DE19839125C1

DE19839125C1 - Vorrichtung und Verfahren zur Dosierung von Fluid

Info

Publication number: DE19839125C1
Application number: DE19839125A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kappel; Randolf Mock; Hans Meixner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-08-27
Filing date: 1998-08-27
Publication date: 2000-04-20
Anticipated expiration: 2018-08-28
Also published as: FR2782795B1; US6119952A; FR2782795A1

Abstract

Bei der Dosierung für Fluid (6) ist eine nach außen führende, mit einem Fluid (6) druckbeaufschlagte sekundärseitige Bohrung (4) mittels eines darin geführten Hubelementes (7), das ein Dichtelement (17) aufweist, von außen verschließbar, und DOLLAR A die Bewegung des Hubelementes (7) durch eine Ansteuereinrichtung steuerbar, mittels welcher die Bewegung eines Primärantriebs (5) über eine Hydraulikkammer (2) hydraulisch an das Hubelement (7) weiterleitbar ist, DOLLAR A wobei die Hydraulikkammer (2) mittels eines durch die Passung von Hubelement (7) und Gehäuse (1) geleiteten Leckagestromes mit dem Fluid (6) druckbeaufschlagbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur dosierten Abgabe von Fluid.

Die Nachfrage nach einer präzisen Dosierung eines Fluids nimmt an Bedeutung zu, beispielsweise bei der Benzin-Direkt einspritzung im Rahmen eines Magermotorkonzeptes. Mit Hilfe des Magermotorkonzeptes soll eine Verringerung des CO₂-Aus stoßes erreicht werden.

Zur Realisierung eines Magermotors wird an die Dosierung des Kraftstoffs eine hohe Anforderung unter anderem in bezug auf eine gleichzeitige, axialsymmetrische Kraftstoffverteilung, auf einen Einsatz bei großen Temperaturgradienten von ca. 150°, auf einen hohen Einspritzdruck bis 250 bar, auf eine kurze Antriebstotzeit von weniger als 0,1 ms und auf eine kurze Schaltzeit von weniger als 0,15 ms gestellt.

Diese Anforderung läßt sich insbesondere aufgrund der be grenzten Schaltzeit mittels einer elektromagnetisch angetrie benen Dosiervorrichtung nur unzureichend erfüllen. Ein piezo elektrischer Stellantrieb hingegen zeichnet sich durch eine sehr kurze Ansprech- und Totzeit < 50 µs aus.

Bei der Verwendung eines piezoelektrischen Direktantriebs ist allerdings die unzureichende Kompensation einer durch Tempe ratur- oder durch Alterungs- und Setzeffekte bedingten Län genänderung von Piezoaktor und Gehäuse nachteilig. Auch ist hierfür ein Piezoaktor großer Baulänge erforderlich, was fer tigungstechnisch nachteilig und kostenaufwendig ist.

Bei einer Kombination eines piezoelektrischen Stellantriebs mit einer Membranhydraulik ist unter anderem ein aufwendiger mechanischer Abgleich, eine Bruchgefahr der Membrane sowie ein niedriger Wirkungsgrad problematisch.

In DE 43 06 073 C1 ist eine Zumeßvorrichtung für Fluide of fenbart, bei der ein piezoelektrischer Stellantrieb mittels fluidgefüllter Kammern ein Hubelement antreibt, welches eine Fluidabgabe steuert. Diese Vorrichtung besitzt den Nachteil einer aufwendigen und anfälligen Ausgestaltung im Antriebs bereich sowie einer Trennung des antriebsseitigen und des einspritzseitigen Hydraulikkreislaufes.

