DE102004001505A1 - Dosing valve with length compensation unit - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Dosierventil mit Längenkompensationseinheit beschrieben, bestehend aus einem Gehäuse, einer Ventileinheit (30) zur Dosierung eines Fluids mittels eines Hubes einer Ventilnadel (1), einer Zuleitung (31) für unter Druck stehendes Fluid, einer Aktoreinheit (32) zur Erzeugung des Ventilhubes, einer Längenkompensationseinheit, die im Kraftfluss zwischen Aktoreinheit (32) und dem Gehäuse des Dosierventils zwischengeschaltet ist, wobei die Längenkompensationseinheit durch ein friktionsbasiertes Kompensationselement (33) dargestellt ist, welches aus mindestens zwei parallel zur Aktoreinheit (32) ausgerichteten und diese umschließende Rohre (18, 19), die mittels einer Spielpassung ineinander geführt sind, wobei zwischen den Rohren ein hochviskoses Fluid oder ein Fluid mit dilatanten Eigenschaften vorhanden ist.It becomes a metering valve with length compensation unit described, consisting of a housing, a valve unit (30) for metering a fluid by means of a stroke of a valve needle (1), a supply line (31) for pressurized fluid, an actuator unit (32) for generating the valve lift, a length compensation unit, in the power flow between the actuator unit (32) and the housing of the Metering valve is interposed, wherein the length compensation unit represented by a friction-based compensation element (33) which is composed of at least two parallel to the actuator unit (32) aligned and surrounding these tubes (18, 19) by means of a game fit are guided into each other, wherein between the Tubes a highly viscous fluid or a fluid with dilatant properties is available.
Description
Die Erfindung betrifft ein Dosierventil mit Aktoreinheit, Ventileinheit, Fluidzuführung und Längenkompensationseinheit.The The invention relates to a metering valve with actuator unit, valve unit, fluid supply and length compensation unit.
Mechanische Bauteiltoleranzen, temperaturbedingte und druckbedingte Längenänderungen, Alterungseffekte, insbesondere des Piezoelektrischen Multilayer Aktors (PMA), wirken sich unmittelbar auf den Öffnungshub eines Fluidventils aus und damit auf dessen Dosiermenge. Insbesondere der PMA wirft hinsichtlich der thermischen Längenkompensation mit herkömmlichen Methoden, wie z.B. mit geeigneter Werkstoffkombination, praktisch nicht lösbare Probleme auf.mechanical Component tolerances, temperature-related and pressure-related changes in length, Aging effects, in particular of the piezoelectric multilayer Actuator (PMA), directly affect the opening stroke of a fluid valve out and thus on its dosage. In particular, the PMA raises in terms of thermal length compensation with conventional Methods, such as with suitable material combination, practical unsolvable problems on.
Die
durch den inversen piezoelektrischen Effekt bei Hochleistungskeramiken
erreichbare Elongation aufgrund des Anlegens einer maximal für den Dauerbetrieb
zulässigen
Feldstärke
von ca. 2 KV/mm beträgt
nur 1,2–1,4
Promille. Dies führt
bei einer typischen Baulänge
von ca. 40 mm und einem Schichtabstand von 80 μm bei 160 V angelegter Spannung zu
einer Elongation von maximal ca. 56 μm. Liegt zwischen der Aktoreinheit
und dem Gehäuse,
in das die Aktoreinheit eingebaut ist, auch nur eine minimale relative
Abweichung im effektiven thermischen Ausdehnungskoeffizienten von
Probleme entstehen, weil es praktisch nicht möglich ist die komplexe Fertigung der PMA in derart engen Toleranzen zu ges talten, dass die thermische Dehnung des PMA insgesamt in einem hinreichend engen Toleranzfeld bleibt.issues arise because it is practically impossible to manufacture complex the PMA in such close tolerances to ges talten that the thermal expansion Overall, the PMA remains in a sufficiently narrow tolerance field.
Als Bauteil mit Domänenstruktur und Hysterese hängt der thermische Längenausdehnungskoeffizient stark vom Polarisationszustand und der mechanischen und elektrischen Belastungsvorgeschichte des PMA ab, sowie von der Temperatur selbst in nichtlinearer Abhängigkeit und kann bei ein und demselben PMA Werte im Bereich von –5·10–6 1/K bis zu +7·10–6 1/K annehmen.As a device with domain structure and hysteresis, the coefficient of thermal expansion strongly depends on the state of polarization and the mechanical and electrical load history of the PMA, as well as on the temperature itself in nonlinear dependence, and can have values in the range of -5 · 10 -6 1/1 for one and the same PMA. K up to + 7 · 10 -6 1 / K.
Als wirksame Maßnahme zur Kompensation von Bauteiltoleranzen und Längenänderungen sind im Stand der Technik hydraulische Elemente in Form von hydraulischen Lagern bekannt, wie z.B. in der Patentschrift DE-C-199 40 055 beschrieben. Varianten davon weisen zusätzlich einen hydraulischen Übersetzer auf, wie es z.B. in der Patentanmeldung DE-A-100 39 424 gezeigt wird.When effective measure to compensate for component tolerances and changes in length are in the Technology hydraulic elements known in the form of hydraulic bearings such as. described in the patent DE-C-199 40 055. variants additionally have a hydraulic translator on, as e.g. shown in the patent application DE-A-100 39 424 becomes.
