EP1046809A2 - Fluid metering device - Google Patents

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EP1046809A2
EP1046809A2 EP00107401A EP00107401A EP1046809A2 EP 1046809 A2 EP1046809 A2 EP 1046809A2 EP 00107401 A EP00107401 A EP 00107401A EP 00107401 A EP00107401 A EP 00107401A EP 1046809 A2 EP1046809 A2 EP 1046809A2
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EP
European Patent Office
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metering device
valve needle
fluid metering
metal bellows
pressure
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EP00107401A
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German (de)
French (fr)
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EP1046809A3 (en
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Andreas Dr. Kappel
Bernhard Fischer
Bernhard Dr. Gottlieb
Randolf Dr. Mock
Eric Chemisky
Hans Prof. Meixner
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Definitions

  • the invention relates to a fluid metering device with the a pressurized one in a housing Fluid, either a liquid or a gas, in predetermined Quantities can be dispensed or injected. It is passed through the housing a valve needle, the outside the housing is mechanically operated on the one hand and on the other hand represents an element of a valve.
  • valve needle feedthrough can be similar to diesel injectors also by a clearance fit of the needle in a cylindrical Drill the housing.
  • the disadvantage here is that unavoidable leakage along the needle passage, one Return line in the tank or to the low pressure connection of the Fuel delivery pump required. Due to the higher hydraulic Losses will also affect the overall efficiency of the engine reduced.
  • the object of the invention is a fluid metering device to be designed so that a hermetically sealed Carrying a valve needle through one with one under Pressurized fluid-filled chamber is ensured, whereby a lead-through element to be used is not essential exerts pressure-dependent forces on the valve needle.
  • the invention is based on precise understanding the behavior of a pressurized metal bellows. This is particularly due to the pressure on the metal bellows and related deformations triggered forces that of the metal bellows with two-sided attachment to the outside be transmitted. It is characterized by high pressure differences go out on both sides of the metal bellows, the higher Pressure can be inside or outside the metal bellows.
  • the basic finding is in particular that the wall of the metal bellows even with a low axial spring constant only slight changes in force when pressurized at the ends of a bellows attached on both sides leads.
  • the radial is a particularly advantageous embodiment Fixation of the valve needle through the firm connection of the metal bellows with the valve needle on the one hand and with the housing on the other hand.
  • the insert ensures a compression spring between the housing and valve needle for a reliable closing force that acts on the valve.
  • the valve needle or a a guide for the outer sleeve placed over the metal bellows represent this.
  • the metal bellows can under certain circumstances are concerned with his leadership in some areas. A residual risk of a Buckling is further reduced.
  • the special advantages of the metal bellows are achieved both with internal pressure as well as with external pressure.
  • the dimensioning of the edge thickness of the metal bellows in the area from 25 to 500 ⁇ m shows that small wall thicknesses at large pressures, such as 300 bar, are sufficient.
  • connection points For mounting the valve needle and the metal bellows in the housing, for example in one Injector with several nested Elements, connection points must be freely accessible. This can advantageously be done by welding connections, for example laser welding.
  • the fluid metering device can be designed with valves be that open inwards or outwards.
  • the Construction of the metal bellows in relation to the rest Elements, in particular for the stroke-generating actuator, are corresponding adapt.
  • Electromagnets can be used as actuators. It is advantageous to use piezo actuators, for example are biased in a Bourdon tube.
  • the high pressure injectors considered here are used with fuel pressures PFUEL operated up to 500 bar, for example.
  • a stroke of the valve needle is extremely short and is in the range from 10 to 100 ⁇ m.
  • the housing 1 is divided into the chamber 13, which is connected by means of a line bore 7, via the the fluid is supplied under pressure.
  • Such a fluid metering device or a hydraulic valve for dosing the Fluid therefore separates a high pressure room from a room, which can have, for example, ambient pressure.
  • the implementation the valve needle 3 through the housing 1, in particular through the chamber 13 and the actuator chamber 14 represents the core of the Invention is a metal bellows 17 used.
  • the high-pressure injector shown in FIG. 1 has in the injector housing 1 a valve seat 2.
  • the valve seat 2 is in the Basic state by the second end 23 of the valve needle 3 connected valve plate 4 kept closed.
  • the closed state by the valve seat 2 and the valve plate 4 injector formed by the cocked Compression spring 5 ensures that with the valve needle 3 over a snap ring 6 is connected.
  • the fuel is supplied through the line bore 7 in the housing 1.
  • the drive unit is located in the upper part of the injector housing 1, formed from a piezoelectric multilayer actuator (PMA) 8 in low voltage technology, combined with one Bourdon tube 9, a head plate 10 and a foot plate 11. Die Bourdon tube 9 is with the top plate 10 and the bottom plate 11 welded that the PMA 8 under a mechanical pressure preload stands.
  • PMA piezoelectric multilayer actuator
  • the housing 1 and the base plate 1 are also connected to each other as stiffly as possible via a weld.
  • a gap 12 Between the head plate 10 and the first end 22 of the valve needle 3 there is a gap 12, the height of which is considerable is smaller than the stroke of the PMA 8.
  • the gap 12 serves on the one hand for setting defined force relationships in the valve seat and on the other hand to catch small differences in thermal length changes.
  • the injector components consist of materials with low thermal expansion coefficients or made of different materials with regard to their thermal Coefficients of linear expansion are thus coordinated are that the constancy of the gap height is approximately is guaranteed.
  • the perforated plate 15 To pass the valve needle 3 out of the fuel chamber 13 in the unpressurized actuator space 14 is the perforated plate 15, which is welded to an inner bore 16 of the housing 1. The perforated plate 15 can also be machined out of the housing 1 his. Between the first end 22 of the valve needle 3 and the perforated plate 15 is the cylindrical metal bellows 17th welded on, for hermetic sealing of the fuel chamber 13 compared to the actuator chamber 14 with a large size axial compliance. In the shown in Figure 1 Configuration is the metal bellows 17 by the fuel pressure acted on inside. However, it is also possible that Metal bellows 17 directed downwards between valve needle 3 (no longer at the end of the needle) and the perforated plate 15, whereby this is acted upon by the fuel pressure on the outside would be, as shown in Figure 2.
  • the actuator 8 in in this case a piezo actuator, via the electrical leads 18 charged, whereupon the PMA 8 expands and the valve plate 4 the valve needle 3 lifts off the valve sealing seat 2 and Fluid or fuel emerges from the injection valve.
  • the PMA 8 becomes electrical unload.
  • the PMA 8 contracts again its original length and the valve needle 3 is through the biased strong return spring 5 is moved back so far that the valve plate 4 lies sealingly in the valve seat 2 and the annular injection opening is closed.
  • a metal bellows complies with a suitably selected one Geometry in full all on one bushing or sealing element requirements. These include, that the metal bellows is a perfect, durable and reliable Represents sealing.
  • the metal bellows 17 holds what calculations and tests have shown, despite the thin walls from, for example, 50 to 500 ⁇ m due to its high radial Rigidity was very high without being irreversible to be deformed.
  • the specification of a wall thickness range is to be interpreted so that a metal bellows 17 is not a variable one, but a constant wall thickness for the individual case having.
  • the metal bellows can with a sufficient number the required high axial flexibility of shafts, i.e. a possibly required low axial spring constant exhibit.
  • the diameter of the metal bellows 17 can be adjusted accordingly. This will make of the pressurized fluid with the valve needle 3 Valve plate 4 acting pressure forces and those from the end surface of the metal bellows introduced into the valve needle 3 due to pressure Compensate forces so mutually that no resulting Compression force component acts on the valve needle 3. As a result, such an injector shows a fuel pressure almost completely independent switching behavior, since the piezoelectric actuator is the only one for the opening and closing forces 8 and the force of the prestressed return spring 5 is decisive are.
  • the metal bellows 17 has a wide range due to the metallic material Working temperature range with constant functions. Thermal changes in length of the bellows itself result the low axial spring constant of the metal bellows only negligible changes in force on the valve needle 3 seen in the axial direction.
  • the metal bellows can be due to its mechanical spring action in the axial direction Return spring, the compression spring 5, partially or completely replace.
  • the metal bellows 17 is on both sides fastened with elements to which in the metal bellows by external Transmit forces generated in the axial direction become.
  • a valve needle be designed in such a way that there is a predeterminable balance of forces. This realization could by simulation calculations and by trials be proven.
  • the high-pressure injector according to FIGS. 2 and 3 has the following dimensions, for example:
  • the diameter DN of the valve needle 3 is 3 mm and the diameter DS of the valve seat 2 is 4 mm.
  • the resulting annular differential area AD of 5.5 mm 2 acts on the valve needle 3 with an opening force FU downward in the opening direction of 137.5 N. Since the wall of the metal bellows 17 subjected to external pressure has almost no forces on it Valve needle 3 transmits, the size of the upward compensation pressure forces and thus the upward compensation pressure force FO can be adjusted by the diameter of the metal bellows 17, ie by the diameter DP of the end plate 19, which represents the connection between the metal bellows wall and the valve needle 3.
  • valve seat force is completely independent of pressure and is only determined by the amount of the pre-tensioning force FR set for the return spring.
  • the diameter of the valve needle in the area of the metal bellows can be reduced if necessary.
  • An adaptation of the pressure-effective surfaces is not only limited to cylindrical metal bellows, but can also be done with a corresponding construction in the case of non-cylindrical designs.
  • the metal bellows 17 after the introduction of Valve needle 3 into the housing of the injector subsequently Laser welding 20 on the perforated plate 15 of the valve housing 1 and attached to the valve needle 3.
  • FIG. 3 shows the arrangement complementary to FIG oriented metal bellows 17 cheaper embodiment results from the respective location of the welds, which are preferred for reliability reasons with mechanical compressive stresses should.
  • a certain advantage is in the embodiment according to the figure 2 the shorter length of the by the (compensation force FO) and acting downwards (opening force FU) Compressed forces under load on the area of the valve needle Figure 3 is stretched a little less.
  • the metal bellows 17 in the case of FIGS 3 shows the return spring 5 replace partially or completely. This results in a considerable simplification of construction and cost savings. Is on an additional return spring (compression spring 5) not waived, this can reduce the overall height also housed inside or outside of the metal bellows 17 his.
  • cylindrical metal bellows 17 come other designs, e.g. conical bellows or bellows with cross-sectional geometry deviating from the circular shape in question.
  • FIG. 4 is an injector with an inwardly opening injection nozzle shown. Again, the detail is below Fluid pressure standing chamber 13 shown against the actuator space 14 should be hermetically sealed.
  • the metal bellows 17 is pressurized.
  • the actuator will represented by an electromagnet 21.
  • the storage of the Electromagnet 21 also happens according to FIG. 1 through a base plate 11, the electrical leads 18 are led to the outside. Weldings 20 happen also preferably by laser processing.
  • the Valve needle 3 is in turn in Figure 4 with its second end 23 Part of the shown in connection with the housing Valves and with their first end 22 in turn formed that the coil 21 a stroke movement on the Valve needle 3 can transmit.

