WO1994019598A1

WO1994019598A1 - Vorrichtung zum öffnen und verschliessen einer in einem gehäuse vorhandenen durchtrittsöffnung

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Publication number: WO1994019598A1
Application number: PCT/DE1994/000213
Authority: WO
Inventors: Andreas Kappel; Randolf Mock; Hans Meixner
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1993-02-26
Filing date: 1994-02-28
Publication date: 1994-09-01
Anticipated expiration: 1995-08-26
Also published as: DE4306072A1; DE4306072C2

Abstract

Elektromagnetisch angetriebene Einspritzventile erlauben keine optimale Gemischaufbereitung, da sie aufgrund der Massenträgheit ihrer bewegten Teile und der Eigeninduktivität des Elektromagneten nur minimale Öffnungs- und Schließzeiten von etwa 1 bis 2 ms zulassen. Die minimale Öffnungszeit bestimmt aber die kleinste dosierbare Kraftstoffmenge, so daß insbesondere in instationären Betriebszuständen des Motors und im Lehrlauf erhebliche Fehldosierungen hingenommen werden müssen. Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Einspritzventils, das auch bei hohen Betriebsfrequenzen sehr kurze Öffnungs- und Schließzeiten ermöglicht. Das erfindungsgemäße Einspritzventil enthält insbesondere einen in einem Gehäuse (VG) angeordneten Piezoaktor (P) einen aus einem Druck- und einem Hubkolben (DK, HK) bestehenden Hubtransformator, einen mit dem Hubkolben (HK) verbundenen Ventilstößel (VS) und eine Schließfeder (SF), die den Ventilteller (VT) im Ruhezustand auf die Ventildichtung (VD) preßt. Die über einen zwischen dem Hubkolben (HK) und dem Gehäuse (VG) vorhandenen Ringspalt (SP) mit der Hydraulikkammer (KA) verbundene Ausgleichskammer (AK) ist mit einem unter Überdruck stehenden Medium gefüllt. Da eine Membran (M) den in der Ausgleichskammer (AK) aufgebauten Überdruck auf die Hydraulikflüssigkeit (FL) überträgt, können dort keine die Arbeitsfrequenz des Ventils herabsetzenden Gasblasen entstehen. Kraftstoff-Einspritzventile, Absperrventile für Druckstoß-Einspritzanlagen.

Description

Vorrichtung zum Öffnen und Verschließen einer in einem Ge- häuse vorhandenen Durchtrittsöffnung

Das Betriebsverhalten eines Verbrennungsmotors hängt in ent¬ scheidender Weise von der Qualität der Gemischaufbreitung ab. So lassen sich die Schadstoffemission und der Kraftstoffver- brauch des Motors durch eine dem jeweiligen Betriebszustand angepaßte Zumessung des Kraftstoffes zur Ansaugluft erheblich verringern. Dies gilt in besonderem Maße für einen mit geregeltem Dreiwegekatalysator ausgestatteten Kfz-Verbren¬ nungsmotor. Der der Reduzierung der Schadstoffemission die- nende Katalysator arbeitet nur in einem sehr kleinen Luft- zahlbereich mit einem hohen Wirkungsgrad. Um einen maximalen Konversionsgrad zu gewährleisten, darf das Luft-/Kraftstoff- verhältnis in jedem Betriebszustand des Motors daher nur um wenige Prozent von einem das jeweilige Optimum repräsentie- renden Sollwert abweichen.

Elektromagnetisch angetriebene Einspritzventile erlauben keine optimale Gemischaufbereitung, da sie aufgrund der Mas¬ senträgheit der bewegten Teile und der Eigeninduktivität des Elektromagneten nur minimale Ventilöffnungs- und Schließzei¬ ten von etwa 1 bis 2 ms zulassen. Die minimale Öffnungszeit bestimmt aber die kleinste dosierbare Kraftstoffmenge, so daß die Einhaltung der korrekten Luftzahl λ insbesondere in in¬ stationären Betriebszuständen des Motors, im Teillastbereich und im Lehrlauf mit den zur Zeit am Markt erhältlichen Ein- spritzventilen nicht möglich ist. Um erhebliche Fehldosierun¬ gen zu vermeiden, benötigt man daher Ventile, deren Öffnungs¬ und Schließzeiten im Bereich von etwa 0,1 bis 0,2 ms liegen.

