EP1553286A1 - Dosierventil mit Längenkompensationseinheit - Google Patents

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EP1553286A1
EP1553286A1 EP04106517A EP04106517A EP1553286A1 EP 1553286 A1 EP1553286 A1 EP 1553286A1 EP 04106517 A EP04106517 A EP 04106517A EP 04106517 A EP04106517 A EP 04106517A EP 1553286 A1 EP1553286 A1 EP 1553286A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
unit
fluid
actuator unit
dosing
Prior art date
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Granted
Application number
EP04106517A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1553286B1 (de
Inventor
Bernhard Gottlieb
Oliver Hennig
Andreas Kappel
Tim Schwebel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1553286A1 publication Critical patent/EP1553286A1/de
Application granted granted Critical
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/167—Means for compensating clearance or thermal expansion

Definitions

  • the invention relates to a metering valve with actuator unit, Valve unit, fluid supply and length compensation unit.
  • PMA P iezoelektrischen M ultilayer ktors A
  • the coefficient of thermal expansion strongly depends on the state of polarization and the mechanical and electrical history of the PMA, as well as on the temperature itself in nonlinear dependence, and can have values in the range of -5 ⁇ 10 -6 1 / for one and the same PMA. K up to + 7 ⁇ 10 -6 1 / K.
  • the hydraulic compensation element consists of an oil-filled Hydraulic chamber, on the one hand by a cylinder housing and on the other by one in the form of a tight clearance fitted hydraulic piston is limited.
  • About the tight clearance and / or a throttle bore is the hydraulic chamber with a storage volume in connection.
  • the Storage volume serves on the one hand as a surge tank, in the or overflowed by the oil when the height of the hydraulic chamber changes and on the other hand as a compensator for the thermal volume change of the oil volume itself.
  • the storage space must have a previously set basic pressure over the Compensation path and the full temperature range as possible keep constant.
  • the entire oil volume must be hermetically sealed be enclosed and may contain no gas bubbles.
  • the compensation path for a hydraulic compensation element Among other things, the height of the hydraulic chamber limited in the axial direction and is in typical applications Max. ⁇ 200 ⁇ m.
  • the invention is based on the object, a length compensation unit with increased compared to the prior art Compensation path and much simpler structure to provide.
  • the invention is based on the recognition that a friction-based Compensation element (FK) for integration of maximum Functionality with given space conditions as Length compensation element can be used.
  • FK friction-based Compensation element
  • the special construction ensures the possibility of separate construction, Tests and the corresponding installation.
  • the invention riktionsbasetti F K ompensationselement is the known concepts H ompensatoren ydraulic K (HK) is superior in the following properties:
  • the installation space, in particular the length of an actuator is significantly reduced when using a FK compared to actuator with HK, as the HK must always connect to the actuator in length, while the FK only an additional pipe of small wall thickness is necessary, which is the actuator includes. Therefore, only a small additional space requirement arises in the diameter.
  • the safe return of the metering valve in the closed State or in the state of rest by means of a return spring happens through an appropriate force in the Valve unit is initiated.
  • the introduction can be direct on the valve unit or very beneficial on the FK the valve unit is done. So the closing force can be mechanical or hydraulically (by the FK) are applied, wherein Both parts add up to the closing force.
  • the mechanical Proportion that is applied by the return spring serves to secure the valve in the unpressurized state of the injector. Leakage of fluid from the injector can thus reliably prevented even when parked engine become.
  • an inert fluid which does not corrosive, used. This encloses the actor and binds it thermally to the outside.
  • a metal bellows is used for the separation between the under elevated Fluid pressure standing area of the valve unit of the with Lower pressure applied area of the actuator unit and as a feedthrough element for the valve needle of the actuator unit to the valve unit. Furthermore, to protect the metal bellows before pressure waves one between metal bellows and with Positioned fluid pressure applied area of the valve unit Training fit trained.
  • a friction-based compensation element (FK) for tolerance and length compensation for piezo drives will contain as fluid between the components involved a substance with a defined viscosity ⁇ . This viscosity is dependent in particular on the friction surface A.
  • a fluid with dilatant properties can be interposed.
  • the advantages in this case are also in the increase of the compensation path, which is essentially based on the mechanical construction method.
  • the necessary manufacturing accuracy for the components involved or for the filling with the lubricant make high demands on the production of such a bearing.
  • the design of a friction-based bearing is characterized by small gaps and by lengthy filling with a lubricant and very expensive.
  • a dilatant fluid unlike a highly viscous Newtonian fluid, has a significantly different behavior.
  • an increase in shear rate causes the viscosity to increase to solid-like properties.
  • the behavior of a dilatant substance corresponds to the requirements of the FK that slow processes such as the compensation of changes in length or component tolerances occur at a low shear rate.
  • slow processes such as the compensation of changes in length or component tolerances occur at a low shear rate.
  • Compensation element represents a further development and Optimization of the cited prior art with regard to the integration of maximum functionality in given space conditions as prescribed height, outside diameter and simple construction as a modular unit. This can be built separately, tested and installed.
  • the FK invention is the known concepts H ydraulic K ompensatoren (HK) in the following properties superior to:
  • the space, in particular the length of the piezo drive, is significantly reduced when using a FK compared to a piezo drive with HK, since the HK always has to connect in length to the piezo drive, while in FK only an additional tube of small wall thickness, which includes the actuator unit, is required. Therefore, only a small additional space requirement arises in the diameter. Building a FK is much easier than building a HK.
  • the FK only requires a tight cylinder fit.
  • the volume filled with a high viscosity oil does not have to be filled without gas bubbles.
  • An air pocket just serves to the thermal expansion of the volume of oil intercept.
  • the valve unit consists of a valve needle 1, whose lower end is formed according to the orientation in the figures in the form of a valve plate 2 and from a cartridge / sleeve 3, in the lower end of a valve seat 4 is ground, which together with the valve plate 2, a cone jet valve forms, wherein the jet cone angle of the exiting fuel by the geometric configuration of the valve plate 2 and the valve seat 4 are set.
  • the valve needle 1 is axially guided in the sleeve 3 by two very tight clearance fits 5.6.
  • the cross section of the valve needle 1 in the region of the lower fitting 5 has one or more flattenings, so that the fuel in the space between the valve needle and sleeve inner wall of the at least one inlet bore 7 during the injection process can flow freely to the open cone jet valve.
  • a metal bellows 8 is hermetically sealed at its lower end with the valve needle 1 and at its upper end hermetically sealed to the valve body 9 by welding.
  • BalganBankes causes the high-pressure fuel from the outside acts on the bellows.
  • the installation of metal bellows under external pressure loading is recommended by the bellows manufacturers as the more stable variant.
  • the metal bellows 8 serves as a high pressure resistant hermetically sealed, but axially soft feedthrough element that does not hinder the required movement of the valve needle 1 for fast opening and closing of the cone jet valve.
  • d 1 and d 2 an opening, closing or vanishing pressure-dependent force on the valve needle.
  • a path-independent closing force F R is introduced into the valve needle.
