DE10048933A1 - Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten vorgeschlagen, mit einem in einem Ventilkörper (5) axial bewegbaren Ventilglied (3), mit einer als hydraulische Übersetzung arbeitenden Hydraulikkammer (12), und mit einer Befülleinrichtung (15) zum Ausgleich von Leckageverlusten, welche mit einem Hochdruckbereich (14) und einem Niederdruckbereich (13) des Ventils verbunden ist und einen Drosselkörper (18) aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Drosselkörper (18) in Abhängigkeit von einem im Niederdruckbereich (13) herrschenden Druck derart beweglich ist, daß eine Befüllung der Hydraulikkammer (12) mit Flüssigkeit erfolgt (Figur 1).
Description
Die Erfindung geht von einem Ventil zum Steuern von Flüs
sigkeiten gemäß der in Patentanspruch 1 näher definierten
Art aus.
Aus der Praxis sind Ventile zum Steuern von Flüssigkeiten
bekannt, die ein Ventilglied und eine hydraulische Überset
zung aufweisen. Die hydraulische Übersetzung umfaßt in der
Regel eine Hydraulikkammer, die in einem Niederdruckbereich
des Ventils liegt. Die Hydraulikkammer wird zum Ausgleich
von Leckageverlusten von einer Befülleinrichtung wiederbe
füllt. Dazu ist die Befülleinrichtung mit einem Hockdruck
bereich des Ventils verbunden, der die Befülleinrichtung
mit Flüssigkeit versorgt. Um bei der Befüllung den Hoch
druck auf einen Systemdruck in der Hydraulikkammer zu redu
zieren, weist die Befülleinrichtung üblicherweise einen
Drosselkörper auf.
Aus der EP 0 477 400 A1 ist ein solches Ventil zum Steuern
von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoff bei einem
Common-Rail-Injektor, bekannt. Das Ventil ist über einen
piezoelektrischen Aktor betätigbar, wobei eine spannungsab
hängige Auslenkung bzw. eine Längenänderung des Aktors über
eine Hydraulikkammer übertragen wird, welche als hydrauli
sche Übersetzung bzw. Kopplung und Toleranzausgleichsele
ment arbeitet. Die Hydraulikkammer schließt zwischen zwei
sie begrenzenden Kolben, von denen ein Kolben mit einem
kleineren Durchmesser ausgebildet ist und mit einem anzu
steuernden Ventilschließglied verbunden ist, und der andere
Kolben mit einem größeren Durchmesser ausgebildet ist und
mit dem piezoelektrischen Aktor verbunden ist, ein gemein
sames Ausgleichsvolumen ein. Die Hydraulikkammer ist derart
zwischen den beiden Kolben eingespannt, daß der Betäti
gungskolben einen um das Übersetzungsverhältnis des Kolben
durchmessers vergrößerten Hub macht, wenn der größere Kol
ben durch den piezoelektrischen Aktor um eine bestimmte
Wegstrecke bewegt wird.
Die Hydraulikkammer im Niederdruckbereich benötigt einen
bestimmten Systemdruck, welcher aufgrund von Leckagen bei
der Betätigung des Ventils abfällt, falls keine ausreichen
de Befüllung mit Flüssigkeit stattfindet.
Bei dem bekannten Ventil wird der in der Hydraulikkammer
benötigte Systemdruck selbst erzeugt. Dies wird in der Pra
xis durch eine Zuführung von Flüssigkeit aus dem Hochdruck
bereich des Ventils in den Niederdruckbereich erreicht.
Dies geschieht häufig mit Hilfe von Leckspalten, die durch
Leck- bzw. Befüllstifte als Drosselkörper realisiert wer
den.
