of an internal combustion engine. With a suitable separation between the fuel supply and the discharge of the exiting in the hydraulic chamber 11 Hydraulic medium and a tracking of leakage losses, it is also possible to use separate 01 such as Motorol as the hydraulic medium.

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Abstract

Ein Ventil (1) zum Steuern von Flüssigkeiten ist mit einer piezoelektrischen Einheit (3) zur Betätigung eines in einer Bohrung (8) eines Ventilkörpers (9) axial verschiebbaren Ventilglieds (2) ausgebildet. Dabei grenzt ein Ende der Bohrung (8) an einen durch ein Dichtelement (25) begrenzten Ventilsystemdruckraum (18) und ihr anderes Ende an einen einen Leckageablaufkanal (17) aufweisenden Ventilniederdruckraum (16), welcher über einen Ausgleichkanal (19), der ein Druckbegrenzungsorgan (20, 23`) und eine Befülleinrichtung (23, 23`) aufweist, mit dem Ventilsystemdruckraum (18) verbunden ist. Dem Ventilglied (2) ist ein Ventilschließglied (13) zugeordnet, das mit wenigstens zwei in dem Ventilniederdruckraum (16) angeordneten Ventilsitzen (14, 15) zum Öffnen und Schließen des Ventils (1) derart zusammenwirkt, daß es in einer Schließstellung den Ventilniederdruckraum (16) von einem unter Hochdruck stehenden Ventilsteuerraum (12) trennt und in einer Zwischenstellung zwischen den Ventilsitzen (14, 15) den Ventilniederdruckraum (16) mit dem Ventilsteuerraum (12) strömungsmäßig verbindet, wobei wenigstens ein kurzfristig hydraulische Gegenkräfte erzeugendes Dämpfungsorgan (20, 23`, 24) zum Dämpfen der Stellbewegungen des Ventilgliedes (2) vorgesehen ist.

Description

Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Ventil zum Steuern von Flussigkei- ten gemäß der in Patentanspruch 1 naher definierten Art aus.
Aus der DE 197 328 02 ist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit einer Kraftstoffhochdruckquelle bekannt. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung besitzt zwei Ventilsitze, die mit Dichtflachen eines Schließkorpers bei
Betätigung durch einen Piezoantrieb in einer Bewegungsabfolge zusammenwirken, wobei sich der Schließkorper anfanglich in Schließstellung an dem ersten Ventilsitz befindet, dann in eine Zwischenstellung zwischen die Ventilsitze gebracht wird, um anschließend wieder in eine Schließstellung an den zweiten Ventilsitz zu gelangen.
Auf diese Weise wird durch den Bewegungsablauf des Schließkorpers vom einen zum anderen Ventilsitz eine kurzzeitige Entlastung eines Ventilsteuerraumes erreicht, über dessen
Druckniveau eine Offnungs- bzw. Schließstellung einer Ventilnadel in der kraftausgeglichen ausgebildeten Kraftstoffeinspritzvorrichtung bestimmt und somit die Kraftstoffeinspritzung gesteuert wird. Die Kraftstoffeinspritzung wird dabei ermöglicht, wahrend sich der Schließkorper in einer Zwischenstellung zwischen den beiden Ventilsitzen befindet. Auf diese Weise wird die Kraftstoffeinspritzung mittels einer einzigen Erregung des Piezoantriebes realisiert.
Da eine zeitraubende Bewegungsumkehr des Schließkorpers wahrend der Kraftstoffeinspritzung nicht erforderlich ist, sind die Verlustzeiten bei der Ansteuerung der bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtung vorteilhafterweise relativ gering.
Jedoch hat sich gezeigt, daß Uberschwingungen des Schließkorpers auftreten, wenn dieser in eine Mittelstellung zwischen den beiden Ventilsitzen gebracht werden soll. Sobald der Schließkorper zu weit in Richtung des ersten oder des zweiten Ventilsitzes schwingt, kann dies in nachteiliger Weise zu Ungenauigkeiten bei der Dosierung der Einspritzmenge fuhren.