Das hydraulische Kompensationselement besteht aus einer ölbefüllten Hydraulikkammer, die einerseits durch ein Zylindergehäuse und andererseits durch einen in Form einer engen Spielpassung eingepassten Hydraulikkolben begrenzt ist. Über die enge Spielpassung und/oder eine Drosselbohrung steht die Hydraulikkammer mit einem Speichervolumen in Verbindung. Das Speichervolumen dient einerseits als Ausgleichsbehälter, in das oder von dem Öl überströmt, wenn sich die Höhe der Hydraulikkammer ändert und andererseits als Kompensator für die thermische Volumenänderung des Ölvolumen selbst. Der Speicherraum muss einen vorher einstellbaren Grunddruck über den Kompensationsweg und den vollen Temperaturbereich möglichst konstant halten. Das gesamte Ölvolumen muss hermetisch dicht eingeschlossen sein und darf keine Gasblasen enthalten.The hydraulic compensation element consists of an oil-filled hydraulic chamber, on the one hand by a cylinder housing and on the other hand by a fitted in the form of a tight clearance hydraulic piston is limited. about the tight clearance and / or a throttle bore is the hydraulic chamber with a storage volume in connection. The storage volume is used on the one hand as a surge tank, in or overflowed by the oil, though the height the hydraulic chamber changes and on the other hand as compensator for the thermal volume change of the oil volume itself. The storage space must have a previously adjustable basic pressure over the Compensation path and the full temperature range as possible keep constant. The total oil volume must be hermetically sealed and must not contain any gas bubbles contain.
Der Kompensationsweg bei einem hydraulischen Kompensationselement wird unter anderem von der Höhe der Hydraulikkammer in axialer Richtung beschränkt und beträgt bei typischen Anwendungen max. ± 200 μm. Die mechanische Steifigkeit c der Hydraulikkammer ist proportional zur Querschnittsfläche A der Hydraulikkammer und umgekehrt proportional zur Kammerhöhe h und zur Kompressibilität k des Fluids (nach der Beziehung c = A / (k·h)). Mit zunehmender Kammerhöhe h sinkt die mechanische Steifigkeit c der Hydraulikkammer so stark ab, dass die dynamischen Eigenschaften des Piezoantriebes inakzeptabel stark beeinträchtigt werden. Ein genaues Einjustieren eines HK ist daher unabdingbar.Of the Compensation path at a hydraulic compensation element is among other things from the height The hydraulic chamber is limited in the axial direction and is at typical Applications max. ± 200 μm. The mechanical Stiffness c of the hydraulic chamber is proportional to the cross-sectional area A of Hydraulic chamber and inversely proportional to the chamber height h and for compressibility k of the fluid (according to the relationship c = A / (k · h)). With increasing chamber height h decreases the mechanical stiffness c of the hydraulic chamber so strong that the dynamic characteristics of the piezo drive are unacceptably strong impaired become. An exact adjustment of a HK is therefore essential.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Längenkompensationseinheit mit im Vergleich zum Stand der Technik erhöhtem Kompensationsweg und wesentlich vereinfachtem Aufbau bereitzustellen.Of the Invention is based on the object, a length compensation unit with Compared with the prior art increased compensation path and essential to provide a simplified structure.
Lösungen ergeben sich aus der jeweiligen Merkmalskombination von Anspruch 1 bzw. 2.Solutions result arising from the respective combination of features of claim 1 or Second
Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.advantageous Embodiments can the dependent claims be removed.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein friktionsbasiertes Kompensationselement (FK) zur Integration maximaler Funktionalität bei gegebenen Bauraumbedingungen als Länqenausgleichselement einsetzbar ist. Die besondere Konstruktion gewährleistet die Möglichkeit des separaten Aufbaus, Tests und den entsprechenden Einbau.The invention is based on the finding that a friction-based compensation element (FK) can be used as a length compensation element for the integration of maximum functionality under given installation space conditions. The special one Construction ensures the possibility of separate construction, testing and installation.
Das
erfindungsgemäße Friktionsbasierte Kompensationselement
(FK) ist den bekannten Konzepten Hydraulischer Kompensatoren (HK)
in folgenden Eigenschaften überlegen:
Der
Bauraum, insbesondere die Länge
eines Aktors, wird bei Anwendung eines FK gegenüber Aktor mit HK deutlich reduziert,
da sich das HK in der Länge immer
an den Aktor anschließen
muss, während beim
FK nur ein zusätzliches
Rohr geringer Wandstärke
nötig ist,
das die Aktoreinheit umfasst. Daher entsteht lediglich ein geringer
zusätzlicher
Platzbedarf im Durchmesser.The friction-based compensation element (FK) according to the invention is superior to the known concepts of hydraulic compensators (HK) in the following properties:
The installation space, in particular the length of an actuator, is significantly reduced when using a FK compared to actuator with HK, as the HK must always connect to the actuator in length, while the FK only an additional pipe of small wall thickness is necessary, which is the actuator includes. Therefore, only a small additional space requirement arises in the diameter.