Das Prinzip der Druckstoßeinεpritzung basiert auf der durch schnelles Schließen eines Absperrventils hervorgerufenen Um¬ wandlung von kinetischer Energie in Druckenergie. Infolge der abrupten Verzögerung des in der Schwungleitung einer Druck- stoß-Einspritzanlage strömenden Kraftstoffs entsteht eine Druckwelle, die sich mit Schallgeschwindigkeit bis zu einer nach Art eines Überdruckventils ausgeführten Einspritzdüse fortpflanzt und dort die Kraftstoffabspritzung bewirkt.

Mit Hilfe der Druckstoß-Einspritztechnik lassen sich auch bei einer primärseitig in Niederdrucktechnik ausgelegten Kraft¬ stoffversorgung hohe Einspritzdrücke und sehr gute Aerosole erzeugen. Sie eignet sich insbesondere auch für Anwendungen in modernen Schichtladungsmotoren, da sie die Direkteinsprit¬ zung ermöglicht und für eine hohe Geschwindigkeit der Strahl- front des Kraftstoff-Luftge ischs im Brennraum sorgt. Mit der Druckstroßeinspritzung kann auch der Ausstoß gasförmiger Schadstoffe und der Kraftstoffverbrauch von Zweitakt- und

Viertaktmotoren deutlich verringert und deren Drehmomentver¬ lauf verbessert werden. Diese Vorteile lassen sich in der Praxis allerdings nicht vollständig nutzen, da die im Bereich von 1 bis 2 ms liegende Ansprechzeit der in konventionellen Anlagen verwendeten Absperrventile um etwa einen Faktor 10 zu groß ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakt aufge¬ baute, betriebssichere und verschleißarme Vorrichtung zum Öffnen und Verschließen einer in einem Gehäuse vorhandenen

Durchtrittsöffnung anzugeben. Die Vorrichtung soll sehr gute dynamische Eigenschaften besitzen und auch bei hohen Be¬ triebsfrequenzen sehr kurze Öffnungs- und Verschließzeiten ermöglichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 1 gelöst.

Die Erfindung ermöglicht den Bau von Kraftstoffeinspritzven¬ tilen, die auch bei hohen Betriebsfrequenzen von f > 500 Hz Öffnungs- und Schließzeiten im Bereich von τ < 0,1 ms. er- möglichen. Mit diesen Ventilen lassen sich daher auch klein¬ ste Kraftstoffmengen exakt und gut reproduzierbar dosieren. Außerdem gewährleisten die sehr kurzen Öffnungs- und Schließ- zeiten einen definierten Strahlaufbau und -abriß. Die erfin¬ dungsgemäße Vorrichtung läßt sich insbesondere auch als Ab¬ sperrventil in einer Druckstoß-Einspritzanlage verwenden.

Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildun¬ gen und Ausgestaltungen der im folgenden anhand der Zeichnung erläuterten Erfindung. Hierbei zeigt:

Fig. 1, 3 und 4 Ausführungsbeispiele eines Kraftstoff-Ein¬ spritzventils Fig. 2 den hydraulischen Hubtransformator des Einspritzven¬ tils Fig. 5 die Kolben des hydraulischen Hubtransformatorε Fig. 6 den schematischen Aufbau einer Druckstoß-Einspritzan¬ lage Fig. 7 und 8 Absperrventile der Druckstoß-Einspritzanlage

Die Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Kraftstoff- Einspritzventils, das einen auf einen hydraulischen Hubtrans¬ formator DK, KA, FL, HK wirkenden piezoelektrischen Aktor P als Antriebseinheit enthält. Zur Erzeugung relativ großer

Primärhübe bei moderaten Betriebsspannungen eignen sich pie¬ zoelektrische Multilayerstacks in besonderer Weise, da sie relative Längenänderungen von etwa Δl/1 = 1 10"3 bei An¬ triebskräften von typischerweise F = 100 bis 10000 N ermögli- chen.