Es ist möglich, die Mittelstellung des Schließkorpers zwischen den Ventilsitzen mittels Federkraft zu stabilisieren, jedoch hat dies den Nachteil, daß der Piezoantrieb entgegen der Federkraft in seine Schließstellung an dem zweiten Ventilsitz bewegt werden mußte. Demzufolge mußte der Piezoantrieb entsprechend groß dimensioniert werden, wodurch die Fertigungskosten und die konstruktiven Abmessungen der Einspritzvorrichtung negativ beeinflußt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil zur Steuerung von Flüssigkeiten zu schaffen, mit dem die vorbezeichneten Nachteile, insbesondere Uberschwingungen in der Mittel- Stellung des Ventilschließglieds, vermieden werden. Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemaße Ventil zur Steuerung von Flüssigkeiten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, daß die Stellbewegungen des Ventilgliedes derart mittels Dampfungsorga- nen gedampft werden, daß das Ventilschließglied in seiner Mittelstellung zwischen den beiden Ventilsitzen stabilisiert wird. Demzufolge können auch hochfrequente Einspritzungen von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoff, durch das erfin- dungsgemaße Ventil exakt vorgenommen werden, ohne daß es dabei zu Schwankungen bei der Einspritzmenge durch Uberschwingungen des Ventilschließgliedes in eine ungunstige Zwischenstellung kommt .
Bei dem erfindungsgemaßen Ventil werden durch die Dampfungsorga- ne hydraulische Kräfte erzeugt, die kurzzeitig gegen die Bewegungsrichtung des Ventilschließgliedes wirken und dieses somit entsprechend in eine Mittelstellung zwischen den beiden Ventilsitzen abbremsen. Demnach kann das Ventilschließglied seine stabile Mittelstellung ohne das Auftreten von Uberschwingungen erreichen.
Ein bedeutender Vorteil der Erfindung besteht des weiteren darin, daß die von den Dampfungsorganen erzeugten hydraulischen Gegenkräften nur kurzzeitig wirken, so daß die piezoelektrische Einheit das Ventilschließglied nicht gegen diese Dampfungskrafte m die Schließstellung zum zweiten Ventilsitz bewegt. Somit kann die piezoelektrische Einheit entsprechend gering dimensioniert werden, wodurch die Fertigungskosten reduziert werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar. Zeichnung
Zwei Ausfuhrungsbeispiele des erfindungsgemaßen Ventils zur Steuerung von Flüssigkeiten sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der folgenden Beschreibung naher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines erstes Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung bei einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen im Längsschnitt, Figur 2 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines zweiten Ausfuhrungsbeispiels bei einem Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt mit einem hohlgebohrten Leckagestift, und
Figur 3 ein Schaubild mit Diagrammen zu einem Leckagestift, wobei ein Spaltdruck und eine Spaltbreite über eine Stiftlange aufgetragen sind.
Beschreibung der Ausfuhrungsbeispiele
Das in der Figur 1 dargestellte erste Ausfuhrungsbeispiel zeigt eine Verwendung des erfindungsgemaßen Ventils bei einem Kraftstoffeinspritzventil 1 für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 ist vorliegend als ein Common-Rail-Injektor ausgebildet, wobei die Kraftstoffeinspritzung über das Druckniveau in einem Ventilsteuerraum 12, welcher mit einer Hochdruckversorgung verbunden ist, gesteuert wird.
Zur Einstellung eines Einspritzbeginns, einer Einspritzdauer und einer Einspritzmenge über Kräfteverhältnisse in dem Kraftstoffe- inspritzventil 1 wird ein Ventilglied 2 über einen als piezoelektrischen Aktor 3 ausgebildeten piezoelektrischen Einheit angesteuert, welcher auf der ventilsteuerraum- und brennraumab- gewandten Seite des Ventilgliedes 2 angeordnet ist. Der piezoelektrische Aktor 3 ist aus mehreren Schichten aufgebaut und weist auf seiner dem Ventilglied 2 zugewandten Seite einen Aktorkopf 4 sowie auf seiner dem Ventilglied abgewandten Seite einen Aktorfuß 5 auf, der sich an einer Wand 26 abstutzt. An dem Aktorkopf 4 liegt über ein Auflager 6 ein Stellkolben 7 des Ventilgliedes 2 an, welcher in seinem Durchmesser gestuft ausgeführt ist.
Das Ventilglied 2 ist axial verschiebbar in einer als Langsboh- rung ausgeführten Bohrung 8 eines Ventilkorpers 9 angeordnet und umfaßt neben dem Stellkolben 7 noch einen ein Ventilschließglied 13 betätigenden Betatigungskolben 10, wobei der Stellkolben 7 und der Betatigungskolben 10 unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Der Stellkolben 7 und der Betatigungskolben 10 sind mittels einer hydraulischen Übersetzung miteinander gekoppelt.