Abstract

A fluid dosing device for a pressurised fluidic medium, includes a pressurised fluid chamber (13) in a housing (1), a valve needle (3) extending through the chamber (13) and having its first end (22) subjected to a stroke action outside the chamber (13 and its second end (23) forming, together with a valve seat (2) positioned on the housing (1), a valve joined to the chamber (13 A metal bellows (17) serves as the lead-in element for the first end (22) of the valve needle (3) from the chamber (13) outwards, in which the external pressure is less than internal chamber (13) pressure, the chamber being tightly hermetically sealed.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fluiddosiervorrichtung mit der ein in einem Gehäuse befindliches, unter Druck stehendes Fluid, entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas, in vorbestimmten Mengen abgegeben bzw. eingespritzt werden kann. Dabei ist durch das Gehäuse eine Ventilnadel hindurchgeführt, die außerhalb des Gehäuses einerseits mechanisch betätigt wird und andererseits ein Element eines Ventils darstellt.The invention relates to a fluid metering device with the a pressurized one in a housing Fluid, either a liquid or a gas, in predetermined Quantities can be dispensed or injected. It is passed through the housing a valve needle, the outside the housing is mechanically operated on the one hand and on the other hand represents an element of a valve.

Im Stand der Technik sind verschiedenartige Abdichtungs- oder Durchführungselemente bekannt. Für den Anwendungsfall der Dosierung von unter Druck stehenden Kraftstoffen mit einem Druck bis zu beispielsweise 300 bar und einem Arbeitstemperaturbereich von -40°C bis +150 °C werden jedoch besondere Anforderungen an ein serientaugliches Produkt gestellt. Allgemein müssen Anforderungen hinsichtlich der Versprödung, des Verschleißes und der Zuverlässigkeit erfüllt werden.Various types of sealing or Implementing elements known. For the application of the dosage of pressurized fuels with one Pressure up to 300 bar, for example, and a working temperature range from -40 ° C to +150 ° C, however, have special requirements placed on a product suitable for series production. Generally requirements for embrittlement, des Wear and reliability are met.

Die Dauerstandfestigkeit von bisher verwendeten O-Ring-Dichtungen entspricht den obigen Anforderungen nicht. Anstelle von O-Ringen können auch Membrandichtungen wie beispielsweise Metallsicken o. ä. verwendet werden. Diese weisen jedoch den Nachteil einer sehr hohen druckbelasteten Fläche auf, was eine entsprechende Krafteinleitung in die Ventilnadel zur Folge hat. Wird bei einem einseitigen Überdruck von beispielsweise 300 bar eine 1 mm2 große druckbelastete Fläche betrachtet, so ergibt sich bereits eine Kraft von 30 N. Der Einsatz von Membranen als Durchführungselement einer Ventilnadel durch eine druckbeaufschlagte Kammer kann somit die Anforderungen bezüglich einer hohen axialen Nachgiebigkeit bei gleichzeitig ausreichender Druckfestigkeit nicht erfüllen. Eine hohe Druckfestigkeit führt zwangsläufig zu einer entsprechend dimensionierten Membrandicke, die wiederum eine hohe axiale Steifigkeit bedingt. Aufgrund der großen Membranfläche und der dadurch auch auf die Ventilnadel wirkenden sehr hohen Druckkräfte ist keine druckunabhängige Funktion einer Fluiddosiervorrichtung möglich. Dies ist jedoch beispielsweise für einen Motorstart oder für bestimmte Kennfeldbereiche notwendig. Eine Kompensation der Druckkräfte beim Einsatz einer Membran, beispielsweise durch eine mechanische Feder, ist bei der ausgeprägten Druckabhängigkeit der auf die Ventilnadel wirkenden Kräfte daher bestenfalls in einem einzigen Betriebspunkt möglich.The fatigue strength of previously used O-ring seals does not meet the above requirements. Instead of O-rings, membrane seals such as metal beads or the like can also be used. However, these have the disadvantage of a very high pressure-loaded area, which results in a corresponding introduction of force into the valve needle. If a 1 mm 2 large pressure-loaded area is considered at a one-sided overpressure of 300 bar, for example, a force of 30 N is already obtained. The use of membranes as a lead-through element of a valve needle through a pressurized chamber can thus meet the requirements for high axial compliance at the same time do not meet sufficient compressive strength. A high compressive strength inevitably leads to a correspondingly dimensioned membrane thickness, which in turn requires a high degree of axial rigidity. Due to the large membrane area and the very high pressure forces acting on the valve needle, a pressure-independent function of a fluid metering device is not possible. However, this is necessary, for example, for an engine start or for certain map areas. Compensation of the pressure forces when using a membrane, for example by a mechanical spring, is therefore at best possible at a single operating point given the pronounced pressure dependence of the forces acting on the valve needle.

