Ein großes Potential dabei besitzt das sogenannte"Common Rail"-System, bei dem der Kraftstoff von einer zentralen För- derpumpe in einer allen Zylindern gemeinsamen Befüllzuleitung ("Common Rail") gefördert wird. Die Zumessung des Kraftstoffs erfolgt über ein jedem Zylinder individuell zugeordnete Sy- stems zur Kraftstoffeinspritzung. Die mit Hilfe eines Common- Rail-Einspritzsystems erzielbare Verbesserung des motorischen Betriebsverhaltens resultiert dabei im wesentlichen aus einem von der Motordrehzahl unabhängig regelbaren Einspritzdruck bis 2500 bar. Hinzu kommt bei dieser Technik die Möglichkeit der Formung des Einspritzverlaufs, d. h. der Erzeugung einer einfachen oder mehrfachen Pilot-Einspritzung oder der Steue- rung der Einspritzrate sowie der freien Kennfeldsteuerung von Spritzbeginn und Einspritzmenge.

Zur Realisierung dieser Vorteile muß das System zur Kraft- stoffeinspritzung einer sehr hohen dynamischen Anforderung genügen, beispielsweise muß es eine kurze Antriebstotzeit und eine kurze Schaltzeit aufweisen.

Bisher geschieht die Steuerung von Common-Rail-Einspritzern im wesentlichen mit Hilfe eines Solenoid-Antriebs. In einigen Fällen wird der Einspritzer auch mit Hilfe eines piezohydrau- lischen Antriebs gesteuert.

Bei der Steuerung eines Kraftstoff-Einspritzers mit Hilfe ei- nes piezoelektrischen Direktantriebs zur Ventilsteuerung des hydraulischen Systems tritt beispielsweise das Problem auf, daß nur eine unzureichende Kompensation einer durch Tempera- tur-oder durch Alterungs-und Setzeffekte bedingten Längen-

änderung von Piezoaktor und Gehäuse realisiert ist. Hinzu kommt, daß beim Piezo-Direktantrieb ein Piezoaktor großer Baulänge erforderlich ist, was fertigungstechnisch und im Hinblick auf die Herstellungskosten nachteilig ist.

Bei einer Kombination des Piezoaktors mit einer Membran- hydraulik zur Ventilsteuerung im Einspritzsystem treten viel- fältige Probleme auf, wie beispielsweise ein aufwendiger me- chanischer Abgleich, eine Bruchgefahr der Membrane sowie ein niedriger Wirkungsgrad der Membranhydraulik. Weiterhin sind unbefriedigend beispielsweise der Einfluß von Druckwellen, eine problematische Temperaturkompensation sowie ein nur be- friedigendes Schaltverhalten.

Ein weiteres Beispiel für den Einsatz einer schnellen Ventil- steuerung ist der Bremskreislauf eines Fahrzeugs, bei dem der hydraulische Druck in einem Antiblockiersystem schnell und präzise geregelt werden muß.

Auch ist der Einsatz einer schnellen und präzisen Ventil- steuerung im Hydraulikkreislauf zur Steuerung eines Höhen- bzw. Seitenruders in einem Flugzeug denkbar. Dabei muß beson- ders bei modernen, aerodynamisch instabil ausgelegten Flug- zeugen das Leitruder sehr schnell angesteuert werden, so daß die Sicherheit des Flugzeugs gewährleistet ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglich- keit zur präzisen Ventilsteuerung bereitzustellen, die auch den Effekt eines betriebs-oder alterungsbedingten Einflusses auf das Schaltverhalten reduziert.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 26 gelöst.

Die Idee der Erfindung besteht darin, einen gut steuerbaren Primärantrieb mit kurzer Schaltzeit einzusetzen, dessen Hub durch eine kolbenhydraulische Hubübersetzung weitergegeben wird.

Der Primärantrieb, d. h. ein von außen direkt steuerbarer An- trieb, ist in einer ersten Bohrung eines Gehäuses axialver- schiebbar angebracht. Dabei kann die Passung zwischen Pri- märabtrieb und Gehäuse leckagebehaftet oder vorteilhafterwei- se hydraulisch dicht sein. Der Primärantrieb besitzt vorzugs- weise ein lineares Ansprechverhalten, beispielsweise mittels eines piezoelektrischen Aktor, dessen Längenänderung in sehr guter Näherung linear zu einer am Aktor angelegten elektri- schen Signal ist. Andere geeignete Antriebselemente sind bei- spielsweise elektro-oder magnetostriktive Aktoren.

Die erste Bohrung und eine zweite Bohrung münden in eine fluidgefüllte Hydraulikkammer. In der zweiten Bohrung ist ein Hubelement leckagebehaftet und axialverschiebbar eingebracht, das auch aus verschiedenartigen Teilelementen bestehen kann.

Der Primärantrieb steht somit über die Hydraulikkammer in ei- nem hydraulischen Kraftschluß mit dem sekundärseitig ange- brachten Hubelement.

Im folgenden bezeichnet"primarseitig"Elemente, die im Kraftschluß vom Primärantrieb bis ausschließlich zur Hydrau- likkammer angebracht sind, beispielsweise einen Piezoaktor oder ein primärseitiges Rückstellelement für den Piezoaktor.

"Sekundärseitig"bezeichnet entsprechend Elemente, die im Kraftschluß dem Primärantrieb und der Hydraulikkammer nachge- schaltet sind, beispielsweise ein Hubelement bzw. ein Hubkol- ben oder einen Stößel.

Durch den Einsatz der Hydraulikkammer ergeben sich unter an- derem zwei Vorteile : (1) Ein möglicherweise zur Ventilsteuerung zu geringer Hub des Primärantriebs wird durch die Hubübersetzung auf das se- kundärseitige Hubelement soweit vergrößert, daß dieser Hub zur Ventilsteuerung ausreicht (beispielsweise : Hub des Piezo- aktors 40 m, Hub des Hubelementes 240 Fm, entsprechend einer Hubübersetzung von 6 : 1). Durch die Hubübersetzung werden die Vorteile des Primärantriebs, nämlich ein sehr schnelles und lineares Ansprechverhalten, mit den Vorteilen eines ausrei- chenden Hubs vereinigt. Zudem wird ein Nachteil des piezo-

elektrischen Direktantriebs, nämlich eine große Piezolänge, vermieden.

(2) Thermische oder durch Alterungs-sowie Setzeffekte be- dingte Längenänderungen sowohl des Piezoaktors, als auch des Gehäuses mitsamt Einbauten werden weitgehend kompensiert.

Dieser Vorteil wird dadurch realisiert, daß die Hydraulikkam- mer über eine Befüllzuleitung mit Fluid druckbeaufschlagt wird, wobei der Druck des Fluids in der Befüllzuleitung im wesentlichen unabhängig vom Volumen der Hydraulikkammer ist.

Beim Einsatz einer nicht erfindungsgemäßen Doppelmembran zur hydraulischen Kraftübertragung beispielsweise könnten diese Längeneinflüsse das Volumen innerhalb der Doppelmembran und damit den Druck innerhalb der Doppelmembran soweit verändern, daß die Kraftübertragung zwischen Primärantrieb und sekundä- ren Hubelementen quantitativ verändert wird.

Über die Befüllzuleitung werden auch Fluidverluste, bei- spielsweise durch eine Leckage die Passung zwischen dem se- kundärseitigen Hubelement und der ihn umgebenden Bohrung, ausgeglichen. Weiterhin kann über die Zuleitung und eine zu- sätzlich angebrachte Belüftungsschraube die Hydraulikkammer entlüftet werden, beispielsweise beim Ersteinsatz.

Zur Realisierung der kolbenhydraulischen Hubübersetzung muß die druckwirksame Fläche des Primärantriebs in bezug auf das Fluid in der Hydraulikkammer größer sein als diejenige des sekundärseitigen Hubelementes. Die"druckwirksame Flache"be- zeichnet dabei die Projektion der mit dem Fluid der Hydrau- likkammer in Berührung stehenden Fläche in die angegebene Richtung. Beispielsweise entspricht die druckwirksame Fläche eines senkrecht in die Hydraulikkammer mündenden Zylinderkol- bens der Stirnfläche dieses Zylinders.

Zur Ventilsteuerung wird die Bewegung des sekundärseitigen Hubelementes dazu verwendet, eine fluidgefüllte Ventilkammer gegen einen Ablauf auf niedrigerem Druckniveau zu verschlie-

ßen. Über den Druck des Fluids in der Ventilkammer ist typi- scherweise ein hydraulisches oder hydraulisch-mechanisches System steuerbar.

Die Ventilsteuerung läuft im wesentlichen in den folgenden Schritten ab : (a) In Ruhestellung ist der Primärantrieb von der Hydraulik- kammer bzw. der zweiten Bohrung maximal weit entfernt, bei- spielsweise bei entladenem Piezoaktor. Der Druck des Fluids in der Hydraulikkammer entspricht dem Druck in der Befüllzu- leitung. Das sekundärseitige Hubelement wird durch das sekun- därseitige Rückstellelement in Richtung der Hydraulikkammer gedrückt und ist maximal zur Hydraulikkammer hin verschoben.

Das Hubelement verschließt die druckbeaufschlagte Ventilkam- mer gegen einen Abfluß. Falls vorteilhafterweise die zweite Bohrung an ihrem der Hydraulikkammer entgegengesetzten Ende in die Ventilkammer mündet, wird das Hubelement zusätzlich durch den Druck des Fluids in der Ventilkammer in Richtung der Hydraulikkammer gedrückt.

(b) Während des Hubvorgangs wird der Primärantrieb in Rich- tung der Hydraulikkammer verschoben, beispielsweise durch An- legen eines elektrischen Signals. Weil das Volumen der Hy- draulikkammer verringert wird, erhöht sich darin der Druck.

Deshalb wiederum erhöht sich der Druck auf das sekundärseiti- ge Hubelement, so daß dieses stärker von der Hydraulikkammer weg gedrückt wird.

Ab einem bestimmten Druck in der Hydraulikkammer werden die auf das Hubelement ausgeübten Kräfte in Richtung der Hydrau- likkammer überwunden, und es bewegt sich von der Hydraulik- kammer weg. Durch diese Bewegung wird das Hubelement in die Ventilkammer verschoben und öffnet so eine Verbindung zwi- schen der Ventilkammer und dem Ablauf. Dadurch fließt das Fluid von der Ventilkammer in den Ablauf und es verringert sich der Druck in der Ventilkammer. Durch den Druckabfall in der Ventilkammer und die damit verringerte Gegenkraft auf das

sekundärseitige Hubelement, wird dieses noch weiter in die Ventilkammer hineinverschoben.

Es ist zur Erlangung eines vorbestimmten maximalen Hubes vor- teilhaft, wenn ein Anschlag zur Begrenzung des Hubes des se- kundärseitigen Hubelementes vorhanden ist. Ein typisches Off- nungsverhalten der Ventilsteuerung kann somit derart einge- stellt werden, daß nach dem ersten Überwinden einer hohen Ge- genkraft das Hubelement innerhalb kurzer Zeit maximal ver- schoben wird, also die Ventilkammer maximal geöffnet wird.

Ein solches Steuerverhalten besitzt den Vorteil, daß der Ef- fekt eines möglichen Fertigungsunterschiedes, beispielsweise bei der Fertigung einer Dichtung, reduziert wird.

