WO2001023747A1 - Ventil zum steuern von flüssigkeiten - Google Patents

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WO2001023747A1
WO2001023747A1 PCT/DE2000/003241 DE0003241W WO0123747A1 WO 2001023747 A1 WO2001023747 A1 WO 2001023747A1 DE 0003241 W DE0003241 W DE 0003241W WO 0123747 A1 WO0123747 A1 WO 0123747A1
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WO
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valve
pressure
solid body
pressure chamber
chamber
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PCT/DE2000/003241
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Rudolf Heinz
Wolfgang Stoecklein
Klaus-Peter Schmoll
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • 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
    • F02M63/0014—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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • 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
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/004—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by piezoelectric means
    • F16K31/007—Piezo-electric stacks

Definitions

  • the invention is based on a valve for controlling liquids according to the type defined in claim 1.
  • valves are used to control liquids in which a valve closing member separates a low pressure area in the valve from a high pressure area, e.g. at
  • EP 0 477 400 AI also describes such a valve, which can be actuated via a piezoelectric actuator and has an arrangement for a displacement transformer of the piezoelectric actuator acting in the stroke direction, in which the deflection of the actuator is transmitted via a hydraulic chamber, which acts as a hydraulic ratio or coupling and tolerance compensation element works.
  • Hydraulic chamber closes between two delimiting them Pistons, of which one piston is designed with a smaller diameter and is connected to a valve element to be actuated, and the other piston is designed with a larger diameter and is connected to the piezoelectric actuator, a common compensation volume.
  • the hydraulic chamber is clamped between the two pistons in such a way that the actuating piston makes a stroke that is enlarged by the transmission ratio of the piston diameter when the larger piston is moved by a certain distance by the piezoelectric actuator.
  • the valve member, the pistons and the piezoelectric actuator lie on a common axis. Tolerances based on temperature gradients or different coefficients of thermal expansion of the materials used and any setting effects can be compensated for via the compensating volume of the hydraulic chamber, without a change in the position of the valve element to be controlled thereby occurring.
  • the hydraulic system in the low-pressure range in particular the hydraulic coupler, requires a system pressure which drops due to leakage if there is no sufficient refill with hydraulic fluid.
  • Common-rail injectors of the leakage gap are chosen to be relatively large in order to be able to maintain the system pressure in the low-pressure range even at extremely low temperatures, at which the viscosity of diesel fuel increases until it becomes greasy.
  • a large amount of liquid reaches the low-pressure region via the gap around the lick stick, the excess amount of liquid having to be drained off via a pressure-maintaining valve. In this way there is an undesirably high leakage loss of the valve, due to which the efficiency of the overall system decreases sharply.
  • the invention has for its object to provide a valve for controlling liquids, in which one
  • Leakage amount from a high pressure area into a low pressure area of the valve is at least approximately constant in the event of temperature changes.
  • the valve according to the invention for controlling liquids with the features of claim 1 has the advantage that the gap between the solid body and the valve body can be designed to be relatively large, so that a sufficient volume throughput is ensured even at very low temperatures of the flowing liquid.
  • the solid With increasing temperature and decreasing viscosity of the liquid flowing through the gap, the solid expands more than the material of the valve body due to its greater coefficient of thermal expansion, so that the gap is reduced with increasing temperature and thus advantageously the same volume throughput at medium and high temperatures how to set in the low temperature range.
  • valve according to the invention Since with the valve according to the invention an increase in the leakage rate in the low-pressure range as a result of rising temperatures is avoided, there is also no need to drain the large quantities of excess liquid through a pressure relief valve, which is why the efficiency of the overall system is not impaired.
  • Figure 1 is a schematic, sectional view of a first embodiment of the invention in a fuel injection valve for internal combustion engines in longitudinal section, and
  • Figure 2 is a schematic, partial representation of a further embodiment of the invention in a fuel injection valve for internal combustion engines.
  • FIG. 1 shows a use of the valve according to the invention in a fuel injection valve 1 for internal combustion engines of motor vehicles.
  • the fuel injection valve 1 is designed here as a common rail injector for injecting diesel fuel, the fuel injection being controlled via the pressure level m in a valve control chamber 12 which is connected to a high pressure supply.
  • the start of injection, the injection duration and the injection quantity are set via force relationships in the fuel injection valve 1, a valve member 2 being controlled via an actuator designed as a piezoelectric unit with 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 usually made up of several layers and has on its side facing the valve member 2 an actuator head 4 and on its side facing away from the valve member an actuator foot 5 which is supported on a wall of a valve body 9.
  • a first piston 7 of the valve member 2 is in contact with the actuator head 4 via a support 6, and its diameter is stepped.
  • the valve member 2 is arranged in a bore 8 of the valve body 9 designed as a longitudinal bore and is axially displaceable and comprises, in addition to the first piston 7, a second piston 10 which actuates a valve closing member 13.
  • the pistons 7 and 10 of the valve member 2 are coupled to one another by means of a hydraulic transmission, which is designed as a hydraulic chamber 11.
