Aus der DE 197 328 02 ist ein derartiges Ventil bei einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftma- schinen mit einer Kraftstoffhochdruckquelle bekannt.

Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung besitzt zwei Ventil- sitze, die mit Dichtflächen eines Ventilschließglieds bei Betätigung durch einen Piezoantrieb in einer Bewe- gungsabfolge zusammenwirken, wobei sich das Ventil- schließglied anfänglich in Schließstellung an dem er- sten Ventilsitz befindet, dann in eine Zwischenstellung zwischen die Ventilsitze gebracht wird, um anschließend wieder in eine Schließstellung an den zweiten Ventil- sitz zu gelangen. Hierzu wird ein piezoelektrischer Aktor auf eine raildruckabhängige Spannung geladen, welche eine Längung des Aktors und eine daraus resul-

tierende Bewegung des Ventilschließgliedes zu dem zwei- ten Ventilsitz zur Folge hat. Zur Umkehrbewegung des Ventilschließgliedes in Richtung des ersten Ventilsit- zes wird der Aktor wieder entladen.

Auf diese Weise wird durch den Bewegungsablauf des Ven- tilschließglieds vom einen zum anderen Ventilsitz eine kurzzeitige Entlastung eines unter Hochdruck stehenden Ventilsteuerraumes erreicht, über dessen Druckniveau eine Öffnungs-bzw. Schließstellung einer Ventilnadel in der kraftausgeglichen ausgebildeten Kraftstoffein- spritzvorrichtung bestimmt und somit die Kraftstoffein- spritzung gesteuert wird. Die Kraftstoffeinspritzung wird dabei ermöglicht, während sich das Ventilschließ- glied in einer Zwischenstellung zwischen den beiden Ventilsitzen befindet. Auf diese Weise soll eine zwei- fache Kraftstoffeinspritzung, z. B. eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung, mittels einer einzigen Er- regung des Piezoantriebes realisiert werden.

Jedoch hat sich gezeigt, daß Überschwingungen des Ven- tilschließglieds auftreten können, wenn dieses in eine Mittelstellung zwischen den beiden Ventilsitzen ge- bracht werden soll. Sobald das Ventilschließglied zu weit in Richtung des ersten oder des zweiten Ventilsit- zes schwingt, kann dies in nachteiliger Weise zu Unge- nauigkeiten bei der Dosierung der Einspritzmenge füh- ren. Dieses Problem besteht speziell bei hohen Raildrücken.

Des weiteren kann bei arbeitspunkt-bzw. raildruckab- hängigen höheren Spannungen auf den Piezoantrieb und damit sehr schnellen Stellbewegungen die Zeit, in der sich das Ventilschließglied in der Mittelstellung be- findet, so kurz sein, daß dies ohne Auswirkungen auf die Ventilnadel bleibt und keine Kraftstoffeinspritzung stattfindet.

Es sind Versuche bekannt, die Mittelstellung des Ven- tilschließglieds zwischen den Ventilsitzen mittels ge- eigneter Dimensionierung einer Feder zu stabilisieren, welche häufig zwischen dem zweiten Ventilsitz und dem Ventilschließglied angeordnet ist, um letzteres bei Druckentlastung des Ventilsteuerraumes in Schließstel- lung an dem ersten Ventilsitz zu halten. Dies hat je- doch den Nachteil, daß das Ventilschließglied über sei- nen gesamten Stellweg entgegen der Federkraft aus dem ersten Ventilsitz heraus in seine Schließstellung an dem zweiten Ventilsitz bewegt werden müßte. Demzufolge müßte der Piezoantrieb entsprechend groß dimensioniert werden, wodurch die Fertigungskosten und die konstruk- tiven Abmessungen der Einspritzvorrichtung negativ be- einflußt werden.

