DE19854508C1

DE19854508C1 - Dosing device

Info

Publication number: DE19854508C1
Application number: DE1998154508
Authority: DE
Inventors: Bernhard Gottlieb; Hans Meixner; Andreas Kappel; Randolf Mock
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-11-25
Filing date: 1998-11-25
Publication date: 2000-05-11
Anticipated expiration: 2018-11-26
Also published as: FR2786269B1; FR2786269A1

Abstract

The dosing device has a housing (1) containing a setting drive (2) and a fluid chamber (3) with a dispensing opening (6) controlled by a linearly displaced valve needle (5), operated by the setting drive and projecting from the housing in the open position. The valve needle and the housing have axially cooperating pressure surfaces which exhibit the same axial variation in length in response to a variation in the fluid pressure (P) within the fluid chamber, the setting drive using piezoelectric, magnetostrictive, or electrostrictive elements.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur dosierten Abgabe von Fluid, wobei eine Ventilnadel nach außen öffnet und der Hub des Ventils vom Druck des Fluids unabhän gig ist.The invention relates to an apparatus and a method for metered delivery of fluid, with a valve needle to the outside opens and the stroke of the valve is independent of the pressure of the fluid is gig.

Bei einem nach außen öffnenden Dosiervorrichtung entstehen durch das Einbringen von Fluid unter hohem Druck (typischer weise 100 bar bis 300 bar) hohe Kräfte an den druckbeauf schlagten Flächen der Dosiervorrichtung. Diese Kräfte führen zu einer Dehnung des Gehäuses der Dosiervorrichtung und zur Dehnung der Ventilnadel. Herkömmlicherweise kompensieren sich diese Dehnungen nicht gegenseitig, wodurch der Ventilhub ver ändert wird. Falls die Dosiervorrichtung mit einem konstanten Fluiddruck betrieben wird, ist die Druckdehnung kompensier bar und im Anwendungsfall unproblematisch. Wird die Dosier vorrichtung jedoch bei unterschiedlichen Druckniveaus betrie ben, so ändert sich der Hub der Ventilnadel druckabhängig. Bei einem sehr hohen Druck (typischerweise < 200 bar) kann es zur ungewollten Leckage von Fluid und zum selbsttätigen Öff nen der Dosiervorrichtung kommen. Bisher wird das selbsttäti ge Öffnen der Dosiervorrichtung durch eine hinreichend starke Rückstellfeder unterbunden. Die Verwendung immer höherer Druckniveaus des Fluids macht diese Vorgehensweise aufwendig, und bei einem nur geringen Stellweg des Primärantriebs un brauchbar.With a metering device that opens outwards by introducing fluid under high pressure (more typical 100 bar to 300 bar) high forces on the pressure struck surfaces of the metering device. These forces lead to an expansion of the housing of the dosing device and Elongation of the valve needle. Traditionally, they compensate these strains do not mutually, causing the valve lift ver will change. If the dosing device with a constant Fluid pressure is operated, the pressure expansion is compensated bar and unproblematic in the application. Will the dosing device operated however at different pressure levels ben, the stroke of the valve needle changes depending on the pressure. At a very high pressure (typically <200 bar) it can for unwanted leakage of fluid and for automatic opening come the dosing device. So far this has been automatic Open the dosing device with a sufficiently strong one Return spring prevented. The use of ever higher ones Pressure levels of the fluid makes this procedure complex, and with only a small travel of the primary drive un useful.

Aus der deutschen Patentanmeldung P 19839125.0 ist eine Vor richtung zur Dosierung von Fluid bekannt, bei der eine nach außen öffnende Dosiervorrichtung mittels eines piezoelektri schen Stellantriebs und einer kolbenhydraulischen Übersetzung arbeitet. Dabei wird ein Ventilstößel durch eine in einer Fluidkammer befindliche Rückstellfeder dichtend gehalten. From the German patent application P 19839125.0 is a Vor Direction for metering fluid known in which one after externally opening metering device by means of a piezoelectric rule actuator and a piston hydraulic translation is working. A valve tappet is replaced by one in one Resetting spring located in the fluid chamber is kept sealed.

Aus DE 43 25 904 A1 ist eine Kraftstoff-Einspritzanlage zur Hochdruckeinspritzung von Dieselmotoren offenbart, bei der die Düsennadel eine aktive Druck-Kompensationsvorrichtung aufweist.DE 43 25 904 A1 discloses a fuel injection system for High pressure injection of diesel engines disclosed in the the nozzle needle is an active pressure compensation device having.

Aus DE 38 44 134 C2 ist ein Stellantrieb für ein Kraftstoff- Einspritzventil einer Brennkraftmaschine beschrieben, deren Aufgabe eine Verwendung von möglichst wenigen Bauteilen zur möglichst gleichförmigen Belastung eines Piezoelementes ist. Dabei ist der Piezoaktor mit einem Federelement ausgestattet.DE 38 44 134 C2 describes an actuator for a fuel Injection valve of an internal combustion engine described Task to use as few components as possible loading of a piezo element is as uniform as possible. The piezo actuator is equipped with a spring element.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Einfluß des Drucks des Fluids auf das Öffnungsverhalten der Dosiervorrichtung zu verringern.The object of the present invention is that Influence of the pressure of the fluid on the opening behavior of the Reduce dosing device.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den jeweiligen Un teransprüchen entnehmbar.This object is achieved by the features of claims 1 and 9 solved. Advantageous configurations are the respective Un removable claims.