Die hydraulische Übersetzung ist als Hydraulikkammer 11 ausgebildet, die die Auslenkung des piezoelektrischen Aktors 3 übertragt. Die Hydraulikkammer 11 schließt zwischen den beiden sie begrenzenden Kolben 7 und 10, von denen der Betatigungskolben 10 mit einem kleineren Durchmesser und der Stellkolben 7 mit einem größeren Durchmesser ausgebildet ist, ein gemeinsames Ausgleichsvolumen ein.
Die Hydraulikkammer 11 ist derart zwischen dem Stellkolben 7 und dem Betatigungskolben 10 eingespannt, daß der Betatigungskolben 10 des Ventilgliedes 2 einen um das Übersetzungsverhältnis des Kolbendurchmessers vergrößerten Hub macht, wenn der größere Stellkolben 7 durch den piezoelektrischen Aktor 3 um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird. Das Ventilglied 2, der
Stellkolben 7, der Betatigungskolben 10 und der piezoelektrische Aktor 3 liegen dabei auf einer gemeinsamen Achse hintereinander. Die Befullung der Hydraulikkammer 11 ist in Figur 1 nicht weiter dargestellt . Über das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer 11 können Toleranzen aufgrund von Temperaturgradienten im Bauteil oder unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien sowie eventuelle Setzeffekte ausgeglichen werden, ohne daß dadurch eine Änderung der Position des anzusteuernden Ventilschließgliedes 13 auftritt.
An dem ventilsteuerraumseitigen Ende des Ventilgliedes 2 ist das kugelartige Ventilschließglied 13 vorgesehen. Das Ventilschließglied 13 wirkt mit an dem Ventilkorper 9 ausgebildeten Ventilsitzen 14, 15 zusammen, wobei dem unteren Ventilsitz 15 eine Feder 27 zugeordnet ist, die das Ventilschließglied 13 bei Entlastung des Ventilsteuerraums 12 am oberen Ventilsitz 14 halt.
Die Ventilsitze 14, 15 sind in einem vom Ventilkorper 9 gebildeten Ventilniederdruckraum 16 ausgebildet, der mit einem Leckageablaufkanal 17 und mit einem zu einem Ventilsystemdruck- räum 18 fuhrenden Ausgleichkanal 19 verbunden ist. Der Leckageablaufkanal 17 weist ein als Drossel 20 ausgebildetes Dampfungsorgan auf. Darüber hinaus weist der Ventilniederdruckraum 16 eine durch den unteren Ventilsitz 15 gebildete Verbindung zu dem in Figur 1 lediglich angedeuteten Ventilsteuerraum 12 und einen in den Ausgleichkanal 19 mundenden Befullkanal 21 auf.
In dem Ventilsteuerraum 12 ist ein bewegbarer Ventilsteuerkolben angeordnet, der in der Zeichnung nicht weiter dargestellt ist. Durch axiale Bewegungen des Ventilsteuerkolbens in dem Ventil- steuerraum 12 wird eine Einspritzdüse des Kraftstoffeinspritzventils 1 auf an sich bekannte Weise gesteuert. In den Ventilsteuerraum 12 mundet üblicherweise auch eine Einspritzleitung, welche die Einspritzdüse mit Kraftstoff versorgt. Die Einspritzleitung ist mit einem für mehrere Kraftstoffeinspritzventile gemeinsamen Hochdruckspeicherraum (Common-Rail) verbunden. Der Hochdruckspeicherraum wird dabei in bekannter Weise von einer Kraftstoffhochdruckforderpumpe mit Kraftstoff hohen Druckes aus einem Vorratstank gespeist.
Der zum Ventilsystemdruckraum 18 fuhrende Ausgleichkanal 19 weist ventilniedruckraumseitig ein den Systemdruck in dem Ventilsystemdruckraum 18 regulierendes, federbelastetes Überdruckventil 22 auf und ist mit einem als Drossel 24 ausgebildeten Dampfungsorgan ausgerüstet. Der Befullkanal 21 ist mit dem Ausgleichkanal 19 über ein die Befullung regulierenden Leckagestift 23 verbunden, der in eine Bohrung eingepaßt ist und eine vorbestimmte Leckage ermöglicht. Der Leckagestift 23 ermöglicht auf einfache Weise die Realisierung eines geringen Stromungsquerschnittes, jedoch kann abweichend selbstverständlich auch eine Prazisionsbohrung als Befulleinrichtung dienen.