  • the hydraulic chamber 11 encloses between the two pistons 7 and 10 delimiting it, of which the second piston 10 is designed with a smaller diameter than the first piston 7, a common compensation volume via which the deflection of the piezoelectric actuator 3 is transmitted.
  • the hydraulic chamber 11 is between the
  • valve member 10 of the valve member 2 makes a stroke enlarged by the transmission ratio of the piston diameter when the larger first piston 7 is moved by the piezoelectric actuator 3 by a certain distance.
  • the pistons 7 and 10 and the piezoelectric actuator 3 lie one behind the other on a common axis.
  • the spherical valve closing member 13 interacts with valve seats 14, 15 formed on the valve body 9, the valve closing member 13 separating a low pressure region 16 with a system pressure from a high pressure region 17 with a high pressure or rail pressure.
  • a first valve pressure chamber 20 adjoins the piezo-side end of the bore 8, which is delimited on the one hand by the valve body 9 and on the other hand by a sealing element 22 connected to the first piston 7 of the valve member 2 and the valve body 9.
  • the sealing element 22 is designed as a bellows-like membrane and prevents the piezoelectric actuator 3 from coming into contact with the fuel contained in the first valve pressure chamber 20.
  • the first valve pressure chamber 20 is connected to a second valve pressure chamber 21 leading to the valve control chamber 12 of the high pressure region 17, in which the valve seats 14, 15 are formed.
  • a leakage discharge channel 29 leads away, in the leakage discharge channel 29 a throttle 23 is arranged as a damping element for the adjustment movement of the valve closing member 13.
  • a spring 27 assigned to the lower valve seat 15 is provided in the second valve pressure chamber 21 and holds the valve closing member 13 on the upper valve seat 14 when the valve control chamber 12 is relieved.
  • valve control chamber 12 which is only indicated in FIG. 1, a movable valve control piston is arranged, which is not shown in the drawing.
  • 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.
  • valve control chamber 12 usually also opens ne
  • Injection line that supplies the injector with diesel fuel.
  • the injection line is connected to a common high-pressure storage space (common rail) for multiple fuels.
  • the channel-like cavity 18 of the filling device 19 has a spring-loaded pressure relief valve 25 that regulates the system pressure of the first valve pressure chamber 20 and is equipped with a damping process designed as a throttle 24.
  • a solid body 26 Arranged in the channel-like cavity 18 on the high-pressure side of the pressure relief valve 25 is a solid body 26 designed as a cylindrical pin, which delimits a gap 28 with the valve body 9 surrounding it.
  • the cylindrical pin 26 is made of a material whose coefficient of thermal expansion is significantly higher than that of the surrounding valve body 9, which is usually made of steel. Materials which consist essentially of aluminum or copper are particularly suitable for the cylindrical pin 26. With such a choice of material, an increase in the viscosity of the volumetric flow flowing around the cylindrical pin 26 of the filling device 19 is greatly limited with increasing temperature, an almost constant volumetric flow being able to be achieved with changes in temperature with an optimal choice of material.
  • the fuel injection valve 1 according to FIG. 1 operates in the manner described below.
  • valve closing member 13 When the fuel injector 1 is closed, i.e. when the piezoelectric actuator 3 is not energized, the valve closing member 13 is held in contact with the upper valve seat 14 assigned to it, so that no fuel can get from the high pressure region 17 into the second valve pressure chamber 21 and escape through the leakage drain channel 29.
  • the first piston 7 serving as an actuating piston penetrates with temperature increases. Hung in the compensation volume of the hydraulic chamber 11 and withdraws from it when the temperature drops, without this having an effect on the closed and open position of the valve member 2 and the fuel valve 1 as a whole.
  • the piezoelectric actuator 3 For an injection through the fuel injection valve 1, the piezoelectric actuator 3 is energized, causing it to suddenly expand axially. With such a rapid actuation of the piezoelectric actuator 3, it is supported on the valve body 9 and moves the second piston 10 with the valve closing member 13 from its upper valve seat 14 into a central position between the two valve seats 14 and 15 the volume of the first valve pressure chamber 20 is reduced by means of the membrane 22, as a result of which the system pressure in the first valve pressure chamber 20 increases accordingly. This pressure increase cannot be reduced immediately by the pressure relief valve 25, since the throttle 24 briefly builds up the system pressure. As a result, a hydraulic counterforce acts on the diaphragm 22 against the actuating movement of the valve member 2. The actuating movement is thus damped and the valve closing member 13 is stabilized in its central position.
  • the closing member 13 can be moved into its closed position on the lower valve seat 15, as a result of which no more fuel can penetrate from the valve control chamber 12 into the second valve pressure chamber 21.
  • the fuel injection is then ended. If the energization of the piezoelectric actuator 3 is subsequently interrupted, the valve member moves back into its central position and fuel is injected. Fuel can penetrate into the second valve pressure chamber 21 through the lower valve seat 15, the throttle 23 in the leakage outlet channel 29 in turn damping the actuating movement of the valve member 2.
  • a rail pressure of 200 to 1800 bar can prevail in the high pressure range, while the system pressure in the low pressure range can be, for example, 30 bar and the fuel returned to a tank via the leakage discharge channel 22 can have a low pressure of, for example, 1 bar.