Bedingt durch die hohe mechanische Steifigkeit der piezoelek¬ trischen Sinterkörper liegt deren elektromechanische Resonanz im Bereich von 10 bis 1000 kHz, so daß sich Ansprechzeiten von etwa 0,001 bis 0,1 ms prinzipiell erzielen lassen. Die im praktischen Betrieb realisierbaren Ansprechzeiten sind allerdings größer und hängen unter anderem von der elektri¬ schen Ansteuerung und Beschaltung des Piezostacks sowie von der Größe der zu bewegenden Massen ab. Da die elektrische Kapazität Cp des Piezostacks typischerweise im Bereich von etwa Cp = 1 bis 10 μF liegt und der Innenwiderstand R^ der dem Stack zugeordneten Spannungsquelle etwa Rj_ ,_ 1 bis 10 Ω beträgt, ergeben sich für die durch T = Cp x R_j, definierte Ladezeitkonstante Werte von etwa τ = 1 bis 100 με. Die An¬ sprechzeiten des Piezostacks liegen also um 1 bis 2 Größen¬ ordnungen unter denen vergleichbarer elektromagnetischer An- triebe, was in Verbindung mit einem kompakten Ventilaufbau und kleinen bewegten Massen extrem kurze Ventilöffnungs- und -εchließzeiten ermöglicht.

Die Einεpritzung deε über die Zuleitung Z herangeführten Kraftstoffs K in einen nicht dargestellten Motorraum erfolgt durch Abheben des Ventiltellers VT von den im Gehäuse VG vor¬ handenen Ventildichtsitz VD. Dies geschieht durch elektrische Ansteuerung des Piezoaktors P, dessen axiale Längenänderung sich auf den in einer Gehäusebohrung gedichtet eingebauten Kolben DK überträgt und der dadurch in der mit einer Hydrau¬ likflüssigkeit FL gefüllten Kammer KA einen Oberdruck er¬ zeugt. Ist die durch die Hydraulikflüssigkeit FL auf den in einer zweiten Zylinderbohrung verschiebbar angeordneten Hub¬ kolben HK übertragene Kraft größer als die durch eine Schließfeder SF ausgeübte Rückstellkraft, so hebt der mit dem Hubkolben HK verbundene Stößel VS den Ventilteller VT vom Dichtsitz VD ab und der Einspritzvorgang beginnt. Beendet wird die Kraftstoffeinspritzung durch die elektrische Entla¬ dung des Piezoaktors P. Infolge der damit einhergehenden Kon- traktion des Aktors P bewegt sich der Druckkolben DK unter dem Zwang der von einer starken Tellerfeder TF ausgeübten Rückstellkraft wieder nach unten in seine Ruhelage, was in der Hydraulikkammer KA einen Unterdruck hervorruft. Unter¬ stützt durch die Schließfeder SF führen der Hubkolben HL und der Stößel VS somit ebenfalls eine nach unten gerichtete Be¬ wegung aus, wodurch εich der Ventilteller VT wieder auf den Dichtsitz VD absenkt.

Um eine möglichst lineare Ventilcharakteristik zu erhalten, läßt man den O-Ring gedichteten Ventilstößel VS nur mit einem definierten Hub arbeiten, wobei der Ventildichtsitz VD und die Decke A der Kammer AK als hubbegrenzende Anschläge wir- ken. Die mit einem unter Oberdruck stehenden Medium gefüllte Kammer AK nimmt auch die Schließfeder SF auf, die man vor¬ zugsweise zwischen der Kammerdecke A und einer auf einem Seeger-Ring SR aufliegenden Paßscheibe PS montiert. Der See- ger-Ring SR dient auch als Lager für die zwischen dem Ventil- Stößel VS und dem Kammerboden eingeklemmte Membran M, die ei¬ ne Vermischung des in der Kammer AK vorhandenen Druckmediumε mit der aus dem Hubtransformator austretenden Hydraulikflüε- sigkeit FL verhindert.