Die Idee der Erfindung basiert im wesentlichen darauf, daß die axial druckwirksamen Flächen der Ventilnadel und des Ge häuses der Dosiervorrichtung so ausgeführt sind, daß bei ei ner Änderung des Drucks des Fluids die gleiche Längenänderung an der Ventilnadel und am Gehäuse auftritt. Die Dosiervorrichtung weist dazu ein Gehäuse mit einem darin angebrachten Stellantrieb auf sowie eine Fluidkammer, die mit einem unter einem Druck stehenden Fluid befüllbar ist. Mit der Fluidkammer ist mindestens eine Einspritzöffnung ver bunden, über welche das Fluid von der Fluidkammer nach außen abgebbar ist.The idea of the invention is essentially based on the fact that the axially pressure-effective surfaces of the valve needle and the Ge housing of the metering device are designed so that at egg ner change in pressure of the fluid the same change in length occurs on the valve needle and on the housing. For this purpose, the metering device has a housing with a housing in it attached actuator on as well as a fluid chamber with a fluid under pressure can be filled. With the fluid chamber has at least one injection opening bound, via which the fluid from the fluid chamber to the outside is dispensable.

Weiterhin ist eine vom Stellantrieb antreibbare Ventilnadel vorhanden, die durch die Fluidkammer führt und mittels deren Hub ein Öffnen und Verschließen der Einspritzöffnung steuer bar ist, wobei die Ventilnadel nach außen öffnend ausgeführt ist. Die Ventilnadel und das Gehäuse weisen axial druckwirk same, d. h. in axialer Richtung druckbeaufschlagte, Flächen auf, die so ausgeführt sind, daß bei einer Änderung des Drucks des Fluids die gleiche axiale Längenänderung an der Ventilnadel (5) und am Gehäuse auftritt.Furthermore, there is a valve needle drivable by the actuator, which leads through the fluid chamber and by means of the stroke of which opening and closing of the injection opening can be controlled, the valve needle being designed to open outwards. The valve needle and the housing have axially pressure-acting, ie pressurized in the axial direction, surfaces which are designed so that when the pressure of the fluid changes, the same axial length change occurs on the valve needle ( 5 ) and on the housing.

Es ergibt sich der Vorteil, daß eine so aufgebaute Dosiervor richtung in ihrer Funktion unempfindlich gegenüber einer Schwankung des Fluiddrucks ist.There is the advantage that a metering device constructed in this way direction insensitive to a function Fluctuation of the fluid pressure is.

Weiterhin ergibt sich vorteilhafterweise ein im Vergleich zur Verwendung einer starken Rückstellfeder ein größerer Ventil hub und ein sehr einfacher Aufbau. Furthermore, there is advantageously a comparison to Using a strong return spring a larger valve hub and a very simple structure.

Es ist vorteilhaft, wenn der Stellantrieb piezoelektrisch an getrieben wird, beispielsweise mittels eines piezoelektri schen Aktors. Ein piezoelektrischer Stellantrieb besitzt eine sehr schnelle Schaltzeit und eine sehr kurze Antriebstotzeit. In Verbindung mit einem piezoelektrischen Stellantrieb ist die vorliegende Verbindung besonders vorteilhaft, weil der piezoelektrische Stellantrieb einen vergleichsweise geringen Hub besitzt (typischerweise 30 µm bis 40 µm), so daß ein un gewolltes Öffnen der Dosiervorrichtung vergleichsweise früh eintritt.It is advantageous if the actuator is piezoelectric is driven, for example by means of a piezoelectric actuator. A piezoelectric actuator has one very fast switching time and a very short drive dead time. In conjunction with a piezoelectric actuator the present connection is particularly advantageous because of the piezoelectric actuator a comparatively small Hub has (typically 30 microns to 40 microns), so that an un deliberate opening of the metering device comparatively early entry.

Außer einem piezoelektrischen Stellantrieb kann beispiels weise auch ein elektrostriktiver oder magnetostriktiver Stel lantrieb eingesetzt werden, welche beide ebenfalls eine gute Schaltcharakteristik zeigen. Der magnetostriktive Antrieb be sitzt allerdings den Nachteil, daß zum Betrieb eine ver gleichsweise große Spule verwendet werden muß. Der elek trostriktive Antrieb besitzt den Nachteil, daß die heutzutage verfügbaren Materialien eine vergleichsweise geringe Curie temperatur aufweisen, so daß der Betrieb eines elek trostriktiven Antriebs bei einer erhöhten Temperatur, bei spielsweise im Bereich eines Motors, nicht möglich ist.In addition to a piezoelectric actuator, for example also an electrostrictive or magnetostrictive position oil drive can be used, both of which are also good Show switching characteristics. The magnetostrictive drive sits the disadvantage, however, that a ver for operation equally large coil must be used. The elec Trostrictive drive has the disadvantage that nowadays available materials a comparatively low Curie have temperature so that the operation of an elec trostrictive drive at an elevated temperature, at for example in the area of an engine, is not possible.

Ebenso ist die Erfindung auch bei einem elektromagnetisch oder elektrodynamisch angetriebenen Einspritzventil anwend bar.The invention is also electromagnetic or use an electrodynamically driven injection valve bar.

Es ist zum vereinfachten Aufbau der Dosiervorrichtung weiter hin günstig, wenn der Stellantrieb gegen das Fluid abdichtbar ist.It is further to the simplified structure of the metering device favorable if the actuator can be sealed against the fluid is.

Unabhängig von der Art des Antriebs ist die Erfindung bei al len Arten von Dosiervorrichtungen vorteilhaft anwendbar, bei denen die Durchflußrate vom Hub der Ventilnadel abhängt. Regardless of the type of drive, the invention at al len types of metering devices advantageously applicable, at which the flow rate depends on the stroke of the valve needle.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Ventilnadel mittels einer Rückstellfeder auf die Einspritzöffnung preßbar ist. Die vergleichsweise schwache Rückstellfeder dient zur Rück stellung der Ventilnadel und dazu, ein ungewolltes Öffnen der Dosiervorrichtung zu verhindern.It is also advantageous if the valve needle by means of a return spring can be pressed onto the injection opening. The comparatively weak return spring is used for the return position of the valve needle and, in addition, an unwanted opening of the To prevent dosing.