  • the gap 28 can be dimensioned so large that even at extremely low temperatures with a diesel fuel that tends to stain, the provision of the system pressure in the low-pressure region 16 is ensured. With increasing temperatures, the gap 28 by the
  • FIG. 2 a second embodiment of the fuel injection valve is shown, which works in principle like the fuel injection valve described for FIG. 1.
  • functionally identical components are identified by the reference numerals used in FIG. 1.
  • the fuel injection valve 1 shown here differs in that the channel-like cavity 18 instead of the first valve pressure chamber 20, which here has a leakage line 30 leading to a tank, is now on the side of the low pressure region 16 facing Filling device 19 opens a gap 31 surrounding the first piston 7, an annular groove 32 being provided in the mouth region.
  • This embodiment has the advantage that only an extremely small volume is displaced from the system pressure range, so that the continuous leakage of the system in the valve according to the invention is reduced to a minimum, but with a continuous flow through the hydraulic chamber 11 and thus em purging of possibly m this air entering is guaranteed.
  • the hydraulic chamber 11 can advantageously be refilled with high pressure, so that refilling as quickly as possible after a possible leakage through the gap 31 or a gap 32 surrounding the second piston 10 is achieved.
  • the low-pressure side is designed
  • channel-like cavity 18 leads from the solid body or cylindrical pin 28 of the filling device 19 to the gap 32 surrounding the second piston 10.
  • the embodiment of the solid body 26 with a large thermal expansion capacity and the dimensioning of the gap 28 also ensures here that the provision of the system pressure is still ensured even at a minimal high pressure and very low fuel temperatures. If the fuel temperature rises, for example due to an increased return flow at high load and a correspondingly high delivery of thermal energy from the high pressure pump to the power material, the gap 28 narrows due to the expansion of the cylindrical pin 26 in such a way that the viscosity-related increase in the volume flow flowing around the cylindrical pin 26 is at least partially limited.
  • the invention can of course not only be used in the common rail injectors described here as a preferred area of application, but generally in fuel injectors or in other environments, such as e.g. be realized with pumps.

Abstract

Es wird ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten beschrieben, wobei ein Ventilschliessglied (13) einen Niederdruckbereich (16) in dem Ventil (1) von einem Hochdruckbereich (17) trennt und eine Befülleinrichtung (19) zum Ausgleich einer Leckagemenge des Niederdruckbereiches (16) durch Entnahme von Hydraulikflüssigkeit des Hochdruckbereichs (17) vorgesehen ist. Dabei ist die Befülleinrichtung (19) in einem Ventilkörper (9) mit einem kanalartigen Hohlraum (18) ausgebildet, in dem ein Festkörper (26) derart angeordnet ist, dass zwischen dem Festkörper (26) und dem Ventilkörper (9) ein Spalt (28) ausgebildet ist. Das Material des Festkörpers (26) weist einen derart grösseren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Material des Ventilkörpers (9) auf, dass bei zunehmender Temperatur eine viskositätsbedingte Zunahme des den Festkörper (26) umströmenden Volumenstroms wenigstens teilweise begrenzt wird.

Description

Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß der in Patentanspruch 1 näher definierten Art aus .
Aus der Praxis sind Ventile zum Steuern von Flüssigkeiten, bei denen ein Ventilschließglied einen Niederdruckbereich in dem Ventil von einem Hochdruckbereich trennt, z.B. bei
Pumpen oder Kraftstoffinjektoren bei Kraftfahrzeugen hinlänglich bekannt .
Auch die EP 0 477 400 AI beschreibt ein derartiges Ventil, wobei dieses über einen piezoelektrischen Aktor betätigbar ist und eine Anordnung für einen in Hubrichtung wirkenden Wegtransformator des piezoelektrischen Aktors aufweist, bei der die Auslenkung des Aktors über eine Hydraulikkammer übertragen wird, welche als hydraulische Übersetzung bzw. Kopplung und Toleranzausgleichselement arbeitet. Die
Hydraulikkammer schließt zwischen zwei sie begrenzenden Kolben, von denen ein Kolben mit einem kleineren Durchmesser ausgebildet ist und mit einem anzusteuernden Ventil - glied verbunden ist, und der andere Kolben mit einem größeren Durchmesser ausgebildet ist und mit dem piezoelek- trischen Aktor verbunden ist, ein gemeinsames Ausgleichsvo- lumen ein. Die Hydraulikkammer ist derart zwischen den beiden Kolben eingespannt, daß der Betätigungskolben einen um das Übersetzungsverhältnis des Kolbendurchmessern vergößerten Hub macht, wenn der größere Kolben durch den piezoelektrischen Aktor um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird. Das Ventilglied, die Kolben und der piezoelektrische Aktor liegen dabei auf einer gemeinsamen Achse. Über das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer 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 Ventilgliedes auftritt.
Das hydraulische System im Niederdruckbereich, insbesondere der hydraulische Koppler, benötigt einen Systemdruck, welcher aufgrund von Leckage abfällt, falls keine ausreichende Nachfüllung mit Hydraulikflüssigkeit stattfindet.
