WO1999066197A1 - Ventil zum steuern von flüssigkeiten - Google Patents

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WO1999066197A1
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piezo
housing
valve
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piezo actuator
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PCT/DE1999/000662
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Wilhelm Polach
Friedrich Boecking
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • F02M63/0012—Valves
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    • 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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    • F02M61/167—Means for compensating clearance or thermal expansion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/004—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by piezoelectric means
    • F16K31/007—Piezo-electric stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details

Definitions

  • the invention is based on a valve for controlling liquids according to the preamble of patent claim 1.
  • a valve which is known from EP-A-0 371 469
  • the valve member is actuated by a piezo actuator, in that a hydraulic space is provided between the piezo actuator and the valve member, via which it is possible to have tolerances balance.
  • Such valves have the disadvantage that care must be taken to ensure that the hydraulic space is always sufficiently filled with control fluid.
  • the provision of a hydraulic room also means a great deal of effort in terms of sealing the same. If, on the other hand, the valve for controlling liquids is to be actuated directly by a piezo actuator, difficulties arise when working with a piezo actuator due to its energization.
  • the heating leads to changes in length of the piezo actuator itself and also to thermal expansion of the heating housing surrounding the piezo actuator. Thus, in the course of the operation of such a valve, it can happen that, due to the different thermal expansions, the valve can no longer get into its closed position or into a defined position.
  • the valve according to the invention for controlling liquids with the characterizing features of claim 1 has the advantage that a simple valve can be provided which is actuated directly by the piezo actuator, with temperature-related changes in length of the piezo actuator compared to that of the provided compensating element this receiving housing can be substantially compensated.
  • Peltier element can, in a known manner, bring about cooling or heating at the intended installation location and thus counteract undesirable changes in length, in particular changes in length in the direction of actuation of the piezo actuator, by either supplying heat or dissipating heat depending on the operating state or design specification becomes.
  • Compensation advantageously takes place in that a compensating element is used, the material of which has a different coefficient of thermal expansion than the surrounding materials.
  • a material with a high coefficient of thermal expansion has the advantage that by means of heating and / or cooling by the Peltier element, relatively large compensating changes in length can be achieved in the direction of actuation of the piezo actuator, which can accommodate the large changes in length that occur in the area of heat generation of the working pezo stack , and thus a compensation tion of these changes in length compared to the smaller changes in length in the surrounding housing due to the lower heat flux density.
  • the heating or cooling of the compensating element can be carried out by an axially or radially adjoining Peltier element.
  • the latter solution offers a smaller axial installation space and a larger contacting surface between the compensating element, the Peltier element and the heat-absorbing housing, which provides a heat sink.
  • the heat flow from the piezo element to the heat sink can advantageously be improved by interposing the cup-shaped housing according to claim 7, in order to achieve the lowest possible temperature dependence of the actuation stroke of the piezo actuator.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a fuel injection valve in which the valve according to the invention can be used to control liquids
  • FIG. 2 shows a simplified illustration of a first embodiment of the valve according to the invention
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the invention using a compensating element
  • FIG 4 shows a third exemplary embodiment of the invention with a Peltier element lying on the circumferential side of the compensating element according to FIG. 3
  • FIG. 5 shows a fourth exemplary embodiment of the invention with a piezo actuator mounted in a cup-shaped housing part.
  • FIG. 1 shows a fuel injection valve 1 in a simplified representation, which has an injection valve housing 2, with a stepped bore 3, in which an injection valve member 5 is guided.
  • This has a conical sealing surface 6 at one end, which cooperates with a conical valve seat 7 at the end of the stepped bore 3.
  • Fuel injection openings 8 are arranged downstream of the valve seat and are separated from a pressure chamber 9 when the sealing surface 6 is placed on the valve seat 7.
  • the pressure chamber extends over an annular space 10, which is formed around the part 13 of the injection valve member 5 which is connected to the sealing surface 6 and is connected upstream, to the valve seat 7.
  • the pressure chamber 9 is connected via a pressure line 12 to a high-pressure fuel source in the form of a high-pressure fuel reservoir 14, which is supplied, for example, by a high-pressure pump 4, which delivers a variable delivery rate, from a reservoir 11 with fuel which is brought to injection pressure.
  • the high-pressure fuel reservoir supplies several of the injection valves shown.
  • the part 13 of the injection valve member with a smaller diameter merges with a pressure shoulder 16 facing the valve seat 7 into a part 18 of the injection valve member with a larger diameter. This is tightly guided in the stepped bore 3 and continues on the side facing away from the pressure shoulder 16 in an intermediate part 19, up to a piston-shaped end 20 of the injection valve member.
  • this has a spring plate 22, between which and the housing 2 of the fuel injection valve a compression spring 21 is clamped, which acts on the fuel injection valve member in the closed position.
  • the piston-like end 20 delimits an end face 24, the area of which is larger than that of the pressure shoulder 16, in the housing 2 of the fuel injection valve, a control chamber 25 which is in constant communication with the high-pressure fuel accumulator 14 via a first throttle 26 and via a second, in a discharge channel 28 arranged throttle 27 is connected to a relief chamber 29.
  • the passage of the drain channel 28 is controlled by a control valve 31, which is designed as a 2/2-way valve, so that the drain channel is either open or closed.
  • control valve 31 is used to control the injection quantity and injection timing of fuel into the combustion chambers of an associated internal combustion engine, in particular a diesel internal combustion engine. When closed
  • Control valve is because of the constant connection of the control chamber 25 with the high-pressure fuel reservoir, the pressure prevailing there at a high level. Because the area of the end face 24 is larger than the area of the pressure shoulder 16 and the pressure acting on both areas is the same at the moment, the result is a force, supported by the compression spring 21, which holds the fuel injection valve member 5 in the closed position . If the control valve 31 is opened to trigger an injection, the control chamber 25 can be relieved to the relief chamber 29, so that, decoupled from the high-pressure fuel reservoir by the first throttle 26, a pressure of lower levels is established in the control chamber 25. In this case, the pressure forces acting on the pressure shoulder 16 in the opening direction predominate and the fuel injection valve is opened for injection, whereby the injection timing and the start of injection are defined. By reclosing the control valve 31, the original high fuel pressure is restored very quickly in the control chamber 25, since the fuel continues to flow via the first throttle 26 can. As a result, the fuel injection valve member 5 returns to its initial position or closed position to end the high-pressure injection.
  • the fuel injection valve is controlled via a control unit 36, which controls the control valves 31 of the individual fuel injection valves as a function of operating parameters, further detects the pressure in the high-pressure fuel reservoir with a pressure sensor 37 and controls the variably delivering high-pressure fuel pump 4 in accordance with the deviation from a desired setpoint.
  • a pressure relief valve 38 can be provided, which can also be controlled as a pressure control valve depending on operating parameters, depending on the design of the high-pressure fuel supply.
  • the force - high-pressure material pump can also deliver the same amount at all times and the pressure in the high-pressure fuel accumulator 14 can be regulated via the pressure relief valve, which is to be regarded here explicitly as a pressure control valve.
  • FIG. 2 shows part of the fuel injection valve according to FIG. 1 with the injection valve housing 2, in which the control valve 31 is also integrated and the control chamber 25, which is enclosed in the housing by the end face 24 of the piston-shaped end 20.
  • the inflow to the control chamber 25 takes place via the first throttle 26 and the outflow via the outflow channel 28 in which the second throttle 27 is seated.
  • the control valve has a valve member 40 with a stem 41 and a valve head 42 which projects into a valve chamber 43.
  • a spring plate 44 is provided, against which a compression spring 45 rests, which on the other hand is supported on the housing and strives to keep the valve member in the closed position. This is done by contacting a sealing surface 47 provided on the valve head against a conical seat 46, which is located at the transition between the valve chamber 43 and a guide bore 48 of the adjoining stem 41.
  • the shaft Adjacent to the sealing surface 47, the shaft has an annular recess 49, which makes it possible, when the valve head 42 is lifted from the valve seat 46, to connect the valve chamber 43 to a part of the drain channel 128 branching off from the guide bore 48.
  • This channel opens into a spring chamber 51 which receives the compression spring 45 and the end of the shaft 41 with the spring plate 46 which projects from the guide bore 48 and from which a line 228 leads to the relief chamber 29.
  • the compression spring 45 By the compression spring 45, the valve member 40 is normally held in the closed position, so that the valve chamber 43 and
  • Control chamber 25 are closed towards the outflow side and the high pressure of the high-pressure fuel accumulator can build up in the control chamber 25 to close the fuel injection valve member.
  • the valve member 40 is actuated in the opening direction by means of the aforementioned piezo actuator 53.
  • This consists of a piezo element in the form of a piezo stack 56, which is enclosed axially as seen by a base plate 57 and a cover plate 58, the base plate 57 being an actuating part with a piston-shaped element End 59 can be brought into contact with the shaft 41. Since piezo components can only be stressed permanently and reliably under pressure, the piezo stack is prestressed by spring elements 60. The fresh electrical lead to the piezo stack is not shown in the drawing and is carried out in the usual way.
  • the actuator thus formed from the piezo stack, base plate 57, cover plate 58 and spring elements 60 is sealed by an elastic membrane element 61 in an actuator space 54.
  • the membrane element 61 closes the actuator space 54 Above the spring chamber 51 and also holds the actuator with its cover plate 58 in contact with a Peltier element 62.
  • the temperature in the region of the piezo actuator which has a high heat flow load as the heat source, will become greater during operation of the fuel injector than the temperature of the housing surrounding the actuator space 54, which has a lower heat flow load.
  • the piezo actuator would thus increase in comparison to the predetermined length of the housing in which it is installed and could influence the position of the valve member 40. So that the valve member 40 can regularly return to the closed position, a preliminary stroke hv is provided here, which the piston-shaped end 59 has to cover in order to come into contact with the valve member. This forward stroke can partially absorb the temperature-related differences in length, so that the operation of the control valve is not affected.
  • the Peltier element provides a further possibility of compensating for length differences by actively influencing the temperature of the piezo actuator.
  • a Peltier element can be used to lower the temperature (cooling) or supply it in a known manner.
  • These elements are therefore also referred to as electrical semiconductor heat pumps.
  • the temperature of the piezo actuator can be regulated in a controlled manner with a regulated supply of heat and / or discharge.
  • the distance of the piezo actuator to the valve can be kept constant by heating or cooling.
  • a compensating element 68 can be provided in the direction of change in length of the piezo actuator 53 or in the direction of actuation thereof, which compensates with its flat end faces 69, 70 flush with the piezo actuator 53 or Peltier element. Element 62 abuts so that a good heat flow is guaranteed.
  • the compensating element has a coefficient of thermal expansion that is particularly large. By means of different heating or cooling via the Peltier element 62, a large change in length of the piezo actuator 53 can be compensated with this high coefficient of thermal expansion.
  • the piezo actuator comes into an intended working position in relation to the shaft 41 of the valve element 40 when the operation is started.
  • the compensation element 68 can then be cooled with increasing heating , which then leads to a loss of elongation which compensates for the increase in elongation of the piezo actuator.
  • the compensating element 68 ' can also come into contact directly with the adjacent housing wall 63.
  • the Peltier element 62 ' is arranged on the circumferential side of the compensating element 68', as a result of which a high thermal contact area is formed.
  • the annular Peltier element is then in good thermal contact with the annular wall 71 of the housing. Because of the large heat-introducing cross-section, this wall offers the possibility of rapidly dissipating heat which must be passed on from the piezo actuator 53 to the surroundings.
  • the wall is connected to corresponding heat sinks, which can either be cooling water or cooling surfaces.
  • the position of the piezo actuator 53 can be geometrically fixed in a cup-shaped housing part 73.
  • This offers a large heat-dissipating cross-section and it is connected on the circumference via a Peltier element 62 ′′ to the cooled housing or to special heat sinks 75.
  • the piezo actuator is also precisely positioned here.
  • the piezo actuator is already partially cooled by the heat flow through the pot-shaped housing part and it is compensated for length by the Peltier element 62 '.
  • the cup-shaped housing part itself can also act as a compensating element analogous to the embodiment according to FIG. 4.
  • the embodiment according to FIG. 5 offers an even better heat flow compared to that according to FIG. 4, since larger dissipative surfaces and larger thermal contact surfaces are available to the Peltier element 62 ′′.
  • a piezo actuator can be used in a simple manner, which has the advantage of precisely controllable ren opening strokes both with respect to the opening path and the opening times. For this purpose, it offers the great advantage of being able to achieve high switching speeds that are able to control even small pre-injection quantities by briefly and / or slightly relieving the pressure on the control room.

Abstract

Es wird ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten vorgeschlagen, das durch einen Piezo-Aktor (53) betätigbar ist, der unmittelbar auf ein Ventilglied (40) des Steuerventils (31) einwirkt. Zur Kompensation unterschiedlich großer Längenänderungen aufgrund von Temperatureinflüssen ist dabei in dem Wärmefluß vom Piezoaktor (53) zu einem Wärme ableitenden Teil des Gehäuses ein Peltier-Element (62) eingeschaltet, das durch eine elektrische Steuereinrichtung (36) so angesteuert wird, daß temperaturbedingte Längenänderungen des Piezoaktors (53) gegenüber denen des den Piezoaktor aufnehmenden Gehäuses (2) wenigstens zum Teil kompensiert werden.

Description

Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Ventil zum Steuern von Flüssig- keiten nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Bei einem solchen, durch die EP-A-0 371 469 bekannten Ventil erfolgt die Betätigung des Ventilglieds durch einen Piezo-Aktor, dadurch, daß zwischen dem Piezo-Aktor und dem Ventilglied ein hydraulischer Raum vorgesehen ist, über den es möglich ist, Toleranzen auszugleichen. Solche Ventile haben den Nachteil, daß dafür Sorge getragen werden muß, daß der hydraulische Raum immer ausreichend mit Stellflüssigkeit gefüllt ist. Die Bereitstellung eines hydraulischen Raumes bedeutet weiterhin einen hohen Aufwand bezüglich einer Abdichtung desselben. Soll dagegen das Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten durch einen Piezo-Aktor direkt betätigt werden, so ergeben sich dadurch, daß bei der Arbeit eines Piezo-Aktors durch seine Bestromung eine erhebliche Wärmeentwicklung auftritt Schwierigkeiten. Die Erwärmung führt zu Längenänderungen am Piezo- Aktor selbst und auch zu Wärmeausdehnungen des sich erwärmenden, den Piezo-Aktor umgebenden Gehäuses. Somit kann es im Laufe des Betriebs eines solchen Ventils dazu kommen, daß aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen das Ventil nicht mehr in seine Schließstellung oder nicht in eine defi- nierte Lage gelangen kann. Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß ein einfaches Ventil bereitgestellt werden kann, das direkt vom Piezo-Aktor betätigt wird, wobei durch das vorgesehene Ausgleichselement temperaturbedingte Längenänderungen des Piezo-Aktors gegenüber den des diesen aufnehmenden Gehäuses wesentlich kompensiert werden. Vorteilhafterweise erfolgt dies dadurch, daß im Wärmefluß vom Piezoaktor zu einem Wärme ableitenden Teil des Gehäuses ein Peltier-Element eingeschaltet ist, das durch eine elektrische Steuereinrichtung so angesteuert wird, daß tem- peraturbedmgte Längenänderungen des Piezoaktors gegenüber denen des den Piezoaktor auf nehmenden Gehäuses wenigstens zum Teil kompensiert werden. Durch die Art der Bestromung kann ein solches Peltier-Element m bekannter Weise an der vorgesehenen Einbaustelle e ne Kühlung oder eine Erwärmung bewirken und somit unerwünschten Langenanderungen insbesondere Längenänderungen m Betätigungsrichtung des Piezoaktors entgegenwirken, indem j e nach Betriebszustand oder Konstruktionsvorgabe entweder Wärme zugeführt wird oder Wärme abgeführt wird.
In vorteilhafter Weise erfolgt eine Kompensation dadurch, daß ein Ausgleichselement eingesetzt wird, dessen Material einen gegenüber den umgebenden Materialien anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. Ein Material mit hohem Wäremaus- dehnungskoefflzienten hat dabei den Vorteil, daß mittels Beheizung und/oder Kühlung durch das Peltier-Element relativ große kompensierende Längenänderungen m Betätigungsrichtung des Piezoaktors erzielt werden, die d e großen im Bereich der Wärmebildung des arbeitenden P ezostacks entstehenden Längenänderungen aufnehmen können, und somit eine Kompensa- tion dieser Längenänderungen gegenüber den geringeren Längenänderungen im umgebenden Gehäuse aufgrund der dort geringeren Wärmeflußdichte bewirken.
Dabei kann gemäß den Patentansprüchen 4 oder 5, die Beheizung oder Kühlung des Ausgleichselemens durch ein sich axial oder radial anschließendes Peltier-Element erfolgen. Bei der letztgenannten Lösung bietet sich ein geringerer axialer Bauraum und eine größere kontaktierende Oberfläche zwischen Ausgleichselement, dem Peltier-Element sowie dem wärmeaufnehmenden Gehäuse, das einen Wärmesenke bereitstellt. Vorteilhaft kann der Wärmeabfluß vom Piezoelement zur Wärmesenke durch das Zwischenschalten des topfförmigen Gehäuses gemäß Patentanspruch 7 verbessert werden, um so eine mög- liehst geringe Temperaturabhängigkeit des Betätigungshubes des Piezoaktors zu erreichen.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung widergegeben und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzventils , bei dem das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten Anwen- düng finden kann, Figur 2 eine vereinfachte Darstellung einer ersten Ausführung des erfindungsgemäßen Ventils, Figur 3 eine zweite Ausgestaltung der Erfindung unter Verwendung eines Ausgleichselements, Figur 4 ein drittes Ausführungs- beispiel der Erfindung mit einem umfangsseitig am Aus- gleichselement nach Figur 3 anliegenden Peltier-Element und Figur 5 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem in einem topfförmigen Gehäuseteil gelagerten Piezoaktor.