DE10003892A1 - Piezoelectric micro valve, especially for combustion engine fuel injection, has mechanical lever element causing displacement conversion between actuation element and valve needle - Google Patents

Piezoelectric micro valve, especially for combustion engine fuel injection, has mechanical lever element causing displacement conversion between actuation element and valve needle

Info

Publication number
DE10003892A1
DE10003892A1 DE2000103892 DE10003892A DE10003892A1 DE 10003892 A1 DE10003892 A1 DE 10003892A1 DE 2000103892 DE2000103892 DE 2000103892 DE 10003892 A DE10003892 A DE 10003892A DE 10003892 A1 DE10003892 A1 DE 10003892A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
valve needle
piezo actuator
lever element
lever
valve
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE2000103892
Other languages
German (de)
Other versions
DE10003892C2 (en
Inventor
Claus Anzinger
Attila Bokodi
Gerhard Kroetz
Wolfgang Legner
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.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Priority to DE2000103892 priority Critical patent/DE10003892C2/en
Publication of DE10003892A1 publication Critical patent/DE10003892A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE10003892C2 publication Critical patent/DE10003892C2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K99/0001Microvalves
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15CFLUID-CIRCUIT ELEMENTS PREDOMINANTLY USED FOR COMPUTING OR CONTROL PURPOSES
    • F15C5/00Manufacture of fluid circuit elements; Manufacture of assemblages of such elements integrated circuits
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/004Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by piezoelectric means
    • F16K31/007Piezo-electric stacks
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K99/0001Microvalves
    • F16K99/0003Constructional types of microvalves; Details of the cutting-off member
    • F16K99/0005Lift valves
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K99/0001Microvalves
    • F16K99/0034Operating means specially adapted for microvalves
    • F16K99/0042Electric operating means therefor
    • F16K99/0048Electric operating means therefor using piezoelectric means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K2099/0073Fabrication methods specifically adapted for microvalves
    • F16K2099/008Multi-layer fabrications
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K2099/0082Microvalves adapted for a particular use
    • F16K2099/0096Fuel injection devices
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K99/0001Microvalves
    • F16K99/0034Operating means specially adapted for microvalves

Abstract

The micro valve has a valve needle (20) movably mounted for opening and closing a valve opening, a piezo-actuator (30) for driving the valve needle and an actuation element (40) that transfers movement caused by the piezo-actuator to the valve needle. A mechanical lever element (50) couples the actuation element to the valve needle so that a displacement conversion occurs between the actuation element and valve needle. Independent claims are also included for the following: an injection method and a lever element for force transfer between an actuator and a displaceable element.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Mikroventil, insbesondere zur Kraftstoffeinspritzung bei Verbrennungsmotoren, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, sowie ein Einspritzverfahren, das insbesondere für Verbrennungsmotoren geeignet ist, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 14. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Hebelelement gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 17.The present invention relates to a piezoelectric microvalve, in particular for Fuel injection in internal combustion engines, according to the preamble of Claim 1, and an injection method, in particular for Internal combustion engines is suitable, according to the preamble of claim 14. Furthermore, the invention relates to a lever element according to the preamble of Claim 17.

Mikroventile werden allgemein benötigt, um definierte Mengen von Flüssigkeiten abzugeben oder weiteren Einrichtungen zuzuführen. Beispielsweise werden Brennkraftmaschinen bzw. Verbrennungmotoren mit Kraftstoffeinspritzanlagen betrieben, wobei der Kraftstoff durch Mikroventile in einen Brennraum eingespritzt wird.Microvalves are generally required to hold defined amounts of liquids to deliver or to other institutions. For example Internal combustion engines or internal combustion engines operated with fuel injection systems, the fuel being injected into a combustion chamber through micro valves.

In der DE 197 02 066 C2 ist ein piezoelektrischer Injektor für Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen gezeigt, bei dem ein Piezo-Aktuator über einen Druckstift ein Ventil öffnet, so daß Kraftstoff im ausgedehnten Zustand des Piezo-Aktuators aus dem Vektor austreten bzw. in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Durch eine vorgespannte Druckfeder wird der Piezo-Aktuator zusammengedrückt, wenn er sich im nicht geladenen Zustand befindet.DE 197 02 066 C2 describes a piezoelectric injector for fuel injection systems shown by internal combustion engines, in which a piezo actuator via a pressure pin Valve opens so that fuel in the expanded state of the piezo actuator from the Escape vector or be injected into the combustion chamber of an internal combustion engine can. The piezo actuator is compressed by a prestressed compression spring, if it is not loaded.

Obwohl Piezo-Injektoren gegenüber elektromagnetischen Injektoren gewisse Vorteile aufweisen, wie z. B. höhere Schnelligkeit, geringerer Bauraum bzw. Injektordurchmesser und höhere Schließkraft, haben sie dennoch erhebliche Nachteile. Ein Problem liegt z. B. in der relativ geringen Ausdehnung von Piezoelementen, die im allgemeinen bei ca. 1‰ liegt. Um eine Bewegung einer Ventilnadel von ca. 100 µm zu realisieren braucht man daher einen mindestens 10 cm langen Piezostack bzw. Stapel von Piezoelementen. Daraus ergibt sich eine große Länge des Piezo-Injektors, was ihn unhandlich macht und die Designfreiheit erheblich einschränkt. Weiterhin ergeben sich sehr hohe Kosten, da die Piezostacks derzeit die den Preis bestimmenden Bauteile von Piezo-Injektoren sind. Although piezo injectors have certain advantages over electromagnetic injectors have such. B. higher speed, less space or injector diameter and higher closing force, they still have considerable disadvantages. One problem is e.g. B. in the relatively small expansion of piezo elements, which is generally around 1 ‰. In order to realize a movement of a valve needle of approx. 100 µm one needs an at least 10 cm long piezo stack or stack of piezo elements. It follows a large length of the piezo injector, which makes it unwieldy and the Freedom of design considerably restricted. Furthermore, there are very high costs because the Piezostacks are currently the price-determining components of piezo injectors.  

Ein weiteres Problem liegt in der hohen Vorspannkraft, die notwendig ist, um derartig lange Piezostacks zusammenzudrücken. Dies erfordert Federn mit großer Rückstellkraft bzw. hoher Federkonstante, was wiederum einen erhöhten Bauraum erfordert.Another problem lies in the high preload that is necessary in order to do so long piezo stacks. This requires springs with a large restoring force or high spring constant, which in turn requires an increased installation space.

Ein zusätzliches Problem besteht darin, daß der Piezo-Aktuator im Betrieb Wärme erzeugt, die zu einer thermischen Ausdehnung des Einspritzventils bzw. einzelner Komponenten davon führt, und die mit zunehmender Länge des Piezo-Aktuators ebenfalls zunimmt. Zu hohe Belastungen durch thermische Ausdehnungen können dazu führen, daß die Präzision des Ventilhubs beeinträchtigt wird bzw. Funktionsstörungen auftreten.An additional problem is that the piezo actuator generates heat during operation, the thermal expansion of the injection valve or individual components leads, and which also increases with increasing length of the piezo actuator. To High loads from thermal expansion can cause precision valve lift is impaired or malfunctions occur.

Werden andererseits jedoch sehr kleine Piezo-Aktuatoren in derartigen Mikroventilen verwendet, so ergibt sich eine zu geringe Bewegung der Ventilnadel und darüber hinaus eine zu geringe Schließkraft bzw. Öffnungskraft des Ventils. Eine mögliche Lösung, die in der Integration mehrere Ventile in einem Injektor besteht, ist zu teuer und erfordert zu viel Bauraum.On the other hand, however, very small piezo actuators become in such micro valves used, there is too little movement of the valve needle and beyond insufficient closing force or opening force of the valve. A possible solution that in Integrating multiple valves into one injector is too expensive and requires too much Installation space.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein piezoelektrisches Mikroventil zu schaffen, das insbesondere zur Kraftstoffeinspritzung bei Verbrennungsmotoren geeignet ist, wobei jedoch der Piezo-Aktuator eine reduzierte Baugröße aufweist ohne die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Flüssigkeitsabgabe bzw. Kraftstoffeinspritzung zu beeinträchtigen. Weiterhin soll ein Einspritzverfahren angegeben werden, das insbesondere für Verbrennungsmotoren geeignet ist, und mit dem eine zuverlässige und genaue Einspritzung mit einem Piezo-Aktuator geringer Baugröße bzw. Baulänge erfolgen kann.It is therefore the object of the present invention to provide a piezoelectric microvalve create that particularly suitable for fuel injection in internal combustion engines is, however, the piezo actuator has a reduced size without the Reliability and accuracy of liquid delivery or fuel injection affect. Furthermore, an injection method is to be specified that is particularly suitable for internal combustion engines, and with which a reliable and precise injection with a piezo actuator of small size or length can.

Diese Aufgabe wird durch das piezoelektrische Mikroventil gemäß Patentanspruch 1, durch das Einspritzverfahren gemäß Patentanspruch 14, und durch das Hebelelement gemäß Patentanspruch 17 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Vorteile und Merkmale, die sich aus der Beschreibung der Vorrichtung ergeben, gelten auch für das Verfahren und ebenso gelten Vorteile und Merkmale, die sich aus der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben, auch für die Vorrichtung.This object is achieved by the piezoelectric microvalve according to claim 1, by the injection method according to claim 14, and by the lever element solved according to claim 17. Other advantageous features, aspects and details of Invention result from the dependent claims, the description and the Drawings. Advantages and features arising from the description of the device result, also apply to the method and likewise apply advantages and features that differ  result from the description of the method according to the invention, also for the Contraption.

Das piezoelektrische Mikroventil gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere zur Kraftstoffeinspritzung bei Verbrennungsmotoren geeignet und umfaßt eine Ventilnadel, die verschiebbar gelagert ist, zum Öffnen und Schließen einer Ventilöffnung, einen Piezo- Aktuator, zum Antrieb der Ventilnadel, und ein Stellelement, das einen durch den Piezo- Aktuator verursachten Hub auf die Ventilnadel überträgt, wobei das piezoelektrische Mikroventil weiterhin ein mechanisches Hebelelement aufweist, welches das Stellelement an die Ventilnadel koppelt, so daß eine Hubübersetzung zwischen dem Stellelement und der Ventilnadel erfolgt.The piezoelectric microvalve according to the present invention is particularly for Suitable for fuel injection in internal combustion engines and includes a valve needle is slidably mounted, for opening and closing a valve opening, a piezo Actuator, for driving the valve needle, and an actuator that one through the piezo Actuator causes the stroke transmitted to the valve needle, the piezoelectric Microvalve further has a mechanical lever element, which is the actuating element couples to the valve needle, so that a stroke ratio between the actuator and the valve needle takes place.

