Die Hydraulikkammer, welche als eine sogenannte hydraulische Übersetzung arbeitet, schließt zwischen zwei sie begrenzen- den Kolben, von denen ein Kolben mit einem kleineren Durch- messer ausgebildet ist und mit einem anzusteuernden Ventil- glied verbunden ist und der andere Kolben mit einem großeren Durchmesser ausgebildet ist und mit dem piezoelektrischen Aktor verbunden ist, ein gemeinsames Ausgleichsvolumen ein.

Die Hydraulikkammer ist derart zwischen den beiden Kolben eingespannt, daß der Betätigungskolben des Ventilgliedes, das in seiner Ruhelage mittels einer oder mehrerer Federn relativ zu einer vorgegebenen Position gehalten ist, einen

um das Ubersetzungsverhältnis des Kolbendurchmessers vergro- ßerten Hub macht, wenn der großere Kolben durch den piezo- elektrischen Aktor um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird.

Das Ventilglied, die Kolben und der piezoelektrische Aktor liegen dabei auf einer gemeinsamen Achse hintereinander.

Uber das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer können Tole- ranzen aufgrund von Temperaturgradienten im Bauteil oder unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien sowie eventuelle Setzeffekte ausge- glichen werden, ohne daß dadurch eine Anderung der Position des anzusteuernden Ventilgliedes auftritt.

Ein Ausgleich von Langenanderungen des piezoelektrischen Aktors, des Ventilgliedes oder des Ventilgehäuses durch die zwischen zwei Kolben angeordnete Hydraulikkammer erfordert jedoch eine aufwendige Konstruktion und ist hinsichtlich der auftretenden Leckageverluste und der Wiederbefüllung der Hydraulikkammer problematisch.

Des weiteren ist es hinlanglich bekannt, daß ein piezoelek- trischer Aktor aus mehreren dünnen Schichten aufgebaut ist, um einen möglichst großen Hub zu erzielen. Damit sich diese Schichten bei einer Bestromung des piezoelektrischen Aktors nicht voneinander lösen, muß der piezoelektrische Aktor vorgespannt werden, wobei die dabei aufzubringende Kraft annähernd 1000 N betragen kann.

In der Praxis werden zur Vorspannung des piezoelektrischen Aktors entweder Tellerfedern oder Bandfedern eingesetzt.

Nachteilig ist dabei, daß die zur Vorspannung benötigten Federn einen aufwendigen Aufbau bedingen und einen großen Bauraum benötigen, wobei letzteres zu einem entsprechend großen Durchmesser des gesamten Ventils fuhrt, wodurch die

Einbaumöglichkeiten des Ventils begrenzt werden. Des weite- ren hat die Verwendung von Federn als Vorspannelemente den Nachteil, daß diese über die Dauer ihrer Benutzung Reibrost verursachen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil zur Steuerung von Flüssigkeiten zu schaffen, bei dem die Vor- spannung eines piezoelektrischen Aktors und ein Toleranzaus- gleich mit geringem Bauraumbedarf bei einem einfachen Aufbau mit möglichst wenigen Bauteilen realisiert ist.

Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemaße Ventil zur Steuerung von Flüssigkeiten mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, daß mit der als hydraulische Feder ausgebilde- ten Hydraulikkammer gleichzeitig ein Vorspannelement für den piezoelektrischen Aktor und ein Ausgleichselment für insbe- sondere temperaturbedingte Langungstoleranzen realisiert ist.

Bei dem erfindungsgemaßen hydraulischen Vorspannelement mit integriertem Toleranzausgleich für den piezoelektrischen Aktor wird die Vorspannung hydraulisch und mit geringem Raumbedarf dargestellt, wobei durch den Verzicht auf Federn oder sonstige mechanische Vorspannelemente eine gewunschte schlanke Bauform des gesamten Ventils möglich ist.

Durch die Verringerung der erforderlichen Bauteile zur Dar- stellung eines Vorspannelementes und eines Toleranz- ausgleichselementes, welches erfindungsgemaß in das Vorspan- nelement integriert ist, können die Herstellungskosten und der Montageaufwand deutlich reduziert werden.