  • the valve body 9 is hermetically sealed with the sleeve 3 and pressure-stable preferably connected by welding.
  • valve unit is up to the state described so far Can be mounted as a separate unit and with the help of suitable Devices in their function testable, such. on Tightness of the welds, tightness of the cone jet valve, Training and characteristics of the cone beam, which costs Saves, as defective valve groups are immediately discarded can not and errors only at a complete injector be detected, thereby discarding the entire injector would have to be.
  • the actuator is composed of the P iezoelektrischen M ultilayer A ctor, PMA 12, which is welded under compression between a base plate 13 and a top plate 14 in a tube spring 15 °.
  • the compressive prestressing protects the PMA from damaging tensile stresses in highly dynamic operation.
  • the piezoceramic behaves stable against compressive stresses, tensile stresses, however, can lead to the destruction of the piezoceramic.
  • the effect of the gap suspension between the end faces of the PMA and the corresponding mating surfaces of the top plate 14 and bottom plate 13 is avoided by applying a strong compressive bias, typically from about 500 N - 1000 N, which leads to a soft, mechanical coupling of the top plate 14 and bottom plate 13 leads and therefore can be the cause of losses in the deflection of the actuator unit.
  • a strong compressive bias typically from about 500 N - 1000 N
  • causes of the occurrence of gap suspension are geometric deviations from the ideal plane-parallel geometry of the PMA end faces.
  • the faces are typically made with a tolerance in the parallelism of about ⁇ 50 ⁇ m.
  • the head plate 14 also contains holes 16 through which the electrical connections 17 of the PMA are led out centrally from the actuator unit.
  • the actuator unit can also be electrically and mechanically tested as a separate module before it is installed in an injector.
  • the length compensator consists in a preferred embodiment for use in the described metering valve of two concentric Tubes, the inner tube 18 and the outer tube 19, wherein the outer diameter of the inner tube 18 only slightly is smaller than the inner diameter of the outer tube 19, so that both tubes form a tight clearance.
  • a typical one Diameter difference is about 5 microns - 20 microns.
  • the fit gap is mixed with a high viscosity fluid, eg. B. Baysilone M 2 000 000 filled, whereby high shear forces between the Inner ear 18 and outer tube 19 at a minimum relative speed can be transmitted.
  • a high viscosity fluid eg. B. Baysilone M 2 000 000 filled, whereby high shear forces between the Inner ear 18 and outer tube 19 at a minimum relative speed can be transmitted.
  • Silicone oils such as. B.
  • Baysilone M results from the essential lower dependence of the viscosity on the temperature when comparing silicone oils with mineral oils in the relevant temperature range from -40 ° C to + 150 ° C, connected with the resulting simplified design of the length compensator.
  • the use of other high-viscosity Fluide is just as possible.
  • the inner tube 18 is rigidly connected to the top plate 14 of the actuator unit 32, for example, welded.
  • the outer tube 19 is connected at its lower end to the valve group rigid and high pressure tight.
  • the bottom plate 13 is rigidly connected to the upper end of the valve needle 1.
  • the interior of the outer tube 19 is to ensure permanent filling of the fit gap between the inner tube 18 and the outer tube 19 largely filled with highly viscous oil or with dilatant fluid. Furthermore, the filling serves at the same time for optimum loss heat dissipation from the PMA to the outer tube 19.
  • the fuel supply consists of an inlet connector / inlet fitting 26 with an inlet opening 20, into which the fuel is fed from the high-pressure pump via a fuel line.
  • the inlet opening opens into an annular groove 21, through which the fuel is distributed uniformly over the circumference.
  • the fuel supply is further provided by a jacket tube 22.
  • the cylindrical annular gap between the outer tube 19 and the jacket tube 22 serves as a fuel line from the inlet fitting 26 to the valve group.
  • the inlet fitting (26) is high pressure resistant and hermetically sealed to the upper end of the outer tube and the jacket tube.
  • the lower end of the jacket tube is high pressure resistant and hermetically sealed to the sleeve 3.
  • This type of concentric fuel delivery allows for optimum loss heat removal from the PMA via the inner tube 18, the silicone oil and the outer tube 19 to the fuel.
  • the elasticity of the outer and jacket tube is an efficient, injector-internal pressure accumulator, which optimally damps the pressure waves caused by the rapid opening and closing of the cone jet valve.
  • the inlet fitting 26 may be a mechanical device Injector calibration, consisting of a hollow screw 23, and a soft spring 24 located at the top of the hollow screw and supported at the bottom of the actuator, included.
  • a mechanical device Injector calibration consisting of a hollow screw 23, and a soft spring 24 located at the top of the hollow screw and supported at the bottom of the actuator, included.
  • the inner bore of the hollow screw 23 is used to carry out the electrical connections 17.
  • Means the seal 25 made of silicone or the like is the bore the hollow screw 23 is closed, so that the silicone oil filling safely trapped in the injector interior.
  • the function of the FK is based on the fact that the coupling by viscous friction allows to temporarily transmit high forces with high mechanical stiffness, whereby during the period of the force effect compared to the Aktorausschung only a negligible relative displacement between the tubes occurs.
  • the mechanical stiffness of the FK is determined by the mechanical stiffnesses of the two tubes. Very slow Relativverschiebitch between the tubes take place virtually free of forces. Therefore, the FK for use in short-term operating switching valves or periodically operating switching valves can be used, the phase of the power transmission compared to the Aktorausschung only leads to a negligible relative displacement between the tubes in the FK.
  • the viscosity ⁇ must be at least 965 Ns / m 2 .
  • high-viscosity oils such as Baysilone M 2 000 000 (trade name)
  • a viscosity of about 2000 Ns / m 2 is provided and the required minimum viscosity of 956 Ns / m 2 safely maintained under all operating conditions.
  • the PMA (12) is charged via the electrical connections (17), the PMA is extended and opens the cone jet valve, the closing force being taken over by the PMA.
  • the actuator unit is supported by the inner tube and the viscous friction on the outer tube.
  • the closing force via the viscous friction, causes the actuator unit to be pushed upwards at a constant speed relative to the outer tube during the opening period.
  • fuel in the form of a cone jet enters the combustion chamber through the opened cone jet valve.
  • the PMA is discharged again via the electrical connections 17, wherein the PMA is again contracted to the original length and the cone jet valve is closed by the closing force.
  • the return spring 10 supports the closing operation.
  • high viscosity fluids for the FK is not on Limited silicone oils. It can also be fats, tixotropic or also rheopex fluids are used.
  • the application of the FK is not based on piezoelectric Drives limited. It is equally beneficial in all types of solid state factors such. B. in magnetostrictive or electrostrictive actuators used.