Es besteht auch die Möglichkeit, den piezoelektrischen Antrieb so zu steuern, daß dieser zur Bewegung des Ven- tilschließglieds vom ersten zum zweiten Ventilsitz grundsätzlich mit so hoher Spanung beladen wird, daß die Zeit, in der sich das Ventilschließglied in Zwi- schenstellung befindet, zu kurz ist, um Auswirkungen auf das Öffnungsverhalten des Ventils insgesamt zu ha-

ben. Die Einspritzung könnte dadurch erzielt werden, daß bei der Rückbewegung in den ersten Ventilsitz die Spannung auf den Piezoantrieb stufenweise reduziert wird, wobei die Einspritzdauer und damit die Einspritz- menge über die Dauer einer Beaufschlagung des piezo- elektrischen Aktors mit einer mittleren Spannung ge- steuert wird. Nachteilhafterweise geht dabei aber der Effekt eines doppelschaltenden Ventils verloren. Des weiteren ist diese Lösung energetisch, insbesondere hinsichtlich der Leistungsaufnahme und der Verlustlei- stung, zumindest bei hohen Drehzahlen und mehreren Ein- spritzungen problematisch.

Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Ventil zur Steuerung von Flüssig- keiten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. 6 hat den Vorteil, daß die Stellbewegungen des Ventil- schließgliedes mittels einer erfindungsgemäßen Feder- einrichtung derart gedämpft werden, daß das Ventil- schließglied in seiner Zwischen-bzw. Mittelstellung zwischen den beiden Ventilsitzen durch einfache und kostengünstige Mittel mechanisch stabilisiert wird.

Die Erfindung ermöglicht die sichere Realisierung eines mittleren Ventilhubes unabhängig von einem am zweiten Ventilsitz vorherrschenden Hochdruck, wobei das Ventil mit einer energetisch günstigen Ansteuerung grundsätz- lich doppelschaltend betrieben werden kann. Damit kön- nen auch hochfrequente und kleine Einspritzungen von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoff, durch das

erfindungsgemäße Ventil exakt vorgenommen werden, ohne daß es dabei zu Schwankungen bei der Einspritzmenge durch Überschwingungen des Ventilschließgliedes kommt oder eine Einspritzung völlig ausbleibt.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes 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 dargestellt und werden in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine schematische, ausschnittsweise Darstel- lung eines erstes Ausführungsbeispiels der Erfindung bei einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftma- schinen im Längsschnitt, wobei sich ein Ventilschließ- glied in einer Zwischenstellung zwischen dem ersten Ventilsitz und einem zweiten Ventilsitz befindet ; Figur 2 einen schematischen Querschnitt entlang der Linie I-I in Figur l ; Figur 3 ein Schaubild eines qualitativen Verlaufes einer Kraft, welche die Bewegung des Ventilschließglie- des in dessen Zwischenstellung dämpft ; und Figur 4 eine schematische, ausschnittsweise Darstel- lung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung bei einem Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftma- schinen im Längsschnitt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele Das in Figur 1 und Figur 2 dargestellte erste Ausfüh- rungsbeispiel zeigt eine Verwendung des erfindungsgemä- ßen Ventils bei einem Kraftstoffeinspritzventil 1 für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen. Das Kraftstof- feinspritzventil 1 ist vorliegend als ein Common-Rail- Injektor ausgebildet, wobei die Kraftstoffeinspritzung über das Druckniveau in einem Ventilsteuerraum 2, wel- cher mit einer Hochdruckversorgung verbunden ist, ge- steuert wird.

Zur Einstellung eines Einspritzbeginns, einer Ein- spritzdauer und einer Einspritzmenge über Kräftever- hältnisse in dem Kraftstoffeinspritzventil 1 wird ein Ventilglied 3 über eine mit einem piezoelektrischen Aktor 4 ausgebildete piezoelektrische Einheit angesteu- ert, welche auf der ventilsteuerraum-und brennraumab- gewandten Seite des Ventilgliedes 3 angeordnet ist.

Der piezoelektrische Aktor 4 ist in bekannter Weise aus mehreren Schichten aufgebaut und weist auf seiner dem Ventilglied 2 zugewandten Seite einen Aktorkopf 5 sowie auf seiner dem Ventilglied abgewandten Seite einen Ak- torfuß 6 auf, der sich an einem Ventilgehäuse 7 ab- stützt. An dem Aktorkopf 5 liegt über ein Auflager 8 ein Stellkolben 9 des Ventilgliedes 3 an, welcher in seinem Durchmesser gestuft ausgeführt ist.