(c) Zur Rückkehr in die Ruhestellung wird der Primärantrieb von der Hydraulikkammer wegbewegt, beispielsweise durch Ent- ladung eines Piezoaktors. Der Druck des Fluids in der Hydrau- likkammer sinkt soweit, daß das sekundärseitige Rückstellele- ment und gegebenenfalls das Fluid in der Ventilkammer das Hu- belement wieder in Richtung der Hydraulikkammer verschieben.

Ist das sekundärseitige Hubelement soweit in Richtung der Hy- draulikkammer zurückgeschoben, daß es die Ventilkammer wieder gegen den Ablauf verschließt, so baut sich in der Ventilkam- mer wieder der in der Ruhestellung vorhandene Druck auf. Auch in der Hydraulikkammer stellt sich der in Ruhestellung vor- handene Druck wieder ein.

Diese Ventilsteuerung besitzt den Vorteil, daß die relative Ausrichtung der Bohrungen auf Primär-bzw. Sekundärseite kei- nen Einfluß auf das Steuerungsverhalten besitzt. Beispiels- weise können mehrere sekundärseitige Teilelemente, beispiels- weise Hubelemente in ihren jeweiligen Bohrungen, in die Ven- tilsteuerung integriert sein.

Im Gegensatz zu einem mechanischen Ubertragersystem entfällt der nachteilige Effekt der Verbiegung von Bauelementen oder der Reibung bzw. des Verschleißes oder auch einer Verkantung mechanischer Bauteile.

Im Vergleich zu einer Ventilsteuerung mit Bewegungsumkehr er- gibt sich der Vorteil einer einfachen Auslegung im Bereich der Hydraulikkammer.

Durch die Verwendung eines Piezoaktors steht eine hohe Druck- kraft des Stellantriebs, verbunden mit einer sehr hohen An- steuerungsgenauigkeit und einer sehr kurzen Totzeit zur Ver- fügung.

Durch die Verwendung eines sehr gut steuerbaren Primäran- triebs mit einer kurzen Totzeit, beispielsweise eimem Piezo- aktor, ist die Ventilsteuerung in gleicher Weise präzise steuerbar.

Es ist vorteilhaft, wenn in der ersten Bohrung ein Druckkol- ben als Teil des Primärantriebs zumindest teilversenkt einge- lassen ist, der dort axial verschiebbar und zusätzlich vor- teilhaft ohne Leckage dichtend angeordnet ist. Die Hydraulik- kammer kann bei einer solchen Konstruktion durch das Gehäuse und den Kolben begrenzt werden. Der Druckkolben wird vorteil- hafterweise durch einen an der Hydraulikkammer abgewandten Seite des Kolbens anliegenden, separaten Stellantrieb, bei- spielsweise ein Piezoelement, ausgelenkt. Der Stellantrieb wird beispielsweise am Gehäuse abgestützt.

Diese Konstruktion besitzt den weiteren Vorteil, daß der Pri- märantrieb aus einfacher gearbeiteten Einzelteilen aufbaubar ist, die jeweils mechanisch bzw. konstruktiv optimiert sein können. Beispielsweise kann durch die Auslegung als offenes System auf einen speziellen Schutz des Stellantriebs vor ei- ner chemischen Wirkung des Fluids verzichtet werden.

Der Druckkolben, der mit dem Stellantrieb nicht fest verbun- den sein muß, wird vorteilhafterweise durch ein primärseiti- ges Rückstellelement, beispielsweise eine Feder, von der Hy- draulikkammer weggedrückt. Das primärseitige Rückstellelement dient vorteilhafterweise auch zur mechanischen Druckvorspan- nung, durch die beispielsweise ein keramikartiger Stellan- trieb vor Schäden durch Zugspannungen bewahrt wird.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn zwischen Stellantrieb und Druckkolben eine Kugelscheibe mit entsprechendem Gegenlager angebracht ist, damit Verkippungen bzw. Spaltfederungen bei nicht planparallelen Endflächen ausgeglichen werden. Das Ge- genlager kann beispielsweise im Druckkolben integriert sein.

Alternativ kann die Kugelscheibe mit dem entsprechenden Ge- genlager auch zwischen dem Stellantrieb und dem Gehäuse ange- bracht sein.

Das sekundärseitige Hubelement ist vorteilhafterweise so aus- gelegt, daß es an seinen der Hydraulikkammer zugewandten Sei- ten einen Hubkolben aufweist und an seinem an die Ventilkam- mer grenzenden Ende ein Dichtelement, beispielsweise ein Ven- tilteller. Die Bewegung des Hubkolbens auf das Dichtelement wird beispielsweise durch einen mit diesem verbundenen Stößel übertragen. Dabei ist der Hubkolben axialverschiebbar und leckagebehaftet in der Bohrung angebracht, während der Stößel einen signifikant kleineren Durchmesser besitzt als die Boh- rung. Während also durch die vergleichsweise enge Passung zwischen Hubkolben und Bohrung eine vergleichsweise geringe Leckage aus der Hydraulikkammer heraus verursacht wird, kann das Fluid aus der Ventilkammer ohne signifikante Drosselung zum Ablauf gelangen.

In den folgenden Ausführungsbeispielen wird die erfindungsge- mäße Ventilsteuerung schematisch dargestellt : Figur 1 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der Ventilsteue- rung, Figur 2 zeigt durch die Ventilsteuerung geregelte Elemente eines Kraftstoffeinspritzsystems, Figur 3 zeigt zur Ventilsteuerung und zum Kraftstoffein- spritzsystem zugehörige Druckleitungen, Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Ventilsteue- rung.