Durch diese Lösung wird erreicht, daß ein Piezo-Injektor mit sehr kleinen Abmessungen realisierbar ist, wobei insbesondere der Piezo-Aktuator eine sehr geringe Länge aufweist. Trotz dieser reduzierten Länge erreicht die Ventilnadel einen ausreichend großen Hub, der einen zuverlässigen und genauen Betrieb des Kraftstoff-Injektors gewährleistet. Hinzu kommt, daß die vom Piezo-Aktuator erzeugte Wärme aufgrund seiner geringeren Baugröße reduziert ist. Dadurch ergibt sich auch eine erhöhte Zuverlässigkeit und Genauigkeit aufgrund der verringerten thermischen Probleme. Weiterhin führt die erfindungsgemäße Bauweise zu erheblich reduzierten Kosten, da die Piezostacks bzw. Stapel von Piezoelementen sehr viel kürzer als bisher ausgestaltet werden können.This solution ensures that a piezo injector with very small dimensions can be realized, in particular the piezo actuator having a very short length. Despite this reduced length, the valve needle achieves a sufficiently large stroke that ensures reliable and accurate operation of the fuel injector. in addition comes that the heat generated by the piezo actuator due to its smaller size is reduced. This also results in increased reliability and accuracy due to the reduced thermal problems. Furthermore, the invention Construction at significantly reduced costs, since the piezostacks or stacks of Piezo elements can be designed much shorter than before.

Bevorzugt ist das Hebelelement eine flächig ausgestaltete, elastische Feder. Dadurch wird auf besonders kleinem Bauraum eine sehr wirksame Hubübersetzung erreicht. Hinzu kommt, daß die Rückstellkraft der Feder z. B. in Schließrichtung des Ventils gerichtet ist und darüber hinaus sogar noch zur Rückstellung des Piezo-Aktuators in seinen zusammengedrückten Zustand beitragen kann.The lever element is preferably a flat, elastic spring. This will achieves a very effective stroke ratio in a particularly small installation space. in addition comes that the restoring force of the spring z. B. is directed in the closing direction of the valve and even to reset the piezo actuator in its compressed state can contribute.

Vorteilhafterweise ist das Hebelelement scheibenförmig ausgestaltet, wobei sich z. B. mehrere Schlitze in radialer Richtung erstrecken, um Segmente zu bilden, die als Hebelarme wirken. Dadurch erhält man eine gleichmäßige Kraftübertragung vom Piezo- Aktuator auf die Ventilnadel über eine Vielzahl von Hebeln, die besonders raumsparend angeordnet sind. D. h., es wird eine einzige Scheibe benötigt, die z. B. als elastische Feder wirkt und durch eine Vielzahl von Hebeln, die sich radial von außen nach innen erstrecken, charakterisiert ist. Insgesamt ergibt sich daher auf kleinstem Raum eine sehr gleichmäßige und zuverlässige Kraftübertragung bei der Hubübersetzung.Advantageously, the lever element is disc-shaped, z. B. extend a plurality of slots in the radial direction to form segments which are called Lever arms work. This gives a uniform power transmission from the piezo Actuator on the valve needle via a variety of levers that are particularly space-saving  are arranged. That is, a single disk is required, which e.g. B. as an elastic spring acts and through a variety of levers that extend radially from the outside inwards, is characterized. Overall, this results in a very uniform space in the smallest space and reliable power transmission in stroke translation.

Beispielsweise ist ein Hebelarm zwischen der Ventilnadel und dem Betätigungspunkt des Hebelelements größer als ein Hebelarm zwischen einer Fixierung des Hebelelements und dem Betätigungspunkt des Hebelelements. Vorteilhafterweise liegt ein Betätigungspunkt des Hebelelements radial weiter außen als die Ventilnadel. Dabei ist eine Hubübersetzung um den Faktor 2,5 bis 3 oder noch höher möglich, d. h. der Ventilnadelhub ist wesentlich größer als die Ausdehnung des Piezo-Aktuators und kann z. B. 180 µm betragen.For example, a lever arm between the valve needle and the actuation point of the Lever element larger than a lever arm between a fixation of the lever element and the operating point of the lever element. An actuation point is advantageously located of the lever element radially further outward than the valve needle. There is a stroke ratio possible by a factor of 2.5 to 3 or even higher, d. H. the valve needle stroke is essential larger than the expansion of the piezo actuator and can e.g. B. be 180 microns.

Bevorzugt umfaßt das piezoelektrische Mikroventil ein strahlformendes Element, das z. B. einen Drall in der eingespritzten Flüssigkeit bzw. im eingespritzten Kraftstoff erzeugt. Beispielsweise ist das strahlformende Element eine Swirlplate, die in einer besonders bevorzugten Ausführungsform gleichzeitig als Ventilnadelführung dient. Die Swirlplate bzw. Drall- oder Verwirbelungsplatte bewirkt eine gute Zerstäubung der eingespritzten Flüssigkeit bzw. des Kraftstoffs durch eine Rotation des Kraftstoffs beim Austritt aus dem Mikroventil. Dadurch, daß die Swirlplate zugleich auch die Ventilnadelführung ist, wird weiterhin Bauraum gespart, was zur Reduzierung der Größe des Mikroventils noch zusätzlich beiträgt.Preferably, the piezoelectric microvalve comprises a beam-shaping element which, for. B. creates a swirl in the injected liquid or fuel. For example, the beam-shaping element is a swirl plate that is in a special preferred embodiment also serves as a valve needle guide. The swirl plate or Swirl or swirl plate causes good atomization of the injected Liquid or fuel due to a rotation of the fuel as it emerges from the Microvalve. Because the swirl plate is also the valve needle guide continue to save installation space, which still reduces the size of the microvalve additionally contributes.

Vorteilhafterweise erfolgt die Kraftübertragung zwischen dem Stellelement und dem Hebelelement durch einen oder mehrere Ringe. Bevorzugt ist das Hebelelement am Stellelement durch ein oder mehrere Andruckklammern befestigt. Dadurch wird die Kraft zwischen dem Hebelelement und dem Stellelement gleichmäßig übertragen, da sie entsprechend der Ringform kreisförmig erfolgt um beispielsweise auf das Hebelelement einzuwirken. Somit kann eine Vielzahl von Hebeln, die radial angeordnet sind, gleichmäßig durch das Stellelement betätigt werden. Durch die Andruckklammern ist es möglich, auf sehr kleinem Raum eine Kraftübertragung zwischen Hebelelement und Stellelement in zwei entgegengesetzten Richtungen zu erreichen. Dabei können die Andruckklammern z. B. durch Öffnungen im Hebelelement durchgreifen und in Eingriff mit einem hinter dem Hebelelement befindlichen Ring stehen, so daß eine Zugkraft auf die Andruckklammer über den Ring von der Andruckklammer auf das Hebelelement übertragen wird, beispielsweise um das Ventil zu schließen.The power transmission between the control element and the Lever element through one or more rings. The lever element is preferably on Adjusting element fastened by one or more pressure clamps. This creates the strength evenly transmitted between the lever element and the actuating element, since they according to the ring shape is circular, for example, on the lever element act. Thus, a plurality of levers that are arranged radially can be smooth be actuated by the control element. With the pressure clips it is possible to very small space a power transmission between the lever element and actuator in to reach two opposite directions. The pressure clamps z. B. reach through openings in the lever element and engage with one behind the  Lever element located ring, so that a tensile force on the pressure clip is transmitted via the ring from the pressure clip to the lever element, for example to close the valve.

Vorteilhafterweise hat die Ventilnadel z. B. an ihrem Umfang eine ringförmige Nut, in die das Hebelelement eingreift. Somit kann mit einem relativ geringen konstruktiven Aufwand und geringem Platzbedarf eine wirksame Kraftübertragung zwischen Hebelelement und Ventilnadel erfolgen.Advantageously, the valve needle z. B. on its circumference an annular groove in the the lever element engages. Thus, with a relatively low design effort and small space required an effective power transmission between the lever element and Valve needle.

Bevorzugt ist der Piezo-Aktuator zumindest teilweise hydrostatisch vorgespannt. Dabei wirkt z. B. ein hydrostatischer Druck auf das Piezoelement bzw. den Piezo-Aktuator, um ihn zu stauchen. Dadurch wird die Vorspannung des Piezo-Aktuators durch Federn reduziert, was gleichzeitig einen Gewinn beim Hub der Ventilnadeln bedeutet. Im Gegensatz zu einer Federspannung wird nämlich bei einer hydrostatischen Vorspannung des Piezo-Aktuators unabhängig vom Weg im wesentlichen die gleiche Gegenkraft benötigt, um die Vorspannung zu überwinden. Die hydrostatische Vorspannung kann z. B. durch die Flüssigkeit oder den Kraftstoff im Mikroventil erfolgen, der eingespritzt werden soll. Es wird also vorteilhafterweise der Kraftstoffdruck zur Stauchung des Piezo-Aktuators verwendet.The piezo actuator is preferably at least partially biased hydrostatically. there acts z. B. a hydrostatic pressure on the piezo element or the piezo actuator to him to crush. This reduces the preload of the piezo actuator by means of springs, which at the same time means a profit in the stroke of the valve needles. In contrast to one This is because spring tension occurs when the piezo actuator is preloaded hydrostatically regardless of the path essentially the same counterforce is needed to get the To overcome bias. The hydrostatic bias can, for. B. by the Liquid or fuel in the microvalve to be injected. It is therefore advantageously the fuel pressure for upsetting the piezo actuator used.

Bevorzugt wirkt auf die Ventilnadel eine hydraulische Kraft in Schließrichtung. Dabei kann z. B. der Piezo-Aktuator und die Ventilnadel durch Druck in einer Flüssigkeit beaufschlagt sein, wobei eine Fläche zur Druckbeaufschlagung des Piezo-Aktuators größer ist als eine Fläche zur Druckbeaufschlagung der Venilnadel. Die Flüssigkeit ist vorteihafterweise der einzuspritzende Kraftstoff. Beispielsweise wirkt der Flüssigkeitsdruck öffnend auf die Ventilnadel über eine relativ kleine Fläche, jedoch in Stauchrichtung des Piezo-Aktuators auf eine relativ große Fläche, so daß die Ventilnadel durch den gestauchten Piezo-Aktuator in ihrem Sitz gehalten wird. Durch diese Verteilung der hydraulischen Kräfte bzw. durch das hydraulische Gleichgewicht kann die mechanische Vorspannung des Piezo-Stapels bzw. des Piezo-Aktuators mit Federn oder Tellerfedern gering gehalten werden. Damit wird auch der Hub der Ventilnadel vergrößert, da eine hohe mechanische Vorspannung des Piezo-Aktuators mit Tellerfedern zu erheblichen Verlusten beim Hub führen würde. A hydraulic force in the closing direction preferably acts on the valve needle. It can e.g. B. the piezo actuator and the valve needle by pressure in a liquid be, wherein an area for pressurizing the piezo actuator is larger than one Area to pressurize the Venil needle. The liquid is advantageously the fuel to be injected. For example, the liquid pressure has an opening effect on the Valve needle over a relatively small area, but in the compression direction of the piezo actuator on a relatively large area, so that the valve needle through the compressed piezo actuator is held in their seat. By this distribution of the hydraulic forces or by The hydraulic balance can be the mechanical preload of the piezo stack or the piezo actuator with springs or disc springs can be kept low. So that will the stroke of the valve needle also increases because of a high mechanical preload of the Piezo actuators with disc springs would lead to considerable losses during the stroke.  