Im einzelnen zeichnet sich das erfindungsgemäße Einspritzven¬ til durch die folgenden Eigenschaften und konstruktiven Merk¬ male aus:

Wie in Fig. 1 dargestellt, liegt der nur kleine axiale Län¬ genänderungen ausführende Aktor P mit seinen Endflächen am Druckkolben DK bzw. am Abstützlager PL des Gehäuses VG an. Um Hubeinbußen aufgrund herstellungsbedingter Nichtparallelität der Piezoendflachen weitgehend zu vermeiden, ist das Lager PL in Form einer Kugelscheiben/Kegelpfannenanordnung ausgeführt. Das Lager PL kann hierbei am Gehäuse VG oder am Druckkolben DK angebracht sein.

Die vom Aktor P ausgeübte Kraft wird auf den in der Hydrau- likkammer KA gedichtet eingebauten Druckkolben DK übertragen. Für die Abdichtung des Druckkolbens DK sorgt hierbei ein han¬ delsübliches Dichtelement, beispielsweise ein O-Ring OR. Es können aber auch Membranabdichtungen aus Metall oder Gummi Verwendung finden, da der Druckkolben DK nur den vom Aktor P erzeugten kleinen Primärhub von wenigen um ausgeführt.

Die geforderte transiente Arbeitεweiεe deε Ventils macht es erforderlich, den Piezoaktor P mit Hilfe eines Federelements TF mechanisch vorzuspannen. Als Federelement TF findet in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Tellerfeder Verwendung, da sich mit ihr die benötigten Vorspannkräfte auf kleinstem Raum erzeugen lassen. Im Hinblick auf die Ventildynamik sollten alle angetriebenen Teile, also insbesondere auch das Feder¬ element TF, eine möglichst geringe Masse besitzen. Diesem Er¬ fordernis kann man durch Verwendung von Aluminium oder Titan anstelle von Stahl und/oder durch eine geeignete Formgebung der jeweiligen Teile Rechnung tragen. Da man die Federmasse zu etwa einem Drittel der anzutreibenden Masse hinzurechnen muß, sind Tellerfedern auch in dieser Hinsicht den wesentlich schwereren Spiraldruckfedern vorzuziehen. Da die Tellerfeder TF sowohl die mechanische Vorspannung für den Piezoaktor P erzeugen als auch die Rückführung des Druckkolbens DK in sei¬ ner Ruhelage unterstüzen soll, ist sie vorzugsweise zwischen einem am Druckkolben DK vorhandenen Seeger-Ring mit auflie¬ gender Paßscheibe SR', PS' und einem Vorsprung der Gehäuse¬ wand eingespannt. Die Öffnungs- und Schließzeiten des Ventils lassen sich durch eine Abstimmung der mechanischen Ei¬ genschaften der Tellerfeder TF und der für die Rückführung des Hubkolbens HK eingesetzten Spiraldruckfeder SF weitgehend sy metrisieren. Eine Abstimmung der Federkonstanten hat au¬ ßerdem den Vorteil, daß auch die beim Schließen des Ventils in der Hydraulikflüsεigkeit FL auftretenden Zugεpannungen mi¬ nimiert werden, waε wiederum die Gefahr des Auftretens von Kavitation verringert.

Es wäre prinzipiell möglich, den vom Aktor P erzeugten Hub direkt auf den Ventilstößel VS zu übertragen. Diese Konstruk¬ tion hätte allerdings eine Reihe von Nachteilen. So wäre es aufgrund der starren Verbindung zwischen dem Antriebselement P und dem Ventilstößel VS sehr schwierig, eine ausreichende Dichtheit des Ventils bei temperaturbedingten Längenänderun- gen und herstellungsbedingten Toleranzen der Bauteile über den angestrebten Arbeitstemperaturbereich zu gewährleisten und gleichzeitig auch noch für eine ausreichend hohe Vorspan¬ nung des Piezostacks P zu sorgen. Außerdem wären zur Erzeu¬ gung des für einen großen linearen Arbeitsbereich des Ventils benötigten Hubeε von ca. 0,1 bis 0,5 mm ein sehr langer Pie¬ zoaktor P erforderlich. In dem erfindungsgemäßen Einspritz¬ ventil ist deshalb ein aus der EP-A-477 400 bekannter hydrau- lischer Hubtransformator mit integrierten adaptiven Toleranz¬ ausgleich zur Verstärkung des Aktorhubes eingebaut. Das Über¬ setzungsverhältnis des in Fig. 2 dargestellten Hubtransforma¬ tors ist hierbei in guter Näherung durch das Verhältnis η : = (Ap/An) der Querεchnittεfl chen A-^ und AJJ von Druckkolben DK und Hubkolben HK gegeben und läßt sich den gewünschten Ventilhüben x_H = η»X*o _β 100 μm (x_D: Hub des Druckkolbens DK) in weiten Grenzen anpassen.