Der Aufbau eines FK ist wesentlich einfacher als der eines HK. Beim FK ist nur eine enge Zylinderpassung erforderlich. Auf eine Druckbeaufschlagung des Ölvolumens wie im HK kann verzichtet werden. Das ölgefüllte Volumen beim FK muss nicht gasblasenfrei sein. Ein Lufteinschluss dient gerade dazu, die thermische Volumenausdehnung der Ölfüllung abzufangen. Der Kompensationsweg bei einem FK ist nahezu unbeschränkt. Daher entsteht praktisch kein Aufwand für die Einstellung eines FKs.Of the Building a FK is much easier than a HK. At the FK requires only a tight cylinder fit. On a pressurization of the oil volume as in the HK can be waived. The oil-filled volume at the FK does not have to be free of gas bubbles. An air entrapment is just to the thermal Intercept volume expansion of the oil filling. The compensation path for a FK is almost unlimited. Therefore There is practically no effort to hire a FK.
Die sichere Rückstellung des Dosierventils in den geschlossenen Zustand bzw. in den Ruhezustand mittels einer Rückstellfeder geschieht durch eine entsprechende Kraft, die in die Ventileinheit eingeleitet wird. Die Einleitung kann direkt auf die Ventileinheit oder sehr vorteilhaft über das FK auf die Ventileinheit geschehen. So kann die Schließkraft mechanisch oder hydraulisch (durch das FK) aufgebracht werden, wobei sich beide Anteile zur Schließkraft summieren. Der mechanische Anteil, der durch die Rückstellfeder aufgebracht wird, dient zum sicheren Verschluss des Ventils im drucklosen Zustand des Injektors. Ein Auslaufen von Fluid aus dem Injektors kann somit auch beim abgestellten Motor zuverlässig verhindert werden.The safe provision of the metering valve in the closed state or in the idle state by means of a return spring happens by an appropriate force in the valve unit is initiated. The introduction can be directly to the valve unit or very beneficial over the FK on the valve unit happen. So the closing force can be mechanical or hydraulically (by the FK), both being Shares to the closing force sum up. The mechanical part, by the return spring is applied, serves to secure closure of the valve in the pressureless Condition of the injector. Leakage of fluid from the injector can thus be reliably prevented even when parked engine.
Durch den Einsatz von konzentrisch geführten Rohren im FK kann durch deren offene Stirnseiten ein elektrischer Anschluss nach außen geführt werden.By the use of concentric guided Tubes in the FK can by their open end faces an electrical Connection to the outside be guided.
Die Ausbildung einer Mantelstromkühlung ist zur gleichmäßigen Ausbildung des Kühlstroms und zur vollständigen Kühlung der Aktoreinheit besonders vorteilhaft.The Formation of a jacket current cooling is for even education the cooling flow and to the full cooling the actuator unit particularly advantageous.
Zur Abführung der Verlustwärme aus dem Aktorantrieb wird insbesondere ein inertes Fluid, welches nicht korrosiv wirkt, eingesetzt. Dieses umschließt den Aktor und bindet diesen wärmetechnisch nach außen an.to removal the heat loss from the actuator drive in particular an inert fluid which not corrosive, used. This encloses the actor and binds this thermally outward at.
Ein Metallbalg dient zur Trennung zwischen dem unter erhöhtem Fluiddruck stehenden Bereich der Ventileinheit von dem mit niedrigerem Druck beaufschlagten Bereich der Aktoreinheit und als Durchführungselement für die Ventilnadel von der Aktoreinheit zur Ventileinheit. Weiterhin wird zum Schutz des Metallbalges vor Druckwellen eine zwischen Metallbalg und mit Fluiddruck beaufschlagtem Bereich der Ventileinheit positionierte Spielpassung ausgebildet.One Metal bellows are used to separate between under increased fluid pressure standing area of the valve unit of the lower pressure acted upon area of the actuator unit and as a lead-through element for the Valve needle from the actuator unit to the valve unit. Continue to protect the metal bellows against pressure waves between a metal bellows and positioned with fluid pressure applied area of the valve unit Training fit trained.
Ein friktions-basiertes Kompensationselement (FK) zum Toleranz- und Längenausgleich für Piezoantriebe wird als Fluid zwischen den beteiligten Bauelementen eine Substanz mit einer definierten Viskosität η enthalten. Diese Viskosität ist insbesondere von der Friktionsfläche A abhängig. Die Festlegung der Viskosität η erfolgt aus folgender Formel:, wobei ν die relative Geschwindigkeit der Friktionspartner (Bauteile) gegeneinander, F die über das Friktionslager übertragene Kraft (Scherkraft) und δ das zwischen den beteiligten Bauelementen vorliegende Spaltmaß bedeuten. Eine Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich aus durch die Ausnützung der Eigenschaften einer hoch viskosen Flüssigkeit, die langsame Relativbewegungen zulässt und bei schnellen Relativbewegungen wie ein hartes Lager wirkt.A friction-based compensation element (FK) for tolerance and length compensation for piezo drives will contain as fluid between the components involved a substance with a defined viscosity η. This viscosity is dependent in particular on the friction surface A. The viscosity η is determined from the following formula: , where ν is the relative velocity of the friction partners (components) against each other, F the force transmitted via the friction bearing (shear force) and δ the gap between the components involved. A solution to the problem arises from the exploitation of the properties of a highly viscous liquid, which allows slow relative movements and acts in rapid relative movements as a hard bearing.