Vorteilhafterweise hat das piezoelektrische Mikroventil einen Zufuhrkanal für die einzuspritzende Flüssigkeit, der an den Piezo-Aktuator thermisch gekoppelt ist, um Wärme vom Piezo-Aktuator zur Flüssigkeit zu übertragen. Dadurch wird eine Kühlung des Piezo- Aktuators beispielsweise durch vorbeifließenden Kraftstoff erreicht. Durch die thermische Ankopplung des Piezo-Aktuators an den Kraftstoff werden einerseits die thermischen Probleme noch weiter reduziert, andererseits wird der Kraftstoff vorgewärmt, was zu einer effektiveren Verbrennung führt. Der Zufuhrkanal des Kraftstoffs kann z. B. in Form einer Hülle ausgestaltet sein, die den Piezo-Aktuator umgibt.The piezoelectric microvalve advantageously has a supply channel for the liquid to be injected, which is thermally coupled to the piezo actuator for heat transfer from the piezo actuator to the liquid. This will cool the piezo Actuator reached for example by fuel flowing past. Due to the thermal Coupling the piezo actuator to the fuel is the thermal one Problems are further reduced, on the other hand, the fuel is preheated, resulting in a leads to more effective combustion. The supply channel of the fuel can e.g. B. in the form of a Be designed envelope that surrounds the piezo actuator.

Das erfindungsgemäße Einspritzverfahren ist insbesondere für Verbrennungsmotoren geeignet. Bei dem Verfahren wird eine Ventilnadel durch einen Piezo-Aktuator angetrieben um einen Einspritzvorgang durchzuführen, wobei bei einer Ausdehnung und/oder Kontraktion des Piezo-Aktuators eine Hubübersetzung erfolgt, während der Hub des Piezo- Aktuators auf die Ventilnadel übertragen wird. Dadurch kann bei kleinen Abmessungen des Piezo-Aktuators und einer entsprechenden Vorrichtung eine wirksame und zuverlässige Einspritzung erfolgen, wobei dennoch eine ausreichende Bewegung der Ventilnadel bei Betätigung durch einen in seiner Länge reduzierten Aktuator erzielt werden kann.The injection method according to the invention is in particular for internal combustion engines suitable. In the method, a valve needle is driven by a piezo actuator to carry out an injection process, with an expansion and / or Contraction of the piezo actuator a stroke translation takes place while the stroke of the piezo Actuator is transferred to the valve needle. This allows small dimensions the piezo actuator and a corresponding device an effective and reliable injection take place, with sufficient movement of the Valve needle can be achieved when actuated by an actuator reduced in length can.

Vorteilhafterweise wird der Piezo-Aktuator durch die einzuspritzende Flüssigkeit gekühlt, was die Zuverlässigkeit noch weiter erhöht.The piezo actuator is advantageously cooled by the liquid to be injected, which further increases reliability.

Bevorzugt ist die Ventilnadel und/oder der Piezo-Aktuator zur Vorspannung mit dem Druck einer Flüssigkeit beauftragt, die z. B. die einzuspritzende Flüssigkeit bzw. einzuspritzender Kraftstoff ist. Dadurch wird eine ansonsten erforderliche Vorspannung durch Tellerfedern reduziert und eine höhere Schließkraft erreicht. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Hebelelement zur Kraftübertragung zwischen einem Aktuator und einem verschiebbaren Element geschaffen, das insbesondere zur Betätigung eines Piezo- Injektors geeignet ist, wobei das Hebelelement scheibenförmig ausgestaltet ist, und wobei radial verlaufende Schlitze das Hebelelement in eine Vielzahl von Segmenten unterteilt, die Hebelarme bilden. The valve needle and / or the piezo actuator is preferred for prestressing with the pressure charged with a liquid, the z. B. the liquid to be injected or injected Is fuel. This creates an otherwise required pre-tension by disc springs reduced and a higher closing force achieved. According to another aspect of Invention is a lever element for power transmission between an actuator and displaceable element created, in particular for actuating a piezo Is suitable injector, wherein the lever element is disc-shaped, and wherein radially extending slots divided the lever element into a plurality of segments Form lever arms.  

Dadurch kann auf besonders kleinem Bauraum eine wirksame Hubübersetzung erfolgen. Kräfte und Bewegungen werden schnell und mit hoher Genauigkeit übertragen, so daß das Hebelelement besonders zum Einsatz in einem piezoelektrischen Mikroventil geeignet ist.As a result, an effective stroke transmission can take place in a particularly small installation space. Forces and movements are transmitted quickly and with high accuracy, so that Lever element is particularly suitable for use in a piezoelectric microvalve.

Bevorzugt erstrecken sich die Schlitze jeweils von einer im Zentrum des Hebelelements gelegenen Öffnung zu radial weiter außen gelegenen Öffnungen bzw. durchgehenden Löchern, wobei z. B. eine Vielzahl der radial weiter außen gelegenen Öffnungen kreisförmig um das Zentrum angeordnet ist.The slots preferably each extend from one in the center of the lever element located opening to radially further outward openings or continuous Holes, z. B. circular a plurality of the radially outer openings is located around the center.

Die kreisförmig angeordneten bzw. radial außen gelegenen Öffnungen können rund oder oval geformt sein, wobei zwischen den Öffnungen gelegene Teilbereiche des Hebelelements z. B. elastisch verbiegbar sind, um Segmente auszulenken, die sich daran anschließen.The circularly arranged or radially outer openings can be round or be oval in shape, with partial areas of the Lever element z. B. are resiliently bendable to deflect segments that are attached to it connect.

Durch die besonderen Merkmale der Bauweise des Hebelelements wird die Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Schnelligkeit der Hubübersetzung noch verbessert.Due to the special features of the construction of the lever element, the accuracy, Reliability and speed of the stroke ratio improved.

Das Hebelelement ist bevorzugt in einem erfindungsgemäßen piezoelektrischem Mikroventil angeordnet, und es wird vorteilhaft in einem erfindungsgemäßen Einspritzverfahren verwendet.The lever element is preferably in a piezoelectric according to the invention Micro valve arranged, and it is advantageous in an inventive Injection method used.

Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielhaft anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:A preferred embodiment of the invention is described below by way of example with reference to Figures described. Show it:

Fig. 1 einen Längsschnitt in schematischer Darstellung durch ein Mikroventil, das eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist; Fig. 1 a longitudinal section in a schematic representation of a microvalve, which is a preferred embodiment of the invention;

Fig. 2 eine Ansicht eines Hebelelements, wie es in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird; und Fig. 2 is a view of a lever element as used in the preferred embodiment of the invention; and

Fig. 3 eine schematische perspektivische Darstellung in einer teilweisen Explosionsansicht, um den inneren Aufbau des Mikroventils zu verdeutlichen. Fig. 3 is a schematic perspective view in a partial exploded view to illustrate the internal structure of the microvalve.

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Mikroventil 10 als bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Mikroventil 10 hat einen Ventilnadel 20 mit einem Ventilnadelkopf 21, der eine Ventilöffnung 22 verschließt. Die Ventilnadel 21 ist in ihrer Längsrichtung beweglich gelagert, so daß sich bei ihrer Bewegung nach außen die Ventilöffnung 22 öffnet. Ein Piezo-Aktuator 30 dient zum Antrieb der Ventilnadel, wobei ein Stellelement 40 zwischen dem Piezo-Aktuator 30 und der Ventilnadel 20 angeordnet ist, um einen durch den Piezo-Aktuator 30 verursachten Hub auf die Ventilnadel 20 zu übertragen. Zwischen dem Stellelement 40 und der Ventilnadel 20 ist ein mechanisches Hebelelement 50 angeordnet, welches das Stellelement 40 an die Ventilnadel 20 koppelt.In Fig. 1 is a longitudinal section through an inventive micro valve 10 as a preferred embodiment of the invention. The microvalve 10 has a valve needle 20 with a valve needle head 21 which closes a valve opening 22 . The valve needle 21 is movably mounted in its longitudinal direction, so that the valve opening 22 opens when it moves outwards. A piezo actuator 30 is used to drive the valve needle, an actuating element 40 being arranged between the piezo actuator 30 and the valve needle 20 in order to transmit a stroke caused by the piezo actuator 30 to the valve needle 20 . A mechanical lever element 50 is arranged between the control element 40 and the valve needle 20 , which couples the control element 40 to the valve needle 20 .

Durch das Hebelelement 50 wird eine Hubübersetzung zwischen dem Stellelement 40 und der Ventilnadel 20 verursacht. Beispielsweise bewirkt eine Ausdehnung des Piezo- Aktuators 30, daß sich das Stellelement 40 nach vorne bzw. in Richtung der Ventilöffnung 22 bewegt und dabei das Hebelelement 50 betätigt, was eine im Vergleich zur Ausdehnung des Piezo-Aktuators 30 sehr große Auslenkung an seinem mit der Ventilnadel 20 befestigten Ende erfährt.A lever transmission between the actuating element 40 and the valve needle 20 is caused by the lever element 50 . For example, an expansion of the piezo actuator 30 causes the actuating element 40 to move forward or in the direction of the valve opening 22 and thereby actuate the lever element 50 , which is a very large deflection in comparison with the expansion of the piezo actuator 30 with its Valve needle 20 experienced end.

Ein strahlformendes Element 23 bildet die Führung für die Ventilnadel 20, so daß sie sich in Richtung der Längsachse des Mikroventils bzw. in Richtung ihrer eigenen Längsachse hin- und herbewegen kann. Das strahlformende Element 23 ist eine Swirlplate bzw. ein Drallerzeuger, der den Kraftstoff beim Austritt aus der Ventilöffnung 22 in Rotation versetzt und eine besonders gute Zerstäubung des Kraftstoffs bewirkt. Das strahlformende Element 23 bzw. der Swirler ist in die Nadelführung integriert bzw. selbst Teil der Nadelführung, so daß der Platzbedarf reduziert ist. Die Swirlplate ist scheibenförmig bzw. kreisförmig ausgestaltet und hat in ihrer Mitte eine durchgehende, kreisförmige Öffnung, durch die sich die Ventilnadel 11 erstreckt.A jet-forming element 23 forms the guide for the valve needle 20 , so that it can move back and forth in the direction of the longitudinal axis of the microvalve or in the direction of its own longitudinal axis. The jet-forming element 23 is a swirl plate or swirl generator, which sets the fuel in rotation upon exiting the valve opening 22 and causes particularly good atomization of the fuel. The beam-shaping element 23 or the Swirler is integrated in the needle guide or itself part of the needle guide, so that the space requirement is reduced. The swirl plate has a disk-shaped or circular design and has a continuous, circular opening in its center through which the valve needle 11 extends.