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Abstract

Es wird ein Dosierventil mit Längenkompensationseinheit beschrieben, bestehend aus einem Gehäuse, einer Ventileinheit (30) zur Dosierung eines Fluids mittels eines Hubes einer Ventilnadel (1), einer Zuleitung (31) für unter Druck stehendes Fluid, einer Aktoreinheit (32) zur Erzeugung des Ventilhubes, einer Längenkompensationseinheit, die im Kraftfluss zwischen Aktoreinheit (32) und dem Gehäuse des Dosierventils zwischengeschaltet ist, wobei die Längenkompensationseinheit durch ein friktionsbasiertes Kompensationselement (33) dargestellt ist, welches aus mindestens zwei parallel zur Aktoreinheit (32) ausgerichteten und diese umschließende Rohre (18, 19), die mittels einer Spielpassung ineinander geführt sind, wobei zwischen den Rohren ein hochviskoses Fluid oder ein Fluid mit dilatanten Eigenschaften vorhanden ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Dosierventil mit Aktoreinheit, Ventileinheit, Fluidzuführung und Längenkompensationseinheit.
Mechanische Bauteiltoleranzen, temperaturbedingte und druckbedingte Längenänderungen, Alterungseffekte, insbesondere des Piezoelektrischen Multilayer Aktors (PMA), wirken sich unmittelbar auf den Öffnungshub eines Fluidventils aus und damit auf dessen Dosiermenge. Insbesondere der PMA wirft hinsichtlich der thermischen Längenkompensation mit herkömmlichen Methoden, wie z. B. mit geeigneter Werkstoffkombination, praktisch nicht lösbare Probleme auf.
Die durch den inversen piezoelektrischen Effekt bei Hochleistungskeramiken erreichbare Elongation aufgrund des Anlegens einer maximal für den Dauerbetrieb zulässigen Feldstärke von ca. 2 KV/mm beträgt nur 1,2-1,4 Promille. Dies führt bei einer typischen Baulänge von ca. 40 mm und einem Schichtabstand von 80 µm bei 160 V angelegter Spannung zu einer Elongation von maximal ca. 56 µm. Liegt zwischen der Aktoreinheit und dem Gehäuse, in das die Aktoreinheit eingebaut ist, auch nur eine minimale relative Abweichung im effektiven thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 1 · 10-6 1/K über die Länge des PMA von 40 mm hinweg vor, so führt dies im automobiltechnisch relevanten Temperaturbereich von -40°C bis +140°C zu einer Abweichung der für den Ventiltrieb relevanten Referenzflächen von -2,4 µm bis zu +4,8 µm oder in Summe zu 7,2 µm und, bezogen auf die Elongation des PMA, zu einer Abweichungsbandbreite von bis zu 13%.
Probleme entstehen, weil es praktisch nicht möglich ist die komplexe Fertigung der PMA in derart engen Toleranzen zu gestalten, dass die thermische Dehnung des PMA insgesamt in einem hinreichend engen Toleranzfeld bleibt.
Als Bauteil mit Domänenstruktur und Hysterese hängt der thermische Längenausdehnungskoeffizient stark vom Polarisationszustand und der mechanischen und elektrischen Belastungsvorgeschichte des PMA ab, sowie von der Temperatur selbst in nichtlinearer Abhängigkeit und kann bei ein und demselben PMA Werte im Bereich von -5·10-6 1/K bis zu +7·10-6 1/K annehmen.
Als wirksame Maßnahme zur Kompensation von Bauteiltoleranzen und Längenänderungen sind im Stand der Technik hydraulische Elemente in Form von hydraulischen Lagern bekannt, wie z.B. in der Patentschrift DE-C-199 40 055 beschrieben. Varianten davon weisen zusätzlich einen hydraulischen Übersetzer auf, wie es z.B. in der Patentanmeldung DE-A-100 39 424 gezeigt wird.
Das hydraulische Kompensationselement besteht aus einer ölbefüllten Hydraulikkammer, die einerseits durch ein Zylindergehäuse und andererseits durch einen in Form einer engen Spielpassung eingepassten Hydraulikkolben begrenzt ist. Über die enge Spielpassung und/oder eine Drosselbohrung steht die Hydraulikkammer mit einem Speichervolumen in Verbindung. Das Speichervolumen dient einerseits als Ausgleichsbehälter, in das oder von dem Öl überströmt, wenn sich die Höhe der Hydraulikkammer ändert und andererseits als Kompensator für die thermische Volumenänderung des Ölvolumen selbst. Der Speicherraum muss einen vorher einstellbaren Grunddruck über den Kompensationsweg und den vollen Temperaturbereich möglichst konstant halten. Das gesamte Ölvolumen muss hermetisch dicht eingeschlossen sein und darf keine Gasblasen enthalten.
Der Kompensationsweg bei einem hydraulischen Kompensationselement wird unter anderem von der Höhe der Hydraulikkammer in axialer Richtung beschränkt und beträgt bei typischen Anwendungen max. ± 200 µm. Die mechanische Steifigkeit c der Hydraulikkammer ist proportional zur Querschnittsfläche A der Hydraulikkammer und umgekehrt proportional zur Kammerhöhe h und zur Kompressibilität k des Fluids (nach der Beziehung c = A / (k·h)). Mit zunehmender Kammerhöhe h sinkt die mechanische Steifigkeit c der Hydraulikkammer so stark ab, dass die dynamischen Eigenschaften des Piezoantriebes inakzeptabel stark beeinträchtigt werden. Ein genaues Einjustieren eines HK ist daher unabdingbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Längenkompensationseinheit mit im Vergleich zum Stand der Technik erhöhtem Kompensationsweg und wesentlich vereinfachtem Aufbau bereitzustellen.
Lösungen ergeben sich aus der jeweiligen Merkmalskombination von Anspruch 1 bzw. 2.
Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein friktionsbasiertes Kompensationselement (FK) zur Integration maximaler Funktionalität bei gegebenen Bauraumbedingungen als Längenausgleichselement einsetzbar ist. Die besondere Konstruktion gewährleistet die Möglichkeit des separaten Aufbaus, Tests und den entsprechenden Einbau.
Das erfindungsgemäße Friktionsbasierte Kompensationselement (FK) ist den bekannten Konzepten Hydraulischer Kompensatoren (HK) in folgenden Eigenschaften überlegen:
Der Bauraum, insbesondere die Länge eines Aktors, wird bei Anwendung eines FK gegenüber Aktor mit HK deutlich reduziert, da sich das HK in der Länge immer an den Aktor anschließen muss, während beim FK nur ein zusätzliches Rohr geringer Wandstärke nötig ist, das die Aktoreinheit umfasst. Daher entsteht lediglich ein geringer zusätzlicher Platzbedarf im Durchmesser.
Der Aufbau eines FK ist wesentlich einfacher als der eines HK. Beim FK ist nur eine enge Zylinderpassung erforderlich. Auf eine Druckbeaufschlagung des Ölvolumens wie im HK kann verzichtet werden. Das ölgefüllte Volumen beim FK muss nicht gasblasenfrei sein. Ein Lufteinschluss dient gerade dazu, die thermische Volumenausdehnung der Ölfüllung abzufangen. Der Kompensationsweg bei einem FK ist nahezu unbeschränkt. Daher entsteht praktisch kein Aufwand für die Einstellung eines FKs.