Bei einem vom Aufbau her identischen Dosierventil mit Längenkompensationseinheit kann anstelle eines hoch viskosen Fluids, welches sich zwischen den beteiligten Bauelementen befindet, ein Fluid mit dilatanten Eigenschaften zwischengeschaltet sein. Die Vorteile liegen in diesem Fall ebenso in der Erhöhung des Kompensationsweges, der im Wesentlichen auf der mechanischen Konstruktionsweise begründet ist. Der Einsatz eines dilatanten Fluids ist mit weiteren besonderen Vorteilen verbunden. Während beim Einsatz einer herkömmlichen hoch viskosen Flüssigkeit, die beispielsweise eine Viskosität η =1000Ns/m2 aufweist, ist beispielsweise ein Spaltmaß von 10 μm notwendig. Damit ist die gewünschte Funktionsweise des friktions-basierten Kompensationselementes optimal eingestellt. Die dazu notwendige Herstellungsgenauigkeit für die beteiligten Bauelemente bzw. für die Befüllung mit dem Gleitmittel stellen jedoch hohe Anforderungen an die Fertigung eines solchen Lagers. Die Ausführung eines friktions-basierten Lagers ist durch geringe Spaltmaße und durch langwierige Befüllung mit einem Gleitmittel gekennzeichnet und sehr aufwändig.In a structurally identical metering valve with length compensation unit, instead of a highly viscous fluid, which is located between the components involved, a fluid with dilatant properties can be interposed. The advantages in this case are also in the increase of the compensation path, which is essentially based on the mechanical construction method. The use of a dilatant fluid is associated with other particular advantages. While using a conventional highly viscous liquid, for example, has a viscosity η = 1000Ns / m 2 , for example, a gap of 10 microns is necessary. This optimally sets the desired mode of operation of the friction-based compensation element. However, the necessary manufacturing accuracy for the components involved or for the filling with the lubricant make high demands on the production of such a bearing. The design of a friction-based bearing is characterized by small gaps and by lengthy filling with a lubricant and very expensive.
Eine
andere Lösung
der gestellten Aufgabe beinhaltet die Verwendung eines dilatanten
Fluids zwischen den entsprechend zusammenwirkenden Bauelementen
des friktions-basierten Kompensationselementes. Ein dilatantes Fluid
weist im Gegensatz zu einem hoch viskosen Newton'schen Fluid ein wesentlich anderes Verhalten
auf. Bei einer dilatanten Flüssigkeit
bewirkt ein Anstieg der Scherrate ein Ansteigen der Viskosität bis hin
zu festkörperähnlichen
Eigenschaften. Die Vorteile der Verwendung eines solchen Fluids
sind folgende:
Die Befüllung
des Systems ist unproblematisch, da die Fluide ohne aufgebrachte
Scherspannungen niedrig viskos sind, das Spaltmaß der beteiligten Bauelemente
kann größer gewählt werden,
da die Viskosität
unter hohen Scherraten deutlich zunimmt und größer werden kann als die der
bisher eingesetzten Öle,
die in der Regel bis zu Werten von η = 2000Ns/m2 beträgt.Another solution to the problem involves the use of a dilatant fluid between the corresponding cooperating components of the friction-based compensation element. A dilatant fluid points in the opposite direction Set up a significantly different behavior to a highly viscous Newtonian fluid. For a dilatant fluid, an increase in shear rate causes the viscosity to increase to solid-like properties. The advantages of using such a fluid are as follows:
The filling of the system is not a problem, since the fluids are low viscous without applied shear stresses, the gap of the components involved can be made larger, since the viscosity at high shear rates significantly increases and can be greater than that of the previously used oils, which usually is up to values of η = 2000Ns / m 2 .
Ferner ist anzumerken, dass das Verhalten einer dilatanten Substanz den Anforderungen des FKs dahingehend entspricht, dass langsam ablaufende Vorgänge wie die Kompensation von Längenänderungen oder Bauteiltoleranzen bei geringer Scherrate stattfinden. Somit werden nur sehr geringe Kräfte im Lager übertragen und eine Längskompensation ist möglich. Bei schnellen Änderungen in Längsrichtung wie bei dem Antrieb eines piezoelektrischen Motors oder einem Fluidventil, entstehen hohe Scherraten. Die entsprechenden Kräfte werden durch das Lager in diesem Fall aufgrund der erhöhten Viskosität übertragen.Further It should be noted that the behavior of a dilatant substance causes the Requirements of the FKs to this corresponds to that slowly expiring operations like the compensation of length changes or component tolerances occur at a low shear rate. Consequently only very small forces transferred in the warehouse and a longitudinal compensation is possible. For fast changes longitudinal as with the drive of a piezoelectric motor or a fluid valve, arise high shear rates. The corresponding forces are transmitted through the bearing in this case due to the increased Transfer viscosity.