Hierzu sind aus der Praxis für Common-Rail- Injektoren Lösungen bekannt, bei denen der Systemdruck, welcher zweckmäßig im Ventil selbst erzeugt wird und auch bei einem Systemstart möglichst konstant sein soll, durch Zuführung von Hydraulikflüssigkeit aus dem Hochdruckbereich des zu steuernden Kraftstoffs in den Niederdruckbereich mit dem Systemdruck sichergestellt wird. Dies geschieht mit Hilfe von Leckspalten, die durch Leck- bzw. Befüllstifte dargestellt werden.
Ein Problem stellt jedoch die Dimensionierung des Leckspal- tes dar, welcher so einzustellen ist, daß der Systemdruck im gesamten Arbeitsbereich auf der Niederdruckseite des Ventils aufgebaut und gehalten werden kann. Bei Temperaturschwankungen der durch den Leckspalt strömenden Flüssigkeit verändert sich das Strömungsvolumen entsprechend der Viskositätsänderung der Flüssigkeit. So wird z.B. bei
Common-Rail- Injektoren der Leckspalt verhältnismäßig groß gewählt, um den Systemdruck im Niederdruckbereich auch bei extrem niedrigen Temperaturen, bei denen die Viskosität von Dieselkraftstoff bis zu dessen Versulzung zunimmt, halten zu können. Dies führt dazu, daß bei üblichen Betriebstemperaturen oder hohen Temperaturen eine große Menge an Flüssigkeit über den Spalt um den Leckstift in den Niederdruckbereich gelangt, wobei die überschüssige Menge an Flüssigkeit über ein Druckhalteventil abgelassen werden muß. Auf diese Weise ist ein unerwünscht hoher Leckverlust des Ventils gegeben, aufgrund dessen der Wirkungsgrad des Gesamtsystems stark abnimmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil zur Steuerung von Flüssigkeiten zu schaffen, bei dem eine
Leckmenge aus einem Hochdruckbereich in einen Niederdruckbereich des Ventils bei Temperaturänderungen wenigstens annähernd konstant ist .
Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Ventil zur Steuerung von Flüssigkeiten mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 hat den Vorteil, daß der Spalt zwischen dem Festkörper und dem Ventilkörper relativ groß ausgelegt werden kann, so daß auch bei sehr niedrigen Temperaturen der strömenden Flüssigkeit ein ausreichender Volumendurchsatz sichergestellt ist. Bei steigender Temperatur und abnehmender Viskosität der durch den Spalt strömenden Flüssigkeit dehnt sich der Festkörper aufgrund seines größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten stärker aus als das Material des Ventilkörpers, so daß der Spalt mit zunehmender Temperatur verringert wird und somit in vorteilhafter Weise der gleiche Volumendurchsatz bei mittleren und hohen Temperaturen wie im niedrigen Temperaturbereich eingestellt wird.
Da mit dem erfindungsgemäßen Ventil eine Zunahme der Leckrate in den Niederdruckbereich in Folge steigender Temperaturen vermieden wird, entfällt zudem die Notwendigkeit, die große Mengen an zuviel geförderter Flüssigkeit durch ein Überdruckventil abzulassen, weshalb der Wirkungsgrad des Gesamtsystems nicht beeinträchtigt wird.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Ventils zur Steuerung von Flüssigkeiten sind in der Zeichnung darge- stellt und werden m der folgenden Beschreibung näher erläutert . Es zeigen
Figur 1 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung bei einem Kraftstoffemspritzventil für Brennkraftmaschinen im Längsschnitt, und
Figur 2 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung bei einem Kraftstoffemspritzventil für Brennkraftmaschinen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Das Figur 1 dargestellte Ausfuhrungsbeispiel zeigt eine Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils bei einem Kraft - stoffemspritzventil 1 für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen. Das Kraftstoffemspritzventil 1 ist vorliegend als ein Common-Rail-Inj ektor zur Einspritzung von Dieselkraftstoff ausgebildet, wobei die Kraftstoffeinspritzung über das Druckniveau m einem Ventilsteuerraum 12, welcher mit einer Hochdruckversorgung verbunden ist, gesteuert wird.
Einspritzbeginn, Einspritzdauer und Einspritzmenge werden über Kräfteverhältnisse in dem Kraftstoffemspritzventil 1 eingestellt, wobei ein Ventilglied 2 über eine als piezoelektrische Einheit mit einem piezoelektrischen Aktor 3 ausgebildete Aktuatoπk angesteuert wird, welche auf der ventilsteuerraum- und brennraumabgewandten Seite des Ventilgliedes 2 angeordnet ist. Der piezoelektrische Aktor 3 ist m üblicher Weise 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 eines Ventilkörpers 9 abstützt. An dem Aktorkopf 4 liegt über ein Auflager 6 ein erster Kolben 7 des Ventilgliedes 2 an, welcher in seinem Durchmesser gestuft ausgeführt ist.