Die Ventilnadeldurchführung kann ähnlich wie bei Dieselinjektoren auch durch eine Spielpassung der Nadel in einer zylindrischen Gehäusebohrung erfolgen. Nachteilig hierbei ist die unvermeidbare Leckage, längs der Nadeldurchführung, die eine Rücklaufleitung in den Tank oder zum Niederdruckanschluß der Kraftstofförderpumpe erfordert. Durch die höheren hydraulischen Verluste wird außerdem der Gesamtwirkungsgrad des Motors herabgesetzt.The valve needle feedthrough can be similar to diesel injectors also by a clearance fit of the needle in a cylindrical Drill the housing. The disadvantage here is that unavoidable leakage along the needle passage, one Return line in the tank or to the low pressure connection of the Fuel delivery pump required. Due to the higher hydraulic Losses will also affect the overall efficiency of the engine reduced.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Fluiddosiervorrichtung derart zu gestalten, daß eine hermetisch dichte Durchführung einer Ventilnadel durch eine mit einem unter Druck stehenden Fluid gefüllte Kammer gewährleistet wird, wobei ein zu verwendendes Durchführungselement keine wesentlichen druckabhängigen Kräfte auf die Ventilnadel ausübt.The object of the invention is a fluid metering device to be designed so that a hermetically sealed Carrying a valve needle through one with one under Pressurized fluid-filled chamber is ensured, whereby a lead-through element to be used is not essential exerts pressure-dependent forces on the valve needle.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1.This task is solved by the combination of features of claim 1.

Durch den Einsatz eines Metallbalges als Durchführungselement für eine Ventilnadel durch eine Kammer, die das zu dosierende Fluid beinhaltet, lassen sich viele bestehende Probleme lösen. Die Erfindung begründet sich dabei auf dem genauen Verständnis des Verhaltens eines druckbeaufschlagten Metallbalges. Hierbei werden insbesondere durch den Druck auf den Metallbalg und damit verbundene Verformungen Kräfte ausgelöst, die vom Metallbalg bei beidseitiger Befestigung nach außen übertragen werden. Dabei ist von hohen Druckunterschieden auf beiden Seiten des Metallbalges auszugehen, wobei der höhere Druck innerhalb oder außerhalb des Metallbalges sein kann. Die grundlegende Erkenntnis besteht insbesondere darin, daß die Wandung des Metallbalges auch bei geringer axialer Federkonstante bei einer Druckbeaufschlagung nur zu kleinen Kraftänderungen an den Enden eines beidseitig befestigten Balges führt. Die axialen Deformationen der Balgwellen sind durchaus nicht gering, heben sich aber genau wie die auf die einzelnen Balgwellen wirkenden Kräfte in ihrer Summe über die Gesamtlänge des Metallbalges nahezu auf. Somit kann mit geringen druckbedingten Kräften, die vom Metallbalg axial auf die Ventilnadel übertragen werden, gerechnet werden.By using a metal bellows as a feed-through element for a valve needle through a chamber that the to be dosed Containing fluid, many existing problems can be solved. The invention is based on precise understanding the behavior of a pressurized metal bellows. This is particularly due to the pressure on the metal bellows and related deformations triggered forces that of the metal bellows with two-sided attachment to the outside be transmitted. It is characterized by high pressure differences go out on both sides of the metal bellows, the higher Pressure can be inside or outside the metal bellows. The basic finding is in particular that the wall of the metal bellows even with a low axial spring constant only slight changes in force when pressurized at the ends of a bellows attached on both sides leads. The axial deformations of the bellows waves are quite not insignificant, but stand out like the individual Bellows waves acting forces in total over the entire length of the metal bellows almost. Thus, with little pressure-related forces exerted axially on the valve needle by the metal bellows be transferred, to be counted.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht die radiale Fixierung der Ventilnadel durch die feste Verbindung des Metallbalges mit der Ventilnadel einerseits und mit dem Gehäuse andererseits vor.The radial is a particularly advantageous embodiment Fixation of the valve needle through the firm connection of the metal bellows with the valve needle on the one hand and with the housing on the other hand.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sorgt der Einsatz einer Druckfeder zwischen Gehäuse und Ventilnadel für eine zuverlässige Schließkraft, die auf das Ventil wirkt.In another embodiment of the invention, the insert ensures a compression spring between the housing and valve needle for a reliable closing force that acts on the valve.

Trotz der großen Stabilität des Metallbalges kann insbesondere bei zylindrischer Ausführung die Ventilnadel oder eine über dem Metallbalg gestülpte Außenhülse eine Führung für diesen darstellen. Der Metallbalg kann dabei unter Umständen bereichsweise an seiner Führung anliegen. Ein Restrisiko eines Ausknickens wird damit nochmals reduziert.Despite the great stability of the metal bellows, in particular in the cylindrical version, the valve needle or a a guide for the outer sleeve placed over the metal bellows represent this. The metal bellows can under certain circumstances are concerned with his leadership in some areas. A residual risk of a Buckling is further reduced.

Die besonderen Vorteile des Metallbalges werden erzielt sowohl bei Innendruck- als auch bei Außendruckbeaufschlagung. Die Dimensionierung der Randstärke des Metallbalges im Bereich von 25 bis 500 µm zeigt, daß kleine Wandstärken bei großen Drücken, wie beispielsweise 300 bar, ausreichend sind. The special advantages of the metal bellows are achieved both with internal pressure as well as with external pressure. The dimensioning of the edge thickness of the metal bellows in the area from 25 to 500 µm shows that small wall thicknesses at large pressures, such as 300 bar, are sufficient.

Versuche haben ergeben, daß eine Ausbildung des Metallbalges in Form von im Längsschnitt sichtbaren aneinandergereihten Halbkreissegmenten besondere Vorteile erbringt. Diese Halbkreissegmente können jeweils durch zwischenliegende gerade Teilstücke ergänzt werden.Experiments have shown that formation of the metal bellows in the form of lined up visible in longitudinal section Semicircle segments brings special advantages. These semicircle segments can each by intermediate straight Parts are added.

Der Metallbalg ist vorteilhafterweise fest mit der Ventilnadel und dem Gehäuse verbunden. Zur Montierbarkeit der Ventilnadel und des Metallbalges im Gehäuse, beispielsweise bei einem Einspritzventil mit mehreren ineinander verschachtelten Elementen, müssen Verbindungsstellen frei zugänglich sein. Dies kann in vorteilhafterweise durch Schweißverbindungen, beispielsweise Laserschweißungen, geschehen.The metal bellows is advantageously fixed to the valve needle and connected to the housing. For mounting the valve needle and the metal bellows in the housing, for example in one Injector with several nested Elements, connection points must be freely accessible. This can advantageously be done by welding connections, for example laser welding.

Um die bei hohen anliegenden Fluiddrücken auf die druckbeaufschlagten Flächen wirkenden Druckkräfte gezielt zu beeinflussen, sollte ein bestimmtes Gleichgewicht, bezogen auf die Ventilnade, der in entgegengesetzten Richtungen wirkenden fluiddruckbedingten Kräfte vorhanden sein. Es wird angestrebt, insgesamt eine Kompensierung dieser Kräfte zu erzielen, so daß die Ventilnadel bezüglich der genannten Kräfte annähernd kräftefrei ist oder am Ventil eine mit dem Druck proportional steigende Schließkraft anliegt. D.h. daß in Schließrichtung die druckwirksamen Kräfte geringfügig größer sind als die, die gegen die Schließkraft gerichtet sind. Zusätzlich kann die Kraft einer Schließfeder vorteilhaft sein.In order to apply the pressurized fluid at high fluid pressures Selectively influence surface pressure forces should have a certain balance, based on the Valve needle, the one acting in opposite directions forces due to fluid pressure are present. The aim is to achieve a total compensation of these forces so that the valve needle with respect to the forces mentioned is almost free of force or one with pressure on the valve proportionally increasing closing force is present. I.e. that in Closing direction the pressure-effective forces slightly larger are as opposed to the closing force. In addition the force of a closing spring can be advantageous.

Prinzipiell kann die Fluiddosiervorrichtung mit Ventilen ausgebildet sein, die nach innen oder nach außen öffnen. Die Konstruktion des Metallbalges im Verhältnis zu den restlichen Elementen insbesondere zum huberzeugenden Aktor ist entsprechend anzupassen. Als Aktor kommen Elektromagnete in Frage. Vorteilhaft ist es, Piezoaktoren einzusetzen, die beispielsweise in einer Rohrfeder vorgespannt sind. In principle, the fluid metering device can be designed with valves be that open inwards or outwards. The Construction of the metal bellows in relation to the rest Elements, in particular for the stroke-generating actuator, are corresponding adapt. Electromagnets can be used as actuators. It is advantageous to use piezo actuators, for example are biased in a Bourdon tube.