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels Figur 1 zeigt ein Kraftstoffeinspritzventil 1 in vereinfachter Darstellung, das ein Einspritzventilgehäuse 2 aufweist, mit einer gestuften Bohrung 3, in der ein Einspritzventil- glied 5 geführt ist. Dieses weist an seinem einen Ende eine kegelförmige Dichtfläche 6 auf, die mit einem kegelförmigen Ventilsitz 7 am Ende der gestuften Bohrung 3 zusammenwirkt. Stromabwärts des Ventilsitzes sind Kraftstoffeinspritzöff- nungen 8 angeordnet, die beim Aufsetzen der Dichtfläche 6 auf den Ventilsitz 7 von einem Druckraum 9 getrennt werden. Der Druckraum erstreckt sich über einen um den sich an die Dichtfläche 6 stromaufwärts anschließenden, mit kleinerem Durchmesser versehenen Teil 13 des Einspritzventilglieds 5 herum gebildeten Ringraum 10 bis zum Ventilsitz 7 hin. Der Druckraum 9 ist über eine Druckleitung 12 mit einer Kraft- Stoffhochdruckquelle in Form eines Kraftstoffhochdruckspei- chers 14 verbunden, der zum Beispiel von einer mit variabler Förderrate fördernden Hochdruckpumpe 4 aus einem Vorratsbehälter 11 mit Kraftstoff, der auf Einspritzdruck gebracht ist, versorgt wird. Der Kraftstoffhochdruckspeicher versorgt dabei mehrere der gezeigten Einspritzventile. Im Bereich des Druckraumes 9 geht der im Durchmesser kleinere Teil 13 des Einspritzventilglieds mit einer zum Ventilsitz 7 weisenden Druckschulter 16 in einen im Druchmesser größeren Teil 18 des Einspritzventilglieds über. Dieser ist in der gestuften Bohrung 3 dicht geführt und setzt sich auf der der Druckschulter 16 abgewandten Seite in einem Zwischenteil 19 fort, bis hin zu einem kolbenförmigen Ende 20 des Einspritzventilglieds. Im Bereich des Zwischenteils 19 hat dieses einen Federteller 22, zwischen dem und dem Gehäuse 2 des Kraftstoffeinspritzventils eine Druckfeder 21 eingespannt ist, die das Kraftstoffeinspritzventilglied in Schließstellung beaufschlagt . Das kolbenartige Ende 20 begrenzt mit einer Stirnseite 24, deren Fläche größer ist, als die der Druckschulter 16, im Gehäuse 2 des Kraftstoffeinspritzventils einen Steuerraum 25, der über eine erste Drossel 26 in ständiger Verbindung mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher 14 ist und über eine zweite, in einem Abflußkanal 28 angeordnete Drossel 27 zu einem Entlastungsraum 29 verbunden ist. Der Durchgang des Abflußkanals 28 wird durch ein Steuerventil 31, das als 2/2- Wegeventil ausgebildet ist, gesteuert ist, so, daß der Ab- flußkanal entweder geöffnet oder geschlossen ist.
Die Ansteuerung des Steuerventils 31 dient zur Steuerung von Einspritzmenge und Einspritzzeitpunkt von Kraftstoff in die Brennräume einer zugehörigen Brennkraftmaschine, insbeson- dere einer Dieselbrennkraftmaschine. Bei geschlossenem
Steuerventil ist wegen der ständigen Verbindung des Steuerraums 25 mit dem Kraftstoffhochdruckspeicher der dort herrschende Druck auf hohem Niveau. Weil die Fläche der Stirnseite 24 größer ist als die Fläche der Druckschulter 16 und der auf beiden Flächen wirkende Druck in dem Moment gleich groß ist, ergibt sich eine resultierende, durch die Druckfeder 21 unterstützte Kraaft, die das Kraftstoffeinspritzven- tilglied 5 in geschlossener Stellung hält. Wird zur Auslösung einer Einspritzung das Steuerventil 31 geöffnet, so kann der Steuerraum 25 zum Entlastungsraum 29 entlastet werden, so daß, abgekoppelt vom Kraftstoffhochdruckspeicher durch die erste Drossel 26, sich im Steuerraum 25 ein Druck niedrigeren Niveaus einstellt. In diesem Fall überwiegen die auf die Druckschulter 16 in Öffnungsrichtung wirkenden Druckkräfte und das Kraftstoffeinspritzventil wird zur Einspritzung geöffnet, womit der Einspritzzeitpunkt und der Einspritzbeginn festgelegt sind. Durch Wiederschließen des Steuerventils 31 stellt sich im Steuerraum 25 sehr schnell der ursprüngliche hohe Kraftstoffdruck wieder ein, da der Kraftstoff über die erste Drossel 26 weiterhin zufliessen kann. Dadurch gelangt das Kraftstoffeinspritzventilglied 5 wieder in seine Ausgangsstellung bzw. Schließstellung zurück zur Beendigung der Hochdruckeinspritzung.