In DE 195 19 191 A1 ist ein Einspritzventil offenbart, bei dem die Bewegung eines Piezoaktors mittels einer kolben hydraulischen Hubübersetzung einen Stößel direkt steuert. Dieses Ventil ist auf die Verwendung von Steuerflächen am Ventilstößel angewiesen ist. Weiterhin wird darin eine bewe gungskommutierende Hubübersetzung offenbart, die eine aufwen dige Ausgestaltung an der Hydraulikkammer voraussetzt. Auch wird das Fluid über mindestens eine Einspritzöffnung abgege ben, wodurch die Gefahr einer Verstopfung gegeben ist, und wodurch außerdem eine axialsymmetrische Kraftstoffabgabe stark behindert wird.

In DE 43 06 072 C2 ist eine Vorrichtung zum Öffnen und Ver schließen einer in einem Gehäuse vorhandenen Durchtrittsöff nung beschrieben, die kompakt aufgebaut, betriebssicher und verschleißarm sein soll und einen schnellen Dosiervorgang er möglichen soll. Dazu weist sie eine Gehäusekammer auf, die mit einer speziellen Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist. Die Hydraulikflüssigkeit ist von dem zu dosierenden Medium durch Dichtelemente, z. B. Membranen, getrennt.

In EP 0 477 400 A1 ist eine Anordnung für einen in Hubrich tung wirkenden adaptiven mechanischen Toleranzausgleich für einen Wegtransformator eines piezoelektrischen Aktors offen bart, der bei einem einfachen Aufbau zuverlässig arbeiten soll. Der Adapter enthält eine Hydraulikkammer, die ein defi niertes Leck besitzt, wobei eine Auslenkung eines Aktors über einen Hubkolben in die Hydraulikkammer eingeleitet und über einen Arbeitskolben auf die anzutreibenden Masse übertragen wird. Die Hydraulikkammer ist ein geschlossenes, mit einer Hydraulikflüssigkeit gefülltes Übertragersystem.

In DE 44 06 522 C1 wird ein elektrohydraulisches Antriebsele ment mit Kolben-in-Kolben-Antrieb zur Hubumkehr beschrieben, welches ein geschlossenes Hydrauliksystem zur Kraftübertra gung verwendet.

In DE 197 32 802 A1 wird eine nach innen öffnende, servoge steuerte Kraftstoffeinspritzvorrichtung offenbart.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verein fachte und zuverlässige Möglichkeit zur präzisen Dosierung von Fluid bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 16 gelöst.

Die Idee der Erfindung besteht im wesentlichen darin, die Be wegung eines Primärantriebs an ein sekundärseitiges Hubele ment mittels einer Hydraulikkammer hydraulisch weiterzugeben, wobei das nach außen öffnende Hubelement eine Fluidabgabe di rekt steuert.

Dazu ist das Hubelement in einer sekundärseitigen Bohrung axialverschiebbar führbar angeordnet. Die sekundärseitige Bohrung mündet einerseits an einer Mündung nach außen, führt andererseits in eine Hydraulikkammer und ist mit einem Fluid druckbeaufschlagbar.

Das Hubelement weist ein Dichtelement auf, durch das die Mün dung von Außen verschließbar ist. Auch ist ein Primärelement vorhanden, dessen Hub, z. B. eine Elongation eines Piezoak tors, über die Hydraulikkammer hydraulisch an das Hubelement übertragbar ist. Dabei ist durch die Bewegung des Primäran triebs das Hubelement dergestalt verschiebbar, daß ein Öffnen und Schließen der Mündung mittels des Dichtelementes steuer bar ist, und bei geöffneter Mündung das Fluid über die sekun därseitige Bohrung nach außen abgebbar ist.

Weiterhin ist die Dosiermöglichkeit dadurch ausgezeichnet, daß die Hydraulikkammer von der sekundärseitigen Bohrung aus durch eine Passung von Hubelement und Gehäuse mit dem Fluid gedrosselt druckbeaufschlagbar ist. Die sekundärseitige Boh rung und die Hydraulikkammer sind also durch die leckagebe haftete Passung zwischen Hubelement und einem Gehäuse mitein ander fluidisch verbunden. Dies ist gleichbedeutend damit, daß sowohl die Hydraulikkammer als auch die sekundärseitige Bohrung mit dem zu dosierenden Fluid befüllbar sind.