Es ist vorteilhaft, wenn der piezoelektrische Antrieb ein ke ramischer Vielschicht-Piezoaktor ist. Dabei ist es vorteil haft, wenn der keramische Aktor druckvorgespannt ist, weil dadurch schädliche Zugspannungen am Aktor verhindert werden. Aufgrund eines einfachen Einbaus ist es vorteilhaft, wenn der Aktor mittels einer Rohrfeder vorgespannt wird. Beispielswei se kann der keramische Aktor innerhalb einer zylinderförmigen Rohrfeder angebracht sein. Es ist aber auch möglich mittels einer oder mehrerer Federn, die parallel oder seriell angebracht sind, den Piezoaktor unter einer Druckvorspannung zu halten, beispielsweise mittels einer Tellerfeder.It is advantageous if the piezoelectric drive is a ke ramischer multilayer piezo actuator. It is an advantage if the ceramic actuator is prestressed because this prevents damaging tensile stresses on the actuator. Due to a simple installation, it is advantageous if the Actuator is biased by means of a tubular spring. For example The ceramic actuator can be inside a cylindrical Bourdon tube attached. But it is also possible with one or more springs that are parallel or serial are attached, the piezo actuator under a pressure bias to hold, for example by means of a plate spring.

Die Dosiervorrichtung ist besonders geeignet für die Ein spritzung von Kraftstoff, beispielsweise in einen Verbren nungsmotor. Dabei ist die Dosiervorrichtung in einem Druckbe reich von 100 bar bis 400 bar insbesondere als Benzin-Direkt einspritzer einsetzbar.The dosing device is particularly suitable for the one injection of fuel, for example into a burn motor. The metering device is in a pressure chamber range from 100 bar to 400 bar especially as direct petrol injector can be used.

Die unterschiedliche Ausführung der druckwirksamen Flächen von Ventilnadel und Gehäuse im Bereich ihrer druckbeauf schlagten Flächen ist besonders günstig anwendbar in dem Fall, in dem die Ventilnadel unterschiedliche Durchmesser be sitzt und/oder ein unterschiedlicher Querschnitt derjenigen Bohrung vorliegt, in der die Ventilnadel geführt wird.The different design of the pressure-effective surfaces of valve needle and housing in the area of their pressurization struck areas is particularly useful in the Case in which the valve needle be different diameters sits and / or a different cross section of those There is a hole in which the valve needle is guided.

Dabei werden zur Minimierung der Druckabhängigkeit einer Do siervorrichtung die radialen Abmessungen, d. h. die Quer schnitte, und die axialen Abmessungen, d. h. die Längen, von Ventilnadel und Injektorkörper im druckbeaufschlagten Bereich so konstruiert, daß der Druck des Fluids die gleiche Längen änderung von Gehäuse und Ventilnadel bewirkt. To minimize the pressure dependency of a Do the radial dimensions, d. H. the cross cuts, and the axial dimensions, d. H. the lengths of Valve needle and injector body in the pressurized area constructed so that the pressure of the fluid is the same lengths change of housing and valve needle.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf eine axialsym metrische Dosiervorrichtung beschränkt.Of course, the invention is not based on an axial metric dosing device limited.

In den folgenden Ausführungsbeispielen wird die erfindungs gemäße Dosiervorrichtung schematisch näher dargestellt.In the following embodiments, the invention according dosing device shown schematically in more detail.

Fig. 1 zeigt schematisch eine herkömmliche nach außen öff nende Dosiervorrichtung, Fig. 1 shows schematically a conventional outwardly öff designating metering device,

Fig. 2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht schema tisch ein Ausführungsbeispiel einer druckunabhängigen Dosiervorrichtung, Fig. 2 shows a sectional view in side view schematically an embodiment of a pressure-independent metering device,

Fig. 3 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht schema tisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Dosier vorrichtung mit druckunabhängigem Ventilhub. Fig. 3 shows a sectional side view schematically table another embodiment of a metering device with pressure-independent valve lift.

In Fig. 1 ist ein bis auf die Fluidzuleitung 7 axialsymme trischer Direkteinspritzer dargestellt. In einer Antriebskam mer 11 innerhalb eines Gehäuses 1 ist ein Stellantrieb 2 in Form eines Piezoaktors eingebracht. Der Piezoaktor befindet sich innerhalb einer Rohrfeder 9, durch die der Piezoaktor unter einer Druckvorspannung gehalten wird. An der dem Ge häuse 1 abgewandten Seite der Rohrfeder 9 liegt eine Ventil nadel 5 auf. Die Ventilnadel 5 führt von der Rohrfeder 9 durch eine Durchführung 12 und durch eine Fluidkammer 3 hin durch zur Außenseite des Gehäuses 1.In Fig. 1, up to the fluid supply line 7 axially symmetrical direct injector is shown. In a Antriebsskam mer 11 within a housing 1 , an actuator 2 is introduced in the form of a piezo actuator. The piezo actuator is located within a tubular spring 9 , by means of which the piezo actuator is held under a prestress. On the Ge housing 1 facing away from the tubular spring 9 is a valve needle 5 . The valve needle 5 leads from the tubular spring 9 through a bushing 12 and through a fluid chamber 3 to the outside of the housing 1 .