Das Ventilglied 2 ist in einer als Längsbohrung ausgeführten Bohrung 8 des Ventilkörpers 9 ist axial verschiebbar angeordnet und umfaßt neben dem ersten Kolben 7 einen zweiten Kolben 10, welcher ein Ventilschließglied 13 betätigt. Die Kolben 7 und 10 des Ventilgliedes 2 sind mittels einer hydraulischen Übersetzung miteinander gekoppelt, welche als Hydraulikkammer 11 ausgebildet ist.
Die Hydraulikkammer 11 schließt zwischen den beiden sie begrenzenden Kolben 7 und 10, von denen der zweite Kolben 10 mit einem kleineren Durchmesser als der erste Kolben 7 ausgeführt ist, ein gemeinsames Ausgleichsvolumen ein, über das die Auslenkung des piezoelektrischen Aktors 3 übertra- gen wird. Die Hydraulikkammer 11 ist dazu zwischen den
Kolben 7 und 10 derart eingespannt, daß der zweite Kolben
10 des Ventilgliedes 2 einen um das Übersetzungsverhältnis des Kolbendurchmessers vergößerten Hub macht, wenn der größere erste Kolben 7 durch den piezoelektrischen Aktor 3 um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird. Das Ventilglied
2, die Kolben 7 und 10 sowie der piezoelektrische Aktor 3 liegen dabei auf einer gemeinsamen Achse hintereinander.
Neben der hydraulischen Übersetzung können über das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer 11 auch Toleranzen aufgrund von Temperaturgradienten im Bauteil oder unter- schiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien und eventuelle Setzeffekte ausgeglichen werden, ohne daß dadurch eine Änderung der Position des anzusteuernden Ventilschließgliedes 13 auftritt.
An dem ventilraumseitigen Ende des Ventilgliedes 2 wirkt das kugelartige Ventilschließglied 13 mit an dem Ventilkörper 9 ausgebildeten Ventilsitzen 14, 15 zusammen, wobei das Ventilschließglied 13 einen Niederdruckbereich 16 mit einem Systemdruck von einem Hochdruckbereich 17 mit einem Hochdruck bzw. Raildruck trennt.
An das piezoseitige Ende der Bohrung 8 schließt sich ein erster Ventildruckraum 20 an, welcher einerseits durch den Ventilkörper 9 und andererseits durch ein mit dem ersten Kolben 7 des Ventilgliedes 2 und dem Ventilkörper 9 verbundenes Dichtelement 22 begrenzt ist. Das Dichtelement 22 ist vorliegend als faltenbalgartige Membran ausgebildet und verhindert, daß der piezoelektrische Aktor 3 mit dem in dem ersten Ventildruckraum 20 enthaltenen Kraftstoff in Kontakt kommt .
Über einen kanalartigen Hohlraum 18 einer Befulleinrichtung 19 ist der erste Ventildruckraum 20 mit einem zu dem Ventilsteuerraum 12 des Hochdruckbereiches 17 führenden zweiten Ventildruckraum 21 verbunden, in dem die Ventilsitze 14, 15 ausgebildet sind. Von diesem zweiten Ventdldruck- raum 21, welcher je nach Stellung des Ventilschließgliedes 13 mit dem Hochdruckbereich 17 verbindbar ist, führt ein Leckageablaufkanal 29 ab, wobei in dem Leckageablaufkanal 29 eine Drossel 23 als Dampfungsorgan für die Verstellbewegung des Ventilschließgliedes 13 angeordnet ist.
Des weiteren ist m dem zweiten Venuildruckraum 21 eine dem unteren Ventilsitz 15 zugeordnete Feder 27 vorgesehen, die das Ventilschließglied 13 bei Entlastung des Ventilsteuer- raums 12 am oberen Ventilsitz 14 halt.
In dem der Figur 1 lediglich angedeuteten Ventilsteuer- räum 12 ist em bewegbarer Ventilsteuerkolben angeordnet, der m der Zeichnung nicht weiter dargestellt ist. Durch axiale Bewegungen des Ventilsteuerkolbens dem Ventilsteuerraum 12 wird eine Einspritzdüse des Kraftstoffem- spπtzventils 1 auf an sich bekannte Weise gesteuert. In den Ventilsteuerraum 12 mündet üblicherweise auch e ne
Einspritzleitung, welche die Einspritzdüse mit Dieselkraftstoff versorgt. Die Emspritzleitung ist mit einem für mehrere Kraftstoffe spπtzventile gemeinsamen Hochdruckspeicherraum (Common-Rail) verbunden.
Der kanalartige Hohlraum 18 der Befulleinrichtung 19 weist ventilniederdruckraumseitig em den Systemdruck dem ersten Ventildruckraum 20 regulierendes, federbelastetes Überdruckventil 25 auf und ist mit einem als Drossel 24 ausgebildeten Dampfungsorgang ausgerüstet.
