EP1135602A1 - Valve for controlling a liquid - Google Patents
Valve for controlling a liquidInfo
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- EP1135602A1 EP1135602A1 EP00965829A EP00965829A EP1135602A1 EP 1135602 A1 EP1135602 A1 EP 1135602A1 EP 00965829 A EP00965829 A EP 00965829A EP 00965829 A EP00965829 A EP 00965829A EP 1135602 A1 EP1135602 A1 EP 1135602A1
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- valve
- actuating piston
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- sectional area
- chamber
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- F02M63/0012—Valves
- F02M63/0014—Valves characterised by the valve actuating means
- F02M63/0015—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid
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- 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
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- F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
- F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
- F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic
Definitions
- the invention is based on a valve for controlling liquids in accordance with the type defined in more detail in patent claim 1.
- a valve which can be actuated via a piezoelectric actuator is already known.
- This known valve has an arrangement for an adaptive, mechanical tolerance compensation acting in the stroke direction for a displacement transformer of the piezoelectric actuator, in which the deflection of the piezoelectric actuator is transmitted via a hydraulic chamber.
- the hydraulic chamber which works as a so-called hydraulic ratio, closes between two pistons delimiting it, of which one piston is designed with a smaller diameter and is connected to a valve member to be controlled and the other piston is designed with a larger diameter and connected to the piezoelectric actuator, a common compensation volume. This can be used to compensate for tolerances due to temperature gradients in the component as well as any setting effects, without this resulting in a change in the position of the valve element to be controlled.
- the hydraulic chamber is clamped between the two pistons in such a way that the actuating piston of the valve member makes a stroke which is increased 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 one behind the other on a common axis.
- the piezoelectric actuator supplies a large power reserve as long as the actuator stroke is small, but that the maximum stroke of such piezoelectric actuators is also small.
- the stroke of the actuating piston of a valve closing element can be increased compared to the actuator stroke by means of a hydraulic or mechanical transmission ratio. However, this reduces the maximum force that the actuator exerts on the valve closing element. This is a major disadvantage, particularly in the case of valves which are not force-balanced. Above all, this applies to servo valves for controlling fuel injection valves designed as common rail injectors, in which on the one hand a high force for opening the valve and on the other hand a large valve lift is desired.
- the invention has for its object to provide a valve for controlling liquids with a piezoelectric unit as an actuator, with which both a large lifting force and a large valve lift can be realized.
- valve according to the invention for controlling liquid with a step ratio advantageously enables a large force to be exerted on the valve closing member for a first partial length of the maximum stroke, since the transmission ratio compared to the actuating piston is 1: 1.
- the valve closing member can thus also be opened against a very high pressure.
- a large remaining stroke can then be overcome with less force in the sleeve surrounding the actuating piston.
- the valve is particularly suitable as a servo valve for controlling a fuel injection valve for internal combustion engines, in particular a common rail injector, in which the servo valve has to be opened against a high rail pressure and one specified by an injection needle Flow through the valve seat of the valve closing member must be realized with a corresponding valve lift.
- the piezoelectric actuator can also be reduced in size, since the maximum actuator force is only required for a short stroke path in order to carry out the required stroke path. Since the dimensioning of the piezoelectric actuator is an important cost factor, the manufacturing costs can additionally be reduced in this way with the valve according to the invention.
- FIG. 1 shows a schematic, partial representation of a first exemplary embodiment of the invention in a fuel injection valve for internal combustion engines in longitudinal section
- FIG. 2 shows a schematic illustration of a second exemplary embodiment with an actuating piston that is alternative to that of FIG. 3 shows a diagram with which the valve stroke h over time t is shown in the valve according to the invention in comparison with a conventional valve without step ratio
- FIG. 4 shows a diagram in which a valve-side actuator force F in relation to the valve stroke h in the invention -
- the valve according to the invention is shown in comparison to conventional valves without a stepped ratio.
- 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, the injection of diesel fuel being controlled via the pressure level in a valve control chamber 12 which is connected to a high pressure supply.
- a multi-part valve member 2 is actuated via a piezoelectric unit designed as a piezoelectric actuator 3, the piezoelectric actuator 3 on the side facing away from the valve control chamber and combustion chamber of the valve member 2 is arranged.
- the piezoelectric actuator 3, which is constructed in a manner known per se from several layers, has an actuator head 4 on its side facing the valve member 2 and an actuator foot 5 on the side facing away from the valve member, which is supported on a valve body 9.
- An actuator piston 7 of the valve member 2 bears against the actuator head 4 via a support 6.
- the valve member 2 is axially displaceable in a bore 8 of the valve body 9 and comprises, in addition to the actuating piston 7, an actuating piston 10 actuating a valve closing member 13, the actuating piston 7 and the actuating piston 10 being coupled to one another by means of a hydraulic transmission.
- the hydraulic transmission is designed with a hydraulic chamber 11, via which the deflection of the piezoelectric actuator 3 is transmitted.
- the hydraulic chamber 11 encloses a common compensation volume between the two pistons 7 and 10 delimiting it, of which the actuating piston 10 is designed with a smaller diameter and the actuating piston 7 with a larger diameter.
- a stepped ratio for which purpose the actuating piston 10 is designed as a stepped piston which has an area 10A facing the hydraulic chamber 11 with a first cross-sectional area AI and an adjoining area 10B with a larger second cross-sectional area A2, the transition to the larger one two- th cross-sectional area A2 represents a stop 15 for a sleeve 14, by which the actuating piston 10 is surrounded in the bore 8, counter to the valve seat direction.
- the first, smaller cross-sectional area AI of the actuating piston 10 and the cross-sectional area A3 of the sleeve 14 adjoining the hydraulic chamber 11, neglecting gap areas, correspond to the cross-sectional area A0 of the actuating piston 7 on the hydraulic chamber 11.
- a stop 34 for the sleeve 14 provided in the valve seat direction until the actuation piston 10 is moved together with the sleeve 14 until it is reached, ie until a first partial length h_0 of a maximum stroke distance H is reached, and from which the actuation piston 10 executes a remaining stroke path h_r alone.
- the stop 34 is preferably designed as a shoulder on a division surface 33 of the divided valve body 9 in the bore 8.
- the length of the sleeve 14 is selected to be equal to the length of the region 10A of the actuating piston 10 with the first cross-sectional area AI.
- the cross-section of the actuating piston 10 tapers from its area 10B with the second cross-sectional area A2 towards a contact surface 16 for the valve closing member 13.
- valve closing member 13 which is spherical and is provided on the end of the valve member 2 on the valve control chamber side, interacts with valve seats 17, 18 formed on the valve body 9.
- a spring 19 is assigned to the lower valve seat 18 and holds the valve closing member 13 on the upper valve seat 17 when the valve control chamber 12 is relieved.
- the valve seats 17, 18 are formed in a first valve chamber 20 formed by the valve body 9, which is connected to a leakage drain channel 21 and to a compensation channel 23 of a filling device 24 leading to a valve system pressure chamber 22.
- valve closing member 13 only interacts with one valve seat.
- the valve closing member 13 separates a low-pressure area 25 with a system pressure from a high-pressure area 26 with a high pressure or rail pressure.
- a (not visible) movable valve control piston is arranged in the high-pressure region 26, of which only the valve control chamber 12 is indicated. Axial movements of the valve control piston in the valve control chamber 12, which is connected in the usual way to an injection line, which is connected to a high-pressure storage chamber (common rail) common to several fuel injection valves and supplies an injection nozzle with fuel, the injection behavior of the Fuel injection valve 1 controlled in a manner known per se.
- a second valve chamber 27 adjoins the bore 8, which is formed on the one hand by the valve body 9 and is limited on the one hand by a sealing element 28 connected to the actuating piston 7 and the valve body 9, the sealing element 28 shown only schematically in FIG. 1 being designed as a bellows-like membrane and preventing the piezoelectric actuator 3 from containing the fuel contained in the low-pressure region 25 comes into contact.
- the filling device 24 which is only indicated in FIG. 1, is provided to compensate for a leakage quantity in the low-pressure region 25 by means of the hydraulic fluid from the high-pressure region 26 can be performed in the low pressure region 25.
- the channel-like cavity 23 of the filling device 24 m flows into a gap 29 surrounding the actuating piston 7, the mouth area forming the system pressure chamber 22 with an annular groove 30.
- the hydraulic chamber 11 is refilled with fuel from the annular groove 30 with appropriate leakage.
- the filling device 24 has a suitable throttling in relation to the high-pressure region 26 and a suitable one May have device for releasing an excess pressure.
- the fuel injection valve 1 according to FIG. 1 operates in the manner described below.
- FIGS. 3 and 4 serve for further explanation, FIG. 3 showing the valve stroke h over time t and FIG. 4 purely schematically showing the relationship between valve-side actuator force F and valve stroke h in the valve according to the invention compared to conventional valves without a stepped ratio.
- valve closing member 13 of the valve member 2 is held in contact with the upper valve seat 17 by the high pressure or rail pressure in the high pressure region 26, so that no fuel from the valve control chamber 12 connected to the high pressure storage chamber enters the valve chamber 20 and can then escape through the leakage drain channel 21.
- the actuating piston 7 penetrates into the compensating volume of the hydraulic chamber 11 as the temperature rises and pulls out accordingly when the temperature drops without this having any effects the closing and Has the open position of the valve member 2 and the fuel valve 1 as a whole.
- the valve closing member 13 For fuel injection through the fuel injection valve 1, the valve closing member 13 must be opened against the direction of flow and thus against the rail pressure in the high pressure region 26.
- An actuator force F_mm required for opening results from the existing rail pressure and the diameter of the valve seat 17 or 18.
- the actuator force F for opening the valve closing member 13, which is greater than the force F_mm required for this with a valve stroke h, is given by the Piezoelectric actuator 3 is generated, which suddenly expands axially when energized and builds up a certain pressure by moving the actuating piston n of the hydraulic chamber 11.
- a hydraulic force is exerted via the hydraulic chamber 11 on the actuating piston 10 and in this phase on the stop 14 of the actuating piston 10, which is just as large as the force of the piezoelectric actuator 3. That is, it lies em Gear ratio 1: 1 before as long as the sleeve 14 abuts the stop 15.
- the actuating piston 10 moves together with the sleeve 14 abutting the stop 15 in a time period from the time t_0 of the valve closing member 13 being lifted from the valve seat 17 to the point in time t 1 of striking the sleeve 14 at the stop 34 over a first partial length h_0 of its maximum stroke H.
- valve movement over time t which is qualitatively represented by the line l_hl in FIG. 3 in the fuel injection valve 1 according to the invention, differs from the valve movement of a conventional valve with a hydraulic or mechanical 1: 1 coupling, which is represented by a line l_h2 is shown in that the valve speed is small in conventional valves, while the actuator force F is large. This can also be seen in FIG. 4 from a line 1_F2 standing for such conventional valves. In contrast, the valve speed in the valve according to the invention is relatively high until the maximum stroke H is reached at a time t_2.
- the line 1_E3 in FIG. 4 shows the ratio of actuator force F to valve lift h in a conventional valve without a stepped ratio with a ratio of the cross-sectional areas of actuating piston to actuating piston of 2: 1. While a very large maximum valve lift H_3 can be achieved here, the initial actuator force F3 is so small that it is not sufficient to open a valve seat with a large diameter as in the valve according to the invention, which enables a large flow.
- the valve closing member 13 is stabilized in a central position between the two valve seats 17, 18 and then moved to the lower valve seat 18 in a closed position, as a result of which no more fuel reaches the first valve chamber 20 from the valve control chamber 12 m , If the energization of the piezoelectric actuator 3 is interrupted, it shortens again, and the valve closing member 13 is brought into the middle position between the two valve seats 17, 18, with a renewed fuel injection taking place. Fuel can penetrate into the valve chamber 20 through the lower valve seat 18. After the pressure in the valve chamber 20 has been reduced by the leakage drain 21, the valve closing member 13 moves its closed position to the upper valve seat 17, the sleeve 14 being carried along by the stop 15 of the actuating piston 10.
- the actuation piston 10 of a second exemplary embodiment of the fuel injection valve is shown in the general position.
- the actuating piston 10 'shown here differs in that it is designed in two parts, the region 10A' with the first cross-sectional area AI representing a separate component.
- a recess 32 is provided on an end face 31 of the actuating piston 10 facing this component.
- the area 10B with the second cross-sectional area A2 and the subsequent tapering area IOC speak in their design to the actuating piston of FIG. 1.
- the exemplary embodiments relate to m non-force-balanced fuel injection valves
- the invention can of course also be used in force-balanced designed valves, where the rapid opening of the valve is advantageous.
- the invention is also not limited to fuel injection valves, but is suitable for all valves with a piezoelectric actuator system in which a valve closing member separates a high pressure area from a low pressure area, such as e.g. in pumps.
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Abstract
The invention relates to a valve for controlling liquids comprising a piezoelectric unit (3) for operating a valve member (2) which can be displaced in a bore (8) of a valve body (9) having at least one positioning cylinder (7) and at least one operating cylinder (10) in order to operate a valve closing member (13). A hydraulic chamber (11) operating as a hydraulic coupler is positioned between the positioning cylinder (7) and an actuation cylinder (10), whereby a graduated translation is provided in such a way that the actuation cylinder (10) and the surrounding a casing (14), can be moved along a first partial length of its maximum extension. A first cross-sectional surface area (A1) of the actuation cylinder (10) bordering on the hydraulic chamber (10) and a cross-sectional surface area (A3) pertaining to the casing (14) when combined make up no more than the cross-sectional surface area (A0) of the positioning cylinder (7). A limit stop (34) located in the bore (8) is provided for said casing (14) in the valve seat direction. When the limit stop (34) is reached by said actuation cylinder (10), one last stroke is performed.
Description
Ventil zum Steuern von FlüssigkeitenValve for controlling liquids
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht von einem Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten gemäß der in Patentanspruch 1 naher defi- nierten Art aus.The invention is based on a valve for controlling liquids in accordance with the type defined in more detail in patent claim 1.
Aus der EP 0 477 400 AI ist em Ventil, welches über einen piezoelektrischen Aktor betatigbar ist, bereits bekannt. Dieses bekannte Ventil weist eine Anordnung für einen in Hubrichtung wirkenden adaptiven, mechanischen Toleranzausgleich für einen Wegtransformator des piezoelektrischen Aktors auf, bei der die Auslenkung des piezoelektrischen Aktors über eine Hydraulikkammer übertragen wird.From EP 0 477 400 AI, a valve which can be actuated via a piezoelectric actuator is already known. This known valve has an arrangement for an adaptive, mechanical tolerance compensation acting in the stroke direction for a displacement transformer of the piezoelectric actuator, in which the deflection of the piezoelectric actuator is transmitted via a hydraulic chamber.
Die Hydraulikkammer, welche als eine sogenannte hydraulische Übersetzung arbeitet, schließt zwischen zwei sie begrenzenden Kolben, von denen ein Kolben mit einem kleineren Durchmesser ausgebildet ist und mit einem anzusteuernden Ventilglied verbunden ist und der andere Kolben mit einem größeren Durchmesser ausgebildet ist
und mit dem piezoelektrischen Aktor verbunden ist, ein gemeinsames Ausgleichsvolumen ein. Über dieses können Toleranzen aufgrund von Temperaturgradienten im Bauteil sowie eventuelle Setzeffekte ausgeglichen werden, ohne daß dadurch eine Änderung der Position des anzusteuernden Ventilgliedes auftritt.The hydraulic chamber, which works as a so-called hydraulic ratio, closes between two pistons delimiting it, of which one piston is designed with a smaller diameter and is connected to a valve member to be controlled and the other piston is designed with a larger diameter and connected to the piezoelectric actuator, a common compensation volume. This can be used to compensate for tolerances due to temperature gradients in the component as well as any setting effects, without this resulting in a change in the position of the valve element to be controlled.
Die Hydraulikkammer ist dabei derart zwischen den beiden Kolben eingespannt, daß der Betatigungskolben des Ventilgliedes einen um das Übersetzungsverhältnis des Kolbendurchmessers vergrößerten 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 hintereinander.The hydraulic chamber is clamped between the two pistons in such a way that the actuating piston of the valve member makes a stroke which is increased 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 one behind the other on a common axis.
Bei der Auslegung solcher Ventile muß jedoch berücksichtigt werden, daß der piezoelektrische Aktor zwar eine große Kraftreserve liefert solange der Aktorhub klein ist, daß aber der maximale Hub solcher piezoelektrischer Aktoren ebenfalls klein ist. Durch eine hydraulische oder mechanische Übersetzung kann der Hub des Betatigungskolbens eines Ventilschließgliedes gegenüber dem Aktorhub vergrößert werden. Damit reduziert sich jedoch die maximale Kraft, die der Aktor auf das Ventilschließglied ausübt. Dies ist insbesondere bei Ventilen, welche nicht kraftausgeglichen sind, ein großer Nachteil. Vor allem trifft dies auf Servoventile zur Ansteuerung von als Common-Rail-Injektoren ausge- bildeten Kraftstoffemspπtzventilen zu, bei denen ei-
nerseits eine hohe Kraft zum Offnen des Ventils und andererseits ein großer Ventilhub erwünscht ist.When designing such valves, however, it must be taken into account that the piezoelectric actuator supplies a large power reserve as long as the actuator stroke is small, but that the maximum stroke of such piezoelectric actuators is also small. The stroke of the actuating piston of a valve closing element can be increased compared to the actuator stroke by means of a hydraulic or mechanical transmission ratio. However, this reduces the maximum force that the actuator exerts on the valve closing element. This is a major disadvantage, particularly in the case of valves which are not force-balanced. Above all, this applies to servo valves for controlling fuel injection valves designed as common rail injectors, in which on the one hand a high force for opening the valve and on the other hand a large valve lift is desired.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einer piezoelektrischen Einheit als Aktuatorik zu schaffen, mit dem sowohl eine große Hubkraft als auch ein großer Ventilhub realisierbar ist.The invention has for its object to provide a valve for controlling liquids with a piezoelectric unit as an actuator, with which both a large lifting force and a large valve lift can be realized.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Das erfindungsgemaße Ventil zur Steuerung von Flüssigkeit mit einer Stufenubersetzung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ermöglicht es in vorteilhafter Weise, eine große Kraft auf das Ventilschließglied für eine erste Teillange des maximalen Hubweges aufzubringen, da das Übersetzungsverhältnis gegenüber dem Stellkolben 1:1 betragt. Damit kann das Ventilschließglied auch gegen einen sehr hohen Druck geöffnet werden. Mit einer dem Bedarf angepaßten Dimensionierung der denThe valve according to the invention for controlling liquid with a step ratio according to the features of claim 1 advantageously enables a large force to be exerted on the valve closing member for a first partial length of the maximum stroke, since the transmission ratio compared to the actuating piston is 1: 1. The valve closing member can thus also be opened against a very high pressure. With a dimensioning of the
Betatigungskolben umgebenden Hülse kann dann ein großer restlicher Hubweg mit geringerer Kraft überwunden werden .A large remaining stroke can then be overcome with less force in the sleeve surrounding the actuating piston.
Mit seiner gestuften Übersetzung und seiner einfachen konstruktiven Ausgestaltung eignet sich das Ventil in besonderer Weise als Servoventil zur Ansteuerung eines Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen, insbesondere eines Common-Rail-Injektors, bei dem das Servoventil gegen einen hohen Raildruck geöffnet werden muß und ein durch eine Einspritznadel vorgegebener
Durchfluß durch den Ventilsitz des Ventilschließgliedes mit einem entsprechenden Ventilhub realisiert werden muß .With its graduated translation and its simple design, the valve is particularly suitable as a servo valve for controlling a fuel injection valve for internal combustion engines, in particular a common rail injector, in which the servo valve has to be opened against a high rail pressure and one specified by an injection needle Flow through the valve seat of the valve closing member must be realized with a corresponding valve lift.
Mit dem erfindungsgemaßen Ventil kann zudem der piezoelektrische Aktor verkleinert werden, da zur Ausfuhrung des erforderlichen Hubweges die maximale Aktorkraft nur noch für einen geringen Hubweg erforderlich ist. Da die Dimensionierung des piezoelektrischen Aktors ein bedeu- tender Kostenfaktor ist, können auf diese Weise mit dem erfindungsgemaßen Ventil zusatzlich die Fertigungskosten gesenkt werden.With the valve according to the invention, the piezoelectric actuator can also be reduced in size, since the maximum actuator force is only required for a short stroke path in order to carry out the required stroke path. Since the dimensioning of the piezoelectric actuator is an important cost factor, the manufacturing costs can additionally be reduced in this way with the valve according to the invention.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.Further advantages and advantageous configurations of the subject matter of the invention can be gathered from the description, the drawing and the patent claims.
Zeichnungdrawing
Zwei Ausfuhrungsbeispiele des erfindungsgemaßen Ventils zur Steuerung von Flüssigkeiten sind m der Zeichnung dargestellt und werden in der folgenden Beschreibung naher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine schematische, ausschnittsweise Darstel- lung eines ersten Ausfuhrungsbeispieles der Erfindung bei einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen im Längsschnitt,Two exemplary embodiments of the valve according to the invention for controlling liquids are shown in the drawing and are explained in more detail in the following description. 1 shows a schematic, partial representation of a first exemplary embodiment of the invention in a fuel injection valve for internal combustion engines in longitudinal section,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausfuhrungsbeispiels mit einem gegenüber der Figur 1 alternativen Betatigungskolben in Alleinstellung,
Figur 3 ein Diagramm, mit dem der Ventilhub h über die Zeit t bei dem erfindungsgemaßen Ventil im Vergleich zu einem herkömmlichen Ventil ohne Stufenubersetzung dargestellt ist, und Figur 4 ein Diagramm, in dem eine ventilseitige Aktorkraft F im Verhältnis zu dem Ventilhub h bei dem erfin- dungsgemaßen Ventil im Vergleich zu herkömmlichen Ventilen ohne gestufte Übersetzung dargestellt ist.FIG. 2 shows a schematic illustration of a second exemplary embodiment with an actuating piston that is alternative to that of FIG. 3 shows a diagram with which the valve stroke h over time t is shown in the valve according to the invention in comparison with a conventional valve without step ratio, and FIG. 4 shows a diagram in which a valve-side actuator force F in relation to the valve stroke h in the invention - The valve according to the invention is shown in comparison to conventional valves without a stepped ratio.
Beschreibung der AusfuhrungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments
Das in Figur 1 dargestellte Ausfuhrungsbeispiel zeigt eine Verwendung des erfindungsgemaßen Ventils bei einem Kraftstoffeinspritzventil 1 für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 ist vorliegend als ein Common-Rail-Injektor ausgebildet, wobei die Einspritzung von Dieselkraftstoff über das Druckniveau in einem Ventilsteuerraum 12, welcher mit einer Hochdruckversorgung verbunden ist, gesteuert wird.The exemplary embodiment shown in 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. In the present case, the fuel injection valve 1 is designed as a common rail injector, the injection of diesel fuel being controlled via the pressure level in a valve control chamber 12 which is connected to a high pressure supply.
Zur Einstellung eines Einspritzbeginns, einer Einspritzdauer und einer Einspritzmenge in dem vorliegend nicht kraftausgeglichen ausgestalteten Kraftstoffein- spritzventil 1 wird ein mehrteiliges Ventilglied 2 über eine als piezoelektrischer Aktor 3 ausgebildete piezoelektrische Einheit angesteuert, wobei der piezoelektrische Aktor 3 auf der ventilsteuerraum- und brennrau- mabgewandten Seite des Ventilgliedes 2 angeordnet ist.
Der auf an sich bekannte Weise aus mehreren Schichten aufgebaute piezoelektrische Aktor 3 weist auf seiner dem Ventilglied 2 zugewandten Seite einen Aktorkopf 4 und auf der dem Ventilglied abgewandten Seite einen Aktorfuß 5 auf, der sich an einem Ventilkorper 9 abstutzt. An dem Aktorkopf 4 liegt über ein Auflager 6 ein Stellkolben 7 des Ventilgliedes 2 an. Das Ventilglied 2 ist in einer als Langsbohrung ausgeführten Bohrung 8 des Ventilkorpers 9 axial verschiebbar und um- faßt neben dem Stellkolben 7 noch einen ein Ventilschließglied 13 betätigenden Betatigungskolben 10, wobei der Stellkolben 7 und der Betatigungskolben 10 mittels einer hydraulischen Übersetzung miteinander gekoppelt sind.To set an injection start, an injection duration and an injection quantity in the fuel injection valve 1, which is not force-balanced in the present case, a multi-part valve member 2 is actuated via a piezoelectric unit designed as a piezoelectric actuator 3, the piezoelectric actuator 3 on the side facing away from the valve control chamber and combustion chamber of the valve member 2 is arranged. The piezoelectric actuator 3, which is constructed in a manner known per se from several layers, has an actuator head 4 on its side facing the valve member 2 and an actuator foot 5 on the side facing away from the valve member, which is supported on a valve body 9. An actuator piston 7 of the valve member 2 bears against the actuator head 4 via a support 6. The valve member 2 is axially displaceable in a bore 8 of the valve body 9 and comprises, in addition to the actuating piston 7, an actuating piston 10 actuating a valve closing member 13, the actuating piston 7 and the actuating piston 10 being coupled to one another by means of a hydraulic transmission.
Die hydraulische Übersetzung ist mit einer Hydraulikkammer 11 ausgebildet, über die die Auslenkung des piezoelektrischen Aktors 3 übertragen wird. Hierzu schließt die Hydraulikkammer 11 zwischen den beiden sie begrenzenden Kolben 7 und 10, von denen der Betatigungskolben 10 mit einem kleineren Durchmesser und der Stellkolben 7 mit einem größeren Durchmesser ausgebildet ist, ein gemeinsames Ausgleichsvolumen ein.The hydraulic transmission is designed with a hydraulic chamber 11, via which the deflection of the piezoelectric actuator 3 is transmitted. For this purpose, the hydraulic chamber 11 encloses a common compensation volume between the two pistons 7 and 10 delimiting it, of which the actuating piston 10 is designed with a smaller diameter and the actuating piston 7 with a larger diameter.
Erfindungsgemaß ist dabei eine gestufte Übersetzung vorgesehen, wozu der Betatigungskolben 10 als Stufenkolben ausgebildet ist, welcher einen der Hydraulikkammer 11 zugewandten Bereich 10A mit einer ersten Querschnittsflache AI und einen sich daran anschließenden Bereich 10B mit einer größeren zweiten Querschnittsflache A2 aufweist, wobei der Übergang zur größeren zwei-
ten Querschnittsflache A2 einen Anschlag 15 für eine Hülse 14, von der der Betatigungskolben 10 in der Bohrung 8 umgeben ist, entgegen der Ventilsitzrichtung darstellt. Die erste, kleinere Querschnittsflache AI des Betatigungskolbens 10 und die an die Hydraulikkammer 11 grenzende Querschnittsflache A3 der Hülse 14 entsprechen dabei unter Vernachlässigung von Spaltflachen der Querschnittsflache A0 des Stellkolbens 7 an der Hydraulikkammer 11. In der Bohrung 8 ist ebenfalls ein Anschlag 34 für die Hülse 14 in Ventilsitzrichtung vorgesehen, bis zu deren Erreichen, d.h. bis zum Zurücklegen einer ersten Teillange h_0 eines maximalen Hubweges H, der Betatigungskolben 10 zusammen mit der Hülse 14 verschoben wird, und ab dem der Betatigungs- kolben 10 einen verbleibenden Hubweg h_r allein ausfuhrt. Der Anschlag 34 ist vorzugsweise als Absatz an einer Teilungsflache 33 des geteilt ausgeführten Ven- tilkorpers 9 in der Bohrung 8 ausgebildet.According to the invention, a stepped ratio is provided, for which purpose the actuating piston 10 is designed as a stepped piston which has an area 10A facing the hydraulic chamber 11 with a first cross-sectional area AI and an adjoining area 10B with a larger second cross-sectional area A2, the transition to the larger one two- th cross-sectional area A2 represents a stop 15 for a sleeve 14, by which the actuating piston 10 is surrounded in the bore 8, counter to the valve seat direction. The first, smaller cross-sectional area AI of the actuating piston 10 and the cross-sectional area A3 of the sleeve 14 adjoining the hydraulic chamber 11, neglecting gap areas, correspond to the cross-sectional area A0 of the actuating piston 7 on the hydraulic chamber 11. In the bore 8 there is also a stop 34 for the sleeve 14 provided in the valve seat direction until the actuation piston 10 is moved together with the sleeve 14 until it is reached, ie until a first partial length h_0 of a maximum stroke distance H is reached, and from which the actuation piston 10 executes a remaining stroke path h_r alone. The stop 34 is preferably designed as a shoulder on a division surface 33 of the divided valve body 9 in the bore 8.
Die Lange der Hülse 14 ist vorliegend gleich der Lange des Bereiches 10A des Betatigungskolbens 10 mit der ersten Querschnittsflache AI gewählt. Der Querschnitt des Betatigungskolbens 10 verjungt sich von seinem Bereich 10B mit der zweiten Querschnittsflache A2 an ent- gegen einer Anlageflache 16 für das Ventilschließglied 13.In the present case, the length of the sleeve 14 is selected to be equal to the length of the region 10A of the actuating piston 10 with the first cross-sectional area AI. The cross-section of the actuating piston 10 tapers from its area 10B with the second cross-sectional area A2 towards a contact surface 16 for the valve closing member 13.
Das Ventilschließglied 13, welches kugelartig ausgebildet und an dem ventilsteuerraumseitigen Ende des Ven- tilgliedes 2 vorgesehen ist, wirkt mit an dem Ventil- korper 9 ausgebildeten Ventilsitzen 17, 18 zusammen,
wobei dem unteren Ventilsitz 18 eine Feder 19 zugeordnet ist, die das Ventilschließglied 13 bei Entlastung des Ventilsteuerraums 12 am oberen Ventilsitz 17 halt. Die Ventilsitze 17, 18 sind in einem vom Ventilkorper 9 gebildeten ersten Ventilraum 20 ausgebildet, der mit einem Leckageablaufkanal 21 und mit einem zu einem Ven- tilsystemdruckraum 22 fuhrenden Ausgleichkanal 23 einer Befulle nrichtung 24 verbunden ist.The valve closing member 13, which is spherical and is provided on the end of the valve member 2 on the valve control chamber side, interacts with valve seats 17, 18 formed on the valve body 9. a spring 19 is assigned to the lower valve seat 18 and holds the valve closing member 13 on the upper valve seat 17 when the valve control chamber 12 is relieved. The valve seats 17, 18 are formed in a first valve chamber 20 formed by the valve body 9, which is connected to a leakage drain channel 21 and to a compensation channel 23 of a filling device 24 leading to a valve system pressure chamber 22.
Selbstverständlich kann in einer alternativen Ausfuhrung auch vorgesehen sein, daß das Ventilschließglied 13 nur mit einem Ventilsitz zusammenwirkt.Of course, it can also be provided in an alternative embodiment that the valve closing member 13 only interacts with one valve seat.
Das Ventilschließglied 13 trennt einen Niederdruckbe- reich 25 mit einem Systemdruck von einem Hochdruckbereich 26 mit einem Hochdruck bzw. Raildruck. Im Hochdruckbereich 26, von dem lediglich der Ventilsteuerraum 12 angedeutet ist, ist ein (nicht ersichtlicher) bewegbarer Ventilsteuerkolben angeordnet. Durch axiale Bewe- gungen des Ventilsteuerkolbens n dem Ventilsteuerraum 12, der in üblicher Weise mit einer Emspritzleitung verbunden ist, welche mit einem für mehrere Kraftstof- femspritzventile gemeinsamen Hochdruckspeicherraum (Common-Rail) verbunden ist und eine Einspritzdüse mit Kraftstoff versorgt, wird das Einspritzverhalten des Kraftstoffemspritzventils 1 auf an sich bekannte Art gesteuert .The valve closing member 13 separates a low-pressure area 25 with a system pressure from a high-pressure area 26 with a high pressure or rail pressure. In the high-pressure region 26, of which only the valve control chamber 12 is indicated, a (not visible) movable valve control piston is arranged. Axial movements of the valve control piston in the valve control chamber 12, which is connected in the usual way to an injection line, which is connected to a high-pressure storage chamber (common rail) common to several fuel injection valves and supplies an injection nozzle with fuel, the injection behavior of the Fuel injection valve 1 controlled in a manner known per se.
An dem piezoseitigen Ende des Ventilglieds 2 schließt sich an die Bohrung 8 ein zweiter Ventilraum 27 an, welcher einerseits durch den Ventilkorper 9 und ande-
rerseits durch ein mit dem Stellkolben 7 und dem Ventilkorper 9 verbundenes Dichtelement 28 begrenzt ist, wobei das m der Figur 1 nur schematisch gezeigte Dichtelement 28 vorliegend als faltenbalgartige Membran ausgebildet ist und verhindert, daß der piezoelektrische Aktor 3 mit dem in dem Niederdruckbereich 25 enthaltenen Kraftstoff in Kontakt kommt.At the piezo-side end of the valve member 2, a second valve chamber 27 adjoins the bore 8, which is formed on the one hand by the valve body 9 and is limited on the one hand by a sealing element 28 connected to the actuating piston 7 and the valve body 9, the sealing element 28 shown only schematically in FIG. 1 being designed as a bellows-like membrane and preventing the piezoelectric actuator 3 from containing the fuel contained in the low-pressure region 25 comes into contact.
Da die Hydraulikkammer 11 wahrend einer Ansteuer- bzw. Bestromungspause des piezoelektrischen Aktors wieder befullt werden muß, ist zum Ausgleich einer Leckagemenge des Niederdruckbereiches 25 die Befullemπchtung 24, welche in Figur 1 nur angedeutet ist, vorgesehen, mittels der Hydraulikflussigkeit von dem Hochdruckbe- reich 26 in den Niederdruckbereich 25 gefuhrt werden kann. Wie in Figur 1 ersichtlich ist, mundet der kanalartige Hohlraum 23 der Befullemπchtung 24 m einer vorteilhaften Ausgestaltung in einen den Stellkolben 7 umgebenden Spalt 29, wobei der Mundungsbereich mit ei- ner Ringnut 30 den Systemdruckraum 22 bildet. Somit erfolgt eine Wiederbefullung der Hydraulikkammer 11 mit Kraftstoff bei entsprechender Leckage ohne weiteres aus der Ringnut 30.Since the hydraulic chamber 11 has to be filled again during a pause in the actuation or energization of the piezoelectric actuator, the filling device 24, which is only indicated in FIG. 1, is provided to compensate for a leakage quantity in the low-pressure region 25 by means of the hydraulic fluid from the high-pressure region 26 can be performed in the low pressure region 25. As can be seen in FIG. 1, the channel-like cavity 23 of the filling device 24 m, in an advantageous embodiment, flows into a gap 29 surrounding the actuating piston 7, the mouth area forming the system pressure chamber 22 with an annular groove 30. Thus, the hydraulic chamber 11 is refilled with fuel from the annular groove 30 with appropriate leakage.
Selbstverständlich sind auch andere konstruktive Ausgestaltungen des Systemdruckraumes denkbar, jedoch ist eine ringförmige Ausgestaltung mit einer Ringnut von Vorteil, weil somit eine gleichmäßige Befullung der Hydraulikkammer 11 erreicht wird. Es versteht sich, daß die Befullemrichtung 24 eine geeignete Drosselung gegenüber dem Hochdruckbereich 26 sowie eine geeignete
Vorrichtung zum Ablassen eines Überdruckes aufweisen kann .Of course, other structural configurations of the system pressure chamber are also conceivable, but an annular configuration with an annular groove is advantageous because this ensures uniform filling of the hydraulic chamber 11. It goes without saying that the filling device 24 has a suitable throttling in relation to the high-pressure region 26 and a suitable one May have device for releasing an excess pressure.
Das Kraftstoffeinspritzventil 1 nach Figur 1 arbeitet in nachfolgend beschriebener Weise.The fuel injection valve 1 according to FIG. 1 operates in the manner described below.
Zur weiteren Erläuterung dienen dabei die Figuren 3 und 4, wobei Figur 3 den Ventilhub h über der Zeit t und die Figur 4 rein schematisch das Verhältnis zwischen ventilseitiger Aktorkraft F und dem Ventilhub h bei dem erfindungsgemaßen Ventil gegenüber herkömmlichen Ventilen ohne gestufte Übersetzung zeigt.FIGS. 3 and 4 serve for further explanation, FIG. 3 showing the valve stroke h over time t and FIG. 4 purely schematically showing the relationship between valve-side actuator force F and valve stroke h in the valve according to the invention compared to conventional valves without a stepped ratio.