Die sichere Rückstellung des Dosierventils in den geschlossenen Zustand bzw. in den Ruhezustand mittels einer Rückstellfeder geschieht durch eine entsprechende Kraft, die in die Ventileinheit eingeleitet wird. Die Einleitung kann direkt auf die Ventileinheit oder sehr vorteilhaft über das FK auf die Ventileinheit geschehen. So kann die Schließkraft mechanisch oder hydraulisch (durch das FK) aufgebracht werden, wobei sich beide Anteile zur Schließkraft summieren. Der mechanische Anteil, der durch die Rückstellfeder aufgebracht wird, dient zum sicheren Verschluss des Ventils im drucklosen Zustand des Injektors. Ein Auslaufen von Fluid aus dem Injektors kann somit auch beim abgestellten Motor zuverlässig verhindert werden.
Durch den Einsatz von konzentrisch geführten Rohren im FK kann durch deren offene Stirnseiten ein elektrischer Anschluss nach außen geführt werden.
Die Ausbildung einer Mantelstromkühlung ist zur gleichmäßigen Ausbildung des Kühlstroms und zur vollständigen Kühlung der Aktoreinheit besonders vorteilhaft.
Zur Abführung der Verlustwärme aus dem Aktorantrieb wird insbesondere ein inertes Fluid, welches nicht korrosiv wirkt, eingesetzt. Dieses umschließt den Aktor und bindet diesen wärmetechnisch nach außen an.
Ein Metallbalg dient zur Trennung zwischen dem unter erhöhtem Fluiddruck stehenden Bereich der Ventileinheit von dem mit niedrigerem Druck beaufschlagten Bereich der Aktoreinheit und als Durchführungselement für die Ventilnadel von der Aktoreinheit zur Ventileinheit. Weiterhin wird zum Schutz des Metallbalges vor Druckwellen eine zwischen Metallbalg und mit Fluiddruck beaufschlagtem Bereich der Ventileinheit positionierte Spielpassung ausgebildet.
Ein friktions-basiertes Kompensationselement (FK) zum Toleranz- und Längenausgleich für Piezoantriebe wird als Fluid zwischen den beteiligten Bauelementen eine Substanz mit einer definierten Viskosität η enthalten. Diese Viskosität ist insbesondere von der Friktionsfläche A abhängig. Die Festlegung der Viskosität η erfolgt aus folgender Formel: δ = η · A · ν / F, wobei ν die relative Geschwindigkeit der Friktionspartner (Bauteile) gegeneinander, F die über das Friktionslager übertragene Kraft (Scherkraft) und δ das zwischen den beteiligten Bauelementen vorliegende Spaltmaß bedeuten. Eine Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich aus durch die Ausnützung der Eigenschaften einer hoch viskosen Flüssigkeit, die langsame Relativbewegungen zulässt und bei schnellen Relativbewegungen wie ein hartes Lager wirkt.
Bei einem vom Aufbau her identischen Dosierventil mit Längenkompensationseinheit kann anstelle eines hoch viskosen Fluids, welches sich zwischen den beteiligten Bauelementen befindet, ein Fluid mit dilatanten Eigenschaften zwischengeschaltet sein. Die Vorteile liegen in diesem Fall ebenso in der Erhöhung des Kompensationsweges, der im Wesentlichen auf der mechanischen Konstruktionsweise begründet ist. Der Einsatz eines dilatanten Fluids ist mit weiteren besonderen Vorteilen verbunden. Während beim Einsatz einer herkömmlichen hoch viskosen Flüssigkeit, die beispielsweise eine Viskosität η = 1000Ns/m 2 aufweist, ist beispielsweise ein Spaltmaß von 10 µm notwendig. Damit ist die gewünschte Funktionsweise des friktions-basierten Kompensationselementes optimal eingestellt. Die dazu notwendige Herstellungsgenauigkeit für die beteiligten Bauelemente bzw. für die Befüllung mit dem Gleitmittel stellen jedoch hohe Anforderungen an die Fertigung eines solchen Lagers. Die Ausführung eines friktions-basierten Lagers ist durch geringe Spaltmaße und durch langwierige Befüllung mit einem Gleitmittel gekennzeichnet und sehr aufwändig.
Eine andere Lösung der gestellten Aufgabe beinhaltet die Verwendung eines dilatanten Fluids zwischen den entsprechend zusammenwirkenden Bauelementen des friktions-basierten Kompensationselementes. Ein dilatantes Fluid weist im Gegensatz zu einem hoch viskosen Newton'schen Fluid ein wesentlich anderes Verhalten auf. Bei einer dilatanten Flüssigkeit bewirkt ein Anstieg der Scherrate ein Ansteigen der Viskosität bis hin zu festkörperähnlichen Eigenschaften. Die Vorteile der Verwendung eines solchen Fluids sind folgende:
Die Befüllung des Systems ist unproblematisch, da die Fluide ohne aufgebrachte Scherspannungen niedrig viskos sind, das Spaltmaß der beteiligten Bauelemente kann größer gewählt werden, da die Viskosität unter hohen Scherraten deutlich zunimmt und größer werden kann als die der bisher eingesetzten Öle, die in der Regel bis zu Werten von η = 2000Ns/m 2 beträgt. Ferner ist anzumerken, dass das Verhalten einer dilatanten Substanz den Anforderungen des FKs dahingehend entspricht, dass langsam ablaufende Vorgänge wie die Kompensation von Längenänderungen oder Bauteiltoleranzen bei geringer Scherrate stattfinden. Somit werden nur sehr geringe Kräfte im Lager übertragen und eine Längskompensation ist möglich. Bei schnellen Änderungen in Längsrichtung wie bei dem Antrieb eines piezoelektrischen Motors oder einem Fluidventil, entstehen hohe Scherraten. Die entsprechenden Kräfte werden durch das Lager in diesem Fall aufgrund der erhöhten Viskosität übertragen.
Im Folgenden werden detaillierte Beschreibungen von besonders vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung unter Bezug auf die begleitenden Figuren wiedergegeben:
  • Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Dosierventil mit Ventileinheit, Aktoreinheit, Längenkompensationseinheit und Rückstellfeder,
  • Figur 2 zeigt ein Dosierventil entsprechend Figur 1, wobei die Rückstellfeder direkt am friktionsbasierten Kompensationselement angreift.
    • Das im Folgenden detailliert beschriebene friktionsbasierte Kompensationselement (FK) stellt eine Weiterentwicklung und Optimierung des genannten Standes der Technik hinsichtlich der Integration maximaler Funktionalität bei gegebenen Bauraumbedingungen dar, wie vorgeschriebene Bauhöhe, Außendurchmesser und einfacher Aufbau als modulare Einheit. Dieses kann separat aufgebaut, getestet und verbaut werden.
    Das erfindungsgemäße FK ist den bekannten Konzepten Hydraulischer Kompensatoren (HK) in folgenden Eigenschaften überlegen:
    Der Bauraum, insbesondere die Länge des Piezoantriebes, wird bei Anwendung eines FK gegenüber einem Piezoantrieb mit HK deutlich reduziert, da das HK in der Länge immer an den Piezoantrieb anschließen muss, während beim FK nur ein zusätzliches Rohr geringer Wandstärke, das die Aktoreinheit umfasst, erforderlich ist. Daher entsteht lediglich ein geringer zusätzlicher Platzbedarf im Durchmesser.