In einer sehr vorteilhaften Ausfuhrung kann auch vorgesehen sein, daß das Material des Leckagestiftes 23 einen derart größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Material des
Ventilkorpers 9 aufweist, daß bei zunehmender Temperatur eine viskositatsbedingte Zunahme des den Leckagestift 23 umströmenden Volumenstroms stark begrenzt wird, wobei mit optimaler Materialwahl eine nahezu konstanter Volumenstrom bei Temperaturanderun- gen erzielbar ist.
Der Ventilsystemdruckraum 18 schließt an das piezoseitige Ende der Bohrung 8 an und ist einerseits durch den Ventilkorper 9 und andererseits durch ein mit dem Stellkolben 7 des Ventilgliedes 2 und dem Ventilkorper 9 verbundenes Dichtelement 25 begrenzt. Das Dichtelement ist als faltenbalgartige Membran 25 ausgebildet und verhindert, daß der piezoelektrischen Aktor 3 mit dem in dem Ventilsystemdruckraum 18 enthaltenen Kraftstoff in Kontakt kommt. Selbstverständlich kann das Dichtelement in anderen Ausfuhrungen auch als Wellrohr oder dergleichen ausgebildet sein.
Das Kraftstoffeinspritzventil 1 nach Figur 1 arbeitet dabei in nachfolgend beschriebener Weise.
In geschlossenem Zustand des Kraftstoffemspritzventils 1, d.h. bei unbestromtem piezoelektrischen Aktor 3 wird das Ventilschließglied 13 des Ventilglieds 2 in Anlage an dem ihm zugeordneten oberen Ventilsitz 14 gehalten, so daß kein
Kraftstoff aus dem mit dem Hochdruckspeicherraum verbundenen Ventilsteuerraum 12 in den Ventilniederdruckraum 16 gelangen und dann durch den Leckageablaufkanal 17 entweichen kann.
Da sich die Federrate der hydraulischen Feder mit zunehmendem
Durchmesser des in die Hydraulikkammer 11 ragenden Stellkolbens 7 proportional erhöht, kann die Vorspannkraft des piezoelektrischen Aktors 3 über den Durchmesser des Stellkolbens 7 eingestellt werden, wobei ein möglichst großer Kolbendurchmesser vorteilhaft ist. Es können vom Fachmann an den Einzelfall angepaßte Werte gewählt werden.
Im Falle einer langsamen Betätigung, wie sie bei einer temperaturbedingten Langenanderung des piezoelektrischen Aktors 3 oder weiterer Ventilbauteile wie z.B. des Ventilglieds 2 oder des
Ventilkorper 9 auftritt, dringt der Stellkolben 7 mit Temperaturerhöhung in das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer 11 ein oder zieht sich bei Temperaturabsenkung daraus zurück, ohne daß dies Auswirkungen auf die Schließ- und Offnungsstellung des Ventilgliedes 2 und des Kraftstoffventils 1 insgesamt hat.
Wenn eine Einspritzung durch das Kraftstoffemspritzventil 1 erfolgen soll, wird der piezoelektrische Aktor 3 bestromt, wodurch dieser seine axiale Ausdehnung schlagartig vergrößert. Bei einer derartigen schnellen Betätigung des piezoelektrischen Aktors 3 stutzt sich dieser an der Wand 26 ab, wodurch sich der Betatigungskolben 10 mit dem Ventilschließglied 7 des Ventilgliedes 2 von seinem oberen Ventilsitz 14 in eine Mittelstellung zwischen den beiden Ventilsitzen 14, 15 bewegt. Durch die Stellbewegung des Ventilgliedes 2 wird aufgrund der sich bewegenden Membran 25 das Volumen des Ventilsystemdruckraumes 18 verringert, wodurch sich der Systemdruck in dem Ventilsystemdruckraum 18 entsprechend erhöht. Diese Druckerhohung kann nicht sofort durch das Überdruckventil 22 abgebaut werden, da die
Drossel 24 den Systemdruck kurzzeitig aufstaut. Dadurch wirkt eine hydraulische Gegenkraft auf die Membran 25 gegen die Stellbewegung des Ventilgliedes 2. Somit wird die Stellbewegung entsprechend gedampft, so daß das Ventilschließglied 13 in der Mittelstellung zwischen den beiden Ventilsitzen 14, 15 stabilisiert wird.
Nach Abbau des Systemdruckes durch das Überdruckventil 22 kann das Ventilschließglied 13 in seine Schließstellung an den unteren Ventilsitz 15 bewegt werden, wodurch kein Kraftstoff mehr aus dem Ventilsteuerraum 12 in den Ventilniederdruckraum 16 eindringen kann. Die Kraftstoffeinspritzung ist dann beendet.