In dem kanalartigen Hohlraum 18 ist hochdruckseitig des Überdruckventils 25 em als zylindrischer Stift ausgebildeter Festkörper 26 angeordnet, welcher mit dem ihn umgeben- den Ventilkόrper 9 einen Spalt 28 begrenzt. Der zylindrische Stift 26 ist dabei aus einem Material hergestellt, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient deutlich über dem des umgebenden Ventilkörpers 9, welcher üblicherweise aus Stahl ist, liegt. Besonders geeignet sind für den zylindrischen Stift 26 Materialien, welche im wesentlichen aus Aluminium oder Kupfer bestehen. Mit einer derartigen Materialwahl wird bei zunehmender Temperatur eine viskositätsbedingte Zunahme des den zylindrischen Stift 26 der Befulleinrichtung 19 umströmenden Volu enstroms stark begrenzt, wobei mit optimaler Materialwahl ein nahezu konstanter Volumen- ström bei Temperaturänderungen erzielbar ist.
Um eine bessere Oberflächengüte zu erzielen und den Zylinderkolben 26 gegen Verschleiß zu schützen, ist dessen Oberfläche vergütet, wobei insbesondere eine Schutzschicht aus elektrisch oxydiertem Aluminium vorteilhaft ist .
Das Kraftstoffeinspritzventil 1 nach Figur 1 arbeitet in nachfolgend beschriebener Weise.
In geschlossenem Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 1, d.h. bei unbestromtem piezoelektrischen Aktor 3 wird das Ventilschließglied 13 in Anlage an dem ihm zugeordneten oberen Ventilsitz 14 gehalten, so daß kein Kraftstoff aus dem Hochdruckbereich 17 in den zweiten Ventildruckraum 21 gelangen und durch den Leckageablaufkanal 29 entweichen kann.
Im Falle einer langsamen Betätigung, wie sie bei einer temperaturbedingten Längenänderung des piezoelektrischen Aktors 3 oder weiterer Ventilbauteile auftritt, dringt der als Stellkolben dienende erste Kolben 7 mit Temperaturerhö- hung in das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer 11 ein und zieht sich bei Temperatursenkung daraus zurück, ohne daß dies Auswirkungen auf die Schließ- und Öffnungsstellung des Ventilgliedes 2 und des Kraftstoffventils 1 insgesamt hat.
Für eine Einspritzung durch das Kraftstoffeinspritzventil 1 wird der piezoelektrische Aktor 3 bestromt , wodurch sich dieser schlagartig axial ausdehnt. Bei einer derart schnellen Betätigung des piezoelektrischen Aktors 3 stützt sich dieser an dem Ventilkörper 9 ab und bewegt den zweiten Kolben 10 mit dem Ventilschließglied 13 von seinem oberen Ventilsitz 14 in eine Mittelstellung zwischen den beiden Ventilsitzen 14 und 15. Durch die Stellbewegung des Ventilgliedes 2 wird das Volumen des ersten Ventildruckrau- mes 20 mittels der Membran 22 verringert, wodurch sich der Systemdruck in dem ersten Ventildruckraum 20 entsprechend erhöht. Diese Druckerhöhung kann nicht sofort durch das Überdruckventil 25 abgebaut werden, da die Drossel 24 den Systemdruck kurz aufstaut. Dadurch wirkt eine hydraulische Gegenkraft auf die Membran 22 gegen die Stellbewegung des Ventilgliedes 2. Somit wird die Stellbewegung gedämpft und das Ventilschließglied 13 wird in seiner Mittelstellung stabilisiert .
Nach Abbau des Systemdruckes durch das Überdruckventil 25 kann das Schließglied 13 in seine Schließstellung an den unteren Ventilsitz 15 bewegt werden, wodurch kein Kraftstoff mehr aus dem Ventilsteuerraum 12 in den zweiten Ventildruckraum 21 eindringen kann. Die Kraftstoffeinspritzung ist dann beendet. Wenn anschließend die Bestromung des piezoelektrischen Aktors 3 unterbrochen wird, bewegt sich das Ventilglied wieder in seine Mittelstellung, und es erfolgt eine Kraftstoffeinspritzung. Durch den unteren Ventilsitz 15 kann Kraftstoff in den zweiten Ventildruckraum 21 eindringen, wobei die Drossel 23 in dem Leckageablaufkanal 29 wiederum eine Dämpfung der Stellbewegung des Ventilgliedes 2 bewirkt.
Zum Ausgleich der durch das Überdruckventil 25 und den Leckageablaufkanal 29 abgeführten Menge an Kraftstoff wird in abgehobener Stellung des Ventilschließgliedes 13 von seinem unteren Ventilsitz 15 eine möglichst dem Leckagever- lust entsprechende Kraftstoffmenge über den kanalartigen
Hohlraum 18 mit dem Spalt 28 von dem Hochdruckbereich 17 in den Niederdruckbereich 16 geführt. Im Hochdruckbereich kann dabei ein Raildruck von 200 bis 1800 bar herrschen, während der Systemdruck im Niederdruckbereich beispielsweise 30 bar betragen kann und der über den Leckageablaufkanal 22 zu einem Tank zurückgeförderte Kraftstoff einen niedrigen Druck von beispielsweise 1 bar aufweisen kann.