Die Ventilnadel 11 hat an ihrem innen gelegenen Ende eine Nut 24 bzw. eine Vertiefung, die sich in Umfangsrichtung der Ventilnadel 20 erstreckt. D. h., die Nut 24 ist kreisförmig im Umfang der Ventilnadel 20 ausgebildet. Das Hebelelement 50 greift mit seinem radial innen gelegenen Ende in die Nut 24 ein und ist dadurch mit der Ventilnadel 20 fest verbunden. Das Hebelelement 50 ist als Scheibe ausgestaltet, wobei einzelne Segmente aus unterschiedlichen radialen Richtungen in die Nut 24 eingreifen. Die Ventilnadel 20 erstreckt sich mit ihrem innen gelegenen Ende durch eine Öffnung in der Mitte der Scheibe, die das Hebelelement 50 bildet und steht durch ihre Nut 24 mit dem Hebelelement 50 in gegenseitigem Eingriff.The valve needle 11 has at its inner end a groove 24 or a depression which extends in the circumferential direction of the valve needle 20 . That is, the groove 24 is circular in the circumference of the valve needle 20 . The lever element 50 engages with its radially inner end in the groove 24 and is thereby firmly connected to the valve needle 20 . The lever element 50 is designed as a disk, with individual segments engaging in the groove 24 from different radial directions. The valve needle 20 extends with its inner end through an opening in the center of the disc which forms the lever element 50 and is in mutual engagement with the lever element 50 through its groove 24 .

Das scheibenförmige Hebelelement 50 ist an seinem äußeren Rand durch zwei äußere Halteringe 51, 52 im Mikroventil 10 fixiert. Der radial außen gelegene Bereich des Hebelelements 50 befindet sich zwischen den beiden Halteringen 51, 52 und ist zusammen mit diesen in einer Ausnehmung 11 innerhalb des Mikroventils 10 befestigt. Die Ausnehmung 11 ist kreis- bzw. ringförmig ausgebildet und erstreckt sich in Umfangsrichtung im Inneren des Mikroventils 10.The disk-shaped lever element 50 is fixed on its outer edge by two outer retaining rings 51 , 52 in the microvalve 10 . The radially outer region of the lever element 50 is located between the two retaining rings 51 , 52 and is fastened together with these in a recess 11 within the microvalve 10 . The recess 11 is circular or annular and extends in the circumferential direction inside the microvalve 10 .

Auf beiden Seiten des Hebelelements 50 befindet sich radial weiter innen gelegen jeweils ein innerer Haltering 53, 54, so daß ein radial weiter innen gelegener Bereich des Hebelelements 50 zwischen den beiden inneren Halteringen 53, 54 aufgenommen ist. Die beiden inneren Halteringe 53, 54 sind durch Andruckklammern 41 am Hebelelement 50 und am Stellelement 40 befestigt. Die Andruckklammern 41 erstrecken sich vom Stellelement 40 in Längsrichtung des Mikroventils 10 bzw. parallel zur Ventilnadel durch Öffnungen im scheibenförmigen Hebelelement und umschließen von der dem Stellelement 40 abgewandten Seite des Hebelelements 50 den dort gelegenen Haltering 54.An inner retaining ring 53 , 54 is located on both sides of the lever element 50 radially further inward, so that a region of the lever element 50 located radially further inward is accommodated between the two inner retaining rings 53 , 54 . The two inner retaining rings 53 , 54 are fastened to the lever element 50 and to the adjusting element 40 by pressure clips 41 . The pressure clips 41 extend from the adjusting element 40 in the longitudinal direction of the microvalve 10 or parallel to the valve needle through openings in the disk-shaped lever element and enclose the retaining ring 54 located there from the side of the lever element 50 facing away from the adjusting element 40 .

Der zwischen den inneren Halteringen 53, 54 gelegene Bereich des Hebelelements 50 bildet eine Betätigungspunkt 55 für den jeweiligen Hebel, während der radial weiter außen gelegene Bereich des Hebelelements 50, der sich zwischen den äußeren Halteringen 51, 52 befindet, eine kreisförmige, äußere Fixierung 56 des Hebelelements 50 bzw. der Vielzahl von Hebeln bildet.The region of the lever element 50 located between the inner retaining rings 53 , 54 forms an actuation point 55 for the respective lever, while the region of the lever element 50 located radially further out, which is located between the outer retaining rings 51 , 52 , forms a circular, outer fixation 56 of the lever element 50 or the plurality of levers.

Eine Kraft, die auf das Stellelement 40 in Längsrichtung des Mikroventils 10 wirkt, wird über den inneren Haltering 53, der sich zwischen dem Stellelement 40 und dem Hebelelement 50 befindet, auf den Betätigungspunkt 55 übertragen. Der Betätigungspunkt wird nach vorne gedrückt, wodurch die in die Nut 24 eingreifenden Hebelarme die Ventilnadel 20 nach vorne schieben. Dabei wird ein Hebelmechanismus betätigt, der die Ventilnadel 20 öffnet. Wenn die Kraft auf das Stellelement 40 in der entgegengesetzten Richtung wirkt, wird die Ventilnadel 20 geschlossen.A force acting on the actuating element 40 in the longitudinal direction of the microvalve 10 is transmitted to the actuation point 55 via the inner retaining ring 53 , which is located between the actuating element 40 and the lever element 50 . The actuation point is pushed forward, whereby the lever arms engaging in the groove 24 push the valve needle 20 forward. A lever mechanism is actuated, which opens the valve needle 20 . If the force acts on the actuating element 40 in the opposite direction, the valve needle 20 is closed.

Das Hebelelement 50 ist als elastische Feder ausgestaltet, die sich im Bereich zwischen dem Betätigungspunkt 55 und der Fixierung 56 verbiegt, wenn eine Kraft auf den Betätigungspunkt 55 wirkt. Durch die in ihrem Querschnitt runde Ausgestaltung der Halteringe 51, 52 kann der dort gelegene Bereich der Feder bzw. des Hebelelements 55 über den jeweiligen Haltering 51, 52 abrollen, so daß eine gleichmäßige Verbiegung der Feder erfolgt. D. h., die Krafteinleitung in die Feder erfolgt über die Halteringe 51, 52, 53, 54, um den jeweiligen Hebel zu betätigen.The lever element 50 is designed as an elastic spring that bends in the area between the actuation point 55 and the fixation 56 when a force acts on the actuation point 55 . Due to the round cross-section of the retaining rings 51 , 52 , the area of the spring or the lever element 55 located there can roll over the respective retaining ring 51 , 52 , so that the spring is evenly bent. In other words, the force is introduced into the spring via the retaining rings 51 , 52 , 53 , 54 in order to actuate the respective lever.

Der Abstand von der Nut 24, d. h. dem radial innen gelegenen Ende des Hebelelements 50, zum jeweiligen Betätigungspunkt 55 ist groß im Vergleich zum Abstand zwischen dem jeweiligen Betätigungspunkt 55 und der Fixierung 56. Eine Bewegung des Stellelements 40 in axialer Richtung bewirkt somit eine sehr viel größere Bewegung der Ventilnadel 20 in axialer Richtung, wodurch ein Ventilnadelhub erzielt wird, der sehr viel größer ist als der Hub des Stellelements 40. Es erfolgt eine Hubübersetzung, die dem Verhältnis der Abstände zwischen dem Ansatzpunkt des Hebels an der Ventilnadel 20 und den Betätigungspunkten 55 sowie zwischen den Betätigungspunkten 55 und der Fixierung 56 entspricht.The distance from the groove 24 , ie the radially inner end of the lever element 50 , to the respective actuation point 55 is large compared to the distance between the respective actuation point 55 and the fixation 56 . Movement of the actuating element 40 in the axial direction thus causes a much greater movement of the valve needle 20 in the axial direction, as a result of which a valve needle stroke is achieved which is very much greater than the stroke of the actuating element 40 . There is a stroke ratio, which corresponds to the ratio of the distances between the starting point of the lever on the valve needle 20 and the actuation points 55 and between the actuation points 55 and the fixation 56 .

Anstatt das Hebelelement 50 über die Nut 24 mit der Ventilnadel 20 zu verbinden ist es ebenso möglich, hier eine andere Art der Verbindung, wie beispielsweise eine Schraubverbindung oder sonstige Fixierung oder Befestigung vorzusehen, die dem Fachmann geläufig ist. Es ist auch möglich, das Hebelelement 50 starr auszubilden, wobei in diesem Fall jedoch eine schwenkbare Halterung als Fixierung 56 vorgesehen werden muß, die eine Auslenkung des Hebels erlaubt. Instead of connecting the lever element 50 to the valve needle 20 via the groove 24 , it is also possible to provide another type of connection here, such as, for example, a screw connection or other fixing or fastening, which is known to the person skilled in the art. It is also possible to design the lever element 50 rigidly, in which case, however, a pivotable holder must be provided as a fixation 56 , which allows the lever to be deflected.

Bei einer Rückstellung des Hebelelements 50, d. h. bei einer Kraft, die in Schließrichtung bzw. in der Fig. 1 nach links auf das Stellelement 40 wirkt, wird die Kraft über die Andruckklammern 41 und über den inneren Haltering 54, der von der Andruckklammer 41 umschlossen wird, auf das Hebelelement 50 übertragen. Dadurch wird die Ventilnadel 20 zurückgezogen, d. h. der Ventilnadelkopf 21 wird auf seinen Ventilsitz 12 zurückgezogen, der im vorderen Bereich des Mikroventils 10 ausgestaltet ist und die Ventilöffnung 22 bildet.When the lever element 50 is reset, ie with a force which acts on the actuating element 40 to the left in the closing direction or in FIG. 1, the force is applied via the pressure clips 41 and via the inner retaining ring 54 which is enclosed by the pressure clip 41 is transferred to the lever element 50 . As a result, the valve needle 20 is withdrawn, ie the valve needle head 21 is withdrawn onto its valve seat 12 , which is configured in the front area of the microvalve 10 and forms the valve opening 22 .

Das Stellelement 40 ist in axialer Richtung beweglich in einem Führungselement 13 gelagert. Das Stellelement 40 wird durch einen Druckstift oder -stab 44 gebildet, der sich in Längsrichtung des Mikroventils 10 beziehungsweise in axialer Richtung erstreckt, sowie durch eine scheibenförmigen Platte 42, die parallel zum Hebelelement 50 beziehungsweise senkrecht zum Stab 44 ausgerichtet ist. Am äußeren Rand der Platte 42 sind eine Vielzahl der Andruckklammern 41 ausgebildet, die ringförmig angeordnet sind.The actuating element 40 is movably mounted in a guide element 13 in the axial direction. The actuating element 40 is formed by a pressure pin or rod 44 which extends in the longitudinal direction of the microvalve 10 or in the axial direction, and by a disk-shaped plate 42 which is aligned parallel to the lever element 50 or perpendicular to the rod 44 . On the outer edge of the plate 42 , a plurality of the pressure clips 41 are formed, which are arranged in a ring.