Die (Wieder)Befüllung der Hydraulikkammer sollte dabei der
art erfolgen, daß der Druck in der Hydraulikkammer mög
lichst konstant gehalten wird. Denn ein Absenken bzw. Erhö
hen des Druckes in der Hydraulikkammer kann die hydrauli
sche Übersetzung des Ventils negativ beeinflussen. Insbe
sondere ist eine Erhöhung des Systemdruckes in der Hydrau
likkammer ungünstig, da bei einem hohen Druck die Verdrän
gung von Hydraulikvolumen aus der Hydraulikkammer über die
die angrenzenden Kolben umgebenden Spalte entsprechend ver
stärkt wird. Dadurch kann z. B. die Wiederbefüllzeit zum
Aufbau und Halten des Druckes auf der Niederdruckseite un
ter Umständen derart verlängert werden, daß mangels voll
ständiger Wiederbefüllung bei einer kurz darauf folgenden
Betätigung des Ventils ein kürzerer Ventilhub ausgeführt
wird, der das Öffnungsverhalten des gesamten Ventils gege
benenfalls negativ beeinflussen kann.
Bei der Befülleinrichtung des bekannten Ventils werden
Drosselkörper verwendet, bei denen z. B. aufgrund ihrer geo
metrischen Dimensionierung ein kontinuierlicher Durchsatz
an Flüssigkeit zur Wiederbefüllung der Hydraulikkammer vor
gesehen ist. Somit besteht hier der Nachteil, daß nur eine
vorausberechnete bzw. in Versuchen ermittelte Leckagemenge
in der Hydraulikkammer ersetzt wird. Selbst bei gattungs
gleichen Ventilen kann die Leckagemenge aufgrund von Ferti
gungstoleranzen unterschiedlich sein, so daß bei jedem Ven
til nach der Fertigung die Leckagemenge bestimmt werden
muß, um z. B. die Dimensionierung des Drosselkörpers entsprechend
festzulegen. Dies führt bei den bekannten Venti
len zu einem erheblichen Mehraufwand.
Dazu kommt, daß bei einer möglichen Änderung der Leckage
der Systemdruck bei den bekannten Ventilen mit der Be
fülleinrichtung nicht konstant gehalten werden kann. Dies
führt dann zu den oben angesprochenen negativen Einflüssen
bei dem Öffnungsverhalten der Ventile, da bei den bekannten
Befülleinrichtungen eine kurzfristige Änderung der Befüll
menge nicht möglich ist.
Das erfindungsgemäße Ventil zur Steuerung von Flüssigkeiten
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil,
daß die Befüllung der Hydraulikkammer in Abhängigkeit von
dem Druck im Niederdruckbereich erfolgt, so daß bei einer
erfolgten Leckage aus der Hydraulikkammer, die eine Druck
absenkung zur Folge hat, der Drosselkörper der Befüllein
richtung derart bewegt wird, daß eine entsprechende Wieder
befüllung der Hydraulikkammer mit Flüssigkeit erfolgt.
Bei dem erfindungsgemäßen Ventil wird mit der Befüllein
richtung auf einfachste Weise ein Ausgleich von Leckagever
lusten bei der Hydraulikkammer realisiert, denn jede Druck
änderung des in der Hydraulikkammer vorgegebenen Druckes
führt zu einer Bewegung des Drosselkörpers und damit wie
derum zur entsprechenden Befüllung der Hydraulikkammer mit
Flüssigkeit. Somit ist mit der Befülleinrichtung ein vorge
gebener Systemdruck in der Hydraulikkammer präzise und
gleichsam automatisch einstellbar.
Bei absinkendem Druck im Niederdruckbereich bzw. in der
Hydraulikkammer kann der Drosselkörper derart in eine offe
ne Stellung bewegt werden, daß Flüssigkeit aus dem Hoch
druckbereich über zumindest einen Verbindungskanal zur
Hydraulikkammer fließt, bis wieder ein vorgegebener System
druck im Niederdruckbereich erreicht ist und sich der Dros
selkörper der Befülleinrichtung wieder in einer Gleichge
wichtslage befindet, in der keine Befüllung der Hydraulik
kammer mit Flüssigkeit erfolgt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann
vorgesehen sein, daß die Befülleinrichtung Bohrungen mit
unterschiedlichem Durchmesser umfaßt, in denen ein an die
Durchmesser der Bohrungen angepaßtes Stellglied axial be
wegbar angeordnet ist, wobei im Bereich der Durchmesserän
derungen ein Dichtsitz ausgebildet ist, der mit dem Stell
glied zusammenwirkt. Bei Druckänderungen, insbesondere in
der oberen Bohrung, die mit dem Niederdruckbereich bzw. mit
der Hydraulikkammer verbunden ist, kann das Stellglied ent
sprechend bewegt werden, so daß beispielsweise über einen
Verbindungskanal Flüssigkeit in die Hydraulikkammer zum
Ausgleich von Leckageverlusten gelangen kann.