Die Ansteuerung des Kraftstoffeinspritzventils erfolgt über ein Steuergerät 36, das in Abhängigkeit von Betriebsparametern die Steuerventile 31 der einzelnen Kraftstoffeinspritz- ventile ansteuert, ferner mit einem Drucksensor 37 den Druck im Kraftstoffhochdruckspeicher erfaßt und entsprechend der Abweichung von einem gewünschten Sollwert die variabel fördernde Kraftstoffhochdruckpumpe 4 steuert. Parallel zu dieser kann ein Druckbegrenzungsventil 38 vorgesehen werden, das auch als Drucksteuerventil in Abhängigkeit von Betriebsparametern steuerbar ist, je nach Konzeption der Kraftstoffhochdruckmengenversorgung . Auch kann die Kraft - Stoffhochdruckpumpe ständig in gleicher Menge fördern und über das Druckbegrenzungsventil , daß hier explizit als Drucksteuerventil anzusehen ist, der Druck im Kraftstoff- hochdruckspeicher 14 eingeregelt werden.
Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten kann als Steuerventil 31 Anwendung finden. In Figur 2 ist ein Teil des Kraftstoffeinspritzventils gemäß Figur 1 gezeigt mit dem Einspritzventilgehäuse 2, in dem auch das Steuerventil 31 integriert ist und dem Steuerraum 25, der in dem Gehäuse von der Stirnseite 24 des kolbenförmigen Endes 20 eingeschlossen wird. Der Zufluß zum Steuerraum 25 erfolgt über die erste Drossel 26 und der Abfluß über den Abflußkanal 28, in dem die zweite Drossel 27 sitzt.
Das Steuerventil weist ein Ventilglied 40 auf, mit einem Schaft 41 und einem Ventilkopf 42, der in einen Ventilraum 43 ragt. An dem dem Ventilkopf abgewandten Ende des Schaftes 41 ist ein Federteller 44 vorgesehen, an dem eine Druckfeder 45 anliegt, die sich andererseits gehäusefest abstützt und bestrebt ist, das Ventilglied in Schließstellung zu halten. Dies geschieht durch Anlage einer am Ventilkopf vorgesehenen Dichtfläche 47 an einem kegelförmigen Sitz 46, der sich am Übergang zwischen dem Ventilraum 43 zu einer Führungsbohrung 48 des sich anschließenden Schaftes 41 befindet. Angrenzend an die Dichtfläche 47 weist der Schaft eine Ringausnehmung 49 auf, die es ermöglicht, daß bei vom Ventilsitz 46 abgehobenem Ventilkopf 42 der Ventilraum 43 mit einem von der Führungsbohrung 48 abzweigenden Teil des Abflußkanals 128 ver- bunden wird. Dieser Kanal mündet in einen die Druckfeder 45 und das aus der Führungsbohrung 48 herausragende Ende des Schaftes 41 mit Federteller 46 aufnehmenden Federraums 51, von dem eine Leitung 228 zum Entlastungsraum 29 führt. Durch die Druckfeder 45 wird das Ventilglied 40 normalerweise in Schließstellung gehalten, so daß der Ventilraum 43 und der
Steuerraum 25 zur Abflußseite hin verschlossen sind und sich im Steuerraum 25 der hohe Druck des Kraf stoffhochdruckspei- chers aufbauen kann zur Schließung des Kraftstoffeinspritz- ventilglieds .
Eine Betätigung des Ventilglieds 40 in Öffnungsrichtung erfolgt mittels des genannten Piezo-Aktors 53. Dieser besteht aus einem Piezoelement in Form eines Piezostacks 56, der von einer Bodenscheibe 57 und einer Deckscheibe 58 axial gesehen eingeschlossen wird, wobei die Bodenscheibe 57 als Betätigungsteil mit einem kolbenförmigen Ende 59 zur Anlage an den Schaft 41 bringbar ist. Da Piezo-Bauelemente nur auf Druck dauerhaft und verläßlich beanspruchbar sind, ist der Piezo-Stack durch Federelemente 60 vorgespannt. Die elek- frische Zuleitung zu dem Piezo-Stack ist in der Zeichnung nicht gezeigt und erfolgt in üblicher Weise. Der so aus Piezo-Stack, Bodenscheibe 57, Deckscheibe 58 und Federelemente 60 gebildete Aktor wird durch ein federndes Membranelement 61 in einem Aktorraum 54 dicht eingeschlossen. Das Membranelement 61 schließt dabei den Aktorraum 54 gegen- über dem Federraum 51 ab und hält ferner den Aktor mit seiner Deckscheibe 58 in Anlage an einem Peltier-Element 62. Dieses liegt mit ebenen Flächen einerseits an der Deckscheibe 58 an und andererseits an der in Achsrichtung des Ventilglieds 40 weisenden Gehäusewand 63 und hat elektrische Zuleitungen 65 und 66 für vom Steuergerät gesteuerte Stromflüsse .