Mit der erfindungsgemäßen Gestaltung des Festkörpers bzw. Zylinderkolben 28 mit einem großen Wärmeausdehnungsvermögen kann der Spalt 28 so groß dimensioniert werden, daß auch bei extrem niedrigen Temperaturen mit einem zur Versulzung neigenden Dieselkraftstoff die Bereitstellung des System- drucks im Niederdruckbereich 16 sichergestellt ist. Bei zunehmenden Temperaturen wird der Spalt 28 durch die
Ausdehnung des Zylinderkolbens 26 kleiner, wobei die Verkleinerung des Spaltes 28 der Viskositätsänderung des Dieselkraftstoffes entgegenläuft und somit die Leckölmenge m den Niederdruckbereich 16 im mittleren und oberen Temperaturbereich soweit mindert, daß allenfalls eine sehr geringe Menge an überschüssigem Kraftstoff im Niederdruckbereich 16 über das Überdruckventil 25 abgelassen werden muß.
Bezug nehmend auf Figur 2 ist em zweites Ausführungsbei- spiel des Kraftstoffemspπtzventils dargestellt, welches im Prinzip wie das zu Figur 1 beschriebene Kraftstoffeinspritzventil arbeitet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind funktionsgleiche Bauteile mit den Figur 1 verwendeten Bezugszeichen bezeichnet.
Gegenüber der Ausführung nach Figur 1 unterscheidet sich das hier gezeigte Kraftstoffemspritzventil 1 darin, daß der kanalartige Hohlraum 18 statt den ersten Ven- tildruckraum 20, welcher hier eine zu einem Tank führende Leckageleitung 30 aufweist, nunmehr auf der dem Nieder- druckbereich 16 zugewandten Seite der Befulleinrichtung 19 einen den ersten Kolben 7 umgebenden Spalt 31 mündet, wobei im Mündungsbereich eine Ringnut 32 vorgesehen ist.
Diese Ausführung hat den Vorteil, daß nur e äußerst geringes Volumen aus dem Systemdruckbereich verdrängt wird, so daß die kontinuierliche Leckage des Systems bei dem erfindungsgemäßen Ventil auf ein Minimum reduziert wird, wobei jedoch eine kontinuierliche Durchströmung der Hydraulikkammer 11 und damit em Ausspulen von gegebenenfalls m diese eingetretene Luft gewährleistet ist. Daneben kann die Wiederbefüllung der Hydraulikkammer 11 in vorteilhafter Weise mit hohem Druck erfolgen, so daß eine möglichst schnelle Wiederbefüllung nach einem eventuellen Leckageverlust durch den Spalt 31 oder einen den zweiten Kolben 10 umgebenden Spalt 32 erreicht wird. Auf diese
Weise kann auch das Zeitintervall zwischen den Kraftstoffeinspritzungen sehr gering gehalten werden, wodurch hohe Motordrehzahlen realisiert werden können. Gegenüber der Ausführung nach Figur 1 werden bei der Ausführungsvariante nach Figur 2 mit einer Ausbildung des niederdruckseitigen
Teiles des kanalartigen Hohlraums 18 und der Ringnut 32 als Systemdruckraum Druckstöße auf das Dichtelement 22, welches hier ebenfalls eine Membran ist, vermieden, was insbesondere bei Verwendung von stoßempfindlichen Dichtmaterialien vorteilhaft ist.
Selbstverständlich kann eine alternative Ausführung auch vorgesehen sein, daß der kanalartige Hohlraum 18 von dem Festkörper bzw. zylindrischen Stift 28 der Befülleinrich- tung 19 zu dem den zweiten Kolben 10 umgebenden Spalt 32 führt .
Dabei ist durch die erfindungsgemäße Ausführung des Festkörpers 26 mit einer großen Wärmeausdehnungsfähigkeit und der Dimensionierung des Spaltes 28 auch hier gewährleistet, daß die Bereitstellung des Systemdrucks auch bei einem minimalen Hochdruck und sehr niedrigen Temperaturen des Kraftstoffes noch gesichert ist. Wenn die Kraftstoff- temperatur ansteigt, z.B. aufgrund einer erhöhten Rücklauf- menge bei hoher Last und einer entsprechend hohen Abgabe von thermischer Energie der Hochdruckpumpe an den Kraft- stoff, verkleinert sich der Spalt 28 durch Ausdehnung des zylindrischen Stiftes 26 derart, daß die viskositätsbeding- te Zunahme des den zylindrischen Stift 26 umströmenden Volumenstroms wenigstens teilweise begrenzt wird.
Die Erfindung kann selbstverständlich nicht nur bei den hier als bevorzugtes Einsatzgebiet beschriebenen Common- Rail -Injektoren Verwendung finden, sondern generell bei Kraftstoffeinspritzventilen oder auch in anderen Umfeldern, wie z.B. bei Pumpen verwirklicht werden.