Im Vergleich zu einer rein mechanischen Obersetzung

(Hebelsystem) erlaubt der hydraulische Hubtransformator einen sehr kompakten rotationssymmetrischen Aufbau, große Oberset¬ zungsverhältnisse und die Übertragung sehr großer Kräfte. Aufgrund der kleinen bewegten Massen weist er auch ein gutes dynamisches Verhalten auf. Ein solcher Antrieb ist bei Ver¬ wendung geeigneter Hydraulikflüssigkeiten FL äußerst be¬ triebssicher und weitgehend wartungsfrei. Zudem ermöglicht die hydraulische Kraftübertragung die Integration eines adap¬ tiven Toleranzausgleichs, der das System unanfällig macht ge- genüber den durch Temperatur, Druck, Vibrationen usw. hervor¬ gerufenen Drifterscheinungen.

Wie die Fig. 2 zeigt, läßt sich der mechanische Toleranzaus¬ gleich in einfacher Weise dadurch verwirklichen, daß der Hub- kolben HK in einer Spielpassung geführt und lediglich der Druckkolben DK mittels eines O-Ringes OR hermetisch dicht eingebaut wird. Der zwischen dem Hubkolben HK und der Zylin¬ derbohrung verbleibende Spalt SP stellt bei geeigneter Dimen¬ sionierung der Spaltlänge 1 und der Spaltbreite s dann einen großen Strömungswiderstand dar. Er läßt die durch thermische Ausdehnungen bzw. Kontraktionen der Hydraulikflüsεigkeit FL, des Gehäuses VG oder andere Bauteile hervorgerufenen Auε- gleichsvorgänge zwischen der Hydraulikflüssigkeit FL inner¬ halb und außerhalb der Hydraulikkammer KA zu, ohne die Funk- tionsweise des Ventilantriebes zu beeinträchtigen. Aufgrund der während der Öffnungsdauer des Ventils auftreten¬ den Spaltverluste (Ausströmen von Hydraulikflüssigkeit FL aus der Kammer KA in das von der Membran M gebildete Ölreser- voir) , kann der Ventilstößel VS nicht beliebig lange statisch geöffnet gehalten werden. Dies wirkt sich in der Praxis al¬ lerdings nicht störend aus, da die maximalen Öffnungszeiten von Kfz-Kraftstoff-Einspritzventilen im Bereich von etwa 10 ms liegen. Außerdem läßt sich die maximale Öffnungszeit entsprechend den jeweiligen Anforderungen in einem weiten Bereich von wenigen Millisekunden bis hin zu einigen Minuten einstellen, indem man die Hubkolbenlänge 1, die Spaltbreite s, die Federkonstante der Schließfeder SF und die Viskosität der Hydraulikflüεεigkeit FL aufeinander abεtimmt.

Gasblasen in der Hydraulikflüssigkeit FL des Hubtransforma- torε würden die maximale Arbeitsfrequenz des Einspritzventils stark herabsetzen, da ein neuer Einspritzvorgang jeweils erst nach der vollständigen Auflösung der Gasblasen eingeleitet werden könnte. In dem erfindungsgemäßen Einspritzventil sind daher Maßnahmen zur Vermeidung der im allgemeinen nur beim Schließen des Ventils durch Zugkräfte in der Hydraulikflüs¬ sigkeit FL ausgelöεten Kavitationsblasen vorgesehen.