Die Fluidkammer 3 wird über eine Kraftstoffzuleitung 7 mit einem Fluid F unter einem Druck P gefüllt. Sie ist aus einem Fluidreservoir 31 und einer Einspritzbohrung 32 aufgebaut. Die Fluidkammer 3 ist so ausgeführt, daß sie an einer Ein spritzöffnung 6 der Einspritzbohrung 32 in den Außenraum mün det.The fluid chamber 3 is filled with a fluid F under a pressure P via a fuel feed line 7 . It is constructed from a fluid reservoir 31 and an injection bore 32 . The fluid chamber 3 is designed so that it mün det at an injection opening 6 of the injection bore 32 in the outer space.

Die Ventilnadel 5 ist an ihrem nach außen führenden Ende, das der Rohrfeder 9 gegenüber abgewandt ist, in Form eines Ven tiltellers 51 ausgearbeitet. Durch den Ventilteller 51 ist die Einspritzöffnung 6 verschließbar. The valve needle 5 is worked out in the form of a Ven tilteller 51 at its outwardly leading end facing away from the tubular spring 9 . The injection opening 6 can be closed by the valve plate 51 .

Innerhalb der Einspritzbohrung 32 ist eine Rückstellfeder 8 vorhanden, welche den Ventilteller 51 so auf das Gehäuse 1 drückt, so daß die Einspritzöffnung 6 verschlossen ist. Eine Rückstellfeder 8 ist aber allerdings zu schwach, als daß ein Anliegen des Ventiltellers 51 am Gehäuse 1 bei vollem Druck P des Fluids F (typischerweise 100 bar bis 300 bar) sicher stellbar ist.Within the injection bore 32 there is a return spring 8 which presses the valve plate 51 onto the housing 1 so that the injection opening 6 is closed. However, a return spring 8 is too weak to ensure that the valve plate 51 can rest against the housing 1 at full pressure P of the fluid F (typically 100 bar to 300 bar).

Zur Abdichtung des in der Antriebskammer 11 befindlichen Stellantriebs 2 und der Rohrfeder 9 gegenüber dem Fluid F ist in der Durchführung 12 ein um die Ventilnadel 5 gelegter O- Ring vorhanden.To seal the actuator 2 located in the drive chamber 11 and the tubular spring 9 with respect to the fluid F, an O-ring placed around the valve needle 5 is present in the bushing 12 .

Im Ausgangszustand ist der Piezoaktor entladen bzw. kurzge schlossen und nimmt seine kleinste (axiale) Länge ein. Die elektrischen Anschlüsse des Stellantriebs 2 sind nicht darge stellt. Durch die Rohrfeder 9 wird der keramische Piezoaktor immer unter einer Druckspannung gehalten, so daß keine schäd lichen Zugspannungen, die Risse erzeugen könnten, auftreten. Im Ausgangszustand besitzt auch die Rohrfeder 9 eine minimale axiale Länge. Die Ventilnadel 5 ist maximal zurückgezogen, so daß der Ventilteller 51 auf dem Gehäuse 1 aufliegt und die Einspritzöffnung 6 verschließt. Der Verschluß der Ein spritzöffnung 6 wird auch durch die Rückstellfeder 9 sicher gestellt.In the initial state, the piezo actuator is discharged or short-circuited and takes its smallest (axial) length. The electrical connections of the actuator 2 are not shown Darge. By the tube spring 9 , the ceramic piezo actuator is always kept under a compressive stress, so that no harmful tensile stresses that could produce cracks occur. In the initial state, the tubular spring 9 also has a minimal axial length. The valve needle 5 is retracted to the maximum, so that the valve plate 51 rests on the housing 1 and closes the injection opening 6 . The closure of the injection opening 6 is also ensured by the return spring 9 .

Während eines Öffnungsvorgangs wird ein elektrisches Signal an den Stellantrieb 2 angelegt, so daß dieser in axialer Richtung ausgedehnt wird. Der Stellantrieb 2 elongiert die Rohrfeder 9, welche wiederum die Ventilnadel in die gleiche Richtung verschiebt. Dadurch wird der Ventilteller 51 von dem Gehäuse 1 abgehoben, so daß die Einspritzöffnung 6 geöffnet ist. Dadurch wird Fluid F aus der Fluidkammer nach außen ab gegeben.During an opening process, an electrical signal is applied to the actuator 2 so that it is expanded in the axial direction. The actuator 2 elongates the tubular spring 9 , which in turn shifts the valve needle in the same direction. As a result, the valve plate 51 is lifted off the housing 1 , so that the injection opening 6 is open. As a result, fluid F is released from the fluid chamber to the outside.

Zur Beendigung des Öffnungsvorgangs wird der Stellantrieb in axialer Richtung wieder kontrahiert, beispielsweise durch ein Kurzschließen bzw. Entladen des Piezoaktors. Dadurch wird die Ventilnadel 5 wieder zurückgezogen, so daß der Ventilteller 51 wieder die Einspritzöffnung 6 verschließt.To end the opening process, the actuator is contracted again in the axial direction, for example by short-circuiting or discharging the piezo actuator. As a result, the valve needle 5 is withdrawn again, so that the valve plate 51 closes the injection opening 6 again.

Fig. 2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine direkt angetriebene, nach außen öffnende Dosiervorrichtung mit druckunabhängigem Ventilhub. Fig. 2 shows a sectional side view of a directly driven, outwardly opening metering device with pressure-independent valve lift.