Eine andere Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, daß
zwei Kolben als Drosselkörper vorgesehen sind, die in den
Bohrungen axial bewegbar angeordnet sind. Bei Druckänderung
werden die Kolben derart bewegt, daß Flüssigkeit aus dem
Hockdruckbereich in den Niederdruckbereich bzw. in die
Hydraulikkammer zum Ausgleich von Leckageverlusten fließen
kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Ventil ist besonders vorteilhaft,
daß die Leckageverluste relativ gering sind. Dies wird da
durch ermöglicht, daß in der Befülleinrichtung der mit
Hochdruck beaufschlagte Bereich gering dimensioniert ist.
Dadurch wird die Leckagemenge zum größten Teil durch die
Druckdifferenz zwischen dem Niederdruck, d. h. dem System
druck in dem Niederdruckbereich, und dem Umgebungsdruck be
stimmt. Diese Leckage ist natürlich geringer als bei einer
Druckdifferenz, die sich aus dem Hochdruck und dem Umge
bungsdruck ergibt. Es hat sich gezeigt, daß bei der erfin
dungsgemäßen Ausgestaltung des Ventils, insbesondere der
Befülleinrichtung, eine Reduzierung der Leckagemenge von
bis zu 80% gegenüber bekannten Ventilen erreicht wird.
Darüber ist das erfindungsgemäße Ventil unempfindlich gegen
Verschmutzungen in der Flüssigkeit bzw. in dem Kraftstoff.
Durch die konstruktiv einfach ausgestaltete Befülleinrich
tung wird des weiteren auch der Fertigungaufwand des Ven
tils reduziert.
Bevorzugt sind die Bohrungen in dem Ventilkörper vorgese
hen. Selbstverständlich können die Bohrungen bzw. die Be
fülleinrichtung auch in anderen Bauteilen angeordnet sein.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Ge
genstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeich
nung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Mehrere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Ventils
sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nach
folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung
eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung bei einem
Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen im Längs
schnitt,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit
einer Detailansicht einer Befülleinrichtung des erfindungs
gemäßen Ventils, und
Fig. 3 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung
eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbei
spiele zeigen eine Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils
bei einem Kraftstoffeinspritzventil 1 für Brennkraftmaschi
nen von Kraftfahrzeugen. In den vorliegenden Ausführungen
ist das Kraftstoffeinspritzventil 1 als ein Common-Rail-
Injektor zur Einspritzung von Dieselkraftstoff ausgebildet,
wobei die Kraftstoffeinspritzung über das Druckniveau in
einem Ventilraum 2, welcher mit einer Hochdruckversorgung
verbunden ist, gesteuert wird.
Zur Einstellung eines Einspritzbeginns, einer Einspritzdau
er und einer Einspritzmenge über Kräfteverhältnisse in dem
Kraftstoffeinspritzventil 1 wird ein Ventilglied 3 über ei
ne als piezoelektrischer Aktor 4 ausgebildete piezoelektrische
Einheit angesteuert, welche auf der ventilraum- und
brennraumabgewandten Seite des Ventilgliedes 3 angeordnet
ist. Der piezoelektrische Aktor 4 ist in üblicher Weise aus
mehreren Schichten aufgebaut und stützt sich mit einem
nicht weiter dargestellten Aktorfuß an einer Wand eines
Ventilkörpers 5 des Kraftstoffeinspritzventils 1 ab. An ei
nem Aktorkopf 6 liegt über ein Auflager 7 ein erster Kolben
8 des Ventilgliedes 3 an, welcher auch als Stellkolben be
zeichnet wird.
Neben dem ersten Kolben 8 umfaßt das Ventilglied 3, welches
axial in Längsbohrungen 9 des Ventilkörpers 5 verschiebbar
angeordnet ist, einen zweiten Kolben 10, welcher ein Ven
tilschließglied 11 betätigt und daher auch als Betätigungs
kolben bezeichnet wird.