Im folgenden werden anhand von schematischen den Schutzbereich nicht einschränkenden Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben.

Figur 1
zeigt einen Hochdruckinjektor mit einem Aktor, einem innendruckbeaufschlagten Metallbalg und einem nach außen öffnenden Ventil,
Figur 2
zeigt einen Hochdruckinjektor mit einem außendruckbeaufschlagten Metallbalg und einem nach außen öffnenden Ventil,
Figur 3
zeigt einen Hochdruckinjektor mit einem innendruckbeaufschlagten Metallbalg und einem nach außen öffnenden Ventil und
Figur 4
zeigt einen Hochdruckinjektor mit einem Aktor, einem inndruckbeaufbeschlagten Metallbalg und einem nach innen öffnenden Ventil.
Exemplary embodiments are described below with the aid of schematic figures which do not restrict the scope of protection.
Figure 1
shows a high-pressure injector with an actuator, a metal bellows subjected to internal pressure and an outward opening valve,
Figure 2
shows a high-pressure injector with an externally pressurized metal bellows and an outward opening valve,
Figure 3
shows a high pressure injector with an internal pressure-applied metal bellows and an outward opening valve and
Figure 4
shows a high pressure injector with an actuator, a pressurized metal bellows and an inward opening valve.

Die hier betrachteten Hochdruckinjektoren werden mit Kraftstoffdrücken PFUEL bis zu beispielsweise 500 bar betrieben. Ein Hub der Ventilnadel ist extrem kurz und liegt im Bereich von 10 bis 100 µm. Bei der Betrachtung des Gehäuses 1 ist zwischen dem fluidisch druckbeaufschlagtem Bereich und dem Bereich des Aktors mit wesentlich geringerem Druck zu unterscheiden. Hierzu ist das Gehäuse unterteilt in die Kammer 13, die mittels einer Leitungsbohrung 7 verbunden ist, über die das Fluid unter Druck zugeführt wird. Eine derartige Fluiddosiervorrichtung bzw. ein Hydraulikventil zur Dosierung des Fluides trennt demnach einen Hochdruckraum von einem Raum, der beispielsweise Umgebungsdruck aufweisen kann. Die Durchführung der Ventilnadel 3 durch das Gehäuse 1, insbesondere durch die Kammer 13 und zum Aktorraum 14 stellt den Kern der Erfindung dar. Als Durchführungselement wird ein Metallbalg 17 eingesetzt.The high pressure injectors considered here are used with fuel pressures PFUEL operated up to 500 bar, for example. A stroke of the valve needle is extremely short and is in the range from 10 to 100 µm. When considering the housing 1 is between the fluidically pressurized area and the Distinguish the area of the actuator with much lower pressure. For this purpose, the housing is divided into the chamber 13, which is connected by means of a line bore 7, via the the fluid is supplied under pressure. Such a fluid metering device or a hydraulic valve for dosing the Fluid therefore separates a high pressure room from a room, which can have, for example, ambient pressure. The implementation the valve needle 3 through the housing 1, in particular through the chamber 13 and the actuator chamber 14 represents the core of the Invention is a metal bellows 17 used.

Bei der Konstruktion eines Hochdruckeinspritzventils für direkteinspritzende Magermotoren, insbesondere wenn das Einspritzventil einen piezoelektrischen Aktor 8 als Antrieb aufweist, gilt es folgende Probleme zu lösen:

  • Die Durchführung der Ventilnadel 3 aus der druckbeaufschlagten Kraftstoffkammer 13 in den Antriebsteil des Injektors ist hermetisch dicht auszuführen;
  • das Durchführungselement, hier der Metallbalg 17, soll eine hohe mechanische Nachgiebigkeit (geringe Federrate) in Bewegungsrichtung der Ventilnadel 3 aufweisen, um die Auslenkung der Ventilnadel 3 nicht zu beeinträchtigen und um die durch temperaturbedingte Längenänderungen des Durchführungselementes in die Ventilnadel 3 eingeleiteten Kräfte gering zu halten;
  • es soll eine hinreichende Druckfestigkeit des Durchführungselementes bei typischen Kraftstoffdrücken bis zu 500 bar gewährleistet sein;
  • druckbedingte Kräfte, die direkt auf die Ventilnadel wirken oder die durch mit der Ventilnadel mechanisch verbundene Elemente, wie das Durchführungselement, in die Ventilnadel eingeleitet werden, sollen geeignet kompensiert werden;
  • weiterhin muß eine sehr hohe Zuverlässigkeit des Durchführungselementes hinsichtlich einer Leckage garantiert sein, d.h. die im Durchführungselement auftretenden mechanischen Druck-/Zugspannungen müssen in einem materialverträglichen Bereich liegen, in dem das Durchführungselement lediglich elastisch reversibel verformt wird;
  • die Funktion des Durchführungselementes muß typischerweise in einem Temperaturbereich von -40 bis +150°C gewährleistet sein;
  • das Durchführungselement soll weiterhin die Möglichkeit bieten, die auf die Ventilnadel 3 wirkenden druckbedingten Kräfte geeignet zu kompensieren, um die Ventilnadel insgesamt druckkräftefrei zu machen. Beispielsweise wird aufgrund der druckbelasteten Fläche des Ventiltellers 4 eines nach außen öffnenden Injektors entsprechend Figur 1 bei hohem Kraftstoffdruck eine hohe in Öffnungsrichtung wirkende Druckkraft (Öffnungskraft FU), die vorteilhafterweise durch eine zweite druckbelastete Fläche die eine in Gegenrichtung wirkende Druckkraft FO erzeugt, kompensiert wird. Mit einer solchen Möglichkeit bestehen bezüglich des Ventilsitzdurchmessers DS und des Ventilnadeldurchmessers DN keinerlei Einschränkungen;
  • das Durchführungselement muß so gestaltet sein, daß die Montierbarkeit des Injektors gewährleistet ist.
When designing a high-pressure injection valve for direct-injection lean-burn engines, especially if the injection valve has a piezoelectric actuator 8 as the drive, the following problems have to be solved:
  • The passage of the valve needle 3 from the pressurized fuel chamber 13 into the drive part of the injector must be hermetically sealed;
  • the feed-through element, here the metal bellows 17, should have a high mechanical flexibility (low spring rate) in the direction of movement of the valve needle 3 in order not to impair the deflection of the valve needle 3 and to keep the forces introduced into the valve needle 3 by changes in length of the feed-through element caused by temperature low ;
  • it should be ensured that the bushing element has sufficient pressure resistance at typical fuel pressures of up to 500 bar;
  • pressure-related forces that act directly on the valve needle or that are introduced into the valve needle by elements mechanically connected to the valve needle, such as the lead-through element, should be suitably compensated;
  • furthermore, a very high reliability of the lead-through element with regard to leakage must be guaranteed, ie the mechanical compressive / tensile stresses occurring in the lead-through element must lie in a material-compatible range in which the lead-through element is only elastically reversibly deformed;
  • the function of the bushing element must typically be guaranteed in a temperature range from -40 to + 150 ° C;
  • the lead-through element should also offer the possibility of suitably compensating for the pressure-related forces acting on the valve needle 3 in order to make the valve needle free of pressure forces overall. For example, due to the pressure-loaded surface of the valve plate 4 of an outward opening injector according to FIG. 1, at high fuel pressure, a high pressure force acting in the opening direction (opening force FU) is advantageously compensated for by a second pressure-loaded surface which generates a pressure force FO acting in the opposite direction. With such a possibility, there are no restrictions with regard to the valve seat diameter DS and the valve needle diameter DN;
  • the lead-through element must be designed so that the mountability of the injector is guaranteed.

Durch Verwendung eines jeweils entsprechend konstruierten Metallbalges 17 als Durchführungselement lassen sich sämtliche oben aufgeführten Probleme lösen. Anhand der in Figur 1 dargestellten Ausführung eines nach außen öffnenden Kraftstoffhochdruckeinspritzventiles werden zunächst die Funktion des Injektors und anschließend die verschiedenen Funktionen des Metallbalges 17 erläutert.By using a correspondingly constructed metal bellows 17 as a lead-through element can all Solve the problems listed above. Based on that shown in Figure 1 Execution of an outward opening high pressure fuel injector will first be the function of Injector and then the various functions of the Metal bellows 17 explained.