Ein bedeutender Vorteil der Erfindung besteht des weiteren darin, daß durch Dimensionierung der Hydraulikkammer, der hydraulischen Feder und des in sie eintauchenden Kolbens die Gesamtsteifigkeit des Systems erhöht werden kann. Da die Steifigkeit der hydraulischen Feder von der Querschnittsflä- che des Kolbens abhängig ist, kann bei gleichem Druck die Steifigkeit der hydraulischen Feder und damit die Vorspann- kraft auf den piezoelektrischen Aktor erhöht werden, wenn die Querschnittsfläche des in die Hydraulikkammer eintau- chenden Kolbens entsprechend vergrößert wird. Im statischen Fall kann auch bei hoher Federrate eine nachteilige Lange- nanderung der Gesamteinrichtung vermieden werden, wenn der piezoelektrische Aktor, das Ventilglied oder der Ventilkor- per seine Lange z. B. bei Erwarmung ändert. Zum anderen ist bei einer dynamischen Betatigung die Steifigkeit der hydrau- lischen Feder, an der sich der Kolben abstützt, um so grö- ßer, je größer der Durchmesser des Kolbens gewählt wird.

Dabei ergibt sich zudem der Vorteil, daß die Hubverluste des Kolbens mit zunehmendem Durchmesser abnehmen.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegen- standes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung Zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Ventils zur Steuerung von Flüssigkeiten sind in der Zeichnung darge- stellt und werden in der folgenden Beschreibung naher erläu- tert. Es zeigen Figur 1 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines erstes Ausführungsbeispiels der Erfindung bei einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen im Längs- schnitt, und

Figur 2 eine schematische, ausschnittsweise Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels bei einem Kraftstoffein- spritzventil im Längsschnitt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele Das in der Figur 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel zeigt eine Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils bei einem Kraftstoffeinspritzventil 1 für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 ist vorliegend als ein Common-Rail-Injektor ausgebildet.

Zur Einstellung eines Einspritzbeginns, einer Einspritzdauer und einer Einspritzmenge tuber Kräfteverhältnisse in dem Kraftstoffeinspritzventil 1 wird ein Ventilglied 2 über einen piezoelektrischen Aktor 3 angesteuert, welcher auf der brennraumabgewandten Seite des Ventilgliedes 2 in einer Piezokammer 4 angeordnet ist.

Das kolbenförmige Ventilglied 2 ist axial verschiebbar in einer als Langsbohrung ausgefuhrten Bohrung 5 eines Ventil- körpers 6 angeordnet und weist an seinem brennraumseitigen Ende einen kugelartigen, ein Ventilschließglied bildenden Ventilkopf 7 auf. Der Ventilkopf 7 wirkt mit einem an dem Ventilkörper 6 ausgebildeten Sitz 8 zusammen, wobei in abge- hobenem Zustand des Ventilkopfes 7 eine Verbindung zu einem Federraum 9 mit einer eine Rückstellkraft auf den nach außen öffnenden Ventilkopf 7 ausübenden Feder 10 hergestellt wird.

An den Federraum 9 schließt sich brennraumseitig eine Ab- laufdrossel 11 an, die zu einem Ventilsteuerraum 12 führt, in welchen eine in Figur 1 nur symbolisch angedeutete Ein- spritzleitung 13 mundet, die ihrerseits von einem für alle Kraftstoffeinspritzventile gemeinsamen Hochdruckspeicherraum (Common-Rail) 14 abführt. Der Hochdruckspeicherraum 14 wird

dabei in bekannter Weise von einer Kraftstoffhochdruckfor- derpumpe mit Kraftstoff hohen Druckes aus einem Vorratstank befüllt.