Im Folgenden werden detaillierte Beschreibungen von besonders vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung unter Bezug auf die begleitenden Figuren wiedergegeben:in the The following are detailed descriptions of particularly advantageous Embodiments of the invention with reference to the accompanying figures reproduced:
Das im Folgenden detailliert beschriebene friktionsbasierte Kompensationselement (FK) stellt eine Weiterentwicklung und Optimierung des genannten Standes der Technik hinsichtlich der Integration maximaler Funktionalität bei gegebenen Bauraumbedingungen dar, wie vorgeschriebene Bauhöhe, Außendurchmesser und einfacher Aufbau als modulare Einheit. Dieses kann separat aufgebaut, getestet und verbaut werden.The in the following, friction-based compensation element described in detail (FK) represents a further development and optimization of the mentioned Prior art with regard to the integration of maximum functionality given Installation space conditions, such as prescribed height, outside diameter and easier Construction as a modular unit. This can be built separately, tested and be installed.
Das
erfindungsgemäße FK ist
den bekannten Konzepten Hydraulischer Kompensatoren (HK) in folgenden
Eigenschaften überlegen:
Der
Bauraum, insbesondere die Länge
des Piezoantriebes, wird bei Anwendung eines FK gegenüber einem
Piezoantrieb mit HK deutlich reduziert, da das HK in der Länge immer
an den Piezoantrieb anschließen
muss, während
beim FK nur ein zusätzliches Rohr
geringer Wandstärke,
das die Aktoreinheit umfasst, erforderlich ist. Daher entsteht lediglich
ein geringer zusätzlicher
Platzbedarf im Durchmesser.The FK according to the invention is superior to the known concepts of hydraulic compensators (HK) in the following properties:
The space, in particular the length of the piezo drive, is significantly reduced when using a FK compared to a piezo drive with HK, since the HK always has to connect in length to the piezo drive, while in FK only an additional tube of small wall thickness, which includes the actuator unit, is required. Therefore, only a small additional space requirement arises in the diameter.
Der Aufbau eines FK ist wesentlich einfacher als der eines HK.Of the Building a FK is much easier than a HK.
Hingegen ist beim FK nur eine enge Zylinderpassung erforderlich. Auf eine Druckbeaufschlagung des Ölvolumens kann verzichtet werden. Das mit einem hochviskosen Öl gefüllte Volumen muss nicht gasblasenfrei befüllt sein. Ein Lufteinschluss dient gerade dazu, die thermische Volumenausdehnung der Ölfüllung abzufangen.On the other hand is the FK only a tight cylinder fit required. On a Pressurization of the oil volume can be dispensed with. The volume filled with a high viscosity oil does not have to be filled without gas bubbles be. An air inclusion serves just to absorb the thermal expansion of the oil volume.
Der Kompensationsweg bei einem FK ist hingegen nahezu unbeschränkt. Daher entsteht praktisch kein Aufwand für dessen Einstellung.Of the Compensation path for a FK, however, is almost unlimited. Therefore There is practically no effort for its setting.
Der
Aufbau und die Funktion des erfindungsgemäßen FK in einem Piezoelektrischen
Benzin (Gasoline) Direkt Injektor, PGDI, wird anhand von
Der Aufbau eines Dosierventils umfasst ein Gehäuse mit folgenden funktionalen Bestandteilen:
- 1) Ventileinheit
- 2) Aktoreinheit
- 3) Längenkompensationseinheit
- 4) Fluidzufuhr/Kraftstoffzufuhr
- 1) Valve unit
- 2) actuator unit
- 3) Length compensation unit
- 4) fluid supply / fuel supply
1. Ventileinheit:1st valve unit:
Die
Ventileinheit besteht aus einer Ventilnadel
Durch
das schnelle Öffnen
und Schließen des
Kegelstrahlventils werden Druckschwankungen hoher Amplitude und
Frequenz (Druckwellen) im Kraftstoff induziert, die einen Metallbalg
stark schädigen
und zu seinem verfrühten
Ausfall führen.
Als experimentell erwiesene und wirksame Maßnahme ist der Metallbalg oberhalb
der Passung
Durch
eine weiche, druckvorgespannte Rückstellfeder
Der
Ventilkörper
Die Ventileinheit ist bis zu dem bis jetzt beschriebenen Zustand als separate Einheit montierbar und mit Hilfe geeigneter Vorrichtungen in ihrer Funktion prüfbar, wie z.B. auf Dichtheit der Schweißnähte, Dichtheit des Kegelstrahlventils, Ausbildung und Eigenschaften des Kegelstrahles, was Kosten spart, da mangelhafte Ventilgruppen sofort ausgesondert werden können und Fehler nicht erst an einem vollständigen Injektor nachgewiesen werden, wodurch der gesamte Injektor verworfen werden müsste.The Valve unit is up to the state described so far as separate unit mountable and with the help of suitable devices in their function testable, such as. on tightness of the welds, tightness of the cone jet valve, Training and characteristics of the cone beam, which saves costs, because defective valve groups can be eliminated immediately and Error not detected on a complete injector which would mean discarding the entire injector.