    Der Aufbau eines FK ist wesentlich einfacher als der eines HK.
    Hingegen ist beim FK nur eine enge Zylinderpassung erforderlich. Auf eine Druckbeaufschlagung des Ölvolumens kann verzichtet werden. Das mit einem hochviskosen Öl gefüllte Volumen muss nicht gasblasenfrei befüllt sein. Ein Lufteinschluss dient gerade dazu, die thermische Volumenausdehnung der Ölfüllung abzufangen.
    Der Kompensationsweg bei einem FK ist hingegen nahezu unbeschränkt. Daher entsteht praktisch kein Aufwand für dessen Einstellung.
    Der Aufbau und die Funktion des erfindungsgemäßen FK in einem Piezoelektrischen Benzin (Gasoline) Direkt Injektor, PGDI, wird anhand von Fig.1 erläutert.
    Der Aufbau eines Dosierventils umfasst ein Gehäuse mit folgenden funktionalen Bestandteilen:
  • 1) Ventileinheit
  • 2) Aktoreinheit
  • 3) Längenkompensationseinheit
  • 4) Fluidzufuhr/Kraftstoffzufuhr
    • 1. Ventileinheit:
    Die Ventileinheit besteht aus einer Ventilnadel 1, deren unteres Ende entsprechend der Ausrichtung in den Figuren in Form eines Ventiltellers 2 ausgebildet ist und aus einer Cartridge/Hülse 3, in deren unteres Ende ein Ventilsitz 4 eingeschliffen ist, der zusammen mit dem Ventilteller 2 ein Kegelstrahlventil bildet, wobei der Strahlkegelwinkel des austretenden Kraftstoffes durch die geometrische Ausgestaltung des Ventiltellers 2 und des Ventilsitzes 4 festgelegt werden. Die Ventilnadel 1 wird in der Hülse 3 durch zwei sehr enge Spielpassungen 5,6 axial geführt. Der Querschnitt der Ventilnadel 1 im Bereich der unteren Passung 5 weist ein oder mehrere Abflachungen auf, damit der Kraftstoff im Raum zwischen Ventilnadel und Hülsen-Innenwand von der mindestens einen Eintrittsbohrung 7 während des Einspritzvorganges ungehindert zum geöffneten Kegelstrahlventil fließen kann. Oberhalb der oberen Passung 6 ist ein Metallbalg 8 an seinem unteren Ende hermetisch dichtend mit der Ventilnadel 1 und an seinem oberen Ende hermetisch dichtend mit dem Ventilkörper 9 vorzugsweise durch Verschweißen verbunden. Diese Art des Balganschlusses bewirkt, dass der unter hohem Druck stehende Kraftstoff von außen auf den Balg einwirkt. Der Einbau von Metallbälgen unter Außendruckbelastung wird von den Balgherstellern als die stabilere Variante empfohlen. Der Metallbalg 8 dient als hochdruckfestes hermetisch dichtendes, aber axial weiches Durchführungselement, das die erforderliche Bewegung der Ventilnadel 1 zum schnellen Öffnen und Schließen des Kegelstrahlventils nicht behindert. Der Metallbalg 8 besitzt einen effektiven hydraulischen Durchmesser d1 der genau auf den Durchmesser der Dichtlinie d2 im Kegelstrahlventil abgestimmt wird. Liegt der Kraftstoffdruck P an, so berechnet sich die vom Kraftstoffdruck P auf die Ventilnadel 1 ausgeübte Druckkraft zu FP = π/4 · (d1 2 - d2 2) · P, wobei ein positives Vorzeichen eine Kraft nach oben also eine ventilschließende Kraft bedeutet. Je nach bevorzugter Auslegung der Kräftebilanz auf das Ventil kann durch Wahl von d1 und d2 eine öffnende, schließende oder verschwindende druckabhängige Kraft auf die Ventilnadel eingestellt werden.
    Durch das schnelle Öffnen und Schließen des Kegelstrahlventils werden Druckschwankungen hoher Amplitude und Frequenz (Druckwellen) im Kraftstoff induziert, die einen Metallbalg stark schädigen und zu seinem verfrühten Ausfall führen. Als experimentell erwiesene und wirksame Maßnahme ist der Metallbalg oberhalb der Passung 6 angeordnet, die in ihrem Querschnitt keine Abflachungen aufweist. Durch hinreichend enge Passungen können Druckwellen nicht propagieren, was den Metallbalg 8 vor den schädlichen Druckwellen schützt.
    Durch eine weiche, druckvorgespannte Rückstellfeder 10, die sich am unteren Ende auf dem Ventilkörper 9 und am oberen Ende über einen Federteller 11 an der Ventilnadel 1 abstützt, wird eine wegunabhängige Schließkraft FR in die Ventilnadel eingeleitet. Die Schließkraft FS im Kegelstrahlventil zwischen Ventilteller 2 und Ventilsitz 4 setzt sich im Betrieb additiv aus dem druckabhängigen Anteil FP und der Kraft der Rückstellfeder FR zusammen gemäß FS = FP + FR .
    Der Ventilkörper 9 ist mit der Hülse 3 hermetisch dichtend und druckstabil vorzugsweise durch Schweißen verbunden.
    Die Ventileinheit ist bis zu dem bis jetzt beschriebenen Zustand als separate Einheit montierbar und mit Hilfe geeigneter Vorrichtungen in ihrer Funktion prüfbar, wie z.B. auf Dichtheit der Schweißnähte, Dichtheit des Kegelstrahlventils, Ausbildung und Eigenschaften des Kegelstrahles, was Kosten spart, da mangelhafte Ventilgruppen sofort ausgesondert werden können und Fehler nicht erst an einem vollständigen Injektor nachgewiesen werden, wodurch der gesamte Injektor verworfen werden müsste.
    2. Aktoreinheit:
    Die Aktoreinheit besteht aus dem Piezoelektrischen Multilayer Aktor, PMA 12, der unter Druckvorspannung zwischen einer Bodenplatte 13 und einer Kopfplatte 14 in eine Rohrfeder 15 eingeschweißt ist. Die Druckvorspannung schützt den PMA im hochdynamischen Betrieb vor schädlichen Zugspannungen. Die Piezokeramik verhält sich stabil gegenüber Druckspannungen, Zugspannungen hingegen können zur Zerstörung der Piezokeramik führen. Zudem wird durch das Anlegen einer starken Druckvorspannung, typischerweise von ca. 500 N - 1000 N, der Effekt der Spaltfederung zwischen den Stirnflächen des PMA und den entsprechenden Gegenflächen der Kopfplatte 14- und Bodenplatte 13 vermieden, der zu einer weichen, mechanischen Ankopplung der Kopfplatte 14 und Bodenplatte 13 führt und daher ursächlich für Verluste in der Auslenkung der Aktoreinheit sein kann. Ursache für das Auftreten von Spaltfederung sind geometrische Abweichungen von der idealen planparallelen Geometrie der PMA Stirnflächen. Die Stirnflächen sind typisch mit einer Toleranz in der Parallelität von ca. ± 50µm gefertigt.