Das Führungselement 13 zum Führen des Stellelements 40 ist ebenfalls ringförmig ausgestaltet und hat auf seiner Innenseite eine treppenförmige Abstufung. Dadurch wird eine Führung sowohl für die Platte 42 mit relativ großem Radius, als auch für den Stab 44 mit relativ kleinem Radius gebildet. Die treppenförmige Abstufung im Führungselement 13 bildet einen innen gelegenen Ringraum 13a aus, in dem ein Dichtelement 43 in Form eines O-Rings aus Gummi angeordnet ist, das den Stab 44 umschließt und zur Abdichtung im Bereich des Führungselements 13 dient. Dadurch kann z. B. kein Kraftstoff aus dem Bereich der Ventilnadel 20 zum Piezo-Aktuator 30 gelangen. Anstatt eines O-Rings kann die Abdichtung aber auch über eine Membran erfolgen, die beide Räume oder Bereiche voneinander trennt und flexibel ist, um eine Bewegung des Stellelements 40 zu erlauben.The guide element 13 for guiding the adjusting element 40 is also designed in a ring shape and has a step-like gradation on its inside. As a result, a guide is formed both for the plate 42 with a relatively large radius and for the rod 44 with a relatively small radius. The stepped gradation in the guide element 13 forms an internal annular space 13 a, in which a sealing element 43 is arranged in the form of an O-ring made of rubber, which surrounds the rod 44 and is used for sealing in the region of the guide element 13 . This can, for. B. get no fuel from the area of the valve needle 20 to the piezo actuator 30 . Instead of an O-ring, however, the sealing can also take place via a membrane which separates the two spaces or areas from one another and is flexible in order to allow the actuating element 40 to move.

Der Piezo-Aktuator 30 ist durch ein Koppelglied 31 mit dem Stab 44 des Stellelements 40 verbunden. Das Koppelglied 31 umfaßt einen inneren Bereich 31a zur Kraftübertragung zwischen dem Piezo-Aktuator 30 und dem Stellelement 40 und einen äußeren Bereich 31b zur Führung an einer inneren Wandung 14 des Mikroventils 10. Das Koppelglied 31 ist fest mit dem Stellelement 40 und dem Piezo-Aktuator 30 verbunden, so daß es sich bei einer Ausdehnung bzw. beim Zusammenziehen des Piezo-Aktuators 30 zusammen mit dem Stellelement 40 in axialer Richtung bzw. in Längsrichtung des Mikroventils 10 bewegt.The piezo actuator 30 is connected to the rod 44 of the actuating element 40 by a coupling member 31 . The coupling member 31 comprises an inner region 31 a for power transmission between the piezo actuator 30 and the actuating element 40 and an outer region 31 b for guiding on an inner wall 14 of the microvalve 10 . The coupling member 31 is fixedly connected to the actuating element 40 and the piezo actuator 30 , so that when the piezo actuator 30 expands or contracts, it moves together with the actuating element 40 in the axial direction or in the longitudinal direction of the microvalve 10 .

Das Koppelglied 31 ist stufenförmig ausgestaltet, wobei in seinem radial außen gelegenen Bereich sechs Tellerfedern 32 ringförmig angeordnet sind. Die Tellerfedern 32 befinden sich in vorgespanntem Zustand zwischen dem Führungselement 13 und dem äußeren Bereich 31b des Koppelglieds 31 und drücken somit das Koppelglied 31 gegen eine vordere Fläche 33 des Piezo-Aktuators 30. Dadurch wird der Piezo-Aktuator entgegen seiner Ausdehnungsrichtung zusammengedrückt, wenn er nicht mit Strom bzw. Spannung beaufschlagt wird. Somit wirkt über das Stellelement 40 und das Hebelelement 50 eine Kraft auf die Ventilnadel 20 in Schließrichtung.The coupling member 31 is designed in a step-like manner, with six disk springs 32 being arranged in a ring in its radially outer region. The plate springs 32 are in the prestressed state between the guide element 13 and the outer region 31 b of the coupling member 31 and thus press the coupling member 31 against a front surface 33 of the piezo actuator 30 . As a result, the piezo actuator is compressed against its direction of expansion if it is not subjected to current or voltage. Thus, a force acts on the valve needle 20 in the closing direction via the actuating element 40 and the lever element 50 .

Der Piezo-Aktuator 30 ist aus Piezostacks gebildet und befindet sich in einer neutralen Flüssigkeit wie z. B. Öl. Die innere Wandung 14 umschließt den in Öl gelagerten Piezo- Aktuator in Form einer inneren, zylindrischen Hülle. Durch die besonderen Druckverhältnisse im inneren des Mikroventils 10 wird die notwendige Vorspannung durch die Tellerfedern 32 reduziert. Im Betrieb befindet sich der Kraftstoff bzw. die Flüssigkeit, die durch das Mikroventil 10 eingespritzt werden soll, in einem Raum 60, in den sich sowohl die Vorderseite des Stellelements 40, als auch die Rückseite der Ventilnadel 20 erstreckt. Dabei befindet sich die Flüssigkeit bzw. der Kraftstoff im Raum 60 unter Druck, der zum einen auf die Venilnadel und zum anderen auf das Stellelement 40 wirkt. Da die dem Flüssigkeitsdruck ausgesetzte Fläche der Ventilnadel 20 kleiner ist als die dem Flüssigkeitsdruck ausgesetzte Fläche des Stellelements 40, überwiegt insgesamt die Kraft auf das Stellelement 40, so daß die Ventilnadel 20 zurückgezogen wird um die Ventilöffnung 22 zu schließen.The piezo actuator 30 is formed from piezo stacks and is in a neutral liquid such as. B. Oil. The inner wall 14 encloses the piezo actuator stored in oil in the form of an inner, cylindrical shell. Due to the special pressure conditions inside the microvalve 10 , the necessary preload is reduced by the plate springs 32 . In operation, the fuel or the liquid that is to be injected through the microvalve 10 is located in a space 60 into which both the front of the actuating element 40 and the rear of the valve needle 20 extend. The liquid or the fuel is in the space 60 under pressure, which acts on the Venil needle and on the actuating element 40 . Since the area of the valve needle 20 exposed to the liquid pressure is smaller than the area of the adjusting element 40 exposed to the liquid pressure, the force on the adjusting element 40 predominates overall, so that the valve needle 20 is withdrawn in order to close the valve opening 22 .

Durch die relativ große Fläche der Platte 42 des Stellelements 40 im Raum 60 staucht der Flüssigkeitsdruck den Piezo-Aktuator 30 und hält so die Ventilnadel 20 im Ventilsitz 12. Durch dieses hydraulische Gleichgewicht kann die mechanische Vorspannung des Piezostapels durch die Tellerfedern 32 gering gehalten werden. Aufgrund der reduzierten Vorspannung der Tellerfedern 32 wird ein zusätzlicher Gewinn beim Hub erzielt. Anders ausgedrückt, ein erheblicher Verlust im Hub, der sich aus einer großen Vorspannung der Tellerfedern 32 ergeben würde, wird vermieden.Due to the relatively large area of the plate 42 of the actuating element 40 in the space 60, the liquid pressure compresses the piezo actuator 30 and thus holds the valve needle 20 in the valve seat 12 . This hydraulic balance enables the mechanical pre-tensioning of the piezo stack by the plate springs 32 to be kept low. Due to the reduced preload of the plate springs 32 , an additional gain in the stroke is achieved. In other words, a considerable loss in the stroke, which would result from a large preload of the plate springs 32 , is avoided.

Die Einstellung der Rückstellkraft auf den Piezo-Aktuator 30 und der Kraft auf die Ventilnadel 20 erfolgt über das Verhältnis der Fläche der Vorderseite der Platte 42 zur Fläche der Rückseite der Ventilnadel 20, wobei die Flächen senkrecht zur jeweiligen Bewegungsrichtung ausschlaggebend sind. Insgesamt wird also eine hydrostatische Vorspannung des Piezo-Aktuators 30 entgegen seiner Ausdehnungsrichtung bewirkt. Gleichzeitig ergibt sich eine Kraft auf die Venilnadel 20 in Schließrichtung, die jedoch geringer ist als die Rückstellkraft auf den Piezo-Aktuator 30.The restoring force on the piezo actuator 30 and the force on the valve needle 20 are adjusted via the ratio of the area of the front of the plate 42 to the area of the rear of the valve needle 20 , the areas perpendicular to the respective direction of movement being decisive. Overall, a hydrostatic prestressing of the piezo actuator 30 is effected against its direction of expansion. At the same time, there is a force on the valve needle 20 in the closing direction, which, however, is less than the restoring force on the piezo actuator 30 .

Die Kraftstoffzufuhr zum Raum 60 und damit zur Ventilöffnung 22 erfolgt über einen oder mehrere Kraftstoffkanäle, die thermisch an den Piezo-Aktuator 30 gekoppelt sind. Dadurch wird die vom Piezo-Aktuator 30 im Betrieb erzeugte Wärme über die Flüssigkeit, in der er gelagert ist, auf den daran vorbeifließenden Kraftstoff übertragen. Dadurch wird einerseits eine Kühlung des Piezo-Aktuators 30 erzielt, andererseits wird der zur Einspritzung gebrachte Kraftstoff bzw. die einzuspritzende Flüssigkeit vorgewärmt. Der Zufuhrkanal für den Kraftstoff wird durch einen Zwischenraum zwischen der inneren Wandung 14, die den Piezo-Aktuator 30 umschließt, und einer äußeren Wandung 15 gebildet. Die äußere Wandung 15 ist ebenfalls zylindrisch ausgestaltet, d. h. sie verläuft parallel zur inneren Wandung 14. Durch diese Kühlung des Piezo-Aktuators 30 aufgrund des vorbeifließenden Kraftstoffs wird die Zuverlässigkeit des Mikroventils 10 noch weiter erhöht. Gleichzeitig erfolgt eine effektivere Verbrennung des Kraftstoffs aufgrund der erfolgten Vorwärmung.The fuel is supplied to the space 60 and thus to the valve opening 22 via one or more fuel channels which are thermally coupled to the piezo actuator 30 . As a result, the heat generated by the piezo actuator 30 during operation is transferred via the liquid in which it is stored to the fuel flowing past it. On the one hand, this cools the piezo actuator 30 , and on the other hand, the fuel or the liquid to be injected is preheated. The supply channel for the fuel is formed by a space between the inner wall 14 , which encloses the piezo actuator 30 , and an outer wall 15 . The outer wall 15 is also cylindrical, ie it runs parallel to the inner wall 14 . This cooling of the piezo actuator 30 due to the fuel flowing past increases the reliability of the microvalve 10 even further. At the same time, the fuel is burned more effectively due to the preheating.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Hebelelements 50 in schematischer Darstellung. Das Hebelelement 50 ist eine Feder, die scheibenförmig ausgestaltet ist. In ihrem Zentrum hat sie eine durchgehende Öffnung 57 zur Aufnahme eines Teilstücks der Ventilnadel 20. Ausgehend von der Öffnung 57 erstrecken sich radial nach außen mehrere Schlitze 58, die jeweils in eine Öffnung 59 münden. Die Öffnungen 59 sind ringförmig in einem radial weiter außen gelegenen Bereich der Feder bzw. des Hebelelements 50 ausgebildet. Die radial verlaufenden Schlitze 58 und die ringförmig angeordneten äußeren Öffnungen 59 erstrecken sich durchgehend durch die Dicke der Feder, so daß zwischen jeweils zwei Schlitzen 58 ein Segment 63 der scheibenförmigen Feder ausgebildet ist, das einen Hebelarm bildet. Fig. 2 shows a perspective view of the lever member 50 in a schematic representation. The lever element 50 is a spring which is designed in the form of a disk. At its center, it has a through opening 57 for receiving a portion of the valve needle 20 . Starting from the opening 57 , a plurality of slots 58 extend radially outward, each opening into an opening 59 . The openings 59 are ring-shaped in a region of the spring or the lever element 50 which is located radially further outward. The radially extending slots 58 and the annularly arranged outer openings 59 extend continuously through the thickness of the spring, so that a segment 63 of the disk-shaped spring is formed between two slots 58 and forms a lever arm.