2. Aktoreinheit:2nd actuator unit:
Die
Aktoreinheit besteht aus dem Piezoelektrischen Multilayer Aktor,
PMA
Durch den Polungsvorgang werden zunächst planare Stirnflächen ballig ausgebildet. Ohne oder bei nur geringer Druckvorspannung ist nur ein Bruchteil der PMA Stirnfläche auf Anlage mit der entsprechenden Gegenfläche auf der Kopf- oder Bodenplatte und bewirkt eine mechanisch weiche Kopplung. Eine hinreichend hohe Druckkraft bewirkt durch elastische Deformation das Schließen der Spalte und damit eine ganzflächige Anlage der Stirnflächen an den entsprechenden Gegenflächen und somit eine mechanisch steife Ankopplung.By the poling process will be first planar faces crowned. Without or with only low compression preload is only a fraction of the PMA face area on attachment with the corresponding one counter surface on the top or bottom plate and causes a mechanically soft Coupling. A sufficiently high compressive force caused by elastic Deformation closing the column and thus a whole-area Plant of the end faces at the corresponding mating surfaces and thus a mechanically rigid coupling.
Die
Kopfplatte
Die Aktoreinheit kann ebenfalls als separates Modul elektrisch und mechanisch geprüft werden, bevor es in einen Injektor eingebaut wird.The Actuator can also as a separate module electrically and mechanically checked before it is installed in an injector.
3. Längenkompensationseinheit:3. Length compensation unit:
Der
Längenkompensator
besteht in einer bevorzugten Ausführung für die Anwendung im beschriebenen
Dosierventil aus zwei konzentrischen Rohren, dem Innenrohr
Beim Einsatz eines dilatanten Fluide zwischen einem Innenrohr und einem Außenrohr einer friktions-basierten Längenkompensationseinheit werden ebenfalls mechanische Kräfte für den Fall übertragen, dass hohe Relativgeschwindigkeiten vorliegen.At the Use of a dilatant fluid between an inner tube and a outer tube a friction-based length compensation unit also mechanical forces for the Transfer case, that high relative speeds are present.
Nachteilige Längenänderungen und Bauteiletoleranzen verschiedener Bauelemente können ausgeglichen werden, indem langsame Relativbewegungen nicht von der Einheit abgestützt, sondern ausgeglichen werden. Rheologisch gesehen fließen Fluide normalerweise beim Einwirken äußerer Kräfte, beispielsweise entsprechend der Newton'schen Scherkraftformel. Die Viskosität eines dilatanten Fluids ist abhängig von dem Betrag der Scherkräfte, die in dieses Fluid eingebracht werden. Mit zunehmender Scherrate steigt die Viskosität bis hin zu festkörperähnlichen Eigenschaften. Falls nun ein Hub eines piezoelektrischen Aktors, der nur wenige μm ausmacht, von einem friktions-basierten Kompensationselement abgestützt werden soll, müssen derartige Reaktionen innerhalb des Fluids ausreichend schnell ablaufen. Dies ist der Fall, da Viskositätsänderungen in dilatanten Fluiden im Millisekundenbereich vonstatten gehen. Anders ausgedrückt reagiert ein derartiges Fluid dilatant und nicht pseudoplastisch. Als Ergebnis liegt in diesem Fall ein steifes Lager zum Abstützen des Aktorhubes vor.Adverse changes in length and component tolerances of various components can be compensated by slow relative movements are not supported by the unit, but balanced become. Rheologically, fluids usually flow when Influence of external forces, for example according to Newton's shear force formula. The viscosity a dilatant fluid is dependent from the amount of shear forces, which are introduced into this fluid. With increasing shear rate the viscosity increases to solid-like Properties. If now a stroke of a piezoelectric actuator, the only few μm be supported by a friction-based compensation element should, must Such reactions proceed sufficiently fast within the fluid. This is the case because viscosity changes in dilatant fluids in the millisecond range. In other words such a fluid reacts dilatantly and not pseudoplastic. As a result, in this case, a rigid bearing for supporting the Aktorhubes ago.
Typischerweise
wird, wie in
4. Die Kraftstoffzufuhr:4. The fuel supply:
Die
Kraftstoffversorgung besteht aus einem Einlassverbinder/Inletfitting
Diese
Art der konzentrischen Kraftstoffzufuhr ermöglicht eine optimale Verlustwärmeabfuhr
vom PMA über
das Innenrohr
Die Elastizität des Außen- und Mantelrohres stellt einen effizienten, injektorinternen Druckspeicher dar, der die durch das schnelle Öffnen und Schließen des Kegelstrahlventils ausgelösten Druckwellen optimal dämpft.The elasticity of the foreign and jacket tube provides an efficient, injector-internal accumulator that's the result of the quick opening and closing triggered the cone jet valve Optimally dampens pressure waves.
Das
Inletfitting
Eine
mechanische Gleichstellung zwischen mehreren Injektoren ist somit
erreichbar. Die Innenbohrung der Hohlschraube
Funktion
des friktionsbasierten Kompensationselementes FK im Injektor bzw.
Dosierventil Grundsätzlich
können
keine statischen Kräfte
durch ein derartiges FK zwischen den beiden Rohren, dem Innenrohr
Die Funktion des FK basiert darauf, dass es die Kopplung durch viskose Reibung erlaubt, kurzzeitig hohe Kräfte bei hoher mechanischer Steifigkeit zu übertragen, wobei während der Zeitspanne der Kraftwirkung verglichen mit der Aktorauslenkung nur eine vernachlässigbare Relativverschiebung zwischen den Rohren auftritt. Die mechanische Steifigkeit des FK wird durch die mechanischen Steifigkeiten der beiden Rohre festgelegt. Sehr langsame Relativverschiebungen zwischen den Rohren finden praktisch kräftefrei statt.The Function of the FK is based on the fact that it is the coupling through viscous Friction allows short-term high forces with high mechanical To transmit rigidity while during the period of the force effect compared to the Aktorauslenkung only a negligible Relative displacement between the pipes occurs. The mechanical Stiffness of the FK is due to the mechanical stiffnesses of the two Tubes set. Very slow relative shifts between the Pipes are practically free of forces instead of.
Daher ist das FK zum Einsatz in kurzzeitig arbeitenden Schaltventilen oder auch periodisch arbeitenden Schaltventilen einsetzbar, wobei die Phase der Kraftübertragung verglichen mit der Aktorauslenkung nur zu einer vernachlässigbaren Relativverschiebung zwischen den Rohren im FK führt.Therefore is the FK for use in short-term operating switching valves or periodically operating switching valves can be used, wherein the phase of power transmission compared to the Aktorauslenkung only to a negligible Relative displacement between the tubes in the FK leads.
Bei Einspritzventilen für Verbrennungsmotoren treten Phänomene mit hinreichend unterschiedlichen Zeitskalen auf:
- 1. Typische Einspritzzeiten von ca. 1 ms – 3 ms, in der das FK hohe Kräfte übertragen muss.
- 2. Langsame thermische Vorgänge im Sekunden- bis Minutenbereich, wobei Ausgleichsvorgänge im FK praktisch ungehindert d.h. kräftefrei stattfinden.
- 1. Typical injection times of approx. 1 ms - 3 ms, in which the FK must transmit high forces.
- 2. Slow thermal processes in the second to minute range, with compensatory processes in the FK taking place virtually unhindered, ie without forces.
Für Newton'sche Flüssigkeiten
gilt die Scherkraftformel:
- F
- Scherkraft, entspricht im Injektor der typischen Schließkraft FS ≤ 200 N,
- A
- Flächeninhalt der Scherfläche A = π·d·l mit typischen Dimensionen d = 11 mm; l = 60 mm, ⇒ A = 2073·10–6 m2,
- v
- Relativgeschwindigkeit zwischen den Scherflächen, v < 1 μm/ms, v < 1·10–3 m/s
- δ
- Abstand der Scherflächen typisch δ < 10·10–6 m, ⇒ η ≥ 200·10·10–6 Nm/(2073·10–6 m2·1·10–3 m/s) ⇒ η ≥ 965 Ns/m2.
- F
- Shearing force, corresponds to the typical closing force F S ≤ 200 N in the injector,
- A
- Area of the shear surface A = π · d · l with typical dimensions d = 11 mm; l = 60 mm, ⇒ A = 2073 x 10 -6 m 2 ,
- v
- Relative velocity between the shear planes, v <1 μm / ms, v <1 · 10 -3 m / s
- δ
- Spacing surface typical δ <10 × 10 -6 m, ⇒ η ≥ 200 × 10 × 10 -6 Nm / (2073 × 10 -6 m 2 × 1 × 10 -3 m / s) ⇒ η ≥ 965 Ns / m 2 .
Im ungünstigsten Fall muss die Viskosität η mindestens 965 Ns/m2 betragen. Durch hochviskose Öle wie z.B. Baysilone M 2 000 000 (Handelsname) wird eine Viskosität von ca. 2000 Ns/m2 bereitgestellt und die erforderliche Mindestviskosität von 956 Ns/m2 unter allen Betriebsbedingungen sicher eingehalten.In the worst case, the viscosity η must be at least 965 Ns / m 2 . By high-viscosity oils such as Baysilone M 2 000 000 (trade name), a viscosity of about 2000 Ns / m 2 is provided and the required minimum viscosity of 956 Ns / m 2 safely maintained under all operating conditions.
Wiederholt
auftretende Kraftwirkungen auf das FK kumulieren, indem sich der
Verschiebeweg zwischen den Rohren addiert. Daher ist ein Rückstellmechanismus
für das
Innenrohr (
Wird
der PMA (
Da
sich das Innenrohr
Im
FK wirkt diese Kraft nach unten, d.h. sie bewirkt eine Rückstellung
des Innenrohres
Durch die zusätzliche Schließkraft dF wird ein Rückstellmechanismus bereitgestellt.By the extra closing force dF becomes a return mechanism provided.
Im
Injektorbetrieb, verbunden mit periodischem Öffnen- und Schließen, stellt
sich ein dynamisches Gleichgewicht derart ein, dass die Drift des
Innenrohres
Sehr
langsame Relativverschiebungen zwischen dem Innenrohr
Vorteile eines FK (friktionsbasierten Kompensationselementes) in einem unter Druck direkt einspritzenden Injektor:
- 1) sehr geringer Bauraumbedarf
- 2) sehr einfacher Aufbau aus nur zwei ineinander eingepassten Rohren
- 3) Mehrfachnutzung des Injektor-Außenrohres als Teil der konzentrischen Kraftstoffzufuhr und Teil des Kompensators
- 4) Mehrfachnutzung der Ölbefüllung im
FK zur optimalen Verlustwärmeabfuhr
vom PMA über
das Innenrohr
18 und das Außenrohr19 zum Kraftstoff und zur mechanischen Kopplung des Innenrohres zum Außenrohr mittels viskoser Reibung. - 5) Es ist praktisch kein Aufwand zur Justage des FK nötig.