Das Ventilglied 3 ist axial verschiebbar in einer als Längsbohrung ausgeführten Bohrung 10 des Ventilgehäuses

7 angeordnet und umfaßt neben dem Stellkolben 9 noch einen ein kugelförmiges Ventilschließglied 11 betäti- genden Betätigungskolben 12. Der Stellkolben 9 und der Betätigungskolben 12 sind mittels einer hydraulischen Übersetzung miteinander gekoppelt.

Die hydraulische Übersetzung ist als Hydraulikkammer 13 ausgebildet, die die Auslenkung des piezoelektrischen Aktors 4 überträgt. Die Hydraulikkammer 13 schließt zwischen den beiden sie begrenzenden Kolben 9 und 12, von denen der Betätigungskolben 12 mit einem kleineren Durchmesser und der Stellkolben 9 mit einem größeren Durchmesser ausgebildet ist, ein gemeinsames Aus- gleichsvolumen ein.

Die Hydraulikkammer 13 ist derart zwischen dem Stell- kolben 9 und dem Betätigungskolben 12 eingespannt, daß der Betätigungskolben 12 einen um das Übersetzungsver- hältnis des Kolbendurchmessers vergrößerten Hub macht, wenn der größere Stellkolben 9 durch den piezoelektri- schen Aktor 4 um eine bestimmte Wegstrecke bewegt wird.

Der Stellkolben 9, der Betätigungskolben 12 und der piezoelektrische Aktor 4 liegen dabei auf einer gemein- samen Achse hintereinander.

Über das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer 13 kön- nen neben der hydraulischen Kraftübertragung auch Tole- ranzen aufgrund von Temperaturgradienten im Bauteil oder unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizien- ten der verwendeten Materialien sowie eventuelle Setzeffekte ausgeglichen werden, ohne daß dadurch eine

Änderung der Position des anzusteuernden Ventilschließ- gliedes 11 auftritt. Die Befüllung der Hydraulikkammer 13 ist in Figur 1 nicht weiter dargestellt.

An dem ventilsteuerraumseitigen Ende des Ventilgliedes 3 bzw. Betätigungskolbens 12 wirkt das kugelartige Ven- tilschließglied 11 in einem Ventilraum 17 mit an dem Ventilgehäuse 7 ausgebildeten Ventilsitzen 14,15 zu- sammen, wobei der erste bzw. obere Ventilsitz 14 zu einem Niederdruckbereich 18 und der zweite bzw. untere Ventilsitz 15 zu dem unter Hochdruck stehenden Ventil- steuerraum 2 führt. Dem unteren Ventilsitz 15 ist eine Feder 16 zugeordnet, die das Ventilschließglied 11 bei Entlastung des Ventilsteuerraums 2 am oberen Ventilsitz 14 hält.

In dem Ventilsteuerraum 2 des Hochdruckbereiches 19 ist ein bewegbarer Ventilsteuerkolben angeordnet, der in der Zeichnung nicht weiter dargestellt ist. Durch axia- le Bewegungen des Ventilsteuerkolbens in dem Ventil- steuerraum 2 wird eine Einspritzdüse des Kraftstoffein- spritzventils 1 auf an sich bekannte Weise gesteuert.

In den Ventilsteuerraum 2 mündet üblicherweise auch eine Einspritzleitung, welche die Einspritzdüse mit Kraftstoff versorgt. Die Einspritzleitung ist mit einem für mehrere Kraftstoffeinspritzventile gemeinsamen Hochdruckspeicherraum (Common-Rail) verbunden. Der Hochdruckspeicherraum wird dabei in bekannter Weise von einer Kraftstoffhochdruckförderpumpe mit Kraftstoff hohen Druckes aus einem Vorratstank gespeist.