Zur Dosierung des Fluids wird das Hubelement so bewegt, daß es die sekundärseitige, druckbeaufschlagte Bohrung mittels eines nach außen öffnenden Dichtelementes gegen den Außenraum öffnet bzw. abschließt.

"Primärseitig" bezeichnet dabei Elemente, die im Kraftschluß vom Primärantrieb bis ausschließlich zur Hydraulikkammer an gebracht sind, beispielsweise einen Piezoaktor. "Sekundärsei tig" bezeichnet entsprechend Elemente, die im Kraftschluß dem Primärantrieb und der Hydraulikkammer nachgeschaltet sind, beispielsweise ein Hubelement.

Die Dosierung des Fluids läuft im wesentlichen in den folgen den Schritten ab:

a) In Ruhestellung ist der Primärantrieb von der Hydraulik kammer maximal zurückgezogen, beispielsweise bei entladenem Piezoaktor. Der Druck des Fluids in der Hydraulikkammer ent spricht wegen der leckagebehafteten, d. h. hydraulisch gedros selten, Verbindung zwischen der Zuleitung und der Hydraulik kammer dem Druck in der Zuleitung. Das sekundärseitige Hub element ist maximal zur Hydraulikkammer hin verschoben, bei spielsweise durch eine sekundärseitige Rückstelleinrichtung.

Das Hubelement verschließt mittels eines Dichtelementes die sekundärseitige Bohrung gegen den Außenraum.

Während des Hubvorgangs wird der Primärantrieb zur Hydraulik kammer verschoben. Dadurch erhöht sich der Druck in der Hy draulikkammer, so daß das sekundärseitige Hubelement stärker von der Hydraulikkammer weg gedrückt wird. Weil das Fluid nur gedrosselt in die Hydraulikkammer gelangt, wird der Druckauf bau durch den vergleichsweise geringen leckagebehafteten Fluidabfluß nicht verhindert.

Ab einem bestimmten Druck in der Hydraulikkammer werden die auf das Hubelement ausgeübten Kräfte in Richtung der Hydrau likkammer, beispielsweise der Rückstelleinrichtung, überwun den, und das Hubelement bewegt sich von der Hydraulikkammer weg. Durch diese Bewegung wird das zum Hubelement gehörige Dichtelement von der Mündung der sekundärseitigen Bohrung nach außen abgehoben. Durch die offene Mündung wird Fluid in den Außenraum dosiert abgegeben.

a) Zur Rückkehr in die Ruhestellung wird der Primärantrieb wieder kontrahiert. Der Druck des Fluids in der Hydraulikkam mer sinkt soweit, daß das Hubelement wieder in Richtung der Hydraulikkammer verschoben wird, beispielsweise aufgrund der von der sekundärseitige Rückstelleinrichtung ausgeübten Kraft. Ist das Hubelement soweit in Richtung der Hydraulik kammer zurückgeschoben, daß es die sekundärseitige Bohrung wieder gegen den Außenraum verschließt, so werden Fluidver luste in der Hydraulikkammer mittels des Leckagestroms durch die Passung von Hubelement und Gehäuse ausgeglichen.

Durch den Einsatz der Hydraulikkammer ergeben sich unter an derem folgende Vorteile:

1. Ein möglicherweise zu geringer Hub des Primärantriebs kann durch eine Hubübersetzung auf das sekundärseitige Hub element vergrößert (beispielsweise: Hub des Piezoaktors 40 µm, Hub des Hubelementes 240 µm, entsprechend einer Hubüber setzung von 6 : 1). Dadurch werden die Vorteile des Primär antriebs, zum Beispiel ein sehr schnelles und lineares An sprechverhalten, mit dem Vorteil eines ausreichenden Hubs vereinigt. Ein Nachteil des piezoelektrischen Direktantriebs, nämlich eine große Piezolänge, ist somit vermeidbar.
2. Thermische oder durch Alterungs- sowie Setzeffekte be dingte Längenänderungen sowohl des Piezoaktors, als auch des Gehäuses mitsamt Einbauten werden weitgehend dadurch kompen siert, daß die Hydraulikkammer über einen Leckagestrom mit Fluid druckbeaufschlagt wird. Daher ist der Druck in der Hy draulikkammer langfristig unabhängig von ihrem Volumen. Somit wird eine hohe Präzision in einem großen Temperaturbereich erreicht. Zum Ausgleich dieser Effekte kann auch eine Hydrau likkammer mit einer Hubtransformation von 1 : 1 oder einer Hu buntersetzung verwendet werden.
3. Die relative Ausrichtung der sekundärseitigen Bohrung besitzt keinen Einfluß auf das Steuerungsverhalten. Auf Grund dessen können mehrere unterschiedlich ausgerichtete sekundär seitige Teilelemente, beispielsweise Hubelemente in ihren je weiligen Bohrungen, vorhanden sein.
4. Im Gegensatz zu einem mechanischen Übertragersystem ent fällt der nachteilige Effekt der Verbiegung von Bauelementen oder der Reibung bzw. des Verschleißes oder auch einer Ver kantung mechanischer Bauteile.
5. Die Verschiebung des Primärantriebs wird in sehr guter Näherung unverzüglich und präzise weitergegeben. Der Vorteil der Verwendung eines sehr gut steuerbaren Primärantriebs mit einer kurzen Totzeit, beispielsweise eines Piezoaktors oder eines magnetostriktiven Aktors, bleibt erhalten.

Im Vergleich zu einer Dosiervorrichtung mit Bewegungsumkehr ergibt sich der Vorteil einer einfachen Auslegung im Bereich der Hydraulikkammer. Diese Auslegung ist fertigungstechnisch toleranzunempfindlich. Durch den nach außen öffnenden Stößel wird zudem eine axialsymmetrische Kraftstoffabgabe an der Mündung erreicht.

Durch die leckagebehaftete Befüllung der Hydraulikkammer ent fällt eine komplizierte Befüllanordnung oder ein getrennter Hydraulikkreislauf für die Hydraulikkammer.

Vorteilhafterweise ist die Erfindung nicht auf eine Kraft stoff-Einspritzung beschränkt, z. B. auf eine Benzin-Ein spritzung, eine Diesel-Einspritzung oder eine Methan-Ein spritzung für einen Gasmotor. Es sind vielmehr andere Anwen dungen denkbar, z. B. eine Steuerung eines Hydraulikventils. So kann ein solches Hydraulikventil zur Steuerung eines Bremskreislaufes oder zur Dosierung eines aktiven Schwing ungsdämpfers verwendet werden.

Das Fluid kann eine Flüssigkeit sein, z. B. Wasser, oder ein Gas, z. B. Druckluft. Bei einer Verwendung der Dosiervor richtung zur Kraftstoff-Einspritzung ist das Fluid vorteil hafterweise eine Flüssigkeit wie Benzin, Diesel, Kerosin, Pe troleum oder Alkohol oder ein Gas wie Methan oder Buthan.

In den folgenden Ausführungsbeispielen wird die erfindungs gemäße Dosiervorrichtung schematisch dargestellt:

Fig. 1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine mögliche Ausgestaltung der Dosiervorrichtung.

In einem Gehäuse 1 sind eine primärseitige Bohrung 3 und eine dazu gleichgerichtete sekundärseitige Bohrung 4 so einge bracht, daß beide Bohrungen 3, 4 zentriert ineinander überge hen. Sie können auch als eine Bohrung mit unterschiedlichem Durchmesser aufgefaßt werden. Eine solche Anordnung zweier ineinander mündender Bohrungen 3 und 4 mit einer Längsachse entlang der gleichen Linie ergibt den Vorteil einer einfachen und kompakten Bauweise, verbunden mit einer einfachen Her stellungsmöglichkeit.