Der in Figur 1 gezeigte Hochdruckinjektor weist im Injektorgehäuse 1 einen Ventilsitz 2 auf. Der Ventilsitz 2 wird im Grundzustand durch den mit dem zweiten Ende 23 der Ventilnadel 3 verbundenen Ventilteller 4 geschlossen gehalten. Der geschlossene Zustand der durch den Ventilsitz 2 und den Ventilteller 4 gebildeten Einspritzdüse wird durch die gespannte Druckfeder 5 gewährleistet, die mit der Ventilnadel 3 über einen Sprengring 6 verbunden ist. Die Kraftstoffzuführung erfolgt durch die im Gehäuse 1 angebrachte Leitungsbohrung 7. Im oberen Teil des Injektorgehäuses 1 befindet sich die Antriebseinheit, gebildet aus einem piezoelektrischen Multilayeraktor (PMA) 8 in Niedervolttechnik, kombiniert mit einer Rohrfeder 9, einer Kopfplatte 10 und einer Fußplatte 11. Die Rohrfeder 9 ist so mit der Kopfplatte 10 und der Fußplatte 11 verschweißt, daß der PMA 8 unter einer mechanischen Druckvorspannung steht. Das Gehäuse 1 und die Fußplatte 1 sind ebenfalls möglichst steif über eine Schweißung miteinander verbunden. Zwischen Kopfplatte 10 und erstem Ende 22 der Ventilnadel 3 befindet sich ein Spalt 12, dessen Höhe erheblich kleiner ist als der Hub des PMA 8. Der Spalt 12 dient einerseits zur Einstellung definierter Kräfteverhältnisse im Ventilsitz und andererseits zum Abfangen geringer Unterschiede in den thermischen Längenänderungen. Zur Kompensation der verschiedenen thermischen Längenänderungen, d.h. zur Sicherstellung einer weitgehenden Temperaturunabhängigkeit der Höhe des Spaltes 12, bestehen die Injektorkomponenten aus Materialien mit geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bzw. aus verschiedenen Materialien, die hinsichtlich ihrer thermischen Längenausdehnungskoeffizienten so aufeinander abgestimmt sind, daß die Konstanz der Spalthöhe näherungsweise gewährleistet ist.The high-pressure injector shown in FIG. 1 has in the injector housing 1 a valve seat 2. The valve seat 2 is in the Basic state by the second end 23 of the valve needle 3 connected valve plate 4 kept closed. The closed state by the valve seat 2 and the valve plate 4 injector formed by the cocked Compression spring 5 ensures that with the valve needle 3 over a snap ring 6 is connected. The fuel is supplied through the line bore 7 in the housing 1. The drive unit is located in the upper part of the injector housing 1, formed from a piezoelectric multilayer actuator (PMA) 8 in low voltage technology, combined with one Bourdon tube 9, a head plate 10 and a foot plate 11. Die Bourdon tube 9 is with the top plate 10 and the bottom plate 11 welded that the PMA 8 under a mechanical pressure preload stands. The housing 1 and the base plate 1 are also connected to each other as stiffly as possible via a weld. Between the head plate 10 and the first end 22 of the valve needle 3 there is a gap 12, the height of which is considerable is smaller than the stroke of the PMA 8. The gap 12 serves on the one hand for setting defined force relationships in the valve seat and on the other hand to catch small differences in thermal length changes. To compensate for the different thermal changes in length, i.e. to make sure extensive temperature independence of the altitude of the gap 12, the injector components consist of materials with low thermal expansion coefficients or made of different materials with regard to their thermal Coefficients of linear expansion are thus coordinated are that the constancy of the gap height is approximately is guaranteed.

Zur Durchführung der Ventilnadel 3 aus der Kraftstoffkammer 13 in den drucklosen Aktorraum 14 dient die Lochplatte 15, die mit einer Innenbohrung 16 des Gehäuses 1 verschweißt ist. Ebenso kann die Lochplatte 15 auch aus dem Gehäuse 1 herausgearbeitet sein. Zwischen dem ersten Ende 22 der Ventilnadel 3 und der Lochplatte 15 ist der zylindrische Metallbalg 17 angeschweißt, der zur hermetischen Abdichtung der Kraftstoffkammer 13 gegenüber dem Aktorraum 14 bei gleichzeitig großer axialer Nachgiebigkeit dient. In der in Figur 1 gezeigten Konfiguration wird der Metallbalg 17 durch den Kraftstoffdruck innen beaufschlagt. Es ist jedoch ebenso möglich, den Metallbalg 17 nach unten gerichtet zwischen Ventilnadel 3 (jetzt nicht mehr am Nadelende) und der Lochplatte 15 anzuordnen, wobei dieser vom Kraftstoffdruck außen beaufschlagt werden würde, wie es in Figur 2 dargestellt ist.To pass the valve needle 3 out of the fuel chamber 13 in the unpressurized actuator space 14 is the perforated plate 15, which is welded to an inner bore 16 of the housing 1. The perforated plate 15 can also be machined out of the housing 1 his. Between the first end 22 of the valve needle 3 and the perforated plate 15 is the cylindrical metal bellows 17th welded on, for hermetic sealing of the fuel chamber 13 compared to the actuator chamber 14 with a large size axial compliance. In the shown in Figure 1 Configuration is the metal bellows 17 by the fuel pressure acted on inside. However, it is also possible that Metal bellows 17 directed downwards between valve needle 3 (no longer at the end of the needle) and the perforated plate 15, whereby this is acted upon by the fuel pressure on the outside would be, as shown in Figure 2.

Zur Einleitung des Einspritzvorganges wird der Aktor 8, in diesem Fall ein Piezoaktor, über die elektrischen Zuleitungen 18 aufgeladen, worauf der PMA 8 expandiert und den Ventilteller 4 der Ventilnadel 3 vom Ventildichtsitz 2 abhebt und Fluid bzw. Kraftstoff aus dem Einspritzventil austritt.To initiate the injection process, the actuator 8, in in this case a piezo actuator, via the electrical leads 18 charged, whereupon the PMA 8 expands and the valve plate 4 the valve needle 3 lifts off the valve sealing seat 2 and Fluid or fuel emerges from the injection valve.

Zur Beendigung des Einspritzvorganges wird der PMA 8 elektrisch entladen. Dabei kontrahiert sich der PMA 8 wieder auf seine ursprüngliche Länge und die Ventilnadel 3 wird durch die vorgespannte starke Rückstellfeder 5 so weit zurückbewegt, daß der Ventilteller 4 im Ventilsitz 2 dichtend anliegt und die ringförmige Einspritzöffnung verschlossen ist. To end the injection process, the PMA 8 becomes electrical unload. The PMA 8 contracts again its original length and the valve needle 3 is through the biased strong return spring 5 is moved back so far that the valve plate 4 lies sealingly in the valve seat 2 and the annular injection opening is closed.

Der Einsatz eines Metallbalges erfüllt bei geeignet gewählter Geometrie in vollem Umfang sämtliche an ein Durchführungselement bzw. Dichtelement gestellten Anforderungen. Dazu zählen, daß der Metallbalg eine perfekte, dauerhafte und zuverlässige Abdichtung darstellt. Der Metallbalg 17 hält, was Berechnungen und Versuche ergeben haben, trotz geringer Wandstärken von beispielsweise 50 bis 500 µm aufgrund seiner hohen radialen Steifigkeit sehr hohen Drücken stand, ohne irreversibel verformt zu werden. Die Angabe eines Wandstärkenbereiches ist so auszulegen, daß ein Metallbalg 17 keine variierende, sondern für den einzelnen Fall eine gleichbleibende Wandstärke aufweist. Der Metallbalg kann bei einer hinreichenden Anzahl von Wellen gleichzeitig die geforderte hohe axiale Nachgiebigkeit, d.h. eine eventuell geforderte niedrige axiale Federkonstante aufweisen.The use of a metal bellows complies with a suitably selected one Geometry in full all on one bushing or sealing element requirements. These include, that the metal bellows is a perfect, durable and reliable Represents sealing. The metal bellows 17 holds what calculations and tests have shown, despite the thin walls from, for example, 50 to 500 µm due to its high radial Rigidity was very high without being irreversible to be deformed. The specification of a wall thickness range is to be interpreted so that a metal bellows 17 is not a variable one, but a constant wall thickness for the individual case having. The metal bellows can with a sufficient number the required high axial flexibility of shafts, i.e. a possibly required low axial spring constant exhibit.