Die Kolben 8 und 10 sind mittels einer hydraulischen Über
setzung miteinander gekoppelt. Die hydraulische Übersetzung
ist als Hydraulikkammer 12 ausgebildet, die die Auslenkung
des piezoelektrischen Aktors 4 auf das Ventilschließglied
11 überträgt. Die Hydraulikkammer 12 schließt zwischen den
beiden sie begrenzenden Kolben 8 und 10, bei denen der
Durchmesser des zweiten Kolbens 10 kleiner ist als der
Durchmesser des ersten Kolbens 8, ein gemeinsames Aus
gleichsvolumen ein, in dem ein Systemdruck p_sys herrscht.
Die Hydraulikkammer 12 ist dabei derart zwischen den Kolben
8 und 10 eingespannt, daß der zweite Kolben 10 des Ventil
gliedes 3 einen um das Übersetzungsverhältnis des Kolben
durchmessers vergrößerten Hub macht, wenn der größere erste
Kolben 8 durch den piezoelektrischen Aktor 4 um eine be
stimmte Wegstrecke bewegt wird. Das Ventilglied 3, seine
Kolben 8 und 10 und der piezoelektrische Aktor 4 können da
bei auf einer gemeinsamen Achse hintereinander liegen. Bei
den vorliegenden Ausführungsbeispielen sind die beiden Kol
ben 8 und 10 zueinander versetzt angeordnet.
Über das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer 12 können
Toleranzen aufgrund von Temperaturgradienten im Bauteil
oder unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten
der verwendeten Materialien sowie eventuelle Setzeffekte
ausgeglichen werden, ohne daß dadurch eine Änderung der Po
sition des anzusteuernden Ventilschließgliedes 11 auftritt.
An dem ventilraumseitigen Ende des Ventilgliedes 3 wirkt
das kugelartige Ventilschließglied 11 mit an dem Ventilkör
per 5 ausgebildeten Ventilsitzen zusammen, wobei das Ven
tilschließglied 11 einen Niederdruckbereich 13 mit einem
Systemdruck p_sys von einem Hochdruckbereich 14 mit einem
Hochdruck bzw. Raildruck p_R trennt.
Hochdruckseitig führt eine nicht weiter dargestellte Ab
laufdrossel in gewohnter Art zu einem Ventilsteuerraum, in
dem eine bewegbare Düsennadel angeordnet ist. Durch axiale
Bewegungen der Düsennadel in dem Ventilsteuerraum, der in
üblicher Weise mit einer Einspritzleitung verbunden ist,
welche mit einem für mehrere Kraftstoffeinspritzventile ge
meinsamen Hochdruckspeicherraum (Common-Rail) verbunden ist
und eine Einspritzdüse mit Kraftstoff versorgt, wird das
Einspritzverhaltendes Kraftstoffventils 1 gesteuert.
Zum Ausgleich von Leckageverlusten des Niederdruckbereiches
13 bei der Betätigung des Kraftstoffeinspritzventils 1 ist
eine Befülleinrichtung 15 vorgesehen, welche niederdruck
seitig in die Hydraulikkammer 12 mündet.
In Fig. 1 weist die Befülleinrichtung 15 einen kanalarti
gen Hohlraum in dem Ventilkörper 5 auf, wobei der Hohlraum
durch eine erste, obere Bohrung 16 und eine daran anschlie
ßende zweite, untere Bohrung 17 gebildet wird. Der Durch
messer der ersten bzw. oberen Bohrung 16 ist größer als der
Durchmesser der zweiten bzw. unteren Bohrung 17. In den
Bohrungen 16, 17 ist ein an die unterschiedlichen Durchmes
ser angepaßter Drosselkörper 18 axial bewegbar angeordnet.
Der Drosselkörper 18 ist bei dem ersten Ausführungsbeispiel
als Ventilstellglied 19 ausgebildet, welches im Bereich der
oberen Bohrung 16 im wesentlichen einen Durchmesser d1 und
im Bereich der unteren Bohrung 17 im wesentlichen einen
Durchmesser d2 aufweist. Im Bereich der Durchmesseränderung
der oberen Bohrung 16 und der unteren Bohrung 17 ist ein
Dichtsitz 20 zwischen der Wand der Bohrungen 16, 17 und dem
Ventilstellglied 19 vorgesehen. Der Dichtsitz 20 wirkt mit
dem Ventilstellglied 19 derart zusammen, daß bei Betätigung
des Ventilstellgliedes 19 durch entsprechende Druckänderun
gen in den Bohrungen 16, 17 das Ventilstellglied 19 entwe
der in eine offene oder eine geschlossene Stellung bewegbar
ist.