Hiermit ergibt sich bei einer Wärmeentwicklung im Piezo- Stack ein guter Wärmeabfluß zwischen Deckscheibe 58 und Peltier-Element 62 und Peltier-Element und Gehäusewand des Einspritzventilgehäuses 2. Bei zugeführter Spannung zum Piezo- Stack dehnt sich der Piezo-Aktor aus und verschiebt das Ventilglied 40 in Öffnungsrichtung, das bei Rücknahme der Erregung des Piezo-Stacks durch die Kraft der Druckfeder 45 und sich dabei in der Länge reduzierenden Piezo-Stacks wieder in Schließstellung kommt. Diese Arbeitsvorgänge des Piezo-Stacks erzeugen Wärme, die zur Materialausdehnung führen unter Berücksichtigung der für die verschiedene Mate- rialien geltenden Wärmeausdehnungskoeffizienten. Trotz guter Wärmeabfuhr wird die Temperatur im Bereich des Piezo-Aktors, der als Wärmequelle eine hohe Wärmeflußbelastung hat, im Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils größer werden als die Temperatur des den Aktorraum 54 umgebenden Gehäuses, das eine geringerer Wärmeflußbelastung hat. Mit zunehmender Betriebsdauer würde sich der Piezo-Aktor also gegenüber der vorgegebenen Länge des Gehäuses, in das er eingebaut ist, vergrößern und könnte die Position des Ventilglieds 40 be- einflußen. Damit das Ventilglied 40 regelmäßig wieder in Schließstellung gelangen kann, ist hier zunächst ein Vorhub hv vorgesehen, den das kolbenförmige Ende 59 zurücklegen muß, um zur Anlage an dem Ventilglied zu gelangen. Dieser Vorhub kann zum Teil die genannten temperaturbedingten Längenunterschiede aufnehmen, so daß hiermit die Arbeitsweise des Steuerventils nicht beeinflußt wird. Darüberhinaus bie- tet aber das Peltier-Element noch eine weiter Kompensations- möglichkeit von Längendifferenzen, indem es aktiv gesteuert Einfluß auf die Temperatur des Piezoaktors nimmt . In bekannter Weise kann je nach Stromflußrichtung durch ein Peltier- Element eine Temperaturabsenkung (Kühlung) oder eine Temperaturzufuhr erfolgen. Diese Elemente werde deshalb auch als elektrische Halbleiter-Wärmepumpen bezeichnet. Mit einer geregelten Wärmezu- und/oder Abfuhr kann in Genzen die Temperatur des Piezoaktors geregelt werden. Je nach konstruktiver Vorgabe der Länge des Piezoaktors in Relation zum zu betätigendem Ventil kann der Abstand des Piezoaktors zu diesem durch Beheizung oder Kühlung konstant gehalten werden.
Zur Unterstützung der Wirkung des Peltier-Elements kann in Längenänderungsrichtung des Piezoaktors 53 beziehungsweise in Betätigungsrichtung desselben zwischen diesem und dem Peltier-Element ein Ausgleichselement 68 gemäß Figur 3 vorgesehen werden, das mit seinen ebenen Stirnseiten 69, 70 bündig an dem Piezoaktor 53 beziehungsweise Peltier-Element 62 anliegt, damit ein guter Wärmefluß gewährleistet ist. Das Ausgleichselement hat dabei einen Wärmeausdehnungskoeffizient, der besonders groß ist. Durch unterschiedliche Beheizung oder Kühlung über das Peltier-Element 62 kann mit diesem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten eine große Längenän- derung des Piezoaktors 53 kompensiert werden. Wird zum Beispiel bei noch nicht betriebswarmer Brennkraftmaschine oder bei nicht betriebswarmen Ventil das Peltier-Element beheizt, so kommt der Piezoaktor bei Betriebsaufnahme in eine vorgesehene Arbeitsposition im Verhältnis zum Schaft 41 des Ven- tilglieds 40. Mit zunehmender Erwärmung kann dann das Ausgleichselement 68 gekühlt werden, was dann zu einem Längenänderungsverlust führt, der den LängenänderungsZuwachs des Piezoaktors kompensiert. Bei einer alternativen Ausgestaltung gemäß Figur 4 kann das Ausgleichselement 68' aber auch direkt an die angrenzende Gehäusewand 63 zur Anlage kommen. In diesem Falle ist das Peltier-Element 62 ' umfangsseitig am Ausgleichselement 68 ' angeordnet, wodurch sich eine hohe Wärmekontaktfläche bildet. Andererseits ist das ringförmige ausgestaltete Peltier- Element dann im guten Wärmekontakt mit der ringförmig umgebenden Wand 71 des Gehäuses. Diese Wand bietet wegen des großen wärmeeinleitenden Querschnitts die Möglichkeit, schnell Wärme abzuleiten, die vom Piezoaktor 53 an die Umgebung weitergegeben werden muß. Die Wand ist mit entsprechenden Wärmesenken verbunden, die entweder Kühlwasser oder Kühlflächen sein können.