Um die druckwirksamen Flächen an der Ventilnadel 3 insgesamt gezielt zu beeinflussen, so daß im Idealfall ein Zustand vollständiger Kräftekompensation bzw. ein Zustand mit geringer Fließkraft vorliegt, kann der Durchmessers des Metallbalges 17 entsprechend abgestimmt werden. Damit werden sich von dem unter Druck stehenden Fluid auf die Ventilnadel 3 mit Ventilteller 4 wirkende Druckkräfte und die von der Endfläche des Metallbalges in die Ventilnadel 3 eingeleiteten druckbedingten Kräfte so gegenseitig kompensieren, daß keine resultierende Druckkraftkomponente auf die Ventilnadel 3 wirkt. Hierdurch zeigt ein solcher Injektor ein vom Kraftstoffdruck nahezu völlig unabhängiges Schaltverhalten, da für die Öffnungs- und Schließkräfte alleinig der piezoelektrische Aktor 8 und die Kraft der vorgespannten Rückstellfeder 5 maßgebend sind. Dieses gilt zwar nicht im gleichen Umfang für dynamische Druckkräfte (Druckwellen), die beim Öffnen und Schließen eines Hochdruckinjektors unvermeidbar sind, doch ist eine druckausgeglichene Ventilnadel 3 gegenüber solchen Effekten naturgemäß wesentlich weniger empfindlich. Der Metallbalg 17 verfügt aufgrund des metallischen Werkstoffes über einen weiten Arbeitstemperaturbereich mit gleichbleibenden Funktionen. Thermische Längenänderungen des Balges selbst führen aufgrund der niedrigen axialen Federkonstante des Metallbalges nur zu vernachläßigbar geringen Kraftänderungen an der Ventilnadel 3 in axialer Richtung gesehen. Der Metallbalg kann aufgrund seiner mechanischen Federwirkung in axialer Richtung die Rückstellfeder, die Druckfeder 5, teilweise oder vollständig ersetzen.To the pressure-effective areas on the valve needle 3 as a whole to influence specifically, so that ideally a condition full force compensation or a state with low Flow force is present, the diameter of the metal bellows 17 can be adjusted accordingly. This will make of the pressurized fluid with the valve needle 3 Valve plate 4 acting pressure forces and those from the end surface of the metal bellows introduced into the valve needle 3 due to pressure Compensate forces so mutually that no resulting Compression force component acts on the valve needle 3. As a result, such an injector shows a fuel pressure almost completely independent switching behavior, since the piezoelectric actuator is the only one for the opening and closing forces 8 and the force of the prestressed return spring 5 is decisive are. This does not apply to the same extent for dynamic ones Pressure forces (pressure waves) that occur when opening and closing a high pressure injector are inevitable, but one is pressure-balanced valve needle 3 against such effects naturally much less sensitive. The metal bellows 17 has a wide range due to the metallic material Working temperature range with constant functions. Thermal changes in length of the bellows itself result the low axial spring constant of the metal bellows only negligible changes in force on the valve needle 3 seen in the axial direction. The metal bellows can be due to its mechanical spring action in the axial direction Return spring, the compression spring 5, partially or completely replace.

Zum Verständnis der Erfindung ist die Klarstellung des Verhaltens eines druckbeaufschlagten Metallbalges, insbesondere der durch den Druck bewirkten Verformungen und der dadurch ausgelösten Kräfte notwendig. Der Metallbalg 17 ist beidseitig mit Elementen befestigt, auf die im Metallbalg durch äußere Drucke entstehende Kräfte in axialer Richtung übertragen werden. In Verbindung mit der gezielten Einstellung dieser Kräfte durch den Durchmesser des Balges bei möglichst kleiner axialer Federkonstanten durch die Gestaltung der Metallbalgwandung kann eine Ventilnadel derart ausgelegt werden, daß ein vorgebbares Kräftegleichgewicht vorliegt. Diese Erkenntnis konnte durch Simulationsrechnungen und durch Versuche bewiesen werden.To understand the invention is the clarification of behavior a pressurized metal bellows, in particular the deformation caused by the pressure and the resulting deformation triggered forces necessary. The metal bellows 17 is on both sides fastened with elements to which in the metal bellows by external Transmit forces generated in the axial direction become. In connection with the targeted setting of this Forces due to the diameter of the bellows as small as possible axial spring constants through the design of the metal bellows wall can a valve needle be designed in such a way that there is a predeterminable balance of forces. This realization could by simulation calculations and by trials be proven.

Insbesondere hat sich gezeigt, daß bei fluidischer Druckbeaufschlagung die Änderung der Gesamtlänge der Wandung eines Metallbalges mit mehreren Wellen, wobei lediglich die Wand des Metallbalges als druckbeaufschlagt betrachtet wird, äußerst gering ist. Bei Innendruckbeaufschlagung verkürzt sich die Wand des Metallbalges 17 geringfügig, bei Außendruckbeaufschlagung verlängert sie sich geringfügig. Beispielsweise wird bei einem Druck von 200 bar und einer Metallbalggeometrie mit zwölf Wellen, einem Innendurchmesser von 3,5 mm, einem Außendurchmesser von 5,3 mm, einer Wanddicke von 100 µm und einer Wandlänge von 12,1 mm eine typische Längenänderung von 10 bis 20 µm auftreten. Aufgrund der geringen axialen Federkonstante von beispielsweise 0,2 /µm der Metallbalgwandung führt dies nur zu kleinen Kraftänderungen an den Enden eines beidseitig befestigten Metallbalges 17. Die axialen Deformationen der Balgwellen sind durchaus nicht gering, heben sich aber genau wie die auf die einzelnen Balgwellen wirkenden Kräfte in ihrer Summe über die Gesamtlänge des Balges nahezu auf. Durch diese Erkenntnis über die Zusammenhänge der hervorgerufenen Kräfte an einem Metallbalg durch Druckbeaufschlagung kann ein solcher Metallbalg 17 in beiden Orientierungen eingebaut werden, d.h. Innen- oder Außendruckbeaufschlagung. Trotz der Deformationen der Balgwellen lassen sich die mechanischen Spannungen in der Wandung des Metallbalges 17 durch Steuerung der Wanddicke, beispielsweise 25 bis 500 µm, leicht in einem materialverträglichen Bereich halten, ohne daß die axiale Nachgiebigkeit wesentlich verringert wird.In particular, it has been shown that with fluid pressurization the change in the total length of the wall of a Metal bellows with several waves, only the wall of the metal bellows is considered to be pressurized, extremely is low. The internal pressure is shortened the wall of the metal bellows 17 slightly, when external pressure is applied it extends slightly. For example is at a pressure of 200 bar and a metal bellows geometry with twelve shafts, an inner diameter of 3.5 mm, one Outside diameter of 5.3 mm, a wall thickness of 100 µm and a wall length of 12.1 mm a typical change in length from 10 to 20 µm occur. Due to the low axial spring constant of, for example, 0.2 / µm of the metal bellows wall this only leads to small changes in force at the ends of one metal bellows attached on both sides 17. The axial deformations the bellows waves are by no means slight, stand out but just like those that act on the individual bellows waves Total forces over the entire length of the bellows almost on. Through this knowledge about the connections of the evoked Forces on a metal bellows due to pressurization can such a metal bellows 17 in both orientations be installed, i.e. Internal or external pressurization. Despite the deformations of the bellows waves, the mechanical stresses in the wall of the metal bellows 17 by controlling the wall thickness, for example 25 to 500 µm, keep easily in a material compatible area without that the axial compliance is significantly reduced.

Als besonders günstige Form für die Balgwellen hat sich eine aus im Längsschnitt betrachtet aneinandergefügten Halbkreissegmenten bestehende Geometrie erwiesen. Gegenüber einem sinusförmigen Wellenverlauf weist die aus Halbkreissegmenten bestehende Wandung geringere mechanische Spannungen in axialer Richtung bei höherer axialer Nachgiebigkeit auf.One has proven to be a particularly favorable form for the bellows shafts viewed from the longitudinal section of joined semicircle segments existing geometry proved. Opposite a sinusoidal The wave pattern shows the semicircle segments existing wall lower mechanical stresses in the axial Direction with higher axial compliance.

