DE19504175C2 - Vorrichtung zum Zumessen und Zerstäuben von Fluid, insbesondere von Kraftstoff in Motoreinspritzventilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zumessen und Zerstäuben von Fluid, insbesondere von Kraftstoff in Motor- Einspritzventil nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Strengere Abgaswerte stellen zunehmend höhere Anforderungen an die Genauigkeit der Kraftstoffdosierung und Gemischbil­ dung. Moderne Motormanagementkonzepte können zu einer höheren Umweltverträglichkeit der Kraftfahrzeuge beitragen. Eine zentrale Rolle spielen hierbei die Kraftstoffeinspritzven­ tile, da von ihrer Leistungscharakteristik die Verbesserung des Verbrennungsmotors entscheidend mitbestimmt wird.

Da die pro Arbeitsspiel eingespritzte Kraftstoffmenge über die Öffnungsdauer des Kraftstoff-Einspritzventils gesteuert wird, ist zur genauen und reproduzierbaren Abspritzung auch kleiner Treibstoffmengen ein Einspritzventil erforderlich, bei dem der Öffnungs- oder Schließvorgang im Vergleich zur Öffnungsdauer sehr wenig Zeit in Anspruch nimmt. Dies ist insbesondere im Teillast- und Leerlaufbetrieb des Motors von großer Bedeutung. Hier müssen wegen der geringen Belastung des Motors relativ kleine Kraftstoffmengen pro Arbeitsspiel sehr genau dosiert werden.

Aus der US-PS 5 165 373 ist ein elektrothermisch arbeitendes Kraftstoffeinspritzsystem zur Kraftstoffzumessung bekannt. Gepulste elektrische Energie wird über einen Heizdraht in gepulste thermische Energie umgewandelt und erzeugt durch Blasensieden eine Volumenänderung des Kraftstoffs. Diese Volumenänderung wird ausgenutzt, um den Kraftstoff über ein Kraftstoffventil abzugeben. Ein Computer und Sensoren sind vorgesehen, um die Pulsbreite, Höhe und die Zahl der Pulse unter Berücksichtigung der Motoreigenschaften zu bestimmen.

Aus der US-PS 5 095 879 ist ein elektrothermisch arbeitendes Kraftstoffeinspritzsystem zur Kraftstoffzumessung bekannt, bei dem ein einfaches Heizelement direkt in die Wandung der Kraftstoffeinspritzkammer eingelassen ist.

Beide Druckschriften nach dem Stand der Technik können die Anforderungen an ein sehr schnelles Ansprechverhalten der Vorrichtung nicht erfüllen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Zumes­ sen und Zerstäuben von Fluid anzugeben, die wenige bewegte Teile aufweist, deren Herstellung niedrige Anforderungen an die Maßhaltigkeit der einzelnen Teile stellt und die in der Lage ist, sehr schnell anzusprechen.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Patentan­ spruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

So ist ein planes und strukturiertes Heizelement wegen der großen Wirkoberfläche und der optimierten niedrigen thermischen Zeitkonstante besonders geeignet.

Vorteilhaft ist die Verwendung von Dünnschicht-Heizelementen aufgrund der geringen Wärmekapazitäten, wodurch die thermische Zeitkonstante weiter reduziert werden kann.

Um Wärmeverluste während des Heizvorgangs möglichst gering zu halten und zum Schutz des Heizelementes, hat sich ein Aufbau als vorteilhaft erwiesen, bei dem die Dicke d der Wärmebarriere der Ungleichung

genügt, wobei a die Temperaturleitfähigkeit der Wärmebarriere und Δt die Aufheizzeit der Wärmequelle ist. Weiterhin besitzt ein solches Heizelement den Vorteil, daß der Druck in der Kammer nach Überschreiten eines Schwellwertes der Ansteuerspannung weitgehend konstant und unabhängig von der Betriebsspannung ist.

Zur exakten Dosierung der abzuspritzenden Flüssigkeitsmenge kann das Heizelement aus mehreren Einzelheizelementen aufgebaut sein, wobei die Einzelheizelemente vorteilhafterweise getrennt ansteuerbar sind. Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Wirkoberfläche der Einzelheizelemente binär gewichtet ist.