Der piezoelektrische Aktor 3 ist aus mehreren Schichten aufgebaut und weist auf seiner brennraumzugewandten Seite einen Aktorkopf 15 sowie auf seiner brennraumabgewandten Seite einen Aktorfuß 16 auf. An dem Aktorkopf 15 ist ein Stellkolben 17 befestigt, welcher von der Piezokammer 4 aus durch ein Auflager 18 für den Aktorkopf 15 an der brennraum- seitigen Wand der Piezokammer 4 in die Langsbohrung 5 reicht, in welcher das Ventilglied 2 gelagert ist. Dabei ist die Piezokammer 4 im Bereich des Stellkolbens 17 gegenuber der Längsbohrung 5 mit einer Dichteinrichtung 19 abgedich- tet. Der Aktorfuß 16 ist fest mit einem weiteren Kolben 20 verbunden, der in eine Hydraulikkammer 21 eintaucht, welche auf der dem Ventilglied 2 abgewandten Seite des piezoelek- trischen Aktors 3 in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzven- tils 1 oberhalb der Piezokammer 4 angeordnet ist. Dabei ist die Piezokammer 4 über eine weitere Dichteinrichtung 22 im Bereich des in die Hydraulikkammer 21 fuhrenden Kolbens 20 gegenuber dieser abgedichtet.

Die im wesentlichen abgeschlossene Hydraulikkammer 21 ist mit dem in ihr enthaltenen Druckmedium, welches aus einer Niederdruckquelle mit einem gegenuber dem Druckniveau des Hochdruckspeicherraums 14 entspannten Druck zugefuhrt wird, als eine hydraulische Feder konzipiert, welche über eine in dem Ventilkörper 6 ausgebildete Hydraulikleitung 23 mit der das Ventilglied 2 enthaltenden Längsbohrung 5 verbunden ist.

Dabei übt die hydraulische Feder eine Doppelfunktion aus, denn zum einen dient sie als Vorspannelement des piezoelek- trischen Aktors 3 und zum anderen ist sie ein Toleranzaus- gleichselement.

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

In geschlossenem Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 1, d. h. bei unbestromten piezoelektrischen Aktor 3 wird der Ventilkopf 7 des Ventilglieds 2 in Anlage an dem ihm zuge- ordneten Sitz 8 gehalten, so daß kein Kraftstoff aus dem mit dem Hochdruckspeicherraum 14 verbundenen Ventilsteuerraum 12 in den Bereich der Längsbohrung 5 gelangen kann. Aufgrund eines leicht erhöhten Systemdrucks in der Hydraulikkammer 21 von annähernd 65 bar in der vorliegenden Ausführung wird der piezoelektrische Aktor 3 zwischen der Hydraulikfeder und dem brennraumseitigen Auflager 18 eingespannt.

Da sich die Federrate der hydraulischen Feder mit zunehmen- dem Durchmesser des in die Hydraulikkammer 21 ragenden Kol- bens 20 proportional erhöht, kann die Vorspannkraft des piezoelektrischen Aktors 3 tuber den Durchmesser des Kolbens 20 eingestellt werden, wobei ein möglichst großer Kolben- durchmesser vorteilhaft ist. Im vorliegenden Ausführungsbei- spiel ist ein Kolbendurchmesser von 14 mm ausreichend, um eine Vorspannkraft von 1000 N bei dem Systemdruck von 65 bar zu erzielen. Selbstverstandlich können vom Fachmann hiervon abweichende, dem Einzelfall angepaßte Werte gewahlt werden.

Im Falle einer langsamen Betatigung, wie sie bei einer tem- peraturbedingten Langenanderung des piezoelektrischen Aktors 3 oder weiterer Ventilbauteile wie z. B. des Ventilglieds 2 oder des Ventilgehäuses bzw. Ventilkörpers 6 auftritt, dringt der Kolben 20 mit Temperaturerhöhung in das Aus- gleichsvolumen der Hydraulikkammer 21 ein oder zieht sich bei Temperaturabsenkung daraus zuruck, ohne daß die Auswir-

kungen auf die Schließ-und Offnungsstellung des Ventilglie- des 2 und des Kraftstoffventils 1 insgesamt hat.

Wenn eine Einspritzung durch das Kraftstoffeinspritzventil 1 erfolgen soll, wird der piezoelektrische Aktor 3 bestromt, wodurch dieser seine axiale Ausdehnung schlagartig vergrö- ßert. Bei einer derartigen schnellen Betatigung des piezo- elektrischen Aktors 3 stützt sich dieser auf dem Auflager 18 und mit dem in die Hydraulikkammer 21 ragenden Kolben 20 auf der hydraulischen Feder ab, infolgedessen Hydraulikmedium aus der Hydraulikkammer 21 tuber die Hydraulikleitung 23 in die Langsbohrung 5 des Ventilgliedes 2 verschoben wird, wodurch sich der Ventilkopf 7 des Ventilgliedes 2 von seinem Sitz 8 in eine geöffnete Stellung abhebt. Auch hier wirkt sich die erhöhte Steifigkeit durch einen relativ groß dimen- sionierten Durchmesser des Kolbens 20 positiv aus.

Bezug nehmend auf Figur 2 ist ein zweites Ausfuhrungsbei- spiel des Kraftstoffeinspritzventils 1 dargestellt, bei der aus Gründen der Ubersichtlichkeit funktionsgleiche Bauteile mit den in Figur 1 verwendeten Bezugszeichen bezeichnet sind. Gegenüber der Ausführung nach Figur 1 unterscheidet sich das hier gezeigte Kraftstoffeinspritzventil 1 darin, daß das Volumen der mit dem piezoelektrischen Aktor 3 zusam- menwirkenden Hydraulikkammer 21 von extern veränderbar ist.

Hierzu ist als Justiereinrichtung 24 im vorliegenden Ausfüh- rungsbeispiel eine schematisch dargestellte Stellschraube in einer Bohrung 25 vorgesehen, welche derart positioniert ist, daß die Stellschraube 24 bei Bedarf in die Hydraulikkammer 21 ragend einschraubbar ist, wodurch das Ausgleichsvolumen je nach Veränderung der Stellung der Stellschraube 24 ver- kleinert oder vergrößert wird. Mit dieser Maßnahme können in begrenztem Maße Mengentoleranzen ausgeglichen werden, da die

Steifigkeit des Ausgleichsvolumens umgekehrt proportional zum Volumen ist. Je nach Steifigkeit der hydraulischen Feder in der Hydraulikkammer 21 kann das Öffnungsverhalten des Kraftstoffeinspritzventils 1 und damit die Einspritzmenge beeinflußt werden. Somit ermöglicht die Stellschraube 24 eine externe Nachjustage der Einspritzmenge durch Korrektur des Ausgleichsvolumens in der Hydraulikkammer 21.

Des weiteren ist bei der Ausführung nach Figur 2 die Dicht- einrichtung 22 zur Abtrennung der Hydraulikkammer 21 von der Piezokammer 4 in einem Bereich des in die Hydraulikkammer 21 ragenden Kolbens 20 angeordnet, welcher innerhalb der Piezo- kammer 4 liegt, so daß von dieser eine Ringkammer 26 mit dem Durchmesser der Piezokammer 4 abgetrennt ist. Wie bei der Ausführung nach Figur 1 hat die Dichteinrichtung 22 auch hier die Funktion, den piezoelektrischen Aktor 3 vor einem eventuell in dem Hydraulikmedium enthaltenen Wasseranteil und schädlichen Partikeln wie z. B. Spanen zu schützen.

Die Hydraulikleitung 23 mundet hier in die Ringkammer 26, welche tuber einen Ringspalt 27 mit der Hydraulikkammer 21 verbunden ist. Zur Verbesserung des Befüllverhaltens ist im Bereich des Ringspalts 27 an dem Kolben 20 eine Befüllfläche 28 ausgeformt.

In beiden beschriebenen Ausführungen ist das Hydraulikmedium zur Befüllung der Hydraulikkammer 21 der Kraftstoff, welcher auch in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einge- spritzt wird.

Bei einer geeigneten Trennung zwischen der Kraftstoffzufüh- rung und der Abführung des an dem Sitz 8 des Ventilkopfes 7 austretenden Hydraulikmediums sowie einer Nachführung von

Leckageverlusten ist es auch möglich, separates Öl wie z. B.

Motoröl als Hydraulikmedium einzusetzen.