Durch Druckbeaufschlagung der Hydraulikflüssigkeit FL lasεen sich Kavitationsblasen in allen auftretenden Betriebszuεtän- den vollständig vermeiden, wobei je nach Anwendungsfall Drük- ke in der Größenordnung von 0,01 MPa bis 1000 MPa erforder¬ lich sind. Den Überdruck in der Hydraulikflüsεigkeit FL er¬ zeugt man vorteilhafterweiεe mit Hilfe der Kammer AK, die über den Anschluß AS mit einem Druckgasspeicher verbunden ist (s. Fig. 1). Alε Druckgase kommen insbesondere Inertgase wie z. B. Argon (Ar), Stickstoff (N2) oder chemisch wenig reakti¬ ve Gasgemiεche wie Kohlendioxyd (CO2) oder Fluorchlorkohlen- wasserstoffe (FCKWs) in Betracht. Die in der Kammer AK zwi- sehen dem Ventilstößel VS und dem Kammerboden angeordnete

Membran M stellt sicher, daß sich das Druckgas nicht in der Hydraulikflüsεigkeit FL löst. Außerdem verhindert sie ein Auslaufen der Hydraulikflüssigkeit FL.

Bei ausreichender Dichtheit des Systems kann die Kammer AK auch unter Überdruck von der Gaszufuhr abgetrennt und der An¬ schluß AS dicht verschlossen werden. Die unter Oberdruck ste¬ hende Kammer AS übt dann zusammen mit der Membran M selbst die Funktion eines Gasdruckspeichers aus.

Es ist auch ohne weiteres möglich, die Kammer AK an den ohne¬ hin vorhandenen Druckölkreislauf des Motors anzuschließen. In diesem Fall kann die Membrane M unter Umständen auch entfal¬ len oder durch ein Partikelfilter ersetzt werden. Zum Aus¬ treiben von eventuell noch vorhandenen Gasblasen ist eε dann zweckmäßig, zusätzlich einen als Abfluß dienenden zweiten An¬ schluß in der Kammer AK vorzusehen und einen kontinuierlichen Ölstrom durch die Kammer AK zu leiten.

Eine Vereinfachung des Einspritzventils läßt sich durch den Anschluß der Kammer AK an die Kraftstoff-Niederdruckversor¬ gung erreichen. Bei diesem in Fig. 3 dargestellten Ausfüh¬ rungsbeispiel ist keine Stößeldichtung SD erforderlich. Au¬ ßerdem entfällt die separate KraftstoffZuführung Z.

Die Anordnung eines kompressiblen Körpers (Gasdruckspeicher) in der Kammer AK kommt dann in Betracht, wenn diese vollstän¬ dig mit einem flüssigen Druckmedium (Kraftstoff, Öl) gefüllt ist. Durch diese Maßnahme verbessert sich das dynamische Ver¬ halten des Ventils, da die vom Hubkolben HK verdrängte Flüε- εigkeit lediglich eine geringfügige Kompreεεion deε Gas¬ druckspeichers bewirkt und nicht zu hohe Gegendrücke in der Hydraulikflüssigkeit FL bzw. Gegenkräfte auf den Hubkolben HK erzeugt. Als Gaεdruckspeicher eignen sich insbesondere ge- schlossenzellige, öl-, kraftstoff- und temperaturbeständige Schaumstoffe auf Polyurethan-, Polyethan-, Polyester-, Natur¬ kautschuk-, Chlorbutadien-, Vinyl-, Polyvinylchlorid-, Polyi- mid-Basis oder Verbundschaumεtoffe aus diesen Komponenten εo- wie Gummiblasen. Es ist auch möglich, den Gasdruckspeicher durch eine in der Wand der Kammer AK integrierte federbela¬ stete Membran zu realisieren.

Abhängig von der Höhe deε in der Kammer AK erzeugten Über¬ drucks kann die Tellerfeder TF unter Umständen entfallen bzw. schwächer dimensioniert werden, da die Kammerflüssigkeit be¬ reits die Rückführung des Druckkolbens DK in die Ausgangslage bewirkt und den Aktor P unter eine mechanische Vorspannung setzt.

Eine deutliche Verringerung der Masse des Druckkolbens DK läßt sich durch eine Verlagerung der Tellerfeder TF in die Hydraulikkammer KA erreichen (s. Fig. 4) . Um einen Flüεεig- keitεaustausch zwischen den durch die Tellerfeder TF ge¬ trennten Kammerbereichen zu ermöglichen, müssen Ausgleichε- kanäle oder Bohrungen an den Auflageflächen der Tellerfeder TF am Kammerboden oder am Druckkolben DK vorhanden sein. Es ist selbstverständlich auch möglich, eine durchbohrte Tel- lerfeder TF zu verwenden.