Die Orientierung der beiden Bohrungen 3, 4 zueinander kann aber auch anders ausgeführt sein, beispielsweise zueinander versetzt oder gekippt.

In der primärseitigen Bohrung 3 ist ein Druckkolben 11 als Teil eines Primärantriebs 5, d. h. eines von außen direkt steuerbaren Antriebs, axialverschiebbar zumindest teilweise versenkbar angeordnet. Innerhalb der primärseitigen Bohrung 3 wird durch diese Anordnung eine Hydraulikkammer 2 geschaffen. Die Hydraulikkammer 2 ist mit einem Fluid 6 druckbeauf schlagt. Sie kann auch separat mit einer hydraulischen Ver bindung zu den Bohrungen 3, 4 ausgeführt sein.

Der Druckkolben 11 wird durch eine primärseitige Rückstell einrichtung 13, als weiterem Teil des Primärantriebs 5, von der Hydraulikkammer 2 weggedrückt. Die primärseitige Rück stelleinrichtung 13 kann beispielsweise eine Rohrfeder (Hohlzylinder mit horizontalen Schlitzen) sein, oder besteht vorteilhafterweise aus mehreren parallel oder seriell ange ordneten Tellerfedern. Auch eine aktive Steuerung der primär seitigen Rückstelleinrichtung 13 ist denkbar, beispielsweise mittels eines Stellantriebs.

Die Passung zwischen Druckkolben 11 und Gehäuse 1 ist vor teilhafterweise hydraulisch dicht. Sie wird zur einfacheren Realisierung vorteilhafterweise mittels eines umlaufenden O- Rings 18, der in eine Nut des Druckkolbens 11 eingelassen wird, abgedichtet. Der O-Ring 18 besteht aus Elastomermate rial. Auch kann eine Sicke oder Membran, z. B. aus Metall oder Kunststoff, zur Dichtung der Passung verwendet werden, beispielsweise zur gesteigerten Betriebssicherheit.

Der Druckkolben 11 wird von seiner der Hydraulikkammer 2 ab gewandten Seite durch einen am Gehäuse 1 abgestützten Stell antrieb 12 bewegt. Der Stellantrieb 12, als weiteres Teilele ment des Primärantriebs 5, ist vorteilhafterweise ein Piezo element, vorteilhafterweise ein Vielschicht-Piezoaktor. Ein Piezoaktor besitzt den Vorteil, daß er sehr schnell auf Steu ersignale reagiert und seine Längenänderung in sehr guter Nä herung linear zur Höhe des Steuersignals, beispielsweise ei nes Spannungs- oder Stromsignals, ist. Die Verwendung eines Piezo-Vielschichtsystems ist wegen der niedrigen Betriebs spannung ansteuerungstechnisch vorteilhaft. Die Verwendung eines keramikähnlichen Piezoelementes mit einer hohen Curie- Temperatur ermöglicht einen Betrieb über einen großen Tempe raturbereich.

Außer eines Piezoaktors kann beispielsweise auch ein magneto striktives oder elektrostriktives Stellelement 12 verwendet werden.

Zwischen Stellantrieb 12 und Druckkolben 11 ist eine Kugel scheibe 19 eingebracht, die am Druckkolben 11 ein entsprech endes Gegenlager aufweist und die vorteilhafterweise Verkipp ungen des Stellantriebs 12, des Gehäuses 1 oder des Druckkol bens 11 ausgleicht, beispielsweise zur Vermeidung einer Spaltfederung bei nicht planparallelen Piezoendflächen. Die Kugelscheibe 19 mit dem entsprechenden Gegenlager kann auch gehäuseseitig zwischen Stellantrieb 12 und Gehäuse 1 ange bracht sein. Bei ausreichender Paßgenauigkeit kann auf die Kugelscheibe 19 verzichtet werden.