- 6) Eine Ölbefüllung muss nicht blasenfrei sein.
- 7) Der FK benötigt keine Druckbeaufschlagung zur Sicherstellung seiner Funktion.
- 8) Eine hochviskose Ölbefüllung oder ein dilatantes Fluid können auf einfache Weise im Injektorinnenraum eingeschlossen werden.
- 9) Einfache Herausführung der elektrischen Anschlüsse zentral nach hinten.
- 10) Einfache Implementierung einer Feder zur mechanischen Kalibrierung des Injektordurchflusses.
- 1) very small space requirement
- 2) very simple construction of only two tubes fitted into each other
- 3) Multiple use of the injector outer tube as part of the concentric fuel supply and part of the compensator
- 4) Multiple use of oil filling in the FK for optimum loss heat dissipation from the PMA via the inner tube
18 and the outer tube19 to the fuel and the mechanical coupling of the inner tube to the outer tube by means of viscous friction. - 5) It is practically no effort to adjust the FK necessary.
- 6) An oil filling does not have to be bubble-free.
- 7) The FK does not require pressurization to ensure its function.
- 8) A high viscosity oil filling or dilatant fluid can be easily trapped in the injector interior.
- 9) Easy removal of the electrical connections centrally to the rear.
- 10) Simple implementation of a spring for mechanical calibration of injector flow.
Die
Ausführung
entsprechend
- a) Konstruktive Vereinfachung des Aufbaues durch
Wegfall des Federtellers
11 . - b) Einfachste Einstellung der Vorspannkraft der Rückstellfeder
durch eine Vorrichtung, mit der das Innenrohr
18 mit der gewünschten Kraft niedergedrückt wird, wobei das Verschweißen des Innenrohres18 mit der Kopfplatte14 der Aktoreinheit in diesem Zustand ermöglicht wird. - c) Die bei Schraubenfedern immer vorhandenen Seitenkräfte die bis zu ca. 20% ihrer Axialkraft betragen können werden bei dieser Variante nicht in die Ventilnadel eingeleitet.
- d) Die Schraubenfeder wird nur statisch belastet. Eine Schwingungsanregung der Feder und darauf zurückgehende Effekte werden vermieden. Eine in Resonanz geratene Schraubenfeder kann rotieren, wodurch sich die Einleitung der Querkraft in die Ventilnadel zeitlich ändert und u.a. die Strahlgeometrie des Kegelstrahles beeinflusst wird.
- a) Design simplification of the structure by eliminating the spring plate
11 , - b) Easiest adjustment of the biasing force of the return spring by a device with which the inner tube
18 is depressed with the desired force, wherein the welding of the inner tube18 with the head plate14 the actuator is enabled in this state. - c) The lateral forces which are always present in coil springs and which can be up to approx. 20% of their axial force are not introduced into the valve needle in this variant.
- d) The coil spring is loaded only statically. Vibration excitation of the spring and effects due to it are avoided. A resonant coil spring can rotate, which changes the time the shear force is introduced into the valve needle and, among other things, affects the beam geometry of the cone beam.
Erreicht werden diese Vorteile durch Einleitung der Vorspannkraft der Rückstellfeder in das Innenrohr anstatt in das obere Ende der Ventilnadel.Reached These advantages are achieved by introducing the biasing force of the return spring in the inner tube instead of in the upper end of the valve needle.
Die Auswahl der hochviskosen Fluide für das FK ist nicht auf Silikonöle beschränkt. Es können auch Fette, tixotrope oder auch rheopexe Fluide zum Einsatz kommen.The Selection of high viscosity fluids for the FK is not limited to silicone oils. It can also Fats, tixotropic or even rheopexe fluids are used.
Ebenso ist der Einsatz eines dilatanten Fluids mit Vorteilen verbunden. Hier bewirkt der Anstieg der Scherrate ein Ansteigen der Viskosität des Fluids bis hin zu festkörperähnlichen Eigenschaften. Da diese fluidinternen Eigenschaftsänderungen im Millisekundenbereich ablaufen, lassen sie sich für die Zwecke eines friktions-basierten Längenkompensationselementes ausnützen.As well the use of a dilatant fluid is associated with benefits. Here, the increase in the shear rate causes the viscosity of the fluid to increase towards solid-like Properties. Because these fluid-internal property changes Expire in the millisecond range, let them for the purpose a friction-based length compensation element exploit.
Weiterhin ist die Anwendung des FK nicht auf piezoelektrische Antriebe beschränkt. Es ist ebenso vorteilhaft bei allen Arten von Festkörperaktoren wie z.B. bei magnetostriktiven oder elektrostriktiven Aktoren einsetzbar.Farther the application of the FK is not limited to piezoelectric drives. It is also advantageous in all types of solid state actuators such as e.g. in magnetostrictive or electrostrictive actuators used.
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