Die vorgeschlagenen konstruktiven Maßnahmen stellen erhöhte Anforderungen an die Axialsymmetrie der einzelnen Ventilkom¬ ponenten, da es ansonεten zu einer Klemmung der Kolben DK, HK kommen kann. Dieε gilt im beεonderen Maße für den mehrfach geführten Stößel VS deε in Fig. 1 dargeεtellten Einεpritz- ventilε. Derartige Effekte lassen sich aber weitgehend ver¬ meiden, wenn man Kolben mit konvex gekrümmten Seitenflächen anstelle von zylindrischen Kolben verwendet (s. Fig. 5). Dieεe Maßnahme gewähr1eiεtet, daß auch größere Dezentrierun- gen der bewegten Komponenten in Bezug auf die Gehäusebohrun¬ gen und Führungen die Funktionsweise des Ventils nicht be¬ einträchtigen.

Eine wesentliche Komponente der in Fig. 6 schematiεch darge¬ εtellten Druckεtoß-Einεpritzanlage iεt daε Abεperrventil AV, dessen durch ein Antriebselement geεteuerte Öffnung den Ein- spritzvorgang einleitet. Hierdurch wird der von der Druckver- εorgungεeinheit DV über die Rohrleitung SG aus dem Vorratsbe¬ hälter KR angesaugte Kraftεtoff K in der Schwungleitung SL beschleunigt, um nach dem Durchlaufen des Absperrventils AV über die Drosεel DR und die Rohrleitung RL wieder in den Vor¬ ratsbehälter KR zurückzuströmen. Das schnelle Schließen deε Abεperrventilε AV hat zur Folge, daß εich ein von der momen- tanten Strömungεgeεchwindigkeit deε Kraftstoffs K in der Schwungleitung SL abhängiger Druckstoß aufbaut, welcher sich über die Einεpritzleitung EL zur Einεpritzdüse ED fortpflanzt und bei Überschreitung des Schließdruckes der federbelasteten Ventilnadel zum Abspritzen von Kraftstoff K führt. Der soge¬ nannte Schwingungstilger ST dient der Unterdrückung uner¬ wünschter Reflexionsdruckwellen.

Das in Fig. 7 dargestellte Abεperrventil der Druckstoß-Ein¬ spritzanlage besteht im wesentlichen aus dem in Form eines Durchflußrohres ausgebildeten Ventilkörper VG, einem steuer¬ bar verschließbaren Abflußkanal R und weiteren Komponenten, deren Aufbau und Wirkungsweiεe bereitε anhand der Fig. 1 biε 5 beschrieben wurden. So kann der Ventilteller VT durch elek¬ trische Ansteuerung des Piezoaktors P unter Vermittlung des hydrauliεchen Hubtransformators und des am Hubkolben HK befe¬ stigten Stößels VS vom Ventilεitz VD abgehoben und der^* mit der Kammer AK verbundene Abflußkanal R freigegeben werden. Daε Absperrventil gestattet ein sehr schnelleε Verεchließen des Abflußkanals R, wobei die Verschlußzeiten im Bereich von Bruchteilen einer Millisekunde liegen. Als Folge der εchlag- artigen Verzögerung deε Kraftεtoffε entεteht ein Druckεtoß DS, der sich mit Schallgeschwindigkeit ausbreitet und den Ventilkörper VG in Richtung der Einspritzdüse ED verläßt.

Bei der in Fig. 8 dargestellten Ausführungεform eineε Ab¬ εperrventilε iεt der Kanal R für den Kraftεtoffabfluß von der mit einem unter Druck stehenden Hydrauliköl gefüllten Kammer AK mittels einer O-Ring-gedichteten Stößeldurchführung SD vollständig getrennt. In diesem Fall beεitzt die Kammer AK einen separaten Anschluß AS für eine externe Öldruckversor¬ gung, beispielεweise des Kfz-eigenen Ölεchmierεyεtems. Auf dieεe Weise lassen sich Leckverluste der Stößeldurchführung und der Druckkolbendichtung OR ausgleichen. Außerdem kann auf eine Abdichtung (Membran M) zwischen der Hydraulikkammer KA und dem Hubtranεformator verzichtet werden.