In Figur 1 ist als Schnittdarstellung in Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel einer Ventilsteuerung aufgezeichnet. In einem Gehäuse 1 ist eine erste Bohrung 3 eingebracht. In der ersten Bohrung 3 ist ein Druckkolben 11 als Teil eines Pri- märantriebs 5 axialverschiebbar zumindest teilweise versenk- bar angeordnet. Innerhalb der ersten Bohrung 3 wird durch diese Anordnung eine Hydraulikkammer 2 geschaffen, die durch das Gehäuse 1 und den Druckkolben 11 begrenzt wird.

Der Druckkolben 11 wird durch ein primärseitiges Rückstelle- lement 13 von der Hydraulikkammer 2 weggedrückt. Das primär- seitige Rückstellelement 13 kann beispielsweise eine Rohrfe- der (Hohlzylinder mit horizontalen Schlitzen) sein, oder es kann vorteilhafterweise aus mehreren parallel oder seriell angeordneten Tellerfedern bestehen.

Der Druckkolben 11 wird von seiner der Hydraulikkammer 2 ab- gewandten Seite durch einen Stellantrieb 12 bewegt, wobei der Stellantrieb 12 an dem Gehäuse 1 abstützt wird.

Der Stellantrieb 12 als weiteres Teilelement des Primäran- triebs 5 ist vorteilhafterweise ein Piezoelement, vorteilhaf- terweise ein Vielschicht-Piezoaktor. Ein Piezoaktor besitzt den Vorteil, daß er sehr schnell auf Steuersignale reagiert und seine Längenänderung in sehr guter Näherung linear zur Höhe des Steuersignals, beispielsweise eines Spannungs-oder Stromsignals, ist. Die Verwendung eines Piezo-Vielschicht- systems ist dabei herstellungstechnisch vorteilhaft.

Außer einem Piezoaktor kann beispielsweise auch ein magneto- striktives oder elektrostriktives Stellelement 12 verwendet werden.

Zwischen Stellantrieb 12 und Druckkolben 11 ist eine Kugel- scheibe 19 eingebracht, die am Druckkolben 11 ein entspre- chendes Gegenlager aufweist und die vorteilhafterweise Ver- kippungen des Piezoaktors, des Gehäuses 1 oder des Druckkol- bens 11 ausgleichen kann, beispielsweise zur Vermeidung von Spaltfederung bei nicht planparallelen Piezoendflächen. Die Kugelscheibe 19 mit einem entsprechenden Gegenlager kann auch

gehäuseseitig zwischen Stellantrieb 12 und Gehäuse 1 ange- bracht sein. Bei ausreichender Paßgenauigkeit kann auf die Kugelscheibe 19 verzichtet werden.

Die primärseitigen Elemente (5,11,12,13,19) sind so mon- tiert, daß sie definiert mechanisch druckvorgespannt sind.

Dies ist beispielsweise vorteilhaft beim Einsatz eines kera- mischen Stellantrieb 12, beispielsweise eines keramikähnli- chen Piezoaktors, der durch Zugspannungen leicht zerstört werden kann. Die Druckvorspannung kann zusätzlich über am Ge- häuse 1 angebrachte Distanzscheiben (ohne Abbildung) einge- stellt werden.

Selbstverständlich kann der Primärantrieb 5 auch als ein ein- zelnes Element vorliegen, beispielsweise als kolbenförmiger Piezoaktor. Dabei muß allerdings auf die Vorteile einer opti- mierten Ausgestaltung von Teilelementen mit beispielsweise einer wiedersprüchlichen Anforderung an die Materialeigen- schaften verzichtet werden.

Zur Abdichtung der Passung zwischen Druckkolben (5,11) und erster Bohrung 3 wird ein umlaufender 0-Ring 18, der in eine Nut des Druckkolbens 11 eingelassen wird, verwendet, vorteil- hafterweise aus Elastomermaterial. Durch die Dichtung der Passung zwischen Druckkolben 11 und Gehäuse 1 wird vorteil- hafterweise verhindert, daß das in der Hydraulikkammer 2 be- findliche Fluid 6 in Richtung des Stellantriebs 12 austreten kann.

Die Hydraulikkammer 2 wird mittels einer Befüllzuleitung 24 mit einem Fluid 6 druckbeaufschlagt. Die Befüllzuleitung 24 kann entweder gedrosselt ausgeführt sein oder mit einem in die Hydraulikkammer 2 öffnenden Befüllventil 41 ausgestattet sein.

In die Hydraulikkammer 2 mündet eine zweite Bohrung 4, in der ein sekundärseitiges Hubelement 7 axialverschiebbar und

leckagebehaftet angeordnet ist. Beide Bohrungen 3 und 4 sind zylinderförmig und zueinander zentriert. Sie können auch als eine Bohrung mit unterschiedlichem Durchmesser aufgefaßt wer- den. Eine solche Anordnung zweier ineinander mündender Boh- rungen 3 und 4 mit einer Längsachse entlang der gleichen Li- nie ergibt den Vorteil einer einfachen und kompakten Bauwei- se, verbunden mit einer einfachen Herstellungsmöglichkeit.

Der Einsatz der fluidgefüllten Hydraulikkammer 2 bietet den Vorteil, daß die Orientierung der beiden Bohrungen 3,4 zu- einander beliebig sein kann, beispielsweise zueinander ver- setzt oder gekippt. Auch bietet sie problemlos die Möglich- keit, die Bewegung mehrerer sekundärseitiger Teilelemente (z. B. 4,7,9) über eine gemeinsame Hydraulikkammer 2 zu steu- ern.

Das sekundärseitige Hubelement 7 ist so ausgeführt, daß es aus einem an die Hydraulikkammer 2 grenzenden Hubkolben 14 besteht, der in der zweiten Bohrung 4 axialverschiebbar und leckagebehaftet angeordnet ist. An den Hubkolben 14 schließt sich zur Ventilkammer 9 hin eine Kolbenstange 15 an. An die der Ventilkammer 9 zugewandten Seite der Kolbenstange 15 grenzt ein Stößel 16, der wiederum mit einem die Ventilkammer 9 gegen den Ablauf 10 verschließenden Dichtelement 17 verbun- den ist.

Ein Teil der zweiten Bohrung 4 ist in Form einer Absteuerkam- mer 26 ausgestaltet, in der das sekundärseitige Rückstellele- ment 8 angebracht ist. Das sekundärseitige Rückstellelement 8 besteht aus einer Spiralfeder 81, die mittels eines Seeger- Rings 20, eines Sprengringes oder einer ähnlichen Befesti- gungsvorrichtung am Stößel 16 befestigt ist.

In diesem Ausführungsbeispiel sind die Kolbenstange 15 und der Stößel 16 nicht fest miteinander verbunden. Vielmehr wird durch eine Spiraldruckfeder 21 die Kolbenstange 15 auf Anlage mit dem Stößel 16 gehalten. Die Spiraldruckfeder 21 ist dabei mittels eines Seeger-Rings 20, Sprengringes o. a. an der Kol- benstange 15 fixiert. Diese Konstruktion besitzt beispiels-

weise den Vorteil, daß der Einfluß von Druckspitzen im Fluid 6 auf den Hubkolben 14 abgemildert wird. Die Spiralfederkräf- te und die hydraulischen Kräfte sind dabei so abgestimmt, daß die Ventilkammer 9 im Ruhezustand gegen den in die Absteuer- kammer 26 mündenden Ablauf 10 verschlossen ist.

Zur vereinfachten Herstellung kann beispielsweise statt der Kolbenstange 15 und des Stößels 16 auch ein einziges Bauteil bei verschiedenen Bohrungsdurchmessern der zweiten Bohrung 4 verwendet werden.

Das Dichtelement 17, das in Form eines Tellerventils ausgear- beitet ist, verschließt die durch eine gedrosselte Zuleitung 27 mit einem Fluid'6 befüllte Ventilkammer 9 gegen den Abfluß 10.

(a) Ruhestellung In Ruhestellung ist der als Piezoaktor ausgebildete Stellan- trieb 12 entladen bzw. kurzgeschlossen, so daß dieser in axialer Richtung seine minimale Länge besitzt und maximal von der zweiten Bohrung 4 entfernt ist.

Die Hydraulikkammer 2 ist mit dem unter einem Druck P1 ste- henden Fluid 6 gefüllt, wobei P1 dem an der Befüllzuleitung 24 anstehenden Standdruck von typischerweise 1-25 bar ent- spricht.

Durch die Leckage zwischen Hubkolben 14 und Gehäuse 1 ent- weicht Fluid 6 aus der Hydraulikkammer 2 und wird über den drucklosen bzw. auf einem niedrigen statischen Druckniveau, beispielsweise bis 0-25 bar, befindlichen Ablauf 10 abgelas- sen. Somit ergibt sich ein kontinuierlicher Spülstrom durch die Hydraulikkammer 2. Durch den Spülstrom wird die blasen- freie Befüllung der Hydraulikkammer 2 gewährleistet, da in der Hydraulikkammer 2 verbliebene residuelle Gasblasen im Spülstrom in Lösung gehen können.

Zusätzlich ist zur vereinfachten Befüllung der Hydraulikkam- mer 2 mit Fluid 6 auch eine Entlüftungsschraube 25 vorhanden, die einen Ablauf aus der Hydraulikkammer 2 durch das Gehäuse

1 regelt. Bei Betrieb der Ventilsteuerung wird die Belüf- tungsschraube 25 sinnvollerweise geschlossen sein.

Der Druckkolbens 11 wird durch das primärseitige Rückstelle- lement 13 sowie durch den Druck Pl des Fluids 6 in der Hy- draulikkammer 2 an den Stellantrieb 12 bzw. die Kugelscheibe 19 gedrückt.

Gleichzeitig drückt das Fluid 6 in der Hydraulikkammer 2 den Hubkolben 14 von der Hydraulikkammer 2 weg. Diese Kraft wird bei Vorhandensein einer Feder 21 von dieser unterstützt. An- dererseits wirken auf das sekundärseitige Hubelement 7 die Kräfte des sekundärseitigen Rückstellelementes 8, hier die einer Feder 81. Zusätzlich wird das sekundärseitige Hubele- ment durch den Druck P2 des in der Ventilkammer 9 befindli- chen Fluids 6 auf die druckwirksame Fläche des Dichtelementes 17 in Richtung der Hydraulikkammer 2 gedrückt.

In Ruhestellung sind die Kräfte am sekundärseitigen Hub- element 7 so dimensioniert, daß das Dichtelement 17 die Ven- tilkammer 9 gegen den Abfluß 10 verschließt.

Typischerweise liegt der Druck P2 des in der Ventilkammer 9 befindlichen Fluids 6 für ein Einspritzsystem für Diesel- kraftstoff im Bereich von 100-2500 bar.

(b) Hubvorgang Zu Beginn des Hubvorgangs wird durch ein elektrisches Signal, beispielsweise ein Spannungs-oder Stromsignal, der als Pie- zoaktor ausbildete Stellantrieb 12 über die Anschlüsse 121 in axialer Richtung ausgedehnt, typischerweise 10-60 pm. Bei ei- ner so geringen Verschiebung des Stellantriebs 12 gleitet der 0-Ring 18 nicht an der Wand des Gehäuses 1 sondern verformt sich rein elastisch, wodurch eine vorteilhafte Dichtung er- reicht wird.