Gemäß einer dritten Ausgestaltung, die m Figur 5 gezeigt ist, kann die Lage des Piezoaktors 53 in einem topfförmigen Gehäuseteil 73 geometrisch fixiert werden. Dieses bietet einen großen wärmeableitenden Querschnitt und es ist umfangsseitig über ein Peltier-Element 62' ' mit dem gekühlten Ge- häuse oder mit speziellen Kühlkörpern 75 verbunden. Auch hier liegt eine exakte Positionierung des Piezoaktors vor. Der Piezoaktor wird durch den Wärmeabfluß über das topfförmige Gehäuseteil bereits zum Teil gekühlt und er erfährt unterstützt durch das Peltier-Element 62 'eine Längenkompen- sation. Darüber hinaus kann auch das topfförmige Gehäuseteil selbst als Ausgleichselement analog zur Ausführung nach Figur 4 wirksam werden. Die Ausgestaltung nach Figur 5 bietet gegenüber der nach Figur 4 einen noch verbesserten Wärmeabfluß, da größere ableitende Flächen und größere Wär- mekontaktflachen zu dem Peltier Element 62'' zur Verfügung stehen.
In der hier vorgestellten Konstruktion eines Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten kann in einfacher Weise ein Piezo- Aktor eingesetzt werden, der den Vorteil von exakt steuerba- ren Öffnungshüben sowohl bezüglich des Öffnungsweges als auch der Öffnungszeitpunkte hat. Dazu bietet er den großen Vorteil, hohe Schaltgeschwindigkeiten verwirklichen zu können, die in der Lage sind, auch kleine Voreinspritzmengen durch kurzzeitige und/oder geringe Entlastung des Steuerraums zu steuern.

Claims

Ansprüche
1. Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten mit einem Ventilglied (40), das entgegen einer Rückstellkraft wenigstens mittelbar durch einen Piezoaktor (53) betätigbar ist, der ein sich mit seiner eine Stirnseite (58) in einem Gehäuse (2) abstützendes Piezoelement (56) aufweist, welches bei Änderung einer am Piezoelement angelegten Spannung eine
Längenänderung durchführt, die mittels der andere Stirnseite (57) des Piezoaktors auf das Ventilglied (40) zu dessen Verstellung übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß in dem Wärmefluß vom Piezoaktor (53) zu einem Wärme ableitenden Teil des Gehäuses ein Peltier-Element (62) eingeschaltet ist, das durch eine elektrische Steuereinrichtung (36) so angesteuert wird, daß temperaturbedingte Längenänderungen des Piezoaktor (53) gegenüber denen des den Piezoaktor auf nehmenden Gehäuses (2) wenigstens zum Teil kompensiert wer- den.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelements (56) durch ein Längenänderungen aufnehmendes Haltemittel (61) an dem angrenzenden Gehäuse gehalten wird und zwischen der einen Stirnseite (58) des Piezoelements
(56) und dem dort angrenzenden Gehäuse das Peltier-Element (62) eingesetzt ist.
3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Haltemittel ein federnd nachgibiges Element ist.
4. Ventil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Längenausdehungsrichtung des Piezoelements (56) zwischen diesem und dem Peltier-Element (62) ein Ausgleichselement (68) angeordnet ist, dessen Material einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat.
5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Peltier-Element (62) und das Ausgleichselement (68) sich koaxial an das Piezoelement anschließen.
6. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichselement (68') sich koaxial an das Piezoelement
(56) anschließt und das Peltier-Element (62') das Aus- gleichselement (68') umfassend zwischen diesem und einer Um- fangswand des Gehäuses angeordnet ist.
7. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (56) sich einem topfförmigen Gehäuseteil (73) abstützt und das Peltier-Element (62'') in einen radial von der Längsachse des Piezoelements (56) weggerichteten Wärmeabflußweg von diesem topfförmigen Teil (73) zu Wärmesenken des Gehäuses eingesetzt ist.
7. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (40) in Schließstellung bei kleinster sich durch die elektrische Ansteuerung ergebenden Länge des Piezoelements (56) eine vorgegebnen Abstand (hv) zu einem die Verstellung des Ventilglieds (40) bewirkenden Teil des Piezoaktors (53) hat.
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