Die Erfindung ist selbstverεtändlich nicht auf die beschrie¬ benen Ausführungεbeiεpiele beεchränkt. So kann man anεtelle eineε piezoelektrischen Aktors auch elektrostriktive oder ma- gnetoεtriktive Aktoren alε Antriebεelemente verwenden. Alle beschriebenen Ausführungsformen besitzen einen rotations- bzw. axialεymmetriεchen Aufbau. Hiervon kann εelbεtverεtänd- lich auch abgewichen werden, indem man den Hubtranεformator auε räumlich verteilten und über Flüssigkeitsleitungen mit¬ einander verbundenen Druckkammern aufbaut. Hierbei muß aller¬ dings ein Verlust an Funktionalität in Kauf genommen werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Öffnen und Verschließen einer in einem Ge¬ häuse vorhandenen Druchtrittsöffnung g e k e n n z e i c h n e t d u r c h , eine von einer ersten Bohrung und einem in der ersten Boh¬ rung verschiebbar angeordneten ersten Kolben (DK) gebil¬ dete erste Gehäusekammer (KA) , wobei die erste Gehäusekam¬ mer (KA) mit einer Hydraulikflüssigkeit (FL) gefüllt ist, - ein auf den gedichtet eingebauten ersten Kolben (DK) wir¬ kendes Antriebselernent (P) , eine mit einem unter Überdruck stehenden Medium gefüllte zweite Gehäusekammer (AK) , eine die erste und die zweite Gehäusekammer (KA, AK) ver- bindende zweite Bohrung, einen in der zweiten Bohrung verschiebbar angeordneten zweiten Kolben (HK) , dessen Querschnittstl che kleiner ist als die entsprechende Querschnittstlache des ersten Kol¬ bens (DK) und - ein Stößelelement (VS) , daε eine durch das Antriebselement (P) und den ersten Kolben (GK) hervorgerufene Verschiebung des zweiten Kolbens (HK) auf ein Rückstellelement (SF) und eine der Durchtrittsöffnung zugeorndetes Schließelement (VT) überträgt.

2. Vorrichtung nach Anεpruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Gehäuεekammern (KA, AK) , die Kolben (DK, HK) und die zweite Bohrung jeweils einen axialsymmetrischen Aufbau beεit- zen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 , g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen die erste und die zweite Gehäusekammer (KA, AK) verbin- denden Spalt (SP) oder Kanal.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 biε 3, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h ein auf der antriebεseitigen Wandung der zweiten Gehäusekam¬ mer (AK) aufliegendes Dichtelement (M) .

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Membran (M) als Dichtelement .

6. Vorrichtung nach einem der Anεprüche 1 biε 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß daε unter Überdruck εtehende Medium ein Gaε oder eine Flüssigkeit ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die unter Überdruck stehende Flüsεigkeit ein Hydrauliköl oder ein Kraftεtoff iεt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die zweite Gehäusekammer (AK) einen Anschluß (AS) zur Zu¬ führung des unter Oberdruck stehenden Mediums und die Durch¬ trittsöffnung aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine in der zweiten Gehäuεekammer (AK) angeordneten Druck- εpeicher.

10. Vorrichtung nach einem der Anεprüche 1 bis 9, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetoεtrik- tiven Aktor (P) als Antriebεelement .

11. Vorrichtung nach Anεpruch 10, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h ein aus einer Kugelscheiben-/Kegelpfannenanordnung bestehen- deε Aktorlager (PL) .

12. Vorrichtung nach einem der Anεprüche 1 biε 11, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine auf das Antriebselement (P) und/oder den ersten Kolben (DK) wirkendes Federelement (TF) .

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Federelement (TF) in der ersten Gehäusekammer (KA) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Tellerfeder (TF) .

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Durchtrittsöffnung mit einem Zu- oder -Abflußkanal (R) für eine Flüsεigkeit verbunden ist.

16. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 als Kraftstoff-Einεpritzventil.

17. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 als Absperrventil in einer Druckεtoß-Einεpritzanlage.