Der Durchmesser d1 des Ventilstellgliedes 19 ist etwas
kleiner als der Durchmesser der oberen Bohrung 16, so daß
ein spaltartiger Niederdruckraum 23 in der oberen Bohrung
16 gebildet wird. Der Niederdruckraum 23 ist über den Ver
bindungskanal 21 mit einem hier den Betätigungskolben 10
umgebenden Spalt 22 verbunden, der mit der Hydraulikkammer
12 in Verbindung steht.
Von der unteren Bohrung 17 führt ein weiterer Verbindungs
kanal 28 zu dem mit dem Hochdruckbereich 14 verbindbaren
Ventilraum 2. Am unteren Ende der unteren Bohrung 17 ist
ein Leckagesammelraum 24 ausgebildet, der einen mit einer
Drossel 25 ausgerüsteten Auslaß 26 aufweist.
Das Ventilstellglied 19 weist im Bereich des kleineren
Durchmessers d2 eine Ringnut 27 auf, die gleichzeitig einen
Einmündungsbereich des mit dem Hochdruckbereich 14 verbun
denen Verbindungskanal 28 bildet. Somit kann Flüssigkeit
aus dem unter Raildruck p_R stehenden Hochdruckbereich 14
in die Ringnut 27 in der unteren Bohrung 17 gelangen.
Im Bereich des Dichtsitzes 20 ist eine zwischen der Wand
der Bohrungen 16, 17 und dem Ventilstellglied 19 gebildete
Ringkammer 30 vorgesehen. Der unter Raildruck p_R stehende
Kraftstoff kann über einen Spalt 31 aus der Ringnut 27 in
die Ringkammer 30, welche hier einen Hochdruckraum dar
stellt, gelangen. Der Spalt 31 dient dabei zur Filterung
des Dieselkraftstoffes, so daß eventuell vorhandener
Schmutz aus dem Dieselkraftstoff nicht in die Ringkammer 30
gelangen kann.
Somit kann z. B. in einer offenen Stellung Flüssigkeit bzw.
Kraftstoff aus der mit dem Hochdruckbereich 14 verbundenen
unteren Bohrung 17 zunächst in den Niederdruckraum 23 strö
men und dann durch den Verbindungskanal 21 in den mit der
Hydraulikkammer 12 in Verbindung stehenden Spalt 22 gelangen,
so daß eine entsprechende Leckage aus der Hydraulik
kammer 12 ausgeglichen wird.
In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin
dung dargestellt, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit
für funktionsgleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen
wie zuvor verwendet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist der Drosselkörper 18 ebenfalls als Ventilstellglied 19
ausgebildet. Jedoch sind in diesem Ausführungsbeispiel die
Ringnut 27 und die Ringkammer 30 derart dimensioniert, daß
sie einen gemeinsamen Raum zwischen dem Ventilstellglied 19
und der Wand der Bohrungen 16, 17 bilden, d. h. ein den
Kraftstoff reinigender Spalt 31 ist bei diesem Ausführungs
beispiel nicht vorgesehen.
In Fig. 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfin
dung dargestellt, bei dem der Drosselkörper 18 einen er
sten, oberen Kolben 32 und einen zweiten, unteren Kolben 33
aufweist. Der Durchmesser d1 des oberen Kolbens 32 ist etwa
gleich dem Durchmesser der oberen Bohrung 16. Der Durchmes
ser d2 des unteren Kolbens 33 ist etwa gleich dem Durchmes
ser der unteren Bohrung 17. Die Kolben 32, 33 sind in den
Bohrungen 16, 17 axial bewegbar angeordnet. Unterhalb des
unteren Kolbens 33 ist in der unteren Bohrung 17 ein mit
Raildruck p_R beaufschlagter Hochdruckraum 34 vorgesehen,
der mit dem Hochdruckbereich 14 bzw. mit dem Ventilraum 2
verbunden ist.