Die Öffnungen 59 sind oval gestaltet, wobei ihre jeweilige Ausdehnung in Umfangsrichtung länger ist als ihre Ausdehnung in radialer Richtung. Zwischen jeweils zwei Öffnungen 59 befindet sich ein Teilbereich 64 der Feder bzw. Umlenkfeder, an den sich jeweils integral bzw. einstückig ein Segment 63 anschließt. Ein Randbereich 65 der Feder bzw. des Hebelelements 50 liegt radial weiter außen als die Öffnungen 59 und bildet somit einen Ring am äußeren Rand der Feder, der mit einer Vielzahl von radial weiter innen gelegenen pfeilförmigen Segmenten 63 über die Teilbereiche 64 einstückig bzw. integral verbunden ist. Die Teilbereiche 64 sind schmal im Vergleich zum radial außen gelegenen Rand des jeweiligen Segments 63, das sich daran anschließt. Durch die ovale Ausgestaltung der Öffnungen 59 sind die Ränder der Teilbereiche 64 gekrümmt. Zum Zweck der Darstellung der verschiedenen Bereiche sind in Fig. 2 gepunktete Linien eingezeichnet.The openings 59 are oval, their respective extent in the circumferential direction being longer than their extent in the radial direction. Between each two openings 59 there is a partial area 64 of the spring or deflection spring, to which a segment 63 is connected integrally or in one piece. An edge region 65 of the spring or of the lever element 50 lies radially further outward than the openings 59 and thus forms a ring on the outer edge of the spring, which is integrally or integrally connected to a plurality of arrow-shaped segments 63 located radially further inward via the partial regions 64 is. The partial areas 64 are narrow in comparison to the radially outer edge of the respective segment 63 , which adjoins it. Due to the oval configuration of the openings 59 , the edges of the partial areas 64 are curved. Dotted lines are drawn in FIG. 2 for the purpose of representing the different areas.

Die besondere Ausgestaltung des Hebelelements 50 bzw. der Feder ermöglicht sehr hohe Frequenzen beim Öffnen und Schließen der Ventilnadel 20, d. h. es werden sehr kurze Schaltzeiten erzielt, die beispielsweise 20 µsec betragen. Die Feder bzw. das Hebelelement 50 ist aus Stahl gefertigt, sie kann aber auch aus anderen Materialien bzw. einer für den jeweiligen Einsatz geeigneten Legierung gefertigt sein.The special design of the lever element 50 or the spring enables very high frequencies when opening and closing the valve needle 20 , ie very short switching times are achieved, for example 20 microseconds. The spring or the lever element 50 is made of steel, but it can also be made of other materials or an alloy suitable for the respective application.

In dem in Fig. 1 gezeigten Ventil oder Einspritzventil ist die hier gezeigte Feder so angeordnet, daß im Randbereich 65 an der Vorderseite und an der Rückseite der Feder jeweils ein äußerer Randring 51, 52 anliegt. Der Randbereich 65 ist also zwischen den beiden äußeren Halteringen 53, 54 im Mikroventil 10 fixiert.In the valve or injection valve shown in Fig. 1, the spring shown here is arranged so that in the edge region 65 on the front and on the back of the spring there is an outer edge ring 51 , 52, respectively. The edge area 65 is thus fixed between the two outer retaining rings 53 , 54 in the microvalve 10 .

Die inneren Halteringe 53, 54 (siehe Fig. 1) grenzen an die radial innen gelegenen Seiten der Öffnungen 59 an, so daß sie die in Fig. 2 gezeigten acht Segmente 63 zwischen sich aufnehmen. Durch jede der acht Öffnungen erstreckt sich eine der oben besprochenen Andruckklammern 41, von denen jeweils ein Ende den dort gelegenen Haltering 54 umschließt bzw. umgreift. Die kreisförmigen Kontakte zwischen den inneren Halteringen 53, 54 und den äußeren Bereichen der acht Segmente 63 bilden Angriffspunkte bzw. - flächen, um die Segmente 63 senkrecht zur Fläche des Hebelelements 50 auszulenken. Da das Hebelelement 50 in seinem Randbereich 65 durch die äußeren Halteringe 51, 52 fixiert ist, verbiegen sich bei einer Auslenkung der Segmente 63 die Teilbereiche 64 elastisch. Durch die Hebelarme, die die Segmente 63 in radialer Richtung bilden, erfolgt eine Hubübersetzung, so daß bei einer relativ kleinen Bewegung der inneren Halteringe 53, 54 eine relativ große Auslenkung an den radial innen gelegenen Enden der Segmente 63 stattfindet. Dadurch erfährt die dort angekoppelte Ventilnadel 20 einen im Vergleich zur ursprünglichen Stellbewegung vergrößerten Hub.The inner retaining rings 53 , 54 (see FIG. 1) adjoin the radially inner sides of the openings 59 so that they accommodate the eight segments 63 shown in FIG. 2 between them. One of the pressure clamps 41 discussed above extends through each of the eight openings, one end of which in each case surrounds or engages around the retaining ring 54 located there. The circular contacts between the inner retaining rings 53 , 54 and the outer regions of the eight segments 63 form points of attack or surfaces in order to deflect the segments 63 perpendicular to the surface of the lever element 50 . Since the lever element 50 is fixed in its edge region 65 by the outer retaining rings 51 , 52 , the partial regions 64 bend elastically when the segments 63 are deflected. Through the lever arms, which form the segments 63 in the radial direction, a stroke translation takes place, so that with a relatively small movement of the inner retaining rings 53 , 54, a relatively large deflection takes place at the radially inner ends of the segments 63 . As a result, the valve needle 20 coupled there experiences an increased stroke in comparison to the original actuating movement.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische, teilweise Explosionsdarstellung des erfindungsgemäßen Mikroventils. Das Hebelelement 50 befindet sich in einem vorderen Teil des Mikroventils 10. Durch die im Hebelelement 50 befindlichen Öffnungen 59 erstrecken sich die Andruckklammern 51 und umgreifen den auf der Vorderseite des Hebelelements 50 gelegenen inneren Haltering 54. Durch die beiden äußeren Halteringe 51, 52 ist das Hebelelement 50 im Mikroventil 10 fixiert. Die einzelnen Segmente 63 des Hebelelements 50 stellen die Hubübersetzung zur Ventilnadel 20 dar, deren Ventilnadelkopf 21 den Ventilsitz 12 verschließt. Wird die Ventinadel 20 nach außen gedrückt, so hebt der Ventilnadelkopf 21 vom Ventilsitz 12 ab und Kraftstoff kann z. B. in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Das Führungselement 13 zum Führen der Ventilnadel 20 ist als Drallerzeuger bzw. Swirlplate ausgestaltet. Fig. 3 is a perspective, partially exploded view showing the microvalve according to the invention. The lever element 50 is located in a front part of the microvalve 10 . The pressure clips 51 extend through the openings 59 in the lever element 50 and encompass the inner retaining ring 54 located on the front side of the lever element 50 . The lever element 50 is fixed in the microvalve 10 by the two outer retaining rings 51 , 52 . The individual segments 63 of the lever element 50 represent the stroke ratio to the valve needle 20 , the valve needle head 21 of which closes the valve seat 12 . If the valve needle 20 is pressed outwards, the valve needle head 21 lifts off from the valve seat 12 and fuel can e.g. B. are injected into the combustion chamber of an internal combustion engine. The guide element 13 for guiding the valve needle 20 is designed as a swirl generator or swirl plate.

Im hinteren Bereich des Mikroventils 10 ist der Piezo-Aktuator 30 angeordnet. Er befindet sich in einer Kammer, die durch die innere Wandung 14 umschlossen wird, in einem Ölbad. An seiner Vorderseite ist der Piezo-Aktuator 30 mit mehreren Tellerfedern 32 kraftschlüssig verbunden, die bei einer Ausdehnung des Piezo-Aktuators aufgrund eines Strom- oder Spannungsimpulses zusammengedrückt werden. Anderenfalls erzeugen die Tellerfedern 32 eine Rückstellkraft, um den Piezo-Aktuator 30 entgegen seiner Ausdehnungsrichtung zusammenzudrücken.The piezo actuator 30 is arranged in the rear area of the microvalve 10 . It is located in a chamber, which is enclosed by the inner wall 14 , in an oil bath. At its front, the piezo actuator 30 is non-positively connected to a plurality of disc springs 32 , which are compressed due to a current or voltage pulse when the piezo actuator expands. Otherwise, the plate springs 32 generate a restoring force in order to compress the piezo actuator 30 against its direction of expansion.

Das ringförmige Dichtelement 43 trennt den Raum, in dem sich der Piezo-Aktuator 30 befindet, dicht von dem im vorderen Bereich des Mikroventils 10 gelegenen Raum, in dem sich das Hebelelement 50 und die Ventilnadel 20 befindet. Somit kann kein Kraftstoff von dort zum Piezo-Aktuator 30 gelangen. Das Stellelement 40 verbindet über die Andruckklammern 41 und die Halteringe 53, 54 das Hebelelement 50 mit dem Piezo- Aktuator 30.The annular sealing element 43 tightly separates the space in which the piezo actuator 30 is located from the space in the front area of the microvalve 10 in which the lever element 50 and the valve needle 20 are located. Thus, no fuel can get to the piezo actuator 30 from there. The actuating element 40 connects the lever element 50 to the piezo actuator 30 via the pressure clips 41 and the retaining rings 53 , 54 .

Bei einer Ausdehnung des Piezo-Aktuators 30 wird das Stellelement 40 entgegen der Federkraft der Tellerfedern 32 und entgegen dem Kraftstoffdruck im Bereich der Ventilnadel 20 nach vorne bewegt, wodurch das Hebelelement 50 betätigt wird und eine Auslenkung der Segmente 63 nach vorne erfolgt. Dadurch wird die Ventilnadel 20 nach vorne bewegt und der Ventilnadelkopf 21 hebt sich vom Ventilsitz 12 ab. Wenn der Piezo- Aktuator 30 nicht aktiviert ist, wird er zum einen durch die Rückstellkraft der Tellerfedern 31 und zum anderen durch den Kraftstoffdruck, der von vorne auf das Stellelement 40 wirkt, zusammengedrückt. Dadurch wird die Ventilnadel 20 mittels der Andruckklammern 41 und des Halterings 54 zurückbewegt.When the piezo actuator 30 is expanded, the actuating element 40 is moved forwards against the spring force of the plate springs 32 and against the fuel pressure in the region of the valve needle 20 , as a result of which the lever element 50 is actuated and the segments 63 are deflected forward. As a result, the valve needle 20 is moved forward and the valve needle head 21 stands out from the valve seat 12 . If the piezo actuator 30 is not activated, it is compressed on the one hand by the restoring force of the plate springs 31 and on the other hand by the fuel pressure which acts on the actuating element 40 from the front. As a result, the valve needle 20 is moved back by means of the pressure clips 41 and the retaining ring 54 .