Zur Stabilisierung des Ventilschließgliedes 11 in sei- ner Mittelstellung ist in einem Bereich zwischen der Hydraulikkammer 13 und dem Ventilraum 17, in dem das Ventilschließglied 11 angeordnet ist, eine Federein- richtung 20 angeordnet. Die Federeinrichtung 20 wirkt im Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils 1 mit einer Verjüngung 21 an dem Betätigungskolben 12 zusammen, wobei die Verjüngung 21 und die Federeinrichtung 20 zueinander derart angeordnet sind, daß sie miteinander in Eingriff stehen, wenn das Ventilschließglied 11 in seiner Zwischenstellung ist.

Wie in Figur 1 und Figur 2 zu erkennen ist, ist die Federeinrichtung 20 in der gezeigten Ausführung mit einer Spannfeder 22 ausgebildet, welche an ihren dem Ventilglied 3 bzw. Betätigungskolben 12 abgewandten Ende an dem Ventilgehäuse 7 abgestützt ist und an ihrem anderen, dem Betätigungskolben 12 zugewandten Ende eine Gleiteinrichtung 23 aufweist.

In der vorliegenden Ausführung ist die Gleiteinrichtung 23 mit drei gleichmäßig über den Umfang des Betäti- gungskolbens 12 verteilten Kugeln 24 ausgebildet, wel- che mit der Geometrie der Verjüngung 21 an dem Betäti- gungskolben 12 so zusammenwirken, daß das Ventil- schließglied 11 in seiner Mittelposition während einer Stellbewegung abgebremst wird. Die Position der Kugeln 24 und die Geometrie der Verjüngung 21 des Betätigungs- kolbens 12 sind vom Fachmann entsprechend der gewünsch- ten Abbremsung des Ventilschließgliedes 11 anzupassen.

An das piezoseitige Ende der Bohrung 10 schließt sich ein Ventilsystemdruckraum 25 an. Dieser ist einerseits durch das Ventilgehäuse 7 und andererseits durch ein mit dem Stellkolben 9 des Ventilgliedes 3 und dem Ven- tilgehäuse 7 verbundenes Dichtelement 26 begrenzt, wel- ches vorliegend als faltenbalgartige Membran ausgebil- det ist und verhindert, daß der piezoelektrischen Aktor 4 mit dem in dem Ventilsystemdruckraum 25 enthaltenen Kraftstoff in Kontakt kommt. Zur Befüllung des Nieder- druckbereiches 18 ist schematisch eine Befülleinrich- tung 27 angedeutet.

Das Kraftstoffeinspritzventil 1 nach Figur 1 und Figur 2 arbeitet dabei in nachfolgend beschriebener Weise.

In geschlossenem Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 1 und ungeladenem piezoelektrischen Aktor 4 wird das Ventilschließglied 11 des Ventilglieds 3 in Anlage an dem ihm zugeordneten oberen Ventilsitz 14 gehalten, so daß kein Kraftstoff aus dem mit dem Hochdruckspeicher- raum verbundenen Ventilsteuerraum 2 in den Niederdruck- bereich 18 gelangen kann.

Im Falle einer langsamen Betätigung, wie sie bei einer temperaturbedingten Längenänderung des piezoelektri- schen Aktors 4 oder weiterer Ventilbauteile wie z. B. des Ventilgehäuses 7 auftritt, dringt der Stellkolben 9 mit Temperaturerhöhung in das Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer 13 ein oder zieht sich bei Temperatur- absenkung daraus zurück, ohne daß dies Auswirkungen auf

die Schließ-und Öffnungsstellung des Ventilgliedes 3 und des Kraftstoffventils 1 insgesamt hat.