Oberhalb des oberen Kolbens 32 ist in der oberen Bohrung 16
ein Niederdruckraum 23 vorgesehen, der über Verbindungskanäle
35, 36 mit dem Spalt 22 verbunden ist, welcher wieder
um mit der Hydraulikkammer 12 in Verbindung steht.
In der oberen Bohrung 16 ist ein Leckagesammelraum 37 vor
gesehen, welcher durch die beiden Kolben 32, 33 begrenzt
wird. Der Leckagesammelraum 37 weist einen mit einem Pfeil
38 angedeuteten Auslaß auf.
Der Verbindungskanal 36 mündet in die untere Bohrung 17,
und zwar in einen zwischen der Wand der unteren Bohrung 17
und dem unteren Kolben 33 gebildeten Leckspalt 39. Dessen
Länge ist durch den Abstand zwischen dem Einmündungsbereich
des Verbindungskanals 36 und dem unteren Ende des Kolbens
33 bestimmt. Die Länge h des Leckspaltes 39 kann durch ent
sprechende Bewegung der beiden Kolben 32, 33 vergrößert
bzw. verkleinert werden. Somit kann auch die Leckage zwi
schen dem Hochdruckraum 34 und dem Niederdruckraum 23 ein
gestellt werden, die dann zum Befüllen der Hydraulikkammer
12 bestimmt ist.
Das Kraftstoffeinspritzventil 1 arbeitet in nachfolgend be
schriebener Weise, wobei sich lediglich die Befüllung der
Hydraulikkammer 12 bei den einzelnen Ausführungsbeispielen
unterscheidet.
Wenn keine Spannung an dem piezoelektrischen Aktor 4 an
liegt, befindet sich das Ventilschließglied 11 an dem ihm
zugeordneten Ventilsitz und wird z. B. durch eine nicht wei
ter dargestellte Feder und durch den Raildruck p_R in dem
Ventilraum 2 bzw. im Hochdruckbereich 14 gegen den Ventil
sitz gepreßt.
Wenn das Ventil geöffnet werden soll und eine Einspritzung
durch das Kraftstoffeinspritzventil 1 erfolgen soll, wird
der piezoelektrische Aktor 4 mit Spannung beaufschlagt, wo
durch sich dieser schlagartig axial ausdehnt. Dabei stützt
sich der piezoelektrische Aktor 4 an dem Ventilkörper 5 ab
und baut einen Öffnungsdruck in der Hydraulikkammer 12 auf,
aufgrund dessen der zweite Kolben 10 das Ventilschließglied
aus seinem Ventilsitz in eine Mittelstellung treibt. Um das
Ventilschließglied 11 entgegen dem Raildruck p_R nach Er
reichen eines zweiten unteren Ventilsitzes wieder rückwärts
in eine Mittelstellung zu bewegen und abermals eine Kraft
stoffeinspritzung zu erreichen, wird die Bestromung des
piezoelektrischen Aktors 4 unterbrochen. Gleichzeitig mit
der Rückbewegung des Ventilschließgliedes 11 erfolgt über
die Befülleinrichtung 15 eine Wiederbefüllung der Hydrau
likkammer 12 auf den Systemdruck p_sys.