Innerhalb der Antriebskammer 11 ist ein in einer Rohrfeder 9 eingebrachter keramischer Vielschicht-Piezoaktor vorhanden (ohne Abbildung), wobei die Rohrfeder 9 am Gehäuse 1 befe stigt ist. An der der Befestigung mit dem Gehäuse 1 entgegen gesetzten Seite der Rohrfeder 9 befindet sich die Ventilnadel 5, welche entweder mit der Rohrfeder 9 in Kontakt steht oder über einen im Ruhezustand 1 µm bis 3 µm breiten Spalt ge trennt ist. Die Ventilnadel 5 führt von der Rohrfeder 9 durch die Antriebskammer 11 durch die Durchführung 12 und durch die Fluidkammer 3 an die Außenseite des Gehäuses 1. Die Ventilna del 5 ist in der Durchführung 12 axial verschiebbar ange bracht. Innerhalb der Antriebskammer 11 befindet sich die Rückstellfeder 8, durch welche die Ventilnadel 5 an die Rohr feder gedrückt wird. Die Rückstellfeder 8 stützt sich am Ge häuse und an einem an der Ventilnadel 5 befestigten Seeger- Ring ab. Die Durchführung 12 ist gegen die Fluidkammer 3 aus Sicherheitsgründen mittels zweier Dichtringe fluidisch abge dichtet.Within the drive chamber 11 is a ceramic multilayer piezo actuator introduced in a tube spring 9 (not shown), the tube spring 9 being attached to the housing 1 . On the attachment to the housing 1 opposite side of the tubular spring 9 there is the valve needle 5 , which is either in contact with the tubular spring 9 or is separated by a 1 µm to 3 µm wide gap at rest. The valve needle 5 leads from the tubular spring 9 through the drive chamber 11 through the bushing 12 and through the fluid chamber 3 to the outside of the housing 1 . The Ventilna del 5 is axially displaceable in the implementation 12 is introduced . Within the drive chamber 11 is the return spring 8 , through which the valve needle 5 is pressed to the tubular spring. The return spring 8 is supported on the Ge housing and on a Seeger ring attached to the valve needle 5 . The bushing 12 is fluidly sealed against the fluid chamber 3 for safety reasons by means of two sealing rings.

Zur weiteren Sicherstellung, daß kein Fluid F von der Fluid kammer 3 in die Antriebskammer 11 gelangt, mündet in die Durchführung 12 ein Ablauf 32, durch den möglicherweise in die Durchführung 12 gelangtes Fluid abgeführt wird, bei spielsweise in einen Tank. Auf der der Antriebskammer 11 ent gegengesetzten Seite mündet die Durchführung 12 in die Fluid kammer 3. Die Fluidkammer 3 wird mittels einer Fluidzuleitung 7 mit Fluid F, hier: Benzin, befüllt. Die Fluidkammer 3 ist als eine Bohrung mit zwei unterschiedlichen Durchmessern in radialer Richtung ausgeführt. Der Teil der Fluidkammer 3 mit dem größeren Durchmesser d4 entspricht dem Fluidreservoir 31, der Teil der Fluidkammer 3 mit dem kleineren Durchmesser d1 entspricht der Einspritzbohrung 32.To further ensure that no fluid F passes from the fluid chamber 3 into the drive chamber 11 , an outlet 32 opens into the feedthrough 12 , through which fluid possibly passed into the feedthrough 12 is discharged, for example into a tank. On the opposite side of the drive chamber 11 , the leadthrough 12 opens into the fluid chamber 3 . The fluid chamber 3 is filled with fluid F, here: gasoline, by means of a fluid supply line 7 . The fluid chamber 3 is designed as a bore with two different diameters in the radial direction. The part of the fluid chamber 3 with the larger diameter d4 corresponds to the fluid reservoir 31 , the part of the fluid chamber 3 with the smaller diameter d1 corresponds to the injection bore 32 .

Die Ventilnadel 5 ist als ein Stück aus einem Basisteil 52 mit einem Durchmesser d2 und einem darin zentriert übergehen dem Spitzenteil 53 mit einem kleineren Durchmesser d3 aufge baut. Das von der Rohrfeder 9 angetriebene Basisteil 52 der Ventilnadel 5 wird durch die Durchführung 12 geführt. Im Fluidreservoir 31 kommt es zu einer Querschnittsverengung der Ventilnadel 5 auf einen kleineren Durchmesser d3. Am nach au ßen führenden Ende des Spitzenteils 53 der Ventilnadel 5 ist diese als Ventilteller 51 ausgeführt.The valve needle 5 is built up as one piece from a base part 52 with a diameter d2 and a center merging into the tip part 53 with a smaller diameter d3. The base part 52 of the valve needle 5 driven by the tubular spring 9 is guided through the bushing 12 . In the fluid reservoir 31 , the cross section of the valve needle 5 is narrowed to a smaller diameter d3. At the outwardly leading end of the tip part 53 of the valve needle 5 , this is designed as a valve plate 51 .

Die (axiale) Bohrungslänge l1 der Einspritzbohrung 32 reicht vom Aufsatz des Ventiltellers 51 bis zum Fluidreservoir 31, welches eine Reservoirlänge l2 aufweist. Die Spitzenlänge l4 des Spitzenteils 53 reicht vom Aufsatz der Ventilnadel 5 auf dem Gehäuse 1 bis zur Querschnittsverengung, d. h. dem Über gang vom kleineren zum größeren Querschnitt der Ventilnadel 5 im Ausgangszustand, während die Basislänge l3 diejenige des Basisteils 52 wiedergibt.The (axial) bore length l1 of the injection bore 32 extends from the attachment of the valve plate 51 to the fluid reservoir 31 , which has a reservoir length l2. The tip length l4 of the tip part 53 extends from the attachment of the valve needle 5 on the housing 1 to the cross-sectional constriction, ie the transition from the smaller to the larger cross-section of the valve needle 5 in the initial state, while the base length l3 reflects that of the base part 52 .