Die primärseitigen Elemente 5, 11, 12, 13, 19 sind vorteil hafterweise so montiert, daß sie definiert mechanisch druck vorgespannt sind. Dies ist vorteilhaft beim Einsatz eines ke ramikähnlichen Stellantriebs 12, beispielsweise eines kera mischen Piezoaktors, der durch Zugspannungen leicht zerstört werden kann. Die Druckvorspannung kann zusätzlich über am Ge häuse 1 angebrachte Distanzscheiben (ohne Abbildung) ein gestellt werden.

Selbstverständlich kann der Primärantrieb 5 auch als ein ein zelnes Element vorliegen, beispielsweise als kolbenförmiger Piezoaktor. Dabei muß allerdings auf die Vorteile einer opti mierten Ausgestaltung von Teilelementen mit beispielsweise einer widersprüchlichen Anforderung an die Materialeigen schaften verzichtet werden.

In die Hydraulikkammer 2 mündet eine sekundärseitige Bohrung 4, in der ein sekundärseitiges Hubelement 7 axialverschiebbar und leckagebehaftet angeordnet ist. Der Primärantrieb 5 steht somit über die Hydraulikkammer 2 in einem hydraulischen Kraftschluß mit dem Hubelement 7.

Es können auch mehrere Bohrungen 4 in eine Hydraulikkammer 2 münden. Die Hydraulikkammer 2 kann auch direkt über eine zu sätzliche Fluidzuleitung mit Fluid 6 druckbeaufschlagt werden (ohne Abbildung).

Zur Entlüftung der Hydraulikkammer 2 ist eine Entlüftungs schraube 25 vorhanden.

Das Hubelement 7 besteht aus mehreren Teilelementen 14-17: ein an die Hydraulikkammer 2 grenzender Hubkolben 14 wird in der sekundärseitigen Bohrung 4 axialverschiebbar und leckage behaftet geführt. Mit dem Hubkolben 14 ist eine Kolbenstange 15 verbunden, die hier als ein Bauteil ausgeführt sind. An die Kolbenstange 15 grenzt ein Stößel 16, wobei die Kolben stange 15 und der Stößel 16 nicht fest miteinander verbunden sind.

Der Stößel 16 ist mit einem Dichtelement 17 verbunden, durch das eine Mündung 10 der sekundärseitigen Bohrung 4 gegen den Außenraum verschließbar ist.

Zur Realisierung der kolbenhydraulischen Hubübersetzung ist die druckwirksame Fläche des Druckkolbens 11 größer als die jenige des Hubkolbens 14. Die "druckwirksame Fläche" bezeich net dabei die Projektion der mit dem Fluid 6 der Hydraulik kammer 2 in Berührung stehenden Fläche in die angegebene Richtung. Beispielsweise entspricht die druckwirksame Fläche des Druckkolbens 11 bzw. des Hubkolbens 14 ihrer jeweiligen der Hydraulikkammer 2 zugewandten Stirnfläche.

Zur Erlangung eines vorbestimmten maximalen Hubes ist vor teilhafterweise ein Anschlag 23 zur Begrenzung des Hubes des Hubkolbens 14 vorhanden. Der Hubkolben 14 kann vollständig in der sekundärseitigen Bohrung 4 versenkt sein oder auch teil weise in die Hydraulikkammer 2 hineinragen.

Ein Teil der sekundärseitigen Bohrung 4 ist in Form einer Fluidkammer 9 ausgestaltet. Die Fluidkammer 9 wird mittels einer Zuleitung 24 mit dem Fluid 6 druckbeaufschlagt.

In der Fluidkammer 9 ist eine sekundärseitige Rückstellein richtung 8 angebracht, die aus einer Spiralfeder 21 besteht, welche mittels eines Seeger-Rings 20, eines Sprengringes oder einer anderen Vorrichtung am Stößel 16 befestigt ist und die das Hubelement 7 bzw. den Stößel 16 in Richtung der Hydrau likkammer 2 drückt.