Mit einem Heizelement, das gemäß

dimensioniert ist, läßt sich die thermische Zeitkonstante und damit die Schnelligkeit der Vorrichtung weiter verbessern.

Mit einem zusätzlichen Heizelement zur Erzeugung eines Basisdrucks, der geringfügig unter dem Öffnungsdruck des Abspritzventils liegt, lassen sich Druckdosiergenauigkeit und Dynamikbereich weiter verbessern.

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer schematischer Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt die selbe Vorrichtung wie in Fig. 1, jedoch während der Befüllphase.

Fig. 3 zeigt die selbe Vorrichtung wie in Fig. 1, jedoch während der Abspritzphase.

Fig. 4 zeigt den Druckverlauf in der Kammer der Vorrichtung gemäß Fig. 1-3.

Fig. 5 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 6 zeigt die selbe Vorrichtung wie in Fig. 5, jedoch während der Abspritzphase.

Fig. 7 zeigt den Schichtaufbau eines Heizelements.

Fig. 8 zeigt eine besondere Ausgestaltung des Heizelements.

Fig. 9 zeigt das zu dem in Fig. 5 gezeigten Heizelement korrespondierende elektrische Ersatzschaltbild.

Fig. 10 zeigt zwei Druckdiagramme.

Fig. 11 zeigt eine Druck-Ansteuerspannungs-Kennlinie eines Heizelemementes.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung zum Zumessen und Zerstäu­ ben von Fluid weist eine Kammer K auf, die mit einem Zulauf Z und einem Ablauf A versehen ist. In der Kammer K ist ein Rückstromventil RV angeordnet, das den Zulauf Z verschließt oder öffnet. Im Ablauf A ist ein Abspritzventil AV vorge­ sehen. Im Ruhezustand (Fig. 1) verriegelt das Rückstrom­ ventil RV den Zulauf Z und das Abspritzventil AV den Abfluß A. Im folgenden wird der Begriff verschließbarer Zulauf für das Rückstromventil RV in Verbindung mit dem Zulauf Z ver­ wendet. Beide Ventile RV und AV werden im Ruhezustand über Federn F1, F2 gegen die Ventilsitze VS gepreßt. Beide Federn F1, F2 stützen sich an einem feststehenden Lager ab. Weiter­ hin ist in der Kammer K ein Heizelement H angeordnet, das über zwei Anschlußleitungen AL mit einer nicht gezeigten Ansteuerelektronik verbunden ist.

Die Vorrichtung funktioniert wie folgt:
Über den Zulauf Z wird, wie in Fig. 2 gezeigt, ein Fluid bei geöffnetem Rückstromventil RV in die Kammer K gedrückt. Der Einfülldruck bestimmt sich zu p_z-p_R, wobei p_z der Zufluß­ druck und p_R der Öffnungsdruck des Rückstromventils RV ist. Der Druck p_R, der notwendig ist, um das Rückstromventil RV zu öffnen, kann über die Federhärte und die Federvorspannung der Feder F2 im Rückstromventil RV, sowie über die Geometrie des Rückstromventils RV an den Zuflußdruck p_z angepaßt werden. Das Abspritzventil AV bleibt wegen der stärkeren Vorspann­ kraft der Feder F1 noch geschlossen. Ist die Kammer K voll­ ständig mit Fluid gefüllt verschließt das Rückstromventil RV die Kammer K.

Um ein Ansaugen von Gas, z. B. Luft aus dem Außenraum durch das Abspritzventil AV in die Kammer K zu vermeiden, liegt der Öffnungsdruck p_a des Abspritzventils AV über dem Öffnungs­ druck p_R des Rückstromventils RV. Hierdurch wird erreicht, daß bei sinkendem Druck in der Kammer K zuerst das Abspritz­ ventil AV schließt.