Mit Dichtsitzdurchmesser d1 wird der Durchmesser der Ein spritzbohrung 32 bezeichnet, und mit dem Basisdurchmesser d2 der Durchmesser des Basisteils 52. Mit d3 wird der Durchmes ser des Spitzenteils 53 bezeichnet, und mit d4 der Durchmes ser des Fluidreservoirs 31. d5 bezeichnet den Außendurchmes ser des Gehäuses 1 im Bereich des Fluidreservoirs 31.With sealing seat diameter d1, the diameter of an injection bore 32 is referred to, and with the base diameter d2, the diameter of the base part 52 . D3 is the diameter of the tip part 53 , and d4 the diameter of the fluid reservoir 31st d5 denotes the outer diameter of the housing 1 in the region of the fluid reservoir 31 .

Die Längen l1 bis l4 und die Durchmesser d1 bis d5 sind der gestalt ausgeführt, daß d1 = d2 gilt, also daß der Dichtsitz durchmesser d1 dem Basisdurchmesser d2 entspricht. Dadurch wird erreicht, daß durch den Druck P des Kraftstoffs keine zusätzliche Kraft auf die Rückstellfeder 8 und den Ventilsitz ausgeübt wird. Die Längen l1 und l3 sind annähernd unabhängig vom Druck P, wohingegen die Längen l2 und l4 druckabhängig sind. The lengths l1 to l4 and the diameters d1 to d5 are designed such that d1 = d2 applies, that is to say that the sealing seat diameter d1 corresponds to the base diameter d2. This ensures that no additional force is exerted on the return spring 8 and the valve seat by the pressure P of the fuel. The lengths l1 and l3 are approximately independent of the pressure P, whereas the lengths l2 and l4 are pressure-dependent.

Auf die axial druckwirksamen Ringflächen, die das Spitzenteil 53 der Ventilnadel 5 begrenzen, wird - bedingt durch den Druck P - eine Kraft
Due to the pressure P, a force is exerted on the axially pressure-effective ring surfaces which delimit the tip part 53 of the valve needle 5

ausgeübt, durch die das Spitzenteil 53 gestreckt wird, d. h., daß durch den Einfluß des Drucks die Länge l4 wächst. Die Federkonstante k1 des Spitzenteils 53 errechnet sich zu
exerted by which the tip part 53 is stretched, ie that the length l4 increases due to the influence of the pressure. The spring constant k1 of the tip part 53 is calculated

mit E: Elastizitätsmodul.with E: modulus of elasticity.

Die druckbedingte Dehnung Δl4 ergibt sich somit zu
The pressure-related expansion Δl4 thus results in

Für die Dehnung des Gehäuses 1 gilt näherungsweise eine ana loge Überschlagsrechnung. Auf die axial druckwirksamen Ringflächen, die das Fluidreservoir 31 begrenzen, wirkt die Kraft
An approximate rollover calculation applies approximately to the expansion of the housing 1 . The force acts on the axially pressure-effective ring surfaces which limit the fluid reservoir 31

Die entsprechende Federkonstante k2 berechnet sich zu
The corresponding spring constant k2 is calculated

Die druckbedingte Dehnung des Fluidreservoirs 31 ergibt sich somit zu
The pressure-related expansion of the fluid reservoir 31 thus results

Damit sich die Druckänderungen nicht auf den Hub der Ventil nadel 5 auswirken, wird die Dosiervorrichtung so ausgelegt, daß gilt:
So that the pressure changes do not affect the stroke of the valve needle 5 , the metering device is designed such that:

Diese Abschätzungen sind nur näherungsweise gültig, da die radiale Dehnung des Fluidreservoirs 31 nicht berücksichtigt wurde, die sich ebenfalls in Form einer Änderung der Länge l2 des Fluidreservoirs 31 auswirkt. Eine genauere Abstimmung zum Erreichen der Druckunabhängigkeit ist beispielsweise mit Hilfe der Methode der finiten Elemente möglich.These estimates are only approximate because the radial expansion of the fluid reservoir 31 was not taken into account, which also has the effect of a change in the length l2 of the fluid reservoir 31 . A more precise adjustment to achieve pressure independence is possible, for example, using the finite element method.

Eine solche direkt angetriebene, nach außen öffnende Dosier vorrichtung ist besonders zur Direkteinspritzung von Benzin in einen Verbrennungsmotor geeignet.Such a directly driven metering device that opens outwards device is particularly for direct injection of gasoline suitable in an internal combustion engine.

Fig. 3 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine weitere Ausgestaltung einer Dosiervorrichtung mit druckunab hängigem Ventilhub. Fig. 3 shows a sectional side view of a further embodiment of a metering device with pressure-independent valve stroke.

Bei zu Fig. 2 analoger Bezeichnung ist nun eine dazu unter schiedliche Ausgestaltung von Ventilnadel 5 und Fluidkammer 3 vorgenommen worden. Ein druckunabhängiger Hub der Ventilnadel 5 durch eine geeignete Anpassung von Länge l1 und Querschnitt d3 des Spitzenteils 53 und/oder durch eine geeignete Ausgestaltung des Durchmessers d4 des Fluidreservoirs 31 und des Außendurchmessers d5 des Gehäuses 1 im Bereich des Fluid reservoirs 31 erreicht. Hierbei muß wieder gelten, daß der Dichtsitzdurchmesser d1 dem Basisdurchmesser d2 entspricht, damit durch den Druck P des Fluids F keine Kraft auf die Rückstellfeder 8 oder den Ventilsitz verursacht wird. Die ge naue Auslegung kann in diesem Fall nur sinnvoll mit Hilfe von Simulationsrechnungen ermittelt werden.With the designation analogous to FIG. 2, a different configuration of valve needle 5 and fluid chamber 3 has now been undertaken. A pressure-independent stroke of the valve needle 5 by a suitable adjustment of length L1 and diameter d3 of the tip portion 53 and / or by a suitable design of the diameter d4 of the fluid reservoir 31 and the outer diameter d5 reached the housing 1 in the area of the fluid reservoir 31st Here it must again apply that the sealing seat diameter d1 corresponds to the basic diameter d2, so that no force is caused on the return spring 8 or the valve seat by the pressure P of the fluid F. In this case, the exact design can only be sensibly determined with the help of simulation calculations.

