DE102005045893A1

DE102005045893A1 - Hydraulische Kompensationseinrichtung

Info

Publication number: DE102005045893A1
Application number: DE200510045893
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr. Gottlieb; Andreas Dr. Kappel; Tim Dr. Schwebel; Carsten Wallenhauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-09-26
Filing date: 2005-09-26
Publication date: 2007-04-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Kompensationseinrichtung zum Ausgleich technisch und alterungsbedingter Längendifferenzen, z. B. für Piezoaktoren (90) von Kraftstoffinjektoren (3), mit wenigstens einer innerhalb eines Gehäuses (10) fesgelegten Außenscheibe (26), die mit wenigstens einer innerhalb des Gehäuses (10) verschieblich geführten Innenscheibe (20, 21, 23) wenigstens eine in ihrem Volumen veränderliche Hydraulikkammer (30, 32, 34) begrenzt, wobei die Hydraulikkammer (30, 32, 34) durch eine gegenseitige Relativbewegung von Innenscheibe (20, 21, 23) und Außenscheibe (26) durch eine Fluiddrossel (50) hindurch mit einem externen Hydraulikfluid (2) befüll- und/oder entleerbar ist, wobei die hydraulische Kompensationseinrichtung (1) an wenigstens einer Stelle offen und derart mit wenigstens einer Fluidleitung (60, 62) zur Hydraulikkammer (30, 32, 34) versehen ist, dass für das Hydraulikfluid (2) ein Eintreten in die hydraulische Kompensationseinrichtung (1) und ein Wiederaustreten aus der hydraulischen Kompensationseinrichtung (1) realisiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Kompensationseinrichtung zum Ausgleich technisch- und alterungsbedingter Längendifferenzen, insbesondere für Piezoaktoren von Kraftstoffinjektoren. Ferner betrifft die Erfindung einen Injektor mit einer solchen hydraulischen Kompensationseinrichtung und ein Einspritzsystem mit einem entsprechenden Kraftstoffinjektor.

Bei präzise zu fertigenden Bauteilen oder Einheiten, welche z. B. aufgrund ihrer Einbauumgebung hohen Belastungen ausgesetzt sind und darüber hinaus enge Toleranzen in ihren technischen Eigenschaften aufweisen müssen, besteht zunehmend der Bedarf an Kompensationseinrichtungen zum Ausgleich von zeitlich kurzfristigen (im Bereich von 0,1s bis über 100s) und auch dauerhaften Abmessungsänderungen des Bauteils oder der Einheit.

Bei Kraftstoffinjektoren wirken sich mechanische Toleranzen, temperatur- und druckbedingte Längenänderungen, Alterungs- und Verschleißeffekte der beteiligten Bauteile unmittelbar auf den Öffnungshub einer Düsennadel aus. Insbesondere ein im Kraftstoffinjektor verwendeter piezoelektrischer Multilayer-Aktor, nachfolgend Piezoaktor genannt, kann je nach Herstellungsprozess und den Umgebungsbedingungen seines späteren Einsatzfelds in seinen Eigenschaften stark variieren. Herkömmliche Methoden zur Kompensation von Längenänderungen eines Piezoaktors anhand geeigneter Werkstoffkombinationen werfen allein schon hinsichtlich einer thermischen Längenkompensation praktisch nicht lösbare Probleme auf.

Das durch den inversen piezoelektrischen Effekt bei Piezoaktoren erreichbare Elongationsverhältnis bei Anlegen einer maximal für einen Dauerbetrieb zulässigen Feldstärke von ca. 2KV/mm beträgt nur ca. 1,2 bis 1,4‰. Dies führt bei einer ty pischen Baulänge der Piezoschichten von ca. 40mm und einem Schichtabstand von 80μm bei 160V angelegter Spannung zu einer Längung von ca. 48μm bis max. 56μm. Liegt zwischen dem Piezoaktor und dem Injektorgehäuse, in das der Piezoaktor eingebaut ist, nur eine minimale relative Abweichung des effektiven Längenausdehnungskoeffizienten α von ca. 1·10^-6 1/K über die Länge des Piezoaktors von 40mm vor, so führt dies im automobiltechnisch relevanten Temperaturbereich von –40°C bis +140°C zu einer Abweichung der für den Kraftstoffinjektorbetrieb relevanten Referenzflächen von –2,4μm bis zu +4,8μm. Die Spanne von 7,2μm bezogen auf die Längung des Piezoaktors führt zu einer Abweichungsbandbreite von bis zu 13% (bei Δα 1·10^-6 1/K). Dies gilt allerdings nur für Gehäuse und Piezoaktoren, deren jeweilige Abmessungen und deren jeweiligen thermischen Ausdehnungsfunktionen jeweils für sich identisch sind.

Es ist jedoch z. B. nicht möglich, die komplexe Fertigung eines Piezoaktors in derart engen Toleranzen, wie oben beschrieben, durchzuführen, sodass seine thermische Dehnung in einem hinreichend engen Toleranzfeld bleibt. Der Piezoaktor ist ein Bauteil mit Domänenstruktur und Hysterese, wodurch dessen Längenausdehnungskoeffizient α stark vom Polarisationszustand und der mechanisch und elektrischen Belastungsvorgeschichte abhängt. Darüber hinaus ist die thermische Längendehnung des Piezoaktors über einen gewissen Temperaturbereich hinweg nicht linear. All dies führt dazu, dass der Längenausdehnungskoeffizient α bei Piezoaktoren Werte im Bereich von –5·10^-6 1/K bis zu +7·10^-6 1/K annehmen kann.

Aufgrund der vielfältigen und miteinander in komplexem Zusammenhang stehenden Faktoren für eine Längenausdehnungsfunktion eines Piezoaktors und der im Folgenden durch den Herstellungsprozess nicht beeinflussbaren Belastungsgeschichte im späteren Betrieb, ist es nicht möglich, einen dauerhaft konstanten Piezoaktorhub zu erzeugen.

Aus der DE 199 40 055 C1 ist ein Dosierventil bekannt, das einen hydraulischen Längenausgleich realisiert und ein hinreichend steifes Abstützen eines Piezoaktors am hydraulischen Längenausgleich gewährleistet. Der hydraulische Längenausgleich erfolgt mittels eines unter Druck stehenden Hydraulikfluids in einem Ausgleichsraum, der mit einem Aktorraum und einer Hydraulikkammer in Fluidkommunikation steht, welche durch einen am Piezoaktor vorgesehenen Kolben begrenzt ist. Der Kolben ist im Aktorraum gegenüber der Hydraulikkammer mit einer Passung geführt, sodass sich der Piezoaktor einerseits bei kurzen Kraftstößen am Hydraulikfluidpolster in der Hydraulikkammer steif abstützen kann und andererseits die Hydraulikkammer über größere Zeitspannen hinweg durch die Passung mit Hydraulikfluid befüll- und entleerbar ist.

Die WO 2005/026528 A1 offenbart ein hydraulisches Kompensationselement mit einem abgeschlossenen Hydrauliksystem, wobei in einem hohlzylinderförmigen Gehäuse mit wenigstens zwei unterschiedlichen queraxialen Durchmessern, ein korrespondierend geformter Kolben unter Ausbildung einer Hydraulikkammer geführt ist. Die Hydraulikkammer ist über zwischen dem Gehäuse und dem Kolben ausgebildete Spielpassungen von stirnseitigen Speichervolumina befüll- bzw. entleerbar, die von elastischen Membranen ausgebildet sind. Ferner führt eine verschließbare Befüllbohrung in einen mit Hydraulikfluid gefüllten Innenraum des hydraulischen Kompensationselements.

Die hydraulischen Einrichtungen zum Ausgleich technisch und alterungsbedingter Längendifferenzen gemäß dem Stand der Technik sind auf bestehende Kraftstoffinjektoren nur mit tiefgreifenden Veränderungen in deren Aufbau anwendbar. Ferner sind die hydraulischen Einrichtungen komplex aufgebaut und daher in ihrer Herstellung kostenintensiv. Darüber hinaus ist ein separates Hydraulikfluid notwendig.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte hydraulische Kompensationseinrichtung zur Verfügung zu stellen, die insbesondere einen einfachen und fertigungsori entierten Aufbau aufweist. Ferner soll die hydraulische Kompensationseinrichtung hinsichtlich einer Integration in eine Baugruppe eine maximale Funktionalität bei gegebenen Bauraumbedingungen (Bauhöhe und Außendurchmesser) aufweisen und bevorzugt ohne ein abgeschlossenes Hydrauliksystem betreibbar sein.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer hydraulischen Kompensationseinrichtung gelöst, die innerhalb eines Gehäuses wenigstens eine von einer Innen- und einer Außenscheibe begrenzte Hydraulikkammer aufweist, wobei die Hydraulikkammer durch wenigstens eine Fluiddrossel befüll- und entleerbar ist. Die Außenscheibe ist innerhalb des Gehäuses gegenüber dem Gehäuse fluiddicht festgelegt, und die Innenscheibe ist gegenüber dem Gehäuse entlang einer Gehäuselängsachse verschieblich. Hierbei wird die Hydraulikkammer bei einem Aufeinanderzubewegen durch die Fluiddrossel hindurch entleert und einem Voneinanderwegbewegen durch die Fluiddrossel hindurch befüllt. Bevorzugt sind zwei Hydraulikkammern zwischen drei aufeinander folgenden Scheiben vorgesehen. Erfindungsgemäß ist dabei eine Außenscheibe innerhalb des Gehäuses festgelegt und die zwei gegenüber der Außenscheibe beweglich geführten Innenscheiben sitzen festgelegt an einem gemeinsamen Bauteil, das z. B. als Stange oder als Fortsatz einer Innenscheibe ausgebildet sein kann und durch die Außenscheibe hindurchragt. Die zwischen den Innenscheiben sitzende Außenscheibe bildet mit diesen zwei Hydraulikkammern aus. Eine ähnliche Anordnung kann mittels zwei Außenscheiben und einer Innenscheibe realisiert sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind eine Vielzahl von Hydraulikkammern vorgesehen, die jeweils mit einem direkt benachbarten Reservoir und einer Hydraulikkammer bzw. mit zwei benachbarten Hydraulikkammern durch wenigstens zwei Fluiddrosseln hindurch in Fluidkommunikation stehen. Innerhalb des Gehäuses, den Hydraulikkammern und den Fluiddrosseln befindet sich ein Hydraulikfluid, welches beim Gegeneinanderverschieben der Innenscheiben gegenüber den Außenschei ben nur durch die Fluiddrosseln hindurch fließen kann, wodurch ein – je nach Drosseldurchmesser – langsamer Fluidaustausch realisiert ist.

Diese Ausführungsformen ermöglichen einerseits ein kurzfristiges, steifes Abstützen der Innenscheiben über die Hydraulikkammern an den Außenscheiben bzw. dem Gehäuse oder ein entsprechendes Abstützen des Gehäuses über die Außenscheiben und die Hydraulikkammern an den Innenscheiben und deren gemeinsamen Bauteil (Fortsatz). Bei einer kurzen und starken Belastung ist die hydraulische Kompensationseinrichtung sehr steif und kann als nahezu vollständig abgedichtet betrachtet werden. Bei einer längeren Krafteinwirkung auf das Gehäuse bzw. den Fortsatz können sich die Außenscheiben gegenüber den Innenscheiben bewegen, sodass ein hydraulischer Längen- und Spielausgleich für lang einwirkende Kräfte realisiert ist, wie es z. B. Längendehnungen und altersbedingte Veränderungen an einer an das Gehäuse oder den Fortsatz angeschlossenen Baugruppe sind. Ferner können mit der erfindungsgemäßen hydraulischen Kompensationseinrichtung Bauteiltoleranzen optimal ausgeglichen werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die hydraulische Kompensationseinrichtung zwei Hydraulikkammern auf, die von zwei Innenscheiben und einer dazwischen angeordneten Außenscheibe ausgebildet sind. Hierbei ist eine Innenscheibe, eine Endplatte einer Einrichtung, welche sich einerseits an der Endplatte kurzzeitig Zeit steif abstützen muss, aber andererseits eine über größere Zeitspannen hinweg geringfügig unterschiedliche Position einnehmen muss. Daher kann die Endplatte nicht festgelegt vorgesehen sein, sondern muss verschieblich, aber sich kurzfristig steif abstützend in einem Gehäuse vorgesehen sein. Die Endplatte weist einen bevorzugt zylinderförmig ausgestalteten zentralen Fortsatz auf, auf welchen die Außenscheibe mit engem Spiel schiebbar ist. Danach wird auf den Fortsatz eine als Federteller ausgebildete Innenscheibe aufgesetzt, die mit dem Fortsatz über einen Presssitz oder eine Schweißnaht fest und fluiddicht verbunden ist. Die Position des Federtellers auf dem Fortsatz ist dabei so gewählt, dass die zwischen Federteller und Endplatte befindliche Außenscheibe eine Hydraulikkammer mit dem Federteller und der Endplatte ausbildet. Diese hydraulische Kompensationseinrichtung wird nur mit der Außenscheibe mit dem Gehäuse z. B. mittels einer Schweißnaht oder einem Presssitz fest verbunden. Bevorzugt sind ringförmige Spaltdrosseln zwischen der Endplatte und dem Gehäuse, dem Fortsatz der Endplatte und der Außenscheibe sowie dem Federteller und dem Gehäuse ausgebildet. Innerhalb der Fluiddrosseln und in den beiden Hydraulikkammern befindet sich das Hydraulikfluid, das die hydraulische Kompensationseinrichtung entweder durchströmen bzw. teilweise passieren kann, oder mit der hydraulischen Kompensationseinrichtung und wenigstens einem Speicher ein abgeschlossenes Hydrauliksystem bildet. Im ersteren Fall ist es möglich, ein Arbeitsmedium als Hydraulikfluid zu nutzen und im zweiten Fall ist es möglich, das Hydraulikfluid anwendungsspezifisch zu wählen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die erfindungsgemäße hydraulische Kompensationseinrichtung in einem Injektor, bevorzugt einem Kraftstoffinjektor, verbaut. Erfindungsgemäß ist hierbei eine an einem Längsende der hydraulischen Kompensationseinrichtung angeordnete Innenscheibe eine Endplatte eines Piezoaktors, wobei die Endplatte mit dem Piezoaktor fest verbunden ist. Der hydraulische Längen- und Spielausgleich, bevorzugt bestehend aus zwei Hydraulikkammern (s. o.), kann dynamisch aufgrund enger Spielpassungen (Fluiddrosseln) über eine Zeitspanne von typischerweise 1-10ms als abgedichtet betrachtet werden. Für Zeiträume, die mindestens eine Größenordnung darüber liegen (0,1s bis über 100s) ist der erfindungsgemäße hydraulische Längen- und Spielausgleich als undicht zu betrachten und kann Ausgleichsbewegungen ungehindert zulassen.

Erfindungsgemäß muss neben den Mechanikelementen lediglich die druckbeaufschlagte Hydraulikflüssigkeit bereitgestellt werden. Dies kann z. B. bei einem Kraftstoffinjektor direkt der Kraftstoff (offenes System) oder auch ein Siliconöl (geschlossenes System) sein. Bezüglich des Hydraulikfluids liegt keine Einschränkung vor; es ist lediglich eine applikationskompatible Kompressibilität des Hydraulikfluids zu wählen.

Die erfindungsgemäße hydraulische Kompensationseinrichtung ist denkbar einfach aufgebaut. Sie besteht aus in einem Gehäuse aneinander gereihten Scheiben, die durch ein sequenzielles Verpressen/Verschweißen der Bauteile leicht montierbar sind. Bevorzugt haben die verwendeten Teile Zylindersymmetrie, wodurch die Verwendung kostengünstiger Drehteile möglich ist, die einfach, schnell, kostengünstig und mit hoher Präzision gefertigt werden können. Das erfindungsgemäße Prinzip funktioniert mit den verschiedensten Medien und erreicht über eine Doppelwirkung von zwei Kammern, wobei immer eine Kammer in einem Kompressionsmodus arbeitet, eine hohe mechanische Steifigkeit. Ein offenes System kann druckkonstant – z. B. mittels wenigstens eines Rückstauventils – mit einstellbarem Vor- und/oder Ablaufdruck ausgelegt werden. D. h. ein eingestellter Betriebsdruck wird über alle Betriebszustände hinweg gehalten, wodurch sich ein definiertes Verhalten der Kompensationseinrichtung und eines Rückstellelements dafür ergibt. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße hydraulische Kompensationseinrichtung über den Durchmesser der Fluiddrosseln und die Anzahl der Hydraulikkammern applikationsoptimal anpassbar.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine geschnittene 3D-Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen hydraulischen Kompensationseinrichtung in einem hinteren Abschnitt eines Kraftstoffinjektors;
2 eine zentral geschnittene Ansicht der 1;
3 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen hydraulischen Kompensationseinrichtung; und
4 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen hydraulischen Kompensationseinrichtung.
Die folgenden Erläuterungen beziehen sich hauptsächlich auf eine hydraulische Kompensationseinrichtung für einen Kraftstoffinjektor. Die Erfindung soll jedoch nicht auf eine solche Anwendung beschränkt sein, sondern allgemein hydraulische Kompensationseinrichtungen umfassen, die insbesondere zum Ausgleich technisch und alterungsbedingter Längendifferenzen verwendbar sind.
1 zeigt einen hinteren Abschnitt eines Kraftstoffinjektors 3, in welchem ein den Injektor 3 betätigender Aktor 90, insbesondere ein Piezoaktor 90, und eine erfindungsgemäße hydraulische Kompensationseinrichtung 1 vorgesehen ist. Der Piezoaktor 90 weist einen Multilayer-Piezostack 98 auf, der zwischen einer Endplatte 21 und einer Bodenplatte 94 mittels einer Zylinder- oder Rohrfeder 92 unter einer Vorspannung fest zusammengespannt ist. Der Piezoaktor 90 ist über eine gewisse Distanz hinweg im Gehäuse 10 des Injektors 3 verschieblich aufgenommen, wobei die Bodenplatte 94 des Piezoaktors 90 gegen ein angekoppeltes mechanisches Anschlusselement 140 (s. 2), wie z. B. eine Düsennadel oder ein Servoventil, wirkt. Generell eignet sich die erfindungsgemäße Kompensationseinrichtung 1 bei Kraftstoffinjektoren für servoventil- und direktbetätigte Benzin- und Dieselinjektoren.
Auf der der Bodenplatte 94 gegenüberliegenden Seite des Piezoaktors 90 ist die hydraulische Kompensationseinrichtung 1 vorgesehen, wobei die Endplatte 21 des Piezoaktors 90 eine Innenscheibe der Kompensationseinrichtung 1 bildet. Die dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen hydraulischen Kompensationseinrichtung 1 weist drei hintereinander angeordnete Scheiben, nämlich die Endplatte 21 (Innenscheibe 21), eine Außenscheibe 26 und einen Federteller 23 (Innenscheibe 23) auf. Die Außenscheibe 26 und der Federteller 23 sitzen hierbei an bzw. auf einem Fortsatz 22, der an der Endplatte 21 nach hinten abstehend ausgebildet ist. Hierbei ist der Federteller 23 am Fortsatz 22 festgelegt und die zwischen Federteller 23 und Endplatte 21 befindliche Außenscheibe 26 ist mit dem Gehäuse 10 fest verbunden. Der Fortsatz 22 ist gegenüber der Außenscheibe 26 verschieblich. Die festen Verbindungen können z. B. mittels einer Schweißnaht oder einem Presssitz realisiert sein und sind fluiddicht.
Zur Verfügungsstellung des notwendigen Längen- und Spielausgleichs, bildet die Außenscheibe 26 mit der Endplatte 21 sowie dem Gehäuse 10, und mit dem Federteller 23 sowie dem Gehäuse 10 jeweils eine Hydraulikkammer 30, 32 aus. Die Höhe der Hydraulikkammern 30, 32 ist bevorzugt derart gewählt, dass einerseits sämtliche auftretende Längenänderungen innerhalb des Injektors 3 über dessen gesamte Lebensdauer hinweg kompensiert werden können. Andererseits sollte diese Höhe nicht zu groß sein, damit über Kompressibilitätseffekte eines in den Hydraulikkammern 30, 32 befindlichen Hydraulikfluids 2 keine störenden Bewegungen in den Piezoaktor 90 während des Betriebs gelangen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens ein hinterer äußerer Zylindermantelabschnitt der Endplatte 21 und wenigstens ein Zylindermantelabschnitt des Federtellers 23 mit jeweils einer engen Spielpassung gegenüber dem Gehäuse 10 geführt. Ebenfalls mit einer engen Spielpassung sitzt die Außenscheibe 26 auf dem Fortsatz 22. Somit sind erfindungsgemäß drei Drosselstellen innerhalb der hydraulischen Kompensationseinrichtung 1 vorgesehen, die das in den Hydraulikkammern 30, 32 befindliche Fluid 2 nur langsam hinein- bzw. wieder herauslaufen lassen. In einer Alternative zu diesen ringförmigen Spaltdrosseln 50 können diese durch entsprechende Drosselbohrungen in der Endplatte 21, der Außenscheibe 26, dem Federteller 23 und sogar dem Gehäuse 10 und dem Fortsatz 22 (s. u.) vorgesehen sein. Hierbei ist bevorzugt die Endplatte 21 und der Federteller 23 gegenüber dem Gehäuse 10, z. B. mittels eines O-Rings, gedichtet geführt. Ebenso ist die Außenscheibe 26 gegenüber dem Fortsatz 22, z. B. wiederum mittels eines O-Rings gedichtet, geführt.
Die dargestellte Kompensationseinrichtung 1 ist eine offene Kompensationseinrichtung 1, d. h. das Hydraulikfluid 2 kann durch eine Fluidleitung 60 von außerhalb der Kompensationseinrichtung 1 in diese gelangen und diese hierdurch auch wieder verlassen. Ferner ist es möglich, die Fluidleitung 60 als Fluidzuleitung zu konzipieren und stromabwärts der Kompensationseinrichtung 1 eine Fluidableitung 62 (s. 2) vorzusehen, sodass die hydraulische Kompensationseinrichtung 1 vom Hydraulikfluid 2 durchströmt werden kann. Es ist jedoch auch ein geschlossenes System möglich (s. u.).
Bei der dargestellten offenen hydraulischen Kompensationseinrichtung 1 schließt sich hinten an den Federteller 23 ein Ablaufraum 80 an, der gegenüber dem Gehäuse 10 mittels eines Rings 110 und einer am Ring 110 und dem Federteller 23 fest und fluiddicht vorgesehenen Dichtung 84, bevorzugt einem axial weichen und druckstabilen Metallbalg 84, abgedichtet ist. Bevorzugt innerhalb des Ablaufraums 80 befindet sich ein Rückstellelement 82, welches bevorzugt als Druckfeder 82 ausgebildet ist. Das Rückstellelement 82 stützt sich einerseits am Ring 110 und andererseits am Federteller 23 ab. Der Federteller 23 leitet die Druckkraft des Rückstellelements 82 über den Fortsatz 22 in die Endplatte 21 und somit in den Piezoaktor 90 ein, der dadurch mit seiner Bodenplatte 94 fest auf Anlage mit dem mechanischen Anschlusselement 140 (s. 2) gehalten ist.
Ferner weisen der Fortsatz 22 und die Endplatte 21 eine Durchgangsausnehmung auf, die der Spannungsversorgung des Piezoaktors 90 dient.
Wird nun der Piezoaktor 90 durch Bestromung gelängt, so soll sich der Piezoaktor 90 nach hinten mechanisch möglichst steif abstützen können und nach unten gegen das angekoppelte mecha nische Anschlusselement 140 wirken. Der erfindungsgemäße Aufbau erlaubt diese mechanische Abstützung in der Form, dass beim beginnenden Nachhintengleiten der Endplatte 21 das Hydraulikfluid 2 in der Hydraulikkammer 30 komprimiert wird, die als Gegenlager wirkt, da die Außenscheibe 26 am Injektorgehäuse 10 fixiert und somit unbeweglich ist. Gleichzeitig wird durch das beginnende Nachhintengleiten der Endplatte 21 auch der Federteller 23 nach hinten geschoben. Hierdurch sinkt der Druck der Hydraulikkammer 32 ab. Die so entstehende Druckdifferenz zwischen dem Ablaufraum 80 und der Hydraulikkammer 32 führt zu einer weiteren effektiven hydraulischen Kraft nach vorne auf das mechanische Anschlusselement 140, wodurch der Piezoaktor 90 an einer Auslenkung nach hinten gehindert ist. Durch ein Vorsehen der beiden Hydraulikkammern 30, 32 wirkt die erfindungsgemäße hydraulische Kompensationseinrichtung 1 doppelt, wodurch einerseits eine Druckerhöhung in der Hydraulikkammer 30 und eine Druckabsenkung in der Hydraulikkammer 32 zum steifen Abstützen des Piezoaktors 90 genutzt werden kann. Durch geringe Höhen der Hydraulikkammern 30, 32 erreicht man durch das komprimierte Fluidvolumen in der Hydraulikkammer 30/32 und das dekomprimierte Fluidvolumen in der Hydraulikkammer 32/30 hohe mechanische Steifigkeiten. Darüber hinaus ist es von Vorteil, dass immer eine der beiden Hydraulikkammern 30, 32 im Kompressionsmodus arbeitet und es daher nicht zu einer Verdampfung des Hydraulikfluids 2 kommen kann, wodurch die erfindungsgemäße Kompensationseinrichtung 1 jederzeit zuverlässig arbeitet.
Erfindungsgemäß sind die Bodenplatte 94, die Zylinderfeder 92, die Endplatte 21, der Fortsatz 22 und der Federteller 23 frei beweglich gegenüber dem Gehäuse 10. Einzig die Außenscheibe 26 und der Ring 110 sind gegenüber dem Gehäuse 10 unbeweglich bzw. mit diesem fest verbunden, wodurch sich die Endplatte 21 und der mit ihr fixierte Federteller 23 frei gegenüber der Außenscheibe 26 bewegen können. Als Hydraulikfluid 2 kann im Gegensatz zum Stand der Technik, z. B. bei einer Injektorapplikation, der Leckagekraftstoff genutzt werden, der aus einer oberen Düsennadelführung nach hinten in den An triebsraum 70 austritt, in dem der Piezoaktor 90 vorgesehen ist.
Das Hydraulikfluid 2 kann mittels eines oder mehrerer Rückstauventile 40, 42 auf einem konstanten bzw. zwei konstanten Druckniveaus p₇₀, p₈₀ im Antriebsraum 70 und/oder dem Ablaufraum 80 gestaut werden, bevor es durch einen bevorzugt drucklosen (mit Umgebungsdruck p_∞ beaufschlagten) Rücklauf 100 (s. 2) den Kraftstoffinjektor 3 bzw. das Einspritzsystem verlässt.
Es ist jedoch auch möglich, die hydraulische Kompensationseinrichtung 1 mit einem separaten, abgeschlossenen Hydraulikkreislauf zu versehen, wobei die Kompensationseinrichtung 1, z. B. bei der Verwendung in einem Kraftstoffinjektor 3, gegenüber dem Kraftstoff abgedichtet ist und mit einem separaten Hydraulikfluid 2 betrieben wird. Hierbei ist die hydraulische Kompensationseinrichtung 1 fluiddicht gekapselt und bevorzugt stromaufwärts vor der ersten Hydraulikkammer 30 und stromabwärts nach der zweiten Hydraulikkammer 32 mit einem Ausgleichsvolumen vorgesehen. Dieses Ausgleichs- oder Speichervolumen kann z. B. von einer elastischen Membran an einer oder beiden Stirnseiten und auch seitlich an der Kompensationseinrichtung 1 vorgesehen sein. Für eine nähere Ausgestaltung einer solchen Ausführungsform sei auf die WO 2005/026528 A1 verwiesen. Ferner kann dies z. B. auch mittels eines in seinem Volumen variablen Ausgleichsraums, z. B. hinter dem Federteller 23, realisiert sein. Für eine nähere Ausgestaltung einer solchen Ausführungsform sei auf die DE 199 40 055 C1 verwiesen.
2 zeigt eine erfindungsgemäße offene hydraulische Kompensationseinrichtung 1 in einer Schnittansicht, wobei zwei Rückstauventile 40, 42 schematisch dargestellt sind. Hierbei sind die beiden Rückstauventile 40, 42 durch eine Fluidleitung 44 in Reihe geschaltet, wobei das erste Rückstauventil 40 stromabwärts in den Rücklauf 100 mündet, z. B. einen Kraftstofftank oder eine Ansaugseite einer Pumpe. Der Ablauf raum 80 steht durch die Fluidableitung 62 mit der Fluidleitung 44 in ungedrosselter Fluidkommunikation und ist durch das erste Rückstauventil 40 mit dem Rücklauf 100 verbunden. Der Arbeitsraum 70 steht durch eine Fluidleitung 63 mit dem zweiten Rückstauventil 42 in Fluidkommunikation (bei geöffnetem zweiten Rückstauventil 42 ist diese Verbindung ungedrosselt), wobei der Arbeitsraum 70 durch die beiden Rückstauventile 42, 40 entleerbar ist. Andere Verschaltungen und das Vorsehen nur eines Rückstauventils 40 oder 42 ist natürlich möglich (s. u.).
Mittels des mindestens einen Rückstauventils 40, 42, das sich in einer Leckageleitung befindet, wird der zum Betrieb des hydraulischen Längen- und Spielausgleichs erforderliche Grunddruck im Hydraulikfluid 2 bereitgestellt. Die Rückstauventile 40, 44 stauen den Leckagekraftstoff (Hydraulikfluid 2) mit einem konstanten Staudruck p₇₀, p₈₀ von ca. 20bar bis ca. 100bar und sind in der Lage, den Staudruck p₇₀, p₈₀ über längere Zeiträume (Tage bis über mehrere Monate) im Injektor 3 aufrechtzuerhalten. Die Rückstauventile 40, 42 müssen nicht innerhalb des Injektors 3 vorgesehen sein, sondern es kann alternativ mindestens ein Rückstauventil 40, 42 außerhalb des Injektors 3 vorgesehen werden, z. B. in den Anschluss einer Leckageleitung (nicht dargestellt) an den Injektor 3. Ferner kann mindestens ein Rückstauventil 40, 42 fluidisch einer Zusammenführung aller Leckageleitungen der Injektoren 3 eines Motors nachgeschaltet sein, sodass wenigstens ein Rückstauventil 40, 42 Staudruck für sämtliche Injektoren 3 des Motors bereitstellt.
Hinsichtlich der Verschaltung der Fluidleitungen 62, 63 mit den Rückstauventilen 40, 42 ergeben sich die folgenden bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung:
Es existiert nur das zweite Rückstauventil 42, das den Antriebsraum 70 durch die Fluidleitung 63 gestaut mit dem Rücklauf 100 verbindet. Die Fluidleitung 62 und das erste Rückstauventil 40 entfallen. Über einen geringfügigen Austausch des Leckagekraftstoffs 2 durch die Fluiddrosseln 50 stellt sich in den Hydraulikkammern 30, 32 ein Staudruck p₄₂ des Rückstauventils 42 als zeitlicher Mitteldruck p_⌀30,32 ein. Im Ablaufraum 80 herrscht der durch das zweite Rückstauventil 42 erzeugte und konstant gehaltene Staudruck p₈₀ = p₄₂. Die hydraulische Kompensationseinrichtung 1 wird hierbei nicht vom Leckagekraftstoff 2 durchströmt, sondern es findet ein Fluidaustausch zwischen Kompensationseinrichtung 1 und Antriebsraum 70 durch die Fluidleitung 60 statt.
In einer zweiten Ausführungsform existiert nur das erste Rückstauventil 40, das den Ablaufraum 80 durch die Fluidleitung 62 gestaut mit dem Rücklauf 100 verbindet. Die Fluidleitungen 62, 44 und das zweite Rückstauventil 42 entfallen. Der Leckagekraftstoff 2 gelangt durch die Fluiddrosseln 50 der Kompensationseinrichtung 1 vom Antriebsraum 70 in den Ablaufraum 80, in dem der durch das Rückstauventil 40 erzeugte und konstant gehaltene Staudruck p₄₀ herrscht. In den Hydraulikkammern 30, 32 und dem Antriebsraum 70 stellen sich entsprechend der Drosselwirkung der entsprechenden Fluiddrosseln 50 unterschiedlich hohe Mitteldrücke ein. Hierbei gilt: p₇₀ > p₃₀ > p₃₂ > p₈₀ = p₄₀. Die hydraulische Kompensationseinrichtung 1 wird hierbei vom Leckagekraftstoff 2 durchströmt. Durch eine geeignete geometrische Ausgestaltung des Ablaufraums 80 und der Fluidleitung 62 werden mit dem Leckagekraftstoff 2 mitgeführte Gasblasen, die sich im Ablaufraum 80 und in den Hydraulikkammern 30, 32 kumulieren könnten, gleich wieder aus dem Injektor 3 in den Rücklauf 100 transportiert. Hierdurch ist eine effiziente Selbstentlüftung der hydraulischen Kompensationseinrichtung 1 realisiert, wodurch die Injektorfunktion auch bei mit Gasblasen behaftetem Hydraulikfluid 2 realisiert ist.
In einer dritten Ausführungsform existiert nur das erste Rückstauventil 40, das den Ablaufraum 80 durch die Fluidleitung 62 und den Antriebsraum 70 durch die Fluidleitungen 63, 44 gestaut mit dem Rücklauf 100 verbindet. Das zweite Rückstauventil 42 entfällt. Der Leckagekraftstoff 2 gelangt durch die Fluiddrosseln 50 der Kompensationseinrichtung 1 und durch die Fluidleitungen 63, 44, 62 vom Antriebsraum 70 in den Ablaufraum 80. Im Antriebsraum 70, im Ablaufraum 80 und in den Hydraulikkammern 30, 32 (Mitteldruck) stellt sich als Druck p₇₀ = p₈₀ = p_⌀30,32 der Staudruck p₄₀ des ersten Rückstauventils 40 ein. Hierbei wird die Kompensationseinrichtung 1 nicht vom Leckagekraftstoff 2 durchströmt. Es ist jedoch ein Fluidaustausch zwischen Antriebsraum 70 und hydraulischer Kompensationseinrichtung 1 durch die Fluidleitung 60 sowie die Fluidleitung 62 (und eingeschränkt 63) möglich. Durch eine geeignete geometrische Ausgestaltung des Ablaufraums 80 und der Fluidleitung 62 kann ebenfalls eine Selbstentlüftung der hydraulischen Kompensationseinrichtung 1 erreicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform existieren das erste Rückstauventil 40, das den Ablaufraum 80 durch die Fluidleitung 62 gestaut mit dem Rücklauf 100 verbindet, und das zweite Rückstauventil 42, das den Antriebsraum 70 durch die Fluidleitungen 63, 44 gestaut mit dem Ablaufraum 80 verbindet. Die beiden Rückstauventile 40, 42 sind in Reihe geschaltet. Das zweite Rückstauventil 42 hält eine konstante Druckdifferenz p₇₀-p₈₀ zwischen dem Antriebsraum 70 und dem Ablaufraum 80 aufrecht. Eine Teilmenge des Leckagekraftstoffs 2 strömt getrieben durch den Staudruck p₄₂ des Rückstauventils 42 durch die Fluiddrosseln 50 der hydraulischen Kompensationseinrichtung 1 in den Ablaufraum 80 und von dort durch das erste Rückstauventil 40 in den Rücklauf 100. Die andere Teilmenge des Leckagekraftstoffs 2 strömt durch die Fluidleitungen 63, 44, 62 vom Antriebsraum 70 in den Ablaufraum 80 oder durch die Fluidleitung 44 und das erste Rückstauventil 40 in den Rücklauf 100. Im Antriebs- 70 und Ablaufraum 80 unterscheiden sich die Druckniveaus durch den konstanten Staudruck p₄₂ des Rückstauventils 42. In den Hydraulikkammern 30, 32 stellen sich entsprechend der Drosselwirkung der Fluiddrosseln 50 Druckniveaus dazwischen ein. Es gilt: p₄₂₊₄₀ = p₇₀ > p₃₀ > p₃₂ > p₈₀ = p₄₀. Bei dieser Ausführungsform wird die Kompensationseinrichtung 1 mit einer durch den Staudruck p₄₂ des zweiten Rückstauventils 42 vorgebbaren Rate vom Leckagekraftstoff 2 durchströmt. Durch eine geeignete geometrische Ausgestaltung des Ablaufraums 80 und der Fluidleitung 62 sowie dem vorgebbaren Leckagestrom wird eine effiziente Selbstentlüftung der hydraulischen Kompensationseinrichtung 1 erreicht.
Für die dargestellten Ausführungsformen gilt gleichermaßen, dass durch unterschiedliche Mitteldrücke p_⌀30,32 in den Hydraulikkammern 30, 32 und im Antriebs- 70 und Ablaufraum 80 zusammen mit den entsprechenden druckwirksamen Flächen (insbesondere der hydraulische Querschnitt des Metallbalgs 84 ist von großer Bedeutung) eine resultierende hydrostatische Kraft nach hinten in den Injektorantrieb 90 eingeleitet wird. Diese Kraft muss in geeigneter Weise durch ein Rückstellelement 82, z. B. durch eine (Antriebsrückstell-)Feder 82, überkompensiert werden, um über alle Betriebszustände (Betriebsdrücke) des Injektors 3 eine hinreichend große und konstante resultierende Antriebsrückstellkraft (also im in 2 dargestellten Beispiel eine nach unten gerichtete Kraft) bereitzustellen, die im betriebsbereiten Grundzustand des Injektors 3 als eine Andruckkraft zwischen der Bodenplatte 94 des Piezoaktors 90 und dem mechanischen Anschlusselement 140 in Erscheinung tritt. In Bezug auf die Andruckkraft der Bodenplatte 94 auf das mechanische Anschlusselement 140 ist die oben letztgenannte Ausführungsform am besten abstimmbar, da mittels der beiden Rückstauventile 40, 42 entscheidende Druckniveaus p₇₀, p₈₀ mit hinreichender Präzision eingestellt werden können. Für alle Ausführungsformen gilt gleichermaßen, dass die Druckvorspannung für den Piezoaktor 90 zumindest teilweise vorteilhaft durch den Staudruck im Leckagekraftstoff 2 im Zusammenwirken mit der Zylinder- oder Rohrfeder 92 und der Boden- 94 und der Endplatte 21 bewirkt wird, wodurch sich die Anforderung hinsichtlich einer Mindestvorspannkraft der Feder 92 abschwächt.
Erfindungsgemäß lässt sich die hydraulische Kompensationseinrichtung 1 einfach herstellen. Ausgehend von einem hohlzylindrischen Gehäuse 10 werden die Komponenten in folgender Weise zu einer hydraulischen Kompensationseinrichtung 1 kombiniert:
Zunächst wird die Aktorgrundeinheit 90 hergestellt. Die Bodenplatte 94 wird form- oder kraftschlüssig, z. B. durch Verschweißen, mit der Zylinder- oder Rohrfeder 92 verbunden. Darin wird ein bevorzugt als Piezostack ausgebildeter Festkörperaktor 90 eingeführt und die Endplatte 21 in einer Montagevorrichtung mit einer definierten Vorspannkraft auf den Festkörperaktor gedrückt. Durch form- oder kraftschlüssiges Verbinden der Endplatte 21 mit der Feder 92 erhält man so eine druckvorgespannte Aktorgrundeinheit 90, die in das hohlzylindrische Gehäuse 10 eingebracht wird, wobei deren Positionsfindung entweder durch einen Montageanschlag oder durch eine relative Positionierung gegenüber mechanischen Anschlusskomponenten (z. B. der Düsennadel) erfolgt.
Daran anschließend erfolgt die Montage der Außenscheibe 26 im Gehäuse 10. Der Außendurchmesser der Außenscheibe 26 weist gegenüber dem Innendurchmesser des Gehäuses 10 ein Übermaß auf, um eine steife und dichte Pressverbindung zu gewährleisten. Vorteilhafterweise geschieht die Einbringung durch hydraulische Kräfte oder thermische Dehnung. Die Endposition der Außenscheibe 26 wird über eine Wegmessung eingestellt. Im Fall einer thermischen Unterbringung der Außenscheibe 26 ist diese frei beweglich und kann alternativ erst auf Anlage mit der Endplatte 21 gebracht werden und anschließend um den gewünschten Abstand zur montagetechnisch fixierten Endplatte 21 bewegt werden. Neben einer Pressverbindung kann optional eine form- oder kraftschlüssige Fixierung herbeigeführt werden.
In einem anschließenden Montageschritt wird der Federteller 23 auf dem Fortsatz 22 der Endplatte 21 montiert. Vorteilhafterweise wird jedoch zunächst der Metallbalg 84 durch eine Schweißverbindung mit dem Federteller 23 verbunden. Die Außenwand des Federtellers 23 hat gegenüber der Innenwand des Gehäuses 10 Spiel und die Innenwand des Federtellers 23 hat gegenüber dem Fortsatz 22 der Endplatte 21 ein Untermaß, wo bei der Federteller 23 also auf einen Außendurchmesser des Fortsatzes 22 aufgepresst werden muss. Durch eine thermische Kühlung des Fortsatzes 22 kann die Positionsfindung erheblich erleichtert werden. Über eine Wegmessung kann der Abstand zur Außenscheibe 26 und damit die Höhe der zweiten Hydraulikkammer 32 sehr genau eingestellt werden. Ferner ist auch ein direktes Verpressen des Federtellers 23 mit dem Fortsatz 22 möglich, wobei bei der Positionsfindung eine direkte Wegmessung zum Einstellen der Höhe der zweiten Hydraulikkammer 33 hilfreich ist.
Anschließend werden das Rückstellelement 82 und der Ring 110 montiert. Hierbei wird das bevorzugt als Druckfeder 82 ausgebildete Rückstellelement 82 auf den Federteller 23 aufgesetzt und mithilfe der Einpresstiefe des Rings 110, der zuvor geeignet mit dem Metallbalg 84 form- oder kraftschlüssig verbunden wurde, wird die Aktorgrundeinheit 90 mit einer definierten Kraft gegen das mechanische Anschlusselement 140 gedrückt. Zur Einstellung der Kraft ist lediglich eine Variation der Einpresstiefe des Rings 110 vorzunehmen.
In einem letzten Schritt wird der Ring 110 hermetisch dicht, z. B. durch Schweißen, mit dem Gehäuse 10 verbunden. Danach kann die Montageeinheit entfernt werden oder im Fall einer direkten Platzierung gegen ein mechanisches Anschlusselement 140, wie z. B. in einem Injektor 3, erhält man bereits die fertige Einheit mit der erfindungsgemäßen hydraulischen Kompensationseinrichtung 1. Dadurch, dass die für die erfindungsgemäße hydraulische Kompensationseinrichtung 1 notwendigen Teile alle einfach herzustellende Drehteile sind, ist die hydraulische Kompensationseinrichtung 1 einfach herzustellen, zu montieren und kostengünstig.
Zu den oben beschriebenen Montageschritten gibt es eine einfache Alternative. Hierbei wird zuerst das Zylindergehäuse der Aktorgrundeinheit 90 aufgebaut. Anschließend wird die Außenscheibe 26 mit ihrer Spielpassung zum Fortsatz 22 auf diesen aufgefädelt und anschließend der Federteller 23 auf der gewünschten Endposition auf den Fortsatz 22 aufgepresst oder aufgeschweißt. Hierdurch kann eine integrale Kammerhöhe der beiden Hydraulikkammern 30, 32 eingestellt werden. Erst im darauf folgenden Montageschritt wird die Einheit in das Gehäuse 10 eingeführt und die Außenscheibe 26 in der gewünschten Endposition fixiert. Zum Einstellen der relativen Kammerhöhen wird bevorzugt eine Montagevorrichtung verwendet.
Die 3 und 4 zeigen weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen hydraulischen Kompensationseinrichtung 1. Prinzipiell zeigen diese Fig. jeweils zwei Ausführungsformen, je nachdem, ob die zwischen der Endplatte 21 (Innenscheibe 21) und der Außenscheibe 26 befindliche Kammer (30) eine im Sinne der Erfindung wirksame Hydraulikkammer (30) ist oder nur einen ungedrosselten Zulauf zur hydraulischen Kompensationseinrichtung 1 ermöglicht.
Unter der Annahme, dass in 3 die Kammer (30) keine im Sinne der Erfindung wirksame Hydraulikkammer (30) ist, zeigt die 3 ein zu 2 ähnliches, zweifach wirkendes Lager. Zunächst wird eine Außenscheibe 26 innerhalb des Gehäuses 10 montiert, anschließend eine Innenscheibe 20 auf dem sich durch die Außenscheibe 26 hindurcherstreckenden Fortsatz 22 festgelegt und darauf folgend wiederum eine Außenscheibe 26 im Gehäuse 10 befestigt. Hierbei bilden sich zwischen den beiden Außenscheiben 26 und der dazwischen angeordneten Innenscheibe 20 eine erste 30 und eine zweite Hydraulikkammer 32 aus, die durch die Fluiddrosseln 50 befüllbar und entleerbar sind. In einer Alternative dazu – in der 3 mit geklammerten Bezugszeichen bezeichnet – ist auch die Kammer (30) eine hydraulisch wirksame Kammer, die von der Endplatte 21 bzw. der Innenscheibe 21 begrenzt wird. Der Zulauf zur Kammer (30) findet dann durch die Fluiddrossel (50) statt. Hierdurch erhält man ein dreifach wirkendes Lager.
Bei ausreichenden Platzverhältnissen kann das zwei- oder dreifach wirkende Lager der 3 erfindungsgemäß in ein n-fach wirkendes Lager erweitert werden. Dazu sind, wie in
4 dargestellt, jeweils einander abwechselnd Außen- 26 und Innenscheiben 20 in bzw. auf den entsprechenden Elementen (Gehäuse 10 und Fortsatz 22) ein- bzw. angebracht. Hierbei zeigt 4 ein vierfach wirkendes Lager mit vier Hydraulikkammern (erste Hydraulikkammer 30, zweite Hydraulikkammer 32 und zwei weitere Hydraulikkammern 34), das eine im Vergleich zu 3 größere mechanische Steifigkeit aufweist. Ein fünffach wirkendes Lager kann wiederum analog zu 3 aufgebaut werden, indem die unterste Kammer (30) eine hydraulisch wirksame Kammer ist. Durch ein Vorsehen zusätzlicher Innen- 20 und Außenscheiben 26 kann das Lager beliebig erweitert werden.
Ferner können diese Ausführungsformen ebenfalls mit einem abgeschlossenen Hydrauliksystem versehen sein, wobei die Lager stirnseitig abgeschlossen sind. Bevorzugt ist ein Druckspeicher bzw. ein druckbeaufschlagtes Ausgleichsvolumen vorgesehen, um die Funktionstüchtigkeit einer solchen Ausführungsform zu ermöglichen. Dies kann wie in der WO 2005/026528 A1 oder der DE 199 40 055 C1 erfolgen (s. a. o.).
Bei allen beschriebenen Ausführungsformen können, wie in der WO-Schrift gelehrt (siehe dort insbesondere die 2, 3 und 6 bis 10, sowie den dazugehörigen Text), in den Innen- 20 und/oder Außenscheiben 26 in Längsrichtung der Hydraulikeinrichtung 1 verlaufende Durchgangsbohrungen vorgesehen sein, die mittels Rückschlagventilen, insbesondere Flappervalves, verschließbar sind. Diese Flappervalves verschließen die Bohrung nur für eine Fluidstromrichtung und geben die Bohrung für die andere Fluidstromrichtung frei. Hierdurch ist es möglich, ein steifes Abstützen nur in eine Richtung zu erzielen. Für die andere Richtung ist das hydraulische Kompensationselement 1 "weich". Die Durchgangsbohrungen mit den Flappervalves sind in der 3 mit der gestrichelten Linie 150 dargestellt. Bevorzugt liegen wenigstens zwei Durchgangsbohrungen 150 mit Flappervalves symmetrisch in einer Scheibe 20, 21, 26.
Darüber hinaus ist es möglich, die als Ringspaltdrosseln 50 ausgebildeten Fluiddrosseln 50 durch Drosselbohrungen zu ersetzen. Hierbei sollten die bestehenden Spaltdrosseln 50 gedichtet sein oder ein sehr enges Spiel aufweisen, sodass wenig Fluid durch diese hindurchläuft. Alternativ können die Drosselbohrungen auch zusätzlich zu den Ringspaltdrosseln 50 vorgesehen sein. Diese Ausführungsformen sind wiederum mit den gestrichelten Linien 150 in 3 verdeutlicht. Es liegen wiederum bevorzugt wenigstens zwei Drosseln symmetrisch in einer Scheibe 20, 21, 26. Diese Drosselbohrungen können auch mit den Rückschlagventilen (Flappervalves) versehen sein.
Ferner ist es möglich die Ringspaltdrosseln 50 bzw. die Drosselbohrungen statt in den Scheiben 20, 21, 26 im Gehäuse 10 bzw. dem Fortsatz 22 vorzusehen. Hierbei verbindet eine Drosselstelle im Gehäuse 10 zwei benachbarte Hydraulikkammern (z. B. Kammer 30 und Kammer 32 der 4), die sonst durch eine Drossel befüllt oder entleert werden, welche von einer Innenscheibe 20, 21 begrenzt ist. Eine Drosselstelle im Fortsatz 22 verbindet entsprechend zwei benachbarte Hydraulikkammern (z. B. Kammer 32 und Kammer 34 der 4), die sonst durch eine Drossel befüllt oder entleert werden, welche von einer Außenscheibescheibe 20, 21 begrenzt ist.
Bei einem Einsatz von Drosselbohrungen wird die Drosselwirkung überwiegend durch Turbulenzen im Hydraulikfluid 2 erzeugt; daher ist die Drosselfunktion weitgehend unabhängig von der Viskosität des Hydraulikfluids 2 und damit auch von der Temperatur. Dies kann im kraftfahrzeugtechnisch relevanten Temperaturbereich von –40°C bis +140°C vorteilhaft sein.
Im Übrigen sei auf die entsprechenden Kapitel der WO 2005/026528 A1 in Bezug auf die Materialwahl der beteiligten Bauteile (Gehäuse 10, Innenscheibe 20, Außenscheibe 26) verwiesen.

Claims

Hydraulische Kompensationseinrichtung zum Ausgleich technisch und alterungsbedingter Längendifferenzen, z. B. für Piezoaktoren (90) von Kraftstoffinjektoren (3), mit wenigstens einer innerhalb eines Gehäuses (10) festgelegten Außenscheibe (26), die mit wenigstens einer innerhalb des Gehäuses (10) verschieblich geführten Innenscheibe (20, 21, 23) wenigstens eine in ihrem Volumen veränderliche Hydraulikkammer (30, 32, 34) begrenzt, wobei die Hydraulikkammer (30, 32, 34) durch eine gegenseitige Relativbewegung von Innenscheibe (20, 21, 23) und Außenscheibe (26) durch eine Fluiddrossel (50) hindurch mit einem externen Hydraulikfluid (2) befüll- und/oder entleerbar ist, wobei die hydraulische Kompensationseinrichtung (1) an wenigstens einer Stelle offen und derart mit wenigstens einer Fluidleitung (60, 62) zur Hydraulikkammer (30, 32, 34) versehen ist, dass für das Hydraulikfluid (2) ein Eintreten in die hydraulische Kompensationseinrichtung (1) und ein Wiederaustreten aus der hydraulischen Kompensationseinrichtung (1) realisiert ist.
Hydraulische Kompensationseinrichtung zum Ausgleich technisch und alterungsbedingter Längendifferenzen, z. B. für Piezoaktoren (90) von Kraftstoffinjektoren (3), mit wenigstens einer innerhalb eines geradlinig hohlzylinderförmigen Gehäuses (10) festgelegten Außenscheibe (26), die mit wenigstens einer innerhalb des Gehäuses (10) verschieblich geführten Innenscheibe (20, 21, 23) wenigstens eine in ihrem Volumen veränderliche Hydraulikkammer (30, 32, 34) begrenzt, wobei die Außenkontur der Innenscheibe (20, 21, 23) und die Außenkontur der Außenscheibe (26) mit der Innenkontur des Gehäuses (10) im Wesentlichen fluchtet, und die Hydraulikkammer (30, 32, 34) durch eine gegenseitige Relativbewegung von Innenscheibe (20, 21, 23) und Außenscheibe (26) durch eine Fluiddrossel (50) hindurch mit einem in ternen Hydraulikfluid (2) befüll- und/oder entleerbar ist, wobei für das interne Hydraulikfluid wenigstens ein Speichervolumen in der nach außen hin hermetisch abgeschlossen hydraulischen Kompensationseinrichtung (1) vorgesehen ist.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei eine Innenscheibe (20) der hydraulischen Kompensationseinrichtung (1) eine Endplatte (21) einer in ihrer Position variablen Einrichtung (90) ist, die bevorzugt einen Aktor (90) aufweist.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Innenscheibe (20), bevorzugt die Endplatte (21) der Einrichtung (90), wenigstens einen Fortsatz (22) aufweist, der gegenüber einer Außenscheibe (26) verschieblich ist.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei am Fortsatz (22) wenigstens eine zusätzliche Innenscheibe (20), z. B. ein Federteller (23), festlegt ist.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Endplatte (21) und/oder der Federteller (23) im wenigstens abschnittsweise verschieblichen Gehäuse (10) geführt sind.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zwischen einer Innenscheibe (20, 21, 23) und dem Gehäuse (10) und/oder zwischen einer Außenscheibe (26) und dem Fortsatz (22) einer Innenscheibe (20, 21, 23) eine Fluiddrossel (50), bevorzugt als eine Spaltdrossel mit enger Spielpassung der beteiligten Bauteile (10; 20, 21, 23-22; 26), ausgebildet ist.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Fluiddrossel (50) der hydraulischen Kompensationseinrichtung (1) als eine Drosselbohrung (150) in einer Innenscheibe (20, 21, 23) und/oder in einer Außenscheibe (26) und/oder im Gehäuse (10) ausgebildet ist.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß Anspruch 8, wobei eine Innenscheibe (20, 21, 23) gegenüber dem Gehäuse (10) und/oder der Fortsatz (22) gegenüber einer Außenscheibe (26), bevorzugt mittels eines O-Rings, gedichtet geführt ist.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine erste Hydraulikkammer (30) zwischen der Endplatte (21) und einer dazu direkt benachbarten Außenscheibe (26) ausgebildet ist, wobei die Hydraulikkammer (30) durch wenigstens eine, insbesondere durch zwei Fluiddrosseln (50) hindurch befüll- und entleerbar ist.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine erste (30) oder eine zweite Hydraulikkammer (32) zwischen der zur Endplatte (21) direkt benachbarten Außenscheibe (26) und einer zu letzteren direkt benachbarten Innenscheibe (20, 23), z. B. dem Federteller (23), ausgebildet ist, wobei die Hydraulikkammer (30, 32) durch wenigstens eine, insbesondere durch zwei Fluiddrosseln (50) hindurch befüll- und entleerbar ist.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei jeweils zwischen einer Innenscheibe (20) und einer Außenscheibe (26) zusätzliche, bevorzugt durch zwei Fluiddrosseln (50) hindurch befüll- und entleerbare Hydraulikkammern (34) vorgesehen sind, die die mechanische Steifigkeit der hydraulischen Kompensationseinrichtung (1) erhöhen.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der hydraulischen Kompensationseinrichtung (1) ein Arbeitsraum (70) vorgeschaltet ist, der mit einer Fluidleitung (60) zu der hydraulischen Kompensationseinrichtung (1) in Fluidkommunikation steht.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der hydraulischen Kompensationseinrichtung (1) ein Ablaufraum (80) stromabwärts nachgeschaltet ist, der mit einer Fluidableitung (62) der hydraulischen Kompensationseinrichtung (1) in Fluidkommunikation steht.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß Anspruch 12 oder 14, wobei die Fluidleitung (60) und/oder die Fluidableitung (62) eine Drosselstelle (50) aufweist.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Ablaufraum (80) durch ein Rückstauventil (40) hindurch, mit einem, bevorzugt drucklosen, Rücklauf (100) in Fluidkommunikation steht, wodurch die hydraulische Kompensationseinrichtung (1) vom Hydraulikfluid (2) durchströmt ist und dem Ablaufraum (80) ein mittels des Rückstauventils (40) vorgebbarer Fluiddruck (p₇₀ ≥ P₃₀ > p₃₂ > (p₃₄)_n ≥ p₈₀ = p₄₀) aufgeprägt ist.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Ablaufraum (80) und der Arbeitsraum (70) durch das Rückstauventil (40) hindurch, mit dem, bevorzugt drucklosen, Rücklauf (100) in Fluidkommunikation stehen, wodurch die hydraulische Kompensationseinrichtung (1) vom Hydraulikfluid (2) teilweise durchströmbar ist und dem Ablaufraum (80) und dem Arbeitsraum (70) mittels des Rückstauventils (40) ein vorgebbarer Fluiddruck (p₄₀ = p₇₀ = p₈₀ = p_{⌀30,32,(34)n}) aufgeprägt ist.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Arbeitsraum (70) durch ein Rückstauventil (42) hindurch, mit dem, bevorzugt drucklosen, Rücklauf (100) in Fluidkommunikation steht, wodurch die hydraulische Kompensationseinrichtung (1) vom Hydraulikfluid (2) teilweise durchströmbar ist und dem Arbeitsraum (70) mittels des Rückstauventils (42) ein vorgebbarer Fluiddruck (p₇₀ = p₄₂ = p_{⌀30,32,(34)n,80}) aufgeprägt ist.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Ablaufraum (80) durch ein erstes Rückstauventil (40) hindurch und der Arbeitsraum (70) durch ein zweites Rückstauventil (42) hindurch, mit dem, bevorzugt drucklosen, Rücklauf (100) in Fluidkommunikation stehen, wodurch die hydraulische Kompensationseinrichtung (1) vom Hydraulikfluid (2) durchströmt ist und dem Ablaufraum (80) mittels des ersten Rückstauventils (40) und dem Arbeitsraum (70) mittels des zweiten Rückstauventils (42) jeweils ein vorgebbarer Fluiddruck (p₄₀ = p₈₀, p₄₂ = p₇₀, p_⌀40,42 = p_{⌀30,32,(34)n}) aufgeprägt ist.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß Anspruch 19, wobei das zweite Rückstauventil (42) für sich einen größeren Staudruck realisiert als das erste Rückstauventil (40).
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß Anspruch 19 oder 20, wobei das erste Rückstauventil (40) in Reihe mit dem zweiten Rückstauventil (42) geschaltet ist, wobei die hydraulische Kompensationseinrichtung (1) vom Hydraulikfluid (2) durchströmt ist und dem Arbeitsraum (70) und dem Ablaufraum (80) mittels der beiden Rückstauventile (40, 42) ein vorgebbarer Fluiddruck (p₄₂+p₄₀ = p₇₀ ≥ p₃₀ > p₃₂ > (p₃₄)_n ≥ p₈₀ = p₄₀) aufgeprägt ist.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei ein Rückstellelement (82) vorgesehen ist, das sich an einer Innenscheibe (20, 21, 23) oder dem Fortsatz (22) abstützt, und die hydraulische Kompensationseinrichtung (1) auf Anlage mit der Einrichtung (90) hält.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das Rückstellelement (82) die Einrichtung (90) auf Anlage mit einem mechanischen Anschlusselement (140) der Einrichtung (90) hält.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß Anspruch 22 oder 23, wobei das Rückstellelement (82) bevorzugt eine Druckfeder (82) ist, die sich einerseits am Federteller (23) oder dem Fortsatz (22) und andererseits am Gehäuse (10), bevorzugt einem im Gehäuse (10) festlegbaren Ring (110), abstützt.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei das Rückstellelement (82) im Ablaufraum (80) vorgesehen ist, der, bevorzugt zusätzlich, mittels insbesondere eines Metallbalgs (84) fluidgedichtet ist, der einerseits am Federteller (23) oder am Fortsatz (22) und andererseits am Ring (110) festgelegt ist.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 25, wobei der Fortsatz (22) mit einer zentralen Durchgangsbohrung versehen ist, die bevorzugt einer elektrischen oder hydraulischen Versorgung der Einrichtung (90) dient.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 26, wobei die Innenscheiben (20, 21, 23) und/oder die Außenscheiben (26) Drehteile sind, die bevorzugt mittels eines Presssitzes (28) und/oder einer Schweißnaht (28) auf dem Fortsatz (22) bzw. im Gehäuse (10) festgelegt sind.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 27, wobei in einer Innenscheibe (20, 21, 23) und/oder in einer Außenscheibe (26) wenigstens eine Durchgangsbohrung (150) mit einem daran angeordneten, bevorzugt als Flappervalve ausgebildeten, Rückschlagventil vorgesehen ist, das ein ungedrosseltes Befüllen bzw. Entleeren der betreffenden Hydraulikkammer (30, 32, 34) ermöglicht.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 28, wobei sich am Gehäuse (10) der hydraulischen Kompensationseinrichtung (1) die Einrichtung (90) abstützt, und sich das Rückstellelement (82), statt an einer Innenscheibe (20, 21, 23) oder dem Fortsatz (22), an einer Außenscheibe (26) oder dem Gehäuse (10) abstützt, wobei die hydraulische Kompensationseinrichtung (1) auf Anlage mit der Einrichtung (90) gehalten ist.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 29, wobei das Hydraulikfluid (2) der hydraulischen Kompensationseinrichtung (1) ein Kraftstoff, insbesondere Diesel, oder ein Silikonöl ist.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 30, wobei ein Speichervolumen wenigstens teilweise von einer elastischen Membran begrenzt ist, die bevorzugt eine elastische Metall- oder Kunststoffmembran ausgebildet ist.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 31, wobei ein Speichervolumen als ein Ausgleichsraum in der hydraulischen Kompensationseinrichtung (1) ausgebildet ist, wobei der Ausgleichsraum bevorzugt von einer druckbeaufschlagten Scheibe in seinem Volumen veränderlich ist.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 32, wobei eine in einen mit Hydraulikfluid gefüllten Innenraum (30, 32, 34) oder Drosselspalt (50) führende verschließbare Befüllbohrung vorgesehen ist.
Hydraulische Kompensationseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder, 3 bis 30, wobei die hydraulische Kompensa tionseinrichtung (1) für einen hydraulischen Längen- und/oder Spielausgleich keinen zusätzlichen Druckspeicher und/oder kein Ausgleichsvolumen für das Hydraulikfluid (2) und/oder kein zweites Fluid als Hydraulikfluid (2) benötigt.
Injektor, insbesondere Kraftstoffinjektor (3), mit einer hydraulischen Kompensationseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 31.
Injektor gemäß Anspruch 35, wobei ein mittels des Injektors (3) zuzumessendes Fluid als Hydraulikfluid (2) des Injektors (3) dient, das bevorzugt eine Leckage des Injektors (3) ist.
Injektor gemäß Anspruch 35 oder 36, wobei die hydraulische Kompensationseinrichtung (1) für das Hydraulikfluid (2) an einem einzigen Ort (60) durchlässig ist, sodass für die hydraulische Kompensationseinrichtung (1) ein Fluidaustausch mit einer direkten Umgebung, bevorzugt mit dem Arbeitsraum (70), realisiert ist.
Injektor gemäß einem der Ansprüche 35 oder 36, wobei die hydraulische Kompensationseinrichtung (1) für das Hydraulikfluid (2) an wenigstens zwei Orten (60, 62) durchlässig ist, sodass ein Durchströmen der hydraulischen Kompensationseinrichtung (1) mit dem Hydraulikfluid (2) realisiert ist.
Injektor gemäß einem der Ansprüche 35 bis 38, wobei ein Abschnitt eines Gehäuses des Injektors (3), das Gehäuse (10) der hydraulischen Kompensationseinrichtung (1) bildet.
Injektor gemäß einem der Ansprüche 35 bis 39, wobei das erste Rückstauventil (40) und/oder das zweite Rückstauventil (42) innerhalb des Injektors (3) vorgesehen ist.
Injektor gemäß einem der Ansprüche 35 bis 40, wobei die Einrichtung (90), bevorzugt ein Piezoaktor (90), als ein me chanisches Anschlusselement (140) eine Düsennadel oder ein Servoventil des Injektors (3) direkt betätigt.
Einspritzsystem, insbesondere Common-Rail-Einspritzsystem für Dieselmotoren, mit einem Kraftstoffinjektor (3) nach einem der Ansprüche 35 bis 41.
Einspritzsystem gemäß Anspruch 42, wobei wenigstens ein Rückstauventil (40, 42) für wenigstens zwei Kraftstoffinjektoren (3) des Einspritzsystems gemeinsam vorgesehen ist.
Einspritzsystem gemäß Anspruch 42 oder 43, wobei das erste Rückstauventil (40) und/oder das zweite Rückstauventil (42) für alle Kraftstoffinjektoren (3) des Einspritzsystems gemeinsam vorgesehen ist.