Bei den beiden Ausführungsbeispielen, die in Fig. 1 und
Fig. 2 dargestellt sind, erfolgt die Befüllung der Hydrau
likkammer 12 über den Verbindungskanal 21, der mit dem Nie
derdruckraum 23 in der oberen Bohrung 16 verbunden ist. Da
zu wird das Ventilstellglied 19 aus einer Gleichgewichtsla
ge nach oben verschoben, so daß Dieselkraftstoff aus der
mit Hochdruck bzw. Raildruck p_R beaufschlagten Ringkammer
30 durch den Dichtsitz 20 in den Niederdruckraum 23 strömen
kann. Sobald der Systemdruck p_sys in der Hydraulikkammer
12 erreicht ist, wird sich kurzzeitig der Druck in dem Nie
derdruckraum 23 erhöhen und somit das Ventilstellglied 19
nach unten bewegen, bis die Gleichgewichtslage wieder er
reicht ist. Diese Gleichgewichtslage kann durch eine
Gleichsetzung der auf den Drosselkörper wirkenden Kräfte
berechnet werden. Die Kräfte ergeben sich aus dem Produkt
von jeweils herrschenden Druck p_sys bzw. p_R und der je
weils beaufschlagten Flächen des Drosselkörpers 18 gemäß
der Funktion:
p_sys.(d1)2 = p_R.(d12 - d22)
Sobald dieses Gleichgewicht nicht gegeben ist, kann Kraft
stoff bzw. Flüssigkeit aus dem Hochdruckraum 34 bzw. der
Ringkammer 30 in den Niederdruckraum 23 bzw. in die Hydrau
likkammer 12 fließen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 läuft die Befül
lung nach dem gleichen Prinzip ab. Jedoch ist bei diesem
Ausführungsbeispiel kein Leckspalt 30 vorgesehen, so daß
hier keine Filterung des Kraftstoffes bei der Befüllung der
Hydraulikkammer 12 erfolgt.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 erfolgt die Be
füllung über den Verbindungskanal 36. Der zur Befüllung er
forderliche Kraftstoff strömt aus dem Hochdruckraum 34 über
den Leckspalt 39. Sobald der Systemdruck p_sys in der Hy
draulikkammer 12 bzw. in dem Niederdruckraum 23 absinkt,
werden die beiden Kolben 33, 34 nach oben verschoben, so
daß die Länge h des Leckspaltes 39 entsprechend verkürzt
wird und somit Kraftstoff über den Leckspalt 39 in den Nie
derdruckraum 23 gelangen kann.
Wenn die Befüllung abgeschlossen ist, d. h. der Systemdruck
p_sys in dem Niederdruckraum 23 bzw. in der Hydraulikkammer
12 erreicht ist, wird der Druck in dem Niederdruckraum 23
weiter erhöht, so daß sich die Kolben 33, 34 wieder nach
unten verschieben und somit die Länge h des Leckspaltes 39
wieder vergrößern, bis der aus den beiden Kolben 33, 34 be
stehende Drosselkörper 18 in der Gleichgewichtslage ist.
Die Gleichgewichtslage ergibt sich wieder durch eine
Gleichsetzung der relevanten mit den Drücken p_sys und p_R
beaufschlagten Flächen des Drosselkörpers gemäß der Glei
chung:
p_sys.d12 = p_R.d22
In der Gleichgewichtslage erfolgt bei sämtlichen Ausfüh
rungsbeispielen keine Befüllung, d. h. in der Hydraulikkam
mer 12 bzw. dem Niederdruckraum 23 herrscht Systemdruck
p_sys, und der Hochdruckraum 34 wird mit dem Raildruck p_R
beaufschlagt. Da die mit den Drücken p_sys und p_R beauf
schlagten Flächen entsprechend dimensioniert sind, können
die beiden Kolben 32, 33 in der Gleichgewichtslage nicht
bewegt werden.
Die beschriebenen Ausführungen beziehen sich jeweils auf
ein sogenanntes Doppelsitzventil, jedoch ist die Erfindung
selbstverständlich auch auf einfachschaltende Ventile mit
nur einem Ventilsitz anwendbar.
Die Erfindung ist auch nicht nur bei den hier als bevorzug
tes Einsatzgebiet beschriebenen Common-Rail-Injektoren an
wendbar, sondern auch in anderen Umfeldern, wie z. B. bei
Pumpen, einsetzbar, wo ein Niederdruckbereich von einem
Hochdruckbereich zu trennen ist.
Claims (14)
1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, mit einem in einem
Ventilkörper (5) axial bewegbaren Ventilglied (3), mit
einer als hydraulische Übersetzung arbeitenden Hydraulik
kammer (12), und mit einer Befülleinrichtung (15) zum
Ausgleich von Leckageverlusten, welche mit einem Hoch
druckbereich (14) und einem Niederdruckbereich (13) des
Ventils verbunden ist und einen Drosselkörper (18) auf
weist, dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselkörper (18)
in Abhängigkeit von einem im Niederdruckbereich (13)
herrschenden Druck derart beweglich ist, daß eine Befül
lung der Hydraulikkammer (12) mit Flüssigkeit erfolgt.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Befülleinrichtung (15) wenigstens eine erste Bohrung (16)
und eine zweite Bohrung (17) umfaßt, welche einen unter
schiedlichen Durchmesser aufweisen, und daß der Drossel
körper (18) durch Druckänderungen in den Bohrungen (16,
17) in diesen axial bewegbar angeordnet ist.