Die Fluidkammer 9 kann zur Befüllung mit Fluid 6 und zum Leckageausgleich mit der Hydraulikkammer 2 durch eine gedros selte oder mit einem in Richtung der Hydraulikkammer öffnen den Rückschlagventil versehene Verbindungsleitung verbunden sein (ohne Abbildung).

Der Stößel 16 besitzt einen signifikant kleineren Durchmesser als die sekundärseitige Bohrung 4. Während also durch die vergleichsweise enge Passung zwischen Hubkolben 14 und sekun därseitiger Bohrung 4 ein vergleichsweise geringer Leckage strom verursacht wird, kann das Fluid 6 aus der Fluidkammer 9 ohne signifikante Drosselung zur Mündung 10 der sekundärsei tigen Bohrung 4 gelangen.

Die Kolbenstange 15 und der Stößel 16 sind nicht fest mitein ander verbunden. Vielmehr wird durch eine Kolbenstangenfeder 26 die Kolbenstange 15 auf Anlage mit dem Stößel 16 gehalten. Die Kolbenstangenfeder 26 ist dabei mittels eines Seeger- Rings 20, Sprengringes o. ä. an der Kolbenstange 15 fixiert. Die getrennte Ausführung von Kolbenstange 15 und der Stößel 16 besitzt den Vorteil eines einfachen Einbaus in das Gehäuse 1. Weiterhin ergibt sich der Vorteil, daß der Einfluß von Druckspitzen im Fluid 6 auf den Hubkolben 14 abgemildert wird. Die Federkräfte am Hubelement 7 sind so abgestimmt, daß im Ruhezustand das Dichtelement 17, das in Form eines Teller ventils ausgearbeitet ist, von Außen die Mündung 10 gegen den Außenraum verschließt.

Sollte dennoch eine fest verbundene Einheit von Kolbenstange 15 und Stößel 16 verwendet werden, so kann die Kolbenstangen feder 26 entfallen. In diesem Fall kann auch statt der Kol benstange 15 und des Stößels 16 ein einziges Bauteil, z. B. mit verschiedenen Durchmessern der sekundärseitigen Bohrung 4, verwendet werden.

Der Dosiervorgang erfolgt im wesentlichen in den folgenden Schritten:

(a) Ruhestellung

Der als Piezoaktor ausgebildete Stellantrieb 12 ist entladen bzw. kurzgeschlossen, so daß er in axialer Richtung seine mi nimale Länge besitzt und maximal von der sekundärseitigen Bohrung 4 entfernt ist. Die Hydraulikkammer 2 wird über die leckagebehaftete Passung von Hubkolben 7 und Gehäuse 1 mit Fluid 6 gefüllt. Der Druck P in der Hydraulikkammer 2 ent spricht im wesentlichen dem an der Zuleitung 24 anstehenden Standdruck, typischerweise 25 bis 250 bar.

Der Druckkolben 11 wird durch die primärseitige Rückstellein richtung 13 sowie durch den Druck P des Fluids 6 in der Hy draulikkammer 2 an den Stellantrieb 12 bzw. die Kugelscheibe 19 gedrückt.

Gleichzeitig drückt die Kolbenstangenfeder 26 den Hubkolben 14 von der Hydraulikkammer 2 weg. Andererseits wirken auf das Hubelement 7 die Kräfte der sekundärseitigen Rückstellein richtung 8, hier die einer Feder 21. Die resultierenden Kräf te am Hubelement 7 sind so dimensioniert, daß das Dicht element 17 die sekundärseitige Bohrung 4 gegen den Außenraum verschließt.

(b) Hubvorgang

Zu Beginn des Hubvorgangs wird durch ein elektrisches Signal, beispielsweise ein Spannungs- oder Stromsignal, der Stellan trieb 12 über die Anschlüsse 121 in axialer Richtung ausge dehnt, typischerweise 10-60 µm. Bei einer so geringen Ver schiebung des Stellantriebs 12 gleitet der O-Ring 18 nicht an der Wand des Gehäuses 1 sondern verformt sich rein elastisch, wodurch eine vorteilhafte Dichtung erreicht wird.