Die Kraftstoffzufuhr erfolgt in Richtung des Pfeils F in Fig. 3 entlang der inneren Wandung 14 in einem Zufuhrkanal, der hier nicht dargestellt ist. Dieser Zufuhrkanal ist z. B. in Form einer weiteren Wandung oder Hülle gebildet, welche von der Wandung 14 beabstandet angeordnet ist, so daß der Kraftstoff zwischen diesen beiden Wandungen hindurch in den vorderen Bereich und anschließend zur Ventilnadel 20 gelangen kann. Dadurch kann der an der Wandung 14 vorbeifließende Kraftstoff die vom Piezo-Aktuator 30 erzeugte Wärme aufnehmen und somit eine Kühlung bewirken.The fuel is supplied in the direction of arrow F in FIG. 3 along the inner wall 14 in a supply channel, which is not shown here. This feed channel is e.g. B. formed in the form of a further wall or sheath, which is spaced from the wall 14 so that the fuel can pass between these two walls in the front region and then to the valve needle 20 . As a result, the fuel flowing past the wall 14 can absorb the heat generated by the piezo actuator 30 and thus effect cooling.

Der hier gezeigte Piezo-Injektor bzw. das erfindungsgemäße Mikroventil ist in der bevorzugten Ausführungsform 50 mm lang und hat einen Durchmesser von 7 mm. Der Piezo-Injektor hat eine sehr hohe Resonanzfrequenz und damit sehr kurze Schallzeiten im Bereich von 20 µsec. Er kann darüber hinaus sehr hohe Drücke, beispielsweise im Bereich von 200 bar und mehr schalten. Zum Öffnen des Mikroventils erfährt der Piezo-Aktuator einen Stromstoß, der z. B. bis zu 50 A bei 150 V Spannung beträgt. Der Stromstoß kann z. B. eine Dauer von 15 µsec haben. Der Piezohub erfährt durch das Hebelelement 50, daß z. B. eine Umlenkfeder ist, eine Verstärkung. Der Kraftstoffzufluß zum Ventilsitz erfolgt durch das Swirlplate, das zugleich auch die Ventilnadelführung darstellt. The piezo injector shown here or the microvalve according to the invention is 50 mm long in the preferred embodiment and has a diameter of 7 mm. The piezo injector has a very high resonance frequency and therefore very short sound times in the range of 20 µsec. It can also switch very high pressures, for example in the range of 200 bar and more. To open the microvalve, the piezo actuator experiences a current surge, which, for. B. is up to 50 A at 150 V voltage. The current surge can e.g. B. have a duration of 15 microseconds. The piezo stroke experiences through the lever element 50 that z. B. is a deflection spring, a reinforcement. The fuel flow to the valve seat is provided by the swirl plate, which also represents the valve needle guide.

Zum Schließen des Ventils erfolgt ein Kontrahieren des Piezostacks bzw. des Piezo- Aktuators 30 beim Entladen. Durch die Andruckklammern 41 wird die Ventilnadel 20 zurückgezogen und das Ventil wird geschlossen.To close the valve, the piezo stack or the piezo actuator 30 contracts when unloading. The valve pin 20 is pulled back by the pressure clips 41 and the valve is closed.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Mikroventil mit geringen Abmessungen geschaffen, das sogar mit einer Länge von 50 mm und weniger realisierbar ist. Es können Schaltzeiten mit einer Dauer von weniger als 20 µsec verwirklicht werden. Dabei erfolgt die Auslenkung der Ventilnadel 20 durch den Piezo-Aktuator 30. Der Betriebsdruck beträgt z. B. 200 bar. Der Ventilnadelhub ist größer als die Ausdehnung des Piezo-Aktuators 30, wobei beispielsweise eine 2,5fache Hubverstärkung folgt. Im hier realisierten Beispiel beträgt der Ventilnadelhub 180 µm. Das erfindungsgemäße Mikroventil hat eine nach außen öffnende Düse und bietet die Möglichkeit der Strahlformung durch Swirlplates. Der Piezo-Aktuator 30 wird mittel Kraftstoff gekühlt. Insgesamt wird eine hohe Schließ- und Öffnungskraft bei einem vergrößerten Ventilnadelhub ermöglicht. Der notwendige Bauraum ist stark reduziert und es sind lediglich kurze Piezostacks notwendig. Damit kann das Mikroventil sehr preiswert hergestellt werden und ist somit für eine Serienfertigung geeignet. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, mehrere Ventile in einem Injektor zu integrieren. Die Form des Hebelelements bzw. das Federdesign würde durch eine Venite- Elemente Analyse optimiert.The present invention provides a microvalve with small dimensions, which can even be implemented with a length of 50 mm and less. Switching times with a duration of less than 20 µsec can be realized. The valve needle 20 is deflected by the piezo actuator 30 . The operating pressure is z. B. 200 bar. The valve needle stroke is greater than the extent of the piezo actuator 30 , with a 2.5-fold stroke gain, for example. In the example realized here, the valve needle stroke is 180 µm. The microvalve according to the invention has an outwardly opening nozzle and offers the possibility of beam shaping using swirl plates. The piezo actuator 30 is cooled by means of fuel. Overall, a high closing and opening force is made possible with an increased valve needle stroke. The space required is greatly reduced and only short piezo stacks are required. The microvalve can thus be manufactured very inexpensively and is therefore suitable for series production. It is also possible to integrate several valves in one injector. The shape of the lever element or the spring design would be optimized by a Venite element analysis.

Das Mikroventil und das Einspritzverfahren sind allgemein zur Einspritzung einer Vielzahl von Flüssigkeiten geeignet. The microvalve and the injection method are general for injecting a variety suitable for liquids.  

Bezugszeichenreference numeral

1010th

Mikroventil
Microvalve

1111

Ausnehmung
Recess

1212th

Ventilsitz
Valve seat

1313

Führungselement
Guide element

1313

a Ringraum
a annulus

1414

innere Wandung
inner wall

1515

äußere Wandung
outer wall

2020th

Ventilnadel
Valve needle

2121

Ventilnadelkopf
Valve needle head

2222

Ventilöffnung
Valve opening

2323

Strahlformendes Element
Beam shaping element

2424th

Nut
Groove

3030th

Piezo-Aktuator
Piezo actuator

3131

Koppelglied
Coupling link

3131

a innerer Bereich
a inner area

3131

b äußerer Bereich
b outer area

3232

Tellerfedern
Belleville washers

3333

vordere Fläche (des Piezo-Aktuators)
front surface (of the piezo actuator)

4040

Stellelement
Actuator

4141

Andruckklammer
Pressure clamp

4242

Platte
plate

4343

Dichtelement
Sealing element

4444

Stab
Rod

5050

Hebelelement
Lever element

5151

Halterung, außen
Bracket, outside

5252

Halterung, außen
Bracket, outside

5353

Halterung, innen
Bracket, inside

5454

Halterung, innen
Bracket, inside

5555

Betätigungspunkt
Actuation point

5656

kreisförmige Fixierung
circular fixation

5757

Öffnung (im Zentrum der Feder)
Opening (in the center of the spring)

5858

Schlitze
Slits

5959

Öffnungen
openings

6060

Raum
room

6363

Segment
segment

6464

Teilbereiche
Sub-areas

6565

Randbereiche
Marginal areas

Claims (20)