Über die Anschlußleitungen AL wird, wie in Fig. 3 gezeigt, an das Heizelement H ein elektrischer Ansteuerimpuls I ge­ legt. Dies führt dazu, daß Teile der Flüssigkeit, die in Kontakt mit der Heizelementoberfläche stehen, innerhalb sehr kurzer Zeit extrem überhitzt werden. Die Flüssigkeit ver­ dampft, es entsteht eine expandierende Dampfblase EDB, die in dem abgeschlossenen Flüssigkeitsvolumen in der Kammer K kurzzeitig einen hohen Überdruck (bezogen auf den Kammerdruck p_z-p_R) entstehen läßt, der größer als die Rückstellkraft (der Öffnungsdruck p_a) des Abspritzventils AV ist und dieses dadurch geöffnet wird. Ein Teil des in der Kammer K befindli­ chen Fluids wird durch die Einspritzdüse ED abge­ spritzt. Fällt die Dampfblase wieder in sich zusammen, ver­ ringert sich der Druck in der Kammer K und bei Unterschrei­ tung des Abspritzventilöffnungsdrucks p_a schließt das Ab­ spritzventil AV selbsttätig. Die in der Kammer K fehlende ab­ gespritzte Flüssigkeitsmenge führt bei einem weiteren Zu­ sammenfallen der Dampfblase zu einem Unterdruck (bezogen auf das stationäre Kammerdruckniveau p_z-p_R), wodurch das Öffnen des Rückstromventils RV und das Wiederbefüllen der Kammer K bewirkt wird. Nach dem Wiederbefüllen kann der oben beschrie­ bene Vorgang erneut ausgelöst werden.

Die Teile der Flüssigkeit, die in Kontakt mit der Heizober­ fläche stehen, werden innerhalb kürzester Zeit überhitzt, wobei die physikalische Grenze der Überhitzbarkeit durch die Temperatur der Flüssigkeit am kritischen Punkt gegeben ist.

Die Fig. 4 zeigt im oberen Teil ein Druck-/Zeitdiagramm bei dem auf der Ordinate der Kammerinnendruck P_k und auf der Abszisse die Zeit t angetragen ist. Mit I ist ein elektri­ scher Ansteuerimpuls gekennzeichnet. Im unteren Teil der Fig. 4 ist ein Ansteuerspannungs-/Zeitdiagramm abgebildet, bei dem auf der Ordinate die Ansteuerspannung U und auf der Abszisse wiederum die Zeit t angetragen ist. Bei dem Verdampfungsvorgang - es findet hierbei ein Phasenübergang von flüssig nach dampfförmig statt - entsteht in der abgeschlossenen Kammer K kurzzeitig ein hoher Überdruck, der zum Abspritzen der Flüssigkeit aus dem federbelasteten Abspritzventil AV führt, sobald der Druck p_k in der Kammer K den Abspritzventilöffnungsdruck p_a überschreitet. Der Verdampfungsvorgang führt zur Ausbildung der unter hohem Kammerinnendruck p_k expandierenden Dampfblase EDB. Er wird von der Wärmemenge gespeist, die in der dünnen überhitzten Flüssigkeitsschicht über dem Heizelement gespeichert ist. Die Expansion der Dampfblase hält so lange an wie die zum weiteren Verdampfen von Flüssigkeit an der Phasengrenzfläche der Dampfblase benötigte Verdampfungswärme aus Teilen der zuvor überhitzten dünnen Flüssigkeitsschicht durch Wärmeleitung herbeigeführt werden kann. Die obere Schraffur im Diagramm kennzeichnet den Abspritzvorgang AV, während die untere Schraffur den Befüllvorgang BV darstellt.

Der Spitzendruck (= Kammerdruck p_k) kann einige 100 bar er­ reichen. Dadurch erfolgt die Einspritzung des Fluids in Form eines wesentlich feineren Aerosols als dies bei den mit 2 bis 3 bar Einspritzdruck arbeitenden elektromagnetischen Ein­ spritzventilen der Fall ist.

Typische Werte sind für:
Abspritzventilöffnungsdruck p_a: 5 bar
Zuflußdruck p_z: 3 bar
Rückstromventilöffnungsdruck p_R: 1 bar.