    Durch den Polungsvorgang werden zunächst planare Stirnflächen ballig ausgebildet. Ohne oder bei nur geringer Druckvorspannung ist nur ein Bruchteil der PMA Stirnfläche auf Anlage mit der entsprechenden Gegenfläche auf der Kopf- oder Bodenplatte und bewirkt eine mechanisch weiche Kopplung. Eine hinreichend hohe Druckkraft bewirkt durch elastische Deformation das Schließen der Spalte und damit eine ganzflächige Anlage der Stirnflächen an den entsprechenden Gegenflächen und somit eine mechanisch steife Ankopplung.
    Die Kopfplatte 14 enthält zudem Bohrungen 16, durch die die elektrischen Anschlüsse 17 des PMA zentral nach hinten aus der Aktoreinheit herausgeführt werden.
    Die Aktoreinheit kann ebenfalls als separates Modul elektrisch und mechanisch geprüft werden, bevor es in einen Injektor eingebaut wird.
    3. Längenkompensationseinheit:
    Der Längenkompensator besteht in einer bevorzugten Ausführung für die Anwendung im beschriebenen Dosierventil aus zwei konzentrischen Rohren, dem Innenrohr 18 und dem Außenrohr 19, wobei der Außendurchmesser des Innenrohres 18 nur geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Außenrohres 19, so dass beide Rohre eine enge Spielpassung bilden. Eine typische Durchmesserdifferenz liegt bei ca. 5 µm - 20 µm. Der Passungsspalt wird mit einem hochviskosen Fluid, z. B. Baysilone M 2 000 000 ausgefüllt, wodurch hohe Scherkräfte zwischen dem Innerohr 18 und dem Außenrohr 19 bei minimaler Relativgeschwindigkeit übertragen werden können. Die Verwendung von Silikonölen, wie z. B. Baysilone M, ergibt sich aus der wesentlich geringeren Abhängigkeit der Viskosität von der Temperatur beim Vergleich zwischen Silikonölen mit Mineralölen im relevanten Temperaturbereich von -40°C bis +150°C , verbunden mit der daraus resultierenden vereinfachten Auslegung des Längenkompensators. Die Verwendung anderer hochviskoser Fluide ist jedoch genauso möglich.
    Beim Einsatz eines dilatanten Fluide zwischen einem Innenrohr und einem Außenrohr einer friktions-basierten Längenkompensationseinheit werden ebenfalls mechanische Kräfte für den Fall übertragen, dass hohe Relativgeschwindigkeiten vorliegen. Nachteilige Längenänderungen und Bauteiletoleranzen verschiedener Bauelemente können ausgeglichen werden, indem langsame Relativbewegungen nicht von der Einheit abgestützt, sondern ausgeglichen werden. Rheologisch gesehen fließen Fluide normalerweise beim Einwirken äußerer Kräfte, beispielsweise entsprechend der Newton'schen Scherkraftformel. Die Viskosität eines dilatanten Fluids ist abhängig von dem Betrag der Scherkräfte, die in dieses Fluid eingebracht werden. Mit zunehmender Scherrate steigt die Viskosität bis hin zu festkörperähnlichen Eigenschaften. Falls nun ein Hub eines piezoelektrischen Aktors, der nur wenige µm ausmacht, von einem friktions-basierten Kompensationselement abgestützt werden soll, müssen derartige Reaktionen innerhalb des Fluids ausreichend schnell ablaufen. Dies ist der Fall, da Viskositätsänderungen in dilatanten Fluiden im Millisekundenbereich vonstatten gehen. Anders ausgedrückt reagiert ein derartiges Fluid dilatant und nicht pseudoplastisch. Als Ergebnis liegt in diesem Fall ein steifes Lager zum Abstützen des Aktorhubes vor.
    Typischerweise wird, wie in Fig. 1 gezeigt, das Innenrohr 18 mit der Kopfplatte 14 der Aktoreinheit 32 steif verbunden, beispielsweise verschweißt. Das Außenrohr 19 wird an seinem unteren Ende mit der Ventilgruppe steif und hochdruckdicht verbunden. Die Bodenplatte 13 ist steif mit dem oberen Ende der Ventilnadel 1 verbunden. Der Innenraum innerhalb des Außenrohres 19 ist zur Gewährleistung der permanenten Ausfüllung des Passungsspaltes zwischen dem Innenrohr 18 und dem Außenrohr 19 weitestgehend mit hochviskosem Öl oder mit dilatantem Fluid ausgefüllt. Des weiteren dient die Füllung gleichzeitig zur optimalen Verlustwärmeabfuhr vom PMA zum Außenrohr 19.
    4. Die Kraftstoffzufuhr:
    Die Kraftstoffversorgung besteht aus einem Einlassverbinder/Inletfitting 26 mit einer Zulauföffnung 20, in die der Kraftstoff von der Hochdruckpumpe kommend über eine Kraftstoffleitung eingespeist wird. Die Zulauföffnung mündet in eine Ringnut 21, durch die der Kraftstoff gleichmäßig über den Umfang verteilt wird. Zur Kraftstoffversorgung dient des weiteren ein Mantelrohr 22. Der zylindrische Ringspalt zwischen dem Außenrohr 19 und dem Mantelrohr 22 dient als Kraftstoffleitung vom Inletfitting 26 zur Ventilgruppe. Das Inletfitting (26) ist hochdruckfest und hermetisch dichtend mit dem oberen Ende des Außenrohres und dem Mantelrohr verbunden. Das untere Ende des Mantelrohres ist hochdruckfest und hermetisch dichtend mit der Hülse 3 verbunden.
    Diese Art der konzentrischen Kraftstoffzufuhr ermöglicht eine optimale Verlustwärmeabfuhr vom PMA über das Innenrohr 18, das Silikonöl und das Außenrohr 19 zum Kraftstoff.
    Die Elastizität des Außen- und Mantelrohres stellt einen effizienten, injektorinternen Druckspeicher dar, der die durch das schnelle Öffnen und Schließen des Kegelstrahlventils ausgelösten Druckwellen optimal dämpft.
    Das Inletfitting 26 kann eine Vorrichtung zur mechanischen Injektorkalibrierung, bestehend aus einer Hohlschraube 23, und einer weichen Feder 24, die sich oben an der Hohlschraube und unten an der Aktoreinheit abstützt, enthalten. Durch das Eindrehen der Hohlschraube 23 wird über die Feder 24 der Ventilsitz gezielt geringfügig entlastet, wodurch der erreichbare Volumenstrom des Kegelstrahlventils geringfügig zunimmt. Eine mechanische Gleichstellung zwischen mehreren Injektoren ist somit erreichbar. Die Innenbohrung der Hohlschraube 23 dient zur Durchführung der elektrischen Anschlüsse 17. Mittels der Dichtung 25 aus Silikon oder ähnlichem ist die Bohrung der Hohlschraube 23 verschlossen, damit die Silikonölfüllung sicher im Injektorinnenraum eingeschlossen bleibt.
    Funktion des friktionsbasierten Kompensationselementes FK im Injektor bzw. Dosierventil
    Grundsätzlich können keine statischen Kräfte durch ein derartiges FK zwischen den beiden Rohren, dem Innenrohr 18 und dem Außenrohr 19, übertragen werden.
    Die Funktion des FK basiert darauf, dass es die Kopplung durch viskose Reibung erlaubt, kurzzeitig hohe Kräfte bei hoher mechanischer Steifigkeit zu übertragen, wobei während der Zeitspanne der Kraftwirkung verglichen mit der Aktorauslenkung nur eine vernachlässigbare Relativverschiebung zwischen den Rohren auftritt. Die mechanische Steifigkeit des FK wird durch die mechanischen Steifigkeiten der beiden Rohre festgelegt. Sehr langsame Relativverschiebungen zwischen den Rohren finden praktisch kräftefrei statt.
    Daher ist das FK zum Einsatz in kurzzeitig arbeitenden Schaltventilen oder auch periodisch arbeitenden Schaltventilen einsetzbar, wobei die Phase der Kraftübertragung verglichen mit der Aktorauslenkung nur zu einer vernachlässigbaren Relativverschiebung zwischen den Rohren im FK führt.
    Bei Einspritzventilen für Verbrennungsmotoren treten Phänomene mit hinreichend unterschiedlichen Zeitskalen auf:
  • 1. Typische Einspritzzeiten von ca. 1 ms - 3 ms, in der das FK hohe Kräfte übertragen muss.
  • 2. Langsame thermische Vorgänge im Sekunden- bis Minutenbereich, wobei Ausgleichsvorgänge im FK praktisch ungehindert d.h. kräftefrei stattfinden.
    • Für Newton'sche Flüssigkeiten gilt die Scherkraftformel: F = η · A · v/δ => F · δ / (A · v ) mit:
  • F: Scherkraft, entspricht im Injektor der typischen Schließkraft FS ≤ 200 N,
  • A: Flächeninhalt der Scherfläche A = π · d · 1 mit typischen Dimensionen d = 11 mm; 1 = 60 mm, => A = 2073 · 10-6 m2,
  • v: Relativgeschwindigkeit zwischen den Scherflächen, v < 1 µm / ms, v < 1 · 10-3 m / s
  • δ: Abstand der Scherflächen typisch δ < 10 · 10-6 m, => η ≥ 200 · 10 · 10-6 Nm / (2073 · 10-6 m2 · 1 · 10-3 m/s) => η ≥ 965 Ns/m2 .
    • Im ungünstigsten Fall muss die Viskosität η mindestens 965 Ns/m2 betragen. Durch hochviskose Öle wie z.B. Baysilone M 2 000 000 (Handelsname) wird eine Viskosität von ca. 2000 Ns/m2 bereitgestellt und die erforderliche Mindestviskosität von 956 Ns/m2 unter allen Betriebsbedingungen sicher eingehalten.
    Wiederholt auftretende Kraftwirkungen auf das FK kumulieren, indem sich der Verschiebeweg zwischen den Rohren addiert. Daher ist ein Rückstellmechanismus für das Innenrohr (18) relativ zum Außenrohr (19) erforderlich, der das Außenrohr (19) in der kräftefreien Zeit in die Anfangslage zurückversetzt.
    Wird der PMA (12) über die elektrischen Anschlüsse (17) aufgeladen, so verlängert sich der PMA und öffnet das Kegelstrahlventil, wobei die Schließkraft vom PMA übernommen wird. Die Aktoreinheit stützt sich dabei über das Innenrohr und die viskose Reibung an dem Außenrohr ab. Die Schließkraft bewirkt über die viskose Reibung, dass die Aktoreinheit während der Öffnungsdauer mit konstanter Geschwindigkeit relativ zum Außenrohr nach oben gedrückt wird. Durch das geöffnete Kegelstrahlventil tritt währenddessen Kraftstoff in Form eines Kegelstrahles in den Brennraum aus. Zur Beendigung des Einspritzvorganges wird der PMA wieder über die elektrischen Anschlüsse 17 entladen, wobei der PMA wieder auf die ursprüngliche Länge kontrahiert und das Kegelstrahlventil durch die Schließkraft geschlossen wird. Zusätzlich unterstützt die Rückstellfeder 10 den Schließvorgang.
    Da sich das Innenrohr 18 während des Einspritzvorganges nach oben um die Strecke ε bewegt hat, wird die Elastizität des Antriebes (Federkonstante cD), die sich aus der Serienschaltung der Elastizität der Aktoreinheit (Federkonstante cA) und der Elastizität der Ventilnadel (Federkonstante cN) gemäß 1/cD = 1/cA +1/cN berechnet, nach erfolgter Entladung des PMA, um die Strecke ε stärker gedehnt und erzeugt daher eine zusätzliche Schließkraft: dF= cD · ε .
    Im FK wirkt diese Kraft nach unten, d.h. sie bewirkt eine Rückstellung des Innenrohres 18 während der Ruhephase des Injektors zwischen den Einspritzvorgängen. Die viskose Reibung dämpft die Rückstellbewegung.
    Durch die zusätzliche Schließkraft dF wird ein Rückstellmechanismus bereitgestellt.
    Im Injektorbetrieb, verbunden mit periodischem Öffnen- und Schließen, stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht derart ein, dass die Drift des Innenrohres 18 nach oben, die während des Einspritzvorganges eintritt, während der Ruhephase des Injektors zurückgesetzt wird. Diese Gleichgewichtslage hängt von der Tastrate, d. h. vom Verhältnis der Einspritzzeit zur Periodendauer ab. Da bei Einspritzventilen für Verbrennungsmotoren die Einspritzzeit wesentlich geringer als die Periodendauer ist, entspricht die dynamische Gleichgewichtslage des FK nahezu seiner Ruhelage bei beliebig langer Periodendauer. Daher ist der dynamische Tastrateneffekt für praktische Anwendungen vernachlässigbar.
    Sehr langsame Relativverschiebungen zwischen dem Innenrohr 18 und dem Außenrohr 19, wie sie z.B. durch thermische Dehnung oder Setzeffekte des PMA hervorgerufen werden, können hingegen ungehindert stattfinden.
    Vorteile eines FK (friktionsbasierten Kompensationselementes) in einem unter Druck direkt einspritzenden Injektor:
  • 1) sehr geringer Bauraumbedarf
  • 2) sehr einfacher Aufbau aus nur zwei ineinander eingepassten Rohren
  • 3) Mehrfachnutzung des Injektor-Außenrohres als Teil der konzentrischen Kraftstoffzufuhr und Teil des Kompensators
  • 4) Mehrfachnutzung der Ölbefüllung im FK zur optimalen Verlustwärmeabfuhr vom PMA über das Innenrohr 18 und das Außenrohr 19 zum Kraftstoff und zur mechanischen Kopplung des Innenrohres zum Außenrohr mittels viskoser Reibung.