1. Piezoelektrisches Mikroventil, insbesondere zur Kraftstoffeinspritzung bei Verbrennungsmotoren, mit
einer Ventilnadel (20), die verschiebbar gelagert ist, zum Öffnen und Schließen einer Ventilöffnung (22);
einem Piezo-Aktuator (30) zum Antrieb der Ventilnadel (20); und
einem Stellelement (40), das einen durch den Piezo-Aktuator (30) verursachten Hub auf die Ventilnadel (20) überträgt;
gekennzeichnet durch
ein mechanisches Hebelelement (50), welches das Stellelement (40) an die Ventilnadel (20) koppelt, so daß eine Hubübersetzung zwischen dem Stellelement (40) und der Ventilnadel (20) erfolgt.
1. Piezoelectric microvalve, in particular for fuel injection in internal combustion engines, with
a valve needle ( 20 ), which is slidably mounted, for opening and closing a valve opening ( 22 );
a piezo actuator ( 30 ) for driving the valve needle ( 20 ); and
an actuating element ( 40 ) which transmits a stroke caused by the piezo actuator ( 30 ) to the valve needle ( 20 );
marked by
a mechanical lever element ( 50 ) which couples the actuating element ( 40 ) to the valve needle ( 20 ) so that a stroke ratio between the actuating element ( 40 ) and the valve needle ( 20 ) takes place.
2. Piezoelektrisches Mikroventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hebelelement (50) eine flächig ausgestaltete, elastische Feder ist.2. Piezoelectric microvalve according to claim 1, characterized in that the lever element ( 50 ) is a flat, elastic spring. 3. Piezoelektrisches Mikroventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hebelelement (50) scheibenförmig ausgestaltet ist, wobei sich mehrere Schlitze (58) in radialer Richtung erstrecken, um Segmente (63) zu bilden, die als Hebelarme wirken.3. Piezoelectric microvalve according to claim 1 or 2, characterized in that the lever element ( 50 ) is disc-shaped, wherein a plurality of slots ( 58 ) extend in the radial direction to form segments ( 63 ) which act as lever arms. 4. Piezoelektrisches Mikroventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hebelarm zwischen der Ventilnadel (20) und dem Betätigungspunkt (55) des Hebelelements (50) größer ist als ein Hebelarm zwischen einer Fixierung (56) des Hebelelements (50) und dem Betätigungspunkt (55).4. Piezoelectric microvalve according to one or more of the preceding claims, characterized in that a lever arm between the valve needle ( 20 ) and the actuation point ( 55 ) of the lever element ( 50 ) is larger than a lever arm between a fixation ( 56 ) of the lever element ( 50 ) and the actuation point ( 55 ). 5. Piezoelektrisches Mikroventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein strahlformendes Element (23) zur Erzeugung eines Dralls in einer eingespritzten Flüssigkeit. 5. Piezoelectric microvalve according to one or more of the preceding claims, characterized by a beam-shaping element ( 23 ) for generating a swirl in an injected liquid. 6. Piezoelektrisches Mikroventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlformende Element (23) eine Swirlplate ist, die als Ventilnadelführung dient.6. Piezoelectric microvalve according to claim 5, characterized in that the beam-shaping element ( 23 ) is a swirl plate which serves as a valve needle guide. 7. Piezoelektrisches Mikroventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen oder mehrere Ringe (51, 52, 53, 54) zur Kraftübertragung zwischen dem Stellelement (40) und dem Hebelelement (50).7. Piezoelectric microvalve according to one or more of the preceding claims, characterized by one or more rings ( 51 , 52 , 53 , 54 ) for power transmission between the actuating element ( 40 ) and the lever element ( 50 ). 8. Piezoelektrisches Mikroventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein oder mehrere Andruckklammern (41) zur Befestigung des Hebelelements (50) am Stellelement (40).8. Piezoelectric microvalve according to one or more of the preceding claims, characterized by one or more pressure clips ( 41 ) for fastening the lever element ( 50 ) on the actuating element ( 40 ). 9. Piezoelektrisches Mikroventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilnadel (20) eine ringförmige Nut (24) aufweist, in die das Hebelelement (50) eingreift.9. Piezoelectric microvalve according to one or more of the preceding claims, characterized in that the valve needle ( 20 ) has an annular groove ( 24 ) into which the lever element ( 50 ) engages. 10. Piezoelektrisches Mikroventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezo-Aktuator (30) zumindest teilweise hydrostatisch vorgespannt ist.10. Piezoelectric microvalve according to one or more of the preceding claims, characterized in that the piezo actuator ( 30 ) is at least partially hydrostatically biased. 11. Piezoelektrisches Mikroventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Ventilnadel (20) eine hydraulische Kraft in Schließrichtung wirkt.11. Piezoelectric microvalve according to one or more of the preceding claims, characterized in that a hydraulic force acts in the closing direction on the valve needle ( 20 ). 12. Piezoelektrisches Mikroventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezo-Aktuator (30) und/oder die Ventilnadel (20) durch Druck in einer Flüssigkeit beaufschlagt sind, wobei eine Fläche zur Druckbeaufschlagung des Piezo-Aktuators (30) größer ist als eine Fläche zur Druckbeaufschlagung der Ventilnadel (20).12. Piezoelectric microvalve according to one or more of the preceding claims, characterized in that the piezo actuator ( 30 ) and / or the valve needle ( 20 ) are acted upon by pressure in a liquid, a surface for pressurizing the piezo actuator ( 30 ) is larger than an area for pressurizing the valve needle ( 20 ). 13. Piezoelektrisches Mikroventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Zufuhrkanal für die einzuspritzende Flüssigkeit, der an den Piezo-Aktuator (30) thermisch gekoppelt ist, um Wärme vom Piezo-Aktuator (30) zur Flüssigkeit zu übertragen.13. Piezoelectric microvalve according to one or more of the preceding claims, characterized by a feed channel for the liquid to be injected, which is thermally coupled to the piezo actuator ( 30 ) in order to transfer heat from the piezo actuator ( 30 ) to the liquid. 14. Einspritzverfahren, insbesondere für Verbrennungsmotoren, bei dem eine Ventilnadel (20) durch einen Piezo-Aktuator (30) angetrieben wird um einen Einspritzvorgang durchzuführen, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Ausdehnung und/oder Kontraktion des Piezo-Aktuators (30) eine Hubübersetzung erfolgt, während der Hub des Piezo-Aktuators (30) auf die Ventilnadel (20) übertragen wird.14. Injection method, in particular for internal combustion engines, in which a valve needle ( 20 ) is driven by a piezo actuator ( 30 ) to carry out an injection process, characterized in that when the piezo actuator ( 30 ) expands and / or contracts, a stroke ratio takes place while the stroke of the piezo actuator ( 30 ) is transmitted to the valve needle ( 20 ). 15. Einspritzverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezo- Aktuator (30) durch die einzuspritzende Flüssigkeit gekühlt wird.15. Injection method according to claim 14, characterized in that the piezo actuator ( 30 ) is cooled by the liquid to be injected. 16. Einspritzverfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilnadel (20) und/oder der Piezo-Aktuator (30) zur Vorspannung mit dem Druck einer Flüssigkeit beaufschlagt sind.16. The injection method according to claim 14 or 15, characterized in that the valve needle ( 20 ) and / or the piezo actuator ( 30 ) are acted upon by prestressing with the pressure of a liquid. 17. Hebelelement zur Kraftübertragung zwischen einem Aktuator und einem verschiebbaren Element, insbesondere zur Betätigung eines Piezo-Injektors, dadurch gekennzeichnet, daß das Nebelelement (50) scheibenförmig ausgestaltet ist, wobei radial verlaufende Schlitze (58) das Hebelelement (50) in eine Vielzahl von Segmenten (63) unterteilt, die Hebelarme bilden.17. lever element for power transmission between an actuator and a displaceable element, in particular for actuating a piezo injector, characterized in that the fog element ( 50 ) is disc-shaped, with radially extending slots ( 58 ) the lever element ( 50 ) in a variety of Segments ( 63 ) divided, which form lever arms. 18. Hebelelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schlitze (58) jeweils von einer im Zentrum des Hebelelements (50) gelegenen Öffnung (57) zu radial weiter außen gelegenen Öffnungen (59) erstrecken, wobei eine Vielzahl der radial weiter außen gelegenen Öffnungen (59) kreisförmig um das Zentrum angeordnet sind.18. Lever element according to claim 17, characterized in that the slots ( 58 ) each extend from an opening ( 57 ) located in the center of the lever element ( 50 ) to radially further outward openings ( 59 ), a plurality of the radially further outward openings ( 59 ) are arranged in a circle around the center. 19. Hebelelement nach Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch mehrere kreisförmig angeordnete Öffnungen (59), die rund oder oval geformt sind, wobei zwischen den Öffnungen (59) gelegene Teilbereiche (64) des Hebelelements (50) elastisch verbiegbar sind, um die sich daran anschließenden Segmente (63) auszulenken.19. Lever element according to claim 17 or 18, characterized by a plurality of circularly arranged openings ( 59 ) which are round or oval in shape, partial regions ( 64 ) of the lever element ( 50 ) located between the openings ( 59 ) being elastically bendable around which deflect the adjacent segments ( 63 ). 20. Hebelelement nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem piezoelektrischen Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 13 angeordnet ist und/oder in einem Einspritzverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16 verwendet wird.20. Lever element according to one of claims 17 to 19, characterized in that it in a piezoelectric microvalve according to one of claims 1 to 13 is arranged and / or in an injection method according to one of claims 14 to 16 is used.
DE2000103892 2000-01-29 2000-01-29 Piezoelectric microvalve, in particular for fuel injection in internal combustion engines Expired - Fee Related DE10003892C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE2000103892 DE10003892C2 (en) 2000-01-29 2000-01-29 Piezoelectric microvalve, in particular for fuel injection in internal combustion engines

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE2000103892 DE10003892C2 (en) 2000-01-29 2000-01-29 Piezoelectric microvalve, in particular for fuel injection in internal combustion engines

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE10003892A1 true DE10003892A1 (en) 2001-08-30
DE10003892C2 DE10003892C2 (en) 2002-02-28

Family

ID=7629163

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE2000103892 Expired - Fee Related DE10003892C2 (en) 2000-01-29 2000-01-29 Piezoelectric microvalve, in particular for fuel injection in internal combustion engines

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE10003892C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10141136A1 (en) * 2001-04-07 2002-10-10 Continental Teves Ag & Co Ohg Hydraulic valve with smooth piezoelectric actuation, for anti-skid vehicle braking system, includes resiliently-deformable thrust transmission system
CN109185555A (en) * 2018-10-19 2019-01-11 黑龙江八农垦大学 A kind of soft robot miniature electric air valve based on 3D printing

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008017963B4 (en) 2008-04-08 2016-10-06 Airbus Defence and Space GmbH Flow control device

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3116687A1 (en) * 1981-04-28 1982-11-11 Daimler-Benz Ag, 7000 Stuttgart "ELECTRICALLY CONTROLLED ACTUATOR"
US4695034A (en) * 1984-11-27 1987-09-22 Stec Inc. Fluid control device
DE19702066C2 (en) * 1997-01-22 1998-10-29 Daimler Benz Ag Piezoelectric injector for fuel injection systems of internal combustion engines

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3116687A1 (en) * 1981-04-28 1982-11-11 Daimler-Benz Ag, 7000 Stuttgart "ELECTRICALLY CONTROLLED ACTUATOR"
US4695034A (en) * 1984-11-27 1987-09-22 Stec Inc. Fluid control device
DE19702066C2 (en) * 1997-01-22 1998-10-29 Daimler Benz Ag Piezoelectric injector for fuel injection systems of internal combustion engines

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10141136A1 (en) * 2001-04-07 2002-10-10 Continental Teves Ag & Co Ohg Hydraulic valve with smooth piezoelectric actuation, for anti-skid vehicle braking system, includes resiliently-deformable thrust transmission system
CN109185555A (en) * 2018-10-19 2019-01-11 黑龙江八农垦大学 A kind of soft robot miniature electric air valve based on 3D printing

Also Published As

Publication number Publication date
DE10003892C2 (en) 2002-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2386746B1 (en) Fuel injector
EP2960123B1 (en) Bending frame for extending the regulating distance of an actuator for a mechanically actuated component
EP1831539B1 (en) Fuel injector with direct control of the injection valve body
EP1490594B1 (en) Fuel injection valve
EP2670970B1 (en) Fuel injector
DE102008032133A1 (en) Fuel injector
WO2007116007A1 (en) Piezoelectric actuator, method for manufacturing a piezoelectric actuator, and injection system having a piezoelectric actuator of this type
EP1078157B1 (en) Fuel injection valve
EP1171708B1 (en) Injection nozzle
DE10003892A1 (en) Piezoelectric micro valve, especially for combustion engine fuel injection, has mechanical lever element causing displacement conversion between actuation element and valve needle
EP1531258A2 (en) Fuel injector
EP2833042B1 (en) Valve assembly for switching and/or regulating a media flow of an aerospace engine and aerospace engine
EP2458194B1 (en) Fuel injector valve for combustion engines
EP1404965A1 (en) Control valve for liquids
DE10002720A1 (en) Valve for controlling liquids
EP1488096A1 (en) Fuel injection valve
EP1703118B1 (en) Injector nozzle
DE102006036782B4 (en) injector
DE19858758C1 (en) Stroke transmission device and method
DE102005024721B4 (en) Common rail injector
DE102006022803A1 (en) Injection nozzle for internal combustion engine of motor vehicle, has preloading piston loaded with preloading force in preloading side, where preloading force actuates preloading piston against bypass plunger
DE10333693B3 (en) Fuel injection device for an internal combustion engine comprises a filling chamber arranged between two pistons and connected to a feed line
EP2369165A2 (en) Fuel injector
EP2930345B1 (en) Fuel injector
WO2006094950A1 (en) Fuel nozzle provided with individually controlled injection holes and fuel injector

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
D2 Grant after examination
8364 No opposition during term of opposition
8327 Change in the person/name/address of the patent owner

Owner name: DAIMLERCHRYSLER AG, 70327 STUTTGART, DE

8327 Change in the person/name/address of the patent owner

Owner name: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE

R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee