DE102004001505B4

DE102004001505B4 - Dosing valve with length compensation unit

Info

Publication number: DE102004001505B4
Application number: DE200410001505
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr. Gottlieb; Oliver Hennig; Andreas Dr. Kappel; Tim Dr. Schwebel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-01-09
Filing date: 2004-01-09
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2024-01-10
Also published as: DE102004001505A1; EP1553286A1; DE502004005355D1; EP1553286B1

Abstract

Dosierventil mit Längenkompensationseinheit, bestehend aus:
– einem Gehäuse,
– einer Ventileinheit (30) zur Dosierung eines Fluids mittels eines Hubes einer Ventilnadel (1),
– einer Zuleitung (31) für unter Druck stehendes Fluid,
– einer Aktoreinheit (32) zur Erzeugung des Ventilhubes,
– einer Längenkompensationseinheit, die im Kraftfluss zwischen Aktoreinheit (32) und dem Gehäuse des Dosierventils zwischengeschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Längenkompensationseinheit durch ein friktionsbasiertes Kompensationselement (33) dargestellt ist, welches aus mindestens zwei parallel zur Aktoreinheit (32) ausgerichteten und diese umschließende Rohre (18,19), dem Innenrohr (18) und dem Außenrohr (19), besteht, die mittels einer Spielpassung ineinander geführt sind, wobei zwischen den Rohren ein hochviskoses Fluid vorhanden ist, so dass ohne Ansteuerung von außen bei schnellen Relativbewegungen die Längenkompensationseinheit wie ein steifes Lager wirkt.Dosing valve with length compensation unit, 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, which is interposed in the force flow between the actuator unit (32) and the housing of the metering valve,
characterized in that
the length compensation unit is represented by a friction-based compensation element (33), which consists of at least two parallel to the actuator unit (32) aligned and surrounding these tubes (18,19), the inner tube (18) and the outer tube (19), which by means of a Play fit are guided into each other, wherein between the tubes a highly viscous fluid is present, so that acts without control from the outside at fast relative movements, the length compensation unit as a rigid bearing.

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. B. with a suitable combination of materials, practical not solvable 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 ca. 1·10-6 1/Küber die Länge des PMA von 40 mm hinweg vor, so führt dies im automobiltechnisch relevanten Temperaturbereich von -40°C bis +140°C zu einer Abweichung der für den Ventiltrieb relevanten Referenzflächen von -2,4 μm bis zu +4,8 μm oder in Summe zu 7,2 μm und, bezogen auf die Elongation des PMA, zu einer Abweichungsbandbreite von bis zu 13%.The achievable by the inverse piezoelectric effect in high-performance ceramics elongation due to the application of a maximum permissible for continuous operation field strength of about 2 KV / mm is only 1.2-1.4 parts per thousand. This results in a typical length of about 40 mm and a layer spacing of 80 microns at 160 V applied voltage to an elongation of a maximum of about 56 microns. Is between the actuator and the housing in which the actuator is installed, even a minimum relative deviation in the effective thermal expansion coefficient of about 1 · 10 -6 1 / K over the length of the PMA of 40 mm, this results in a deviation of the reference surfaces relevant for the valve drive from -2.4 μm to +4.8 μm in the relevant automotive temperature range from -40 ° C to + 140 ° C or in total to 7.2 microns and, based on the elongation of the PMA, to a deviation bandwidth of up to 13%.

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 history of the PMA, as well as on the temperature itself in nonlinear dependence, and can have values in the range of -5 · 10 ^-6 1 / for one and the same PMA. K up to + 7 · 10 ^-6 1 / K.

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 199 40 055 C1 schrieben. Varianten davon weisen zusätzlich einen hydraulischen Übersetzer auf, wie es z.B. in der Patentanmeldung DE 100 39 424 A1 gezeigt wird.As an effective measure to compensate for component tolerances and changes in length hydraulic elements in the form of hydraulic bearings are known in the art, such as in the patent DE 199 40 055 C1 wrote. Variants thereof additionally have a hydraulic translator, as for example in the patent application DE 100 39 424 A1 will be shown.

Weiterhin ist im Stand der Technik durch die WO 03/089781 A1 ein magnethydraulischer Kompensator für Brennstoff-Injektoren offenbart. Es wird der Einsatz einer Flüssigkeit beschrieben, die bei Ansteuerung durch ein Magnetfeld einen hochviskosen bis festen Zustand einnimmt. Die zur Erzeugung des Magnetfelds notwendigen Bauteile sind jedoch mit Platzbedarf und Ansteuerungszeiten verbunden, so dass eine Miniaturisierung und eine schnelle Ansteuerung von Brennstoff-Injektoren, beispielsweise zur Brennstoffschichtung unmöglich ist.Farther in the prior art by WO 03/089781 A1 a magnethydraulischer Compensator for Fuel injectors disclosed. It will be the use of a liquid described that when driven by a magnetic field, a high-viscosity solid state. The necessary for the generation of the magnetic field However, components are associated with space requirements and activation times, so that miniaturization and fast control of Fuel injectors, for example, for fuel stratification is impossible.

In der WO 03/089781 A1 ist beispielsweise ein Dosierventil für Fluide nach der üblichen Art beschrieben, wobei mittels eines Hydrauliksystems mit einer entsprechenden Hydraulikflüssigkeit langsame Ausgleichsbewegungen möglich sind und schnelle Bewegungen von dem Hydrauliksystem abgestützt werden.In For example, WO 03/089781 A1 is a metering valve for fluids after the usual Art described, wherein by means of a hydraulic system with a corresponding hydraulic fluid slow compensation movements possible and fast movements are supported by the hydraulic system.

Das hydraulische Kompensationselement besteht aus einer ölbefüllten Hydraulikkammer, die einerseits durch ein Zylinderge häuse 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 Zylinderge 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 Längenausgleichselement einsetzbar ist. Die besondere Konstruktion gewährleistet die Möglichkeit des separaten Aufbaus, Tests und den entsprechenden Einbau.Of the The invention is based on the finding that a friction-based Compensation element (FK) for the integration of maximum functionality at given Installation space conditions as a length compensation element can be used. The special construction ensures the possibility of the separate structure, tests and the corresponding 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 existing 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. currency When 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. 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.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, unlike a highly viscous Newtonian fluid, has a significantly different behavior. 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 . Furthermore, it should be noted that the behavior of a dilatant substance corresponds to the requirements of the FK that slow processes such as the compensation of changes in length or component tolerances occur at a low shear rate. Thus, only very small forces are transmitted in the bearing and a longitudinal compensation is possible. With rapid changes in the longitudinal direction as in the drive of a piezoelectric motor or a fluid valve, resulting in high shear rates. The corresponding forces are transmitted through the bearing in this case due to the increased 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:

1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Dosierventil mit Ventileinheit, Aktoreinheit, Längenkompensationseinheit und Rückstellfeder, 1 shows a longitudinal section through a metering valve with valve unit, actuator unit, length compensation unit and return spring,

2 zeigt ein Dosierventil entsprechend 1, wobei die Rückstellfeder direkt am friktionsbasierten Kompensationselement angreift. 2 shows a metering valve accordingly 1 wherein the return spring acts directly on the friction-based compensation element.

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 1 erläutert.The structure and function of the FK invention in a piezoelectric gasoline (Gasoline) direct injector, PGDI, is based on 1 explained.

Der Aufbau eines Dosierventils umfasst ein Gehäuse mit folgenden funktionalen Bestandteilen:

1) Ventileinheit
2) Aktoreinheit
3) Längenkompensationseinheit
4) Fluidzufuhr/Kraftstoffzufuhr

The construction of a metering valve comprises a housing with the following functional components:

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 1, deren unteres Ende entsprechend der Ausrichtung in den Figuren in Form eines Ventiltellers 2 ausgebildet ist und aus einer Cartridge/Hülse 3, in deren unteres Ende ein Ventilsitz 4 eingeschliffen ist, der zusammen mit dem Ventilteller 2 ein Kegelstrahlventil bildet, wobei der Strahlkegelwinkel des austretenden Kraftstoffes durch die geometrische Ausgestaltung des Ventiltellers 2 und des Ventilsitzes 4 festgelegt werden. Die Ventilnadel 1 wird in der Hülse 3 durch zwei sehr enge Spielpassungen 5,6 axial geführt. Der Querschnitt der Ventilnadel 1 im Bereich der unteren Passung 5 weist ein oder mehrere Abflachungen auf, damit der Kraftstoff im Raum zwischen Ventilnadel und Hülsen-Innenwand von der mindestens einen Eintrittsbohrung 7 während des Einspritzvorganges ungehindert zum geöffneten Kegelstrahlventil fließen kann. Ober halb der oberen Passung 6 ist ein Metallbalg 8 an seinem unteren Ende hermetisch dichtend mit der Ventilnadel 1 und an seinem oberen Ende hermetisch dichtend mit dem Ventilkörper 9 vorzugsweise durch Verschweißen verbunden. Diese Art des Balganschlusses bewirkt, dass der unter hohem Druck stehende Kraftstoff von außen auf den Balg einwirkt. Der Einbau von Metallbälgen unter Außendruckbelastung wird von den Balgherstellern als die stabilere Variante empfohlen. Der Metallbalg 8 dient als hochdruckfestes hermetisch dichtendes, aber axial weiches Durchführungselement, das die erforderliche Bewegung der Ventilnadel 1 zum schnellen Öffnen und Schließen des Kegelstrahlventils nicht behindert. Der Metallbalg 8 besitzt einen effektiven hydraulischen Durchmesser d₁ der genau auf den Durchmesser der Dichtlinie d₂ im Kegelstrahlventil abgestimmt wird. Liegt der Kraftstoffdruck P an, so berechnet sich die vom Kraftstoffdruck P auf die Ventilnadel 1 ausgeübte Druckkraft zu F_P = π/4·(d₁ ² – d₂ ²)·P, wobei ein positives Vorzeichen eine Kraft nach oben also eine ventilschließende Kraft bedeutet. Je nach bevorzugter Auslegung der Kräftebilanz auf das Ventil kann durch Wahl von d₁ und d₂ eine öffnende, schließende oder verschwindende druckabhängige Kraft auf die Ventilnadel eingestellt werden.The valve unit consists of a valve needle 1 whose lower end according to the orientation in the figures in the form of a valve disk 2 is formed and made of a cartridge / sleeve 3 , in the lower end of a valve seat 4 ground, which together with the valve plate 2 forms a cone jet valve, wherein the jet cone angle of the escaping fuel through the geometric configuration of the valve disk 2 and the valve seat 4 Festge be laid. The valve needle 1 will be in the sleeve 3 through two very tight clearance adjustments 5 . 6 axially guided. The cross section of the valve needle 1 in the area of the lower fit 5 has one or more flats, so that the fuel in the space between the valve needle and sleeve inner wall of the at least one inlet bore 7 during the injection process can flow unhindered to the open cone jet valve. Upper half of the upper fit 6 is a metal bellows 8th at its lower end hermetically sealed with the valve needle 1 and at its upper end hermetically sealing with the valve body 9 preferably connected by welding. This type of Balganschlusses causes the high-pressure fuel from the outside acts on the bellows. The installation of metal bellows under external pressure loading is recommended by the bellows manufacturers as the more stable variant. The metal bellows 8th serves as a high-pressure resistant hermetically sealed, but axially soft lead-through element, the required movement of the valve needle 1 not hindered for quick opening and closing of the cone jet valve. The metal bellows 8th has an effective hydraulic diameter d ₁ which is precisely matched to the diameter of the sealing line d ₂ in the cone jet valve. If the fuel pressure P is applied, then the fuel pressure P is calculated on the valve needle 1 applied compressive force to F _P = π / 4 · (d ₁ ² - d ₂ ² ) · P, where a positive sign means a force upwards so a valve closing force. Depending on the preferred design of the balance of forces on the valve, an opening, closing or vanishing pressure-dependent force can be set on the valve needle by selecting d ₁ and d ₂ .

Durch das schnelle Öffnen und Schließen des Kegelstrahlventils werden Druckschwankungen hoher Amplitude und Frequenz (Druckwellen) im Kraftstoff induziert, die einen Metallbalg stark schädigen und zu seinem verfrühten Ausfall führen. Als experimentell erwiesene und wirksame Maßnahme ist der Metallbalg oberhalb der Passung 6 angeordnet, die in ihrem Querschnitt keine Abflachungen aufweist. Durch hinreichend enge Passungen können Druckwellen nicht propagieren, was den Metallbalg 8 vor den schädlichen Druckwellen schützt.The rapid opening and closing of the cone jet valve induces high amplitude and frequency (pressure wave) pressure fluctuations in the fuel that severely damage a metal bellows and lead to its premature failure. As an experimentally proven and effective measure, the metal bellows is above the fit 6 arranged, which has no flattening in its cross section. By sufficiently close fits pressure waves can not propagate what the metal bellows 8th protects against harmful pressure waves.

Durch eine weiche, druckvorgespannte Rückstellfeder 10, die sich am unteren Ende auf dem Ventilkörper 9 und am oberen Ende über einen Federteller 11 an der Ventilnadel 1 abstützt, wird eine wegunabhängige Schließkraft F_R in die Ventilnadel eingeleitet. Die Schließkraft F_S im Kegelstrahlventil zwischen Ventilteller 2 und Ventilsitz 4 setzt sich im Betrieb additiv aus dem druckabhängigen Anteil F_P und der Kraft der Rückstellfeder F_R zusammen gemäß F_S = F_P + F_R.By a soft, pressure-biased return spring 10 located at the bottom of the valve body 9 and at the top over a spring plate 11 at the valve needle 1 supported, a path-independent closing force F _{R is introduced} into the valve needle. The closing force F _S in the cone jet valve between the valve disc 2 and valve seat 4 is in operation additively from the pressure-dependent portion F _P and the force of the return spring F _R together according to F _S = F _P + F _R.

Der Ventilkörper 9 ist mit der Hülse 3 hermetisch dichtend und druckstabil vorzugsweise durch Schweißen verbunden.The valve body 9 is with the sleeve 3 hermetically sealed and pressure-stable preferably connected by welding.

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 12, der unter Druckvorspannung zwischen einer Bodenplatte 13 und einer Kopfplatte 14 in eine Rohrfeder 15 eingeschweißt ist. Die Druckvorspannung schützt den PMA im hochdynamischen Betrieb vor schädlichen Zugspannungen. Die Piezokeramik verhält sich stabil gegenüber Druckspannungen, Zugspannungen hingegen können zur Zerstörung der Piezokeramik führen. Zudem wird durch das Anlegen einer starken Druckvorspannung, typischerweise von ca. 500 N – 1000 N, der Effekt der Spaltfederung zwischen den Stirnflächen des PMA und den entsprechenden Gegenflächen der Kopfplatte 14- und Bodenplatte 13 vermieden, der zu einer weichen, mechanischen Ankopplung der Kopfplatte 14 und Bodenplatte 13 führt und daher ursächlich für Verluste in der Auslenkung der Aktoreinheit sein kann. Ursache für das Auftreten von Spaltfederung sind geometrische Abweichungen von der idealen planparallelen Geometrie der PMA Stirnflächen. Die Stirnflächen sind typisch mit einer Toleranz in der Parallelität von ca. ± 50μm gefertigt.The actuator unit consists of the Piezoelectric Multilayer Actuator, PMA 12 , which under pressure prestress between a bottom plate 13 and a headstock 14 in a bourdon tube 15 is welded. The compressive prestressing protects the PMA from damaging tensile stresses in highly dynamic operation. The piezoceramic behaves stable against compressive stresses, tensile stresses, however, can lead to the destruction of the piezoceramic. In addition, by applying a strong compressive bias, typically from about 500 N-1000 N, the effect of gap resilience between the faces of the PMA and the corresponding mating surfaces of the top plate 14 and bottom plate 13 avoided, leading to a soft, mechanical coupling of the top plate 14 and bottom plate 13 leads and therefore can be the cause of losses in the deflection of the actuator unit. Cause of the occurrence of gap suspension are geometric deviations from the ideal plane-parallel geometry of the PMA end faces. The faces are typically made with a tolerance in the parallelism of about ± 50μm.

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 14 enthält zudem Bohrungen 16, durch die die elektrischen Anschlüsse 17 des PMA zentral nach hinten aus der Aktoreinheit herausgeführt werden.The headstock 14 also contains holes 16 through which the electrical connections 17 of the PMA are led out centrally from the actuator unit.

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 18 und dem Außenrohr 19, wobei der Außendurchmesser des Innenrohres 18 nur geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Außenrohres 19, so dass beide Rohre eine enge Spielpassung bilden. Eine typische Durchmesserdifferenz liegt bei ca. 5 μm – 20 μm. Der Passungsspalt wird mit einem hochviskosen Fluid, z. B. Baysilone M 2 000 000 ausgefüllt, wodurch hohe Scherkräfte zwischen dem Innerohr 18 und dem Außenrohr 19 bei minimaler Relativgeschwindigkeit übertragen werden können. Die Verwendung von Silikonölen, wie z. B. Baysilone M, ergibt sich aus der wesentlich geringeren Abhängigkeit der Viskosität von der Temperatur beim Vergleich zwischen Silikonölen mit Mineralölen im relevanten Temperaturbereich von -40°C bis +150°C, verbunden mit der daraus resultierenden vereinfachten Auslegung des Längenkompensators. Die Verwendung anderer hochviskoser Fluide ist jedoch genauso möglich.The length compensator is in a preferred embodiment for use in the described metering valve of two concentric tubes, the inner tube 18 and the outer tube 19 , wherein the outer diameter of the inner tube 18 only slightly smaller than the inner diameter of the outer tube 19 so that both tubes form a tight clearance. A typical diameter difference is approx. 5 μm - 20 μm. The fit gap is filled with a high viscosity fluid, eg. B. Baysilone M 2 000 000 filled, resulting in high shear forces between the inner ear 18 and the outer tube 19 can be transmitted at minimal relative speed. The use of silicone oils, such as. B. Baysilone M, results from the much lower dependence of the viscosity of the temperature when comparing silicone oils with mineral oils in the relevant temperature range of -40 ° C to + 150 ° C, associated with the resulting simplified design of the length compensator. However, the use of other high viscosity fluids is equally possible.

Beim Einsatz eines dilatanten Fluide zwischen einem Innenrohr und einem Außenrohr einer friktions-basierten Längenkompensationseinheit werden ebenfalls mechanische Kräfte für den Fall übertragen, dass hohe Relativgeschwindigkeiten vorliegen. Nachteilige Längenänderungen und Bauteiletoleranzen verschiedener Bauelemente können ausgeglichen werden, indem langsame Relativbewegungen nicht von der Einheit abgestützt, sondern ausgeglichen werden. Rheologisch gesehen fließen Fluide normalerweise beim Einwirken äußerer Kräfte, beispielsweise entsprechend der Newton'schen Scherkraftformel. Die Viskosität eines dilatanten Fluids ist abhängig von dem Betrag der Scherkräfte, die in dieses Fluid eingebracht werden. Mit zunehmender Scherrate steigt die Viskosität bis hin zu festkörperähnlichen Eigenschaften. Falls nun ein Hub eines piezoelektrischen Aktors, der nur wenige μm ausmacht, von einem friktions-basierten Kompensationselement abgestützt werden soll, müssen derartige Reaktionen innerhalb des Fluids ausreichend schnell ablaufen. Dies ist der Fall, da Viskositätsänderungen in dilatanten Fluiden im Millisekundenbereich vonstatten gehen. Anders ausgedrückt reagiert ein derartiges Fluid dilatant und nicht pseudoplastisch. Als Ergebnis liegt in diesem Fall ein steifes Lager zum Abstützen des Aktorhubes vor.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. Disadvantageous length changes and component tolerances of various components can be compensated by slow relative movements are not supported by the unit, but be compensated. Rheologically, fluids usually flow when Influence of external forces, for example according to the Newtonian Shear 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 1 gezeigt, das Innenrohr 18 mit der Kopfplatte 14 der Aktoreinheit 32 steif verbunden, beispielsweise verschweißt. Das Außenrohr 19 wird an seinem unteren Ende mit der Ventilgruppe steif und hochdruckdicht verbunden. Die Bodenplatte 13 ist steif mit dem oberen Ende der Ventilnadel 1 verbunden. Der Innenraum innerhalb des Außenrohres 19 ist zur Gewährleistung der permanenten Ausfüllung des Passungsspaltes zwischen dem Innenrohr 18 und dem Außenrohr 19 weitestgehend mit hochviskosem Öl oder mit dilatantem Fluid ausgefüllt. Des weiteren dient die Füllung gleichzeitig zur optimalen Verlustwärmeabfuhr vom PMA zum Außenrohr 19.Typically, as in 1 shown the inner tube 18 with the head plate 14 the actuator unit 32 rigidly connected, for example, welded. The outer tube 19 is connected at its lower end with the valve group stiff and high pressure tight. The bottom plate 13 is stiff with the upper end of the valve needle 1 connected. The interior inside the outer tube 19 is to ensure the permanent filling of the fit gap between the inner tube 18 and the outer tube 19 as far as possible filled with highly viscous oil or with dilatant fluid. Furthermore, the filling serves at the same time for optimum loss heat dissipation from the PMA to the outer tube 19 ,

4. Die Kraftstoffzufuhr:4. The fuel supply:

Die Kraftstoffversorgung besteht aus einem Einlassverbinder/Inletfitting 26 mit einer Zulauföffnung 20, in die der Kraftstoff von der Hochdruckpumpe kommend über eine Kraftstoffleitung eingespeist wird. Die Zulauföffnung mündet in eine Ringnut 21, durch die der Kraftstoff gleichmäßig über den Umfang verteilt wird. Zur Kraftstoffversorgung dient des weiteren ein Mantelrohr 22. Der zylindrische Ringspalt zwischen dem Außenrohr 19 und dem Mantelrohr 22 dient als Kraftstoffleitung vom Inletfitting 26 zur Ventilgruppe. Das Inletfitting (26) ist hochdruckfest und hermetisch dichtend mit dem oberen Ende des Außenrohres und dem Mantelrohr verbunden. Das untere Ende des Mantelrohres ist hochdruckfest und hermetisch dichtend mit der Hülse 3 verbunden.The fuel supply consists of an inlet connector / inlet fitting 26 with a feed opening 20 , in which the fuel from the high-pressure pump coming via a fuel line is fed. The inlet opening opens into an annular groove 21 , through which the fuel is evenly distributed over the circumference. For fuel supply further serves a jacket tube 22 , The cylindrical annular gap between the outer tube 19 and the jacket tube 22 serves as a fuel line from the inlet fitting 26 to the valve group. The inlet fitting ( 26 ) is high pressure resistant and hermetically sealed to the upper end of the outer tube and the jacket tube. The lower end of the jacket tube is high pressure resistant and hermetically sealed with the sleeve 3 connected.

Diese Art der konzentrischen Kraftstoffzufuhr ermöglicht eine optimale Verlustwärmeabfuhr vom PMA über das Innenrohr 18, das Silikonöl und das Außenrohr 19 zum Kraftstoff.This type of concentric fuel delivery allows optimal loss heat dissipation from the PMA via the inner tube 18 , the silicone oil and the outer tube 19 to the fuel.

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 26 kann eine Vorrichtung zur mechanischen Injektorkalibrierung, bestehend aus einer Hohlschraube 23, und einer weichen Feder 24, die sich oben an der Hohlschraube und unten an der Aktoreinheit abstützt, enthalten. Durch das Eindrehen der Hohlschraube 23 wird über die Feder 24 der Ventilsitz gezielt geringfügig entlastet, wodurch der erreichbare Volumenstrom des Kegelstrahlventils geringfügig zunimmt.The inlet fitting 26 may be a device for mechanical Injektorkalibrierung, consisting of a hollow screw 23 , and a soft spring 24 , which is supported at the top of the hollow screw and bottom of the actuator. By screwing in the banjo bolt 23 will be over the spring 24 the valve seat slightly relieved, whereby the achievable flow rate of the cone jet valve increases slightly.

Eine mechanische Gleichstellung zwischen mehreren Injektoren ist somit erreichbar. Die Innenbohrung der Hohlschraube 23 dient zur Durchführung der elektrischen Anschlüsse 17. Mittels der Dichtung 25 aus Silikon oder ähnlichem ist die Boh rung der Hohlschraube 23 verschlossen, damit die Silikonölfüllung sicher im Injektorinnenraum eingeschlossen bleibt.A mechanical equality between several injectors is thus achievable. The internal bore of the banjo bolt 23 serves to carry out the electrical connections 17 , By means of the seal 25 made of silicone or the like is the drilling tion of the hollow screw 23 closed so that the silicone oil filling remains safely trapped in the injector interior.

Funktion des friktionsbasierten Kompensationselementes FK im Injektor bzw. Dosierventil
Grundsätzlich können keine statischen Kräfte durch ein derartiges FK zwischen den beiden Rohren, dem Innenrohr 18 und dem Außenrohr 19, übertragen werden.Function of the friction-based compensation element FK in the injector or metering valve
Basically, no static forces by such a FK between the two tubes, the inner tube 18 and the outer tube 19 , be transmitted.

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.

With injection valves for internal combustion engines, phenomena occur with sufficiently different time scales:

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 = η·A·v/δ => F·δ/(A·v)mit:

F:: Scherkraft, entspricht im Injektor der typischen Schließkraft F_S ≤ 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<1·10-3m/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.

For Newtonian fluids, the shear force formula applies: F = η · A · v / δ => F · δ / (A · v) With:

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 speed between the shear surfaces,

v <1 μm / ms, v <1 x 10 -3 m / s

δ:: Spacing surface typical δ <10 x 10 ^-6 m, => η ≥ 200 x 10 x 10 ^-6 Nm / (2073 x 10 ^-6 m ² x 1 x 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 (18) relativ zum Außenrohr (19) erforderlich, der das Außenrohr (19) in der kräftefreien Zeit in die Anfangslage zurückversetzt.Cumulate repetitive force effects on the FK by adding the displacement between the tubes. Therefore, a return mechanism for the inner tube ( 18 ) relative to the outer tube ( 19 ), the outer tube ( 19 ) in the force-free time back to the starting position.

Wird der PMA (12) über die elektrischen Anschlüsse (17) aufgeladen, so verlängert sich der PMA und öffnet das Kegelstrahlventil, wobei die Schließkraft vom PMA übernommen wird. Die Aktoreinheit stützt sich dabei über das Innenrohr und die viskose Reibung an dem Außenrohr ab. Die Schließkraft bewirkt über die viskose Reibung, dass die Aktoreinheit während der Öffnungsdauer mit konstanter Geschwindigkeit relativ zum Au ßenrohr nach oben gedrückt wird. Durch das geöffnete Kegelstrahlventil tritt währenddessen Kraftstoff in Form eines Kegelstrahles in den Brennraum aus. Zur Beendigung des Einspritzvorganges wird der PMA wieder über die elektrischen Anschlüsse 17 entladen, wobei der PMA wieder auf die ursprüngliche Länge kontrahiert und das Kegelstrahlventil durch die Schließkraft geschlossen wird. Zusätzlich unterstützt die Rückstellfeder 10 den Schließvorgang.Will the PMA ( 12 ) via the electrical connections ( 17 ), the PMA lengthens and opens the cone jet valve, the closing force being taken over by the PMA. The actuator unit is supported by the inner tube and the viscous friction on the outer tube. The closing force causes via the viscous friction that the actuator unit during the opening period at a constant speed relative to the Au ßenrohr is pushed up. In the meantime, fuel in the form of a cone jet enters the combustion chamber through the opened cone jet valve. To complete the injection process, the PMA is again on the electrical connections 17 unloaded, wherein the PMA is contracted back to the original length and the cone jet valve is closed by the closing force. In addition, the return spring supports 10 the closing process.

Da sich das Innenrohr 18 während des Einspritzvorganges nach oben um die Strecke ε bewegt hat, wird die Elastizität des Antriebes (Federkonstante c_D), die sich aus der Serienschaltung der Elastizität der Aktoreinheit (Federkonstante c_A) und der Elastizität der Ventilnadel (Federkonstante c_N) gemäß 1/c_D = 1/c_A + 1/c_N berechnet, nach erfolgter Entladung des PMA, um die Strecke ε stärker gedehnt und erzeugt daher eine zusätzliche Schließkraft: dF = c_D·ε.As is the inner tube 18 during the injection process has moved upwards by the distance ε, the elasticity of the drive (spring constant c _D ) resulting from the series connection of the elasticity of the actuator unit (spring constant c _A ) and the elasticity of the valve needle (spring constant c _N ) according to 1 / c _D = 1 / c _A + 1 / c _N calculated, after the discharge of the PMA, by the distance ε stretched more and therefore generates an additional closing force: dF = c _D · ε.

Im FK wirkt diese Kraft nach unten, d.h. sie bewirkt eine Rückstellung des Innenrohres 18 während der Ruhephase des Injektors zwischen den Einspritzvorgängen. Die viskose Reibung dämpft die Rückstellbewegung.In the FK, this force acts downward, ie it causes a return of the inner tube 18 during the rest phase of the injector between injections. The viscous friction dampens the return movement.

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 18 nach oben, die während des Einspritzvorganges eintritt, während der Ruhephase des Injektors zurückgesetzt wird. Diese Gleichgewichtslage hängt von der Tastrate, d. h. vom Verhältnis der Einspritzzeit zur Periodendauer ab. Da bei Einspritzventilen für Verbrennungsmotoren die Einspritzzeit wesentlich geringer als die Periodendauer ist, entspricht die dynamische Gleichgewichtslage des FK nahezu seiner Ruhelage bei beliebig langer Periodendauer. Daher ist der dynamische Tastrateneffekt für praktische Anwendungen vernachlässigbar.In injector operation, associated with periodic opening and closing, a dynamic equilibrium is established such that the drift of the inner tube 18 upward, which occurs during the injection process, while the resting phase of the injector is reset. This equilibrium position depends on the duty cycle, ie on the ratio of the injection time to the period. Since injection valves for internal combustion engines, the injection time we is considerably lower than the period, the dynamic equilibrium position of the FK almost corresponds to its rest position for any length of period. Therefore, the dynamic duty cycle effect is negligible for practical applications.

Sehr langsame Relativverschiebungen zwischen dem Innenrohr 18 und dem Außenrohr 19, wie sie z.B. durch thermische Dehnung oder Setzeffekte des PMA hervorgerufen werden, können hingegen ungehindert stattfinden.Very slow relative displacements between the inner tube 18 and the outer tube 19 , as they are caused for example by thermal expansion or setting effects of PMA, however, can take place unhindered.

Vorteile eines FK (friktionsbasierten Kompensationselementes) in einem unter Druck direkt einspritzenden Injektor:

1) sehr geringer Bauraumbedarf
2) sehr einfacher Aufbau aus nur zwei ineinander eingepassten Rohren
3) Mehrfachnutzung des Injektor-Außenrohres als Teil der konzentrischen Kraftstoffzufuhr und Teil des Kompensators
4) Mehrfachnutzung der Ölbefüllung im FK zur optimalen Verlustwärmeabfuhr vom PMA über das Innenrohr 18 und das Außenrohr 19 zum Kraftstoff und zur mechanischen Kopplung des Innenrohres zum Außenrohr mittels viskoser Reibung.
5) Es ist praktisch kein Aufwand zur Justage des FK nötig.
6) Eine Ölbefüllung muss nicht blasenfrei sein.
7) Der FK benötigt keine Druckbeaufschlagung zur Sicherstellung seiner Funktion.
8) Eine hochviskose Ölbefüllung oder ein dilatantes Fluid können auf einfache Weise im Injektorinnenraum eingeschlossen werden.
9) Einfache Herausführung der elektrischen Anschlüsse zentral nach hinten.
10) Einfache Implementierung einer Feder zur mechanischen Kalibrierung des Injektordurchflusses.

