Aus der Praxis sind Ventile zum Steuern von Flussigkeiten, bei denen ein VentilschlieSglied einen Niederdruckbereich in dem Ventil von einem Hochdruckbereich trennt, z. B. bei Pumpen oder Kraftstoffinjektoren bei Kraftfahrzeugen hinlanglich bekannt.

Auch die EP 0 477 400 A1 beschreibt ein derartiges Ventil, wobei dieses uber einen piezoelektrischen Aktor betatigbar ist und eine Anordnung fur einen in Hubrichtung wirkenden Wegtransformator des piezoelektrischen Aktors aufweist, bei der die Auslenkung des Aktors uber eine Hydraulikkammer übertragen wird, welche als hydraulische Ubersetzung bzw.

Kopplung und Toleranzausgleichselement arbeitet. Die Hydraulikkammer schließt zwischen zwei sie begrenzenden

Kolben, von denen ein Kolben mit einem kleineren Durchmes- ser ausgebildet ist und mit einem anzusteuernden Ventil- glied verbunden ist, und der andere Kolben mit einem größeren Durchmesser ausgebildet ist und mit dem piezoelek- trischen Aktor verbunden ist, ein gemeinsames Ausgleichsvo- lumen ein. Die Hydraulikkammer ist derart zwischen den beiden Kolben eingespannt, daS der Betatigungskolben einen um das Ubersetzungsverhaltnis des Kolbendurchmessern vergößerten Hub macht, wenn der größere Kolben durch den piezoelektrischen Aktor um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird. Das Ventilglied, die Kolben und der piezoelektrische Aktor liegen dabei auf einer gemeinsamen Achse. Uber das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer können Toleranzen aufgrund von Temperaturgradienten bzw. unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materia- lien sowie eventuelle Setzeffekte ausgeglichen werden, ohne da6 dadurch eine Anderung der Position des anzusteuernden Ventilgliedes auftritt.

Das hydraulische System im Niederdruckbereich, insbesondere der hydraulische Koppler, benötigt einen Systemdruck, welcher aufgrund von Leckage abfallt, falls keine ausrei- chende Nachfullung mit Hydraulikflussigkeit stattfindet.

Hierzu sind aus der Praxis fur Common-Rail-Injektoren Lösungen bekannt, bei denen der Systemdruck, welcher zweckmäßig im Ventil selbst erzeugt wird und auch bei einem Systemstart möglichst konstant sein soll, durch Zufuhrung von Hydraulikflussigkeit aus dem Hochdruckbereich des zu steuernden Kraftstoffs in den Niederdruckbereich mit dem Systemdruck sichergestellt wird. Dies geschieht mit Hilfe

von Leckspalten, die durch Leck-bzw. Befüllstifte darge- stellt werden.

Ein Problem stellt jedoch die Dimensionierung des Leckspal- tes dar, welcher so einzustellen ist, da6 der Systemdruck im gesamten Arbeitsbereich auf der Niederdruckseite des Ventils aufgebaut und gehalten werden kann. Bei Temperatur- schwankungen der durch den Leckspalt strömenden Flussigkeit verandert sich das Strömungsvolumen entsprechend der Viskositatsanderung der Flussigkeit. So wird z. B. bei Common-Rail-Injektoren der Leckspalt verhältnismäßig gros gewahlt, um den Systemdruck im Niederdruckbereich auch bei extrem niedrigen Temperaturen, bei denen die Viskositat von Dieselkraftstoff bis zu dessen Versulzung zunimmt, halten zu können. Dies fuhrt dazu, da6 bei ublichen Betriebstempe- raturen oder hohen Temperaturen eine grole Menge an Flussigkeit uber den Spalt um den Leckstift in den Nieder- druckbereich gelangt, wobei die überschüssige Menge an Flussigkeit uber ein Druckhalteventil abgelassen werden muS. Auf diese Weise ist ein unerwunscht hoher Leckverlust des Ventils gegeben, aufgrund dessen der Wirkungsgrad des Gesamtsystems stark abnimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil zur Steuerung von Flussigkeiten zu schaffen, bei dem eine Leckmenge aus einem Hochdruckbereich in einen Niederdruck- bereich des Ventils bei Temperaturanderungen wenigstens annahernd konstant ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ventil zur Steuerung von Flussigkeiten mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 hat den Vorteil, da6 der Spalt zwischen dem Festkorper und dem Ventilkörper relativ gros ausgelegt werden kann, so da6 auch bei sehr niedrigen Temperaturen der strömenden Flussigkeit ein ausreichender Volumendurchsatz sichergestellt ist. Bei steigender Temperatur und abnehmender Viskositat der durch den Spalt strömenden Flussigkeit dehnt sich der Festkorper aufgrund seines größeren Warmeausdehnungskoeffizienten starker aus als das Material des Ventilkorpers, so da6 der Spalt mit zunehmender Temperatur verringert wird und somit in vorteilhafter Weise der gleiche Volumendurchsatz bei mittleren und hohen Temperaturen wie im niedrigen Tempera- turbereich eingestellt wird.

Da mit dem erfindungsgemäßen Ventil eine Zunahme der Leckrate in den Niederdruckbereich in Folge steigender Temperaturen vermieden wird, entfallt zudem die Notwendig- keit, die grole Mengen an zuviel geförderter Flussigkeit durch ein Uberdruckventil abzulassen, weshalb der Wirkungs- grad des Gesamtsystems nicht beeintrachtigt wird.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentanspruchen entnehmbar.

Zeichnung Zwei Ausfuhrungsbeispiele des erfindungsgemäßen Ventils zur Steuerung von Flussigkeiten sind in der Zeichnung darge-

stellt und werden in der folgenden Beschreibung naher erlautert. Es zeigen Figur 1 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines ersten Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung bei einem Kraftstoffeinspritzventil fur Brennkraftmaschinen im Langsschnitt, und Figur 2 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines weiteren Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung bei einem Kraftstoffeinspritzventil fur Brennkraftmaschinen.

Beschreibung der Ausfuhrungsbeispiele Das in Figur 1 dargestellte Ausfuhrungsbeispiel zeigt eine Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils bei einem Kraft- stoffeinspritzventil 1 fur Brennkraftmaschinen von Kraft- fahrzeugen. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 ist vorliegend als ein Common-Rail-Injektor zur Einspritzung von Diesel- kraftstoff ausgebildet, wobei die Kraftstoffeinspritzung uber das Druckniveau in einem Ventilsteuerraum 12, welcher mit einer Hochdruckversorgung verbunden ist, gesteuert wird.

Einspritzbeginn, Einspritzdauer und Einspritzmenge werden uber Krafteverhaltnisse in dem Kraftstoffeinspritzventil 1 eingestellt, wobei ein Ventilglied 2 uber eine als piezo- elektrische Einheit mit einem piezoelektrischen Aktor 3 ausgebildete Aktuatorik angesteuert wird, welche auf der ventilsteuerraum-und brennraumabgewandten Seite des Ventilgliedes 2 angeordnet ist. Der piezoelektrische Aktor 3 ist in ublicher Weise aus mehreren Schichten aufgebaut und weist auf seiner dem Ventilglied 2 zugewandten Seite

einen Aktorkopf 4 sowie auf seiner dem Ventilglied abge- wandten Seite einen AktorfuS 5 auf, der sich an einer Wand eines Ventilkörpers 9 abstutzt. An dem Aktorkopf 4 liegt uber ein Auflager 6 ein erster Kolben 7 des Ventilgliedes 2 an, welcher in seinem Durchmesser gestuft ausgefuhrt ist.

Das Ventilglied 2 ist in einer als Langsbohrung ausgefuhr- ten Bohrung 8 des Ventilkörpers 9 ist axial verschiebbar angeordnet und umfaßt neben dem ersten Kolben 7 einen zweiten Kolben 10, welcher ein Ventilschließglied 13 betatigt. Die Kolben 7 und 10 des Ventilgliedes 2 sind mittels einer hydraulischen Ubersetzung miteinander gekoppelt, welche als Hydraulikkammer 11 ausgebildet ist.

Die Hydraulikkammer 11 schließt zwischen den beiden sie begrenzenden Kolben 7 und 10, von denen der zweite Kolben 10 mit einem kleineren Durchmesser als der erste Kolben 7 ausgefuhrt ist, ein gemeinsames Ausgleichsvolumen ein, uber das die Auslenkung des piezoelektrischen Aktors 3 ubertra- gen wird. Die Hydraulikkammer 11 ist dazu zwischen den Kolben 7 und 10 derart eingespannt, da6 der zweite Kolben 10 des Ventilgliedes 2 einen um das Ubersetzungsverhaltnis des Kolbendurchmessers vergößerten Hub macht, wenn der größere erste Kolben 7 durch den piezoelektrischen Aktor 3 um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird. Das Ventilglied 2, die Kolben 7 und 10 sowie der piezoelektrische Aktor 3 liegen dabei auf einer gemeinsamen Achse hintereinander.

Neben der hydraulischen Ubersetzung können uber das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer 11 auch Toleranzen aufgrund von Temperaturgradienten im Bauteil oder unter-

schiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien und eventuelle Setzeffekte ausge- glichen werden, ohne daS dadurch eine Anderung der Position des anzusteuernden VentilschlieSgliedes 13 auftritt.

An dem ventilraumseitigen Ende des Ventilgliedes 2 wirkt das kugelartige VentilschlieSglied 13 mit an dem Ventilkor- per 9 ausgebildeten Ventilsitzen 14, 15 zusammen, wobei das VentilschlieSglied 13 einen Niederdruckbereich 16 mit einem Systemdruck von einem Hochdruckbereich 17 mit einem Hochdruck bzw. Raildruck trennt.

An das piezoseitige Ende der Bohrung 8 schließt sich ein erster Ventildruckraum 20 an, welcher einerseits durch den Ventilkörper 9 und andererseits durch ein mit dem ersten Kolben 7 des Ventilgliedes 2 und dem Ventilkörper 9 verbundenes Dichtelement 22 begrenzt ist. Das Dichtelement 22 ist vorliegend als faltenbalgartige Membran ausgebildet und verhindert, da6 der piezoelektrische Aktor 3 mit dem in dem ersten Ventildruckraum 20 enthaltenen Kraftstoff in Kontakt kommt.

Uber einen kanalartigen Hohlraum 18 einer Befulleinrichtung 19 ist der erste Ventildruckraum 20 mit einem zu dem Ventilsteuerraum 12 des Hochdruckbereiches 17 fuhrenden zweiten Ventildruckraum 21 verbunden, in dem die Ventilsit- ze 14, 15 ausgebildet sind. Von diesem zweiten Ventildruck- raum 21, welcher je nach Stellung des VentilschlieSgliedes 13 mit dem Hochdruckbereich 17 verbindbar ist, fuhrt ein Leckageablaufkanal 29 ab, wobei in dem Leckageablaufkanal

29 eine Drossel 23 als Dämpfungsorgan fur die Verstellbewe- gung des VentilschlieSgliedes 13 angeordnet ist.

Des weiteren ist in dem zweiten Ventildruckraum 21 eine dem unteren Ventilsitz 15 zugeordnete Feder 27 vorgesehen, die das VentilschlieSglied 13 bei Entlastung des Ventilsteuer- raums 12 am oberen Ventilsitz 14 halt.

In dem in der Figur 1 lediglich angedeuteten Ventilsteuer- raum 12 ist ein bewegbarer Ventilsteuerkolben angeordnet, der in der Zeichnung nicht weiter dargestellt ist. Durch axiale Bewegungen des Ventilsteuerkolbens in dem Ventil- steuerraum 12 wird eine Einspritzduse des Kraftstoffein- spritzventils 1 auf an sich bekannte Weise gesteuert. In den Ventilsteuerraum 12 mundet üblicherweise auch eine Einspritzleitung, welche die Einspritzduse mit Dieselkraft- stoff versorgt. Die Einspritzleitung ist mit einem fur mehrere Kraftstoffeinspritzventile gemeinsamen Hochdruck- speicherraum (Common-Rail) verbunden.

Der kanalartige Hohlraum 18 der Befülleinrichtung 19 weist ventilniederdruckraumseitig ein den Systemdruck in dem ersten Ventildruckraum 20 regulierendes, federbelastetes Uberdruckventil 25 auf und ist mit einem als Drossel 24 ausgebildeten Dampfungsorgang ausgerustet.

In dem kanalartigen Hohlraum 18 ist hochdruckseitig des Uberdruckventils 25 ein als zylindrischer Stift ausgebilde- ter Festkorper 26 angeordnet, welcher mit dem ihn umgeben- den Ventilkörper 9 einen Spalt 28 begrenzt. Der zylindri- sche Stift 26 ist dabei aus einem Material hergestellt,

dessen Wärmeausdehnungskoeffizient deutlich uber dem des umgebenden Ventilkörpers 9, welcher ublicherweise aus Stahl ist, liegt. Besonders geeignet sind fur den zylindrischen Stift 26 Materialien, welche im wesentlichen aus Aluminium oder Kupfer bestehen. Mit einer derartigen Materialwahl wird bei zunehmender Temperatur eine viskositatsbedingte Zunahme des den zylindrischen Stift 26 der Befülleinrich- tung 19 umstromenden Volumenstroms stark begrenzt, wobei mit optimaler Materialwahl ein nahezu konstanter Volumen- strom bei Temperaturanderungen erzielbar ist.

Um eine bessere Oberflächengüte zu erzielen und den Zylinderkolben 26 gegen VerschleiS zu schutzen, ist dessen Oberfläche vergutet, wobei insbesondere eine Schutzschicht aus elektrisch oxydiertem Aluminium vorteilhaft ist.

Das Kraftstoffeinspritzventil 1 nach Figur 1 arbeitet in nachfolgend beschriebener Weise.

In geschlossenem Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 1, d. h. bei unbestromtem piezoelektrischen Aktor 3 wird das VentilschlieSglied 13 in Anlage an dem ihm zugeordneten oberen Ventilsitz 14 gehalten, so daß kein Kraftstoff aus dem Hochdruckbereich 17 in den zweiten Ventildruckraum 21 gelangen und durch den Leckageablaufkanal 29 entweichen kann.

Im Falle einer langsamen Betatigung, wie sie bei einer temperaturbedingten Langenanderung des piezoelektrischen Aktors 3 oder weiterer Ventilbauteile auftritt, dringt der als Stellkolben dienende erste Kolben 7 mit Temperaturerho-

hung in das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer 11 ein und zieht sich bei Temperatursenkung daraus zuruck, ohne da6 dies Auswirkungen auf die SchlieS-und Offnungsstellung des Ventilgliedes 2 und des Kraftstoffventils 1 insgesamt hat.

Fur eine Einspritzung durch das Kraftstoffeinspritzventil 1 wird der piezoelektrische Aktor 3 bestromt, wodurch sich dieser schlagartig axial ausdehnt. Bei einer derart schnellen Betatigung des piezoelektrischen Aktors 3 stutzt sich dieser an dem Ventilkorper 9 ab und bewegt den zweiten Kolben 10 mit dem VentilschlieSglied 13 von seinem oberen Ventilsitz 14 in eine Mittelstellung zwischen den beiden Ventilsitzen 14 und 15. Durch die Stellbewegung des Ventilgliedes 2 wird das Volumen des ersten Ventildruckrau- mes 20 mittels der Membran 22 verringert, wodurch sich der Systemdruck in dem ersten Ventildruckraum 20 entsprechend erhoht. Diese Druckerhöhung kann nicht sofort durch das Uberdruckventil 25 abgebaut werden, da die Drossel 24 den Systemdruck kurz aufstaut. Dadurch wirkt eine hydraulische Gegenkraft auf die Membran 22 gegen die Stellbewegung des Ventilgliedes 2. Somit wird die Stellbewegung gedampft und das VentilschlieSglied 13 wird in seiner Mittelstellung stabilisiert.

Nach Abbau des Systemdruckes durch das Uberdruckventil 25 kann das SchlieBglied 13 in seine Schließstellung an den unteren Ventilsitz 15 bewegt werden, wodurch kein Kraft- stoff mehr aus dem Ventilsteuerraum 12 in den zweiten Ventildruckraum 21 eindringen kann. Die Kraftstoffeinsprit- zung ist dann beendet.

Wenn anschließend die Bestromung des piezoelektrischen Aktors 3 unterbrochen wird, bewegt sich das Ventilglied wieder in seine Mittelstellung, und es erfolgt eine Kraftstoffeinspritzung. Durch den unteren Ventilsitz 15 kann Kraftstoff in den zweiten Ventildruckraum 21 eindrin- gen, wobei die Drossel 23 in dem Leckageablaufkanal 29 wiederum eine Dampfung der Stellbewegung des Ventilgliedes 2 bewirkt.

Zum Ausgleich der durch das Uberdruckventil 25 und den Leckageablaufkanal 29 abgefuhrten Menge an Kraftstoff wird in abgehobener Stellung des Ventilschließgliedes 13 von seinem unteren Ventilsitz 15 eine möglichst dem Leckagever- lust entsprechende Kraftstoffmenge uber den kanalartigen Hohlraum 18 mit dem Spalt 28 von dem Hochdruckbereich 17 in den Niederdruckbereich 16 gefuhrt. Im Hochdruckbereich kann dabei ein Raildruck von 200 bis 1800 bar herrschen, wahrend der Systemdruck im Niederdruckbereich beispielsweise 30 bar betragen kann und der uber den Leckageablaufkanal 22 zu einem Tank zuruckgeforderte Kraftstoff einen niedrigen Druck von beispielsweise 1 bar aufweisen kann.

Mit der erfindungsgemäßen Gestaltung des Festkorpers bzw.

Zylinderkolben 28 mit einem großen Warmeausdehnungsvermogen kann der Spalt 28 so gros dimensioniert werden, da6 auch bei extrem niedrigen Temperaturen mit einem zur Versulzung neigenden Dieselkraftstoff die Bereitstellung des System- drucks im Niederdruckbereich 16 sichergestellt ist. Bei zunehmenden Temperaturen wird der Spalt 28 durch die Ausdehnung des Zylinderkolbens 26 kleiner, wobei die

Verkleinerung des Spaltes 28 der Viskositatsanderung des Dieselkraftstoffes entgegenlauft und somit die Leckolmenge in den Niederdruckbereich 16 im mittleren und oberen Temperaturbereich soweit mindert, da6 allenfalls eine sehr geringe Menge an überschüssigem Kraftstoff im Niederdruck- bereich 16 uber das Uberdruckventil 25 abgelassen werden mus.

Bezug nehmend auf Figur 2 ist ein zweites Ausfuhrungsbei- spiel des Kraftstoffeinspritzventils dargestellt, welches im Prinzip wie das zu Figur 1 beschriebene Kraftstoffein- spritzventil arbeitet. Aus Grunden der Ubersichtlichkeit sind funktionsgleiche Bauteile mit den in Figur 1 verwende- ten Bezugszeichen bezeichnet.

Gegenüber der Ausfuhrung nach Figur 1 unterscheidet sich das hier gezeigte Kraftstoffeinspritzventil 1 darin, daS der kanalartige Hohlraum 18 statt in den ersten Ven- tildruckraum 20, welcher hier eine zu einem Tank fuhrende Leckageleitung 30 aufweist, nunmehr auf der dem Nieder- druckbereich 16 zugewandten Seite der Befülleinrichtung 19 in einen den ersten Kolben 7 umgebenden Spalt 31 mundet, wobei im Mündungsbereich eine Ringnut 32 vorgesehen ist.

Diese Ausfuhrung hat den Vorteil, da6 nur ein äußerst geringes Volumen aus dem Systemdruckbereich verdrangt wird, so da6 die kontinuierliche Leckage des Systems bei dem erfindungsgemäßen Ventil auf ein Minimum reduziert wird, wobei jedoch eine kontinuierliche Durchstromung der Hydraulikkammer 11 und damit ein Ausspülen von gegebenen- falls in diese eingetretene Luft gewahrleistet ist. Daneben

kann die Wiederbefullung der Hydraulikkammer 11 in vorteil- hafter Weise mit hohem Druck erfolgen, so daS eine mög- lichst schnelle Wiederbefullung nach einem eventuellen Leckageverlust durch den Spalt 31 oder einen den zweiten Kolben 10 umgebenden Spalt 32 erreicht wird. Auf diese Weise kann auch das Zeitintervall zwischen den Kraftstoff- einspritzungen sehr gering gehalten werden, wodurch hohe Motordrehzahlen realisiert werden konnen. Gegenuber der Ausfuhrung nach Figur 1 werden bei der Ausfuhrungsvariante nach Figur 2 mit einer Ausbildung des niederdruckseitigen Teiles des kanalartigen Hohlraums 18 und der Ringnut 32 als Systemdruckraum Druckstöße auf das Dichtelement 22, welches hier ebenfalls eine Membran ist, vermieden, was insbesonde- re bei Verwendung von stoßempSindlichen Dichtmaterialien vorteilhaft ist.

Selbstverstandlich kann eine alternative Ausfuhrung auch vorgesehen sein, daß der kanalartige Hohlraum 18 von dem Festkorper bzw. zylindrischen Stift 28 der Befulleinrich- tung 19 zu dem den zweiten Kolben 10 umgebenden Spalt 32 fart.

Dabei ist durch die erfindungsgemåße Ausfuhrung des Festkorpers 26 mit einer großen Warmeausdehnungsfahigkeit und der Dimensionierung des Spaltes 28 auch hier gewahrlei- stet, daß die Bereitstellung des Systemdrucks auch bei einem minimalen Hochdruck und sehr niedrigen Temperaturen des Kraftstoffes noch gesichert ist. Wenn die Kraftstoff- temperatur ansteigt, z. B. aufgrund einer erhöhten Rucklauf- menge bei hoher Last und einer entsprechend hohen Abgabe von thermischer Energie der Hochdruckpumpe an den Kraft-

stoff, verkleinert sich der Spalt 28 durch Ausdehnung des zylindrischen Stiftes 26 derart, daS die viskositatsbeding- te Zunahme des den zylindrischen Stift 26 umstromenden Volumenstroms wenigstens teilweise begrenzt wird.

Die Erfindung kann selbstverstandlich nicht nur bei den hier als bevorzugtes Einsatzgebiet beschriebenen Common- Rail-Injektoren Verwendung finden, sondern generell bei Kraftstoffeinspritzventilen oder auch in anderen Umfeldern, wie z. B. bei Pumpen verwirklicht werden.