Wenn eine Einspritzung das Kraftstoffeinspritzventil 1 erfolgen soll, wird der piezoelektrische Aktor 4 aufge- laden, wodurch dieser seine axiale Ausdehnung schlagar- tig vergrößert. Über den Stellkolben 9 und die Hydrau- likkammer 13 wird diese Längung des piezoelektrischen Aktors 4 auf den Betätigungskolben 12 übertragen, wo- durch das Ventilschließglied 11 aus dem ersten, oberen Ventilsitz 14 herausgehoben wird und gegen den anlie- genden Raildruck entgegen dem zweiten, unteren Ventil- sitz 15 bewegt wird. Wenn nun der Betätigungskolben 12 mit seiner Verjüngung 21 in den Bereich gelangt, in dem die Kugeln 24 der Gleiteinrichtung 23 angeordnet sind, so erfährt das Steuerventil eine gegen die Bewegungs- richtung des Ventilschließgliedes 11 gerichtete Brems- kraft, die zu einer Stabilisierung um diese Position führt.

In Figur 3 ist äußerst vereinfacht ein Verlauf dieser Bremskraft dargestellt, welche mit dem Eingriff zwi- schen der Verjüngung 21 des Betätigungskolbens 12 und der Federeinrichtung 20 auftritt und ihr Maximum in der Mittelstellung hMitte des Ventilschließgliedes 11 hat.

Wird der Betätigungskolben 12 nun aus der Mittellage durch eine entsprechend große Piezokraft weiterbewegt, so wandert die Verjüngung 21 aus dem Bereich der gegen den Betätigungskolben 12 gepreßten Kugeln 24 heraus, wobei die Kraft entgegen der Ventilbewegungsrichtung schlagartig abnimmt. Das Ventilschließglied 11 kann

somit ohne aufgebrachte Gegenkraft durch die Federein- richtung 20 in seine maximale Hubposition hmax, d. h. zu dem zweiten Ventilsitz 15 bewegt werden.

Bei Entladung des piezoelektrischen Aktors 4 wird das Ventilschließglied 11 nunmehr mit Unterstützung des Raildrucks in entgegengesetzte Richtung bewegt, wobei durch das Eingreifen der Federeinrichtung 20 in die Verjüngung 21 des Betätigungskolbens 12 wie zuvor be- schrieben wiederum eine Stabilisierung des Ventil- schließgliedes 11 in dessen Mittelstellung realisiert wird.

Die Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors erfolgt grundsätzlich in der Art, daß er für eine Einspritzung auf ein mittleres Spannungsniveau auf-bzw. entladen wird. Der sich dadurch einstellende Aktorhub sorgt da- für, daß das Steuerventil näherungsweise mittig zwi- schen den Sitzen positioniert werden kann. Die erfin- dungsgemäße Einrichtung sorgt dafür, daß diese Mittel- stellung sicher und mit hoher Präzision eingehalten werden kann.

Bezug nehmend auf Figur 4 ist ein weiteres Ausführungs- beispiel des Kraftstoffeinspritzventils 1 dargestellt, bei dem aus Gründen der Übersichtlichkeit funktions- gleiche Bauteile mit den zuvor verwendeten Bezugszei- chen bezeichnet sind.

Gegenüber der Ausführung nach Figur 1 und Figur 2 un- terscheidet sich die hier gezeigte Federeinrichtung 20 darin, daß eine Feder 28 in dem Ventilraum 17 des Ven-

tilschließgliedes 11 angeordnet ist, welche einerseits an dem dem zweiten Ventilsitz 15 zugeordneten Ende des Ventilraumes 17 und andererseits an einem Anschlag 29 in einem Bereich zwischen dem ersten Ventilsitz 14 und dem zweiten Ventilsitz 15 abgestützt ist. Durch geeig- nete Positionierung des Anschlages 29 ist die Feder 28 derart positioniert, daß ihre Federkraft die Stellbewe- gung des Ventilschließgliedes 11 von dem ersten Ventil- sitz 14 in den zweiten Ventilsitz 15 ab Erreichen sei- ner Zwischenstellung dämpft.

Selbstverständlich können die beschriebenen Ausführun- gen alternativ oder auch nebeneinander bei dem erfin- dungsgemäßen Ventil verwendet werden. Bei einer kombi- nierten Anwendung der Federeinrichtungen kann die Ar- beitsweise bzw. die Mittelstellung des Ventilschließ- gliedes weiter stabilisiert werden.