Danach wird die Bestromung des piezoelektrischen Aktors 3 unterbrochen, wodurch das Ventilglied wieder in die Mittelstellung zwischen die beiden Ventilsitze 14, 15 gebracht wird und eine Kraftstoffeinspritzung erfolgt. Durch den unteren Ventilsitz kann Kraftstoff in den Ventilniederruckraum 16 eindringen. Durch die in dem Leckageablaufkanal 17 angeordnete Drossel 20 kann der Druck nicht sofort abgebaut werden. Die kurzzeitige Druckerhohung in dem Ventilniederdruckraum 16 bewirkt eine hydraulische Gegenkraft, welche die Stellbewegung des Ventilgliedes 2 derart abbremst, daß das Ventilschließglied 13 in seiner Mittelstellung zwischen den beiden Ventilsitzen 14, 15 stabilisiert wird und wieder Kraftstoffeinspritzung realisiert wird. Nach dem Druckabbau in dem Ventilniederdruckraum 16 durch den Leckageablauf anal 17 bewegt sich das Ventilschließglied 13 in seine Schließstellung zum oberen Ventilsitz 14. Somit wird durch jede Ansteuerung (Bestromen oder Beenden des Bestromens) der piezoelektrischen Einheit eine Kraftstoffeinspritzung ermöglicht .
Bezug nehmend auf Figur 2 ist ein zweites Ausfuhrungsbeispiel des Kraftstoffeinspritzventils 1 dargestellt, bei der aus
Gründen der Übersichtlichkeit funktionsgleiche Bauteile mit den Figur 1 verwendeten Bezugszeichen bezeichnet sind.
Gegenüber der Ausfuhrung nach Figur 1 unterscheidet sich das hier gezeigte Kraftstoffeinspritzventil 1 darin, daß die in dem Ausgleichkanal 19 angeordnete Drossel 24 durch einen zumindest abschnittsweise hohlgebohrten Leckagestift 23 zur Befullung des Ventilsystemdruckraumes ersetzt ist. Der Leckagestift 23 weist einen Drosselbereich a und einen Leckagebereich b auf. Die Bohrung, in dem der Leckagestift 23 λ angeordnet ist, weist eine Ringnut 28 auf, die mit dem Überdruckventil 22 verbunden ist. Die Drossel 24 bei dem ersten Ausfuhrungsbeispiel wird hier durch eine Spaltdrosselung ersetzt, so daß sich die Wirkungsweise des Dampfungsorgans des Kraftstoffeinspritzventils nicht verändert. Selbstverständlich sind auch andere konstruktive
Ausgestaltungen des Leckagestifts 23 λ möglich. Darüber hinaus wurde bei dem zweiten Ausfuhrungsbeispiel auch auf die in dem Leckageablaufkanal 17 angeordnete Drossel 20 verzichtet.
Bezuglich der Materialwahl für den Leckagestift 23 Λ kann auch hier vorgesehen sein, daß dieser einen wesentlich größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Material des Ventilkorpers 9 aufweist, um bei zunehmender Temperatur eine viskositatsbe- dingte Zunahme des zu begrenzen. Selbstverständlich können die als Drosseln 20, 24 bzw. Leckagestift 23 ausgebildeten Dampfungsorgane alternativ oder auch nebeneinander bei dem erfindungsgemaßen Ventil verwendet werden. Bei der Verwendung von mehreren Dampfungsorganen nebeneinander kann die Arbeitsweise des Ventils weiter stabilisiert werden.
In Figur 3 ist ein Schaubild mit Diagrammen ersichtlich, bei denen einerseits eine Spaltweite s (x) und ein Spaltdruck p(x) über die Spalthohe bzw. Stiftlange x des Leckagestifts 23" ersichtlich sind. Die Druckabnahme erfolgt in dem Spalt zwischen dem Leckagestift 23 Λ und der ihn umgebenden Bohrung linear, wenn die Bohrung und der in die Bohrung eingepaßte Leckagestift 23 Λ zylindrisch ausgebildet sind, wobei der maximale Druck einem Innendruck p_0 in dem Leckagestift 23 λ entspricht und eine minimaler Druck in dem Spalt bei einer maximalen Spaltweite s_0 vorliegt .
Wie dem mittleren Diagramm zu entnehmen ist, ist der Innendruck p_0 in dem hohlgebohrten Leckagestift 23 Λ über die Stiftlange x konstant .