Claims

1. Dosiervorrichtung, aufweisend

1. ein Gehäuse (1) mit einem darin angebrachten Stellantrieb (2)
2. eine mit einem Fluid (F) druckbeaufschlagbare Fluidkammer (3),
3. mindestens eine mit der Fluidkammer (3) verbundene Ein spritzöffnung (6), über welche das Fluid (7) von der Fluid kammer (3) nach außen abgebbar ist,
4. eine vom Stellantrieb (2) antreibbare Ventilnadel (5), die durch die Fluidkammer (3) führt und mittels deren Hub ein Öffnen und Verschließen der Einspritzöffnung (6) steuerbar ist,

wobei

1. die Ventilnadel (5) nach außen öffnend ausgeführt ist,
2. axial druckwirksame Flächen der Ventilnadel (5) und des Ge häuses (1) an der Fluidkammer vorhanden sind, die so ausgeführt sind, daß bei einer Änderung eines Drucks (P) des Fluids (F) die gleiche axiale Längenänderung an der Ventilnadel (5) und am Gehäuse (1) auftritt.

1. dosing device, comprising

1. a housing ( 1 ) with an actuator ( 2 ) mounted therein
2. a fluid chamber ( 3 ) which can be pressurized with a fluid (F),
3. at least one with the fluid chamber ( 3 ) connected to an injection opening ( 6 ) through which the fluid ( 7 ) from the fluid chamber ( 3 ) can be dispensed to the outside,
4. a valve needle ( 5 ) which can be driven by the actuator ( 2 ) and which leads through the fluid chamber ( 3 ) and by means of whose stroke an opening and closing of the injection opening ( 6 ) can be controlled,

in which

1. the valve needle ( 5 ) is designed to open outwards,
2. axially pressure-effective surfaces of the valve needle ( 5 ) and the Ge housing ( 1 ) are present on the fluid chamber, which are designed so that when a pressure (P) of the fluid (F) changes, the same axial length change on the valve needle ( 5 ) and occurs on the housing ( 1 ).

2. Dosiervorrichtung nach Anspruch 1, bei der

1. die Fluidkammer (3) aus einem zylinderförmigen Fluidreser voir (31) einer daran axial und zentriert anschließenden zylinderförmigen Einspritzbohrung (32) besteht,
2. die Ventilnadel (5) aus einem zylinderförmigen Basisteil (52) und einem daran axial und zentriert anschließenden zylinderförmigen Spitzenteil (53) besteht,
3. das Basisteil (52) und teilweise das Spitzenteil (53) durch das Fluidreservoir (31) führbar sind,
4. das Spitzenteil (53) durch die Einspritzbohrung (32) führ bar ist und an seinem dem Basisteil (52) entgegengesetzten Ende mit einem Ventilteller (51) versehen ist, durch den die Einspritzöffnung (6) verschließbar ist,

wobei die Beziehung d1 = d2 gilt mit d1 = Dichtsitzdurchmes ser und d2 = Basisdurchmesser.2. Dosing device according to claim 1, wherein

1. the fluid chamber ( 3 ) consists of a cylindrical fluid reservoir ( 31 ), an axially and centered adjoining cylindrical injection bore ( 32 ),
2. the valve needle ( 5 ) consists of a cylindrical base part ( 52 ) and an axially and centered adjoining cylindrical tip part ( 53 ),
3. the base part ( 52 ) and partly the tip part ( 53 ) can be guided through the fluid reservoir ( 31 ),
4. the tip part ( 53 ) can be passed through the injection bore ( 32 ) and is provided at its end opposite the base part ( 52 ) with a valve plate ( 51 ) through which the injection opening ( 6 ) can be closed,

where the relationship d1 = d2 applies with d1 = sealing seat diameter and d2 = base diameter.

3. Dosiervorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Beziehung
mit l2 = Reservoirlänge, l4 = Spitzenlänge, d3 = Spitzen durchmesser, d4 = Reservoirdurchmesser und d5 = Außendurch messer des Gehäuses (1) im Bereich des Fluidreservoirs (31) gilt.3. Metering device according to claim 2, wherein the relationship
with l2 = reservoir length, l4 = tip length, d3 = tip diameter, d4 = reservoir diameter and d5 = outer diameter of the housing ( 1 ) in the area of the fluid reservoir ( 31 ) applies.

4. Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Stellantrieb (2) mittels eines piezoelektrischen, eines elektrostriktiven oder eines magnetostriktiven Aktors antreibbar ist.4. Dosing device according to one of the preceding claims, in which the actuator ( 2 ) can be driven by means of a piezoelectric, an electrostrictive or a magnetostrictive actuator.

5. Dosiervorrichtung nach Anspruch 4, bei der der Aktor mit tels einer Rohrfeder (9) druckvorspannbar ist.5. Dosing device according to claim 4, wherein the actuator can be prestressed by means of a tubular spring ( 9 ).

6. Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mittels einer Rückstellfeder die Ventilnadel (5) auf die Einspritzöffnung (6) preßbar ist.6. Dosing device according to one of the preceding claims, in which the valve needle ( 5 ) can be pressed onto the injection opening ( 6 ) by means of a return spring.

7. Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Fluid (F) Benzin ist.7. Dosing device according to one of the preceding claims, where the fluid (F) is gasoline.

8. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7 zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor.8. Dosing device according to one of claims 6 or 7 for Use in an internal combustion engine.