  • 5) Es ist praktisch kein Aufwand zur Justage des FK nötig.
  • 6) Eine Ölbefüllung muss nicht blasenfrei sein.
  • 7) Der FK benötigt keine Druckbeaufschlagung zur Sicherstellung seiner Funktion.
  • 8) Eine hochviskose Ölbefüllung oder ein dilatantes Fluid können auf einfache Weise im Injektorinnenraum eingeschlossen werden.
  • 9) Einfache Herausführung der elektrischen Anschlüsse zentral nach hinten.
  • 10) Einfache Implementierung einer Feder zur mechanischen Kalibrierung des Injektordurchflusses.
    • Die Ausführung entsprechend Fig.2 bietet darüber hinaus weitere Vorteile:
  • a) Konstruktive Vereinfachung des Aufbaues durch Wegfall des Federtellers 11.
  • b) Einfachste Einstellung der Vorspannkraft der Rückstellfeder durch eine Vorrichtung, mit der das Innenrohr 18 mit der gewünschten Kraft niedergedrückt wird, wobei das Verschweißen des Innenrohres 18 mit der Kopfplatte 14 der Aktoreinheit in diesem Zustand ermöglicht wird.
  • c) Die bei Schraubenfedern immer vorhandenen Seitenkräfte die bis zu ca. 20% ihrer Axialkraft betragen können werden bei dieser Variante nicht in die Ventilnadel eingeleitet.
  • d) Die Schraubenfeder wird nur statisch belastet. Eine Schwingungsanregung der Feder und darauf zurückgehende Effekte werden vermieden. Eine in Resonanz geratene Schraubenfeder kann rotieren, wodurch sich die Einleitung der Querkraft in die Ventilnadel zeitlich ändert und u.a. die Strahlgeometrie des Kegelstrahles beeinflusst wird.
    • Erreicht werden diese Vorteile durch Einleitung der Vorspannkraft der Rückstellfeder in das Innenrohr anstatt in das obere Ende der Ventilnadel.
    Die Auswahl der hochviskosen Fluide für das FK ist nicht auf Silikonöle beschränkt. Es können auch Fette, tixotrope oder auch rheopexe Fluide zum Einsatz kommen.
    Ebenso ist der Einsatz eines dilatanten Fluids mit Vorteilen verbunden. Hier bewirkt der Anstieg der Scherrate ein Ansteigen der Viskosität des Fluids bis hin zu festkörperähnlichen Eigenschaften. Da diese fluidinternen Eigenschaftsänderungen im Millisekundenbereich ablaufen, lassen sie sich für die Zwecke eines friktions-basierten Längenkompensationselementes ausnützen.
    Weiterhin ist die Anwendung des FK nicht auf piezoelektrische Antriebe beschränkt. Es ist ebenso vorteilhaft bei allen Arten von Festkörperaktoren wie z. B. bei magnetostriktiven oder elektrostriktiven Aktoren einsetzbar.

    Claims (13)

    1. Dosierventil mit Längenkompensationseinheit, bestehend aus:
      einem Gehäuse,
      einer Ventileinheit (30) zur Dosierung eines Fluids mittels eines Hubes einer Ventilnadel(1),
      einer Zuleitung (31) für unter Druck stehendes Fluid,
      einer Aktoreinheit (32) zur Erzeugung des Ventilhubes,
      einer Längenkompensationseinheit, die im Kraftfluss zwischen Aktoreinheit (32) und dem Gehäuse des Dosierventils zwischengeschaltet ist,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Längenkompensationseinheit durch ein friktionsbasiertes Kompensationselement (33) dargestellt ist, welches aus mindestens zwei parallel zur Aktoreinheit (32) ausgerichteten und diese umschließende Rohre (18,19), dem Innenrohr (18) und dem Außenrohr (19), besteht, die mittels einer Spielpassung ineinander geführt sind, wobei zwischen den Rohren ein hochviskoses Fluid vorhanden ist.
    2. Dosierventil mit Längenkompensationseinheit, bestehend aus:
      einem Gehäuse,
      einer Ventileinheit (30) zur Dosierung eines Fluids mittels eines Hubes einer Ventilnadel(1),
      einer Zuleitung (31) für unter Druck stehendes Fluid,
      einer Aktoreinheit (32) zur Erzeugung des Ventilhubes,
      einer Längenkompensationseinheit, die im Kraftfluss zwischen Aktoreinheit (32) und dem Gehäuse des Dosierventils zwischengeschaltet ist,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Längenkompensationseinheit durch ein friktionsbasiertes Kompensationselement (33) dargestellt ist, welches aus mindestens zwei parallel zur Aktoreinheit (32) ausgerichteten und diese umschließende Rohre (18,19), dem Innenrohr (18) und dem Außenrohr (19), besteht, die mittels einer Spielpassung ineinander geführt sind, wobei zwischen den Rohren ein Fluid mit dilatanten Eigenschaften vorhanden ist.
    3. Dosierventil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zum Andrücken der Ventilnadel (1) in Schließrichtung des Dosierventils eine vorgespannte Rückstellfeder (10) vorhanden ist.
    4. Dosierventil nach Anspruch 3, bei dem die am Gehäuse abgestützte Rückstellfeder (10) andererseits an einem Ventilteller (11) angreift, der direkt mit der Ventilnadel (1) verbunden ist.
    5. Dosierventil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die am Gehäuse abgestützte Rückstellfeder (10) anderseits am Innenrohr (18) angreift.
    6. Dosierventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem elektrische Anschlüsse (17) der Aktoreinheit (32) durch das stirnseitig offene Innenrohr (18) nach außen führbar sind.
    7. Dosierventil nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 6, bei dem ein hochviskoses Fluid mit einer Viskosität von mindestens 200 Ns/m2 ???? oder 2000??? vorhanden ist.
    8. Dosierventil nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 6, bei dem als hochviskoses Fluid ein Silikonöl eingesetzt wird.
    9. Dosierventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die in axialer Richtung im radial äußeren Bereich des Dosierventils verlaufende Fluidzuführung (31) über den Umfang gleichmäßig verteilt ist und eine Mantelstromkühlung bildet.
    10. Dosierventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Aktoreinheit (32) zur Wärmeabfuhr ein inertes Fluid beinhaltet.
    11. Dosierventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Metallbalg (8) vorhanden ist, der den unter erhöhtem Fluiddruck stehenden Bereich der Ventileinheit (30) von dem mit niedrigerem Druck beaufschlagten Bereich der Aktoreinheit (32) trennt und als Durchführungselement für die Ventilnadel (1) von der Aktoreinheit (32) zur Ventileinheit (30) dient.
    12. Dosierventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zum Schutz des Metallbalges (8) vor Druckwellen eine zwischen Metallbalg (8) und mit Fluiddruck beaufschlagtem Bereich der Ventileinheit (30) positionierte Spielpassung (6) vorhanden ist.
    13. Dosierventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Erweiterung des Hubes der Aktoreinheit (32) der PMA (12) mit einer negativen Vorspannung ansteuerbar ist.
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