Beides zusammen fuhrt dazu, daß die Wandung des hohlgebohrten Leckagestifts 23 λ aufgeweitet wird und die Leckage geringer wird bzw. langsamer ansteigt. Dabei ist sichergestellt, daß bei relativ niedrigen Common-Rail-Drucken eine ausreichende Befullung des Ventilsystemdruckbereichs gewahrleistet ist, wahrend die Leckage bei hohen Common-Rail-Drucken begrenzt wird.
In beiden beschriebenen Ausfuhrungen ist das Hydraulikmedium zur Befullung der Hydraulikkammer 11 der Kraftstoff, welcher auch in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Bei einer geeigneten Trennung zwischen der Kraftstoffzufuhrung und der Abfuhrung des in der Hydraulikkammer 11 austretenden Hydraulikmediums sowie einer Nachfuhrung von Leckageverlusten ist es auch möglich, separates 01 wie z.B. Motorol als Hydraulikmedium einzusetzen.

Claims

Ansprüche
1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, mit einer piezoelektrischen Einheit (3) zur Betätigung eines in einer Bohrung (8) eines Ventilkorpers (9) axial verschiebbaren Ventilglieds (2), welches eine als Toleranzausgleichselement zum Ausgleich von
Langungstoleranzen der piezoelektrischen Einheit (3) ausgebildete hydraulische Übersetzung (11) aufweist, wobei an ein Ende der Bohrung (8) ein durch ein Dichtelement (25) begrenzter Ventilsystemdruckraum (18) und an ihr anderes Ende ein einen Leckageab- laufkanal (17) aufweisender Ventilniederdruckraum (16) grenzt, welcher über einen Ausgleichkanals (19) , der ein Druckbegrenzungsorgan (20, 23 ~) und eine Befulleinrichtung (23, 23 ' ) aufweist, mit dem Ventilsystemdruckraum (18) verbunden ist, wobei dem Ventilglied (2) ein Ventilschließglied (13) zugeordnet ist, welches mit wenigstens zwei in dem Ventilniederdruckraum
(16) angeordneten Ventilsitzen (14, 15) zum Offnen und Schließen des Ventils (1) derart zusammenwirkt, daß es in einer Schließstellung den Ventilniederdruckraum (16) von einem unter Hochdruck stehenden Ventilsteuerraum (12) trennt und in einer Zwischenstellung zwischen den Ventilsitzen (14, 15) den Ventilniederdruckraum (16) mit dem Ventilsteuerraum (12) stromungsmaßig verbindet, wobei wenigstens ein kurzfristig hydraulische Gegenkräfte erzeugendes Dampfungsorgan (20, 23 * , 24) zum Dampfen der Stellbewegungen des Ventilgliedes (2) vorgesehen ist.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenig- stens ein erstes Dampfungsorgan (23', 24) in dem Ausgleichkanal (19) angeordnet ist.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein zweites Dampfungsorgan (20) in dem Leckageablauf- kanal (17) angeordnet ist.
4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dampfungsorgan eine Drossel (20, 24) ist.
5. Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß das erste Dampfungsorgan ein Leckagestift (23 ) mit einem Drosselbereich (a) und einem Leckagebereich (b) zum Befullen des Ventilsystemdruckraumes (18) ist.
6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Leckagestift (23Λ) abschnittsweise hohlgebohrt ist.
7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckbegrenzungsorgan ein federbelastetes Uber- druckventil (22) zum Einstellen des Systemdruckes in dem Ventilsystemdruckraum (18) ist.
8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Befulleinrichtung mit einem Leckagestift (23, 23λ) ausgebildet ist, mittels dem der Ventilsteuerraum (12) stro- mungsmaßig mit dem Ventilsystemdruckraum (18) verbindbar ist.
9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Leckagestiftes (23, 23λ) einen derart größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Material des Ventilkorpers (9) aufweist, daß bei zunehmender Temperatur eine viskositatsbe- dingte Zunahme des den Leckagestift (23, 23λ) umströmenden Volumenstroms wenigstens teilweise begrenzt wird.
10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das den Ventilsystemdruckraum (18) begrenzende Dichtelement als faltenbalgartige Membran (25) ausgebildet ist, die derart mit dem Ventilglied (2) und mit dem Ventilkorper (9) verbunden ist, daß die piezoelektrische Einheit (3) vor einem Kontakt mit der zu steuernden Flüssigkeit geschützt ist.
11. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Bestandteil eines Kraftstoffein- spritzventils für Brennkraf maschinen, insbesondere eines Common-Rail-Injektors (1).
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