Claims

Ansprüche
1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, wobei ein Ventilschließglied (13) einen Niederdruckbereich (16) in dem Ventil (1) von einem Hochdruckbereich (17) trennt und eine Befulleinrichtung (19) zum Ausgleich einer Leckagemenge des Niederdruckbereiches (16) durch Entnahme von Hydraulikflüssigkeit des Hochdruckbereichs (17) vorgesehen ist, wobei die Befulleinrichtung (19) in einem Ventilkörper (9) mit einem kanalartigen Hohlraum (18) aus- gebildet ist, in dem ein Festkörper (26) derart angeordnet ist, daß zwischen dem Festkörper (26) und dem Ventilkörper (9) ein Spalt (28) ausgebildet ist, und wobei das Material des Festkörpers (26) einen derart größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Material des Ven- tilkörpers (9) aufweist, daß bei zunehmender Temperatur eine viskositätsbedingte Zunahme des den Festkörper (26) umströmenden Volumenstroms wenigstens teilweise begrenzt wird.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper (26) als zylindrischer Stift ausgebildet ist.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper (26) oberflächenvergütet ist, insbesondere mit einer Schutzschicht aus elektrisch oxydiertem Aluminium.
4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper (26) im wesentlichen aus Aluminium oder Kupfer besteht.
5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (28) zwischen dem Festkörper (26) und dem Ventilkörper (9) derart ausgelegt ist, daß der den Festkörper (26) passierende Volumenstrom aus dem Hochdruckbereich (17) bei einem definierten minimalen Hochdruck die Leckagemenge des Niederdruckbereiches (16) ausgleicht.
6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der kanalartige Hohlraum (18) in einen Systemdruckraum (20, 32) des Niederdruckbereiches (16) mündet, welcher zur Steuerung eines Ventilgliedes (2) , mit dem das Ventilschließglied (13) betätigbar ist, mit Systemdruck beaufschlagt ist.
7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (2) zur Betätigung des Ventilschließgliedes
(13) von einer Aktuatorik (3) in einer Bohrung (8) des Ventilkörpers (9) verschiebbar ist, wobei das Ventil- glied (2) geteilt ausgebildet ist mit wenigstens einem ersten Kolben (7) und einem zweiten Kolben (10) , die durch eine Hydraulikkammer (11) voneinander getrennt sind, und von denen der erste Kolben (7) an die Aktuato- rik (3) grenzt und in einem an die Bohrung (8) des Ventilkörpers (9) anschließenden Bereich von einem ersten Ventildruckraum (20) umgeben ist, und der zweite Kolben (10) an einen zweiten Ventildruckraum (21) grenzt, der wenigstens einen an dem Ventilkörper (9) vorgesehenen Sitz (14, 15) für das Ventilschließglied (13) zum Öffnen und Schließen des Ventils (1) aufweist.
8. Ventil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der kanalartige Hohlraum (18) der Befulleinrichtung
(19) auf der dem Niederdruckbereich (16) zugewandten Seite des Festkörpers (26) in den ersten Ventildruckraum (20) mündet, wobei der erste Ventildruckraum (20) den
Systemdruckraum darstellt.
9. Ventil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der kanalartige Hohlraum (18) der Befulleinrichtung (19) auf der dem Niederdruckbereich (16) zugewandten
Seite des Festkörpers (26) in einen den ersten (7) oder den zweiten Kolben (10) umgebenden Spalt (31, 33) mündet, wobei der Mündungsbereich den Systemdruckraum (32) darstellt .
10. Ventil nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der kanalartige Hohlraum (18) der Befulleinrichtung (19) auf der dem Hochdruckbereich (17) zugewandten Seite des Festkörpers (26) in den zweiten Ventildruckraum (21) mündet.
1. Ventil nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilschließglied (13) mit zwei dem zweiten Ventildruckraum (21) angeordneten Ventilsitzen (14, 15) zum Offnen und Schließen des Ventils (1) derart zusammenwirkt, daß es einer Schließstellung den zweiten Ventildruckraum (21) von einem unter Hochdruck stehenden Ventilsteuerraum (12) trennt und in einer Zwischenstellung zwischen den Ventilsitzen (14, 15) den zweiten Ventildruckraum (21) mit dem Ventilsteu- erraum (12) stromungsmäßig verbindet.
12. Ventil nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß em Überdruckventil (25) zum Einstellen des Systemdruckes zwischen dem dem Niederdruck- bereich (16) zugewandten Bereich des kanalartgen Hohlraums (18) und dem zweiten Ventildruckraum (21) vorgese¬
13. Ventil nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraullkkammer (11) mit Systemdruck als Toleranzausgleichselement zum Ausgleich von Längungstoleranzen der als piezoelektrische Einheit (3) ausgebildeten Aktuatorik und/oder weiterer Ventilbautei- le (9) und als hydraulische Übersetzung ausgebildet ist.
14. Ventil nach einem der Ansprüche 6 bis 13 , dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ventildruckraum (20) durch e Dichtelement (22) begrenzt ist.
15. Ventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das den ersten Ventildruckraum (20) begrenzende Dichtelement als faltenbalgartige Membran (22) ausgebildet ist, die derart mit dem Ventilglied (2) und mit dem Ventilkörper (9) verbunden ist, daß die piezoelektrische Einheit (3) vor einem Kontakt mit der zu steuernden Flüssigkeit geschützt ist.
16. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Bestandteil eines Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen, insbeson- dere eines Common-Rail- Injektors (1) .
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