3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Drosselkörper (18) ein Ventilstellglied (19) ist, welches
im Bereich der ersten Bohrung (16) im wesentlichen einen
größeren Durchmesser (d1) und im Bereich der zweiten Boh
rung (17) im wesentlichen einen kleineren Durchmesser
(d2) aufweist, und daß im Bereich der Durchmesseränderun
gen der Bohrungen (16, 17) ein Dichtsitz (20) zwischen
der Wand der Bohrungen (16, 17) und dem Ventilstellglied
(19) ausgebildet ist.
4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in
die zweite Bohrung (17) ein Verbindungskanal (28) mündet,
der die zweite Bohrung (17) mit dem Hochdruckbereich (14)
verbindet, daß der Durchmesser des Ventilstellglieds (19)
im Bereich der zweiten Bohrung (17) zumindest abschnitts
weise verringert ist, so daß ein Hochdruckraum (30) ge
bildet wird, und daß der Durchmesser des Ventilstell
glieds (19) im Bereich der ersten Bohrung (16) zumindest
abschnittsweise verringert ist, so daß ein Niederdruck
raum (23) gebildet wird, der über einen Verbindungskanal
(21) mit der Hydraulikkammer (12) in Verbindung steht,
und daß der Niederdruckraum (23) über den Dichtsitz (20)
mit Flüssigkeit aus dem Hochdruckraum (34) befüllbar ist.
5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine
im Mündungsbereich des Verbindungskanals (28) in die
zweite Bohrung (17) vorgesehene Ringnut (27) und die
Ringkammer (30) über einen das Ventilstellglied (19) in
der zweiten Bohrung (17) umgebenden Leckspalt (31) mit
einander verbunden sind.
6. Ventil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß in der zweiten Bohrung (17) ein Leckagesam
melraum (24) vorgesehen ist, der durch ein unteres Ende
des Ventilstellgliedes (19) begrenzt ist.
7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
Leckagesammelraum (24) einen Auslaß (26) aufweist, wel
cher mit einer Drossel (25) ausgerüstet ist.
8. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Drosselkörper (18) zumindest einen ersten Kolben (32) und
einen zweiten Kolben (33) aufweist, wobei der erste Kol
ben (32) mit einem größeren Durchmesser in der ersten
Bohrung (16) und der zweite Kolben (33) mit einem kleine
ren Durchmesser in der zweiten Bohrung (17) axial beweg
bar angeordnet ist.
9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an
dem dem ersten Kolben (32) abgewandten Ende des zweiten
Kolbens (33) ein Hochdruckraum (34) vorgesehen ist und
daß an dem dem zweiten Kolben (33) abgewandten Ende des
ersten Kolbens (32) ein Niederdruckraum (23) vorgesehen
ist, der über zumindest einen Verbindungskanal (35, 36)
mit der Hydraulikkammer (12) in Verbindung steht.
10. Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der
Verbindungskanal (36) in die zweite Bohrung (17) mündet,
wobei der in der zweiten Bohrung (17) angeordnete Kolben
(33) den Mündungsbereich im wesentlichen abdeckt und zu
mindest ein den zweiten Kolben (33) in der Bohrung (17)
umgebender Leckspalt (39) gegeben ist.
11. Ventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der
Leckspalt (39) strömungsmäßig den Hochdruckraum (34) mit
dem Niederdruckraum (23) verbindet.
12. Ventil nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß in der ersten Bohrung (16) ein Leckagesam
melraum (37) vorgesehen ist, welcher durch die beiden
Kolben (32, 33) begrenzt ist und einen Auslaß (38) auf
weist.
13. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Betätigung des Ventils eine piezoelek
trische Einheit (4) vorgesehen ist.
14. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet
durch seine Verwendung als Bestandteil eines Kraftstoff
einspritzventils (1) für Brennkraftmaschinen, insbesonde
re eines Common-Rail-Injektors.
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