Da von der Balgwandung auch bei hohen Drücken oder Druckänderungen nahezu keine resultierenden Kräfte auf die Balgenden übertragen werden, können solche für die Druckausgeglichenheit der Ventilnadel 3 erforderlichen Kompensationskräfte gezielt durch den Balgdurchmesser eingestellt werden. Dies wird im einzelnen durch die Darstellungen der Figuren 2 und 3 verdeutlicht. In den Figuren 2 und 3 wird jeweils ein nach außen öffnendes Einspritzventil dargestellt. Figur 2 zeigt einen außendruckbeaufschlagten Metallbalg innerhalb des Systems und Figur 3 einen innendruckbeaufschlagten Metallbalg 17.Because of the bellows wall even at high pressures or pressure changes almost no resulting forces on the bellows ends can be transferred for pressure balance the valve needle 3 required compensation forces targeted can be adjusted by the bellows diameter. this will clarified in detail by the representations of Figures 2 and 3. In Figures 2 and 3 is one to the outside opening injector shown. Figure 2 shows one metal bellows under external pressure within the system and 3 shows a metal bellows 17 subjected to internal pressure.

Der Hochdruckinjektor entsprechend den Figuren 2 und 3 hat beispielsweise folgende Abmessungen:
Der Durchmesser DN der Ventilnadel 3 beträgt 3 mm und der Durchmesser DS des Ventilsitzes 2 beträgt 4 mm. Auf die Ventilnadel 3 wirkt damit bei einem Kraftstoffdruck von 250 bar aufgrund der resultierenden ringförmigen Differenzfläche AD von 5,5 mm2 eine nach unten in Öffnungsrichtung gerichtete Öffnungskraft FU mit 137,5 N. Da die Wandung des außendruckbeaufschlagten Metallbalges 17 nahezu keine Kräfte auf die Ventilnadel 3 überträgt, kann durch den Durchmesser des Metallbalges 17, d.h. durch den Durchmesser DP der Stirnplatte 19, welche die Verbindung zwischen Metallbalgwandung und Ventilnadel 3 darstellt, die Größe der nach oben wirkenden Kompensationsdruckkräfte und damit die nach oben gerichtete Kompensationsdruckkraft FO gezielt eingestellt werden. Um in dem gewählten Beispiel die Bedingung FO = FU (Öffnungskraft = Kompensationskraft) zu erfüllen, ergibt sich für den Durchmesser der Stirnplatte 19 ein Wert von DP = 4 mm. Die Ventilsitzkraft ist unter diesen Voraussetzungen vollkommen druckunabhängig und wird ausschließlich durch die Höhe der eingestellten Vorspannkraft FR der Rückstellfeder bestimmt. Um eine Berührung der Balgwellen mit der Ventilnadel zu vermeiden, kann ggf. der Durchmesser der Ventilnadel im Bereich des Metallbalges verringert werden. Eine Anpassung der druckwirksamen Flächen ist nicht nur auf zylindrische Metallbälge beschränkt, sondern kann bei entsprechender Konstruktion auch bei nichtzylindrischen Ausbildungen geschehen.The high-pressure injector according to FIGS. 2 and 3 has the following dimensions, for example:
The diameter DN of the valve needle 3 is 3 mm and the diameter DS of the valve seat 2 is 4 mm. With a fuel pressure of 250 bar, the resulting annular differential area AD of 5.5 mm 2 acts on the valve needle 3 with an opening force FU downward in the opening direction of 137.5 N. Since the wall of the metal bellows 17 subjected to external pressure has almost no forces on it Valve needle 3 transmits, the size of the upward compensation pressure forces and thus the upward compensation pressure force FO can be adjusted by the diameter of the metal bellows 17, ie by the diameter DP of the end plate 19, which represents the connection between the metal bellows wall and the valve needle 3. In order to meet the condition FO = FU (opening force = compensation force) in the selected example, a value of DP = 4 mm results for the diameter of the end plate 19. Under these conditions, the valve seat force is completely independent of pressure and is only determined by the amount of the pre-tensioning force FR set for the return spring. In order to avoid contact of the bellows shafts with the valve needle, the diameter of the valve needle in the area of the metal bellows can be reduced if necessary. An adaptation of the pressure-effective surfaces is not only limited to cylindrical metal bellows, but can also be done with a corresponding construction in the case of non-cylindrical designs.

Montagetechnisch kann der Metallbalg 17 nach Einführung der Ventilnadel 3 in das Gehäuse des Injektors nachträglich mittels Laserschweißung 20 an der Lochplatte 15 des Ventilgehäuses 1 und an der Ventilnadel 3 befestigt werden.Technically, the metal bellows 17 after the introduction of Valve needle 3 into the housing of the injector subsequently Laser welding 20 on the perforated plate 15 of the valve housing 1 and attached to the valve needle 3.

Figur 3 zeigt die zu Figur 2 komplementäre Anordnung mit nach oben orientiertem innendruckbeaufschlagtem Metallbalg 17. Die günstigere Ausführungsform ergibt sich aus der jeweiligen Lage der Schweißnähte, die aus Zuverlässigkeitsgründen vorzugsweise mit mechanischen Druckspannungen beaufschlagt werden sollten. Ein gewisser Vorteil ist bei der Ausführung nach Figur 2 die geringere Länge des durch die nach oben (Kompensationskraft FO) und nach unten (Öffnungskraft FU) wirkenden Druckkräfte belasteten Bereiches der Ventilnadel, die gegenüber Figur 3 dadurch etwas weniger gedehnt wird.FIG. 3 shows the arrangement complementary to FIG oriented metal bellows 17 cheaper embodiment results from the respective location of the welds, which are preferred for reliability reasons with mechanical compressive stresses should. A certain advantage is in the embodiment according to the figure 2 the shorter length of the by the (compensation force FO) and acting downwards (opening force FU) Compressed forces under load on the area of the valve needle Figure 3 is stretched a little less.

Durch die mechanische Federwirkung des Metallbalges 17 in axialer Richtung kann der Metallbalg 17 bei den in Figur 1, 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen die Rückstellfeder 5 teilweise oder auch vollständig ersetzen. Damit ergibt sich eine erhebliche Konstruktionsvereinfachung und Kostenersparnis. Wird auf eine zusätzliche Rückstellfeder (Druckfeder 5) nicht verzichtet, so kann diese zur Verringerung der Bauhöhe auch innerhalb oder außerhalb des Metallbalges 17 untergebracht sein.Due to the mechanical spring action of the metal bellows 17 in In the axial direction, the metal bellows 17 in the case of FIGS 3 shows the return spring 5 replace partially or completely. This results in a considerable simplification of construction and cost savings. Is on an additional return spring (compression spring 5) not waived, this can reduce the overall height also housed inside or outside of the metal bellows 17 his.

Neben den vorgeschlagenen zylindrischen Metallbälgen 17 kommen auch andere Bauformen, z.B. konische Bälge oder Bälge mit von der Kreisform abweichender Querschnittsgeometrie in Frage.In addition to the proposed cylindrical metal bellows 17 come other designs, e.g. conical bellows or bellows with cross-sectional geometry deviating from the circular shape in question.