Der Piezoaktor drückt über die Kugelscheibe 19 den Druckkol- ben 11 mit großer Kraft in Richtung der Hydraulikkammer 2, so daß der Druck P1 in der Hydraulikkammer 2 steigt.

Falls die Befüllzuleitung 24 mit einem in Richtung der Hy- draulikkammer 2 öffnenden Befüllventil 41 ausgestattet ist, schließt dieses durch den in der Hydraulikkammer 2 entstehen- den Überdruck (in bezug auf den Standdruck) ab.

Falls die Befüllzuleitung 24 eine gedrosselte Zuleitung ohne Ventil ist, beispielsweise eine Bohrung mit ausreichend klei- nem Durchmesser, so ist es vorteilhaft, wenn durch die Bewe- gung des Druckkolbens 11 die Mündung der Befüllzuleitung 24 in der Hydraulikkammer 2 vom Druckkolben 11 möglichst früh- zeitig überglitten wird, so daß eine Leckage von Fluid 6 aus der Hydraulikkammer 2 über die Befüllzuleitung 24 hinaus mi- nimiert wird.

Durch den erhöhten Druck P1 vergrößert sich die auf das se- kundärseitige Hubelement 7 ausgeübte Kraft in Richtung der Ventilkammer 9. Wenn die in Richtung der Ventilkammer 9 aus- geübte Kraft die in Gegenrichtung wirkende Kraft des sekun- därseitigen Rückstellelementes 8 und des Drucks P2 über- schreitet, bewegt sich der Hubkolben 7 in die Ventilkammer 9 hinein und es öffnet sich die Verbindung zwischen Ventilkam- mer 9 und Abfluß 10. Das Fluid 6 in der Ventilkammer 9 fließt über den Abfluß 10 ab, wodurch sich der Druck P2 reduziert.

Die Zuleitung 27 in die Ventilkammer 2 ist gedrosselt, so daß der Fluidabfluß nicht mit gleicher Geschwindigkeit wieder aufgefüllt werden kann.

Der Druckabfall ist um so größer, je höher die Druckdifferenz zwischen P2 und dem am Abfluß anstehenden Druck ist. Bei- spielsweise geschieht der Abfall des Drucks bei P2 = 100-2500 bar in Ruhestellung und einem drucklosen Abfluß nahezu schlagartig.

Ein nur geringer Druck am Abfluß 10 bzw. in der Absteuerkam- mer 26 ist zusätzlich deshalb vorteilhaft, weil dann die Wir-

kung einer in der Absteuerkammer 26 auftretenden Druckwelle klein gehalten wird. Diese könnte sonst die die Funktion des piezohydraulischen Antriebs beeinträchtigen.

Der Hub des Hubkolbens 14, typischerweise 60-360 n. m, wird durch einen Anschlag 23 begrenzt. Dabei ist das System so ausgelegt, daß beim Anschlagen des Hubkolbens 14 noch eine ausreichende Druck-bzw. Kraftreserve vorhanden ist, damit das Hubelement 7 trotz der an der Hydraulikkammer 2 auftre- tenden Leckagen eine ausreichende Zeit geöffnet ist. Anderer- seits ist die Leckage so dimensioniert, daß beispielsweise bei einer Unterbrechung der elektrischen Anschlüsse 121 im geladenen Zustand des Piezoaktors eine selbstständige Rück- kehr des Hubelementes 7 in die Ruhestellung vorteilhafterwei- se gewährleistet ist.

(c) Rückkehr in Ruhestellung Durch die Entladung des Piezoaktors wird der Hubvorgang been- det. Bei der Kontraktion des Piezoaktors bewirkt die mecha- nisch stark vorgespannte Tellerfeder 13 die Rückstellung des Druckkolbens 11 und der Kugelscheibe 19.

Falls die Hydraulikkammer 2 über das Befüllventil 41 mit Fluid 6 befüllt wird, sinkt aufgrund der während der Betäti- gungsdauer auftretenden Leckage der Druck P1 kurzzeitig unter den Standdruck. Daraufhin öffnet das Befüllventil 41 und die Fluidverluste werden in kurzer Zeit ausgeglichen.

Falls die Hydraulikkammer 2 über eine gedrosselte Befüllzu- leitung 24 mit Fluid 6 befüllt wird, kann der Druck P1 in der Hydraulikkammer 2 kurzzeitig erheblich unter das Druckniveau in Ruhestellung fallen. Zur Vermeidung von Kavitationen soll- te die während der maximalen Hubdauer mögliche Leckage zwi- schen Hubelement 7 und Gehäuse 1 vorteilhafterweise so bemes- sen sein, daß die Druckänderung in P1 1 bar nicht überschrei- tet.

Bei der Relaxierung von P1 auf den Standdruck wird das Hube- lement 7,14-17 durch die Feder 81 zurückgestellt und die Ventilkammer 9 gegen den Abfluß 10 verschlossen. Über die ge- drosselte Zuleitung wird die Ventilkammer 9 wieder auf der vollen in Ruhestellung anliegenden Druck P2 aufgeladen.

Die auf die oben beschriebene Art aufgebauten Ventilsteuerung zeichnet sich vorteilhafterweise dadurch aus, daß ihre Funk- tion in einem großen Bereich der Arbeitstemperatur gewährlei- stet ist. Dies wird durch die Leckagen erreicht, durch die eine Kompensation temperaturbedingter oder durch Alterungs- oder durch Setzeffekte bedingter Längenänderungen von Stel- lantrieb 12 bzw. Gehäuse 1 erreicht wird.

Zusätzlich ergibt sich der Vorteil, daß diese Ventilsteuerung aus fertigungstechnischer Sicht wesentlich toleranzunempfind- licher ist als beispielsweise eine membranhydraulische Ven- tilsteuerung.