In geschlossenem Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 1, d.h. bei unbestromtem piezoelektrischen Aktor 3, wird das Ventilschließglied 13 des Ventilglieds 2 durch den Hochdruck bzw. Raildruck in dem Hochdruckbereich 26 in Anlage an dem oberen Ventilsitz 17 gehalten, so daß kein Kraftstoff aus dem mit dem Hochdruckspeicherraum verbundenen Ventilsteuerraum 12 in den Ventilraum 20 gelangen und dann durch den Leckageablaufkanal 21 entweichen kann.When the fuel injector 1 is closed, i.e. When the piezoelectric actuator 3 is deenergized, the valve closing member 13 of the valve member 2 is held in contact with the upper valve seat 17 by the high pressure or rail pressure in the high pressure region 26, so that no fuel from the valve control chamber 12 connected to the high pressure storage chamber enters the valve chamber 20 and can then escape through the leakage drain channel 21.
Im Falle einer langsamen Betätigung, wie sie bei einer temperaturbedingten Langenanderung des piezoelektrischen Aktors 3 oder weiterer Ventilbauteile auftritt, dringt der Stellkolben 7 mit Temperaturerhöhung in das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer 11 ein und zieht sich bei Temperaturabsenkung entsprechend daraus zu- ruck, ohne daß dies Auswirkungen auf die Schließ- und
Offnungsstellung des Ventilgliedes 2 und des Kraftstoffventils 1 insgesamt hat.In the event of slow actuation, as occurs when the length of the piezoelectric actuator 3 or other valve components changes due to temperature, the actuating piston 7 penetrates into the compensating volume of the hydraulic chamber 11 as the temperature rises and pulls out accordingly when the temperature drops without this having any effects the closing and Has the open position of the valve member 2 and the fuel valve 1 as a whole.
Zur Kraftstoffeinspritzung durch das Kraftstoffem- spritzventil 1 muß das Ventilschließglied 13 gegen die Stromungsrichtung und damit gegen den Raildruck im Hochdruckbereich 26 geöffnet werden. Eme zum Offnen notige Aktorkraft F_mm ergibt sich aus dem anstehenden Raildruck und dem Durchmesser des Ventilsitzes 17 bzw. 18. Die Aktorkraft F zum Offnen des Ventilschließgliedes 13, welche bei einem Ventilhub h gleich 0 großer als die hierfür erforderliche Kraft F_mm ist, wird durch den piezoelektrischen Aktor 3 erzeugt, welcher sich bei Bestromung schlagartig axial ausdehnt und durch Verschiebung des Stellkolbens n der Hydraulikkammer 11 einen bestimmten Druck aufbaut. Damit wird über die Hydraulikkammer 11 auf den Betatigungskolben 10 sowie die in dieser Phase an dem Anschlag 15 des Betatigungskolbens 10 anliegende Hülse 14 eme hydrau- lische Kraft ausgeübt, welche genauso groß ist wie die Kraft des piezoelektrischen Aktors 3. Das heißt, es liegt em Übersetzungsverhältnis 1:1 vor, solange die Hülse 14 an dem Anschlag 15 anliegt.For fuel injection through the fuel injection valve 1, the valve closing member 13 must be opened against the direction of flow and thus against the rail pressure in the high pressure region 26. An actuator force F_mm required for opening results from the existing rail pressure and the diameter of the valve seat 17 or 18. The actuator force F for opening the valve closing member 13, which is greater than the force F_mm required for this with a valve stroke h, is given by the Piezoelectric actuator 3 is generated, which suddenly expands axially when energized and builds up a certain pressure by moving the actuating piston n of the hydraulic chamber 11. Thus, a hydraulic force is exerted via the hydraulic chamber 11 on the actuating piston 10 and in this phase on the stop 14 of the actuating piston 10, which is just as large as the force of the piezoelectric actuator 3. That is, it lies em Gear ratio 1: 1 before as long as the sleeve 14 abuts the stop 15.
Wie einer Linie l_hl in Figur 3 und einer Linie 1_F1 Figur 4 zu entnehmen ist, bewegt sich der Betatigungskolben 10 zusammen mit der an dem Anschlag 15 anliegenden Hülse 14 in einer Zeitspanne von dem Zeitpunkt t_0 des Abhebens des Ventilschließgliedes 13 vom Ventilsitz 17 bis zum Zeitpunkt t 1 des Anschlagens der Hülse 14
an dem Anschlag 34 über eine erste Teillange h_0 seines maximalen Hubweges H.As can be seen from a line l_hl in FIG. 3 and a line 1_F1 from FIG. 4, the actuating piston 10 moves together with the sleeve 14 abutting the stop 15 in a time period from the time t_0 of the valve closing member 13 being lifted from the valve seat 17 to the point in time t 1 of striking the sleeve 14 at the stop 34 over a first partial length h_0 of its maximum stroke H.
Ab dem Zeitpunkt t_l, zu dem die Hülse 14 an dem An- schlag 16 ansteht, herrscht für den verbleibenden Hubweg h_r ein Übersetzungsverhältnis gemäß dem Verhältnis zwischen der Querschnittsflache A0 des Stellkolbens 7 und der Querschnittflache AI des an die Hydraulikkammer 11 grenzenden Abschnittes 10A des Betatigungskolbens 10. Dadurch kann em großer Hub H des Ventils mit deutlich reduzierter Kraft erzielt werden.From the time t_l, at which the sleeve 14 abuts the stop 16, there is a transmission ratio for the remaining stroke h_r according to the ratio between the cross-sectional area A0 of the actuating piston 7 and the cross-sectional area AI of the section 10A of the actuating piston bordering the hydraulic chamber 11 10. This enables a large stroke H of the valve to be achieved with significantly reduced force.
Die Ventilbewegung über der Zeit t, welche bei den er- findungsgemaßen Kraftstoffeinspritzventil 1 qualitativ mit der Linie l_hl in Figur 3 wiedergegeben ist, unterscheidet sich gegenüber der Ventilbewegung eines herkömmlichen Ventils mit einer hydraulischen oder mechanischen 1 : 1-Kopplung, welche mit einer Linie l_h2 dargestellt ist, darin, daß die Ventilgeschwindigkeit bei herkömmlichen Ventilen klein ist, wahrend die Aktorkraft F groß ist. Dies ist auch m Figur 4 aus einer für derartige konventionelle Ventile stehenden Linie 1_F2 ersichtlich. Demgegenüber ist die Ventilgeschwin- digkeit bei dem erfindungsgemaßen Ventil bis zum Errei- chen des maximalen Hubweges H zu einem Zeitpunkt t_2 verhältnismäßig groß.The valve movement over time t, which is qualitatively represented by the line l_hl in FIG. 3 in the fuel injection valve 1 according to the invention, differs from the valve movement of a conventional valve with a hydraulic or mechanical 1: 1 coupling, which is represented by a line l_h2 is shown in that the valve speed is small in conventional valves, while the actuator force F is large. This can also be seen in FIG. 4 from a line 1_F2 standing for such conventional valves. In contrast, the valve speed in the valve according to the invention is relatively high until the maximum stroke H is reached at a time t_2.
Vergleicht man bei gleicher Ausgangskraft die Hublange H des erfindungsgemaßen Ventils mit einem maximalen Hub H_2, der sich bei einem konventionellen Ventil mit 1:1- Kopplung gemäß der Kraftlinie 1_F2 ergibt, so zeigt
sich, daß der erfindungsgemaß erzielbare Hub H wesentlich großer ist. Dies bedeutet einen stabileren Betrieb des Kraftstoffemspritzventils 1, da zum einen die Ven- tilstellung eindeutig ist und zum anderen eme für Com- mon-Rail-Injektoren typische - hier nicht gezeigte - Ablaufdrossel sicher kavitieren kann.If one compares the stroke length H of the valve according to the invention with a maximum stroke H_2, which results from a conventional valve with a 1: 1 coupling according to the force line 1_F2, the same output force shows themselves that the stroke H achievable according to the invention is considerably larger. This means a more stable operation of the fuel injection valve 1 because, on the one hand, the valve position is clear and, on the other hand, a discharge throttle that is typical for common rail injectors - can be safely cavitated here.
Mit einer Linie 1_E3 ist m Figur 4 das Verhältnis von Aktorkraft F zu Ventilhub h bei einem konventionellen Ventil ohne gestufter Übersetzung mit einem Verhältnis der Querschnittsflachen von Stellkolben zu Betatigungskolben von 2:1 gezeigt. Wahrend hier ein sehr großer maximaler Ventilhub H_3 erzielbar ist, ist die anfangliche Aktorkraft F3 so gering, daß sie nicht zum Offnen eines Ventilsitzes mit einem großen Durchmesser wie bei dem erfindungsgemaßen Ventil, welches einen großen Durchfluß ermöglicht, ausreicht.The line 1_E3 in FIG. 4 shows the ratio of actuator force F to valve lift h in a conventional valve without a stepped ratio with a ratio of the cross-sectional areas of actuating piston to actuating piston of 2: 1. While a very large maximum valve lift H_3 can be achieved here, the initial actuator force F3 is so small that it is not sufficient to open a valve seat with a large diameter as in the valve according to the invention, which enables a large flow.
Wie daraus ersichtlich wird, ist mit der Erfindung ein Offnen des Kraftstoffemspritzventils 1 bei hohenAs can be seen from this, with the invention the fuel injection valve 1 is opened at high
Raildrucken möglich, ohne den Ventilhub reduzieren zu müssen.Rail printing possible without having to reduce the valve lift.
Bei dem in Figur 1 gezeigten Doppelsitzventil wird das Ventilschließglied 13 m einer Mittelstellung zwischen den beiden Ventilsitzen 17, 18 stabilisiert und anschließend in eme Schließstellung an den unteren Ventilsitz 18 bewegt, wodurch kein Kraftstoff mehr aus dem Ventilsteuerraum 12 m den ersten Ventilraum 20 ge- langt.
Wenn die Bestromung des piezoelektrischen Aktors 3 unterbrochen wird, verkürzt sich dieser wieder, und das Ventilschließglied 13 wird m die Mittelstellung zwischen die beiden Ventilsitze 17, 18 gebracht, wobei eme erneute Kraftstoffeinspritzung erfolgt. Durch den unteren Ventilsitz 18 kann Kraftstoff in den Ventilraum 20 eindringen. Nach dem Druckabbau in dem Ventilraum 20 durch den Leckageablauf anal 21 bewegt sich das Ventilschließglied 13 m seine Schließstellung zum oberen Ventilsitz 17, wobei die Hülse 14 von dem Anschlag 15 des Betatigungskolben 10 mitgenommen wird.In the double-seat valve shown in FIG. 1, the valve closing member 13 is stabilized in a central position between the two valve seats 17, 18 and then moved to the lower valve seat 18 in a closed position, as a result of which no more fuel reaches the first valve chamber 20 from the valve control chamber 12 m , If the energization of the piezoelectric actuator 3 is interrupted, it shortens again, and the valve closing member 13 is brought into the middle position between the two valve seats 17, 18, with a renewed fuel injection taking place. Fuel can penetrate into the valve chamber 20 through the lower valve seat 18. After the pressure in the valve chamber 20 has been reduced by the leakage drain 21, the valve closing member 13 moves its closed position to the upper valve seat 17, the sleeve 14 being carried along by the stop 15 of the actuating piston 10.
Bei jeder Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 3, die einerseits durch Bestromen und andererseits durch Nichtbestromen erreichbar ist, wird eme Kraftstoffeinspritzung und eme erforderliche Wiederbefullung der Hydraulikkammer 11 bei dem erfindungsgemaßen Ventil 1 durchgeführt .Each time the piezoelectric actuator 3 is activated, which can be achieved on the one hand by energizing and on the other hand by not energizing, a fuel injection and a necessary refilling of the hydraulic chamber 11 are carried out in the valve 1 according to the invention.
Bezug nehmend auf Figur 2 ist m Allemstellung em Betatigungskolben 10 eines zweites Ausfuhrungsbei- spiels des Kraftstoffemspritzventils dargestellt. Gegenüber der Ausfuhrung nach Figur 1 unterscheidet sich der hier gezeigte Betatigungskolben 10' darin, daß er zweiteilig ausgeführt ist, wobei der Bereich 10A' mit der ersten Querschnittsflache AI em separates Bauteil darstellt. Zur Aufnahme des Bauteils 10A ist an einer diesem Bauteil zugewandten Stirnflache 31 des Betatigungskolbens 10 eme Ausnehmung 32 vorgesehen. Der Bereich 10B mit der zweiten Querschnittsflache A2 und der sich anschließende verjungende Bereich IOC ent-
sprechen in ihrer Gestaltung dem Betatigungskolben der Figur 1.Referring to FIG. 2, the actuation piston 10 of a second exemplary embodiment of the fuel injection valve is shown in the general position. Compared to the embodiment according to FIG. 1, the actuating piston 10 'shown here differs in that it is designed in two parts, the region 10A' with the first cross-sectional area AI representing a separate component. To accommodate the component 10A, a recess 32 is provided on an end face 31 of the actuating piston 10 facing this component. The area 10B with the second cross-sectional area A2 and the subsequent tapering area IOC speak in their design to the actuating piston of FIG. 1.
Ein Kraftstoffeinspπtzventil mit einem Betatigungskol- ben 10' gemäß Figur 2, bei dem die Herstellung und die Paarung der Teile zueinander besonders einfach ist, arbeitet im übrigen in selber Weise wie zu der Ausfuhrung nach Figur 1 beschrieben.A fuel injection valve with an actuating piston 10 'according to FIG. 2, in which the manufacture and pairing of the parts to one another is particularly simple, otherwise works in the same way as described for the embodiment according to FIG. 1.
Wenngleich sich die Ausfuhrungsbeispiele auf m sich nicht kraftausgeglichene Kraftstoffeinspritzventile beziehen, kann die Erfindung selbstverständlich auch bei kraftausgeglichen gestalteten Ventilen Verwendung finden, wo die schnelle Öffnung des Ventils vorteilhaft ist.Although the exemplary embodiments relate to m non-force-balanced fuel injection valves, the invention can of course also be used in force-balanced designed valves, where the rapid opening of the valve is advantageous.
Auch ist die Erfindung nicht auf Kraftstoffeinspritzventile beschrankt, sondern sie eignet sich bei allen Ventilen mit einer piezoelektrischen Aktuatorik, bei denen ein Ventilschließglied einen Hochdruckbereich von einem Niederdruckbereich trennt, wie z.B. in Pumpen.
The invention is also not limited to fuel injection valves, but is suitable for all valves with a piezoelectric actuator system in which a valve closing member separates a high pressure area from a low pressure area, such as e.g. in pumps.
Claims
1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten, mit einer pie- zoelektrischen Einheit (3) zur Betätigung eines in einer Bohrung (8) eines Ventilkorpers (9) verschiebbaren Ventilglieds (2), welches wenigstens einen Stellkolben (7) und wenigstens einen Betatigungskolben (10, 10') aufweist zur Betätigung eines Ventilschließgliedes (13), welches mit wenigstens einem an dem Ventilkorper (9) vorgesehenen Ventilsitz (17, 18) zum Offnen und Schließen des Ventils (1) zusammenwirkt, und mit einer als Toleranzausgleichselement und als hydraulische Übersetzung arbeitenden Hydraulikkammer (11) zwischen dem Stellkolben (7) und dem Betatigungskolben (10,1. Valve for controlling liquids, with a piezoelectric unit (3) for actuating a valve member (2) which can be displaced in a bore (8) of a valve body (9) and which has at least one actuating piston (7) and at least one actuating piston (10 , 10 ') for actuating a valve closing element (13) which interacts with at least one valve seat (17, 18) provided on the valve body (9) for opening and closing the valve (1), and with one as a tolerance compensation element and as a hydraulic transmission ratio working hydraulic chamber (11) between the actuating piston (7) and the actuating piston (10,
10'), dadurch gekennzeichnet, daß eine gestufte Übersetzung derart vorgesehen ist, daß der Betatigungskolben (10, 10') in der Bohrung (8) zusammen mit einer ihn umgebenden Hülse (14) für eine erste Teillange (h_0) seines maximalen Hubweges (H) verschiebbar ist, wobei eine jeweils an die Hydraulikkammer (11) grenzende erste Querschnittsflache (AI) des Betatigungskolbens (10, 10') und eine Querschnittsflache (A3) der Hülse (14) zusammen maximal der an die Hydraulikkammer (11) gren- zenden Querschnittsflache (A0) des Stellkolbens (7) entsprechen, und daß in der Bohrung (8) ein Anschlag (34) für die Hülse (14) in Ventilsitzrichtung vorgesehen ist, ab deren Erreichen der Betatigungskolben (10, 10') einen verbleibenden Hubweg (h_r) ausfuhrt.10 '), characterized in that a stepped ratio is provided in such a way that the actuating piston (10, 10') in the bore (8) together with a sleeve (14) surrounding it for a first part-length (h_0) of its maximum stroke ( H) is displaceable, a first cross-sectional area (AI) of the actuating piston (10, 10 ') bordering the hydraulic chamber (11) and a cross-sectional area (A3) of the sleeve (14) together maximally bordering the hydraulic chamber (11) zenden cross-sectional area (A0) of the actuating piston (7) correspond, and that in the bore (8) a stop (34) is provided for the sleeve (14) in the direction of the valve seat, after reaching which the actuating piston (10, 10 ') executes a remaining stroke (h_r).
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betatigungskolben (10, 10') als Stufenkolben ausgebildet ist, welcher einen der Hydraulikkammer (11) zugewandten Bereich (10A, 10A') mit der ersten Querschnittsflache (AI) und einen sich daran anschließenden Bereich (10B, 10B') mit einer größeren zweiten Querschnittsflache (A2) aufweist, wobei der Übergang zur größeren zweiten Querschnittsflache (A2) einen Anschlag (15) für die Hülse (14) entgegen der Ventilsitzrichtung darstellt .2. Valve according to claim 1, characterized in that the actuating piston (10, 10 ') is designed as a stepped piston which has a region (10A, 10A') facing the hydraulic chamber (11) with the first cross-sectional area (AI) and one thereon adjacent area (10B, 10B ') with a larger second cross-sectional area (A2), the transition to the larger second cross-sectional area (A2) constituting a stop (15) for the sleeve (14) against the valve seat direction.
3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lange der Hülse (14) einer Lange des Bereiches (10A, 10A') des Betatigungskolbens (10, 10') mit der ersten Querschnittsflache (AI) entspricht.3. Valve according to claim 2, characterized in that the length of the sleeve (14) corresponds to a length of the area (10A, 10A ') of the actuating piston (10, 10') with the first cross-sectional area (AI).
4. Ventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt des Betatigungskolbens4. Valve according to claim 2 or 3, characterized in that the cross section of the actuating piston
(10, 10') von seinem Bereich (10B, 10B') mit der zweiten Querschnittsflache (A2) an entgegen einer Anlage- flache (16) für das Ventilschließglied (13) verjungt.(10, 10 ') from its area (10B, 10B') with the second cross-sectional area (A2) tapers against an abutment area (16) for the valve closing member (13).
5. Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Betatigungskolben (10') wenigstens zweiteilig ausgeführt ist, wobei der Bereich (10A') mit der ersten Querschnittsflache (AI) ein separates Bauteil darstellt. 5. Valve according to one of claims 2 to 4, characterized in that the actuating piston (10 ') is designed at least in two parts, the region (10A') with the first cross-sectional area (AI) constituting a separate component.
6. Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an einer dem Bauteil (10A') mit der ersten Querschnittsflache (AI) zugewandten Stirnflache (31) des Betatigungskolbens (10') eme Ausnehmung (32) zur Aufnahme des Bauteils (10A') mit der ersten Querschnittsflache (AI) vorgesehen ist.6. Valve according to claim 5, characterized in that on a component (10A ') with the first cross-sectional area (AI) facing end face (31) of the actuating piston (10') eme recess (32) for receiving the component (10A ') with the first cross-sectional area (AI) is provided.
7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (34) für die Hülse7. Valve according to one of claims 1 to 6, characterized in that the stop (34) for the sleeve
(14) als Absatz in der Bohrung (8) des Ventilkorpers (9), vorzugsweise an einer Teilungsflache (33) des Ventilkorpers (9), ausgebildet ist.(14) as a shoulder in the bore (8) of the valve body (9), preferably on a division surface (33) of the valve body (9).
8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Betatigungskolben (10, 10') an einen ersten Ventilraum (20) grenzt, in dem der wenigstens eine Sitz (17, 18) für das Ventilschließglied (13) vorgesehen ist, wobei das Ventilschließglied (13) einen Niederdruckbereich (25) in dem Ventil (1) von einem Hochdruckbereich (26) trennt, und daß der Stellkolben (7) in einem an die Bohrung (8) des Ventilkorpers (9) anschließenden Bereich von einem zweiten Ventilraum (27) umgeben ist.8. Valve according to one of claims 1 to 7, characterized in that the actuating piston (10, 10 ') borders on a first valve chamber (20) in which the at least one seat (17, 18) is provided for the valve closing member (13) is, the valve closing member (13) separating a low pressure area (25) in the valve (1) from a high pressure area (26), and that the actuating piston (7) in a region adjacent to the bore (8) of the valve body (9) a second valve chamber (27) is surrounded.
9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Befulleinrichtung (24) zum Ausgleich einer Leckagemenge des Niederdruckbereiches (25) durch Entnahme von Hydraulikflussigkeit des Hochdruckbereichs (26) vorgesehen ist, wobei die Befulleinrichtung (24) in dem Ventilkorper (9) mit einem kanalartigen Hohlraum (23) ausgebildet ist, der in einen Systemdruckraum (22, 30) des Niederdruckbereiches (25) mundet, vorzugsweise in einen den Stellkolben (7) umgebenden Spalt (29), wobei der Mundungsbereich den Systemdruckraum (22) darstellt, und der hochdruckseitig vorzugsweise m den ersten Ventilraum (20) mundet.9. Valve according to claim 8, characterized in that a filling device (24) for compensating for a leakage amount of the low pressure region (25) by removing hydraulic fluid from the high pressure region (26) is provided, the filling device (24) in the valve body (9) with a channel-like cavity (23) is formed, which opens into a system pressure chamber (22, 30) of the low pressure region (25), preferably into a gap (29) surrounding the actuating piston (7), the mouth region representing the system pressure chamber (22), and the high pressure side preferably m the first Valve chamber (20) mouths.
10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es in sich kraftunausgeglichen aus- gestaltet ist.10. Valve according to one of claims 1 to 9, characterized in that it is designed in a force unbalanced manner.
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). 11. Valve according to one of claims 1 to 10, characterized by its use as a component of a fuel injection valve for internal combustion engines, in particular a common rail injector (1).
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