Eine weitere Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Vor­ richtung zeigt Fig. 5. Die Kammer K weist hier einen Zulauf Z, einen Rücklauf R und einen Ablauf A auf. Der Zulauf Z ist durch ein erstes Absperrventil AV1 von der Kammer K herme­ tisch trennbar. Der Rücklauf R ist von der Kammer K durch ein zweites Absperrventil AV2 hermetisch trennbar. Der Ablauf A ist hier auf die selbe Weise, wie in Fig. 1 gezeigt und oben bereits beschrieben, ausgebildet. Ebenso wie in Fig. 1 be­ findet sich in Fig. 5 in der Kammer K ein Heizelement H, das über Anschlußleitungen AL mit einer nicht gezeigten Ansteuerelektronik verbunden ist. Die Absperrventile AV1 und AV2 können elektrisch, hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch angetrieben werden.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 5 funktioniert wie folgt:
Während der Spülphase, gleichbedeutend mit der Befüllphase, sind die beiden Absperrventile AV1 und AV2 geöffnet, d. h. die Flüssigkeit strömt vom Zulauf Z durch die Kammer K in den Rücklauf R.

Ist der Spülvorgang beendet, vergleiche Fig. 6, werden die beiden Absperrventile AV1 und AV2 geschlossen, d. h. die Ver­ bindung zwischen Zulauf Z und Kammer K und die Verbindung zwischen Kammer K und Rücklauf R wird unterbrochen. Eine an das Heizelement H angelegte Spannung führt dazu, daß die an der Heizelementoberfläche befindliche Flüssigkeit sehr schnell verdampft und der Druck in der Kammer entsprechend schnell anwächst. Beim Überschreiten des Abspritzventil­ öffnungsdrucks p_a öffnet sich das Abspritzventil AV, und die Flüssigkeit wird durch die Einspritzdüse ED abgespritzt. Sobald der Druck in der Kammer K unter den Abspritzventil­ öffnungsdruck p_a fällt, schließt das Abspritzventil AV selbsttätig. Die beiden Absperrventile AV1 und AV2 können geöffnet werden und der oben beschriebene Vorgang kann von neuem beginnen.

Während der Spülphase wird die Kammer K zum Wiederbefüllen und Austreiben von residuellen Dampfblasen von der Flüssig­ keit durchflossen.

Der Zustand starker Überhitzung läßt sich in der Flüssigkeit nur für sehr kurze Zeit aufrechterhalten, da bereits durch geringste unvermeidbare Störungen, wie thermische Fluktuatio­ nen der Phasenübergang flüssig nach dampfförmig eingeleitet wird. Ein solcher Zustand wird als metastabil bezeichnet. Daraus folgt, daß die Überhitzung der Flüssigkeit innerhalb einer Zeitspanne erfolgen muß, die kleiner als die Zerfalls­ zeit für diesen metastabilen Aggregatszustand ist. Für diesen Zweck besonders gut geeignet ist ein planes Dünnschicht- oder Dickschichtheizelement, das trotz einer großen wirksamen Oberfläche eine sehr kleine thermische Zeitkonstante τ_therm (0,1 µs < τ_therm < 100 ms) hat.

Die thermische Zeitkonstante τ_therm eines solchen Dünnfilmheizelements, wie in Fig. 7 dargestellt, wird dabei durch die Wärmekapazität der Widerstandsschicht und die Summe der Wärmekapazitäten der elektrischen, chemischen und mecha­ nischen Schutz- und Passivierungsschichen DS, DF und WB be­ stimmt, in die das Heizelement H zur Erhöhung der Lebensdauer eingebettet werden muß.

Wie in Fig. 7 dargestellt ist, weist das Heizelement H mehrere Schichten auf. Das Schichtsystem hat neben der ge­ nannten Schutzfunktion eine differenzierte thermische Funktion zu erfüllen. Um Wärmeverluste während der Aufheiz­ phase gering zu halten, ist die Wärmequelle WQ, auch als Heizschicht bezeichnet, von dem thermisch sehr gut leitenden Si-Substrat S, auch als Wärmesenke bezeichnet, (spezifische Wärmeleitfähigkeit λ_Si = 150 W/mK) durch eine um den Faktor 100 schlechter wärmeleitende Wärmebarriere WB (spezifische Wärmeleitfähigkeit λ_SiO2 = 1,5 W/mK) der Dicke d aus SiO₂ ge­ trennt. Die Eindringtiefe δ der sich von der Wärmequelle WQ, die in Form einer Widerstandsschicht ausgebildet ist, innerhalb der Aufheizzeit Δt ausbreitenden Wärmewelle kann näherungsweise mit Hilfe der Formel

berechnet werden, wobei a die Temperaturleitfähigkeit ist und sich aus

bestimmen läßt. λ ist die spezifische Wärmeleitfähigkeit, ρ die Dichte und c die spezifische Wärmekapazität. Um die Heizschicht WQ während der Aufheizzeit Δt thermisch wirkungs­ voll vom Silizium-Substrat S zu entkoppeln, muß die Dicke d der Wärmebarriere WB größer als die Eindringtiefe δ sein, d. h. die Dicke d der Wärmebarriere WB muß so gewählt werden, daß die sich von der Wärmequelle WQ ausbreitende Wärmewelle innerhalb der Aufheizzeit Δt nicht das Si-Substrat S er­ reicht. Für typische Aufheizzeiten von Δt = 6 µs ergibt sich beispielsweise eine minimal notwendige Dicke d der Wärme­ barriere WB von d < 3 µm, wobei die Temperaturleitfähigkeit a_SiO2 ≅ 0,874.10^-6 m²/s beträgt. Für einen neuen Betäti­ gungsvorgang müssen die Wärmequelle WQ und der übrige Schichtaufbau vorher auf die niedrigere, unter dem Siedepunkt der Flüssigkeit F liegende Umgebungstemperatur abgekühlt sein. Es ist daher nicht zweckmäßig, die Dicke d der Wärmebarriere WB zu erhöhen, da sich hierdurch erstens der Energiebedarf nicht weiter verringern läßt und zweitens die Wiederholfrequenz aufgrund der längeren Abkühlpausen abnimmt.

Um eine stabile Arbeitsweise und einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, muß die in der Wärmequelle WQ erzeugte Wärme möglichst verlustfrei und schnell in die Flüssigkeit über­ tragen werden. Dies kann durch ein Deckschichtmaterial mit einer hohen Temperaturleitfähigkeit bei geringer Dicke erreicht werden. Da die Deckschicht DS, auch als Wärmeleitschicht bezeichnet, zusätzlich noch eine elektrische und chemische Isolationsfunktion hat, eignen sich hierfür bevorzugt mittels Plasmaabscheideverfahren (CVD, PECVD etc.) oder Sputtern abgeschiedene Dielektrika oder Materialien mit geringer elektrischer, aber möglichst hoher thermischer Leitfähigkeit, wie Si₃N₄, SiC und eingeschränkt SiO₂.

Zum Schutz der Heizelementoberfläche vor Kavitationseffekten, die beim Zusammenfallen (=Kollaps) der Dampfblase entstehen, kann die Deckschicht DS zusätzlich mit einem dünnen, vorzugs­ weise metallischen Dünnfilm DF (= Schutzschicht), zum Beispiel Tantal bedeckt werden. Obwohl das thermische Ver­ halten dadurch etwas verschlechtert wird, steigt die Lebens­ dauer des Heizelements H durch diese Maßnahme erheblich.

Der Aufbau der Deckschicht DS und des Dünnfilms DF ist auf die verwendete Flüssigkeit F individuell abzustimmen.

Das Heizelement H kann beispielsweise durch Sputtern oder Aufdampfen von hochschmelzenden Metallen oder deren Verbindungen hergestellt und mit Hilfe phototechnischer Verfahren strukturiert werden. Als für die Heizwiderstands­ schicht WQ besonders geeignete Materialien haben sich die Boride der Übergangsmetalle, vorzugsweise HfB₂ und ZrB₂ erwiesen. Die HfB₂-Verbindung ist wegen ihres sehr hohen Schmelzpunktes T_m ≅ 3600°C, ihres sehr kleinen Temperatur­ koeffizienten des elektrischen Widerstandes T_k ≅ -70 ppm und der sehr guten Haftfestigkeit auf SiO₂ für die Anwendung als Wärmequelle WQ (elektrothermischer Wandler) besonders gut geeignet.

Die Haftfestigkeit ist für die Lebensdauer des Heizelementes H von großer Bedeutung, da durch die sehr schnellen Aufheiz- und Abkühlvorgänge im Schichtsystem sehr hohe thermomecha­ nische Spannungen entstehen.

Für das Heizelement H haben sich folgende Maße und Material­ ien als besonders geeignet erwiesen:

Die abgespritzte Flüssigkeitsmenge ist sowohl zu der Einwirk­ dauer als auch zu der Höhe des in der Flüssigkeit wirkenden Drucks proportional. Über die wirksame Fläche des Heizelements H kann man damit auf die abgespritzte Flüssig­ keitsmenge Einfluß nehmen. Eine besonders vorteilhafte Anord­ nung zum Heizen zeigt Fig. 8. Hierbei ist das gesamte Heiz­ element H in einzelne getrennt ansteuerbare Einzelheiz­ elemente EH unterteilt, wobei die Flächen der Einzelheiz­ elemente EH beispielsweise binär gewichtet sind, d. h. wenn F₀ die Fläche des kleinsten Einzelheizelements EH ist, so betragen die Flächen der folgenden Einzelheizelemente EH in aufsteigender Reihenfolge 2¹.F₀, 2².F₀, . . .2ⁿ.F₀, wobei n die Anzahl der einzelnen Heizelemente EH darstellt.

In Fig. 8 sind fünf Einzelheizelemente EH gezeigt. Damit lassen sich 32 Druckstufen erzeugen. Weisen die Heizflächen der Einzelheizelemente EH jeweils die gleiche Breite l und jeweils die gleiche Dicke D auf, ergibt sich bei einer Spannungsansteuerung eine für alle Einzelheizelemente EH gleichbleibende Flächenleistungsdichte P_n/F_n = const., wobei die Leistung P_n des n-ten Einzelheizelements EH sich aus

P_n = n.U²/R₀

und

ergibt.

Mit einem nach dieser Methode strukturierten Heizelement H lassen sich durch individuelle Ansteuerung der einzelnen Heizelemente EH, siehe elektrisches Ersatzschaltbild Fig. 9, somit 2ⁿ äquidistante Schaltzustände, sprich Druckstufen erzeugen. Das gesamte Heizelement H stellt damit einen Digital-Analog-Wandler dar, mit dem es möglich ist, digitale elektronische Spannungssignale in äquivalente analoge Drucksignale umzuwandeln. Aufgrund der Proportionalität zwischen Druckamplitude/Wirkdauer und Einspritzmenge kann man z. B. bei einem nach obigen Verfahren achtfach gewichteten Heizelement H die Einspritzmenge in 256 Abstufungen dosieren.

Da zum Abspritzen der Flüssigkeit zunächst der Abspritzdüsen­ öffnungsdruck p_a überwunden werden muß, ist es vorteilhaft, den linearen Arbeitsbereich des nach dem Digital-/Analog- Wandlerprinzip arbeitenden Spannungs-/Druckwandlers erst in der Nähe des Öffnungsdrucks p_a des Abspritzventils AV be­ ginnen zu lassen. In Fig. 10 ist hierzu links ein Druck-/ Heizflächendiagramm ohne Basisdruck und rechts mit Basis­ druck dargestellt. Dieser kann mit Hilfe eines zusätzlichen einzelnen Heizelementes der Fläche F_B = k.F₀ erzeugt werden, wobei k eine an die Randbedingungen der Vorrichtung angepaßte Konstante ist. Dieses jeweils mitbetriebene Basis- Heizelement dient zur Erzeugung eines Basisdrucks, der im allgemeinen etwas geringer als der Öffnungsdruck p_a des Abspritzventils AV ist. Je nach Auslegung kann auf diese Weise entweder die Druckdosiergenauigkeit gesteigert oder der Dynamikbereich vergrößert werden.

Ein wesentlicher Vorteil des beschriebenen Druckerzeugungs­ verfahrens besteht darin, daß der Druckimpuls nach Über­ schreiten eines Schwellwerts der Ansteuerspannung U über einen weiten Bereich nahezu konstant und unabhängig von der Betriebsspannung ist. Dieses, in Fig. 11 dargestellte Verhalten ist in der Thermodynamik und Kinetik des Wirkprinzips begründet. Der Arbeitsbereich AB eines solchen thermodynamischen Heizelements H ist durch das Auftreten eines Plateaus in der Druck-/Ansteuerspannungskennlinie ge­ kennzeichnet. Deshalb kann ein umständliches und teures Ab­ gleichverfahren entfallen. Für den praktischen Betrieb ist ein Arbeitspunkt in der Nähe des linken Plateaubereichs zu bevorzugen. Da dieser einerseits genügend weit von dem instabilen ansteigenden Ast der Kennlinie entfernt ist und andererseits eine unnötige thermische Überlastung des Heiz­ elementes H vermieden wird. Am Punkt TZ der Kennlinie tritt die thermische Zerstörung des Heizelements H ein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist als Kraftstoffeinspritz­ ventil mit elektrothermischem Flüssigkeitsverdampfer als druckerzeugenden Antriebselement geeignet. Eine sehr präzise Dosierung auch kleinster Einspritzmengen zu exakt definierten Zeitpunkten bei einer Zeitauflösung von einigen µs ist möglich.

Zusätzliche Vorteile der Vorrichtung sind die gute Aerosol­ qualität, die Möglichkeit einer einfachen (digitalen) elek­ tronischen Leistungsansteuerung, die Verschleißarmut und eine hohe Lebensdauer (wenige mechanisch bewegte Teile), die ein­ fache und kostengünstige Herstellbarkeit der Vorrichtung, welche letzlich auch einen Aktor darstellt, mit Batchmethoden der Dünnfilmprozeßtechnik, die geringe Baugröße des Aktors (einige mm² Aktorfläche) und die hohe Arbeitsfrequenz.

Das Rückstromventil RV, das Abspritzventil AV und die Ab­ sperrventile AV1, AV2 müssen nicht, wie in den Figuren ge­ zeigt ausgebildet sein. In dem Figuren ist eine mögliche Aus­ gestaltung gezeigt. Jedoch steht die gesamte Palette an be­ kannten Ventilen zur Verfügung. H. J. Matthies beschrieb in "Einführung in die Ölhydraulik", Teubner-Verlag, Stuttgart, 1991 im Kapitel "Elemente und Geräte zur Energiesteuerung und Regelung (Ventile)" Ventile, die für die obengenannte Vor­ richtung verwendbar sind.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Zumessen und Zerstäuben von Fluid, insbesondere von Kraftstoff in Motoreinspritzventilen,

• - bei der eine mit dem Fluid (F) befüllbare Kammer (K) vor­ gesehen ist,
• - bei der in der Kammer (K) ein Heizelement (H) zum Erhitzen des Fluids (F) vorgesehen ist,
• - bei der die Kammer (K) einen verschließbaren Zulauf (RV, Z; AV1, Z) aufweist, welcher während des Heizvorgangs verschlos­ sen ist, und
• - bei der die Kammer (K) zur Abgabe des Fluids (F) an die Um­ gebung einen verschließbaren Abfluß (A; AV2) aufweist,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• - das Heizelement (H) ein wärmeleitendes Substrat (S) auf­ weist, über welchem eine Wärmebarriere (WB) angeordnet ist,
• - über der Wärmebarriere (WB) eine Wärmequelle (WQ) angeord­ net ist,
• - über der Wärmequelle (WQ) eine Wärmeleitschicht (DS) ange­ ordnet ist,
• - über der Wärmeleitschicht (DS) eine Schutzschicht (DF) an­ geordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (H) ein Dünnschicht-Heizelement ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Dicke d der Wärmebarriere (WB) der Ungleichung
  genügt und wobei a die Temperaturleitfähigkeit der Wärmebarriere (WB) und Δt die Aufheizzeit der Wärmequelle (WQ) ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Heizelement (H) mehrere Einzelheizelemente (EH) aufweist,
• - die Einzelheizelemente (EH) unterschiedlich große wirksame Heizflächen aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Wirkoberfläche der Einzelheizelemente (EH) binär gewichtet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Abfluß (A) eine Einspritzdüse (ED) nachgeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (K) einen verschließbaren Rücklauf (AV2) aufweist, welcher während des Heizvorgangs verschlossen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulauf (Z) oder der Abfluß (A) oder Zulauf (Z) und Abfluß (A) passive Ventile sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der verschließbare Rücklauf (R) ein federbelastetes oder elektrisch steuerbares Ventil ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (H) folgende Merkmale aufweist:

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches Heizelement (H) zur Erzeugung eines Basisdrucks vorgesehen ist, der unter dem Öffnungsdruck des Abspritzventils (AV) liegt.