Im Vergleich zu einer Ventilsteuerung mit bewegungskommutie- render Hubübersetzung ergibt sich der Vorteil einer einfachen Auslegung im Bereich der Hydraulikkammer 2.

Figur 2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Anwendung des in Figur 1 gezeigten Systems zur Ventilsteue- rung in einer Vorrichtung zur Zumessung von Fluid.

Die gedrosselte Zuleitung 27 führt von der Ventilkammer 9 in eine Arbeitskammer 28, welche durch eine Zuleitung 31 mit Fluid 6 versorgt wird, beispielsweise durch eine"Common- Rail"-Zuleitung unter dem vollen (Rail-) Druck von 100-2500 bar.

Der Druck in der Arbeitskammer 28 steuert die Bewegung eines in einer weiteren Bohrung 29 axialverschiebbar geführten Ar- beitskolbens 30, wobei die Passung hydraulisch dicht oder leckagebehaftet sein kann. In dieser Figur wird die Verbin- dung zwischen Arbeitskammer 28 und Zuleitung 31 über eine durch den Arbeitskolben 28 geführte Bohrung 32 erreicht, die

zum Ausgleich der Bewegung des Arbeitskolbens 30 an ihren an der Zuleitung 31 grenzenden Ende als Nut ausgearbeitet ist.

Falls beispielsweise die Bohrung 32 gedrosselt ausgeführt ist, können Arbeitskammer 28 und Absteuerkammer 26 auch als eine Kammer ausgeführt sein, die beispielsweise mit Anschlä- gen zur Begrenzug des Hubs des Arbeitskolbens 30 ausgestattet sein kann.

Auf der der Arbeitskammer 28 abgewandten Seite des Arbeits- kolbens 30 ist eine Einspritzdüsennadel 35 befestigt, durch die eine oder mehrere Einspritzdüsen 37 verschließbar sind.

An der gleichen Seite des Arbeitskolbens 30 ist eine Kraft- stoffkammer 34 vorgesehen, die ebenfalls über die Befüllzu- leitung 31 mit Fluid 6 versorgt wird. Die Einspritzdüsennadel 35 wird nicht hydraulisch dichtend geführt, so daß Fluid 6 ungedrosselt aus der Kraftstoffkammer 34 über die Passung zwischen Einspritzdüsennadel 35 und Gehäuse 1 zu den Ein- spritzdüsen 37 gelant.

Ein Teil der Bohrung 29 ist als Düsennadelfederraum 38 erwei- tert, in dem eine Düsennadelfeder 36, die sich am Gehäuse 1 abstützt, den Arbeitskolben 30 auf die Einspritzdüsen 37 drückt. Die Düsennadelfeder 36 wird beispielsweise mittels eines Seeger-Rings 20 am Arbeitskolben 30 befestigt. Durch diese Düsennadelfeder 36 wird vorteilhafterweise bei einem Ausfall des Hochdrucksystems die mindestens eine Einspritzdü- se 37 verschlossen und so eine Fluidabgabe verhindert, bei- spielsweise von Diesel oder Benzin in einen Brennraum eines Motors.

In den Düsennadelfederraum 38 mündet eine Rücklaufleitung 39, über die Fluid 6, das durch Leckagen am Arbeitskolben 30 in den Düsennadelfederraum 38 gelangt ist, abfließt.

Der Arbeitskolben 30 erfährt durch der Druck des Fluids 6 in der Kraftstoffkammer 34 eine Kraft, die ihn in Richtung der Arbeitskammer 28 drückt. Die druckwirksame Fläche des Ar-

beitskolbens 30 an der Kraftstoffkammer 34 ist dabei kleiner als diejenige an der Arbeitskammer 28.

Ist die Ventilsteuerung in Ruhestellung, d. h. daß das Hubele- ment 7 die Ventilkammer 9 gegen den Abfluß 10 verschließt, dann liegt auch an der Arbeitskammer 28 der volle von der Zu- leitung 31 gelieferte Druck an. Der Arbeitskolben 30 wird auf die Einspritzdüsen 37 gedrückt und verschließt diese.

Während des Hubvorgangs fällt der Druck P2 in der Ventilkam- mer 9 und damit auch der Druck in der Arbeitskammer 28. Da- durch wird die auf den Arbeitskolben in Richtung der Ein- spritzdüsen 37 wirkende Kraft soweit reduziert, daß sich der Arbeitskolben 30 in Richtung der Arbeitskammer 20 bewegt und so die Einspritzdüsen 37 öffnet. Dadurch wird das Fluid 6 von der Kraftstoffkammer 34 über die mindestens eine Einspritzdü- se 37 nach außen abgegeben. Ein typischer Hub des Arbeitskol- bens 30 beträgt 120-360 pm.

Bei Beendigung des Einspritzvorgangs wird die Ventilkammer 9 wieder gegen den Abfluß 10 verschlossen, so daß sich auch der Druck in der Arbeitskammer 28 wieder aufbaut und damit der Arbeitskolben 30 die Einspritzdüsennadel 35 wieder auf die Einspritzdüsen 37 drückt.

Diese Anwendung ist besonders vorteilhaft bei der Dieseldi- rekteinspritzung mit Hilfe einer gemeinsamen Hochdruck- Kraftstoffzuleitung 31 ("Common-Rail").

Das Fluid 6 kann sowohl eine Flüssigkeit sein, beispielsweise Diesel, Benzin, Kerosin oder Petroleum, oder auch ein Gas, beispielsweise Erdgas.

Eine solchermaßen aufgebaute Vorrichtung zum Zumessen von Fluid besitzt den Vorteil, daß die mit ohnehin nur sehr klei- nen Totzeiten behaftete Bewegung eines Piezoaktors praktisch

verzugsfrei auf die Bewegung des Arbeitskolbens übertragen wird.