9. Verfahren zur Dosierung von Fluid, bei dem

1. mittels eines in einem Gehäuse (1) angebrachten Stellan triebs (2) der Hub einer durch eine Fluidkammer (3) geführ ten Ventilnadel (5) gesteuert wird,
2. die Fluidkammer (3) mit einem Fluid (F) druckbeaufschlagt wird,
3. axial druckwirksame Flächen der Ventilnadel (5) und des Ge häuses (1) an der Fluidkammer vorhanden sind, die so ausgeführt sind, daß bei einer Änderung des Drucks (P) des Fluids (F) die gleiche Längenänderung an der Ventilnadel (5) und am Gehäuse (1) auftritt,

wobei

1. im Ausgangszustand mindestens eine mit der Fluidkammer (3) verbundene Einspritzöffnung (6) mittels der Ventilnadel (5) verschlossen wird,
2. während eines Öffnungsvorgangs durch eine Betätigung des Stellantriebs (2) die Ventilnadel (5) nach außen von der Einspritzöffnung (6) abgehoben wird, und Fluid (F) aus der Fluidkammer (3) dosiert nach außen abgegeben wird,
3. während des Rückstellvorgangs mittels des Stellantriebs (2) die Ventilnadel (5) dichtend auf die Einspritzöffnung (6) verschoben wird.

9. Method for dosing fluid, in which

The stroke of a is controlled by a fluid chamber (3) th Led valve needle (5) by means of a 1 in a housing (1) mounted Stellan drive (2),
2. the fluid chamber ( 3 ) is pressurized with a fluid (F),
3. axially pressure-effective surfaces of the valve needle ( 5 ) and the Ge housing ( 1 ) are present on the fluid chamber, which are designed so that when the pressure (P) of the fluid (F) changes, the same change in length on the valve needle ( 5 ) and occurs on the housing ( 1 ),

in which

1. in the initial state, at least one injection opening ( 6 ) connected to the fluid chamber ( 3 ) is closed by means of the valve needle ( 5 ),
2. during an opening process by actuating the actuator ( 2 ), the valve needle ( 5 ) is lifted outwards from the injection opening ( 6 ), and fluid (F) is dispensed outwards from the fluid chamber ( 3 ),
3. during the resetting process by means of the actuator ( 2 ), the valve needle ( 5 ) is pushed sealingly onto the injection opening ( 6 ).

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem

1. als Fluidkammer (3) ein zylinderförmiges Fluidreservoir (31) zusammen mit einer daran axial und zentriert anschlie ßenden zylinderförmigen Einspritzbohrung (32) verwendet wird,
2. die Ventilnadel (5) aus einem zylinderförmigen Basisteil (52) und einem daran axial und zentriert anschließenden zy linderförmigen Spitzenteil (53) zusammengesetzt wird,
3. das Basisteil (52) und teilweise das Spitzenteil (53) durch das Fluidreservoir (31) geführt werden,
4. das Spitzenteil (53) durch die Einspritzbohrung (32) ge führt wird und an seinem dem Basisteil (52) entgegengesetz ten Ende mit einem Ventilteller (51) versehen wird, durch den die Einspritzöffnung (6) verschließbar ist,

wobei die Beziehung
d1 = d2
gilt mit d1 = Dichtsitzdurchmesser und d2 = Basisdurchmesser. 10. The method according to claim 9, wherein

1. a cylindrical fluid reservoir ( 31 ) is used as the fluid chamber ( 3 ) together with a cylindrical injection bore ( 32 ) axially and centrally adjoining it,
2. the valve needle ( 5 ) is composed of a cylindrical base part ( 52 ) and an axially and centered adjoining cylindrical tip part ( 53 ),
3. the base part ( 52 ) and partly the tip part ( 53 ) are guided through the fluid reservoir ( 31 ),
4. the tip part ( 53 ) is guided through the injection bore ( 32 ) and is provided at its end opposite the base part ( 52 ) with a valve plate ( 51 ) through which the injection opening ( 6 ) can be closed,

being the relationship
d1 = d2
applies with d1 = sealing seat diameter and d2 = basic diameter.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Beziehung
mit l2 = Reservoirlänge, l4 = Spitzenlänge, d3 = Spitzen durchmesser, d4 = Reservoirdurchmesser und d5 = Außendurch messer des Gehäuses (1) im Bereich des Fluidreservoirs (31) gilt.11. The method of claim 10, wherein the relationship
with l2 = reservoir length, l4 = tip length, d3 = tip diameter, d4 = reservoir diameter and d5 = outer diameter of the housing ( 1 ) in the area of the fluid reservoir ( 31 ) applies.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem mittels einer Rückstellfeder eine Kraft auf die Ventilnadel (5) ausgeübt wird, welche einer nach Außen gerichteten Bewe gung der Ventilnadel (5) entgegengesetzt ist.12. The method according to any one of claims 9 to 11, in which a force is exerted on the valve needle ( 5 ) by means of a return spring, which force is opposite to an outward movement of the valve needle ( 5 ).

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei der der Stellantrieb (2) mittels eines piezoelektrischen, eines elektrostriktiven oder eines magnetostriktiven Aktors ange trieben wird.13. The method according to any one of claims 9 or 10, wherein the actuator ( 2 ) by means of a piezoelectric, an electrostrictive or a magnetostrictive actuator is driven.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Aktor druckvorgespannt wird.14. The method according to claim 13, wherein the actuator is prestressed.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, bei dem der Druck (P) des Fluids (F) 100 bar bis 300 bar beträgt.15. The method according to any one of claims 9 to 14, wherein the Pressure (P) of the fluid (F) is 100 bar to 300 bar.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, bei dem als Fluid (F) Benzin verwendet wird.16. The method according to any one of claims 9 to 15, in which as fluid (F) gasoline is used.

17. Verfahren nach Anspruch 16, das in einem Verbrennungsmotor angewandt wird.17. The method according to claim 16, the is used in an internal combustion engine.