Advantages of a FK (friction-based compensation element) in a direct injection injector under pressure:

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 tube 19 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 2 bietet darüber hinaus weitere Vorteile:

a) Konstruktive Vereinfachung des Aufbaues durch Wegfall des Federtellers 11.
b) Einfachste Einstellung der Vorspannkraft der Rückstellfeder durch eine Vorrichtung, mit der das Innenrohr 18 mit der gewünschten Kraft niedergedrückt wird, wobei das Verschweißen des Innenrohres 18 mit der Kopfplatte 14 der Aktoreinheit in diesem Zustand ermöglicht wird.
c) Die bei Schraubenfedern immer vorhandenen Seitenkräfte die bis zu ca. 20% ihrer Axialkraft betragen können werden bei dieser Variante nicht in die Ventilnadel eingeleitet.
d) Die Schraubenfeder wird nur statisch belastet. Eine Schwingungsanregung der Feder und darauf zurückgehende Effekte werden vermieden. Eine in Resonanz geratene Schraubenfeder kann rotieren, wodurch sich die Einleitung der Querkraft in die Ventilnadel zeitlich ändert und u.a. die Strahlgeometrie des Kegelstrahles beeinflusst wird.

The execution accordingly 2 offers further advantages:

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 tube 18 with the head plate 14 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. B. in magnetostrictive or electrostrictive actuators used.

Claims

Dosing valve with length compensation unit, 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, which in the power flow between the actuator unit ( 32 ) and the housing of the metering valve is interposed, characterized in that the length compensation unit by a friction-based compensation element ( 33 ), which consists of at least two parallel to the actuator unit ( 32 ) and enclosing tubes ( 18 . 19 ), the inner tube ( 18 ) and the outer tube ( 19 ), which are guided into each other by means of a clearance fit, wherein between the tubes a highly viscous fluid is present, so that acts without control from the outside at fast relative movements, the length compensation unit as a rigid bearing.

Dosing valve with length compensation unit, 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, which in the power flow between the actuator unit ( 32 ) and the housing of the metering valve is interposed, characterized in that the length compensation unit by a friction-based compensation element ( 33 ), which consists of at least two parallel to the actuator unit ( 32 ) and surrounding these pipes ( 18 . 19 ), the inner tube ( 18 ) and the outer tube ( 19 ), which are guided into each other by means of a clearance fit, wherein between the tubes a fluid with dilatant properties is present, in which the viscosity increases with increasing shear rate, so that acts in rapid relative movements, the length compensation unit as a rigid bearing.

Dosing valve according to claim 1 or 2, wherein for pressing the valve needle ( 1 ) in the closing direction of the metering valve, a prestressed return spring ( 10 ) is available.

Dosing valve according to Claim 3, in which the return spring supported on the housing ( 10 ) on the other hand on a valve disc ( 11 ) which engages directly with the valve needle ( 1 ) connected is.

Dosing valve according to Claim 1 or 2, in which the return spring supported on the housing ( 10 ) on the other hand on the inner tube ( 18 ) attacks.

Dosing valve according to one of the preceding claims, in which electrical connections ( 17 ) of the actuator unit ( 32 ) through the front side open inner tube ( 18 ) are routable to the outside.

Dosing valve according to one of claims 1 or 3 to 6, wherein a highly viscous fluid having a viscosity of at least 200 Ns / m ^{2 is} present.

Dosing valve according to one of claims 1 or 3 to 6, wherein As a highly viscous fluid, a silicone oil is used.

Dosing valve according to one of the preceding claims, in which the axial direction in the radially outer region of the metering valve extending fluid supply ( 31 ) is evenly distributed over the circumference and forms a jacket flow cooling.

Dosing valve according to one of the preceding claims, in which the actuator unit ( 32 ) includes an inert fluid for heat removal.

Dosing valve according to one of the preceding claims, in which a metal bellows ( 8th ), which is the area of the valve unit under increased fluid pressure ( 30 ) from the area of the actuator unit subjected to lower pressure ( 32 ) and as a feedthrough element for the valve needle ( 1 ) from the actuator unit ( 32 ) to the valve unit ( 30 ) serves.

Dosing valve according to one of the preceding claims, in which for the protection of the metal bellows ( 8th ) against pressure waves one between metal bellows ( 8th ) and pressurized with fluid pressure region of the valve unit ( 30 ) positioned clearance ( 6 ) is available.

Dosing valve according to one of the preceding claims, in which, for expanding the stroke of the actuator unit ( 32 ) of the PMA ( 12 ) can be controlled with a negative bias.