Weiterhin ist der unter sehr großem Druck stehende Hydraulik- kreislauf der Fluidzumessung wegen des hohen Druckvermögens des Piezoelementes durch einen vergleichsweise geringen Standdruck in der Hydraulikkammer 2 steuerbar.

Dadurch ist beispielsweise bei der Kraftstoffeinspritzung die Erzeugung einer gut dosierbaren Piloteinspritzung möglich.

Figur 3 zeigt schematisch eine vorteilhafte Ausgestaltung des Rücklaufsystems eines Einspritzsystems nach Figur 1 und 2.

Das aus der Kraftstoffkammer 34 in den Düsennadelfederraum 38 leckende Fluid 6 wird durch die Rücklaufleitung 39 abgeführt.

In der Rücklaufleitung 39 ist ein Druckregelventil 42 einge- bracht, das den Druck im Düsennadelfederraum 38 aufstaut, ty- pischerweise auf 1-25 bar. Von der Rücklaufleitung 39 zweigt (in Flußrichtung) oberhalb des Druckregelventils 42 die Be- füllzuleitung 24 ab. Der Ablauf 10 mündet in die Rücklauflei- tung 39 unterhalb des Druckregelventils 42.

Falls die Befüllzuleitung 24 gedrosselt ausgeführt ist, ent- spricht der Öffnungsdruck des Druckregelventils 42 dem Stand- druck, d. h. dem Druck P1 in Ruhestellung, in der Hydraulik- kammer 2.

Falls die Zuleitung 24 mit einem Befüllventil 41 ausgestattet ist, so ist entspricht der Standdruck in der Hydraulikkammer 2 der Druckdifferenz des Öffnungsdrucks von Druckregelventil 42 und Befüllventil 41.

Da sich der Ablauf 10 auf einem niedrigeren Druckniveau be- findet als die Rücklaufleitung 39 unterhalb des Druckregel- ventils 42, ergibt sich ein kontinuierlicher Spülstrom von Fluid 6 durch die Hydraulikkammer 2 längs der Passung zwi- schen Hubkolben 14 und Gehäuse 1. Für einen schnellen Aus- gleich der während der Betätigungsphase auftretenden Leckage- verluste ist das Befüllventil 41 vorteilhaft, während die rein gedrosselte Zuleitung 24 vorteilhafterweise eine einfa-

chere Herstellung und einen wartungsfreieren Betrieb ermög- licht.

Eine rein gedrosselte Befüllzuleitung 24 kann beispielsweise bei einer Ansteuerung eines Einspritzers mit geringen Puls/Pause-Verhältnissen eingesetzt werden, wie sie bei- spielsweise bei der Diesel-Direkteinspritzung üblich sind (z. B. maximale Einspritzdauer 4 ms alle 24 ms bei 5000 Umdre- hungen pro Minute). Durch relativ große Pausen (z. B. 20 ms) ist ein Ausgleich der während der kurzen Betätigungsdauer der Ventilsteuerung (z. B. 4 ms) auftretenden Leckagen gewährlei- stet.

Figur 4 zeigt schematisch als Schnittdarstellung in Seitenan- sicht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Ventil- steuerung mit einem vereinfachten Aufbau sekundärseitiger Elemente.

Erreicht wird dies durch die Verwendung einer innerhalb der Ventilkammer 9 plazierten Kugel als Dichtelement 17, wobei die Kugel mittels eines ebenfalls innerhalb der Ventilkammer 9 untergebrachten sekundärseitigen Rückstellelementes 8 in Form eines Federelementes 81 gegen die Mündung der zweiten Bohrung 4 gedrückt wird.

Gegenüber der Ventilsteuerung in Figur 1 kann in dieser Aus- führungsform auf eine Konstruktion mittels Kolbenstange 15 und Stößel 16 verzichtet werden. Vielmehr wird vorteilhafter- weise nur ein Stößel 16 verwendet.

Zwischen Druckkolben 11 und Hubkolben 14 ist eine Kolbenfeder 40 angebracht, die die Anlage des Stößels 16 an die Kugel ge- währleistet. Bei einem gegenüber der Ventilkammer 9 in Ruhe- stellung hinreichend großen Druck P1 in der Hydraulikkammer 2 kann auf die Kolbenfeder 40 auch verzichtet werden, weil der Hubkolben 14 in diesem Fall auf Anlage mit dem Stößel 16 oder der Kugel gehalten wird.

Die vorliegende Ausführungsform ist in Vergleich zu Figur 1 vorteilhafterweise im Bereich der Absteuerkammer 26 stark vereinfacht. Andererseits hat die in dieser Figur gewählte Ausgestaltung eine Vergrößerung der Schadvolumina von Hydrau- likkammer 2 und Ventilkammer 9 zur Folge, womit eine Einbuße im Wirkungsgrad verbunden ist.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschrie- benen Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann anstelle des piezoelektrischen Stellantriebs 12 auch ein elektro-oder ma- gnetostriktiver Aktor als Stellantrieb 12 verwendet werden.

Auch kann beispielsweise die Position von Teilelementen zu- einander, unterschiedlich ausgelegt werden, beispielsweise durch ein vollkommen in der zweiten Bohrung 4 versenktes Hu- belement 7 oder durch ein Spiel der einzelnen Teilelemente.

Die Ausführungsformen in den Figuren 1,2 und 4 besitzen im wesentlichen einen axialsymmetrischen Aufbau. Hiervon kann selbstverständlich abgewichen werden, indem man beispielswei- se die Vorrichtung zur Ventilsteuerung aus räumlich verteil- ten und über Flüssigkeitsleitungen miteinander verbundenen Druckkammern aufbaut. Hierbei muß allerdings ein Verlust an Funktionalität in Kauf genommen werden.