WO2001081752A2 - Ventil zum steuern von flüssigkeiten - Google Patents

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WO2001081752A2
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    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic
    • F02M2200/705—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic with means for filling or emptying hydraulic chamber, e.g. for compensating clearance or thermal expansion

Definitions

  • the invention relates to a valve for controlling
  • Valves of this type for controlling liquids in which a valve closing member separates a low-pressure area in the valve from a high-pressure area, are known in practice, for example in fuel injectors, in particular common-rail injectors, or in pumps of motor vehicles in a wide variety of designs.
  • Such a valve is also known from EP 0 477 400 A1, the valve described therein being operable via a piezoelectric actuator and having an arrangement for a displacement transformer of the piezoelectric actuator acting in the stroke direction.
  • the actuator deflection is transmitted via a hydraulic chamber, which acts as a hydraulic transmission and Tolerance compensation element is used.
  • the hydraulic chamber closes a common one between two pistons delimiting it, of which one piston is designed with a smaller diameter and is connected to a valve closing element to be controlled, and the other piston is designed with a larger diameter and is connected to the piezoelectric actuator Working volume.
  • the hydraulic chamber is clamped between the pistons in such a way that the actuating piston makes a stroke that is increased by the ratio of the piston diameter when the larger piston is moved by a certain distance by the piezoelectric actuator.
  • tolerances can be compensated for via the working volume of the hydraulic chamber, for example due to different coefficients of thermal expansion of the materials used, and any setting effects without the valve closing member experiencing a change in its position.
  • the hydraulic system in the low pressure range in particular the hydraulic coupler, requires a system pressure. This will drop due to leakage if there is insufficient hydraulic fluid refill.
  • the filling of the system pressure range is achieved, for example, in common rail injectors known from practice, in which the system pressure is expediently generated in the valve itself and is kept as constant as possible even when the system is started of hydraulic fluid from the high pressure area of the fuel to be controlled into the low pressure area in which system pressure is to be realized. Filling is often carried out with the help of leak gaps, which are represented by leak or filling pins.
  • the system pressure is usually set by means of a valve, whereby the system pressure can also be kept constant for several common rail valves, for example.
  • the valve according to the invention for controlling liquids with the features of claim 1 or 2 has the advantage that a system pressure dependent on the pressure level in the high pressure range is provided for refilling the hydraulic chamber, with which the safe function of the hydraulic chamber is ensured as a hydraulic translator.
  • a valve according to the invention an increase in the system pressure at a high pressure level in the high-pressure area in the hydraulic chamber is possible, as a result of which the opening of the valve-closing member is supported against the high pressure present.
  • a reduced control voltage of the actuator unit which is preferably designed as a piezoelectric unit, is sufficient compared to a valve with a constant system pressure.
  • the valve according to the invention can therefore be equipped with a smaller and less expensive actuator unit.
  • the invention enables a defined refilling of the low pressure area, in particular the hydraulic chamber.
  • a very precise adjustment of the system pressure can take place through flow changes on the throttle body, which are carried out in a particularly preferred manner by hydroerosive rounding during assembly.
  • the valve according to the invention is thus characterized in addition to the reliable provision of the required system pressure in the entire engine map and also by low costs in manufacture and assembly. This is mainly due to the constructively simple before the design of the valve, which allows the variable system pressure in the hydraulic chamber to be defined by easily adjustable geometric parameters such as the throttle flow and the dimensions of the body along which the system pressure is reduced to low pressure.
  • valve according to the invention for controlling liquids are shown in the drawing and are explained in more detail in the following description. Show it
  • FIG. 1 shows a schematic, partial illustration of a first exemplary embodiment of the invention in a fuel injection valve for internal combustion engines in longitudinal section
  • FIG. 2 shows a simplified, partial illustration of a further exemplary embodiment of the invention in longitudinal section
  • FIG. 3 shows a simplified schematic diagram of an addition to the embodiments shown in FIGS. 1 and 2. Description of the embodiments
  • 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 as a common rail injector for the injection of preferably diesel fuel, the fuel injection being controlled via the pressure level in a valve control chamber 2 which is connected to a high pressure supply.
  • a valve member 3 is controlled via an actuator unit designed as a piezoelectric actuator 4, which is arranged on the side of the valve member 3 facing away from the valve control chamber and combustion chamber.
  • the piezoelectric actuator 4 is constructed in a conventional manner from a plurality of layers and has an actuator head 5 on its side facing the valve member 3 and an actuator base 6 on its side facing away from the valve member 3, which is supported on a wall of a valve body 7.
  • the valve member 3 is arranged axially displaceably in a longitudinal bore 10 of the valve body 7 and, in addition to the first piston 9, comprises a further second piston 11 which actuates a valve closing member 12 and is therefore also referred to as an actuating piston.
  • the pistons 9 and 11 ' are coupled to one another by means of a hydraulic transmission, which is designed as a hydraulic chamber 13 and transmits the deflection of the piezoelectric actuator 4.
  • the 13 includes between the two pistons 9 and 11 delimiting them, in which the diameter Al of the second piston 11 is smaller than the diameter A0 of the first piston 9, a common compensation volume in which there is a system pressure p_sys.
  • the valve member 3, its pistons 9 and 11 and the piezoelectric actuator 4 lie one behind the other on a common axis, the second piston 11 making a stroke increased by the ratio of the piston diameter when the larger first piston 9 by the piezoelectric actuator 4 by a certain one Distance is moved.
  • the compensation volume of the hydraulic chamber 13 allows compensation of tolerances due to temperature gradients in the component or different coefficients of thermal expansion of the materials used as well as any setting effects without influencing the position of the valve closing element 12 to be controlled.
  • valve closing member 12 At the end of the valve member 3 facing the valve control chamber 2, the ball-like valve closing member 12 cooperates with valve seats 14, 15 formed on the valve body 7, the valve closing member 12 having a low pressure region 16 with the system pressure p_sys from a high pressure region 17 with a high pressure or
  • Rail pressure p_R separates.
  • the valve seats 14, 15 are in a valve chamber 18 formed by the valve body 7, from which a leakage drain channel 19 leads away on the side of the valve seat 14 facing the piezoelectric actuator 4.
  • the valve chamber 18 can be connected to the valve control chamber 2 of the high pressure region 17 via the second valve seat 15 and an outlet throttle 20.
  • the valve control chamber 2 is only indicated in FIG. 1.
  • a movable valve control piston, not shown, is arranged in it. By means of its axial movements, the injection behavior of the fuel injection valve 1 is controlled in a manner known per se, the valve control chamber 2 being usually connected to an injection line which is connected to a high-pressure storage chamber (common rail) common to several fuel injection valves.
  • a further valve chamber 21 is provided, which is delimited by the valve body 7, the first piston 9 and a sealing element 22 connected to this and the valve body 7.
  • a leakage line 23 branches off from the valve chamber 21 in order to discharge leakage liquid.
  • a filling device 24 is provided. which is connected to the high pressure region 17.
  • the filling device 24 is formed with a channel-like cavity 25, in which a pin-like throttle body 26 with a continuous throttle bore 27 is pressed.
  • a line 27 leading to the high-pressure region 17 opens into the cavity 25, while a system pressure line 28 leading to the hydraulic chamber 13 branches off from the cavity 25 at the opposite end of the throttle body 26.
  • system pressure line 28 opens into a gap 29 surrounding the first piston 9, via which the system pressure opposes the valve chamber 21 and
  • Leakage line 23 is reduced.
  • the system pressure line 28 alternatively or additionally opens into a gap 30 surrounding the second piston 11, as is indicated by the line 28 'in dashed lines in the figures.
  • the indirect filling of the hydraulic chamber 13 serves in any case to improve the pressure holding capacity in the hydraulic chamber 13 during the control, but it is of course also possible to fill the hydraulic chamber 13 directly via the system pressure line 28.
  • the system pressure p_sys in the fuel injection valve 1 according to the invention shown in FIG. 1 is determined by geometrically fixing the throttle bore 27 in the throttle body 26 and the dimensions, ie the length and the diameter A0, of the first piston 9. As long as the system pressure p_sys is reduced towards the low pressure region 16, it is built up in the high pressure region 17 as a function of the present pressure p_R.
  • the coupler pressure or system pressure p__sys in the assembly can be set so that it varies depending on the pressure p_R prevailing in the high pressure region 17.
  • the system pressure p_sys which is reached after an injection after a certain refilling time, must not exceed a maximum permissible static system pressure or coupler pressure, which would lead to the valve opening independently without actuation of the piezoelectric unit 4. Accordingly, the gap dimensions on the pistons 9 and
  • the diameter A0 of the first piston 9 and the diameter AI of the second piston 11 are thus parameters for the geometric definition of the throttle body 26 and the first piston 9. Further parameters for their geometric definition include the diameter ratio of the pistons 9 and 11 and a seat diameter A2 of the first valve seat 14 and a spring force F_F of a spring 31, which in the present case is arranged between the valve closing member 12 and the second valve seat 15 and the valve closing member
  • FIG. 2 a section of a further exemplary embodiment of the fuel injection valve is tils shown, which works in principle like the fuel injector described for Figure 1. For reasons of clarity, functionally identical components are identified by the reference numerals used in FIG. 1.
  • a further throttle body 32 which is also designed like a sleeve with a throttle bore 34, is pressed into the cavity 25, which also receives the first throttle body 26, being connected upstream of a leakage line 35 branching off directly from the cavity 25.
  • the system pressure p_sys builds up in the cavity 25 and in the system pressure line 28 and the hydraulic chamber 13 as a function of the present pressure p_R in the high-pressure region 17.
  • FIG. 3 shows a basic illustration of a supplement to the embodiments according to FIG. 1 and FIG. 2, with the cavity 25 accommodating at least the first throttle body 26 being provided on the high pressure side
  • Cavity 36 is connected upstream with a solid 37 arranged therein.
  • This solid 37 which in the advantageous embodiment shown is piston-like, is axially movable in the cavity 36 and is arranged with play, whereby it serves at least primarily as a filter for throttling the downstream first throttle body 26. Filtering the high-pressure flow flowing to the first throttle body 26 is particularly advantageous in the case of a small throttle diameter of the first throttle body 26, as is often required in passenger cars. So that dirt particles do not clog the throttle bore 27 of the throttle body 26 here, these dirt particles, which are larger than a predefined gap dimension, are retained by the piston 37. Due to the preferably large gap dimension around the piston 37, this causes only a very small throttling.
  • the pressure divider function for setting the system pressure p_sys thus only takes place via the first throttle body 26 and the first piston 9 or the second throttle body 32.
  • the axial mobility of the piston 37 serving as a filter also ensures that its gap dimension, which can be, for example, 10 ⁇ m to 15 ⁇ m, is not clogged by the dirt particles becomes.
  • a spring device 39 is provided between the solid body or piston 37 and a throttle-side stop 38, by means of which the piston 37 can be displaced to a high-pressure side stop 40 in the high-pressure region 17 when the high pressure p_R drops is.
  • the piston 37 is moved at every start-up and shut-down phase, which frees the piston gap automatically.
  • the piston 37 is geometrically fixed as a function of the parameters already listed with regard to the throttle body dimensioning.
  • the fuel injection valve according to Figure 1, 2 or 3 operates in the manner described below.
  • valve closing member 12 When the fuel injector 1 is closed, i.e. If no voltage is present at the piezoelectric actuator 4, the valve closing member 12 is located on the upper valve seat 14 assigned to it and is pressed against the first valve seat 14 by the spring 31 with the spring preload F_F and mainly by the rail pressure p_R.
  • the first piston 9, which serves as an actuating piston penetrates into the compensation volume of the hydraulic chamber 13 when the temperature rises and pulls out of it Temperature reduction back without the overall closing and opening position of the valve closing member 12 and the fuel injection valve 1 being affected.
  • the piezoelectric actuator 4 When the valve is to be opened and an injection is to take place through the fuel injection valve 1, the piezoelectric actuator 4 is acted on by voltage, as a result of which it suddenly expands axially.
  • the piezoelectric actuator 4 is supported on the valve body 7 and builds up an opening pressure in the hydraulic chamber 13. Only when the valve 1 is in equilibrium in the hydraulic chamber 13 due to the system pressure p_sys, does the second piston 11 drive the valve closing member 12 out of its upper valve seat 14 into a central position between the two valve seats 14 and 15. At high rail pressure p_R, a greater force is exerted on the piezo side required to reach the equilibrium pressure in the hydraulic chamber 13.
  • the pressure in the hydraulic chamber 13 is also correspondingly increased when the rail pressure p_R is high.
  • the piezo-side force on the valve closing member 12 is increased with the same voltage on the piezoelectric actuator 4.
  • This increase in force corresponds to a substantially higher voltage which would have to be applied to the piezoelectric actuator 4.
  • the power reserve obtained can be used in the design of the valve, for example, to reduce the size of the piezoelectric actuator.
  • the energization of the piezoelectric actuator 4 is interrupted. Simultaneously with the return movement of the valve closing member 12, the hydraulic chamber 13 is refilled to the system pressure p_sys via the filling device 24.
  • the described embodiments each relate to a so-called double-seat valve, but the invention can of course also be applied to single-switching valves with only one valve seat.
  • the line 33 of the filling device 24 leading to the high-pressure region 17 is connected, as in the preferred embodiments shown, to the valve chamber 18, in which the valve closing member 12 can be moved between the valve seats 14 and 15.
  • the line 33 is connected in terms of flow to a high-pressure inlet from a high-pressure pump, for example to the valve control chamber 2 in the high-pressure region 17 or to the outlet throttle 20.

Abstract

Es wird ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten vorgeschlagen, mit einer Aktuator-Einheit (4) zur Betätigung eines Ventilglieds (3), welches einen ersten Kolben (9) und einen davon durch eine Hydraulikkammer (13) getrennten zweiten Kolben (11) aufweist, und das ein Ventilschliessglied (12) betätigt, welches einen Niederdruckbereich (16) mit Systemdruck von einem Hochdruckbereich (17) trennt. Zum Leckageausgleich ist eine mit dem Hochdruckbereich (17) verbindbare Befülleinrichtung (24) mit einem Hohlraum (25) vorgesehen, in dem ein Drosselkörper (26) derart angeordnet, dass in den Hohlraum (25) einenends des Drosselkörpers (26) eine zu dem Hochdruckbereich (17) führende Leitung (33) mündet und anderenends eine zur Hydraulikkammer (13) führende Systemdruck-Leitung (28) abzweigt. Der Systemdruck baut sich durch geometrische Festlegung einer Drosselbohrung (27) im Drosselkörper (26) und der Abmessungen des Kolbens (9), entlang dem der Systemdruck (p_sys) abgebaut wird, in Abhängigkeit eines vorliegenden Drucks im Hochdruckbereich auf.

Description

Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Ventil zum Steuern von
Flüssigkeiten gemäß der in Patentanspruch 1 und 2 näher definierten Art aus. Derartige Ventile zum Steuern von Flüssigkeiten, bei denen ein Ventilschließglied einen Niederdruckbereich in dem Ventil von einem Hochdruckbe- reich trennt, sind aus der Praxis zum Beispiel bei Kraftstoffinjektoren, insbesondere Common-Rail- Injektoren, oder bei Pumpen von Kraftfahrzeugen in unterschiedlichsten Ausführungen bekannt.
Auch aus der EP 0 477 400 AI ist ein derartiges Ventil bekannt, wobei das darin beschriebene Ventil über einen piezoelektrischen Aktor betätigbar ist und eine Anordnung für einen in Hubrichtung wirkenden Wegtransformator des piezoelektrischen Aktors aufweist. Dabei wird die Auslenkung des Aktors über eine Hydraulikkammer übertragen, welche als hydraulische Übersetzung und To- leranzausgleichselement dient. Die Hydraulikkammer schließt zwischen zwei sie begrenzenden Kolben, von 'denen ein Kolben mit einem kleineren Durchmesser ausgebildet ist und mit einem anzusteuernden Ventilschließ- glied verbunden ist, und der andere Kolben mit einem größeren Durchmesser ausgebildet ist und mit dem piezoelektrischen Aktor verbunden ist, ein gemeinsames Arbeitsvolumen ein. Die Hydraulikkammer ist so zwischen den Kolben eingespannt, daß der Betätigungskolben einen um das Übersetzungsverhältnis des Kolbendurchmessers vergrößerten Hub macht, wenn der größere Kolben durch den piezoelektrischen Aktor um eine bestimmte Wegstrek- ke bewegt wird. Daneben können über das Arbeitsvolumen der Hydraulikkammer Toleranzen z.B. aufgrund von unter- schiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien sowie eventuelle Setzeffekte ausgeglichen werden, ohne daß das Ventilschließglied eine Änderung seiner Position erfährt.
Zur Sicherstellung der Funktion derartiger Ventile benötigt das hydraulische System im Niederdruckbereich, insbesondere der hydraulische Koppler, einen Systemdruck. Dieser fällt aufgrund von Leckage ab, falls keine ausreichende Nachfüllung von Hydraulikflüssigkeit erfolgt.
Die Befüllung des Systemdruckbereiches wird zum Beispiel bei aus der Praxis bekannten Common-Rail- Injektoren, bei denen der Systemdruck zweckmäßig im Ventil selbst erzeugt wird und auch bei einem Systemstart möglichst konstant gehalten wird, durch Zuführung von Hydraulikflüssigkeit aus dem Hochdruckbereich des zu steuernden Kraftstoffs in den Niederdruckbereich, in dem Systemdruck vorliegen soll, realisiert. Häufig geschieht die Befüllung mit Hilfe von Leckspalten, die durch Leck- bzw. Befüllstifte dargestellt werden. Der Systemdruck wird in der Regel durch ein Ventil eingestellt, wobei der Systemdruck zum Beispiel auch für mehrere Common-Rail-Ventile konstant gehalten werden kann.
Problematisch ist dies jedoch bei einem im wesentlichen konstanten Systemdruck in der Hydraulikkammer, welcher zumindest weitgehend unabhängig von dem vorherrschenden Hochdruck im Hochdruckbereich ist, da bei hohen Druck- werten eine große Aktorkraft zur Öffnung des Ventilschließgliedes entgegen der Hochdruckrichtung erforderlich ist, das eine entsprechend große und kostenintensive Dimensionierung der Aktuator-Einheit bedingt. Des weiteren ist bei hohem Druck im Hochdruckbereich die Verdrängung von Hydraulikvolumen aus der Hydraulikkammer über die die angrenzenden Kolben umgebenden Spalte entsprechend verstärkt, wodurch die iederbefüllzeit zum Aufbau und Halten des Gegendrucks auf der Niederdruckseite unter Umständen derart verlängert wird, daß mangels vollständiger Wiederbefüllung bei einer kurz darauf folgenden Betätigung des Ventils ein kürzerer Ventilhub ausgeführt wird, der das Öffnungsverhalten des gesamten Ventils gegebenenfalls negativ beeinflussen kann. Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil zur Steuerung von Flüssigkeiten mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 oder 2 hat den Vorteil, daß für die Wiederbefüllung der Hydraulikkammer ein vom Druckniveau im Hochdruckbereich abhängiger Systemdruck bereitgestellt wird, mit dem die sichere Funktion der Hydraulikkammer als hydraulischer Übersetzer gewährleistet ist. Bei einem erfindungsgemä- ßen Ventil ist eine Erhöhung des Systemdrucks bei hohem Druckniveau im Hochdruckbereich in der Hydraulikkammer möglich, wodurch die Öffnung des Ventilschließgliedes entgegen dem anstehenden Hochdruck unterstützt wird. Auf diese Weise ist eine verringerte Ansteuerspannung der vorzugsweise als piezoelektrische Einheit ausgeführten Aktuator-Einheit gegenüber einem Ventil mit konstantem Systemdruck ausreichend. Das erfindungsgemäße Ventil kann daher mit einer kleineren und kostengünstigeren Aktuator-Einheit ausgestattet werden.
Des weiteren ermöglicht die Erfindung eine definierte Wiederbefüllung des Niederdruckbereiches, insbesondere der Hydraulikkammer. Eine sehr präzise Einstellung des Systemdruckes kann dabei durch Durchflußänderungen an dem Drosselkörper erfolgen, welche in besonders bevorzugter Weise durch hydroerosives Runden bei der Montage vorgenommen werden. Das erfindungsgemäße Ventil zeichnet sich somit neben der sicheren Bereitstellung des erforderlichen Systemdruckes im gesamten Motorkennfeld auch durch niedrige Kosten bei Herstellung und Montage aus. Dies ist vor allem auch auf die konstruktiv einfa- ehe Bauart des Ventils zurückzuführen, die es erlaubt, den variablen Systemdruck in der Hydraulikkammer durch leicht einstellbare geometrische Größen wie dem Drosseldurchfluß und den Abmessungen des Körpers, entlang dem der Systemdruck zum Niederdruck hin abgebaut wird, zu definieren.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Einige Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Ven- tils zur Steuerung von Flüssigkeiten sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung bei einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen im Längsschnitt,
Figur 2 eine vereinfachte, ausschnittsweise Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles der Erfindung im Längsschnitt, und Figur 3 eine vereinfachte Prinzipskizze einer Ergänzung zu den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungen. Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils bei einem Kraftstoffeinspritzventil 1 für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen. In der vorliegenden Ausführung ist das Kraftstoffeinspritzventil 1 als ein Common-Rail- Injektor zur Einspritzung von vorzugsweise Dieselkraftstoff ausgebildet, wobei die Kraftstoffeinspritzung über das Druckniveau in einem Ventilsteuerraum 2, der mit einer Hochdruckversorgung verbunden ist, gesteuert wird. Zur Einstellung eines Einspritzbeginns, einer Einspritzdauer und einer Einspritzmenge über Kräfteverhältnisse in dem Kraftstoffeinspritzventil 1 wird ein Ventilglied 3 über eine als piezoelektrischer Aktor 4 ausgebildete Aktuator-Einheit angesteuert, welche auf der ventilsteuerraum- und brennraumabgewandten Seite des Ventilgliedes 3 angeordnet ist. Der piezoelektrische Aktor 4 ist in üblicher Weise aus mehreren Schich- ten aufgebaut und weist auf seiner dem Ventilglied 3 zugewandten Seite einen Aktorkopf 5 und auf seiner dem Ventilglied 3 abgewandten Seite einen Aktorfuß 6 auf, der sich an einer Wand eines Ventilkörpers 7 abstützt. An dem Aktorkopf 5 liegt über ein Auflager 8 ein erster Kolben des Ventilgliedes 3 an, welcher auch als Stellkolben bezeichnet wird. Das Ventilglied 3 ist axial verschiebbar in einer Längsbohrung 10 des Ventilkörpers 7 angeordnet und umfaßt neben dem ersten Kolben 9 einen weiteren zweiten Kolben 11, welcher ein Ventilschließ- glied 12 betätigt und daher auch als Betätigungskolben bezeichnet wird. Die Kolben 9 und 11 'sind mittels einer hydraulischen Übersetzung, welche als Hydraulikkammer 13 ausgebildet ist und die Auslenkung des piezoelektrischen Aktors 4 überträgt, miteinander gekoppelt. Die Hydraulikkammer
13 schließt zwischen den beiden sie begrenzenden Kolben 9 und 11, bei denen der Durchmesser AI des zweiten Kolbens 11 kleiner ist als der Druchmesser A0 des ersten Kolbens 9, ein gemeinsames Ausgleichsvolumen ein, in dem ein Systemdruck p_sys herrscht. Das Ventilglied 3, seine Kolben 9 und 11 und der piezoelektrische Aktor 4 liegen auf einer gemeinsamen Achse hintereinander, wobei der zweite Kolben 11 einen um das Übersetzungsverhältnis des Kolbendurchmessers vergrößerten Hub macht, wenn der größere erste Kolben 9 durch den piezoelektrischen Aktor 4 um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird.
Das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer 13 erlaubt den Ausgleich von Toleranzen aufgrund von Temperatur- gradienten im Bauteil oder unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien sowie eventueller Setzeffekte ohne Beeinflussung der Position des anzusteuernden Ventilschließgliedes 12.
An dem den Ventilsteuerraum 2 zugewandten Ende des Ventilgliedes 3 wirkt das kugelartige Ventilschließglied 12 mit an dem Ventilkörper 7 ausgebildeten Ventilsitzen 14, 15 zusammen, wobei das Ventilschließglied 12 einen Niederdruckbereich 16 mit dem Systemdruck p_sys von ei- nem Hochdruckbereich 17 mit einem Hochdruck bzw.
Raildruck p_R trennt. Die Ventilsitze 14, 15 sind in einem von dem Ventilkörper 7 gebildeten Ventilraum 18 ausgebildet, von dem ein Leckageablaufkanal 19 auf der dem piezoelektrischen Aktor 4 zugewandten Seite des Ventilsitzes 14 wegführt. Hochdruckseitig ist der Ven- tilraum 18 über den zweiten Ventilsitz 15 und eine Ablaufdrossel 20 mit dem Ventilsteuerraum 2 des Hochdruckbereiches 17 verbindbar. Der Ventilsteuerraum 2 ist in der Figur 1 lediglich angedeutet. In ihm ist ein nicht näher dargestellter bewegbarer Ventilsteuerkolben angeordnet. Durch dessen axiale Bewegungen wird das Einspritzverhalten des Kraftstoffeinspritzventiles 1 auf an sich bekannte Art gesteuert, wobei der Ventilsteuerraum 2 üblicherweise mit einer Einspritzleitung verbunden ist, welche mit einem für mehrere Kraftstof- feinspritzventile gemeinsamen Hochdruckspeicherraum (Common-Rail) verbunden ist.
An dem piezoseitigen Ende der Bohrung 10 ist ein weiterer Ventilraum 21 vorgesehen, welcher durch den Ventil- körper 7, den ersten Kolben 9 und ein mit diesem sowie dem Ventilkörper 7 verbundenes Dichtelement 22 begrenzt ist. Das Dichtelement 22, welches hier als faltenbal- gartige Membran ausgebildet ist, verhindert, daß der piezoelektrische Aktor 4 mit dem in dem Niederdruckbe- reich 16 enthaltenen Kraftstoff in Kontakt kommt. Zur Abführung von Leckageflüssigkeit zweigt eine Leckageleitung 23 aus dem Ventilraum 21 ab.
Um Leckageverluste des Niederdruckbereiches 16 bei ei- ner Betätigung des Kraftstoffeinspritzventils 1 auszugleichen, ist eine Befülleinrichtung 24 vorgesehen, welche mit dem Hochdruckbereich 17 verbunden ist. Die Befülleinrichtung 24 ist mit einem kanalartigen Hohlraum 25 ausgebildet, in dem ein stiftartiger Drosselkörper 26 mit einer durchgehenden Drosselbohrung 27 eingepreßt ist. An dem hochdruckseitigen Ende des Drosselkörpers 26 mündet in den Hohlraum 25 eine zu dem Hochdruckbereich 17 führende Leitung 27, während an dem entgegengesetzten Ende des Drosselkörpers 26 eine zu der Hydraulikkammer 13 führende Systemdruck-Leitung 28 aus dem Hohlraum 25 abzweigt.
Bei den in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Lösungen mündet die Systemdruck-Leitung 28 jeweils in einen den ersten Kolben 9 umgebenden Spalt 29, über den der Systemdruck entgegen dem Ventilraum 21 und der
Leckageleitung 23 abgebaut wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, daß die Systemdruck-Leitung 28 alternativ oder ergänzend in einen den zweiten Kolben 11 umgebenden Spalt 30 mündet, wie dies in den Figuren strichliert mit der Leitung 28' angedeutet ist. Die indirekte Befüllung der Hydraulikkammer 13 dient in jedem Fall einer Verbesserung des Druckhaltevermögens in der Hydraulikkammer 13 während der Ansteuerung, jedoch ist es selbstverständlich auch möglich, die Hydraulikkammer 13 über die Systemdruck-Leitung 28 direkt zu befüllen.
Der Systemdruck p_sys wird bei dem in der Figur 1 gezeigten erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil 1 durch geometrische Festlegung der Drosselbohrung 27 in dem Drosselkörper 26 und der Abmessungen, d.h. der Länge und des Durchmessers A0, des ersten Kolbens 9, ent- lang dem der Systemdruck p_sys zum Niederdruckbereich 16 hin' abgebaut wird, in Abhängigkeit des vorliegenden Drucks p_R in dem Hochdruckbereich 17 aufgebaut.
Durch eine Veränderung des Durchflußquerschnittes der Drosselbohrung 27 z.B. mittels hydroerosivem Runden kann der Kopplerdruck bzw. Systemdruck p__sys in der Montage so eingestellt werden, daß er in Abhängigkeit des im Hochdruckbereich 17 herrschenden Druckes p_R va- riiert. Dabei darf der Systemdruck p_sys, welcher nach einer Einspritzung nach einer gewissen Wiederbefüllzeit erreicht ist, einen maximal zulässigen statischen Systemdruck bzw. Kopplerdruck, welcher zum selbständigen Ventilöffnen ohne Ansteuerung der piezoelektrischen Einheit 4 führen würde, nicht überschreiten. Dem entsprechend sind auch die Spaltmaße an den Kolben 9 und
11 dimensioniert. Der Durchmesser A0 des ersten Kolbens 9 und der Durchmesser AI des zweiten Kolbens 11 sind somit Parameter zur geometrischen Festlegung des Dros- selkörpers 26 und des ersten Kolbens 9. Weitere Parameter zu deren geometrischer Festlegung sind neben dem Durchmesserverhältnis der Kolben 9 und 11 ein Sitzdurchmesser A2 des ersten Ventilsitzes 14 und eine Federkraft F_F einer Feder 31, welcher im vorliegenden Fall zwischen dem Ventilschließglied 12 und dem zweiten Ventilsitz 15 angeordnet ist und das Ventilschließglied
12 bei Entlastung des Hochdruckbereiches 17 in Schließstellung an dem ersten Ventilsitz 14 hält.
Bezug nehmend auf Figur 2 ist ein Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels des Kraftstoffeinspritzven- tils dargestellt, welche im Prinzip wie das zu Figur 1 beschriebene Kraftstoffeinspritzventil arbeitet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind funktionsgleiche Bauteile mit den in Figur 1 verwendeten Bezugszeichen bezeichnet.
Gegenüber der Ausführung nach Figur 1, bei der der Hochdruck p_R zum Niederdruckbereich 16 hin über eine Reihenschaltung des Drosselkörpers 26 und des ersten Kolbens 9 abgebaut wird, ist die Funktion des Druckabbaus entlang des Kolbens 9 hier alternativ durch einen weiteren Drosselkörper 32 realisiert. Dieser ebenfalls hülsenartig mit einer Drosselbohrung 34 ausgebildete Drosselkörper 32 ist in den Hohlraum 25, welcher auch den ersten Drosselkörper 26 aufnimmt, eingepreßt, wobei er einer direkt aus dem Hohlraum 25 abzweigenden Leckageleitung 35 vorgeschaltet ist. Zwischen den Drosselkörpern 26 und 32 baut sich in dem Hohlraum 25 sowie in der Systemdruck-Leitung 28 und der Hydraulikkammer 13 der Systemdruck p_sys in Abhängigkeit des vorliegenden Drucks p_R in dem Hochdruckbereich 17 auf. Der Systemdruck p_sys wird hier entlang des zweiten Drosselkörpers 32 zum Niederdruckbereich 16 hin abgebaut. Auch bei der in der Figur 2 gezeigten Lösung besteht die Möglichkeit, durch gezielte Abstimmung der Drosselbohrungen 27 und 34, welche beispielsweise durch hydroerosives Verrunden realisiert wird, auf einfache Art und Weise den Systemdruck in der Hydraulikkammer 13 einzustellen. Sofern der erste Drosselkörper 26 kavitiert, begrenzt sich der Systemdruck p_sys und die anfallende Leckage auf einen Maximalwert. Die Figur 3 zeigt in einer Prinzipdarstellung eine Ergänzung zu den Ausführungen nach Figur 1 und Figur 2, wobei dem wenigstens dem ersten Drosselkörper 26 auf- nehmenden Hohlraum 25 hochdruckseitig ein weiterer
Hohlraum 36 mit einem darin angeordneten Festkörper 37 vorgeschaltet ist. Dieser Festkörper 37 welcher in der gezeigten vorteilhaften Ausführung kolbenartig ausgebildet ist, ist in dem Hohlraum 36 axial beweglich und mit einem Spiel angeordnet, wodurch er wenigstens primär als Filter für die Drosselung des nachgeschalteten ersten Drosselkörpers 26 dient. Eine Filterung des zu dem ersten Drosselkörper 26 strömenden Hochdruckstromes ist insbesondere bei einem kleinen Drosseldurchmesser des ersten Drosselkörpers 26, wie er bei Personenkraftwagen häufig erforderlich ist, von Vorteil. Damit hier Schmutzpartikel die Drosselbohrung 27 des Drosselkörpers 26 nicht zusetzen, werden diese Schmutzpartikel, welcher größer sind als ein vordefiniertes Spaltmaß, durch den Kolben 37 zurückgehalten. Aufgrund des vorzugsweise großen Spaltmaßes um den Kolben 37 tritt durch diesen nur eine sehr geringe Drosselung auf. Die Druckteilerfunktion zur Einstellung des Systemdruckes p_sys erfolgt damit nur über den ersten Drosselkörper 26 und den ersten Kolben 9 bzw. den zweiten Drosselkörper 32.
Mit der axialen Beweglichkeit des als Filter dienenden Kolbens 37 ist gleichzeitig sichergestellt, daß dessen Spaltmaß, welches beispielsweise 10 μm bis 15 μm betragen kann, nicht von den Schmutzpartikeln zugesetzt wird. Um zumindest eine Axialbewegung des Kolbens 37 unter Druckschwankungen sicherzustellen, ist zwischen dem Festkörper bzw. Kolben 37 und einem drosselseitigen Anschlag 38 eine Federeinrichtung 39 vorgesehen, mit- tels der der Kolben 37 bei Abfall des Hochdruckes p_R im Hochdruckbereich 17 an einen hochdruckseitigen Anschlag 40 verschiebbar ist. Somit wird der Kolben 37 bei jeder Anstell- und Abstellphase bewegt, womit sich der Kolbenspalt selbsttätig freischafft. Zur Einstel- lung des Systemdrucks p_sys ist der Kolben 37 geometrisch in Abhängigkeit der bereits bezüglich der Dros- selkörperdimensionierung aufgeführten Parameter festgelegt.
Das Kraftstoffeinspritzventil nach Figur 1, 2 oder 3 arbeitet in nachfolgend beschriebener Weise.
In geschlossenem Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 1, d.h. wenn keine Spannung an dem piezoelektrischen Aktor 4 anliegt, befindet sich das Ventilschließglied 12 an dem ihm zugeordneten oberen Ventilsitz 14 und wird unter anderem von der Feder 31 mit der Federvorspannung F_F und hauptsächlich durch den Raildruck p_R gegen den ersten Ventilsitz 14 gepreßt.
Im Falle einer langsamen Betätigung, zum Beispiel in Folge temperaturbedingter Längenänderungen des piezoelektrischen Aktors 4 oder weiterer Ventilbauteile, dringt der als Stellkolben dienende erste Kolben 9 bei Temperaturerhöhungen in das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer 13 ein und zieht sich daraus bei einer Temperaturabsenkung zurück, ohne daß die Schließ- und Öffnungsstellung des Ventilschließgliedes 12 und des Kraftstoffeinspritzventiles 1 insgesamt davon betroffen ist.
Wenn das Ventil geöffnet werden soll und eine Einspritzung durch das Kraftstoffeinspritzventil 1 erfolgen soll, wird der piezoelektrische Aktor 4 mit Spannung beaufschlagt, wodurch sich dieser schlagartig axial ausdehnt. Dabei stützt sich der piezoelektrische Aktor 4 an dem Ventilkörper 7 ab und baut einen Öffnungsdruck in der Hydraulikkammer 13 auf. Erst wenn das Ventil 1 durch den Systemdruck p_sys in der Hydraulikkammer 13 im Gleichgewicht ist, treibt der zweite Kolben 11 das Ventilschließglied 12 aus seinem oberen Ventilsitz 14 in eine Mittelstellung zwischen den beiden Ventilsitzen 14 und 15. Bei hohem Raildruck p_R ist piezoseitig eine größere Kraft erforderlich, um in der Hydraulikkammer 13 den Gleichgewichtsdruck zu erreichen. Bei der erfin- dungsgemäßen Befülleinrichtung 24 wird jedoch bei hohem Raildruck p_R auch der Druck in der Hydraulikkammer 13 entsprechend erhöht. Auf diese Weise wird die piezosei- tige Kraft auf das Ventilschließglied 12 bei gleicher Spannung auf den piezoelektrischen Aktor 4 erhöht. Die- se Krafterhöhung entspricht einer substantiell höheren Spannung, welche an dem piezoelektrischen Aktor 4 angelegt werden müßte. Die gewonnene Kraftreserve kann bei der Auslegung des Ventils beispielsweise zur Verkleinerung des piezoelektrischen Aktors benützt werden. Um das Ventilschließglied 12 entgegen dem Raildruck p_R nach Erreichen seines zweiten unteren Ventilsitzes 15 wieder rückwärts in eine Mittelstellung zu bewegen und abermals eine Kraftstoffeinspritzung zu erreichen, wird die Bestromung des piezoelektrischen Aktors 4 unterbrochen. Gleichzeitig mit der Rückbewegung des Ventilschließgliedes 12 erfolgt über die Befülleinrichtung 24 eine Wiederbefüllung der Hydraulikkammer 13 auf den Systemdruck p_sys .
Die beschriebenen Ausführungen beziehen sich jeweils auf ein sogenanntes Doppelsitzventil, jedoch ist die Erfindung selbstverständlich auch auf einfachschaltende Ventile mit nur einem Ventilsitz anwendbar.
Ebenso ist es nicht zwingend, daß die zum Hochdruckbereich 17 führende Leitung 33 der Befülleinrichtung 24 wie in den gezeigten bevorzugten Ausführungen mit dem Ventilraum 18, in dem das Ventilschließglied 12 zwi- sehen den Ventilsitzen 14 und 15 bewegbar ist, verbunden ist. In alternativen Ausführungen kann auch vorgesehen sein, daß die Leitung 33 strömungsmäßig mit einem Hochdruckzulauf von einer Hochdruckpumpe beispielsweise zu dem Ventilsteuerraum 2 in dem Hochdruckbereich 17 oder mit der Ablaufdrossel 20 verbunden ist.
Es versteht sich auch, daß die Erfindung nicht nur bei den hier als bevorzugtes Einsatzgebiet beschriebenen Common-Rail-Injektoren Verwendung finden kann, sondern generell bei Kraftstoffeinspritzventilen oder auch in anderen Umfeldern wie zum Beispiel bei Pumpen verwirklicht werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einer Aktuator-Einheit (4), insbesondere mit einer piezoelektrischen Einheit, zur Betätigung eines in einem Ventil- körper (7) axial verschiebbaren Ventilglieds (3), dem ein Ventilschließglied (12) zugeordnet ist, welches mit wenigstens einem Ventilsitz (14, 15) zum Öffnen und
Schließen des Ventils (1) zusammenwirkt und einen Niederdruckbereich (16) mit Systemdruck von einem Hochdruckbereich (17) trennt, wobei das Ventilglied (3) wenigstens einen ersten Kolben (9) und einen zweiten Kol- ben (11) aufweist, zwischen denen eine als hydraulische Übersetzung arbeitende Hydraulikkammer (13) ausgebildet ist, wobei zum Ausgleich von Leckverlusten eine mit dem Hochdruckbereich (17) verbindbare Befülleinrichtung (24) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Befülleinrichtung (24) mit wenigstens einem kanalartigen Hohlraum (25) ausgebildet ist, in dem wenigstens ein Drosselkörper (26) derart angeordnet ist, daß 'in den Hohlraum (25) an einem Ende des Drosselkörpers (26) eine zu dem Hochdruckbereich (17) führende Leitung (33) mündet, und daß an dem entgegengesetzten Ende des Drosselkörpers (26) eine zu der Hydraulikkammer (13) füh- rende Systemdruck-Leitung (28) abzweigt, wobei sich ein Systemdruck (p_sys) durch geometrische Festlegung einer Drosselbohrung (27) in dem Drosselkörper (26) und der Abmessungen des Kolbens (9), entlang dem der Syste - druck (p_sys) zum Niederdruckbereich (16) hin abgebaut wird, in Abhängigkeit eines vorliegenden Drucks (p_R) in dem Hochdruckbereich (17) aufbaut.
2. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einer Ak- tuator-Einheit (4) , insbesondere einer piezoelektrischen Einheit, zur Betätigung eines in einem Ventilkörper (7) axial verschiebbaren Ventilglieds (3), dem ein Ventilschließglied (12) zugeordnet ist, welches mit wenigstens einem Ventilsitz (14, 15) zum Öffnen und Schließen des Ventils (1) zusammenwirkt und einen Niederdruckbereich (16) mit Systemdruck von einem Hochdruckbereich (17) trennt, wobei das Ventilglied (3) wenigstens einen ersten Kolben (9) und einen zweiten Kolben (11) aufweist, zwischen denen eine als hydraulische Übersetzung arbeitende Hydraulikkammer (13) ausgebildet ist, wobei zum Ausgleich von Leckverlusten eine mit dem Hochdruckbereich (17) verbindbare Befülleinrichtung (24) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Befülleinrichtung (24) mit wenigstens einem kanalarti- gen Hohlraum (25) ausgebildet ist, in dem ein erster Drosselkörper (26) derart angeordnet ist, daß in dem Hohlraum (25) an einem Ende des Drosselkörpers (26) eine zu dem Hochdruckbereich (17) führende Leitung (33) mündet, und daß an dem entgegengesetzten Ende des Dros- selkörpers (26) eine zu der Hydraulikkammer (13) führende Systemdruck-Leitung (28) abzweigt, wobei sich durch geometrische Festlegung einer Drosselbohrung (27) in dem ersten Drosselkörper (26) und einer Drosselbohrung (34) eines zweiten Drosselkörpers (32), der einer aus dem Hohlraum (25) abzweigenden Leckageleitung (35) vorgeschaltet ist, ein Systemdruck (p_sys) in Abhängigkeit eines vorliegenden Drucks (p_R) in dem Hochdruckbereich (17) aufbaut, der entlang des zweiten Drosselkörpers (32) zum Niederdruckbereich (16) hin abgebaut wird.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem den wenigstens einen Drosselkörper (26, 32) aufnehmenden Hohlraum (25) hochdruckseitig ein weiterer Hohlraum (36) mit einem darin angeordneten Fest- körper (37) vorgeschaltet ist, wobei der Festkörper
(37) darin mit einem Spiel angeordnet ist, mit dem er wenigstens primär als Filter für die Drosselung des nachgeschalteten Drosselkörpers (26) dient.
4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper (37) axial beweglich angeordnet ist, wobei vorzugsweise zwischen dem kolbenartig ausgebildeten Festkörper (37) und einem drosselseitigen Anschlag (38) eine Federeinrichtung (39) vorgesehen ist, mittels der der Festkörper bei Abfall des Druckes (p_R) im Hochdruckbereich (17) an einen hochdruckseitigen Anschlag (40) verschiebbar ist.
5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge- kennzeichnet, daß die geometrische Festlegung des wenigstens einen Drosselkörpers (26, 32) und/oder des Kolbens (9), entlang dem der Systemdruck (p_sys) zu dem Niederdruckbereich (16) hin abgebaut wird, in Abhängigkeit wenigstens der Parameter Sitzdurchmesser (A2) und Verhältnis des Durchmessers (A0) des ersten Kolbens (9) zu dem Durchmesser (AI) des zweiten Kolbens (11) gewählt ist.
6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Federkraft (F_F) einer Feder (31) , welche zwischen dem Ventilschließglied (12) und einem dem Hochdruckbereich (17) zugewandten zweiten Ventilsitz (15) angeordnet ist und das Ventilschließglied (12) bei Entlastung des Hochdruckbereiches (17) in Schließstellung an dem ersten Ventilsitz (14) hält, ein Parameter zur geometrischen Festlegung des wenigstens einen Drosselkörpers (26, 32) und/oder des Kolbens (9), entlang dem der Systemdruck (p_sys) zu dem Niederdruckbereich (16) hin abgebaut wird, und/oder des dem Drosselkörper (26) vorgeschalteten Festkörpers (37) ist.
7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Festlegung derart erfolgt, daß der Systemdruck (p_sys) in der Hydraulik- kammer (13) stets kleiner ist als ein maximal zulässiger Systemdruck, wobei der maximal zulässige Systemdruck der Hydraulikkammer (13) vorzugsweise einem Druck entspricht, bei dem eine selbsttätige Ventilöffnung ohne Betätigung der Aktuator-Einheit (4) eintritt.
8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Drosselkörper (26, 32) hülsenartig ausgebildet ist.
9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zu der Hydraulikkammer (13) führende Systemdruck-Leitung (28) in diese über einen an die Hydraulikkammer (13) angrenzenden, den ersten Kolben (9) umgebenden Spalt (29) und/oder den zweiten Kol- ben (11) umgebenden Spalt (30), vorzugsweise über den den ersten Kolben (9) umgebenden Spalt (29) führt.
10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu dem Hochdruckbereich (17) führende Leitung () strömungsmäßig mit einem Hochdruckzulauf von einer Hochdruckpumpe zu einem Ventilsteuerraum (2) in dem Hochdruckbereich (17) oder mit einer Ablaufdrossel (20) zwischen dem wenigstens einen Ventilsitz (15) und dem Ventilsteuerraum (2) in dem Hoch- druckbereich (17) oder vorzugsweise mit einem Ventilraum (18), in dem das Ventilschließglied (12) zwischen einem ersten Ventilsitz (14) und einem zweiten Ventilsitz (15) bewegbar ist, verbunden ist.
11. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Bestandteil eines Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen, insbesondere eines Common-Rail-Injektors (1) .
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