In Figur 4 wird ein Injektor mit nach innen öffnender Einspritzdüse dargestellt. Im einzelnen ist wiederum die unter Fluiddruck stehende Kammer 13 dargestellt, die gegen den Aktorraum 14 hermetisch abgedichtet sein soll. Der Metallbalg 17 ist innendruckbeaufschlagt. Der Aktor wird in diesem Fall durch einen Elektromagneten 21 dargestellt. Die Lagerung des Elektromagneten 21 geschieht entsprechend der Figur 1 ebenfalls durch eine Fußplatte 11, wobei die elektrischen Zuleitungen 18 nach außen geführt werden. Verschweißungen 20 geschehen ebenfalls vorzugsweise durch Laserbearbeitung. Die Ventilnadel 3 ist in Figur 4 mit ihrem zweiten Ende 23 wiederum Bestandteil des in Verbindung mit dem Gehäuse dargestellten Ventiles und mit ihrem ersten Ende 22 wiederum derart ausgebildet, daß die Spule 21 eine Hubbewegung auf die Ventilnadel 3 übertragen kann. In diesem Fall wird gegen die Druckkraft der Druckfeder 5 der Elektromagnet 21 die Ventilnadel 3 zum Öffnen des Ventiles nach oben ziehen und nach der Deaktivierung des Elektromagneten 21 die Ventilnadel 3 wieder in ihre Schließposition unterstützt durch die Druckfeder 5 zurückfallen lassen. Durch einen Einspritzvorgang aus der Kammer 13 entweichendes Fluid wird über die Leitungsbohrung 7 erneut unter Druck zugeführt.In Figure 4 is an injector with an inwardly opening injection nozzle shown. Again, the detail is below Fluid pressure standing chamber 13 shown against the actuator space 14 should be hermetically sealed. The metal bellows 17 is pressurized. In this case, the actuator will represented by an electromagnet 21. The storage of the Electromagnet 21 also happens according to FIG. 1 through a base plate 11, the electrical leads 18 are led to the outside. Weldings 20 happen also preferably by laser processing. The Valve needle 3 is in turn in Figure 4 with its second end 23 Part of the shown in connection with the housing Valves and with their first end 22 in turn formed that the coil 21 a stroke movement on the Valve needle 3 can transmit. In this case, the Compression force of the compression spring 5, the electromagnet 21, the valve needle 3 Pull up to open the valve and pull it out Deactivating the electromagnet 21, the valve needle 3 again in its closed position supported by the compression spring 5 drop behind. By an injection process from the Chamber 13 escaping fluid is via the line bore 7th fed again under pressure.

Claims (19)

Fluiddosiervorrichtung für ein unter Druck stehendes Fluid bestehend aus: einer in einem Gehäuse (1) befindlichen Kammer (13), die das druckbeaufschlagte Fluid enthält, einer durch die Kammer (13) hindurchgeführten Ventilnadel (3), deren erstes Ende (22) außerhalb der Kammer (13) mit einem Hub beaufschlagbar ist und deren zweites Ende (23) mit einem am Gehäuse (1) positionierten Ventilsitz (2) ein mit der Kammer (13) in Verbindung stehendes Ventil bildet und einem Metallbalg (17) als Durchführungselement für das erste Ende (22) der Ventilnadel (3) von der Kammer (13) nach außen, wobei der Außendruck kleiner ist, als der Kammerinnendruck und die Kammer (13) hermetisch dicht abgeschlossen ist. Fluid metering device for a pressurized fluid consisting of: a chamber (13) in a housing (1) which contains the pressurized fluid, a valve needle (3) passed through the chamber (13), the first end (22) of which can be acted upon by a stroke outside the chamber (13) and the second end (23) of which has a valve seat (2) positioned on the housing (1) forms a valve connected to the chamber (13) and a metal bellows (17) as a lead-through element for the first end (22) of the valve needle (3) from the chamber (13) to the outside, the external pressure being lower than the internal chamber pressure and the chamber (13) being hermetically sealed. Fluiddosiervorrichtung nach Anspruch 1, wobei durch Verbindung des Metallbalges (17) mit der Ventilnadel (3) einerseits und andererseits mit dem Gehäuse (1) die Ventilnadel (3) in ihrer radialen Winkelstellung fixiert ist.A fluid metering device according to claim 1, wherein by connection of the metal bellows (17) with the valve needle (3) on the one hand and on the other hand with the housing (1) the valve needle (3) is fixed in its radial angular position. Fluiddosiervorrichtung nach Anspruch 1, wobei zusätzlich eine Druckfeder (5) zwischen Gehäuse (1) und Ventilnadel (3) zur Aufbringung einer vorgebbaren Schließkraft vorgesehen ist.Fluid metering device according to claim 1, wherein additionally a compression spring (5) between the housing (1) and valve needle (3) provided for the application of a predefinable closing force is. Fluiddosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Metallbalg (17) zylindrisch ausgebildet ist.Fluid metering device according to one of the preceding claims, the metal bellows (17) being cylindrical is. Fluiddosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ventilnadel (3) oder eine Außenhülse eine Führung für den Metallbalg (17) darstellen. Fluid metering device according to one of the preceding claims, wherein the valve needle (3) or an outer sleeve represent a guide for the metal bellows (17). Fluiddosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Metallbalg (17) innen- oder außendruckbeaufschlagt ist.Fluid metering device according to one of the preceding claims, the metal bellows (17) being pressurized internally or externally is. Fluiddosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Metallbalg eine Wandstärke von 25 bis 500 µm aufweist.Fluid metering device according to one of the preceding claims, the metal bellows has a wall thickness of 25 to 500 µm. Fluiddosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Metallbalg (17) im Längsschnitt aus aneinandergefügten Halbkreissegmenten dargestellt ist.Fluid metering device according to one of the preceding claims, the metal bellows (17) in longitudinal section from joined together Semicircle segments is shown. Fluiddosiervorrichtung nach Anspruch 8, wobei zwischen den Halbkreissegmenten jeweils gerade Teilstücke vorhanden sind.Fluid metering device according to claim 8, wherein between the Semi-circular segments each have straight sections are. Fluiddosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Metallbalg (17) durch Schweißnähte (20) direkt oder mittelbar mit dem Gehäuse (1) einerseits und andererseits mit dem ersten Ende (22) der Ventilnadel (3) verbunden ist.Fluid metering device according to one of the preceding claims, the metal bellows (17) being welded (20) directly or indirectly with the housing (1) on the one hand and on the other hand with the first end (22) of the valve needle (3) connected is. Fluiddosiervorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Schweißnähte Laserschweißnähte sind.The fluid metering device of claim 10, wherein the Welds are laser welds. Fluiddosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem ersten Ende (22) der Ventilnadel (3) und dem Metallbalg (17) eine Stirnplatte (19) vorgesehen ist.Fluid metering device according to one of the preceding claims, being between the first end (22) of the valve needle (3) and the metal bellows (17) an end plate (19) is provided is. Fluiddosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei der Durchmesser des Metallbalges (17) in Verbindung mit dem Durchmesser der Stirnplatte (19) derart ausgelegt ist, dass druckwirksame Kräfte an der Ventilnadel (3) insgesamt kompensiert sind oder am Ventil eine mit dem Druck proportional steigende Schließkraft anliegt. Fluid metering device according to one of claims 11 or 12, the diameter of the metal bellows (17) being connected designed with the diameter of the end plate (19) is that pressure-acting forces on the valve needle (3) are compensated overall or one with the valve Pressure proportional increasing closing force is present. Fluiddosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kraftstoffdruck (PFUEL) 1 bis 500 bar beträgt.Fluid metering device according to one of the preceding claims, where the fuel pressure (PFUEL) 1 to 500 bar is. Fluiddosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Einsatz mit nach innen oder nach außen öffnenden Injektoren.Fluid metering device according to one of the preceding claims for use with inward or outward opening Injectors. Fluiddosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Ende (22) der Ventilnadel (3) durch einen mit dem Gehäuse (1) fest verbundenen Aktor (8) hubbeaufschlagbar ist.Fluid metering device according to one of the preceding claims, the first end (22) of the valve needle (3) by an actuator (8) firmly connected to the housing (1) stroke can be applied. Fluiddosiervorrichtung nach Anspruch 16, wobei der Aktor (8) ein Piezoaktor ist, der vorgespannt in einer Rohrfeder (9) durch einen Spalt (12) vorgegebener Breite im Ruhezustand von dem ersten Ende (22) der Ventilnadel (3) beabstandet ist.Fluid metering device according to claim 16, wherein the actuator (8) is a piezo actuator that is preloaded in a Bourdon tube (9) by a gap (12) of predetermined width in the idle state is spaced from the first end (22) of the valve needle (3). Fluiddosiervorrichtung nach Anspruch 16, wobei der Aktor (8) ein Elektromagnet ist.Fluid metering device according to claim 16, wherein the actuator (8) is an electromagnet. Fluiddosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hub der Ventilnadel durch Anschläge definiert begrenzt ist.Fluid metering device according to one of the preceding claims, the stroke of the valve needle defined by stops is limited.
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