Der Stellantrieb 12, der sich am Deckel des Gehäuses 1 ab stützt, drückt über die Kugelscheibe 19 den Druckkolben 11 mit großer Kraft in Richtung der Hydraulikkammer 2, so daß in dieser der Druck P steigt.

Durch den erhöhten Druck P in der Hydraulikkammer 2 fließt Fluid 6 über die leckagebehaftete Passung von Hubkolben 14 und Gehäuse 1 ab. Der Leckagestrom ist aber im Verhältnis zur Geschwindigkeit der Druckerhöhung nicht groß genug, als daß die Druckerhöhung wesentlich beeinflußt wird.

Durch den erhöhten Druck P vergrößert sich die auf den Hub kolben 14 ausgeübte, von der Hydraulikkammer 2 weg gerichtete Kraft. Wenn diese Kraftkomponente die in Gegenrichtung wir kende Kraftkomponente überschreitet, bewegt sich das Hubele ment 7, 14-17 von der Hydraulikkammer 2 weg und hebt das Dich telement 17 nach außen von der Mündung 10 ab. Das Fluid 6 fließt von der Fluidkammer 9 über die sekundärseitige Bohrung 4 am Stößel 16 vorbei an die Mündung 10 und wird von dort in den Außenraum dosiert abgegeben.

Der Hub des Hubkolbens 14, typischerweise 60 bis 360 µm, wird durch einen Anschlag 23 begrenzt. Dabei ist die Dosiervor richtung so ausgelegt, daß beim Anschlagen des Hubkolbens 14 noch eine ausreichende Druckreserve vorhanden ist, damit das Hubelement 7 trotz der an der Hydraulikkammer 2 auftretenden Leckagen eine ausreichende Zeit geöffnet ist. Andererseits ist die Leckage so dimensioniert, daß bei einer Unterbrechung der elektrischen Anschlüsse 121 im geladenen Zustand des Stellantriebs 12 eine selbständige Rückkehr des Hubelementes 7 in die Ruhestellung gewährleistet ist.

(c) Rückkehr in Ruhestellung

Durch eine Kontraktion des Stellantriebs 12, beispielsweise einer Entladung des Piezoaktors, wird der Hubvorgang beendet. Die mechanisch vorgespannte Tellerfeder 13 bewirkt die Rück stellung des Druckkolbens 11 und der Kugelscheibe 19.

Aufgrund der während der Betätigungsdauer aufgetretenen Leckage sinkt der Druck P in der Hydraulikkammer 2 kurzzeitig unter den Standdruck. Dieser Verlust von Fluid 6 wird durch einen Leckagestrom von der Fluidkammer 9 wieder aufgefüllt. Bei der Relaxierung des Drucks P auf den Standdruck wird das Hubelement 7, 14-17 durch die Feder 21 zurückgestellt und die Mündung 10 gegen den Außenraum verschlossen.

Diese Anwendung ist besonders vorteilhaft bei der Benzin-Di rekteinspritzung für Magermotoren. Dabei ist zum Beispiel die Erzeugung einer gut dosierbaren Piloteinspritzung möglich.

Das Fluid 6 kann außer Benzin auch eine andere Flüssigkeit, beispielsweise Diesel, Kerosin, Öl, Methanol oder Petroleum sein, oder auch ein Gas, beispielsweise Erdgas.

Die Dosiervorrichtung kann besonders vorteilhaft bei geringen Puls/Pause-Verhältnissen eingesetzt werden (z. B. maximale Einspritzdauer 1 ms alle 24 ms bei 5000 Umdrehungen pro Mi nute beim 4-Takt-Motor). Durch relativ große Pausen (z. B. 20 ms) ist ein Ausgleich der während der kurzen Betätigungsdauer des Stellantriebs 12 (z. B. 1 ms) auftretenden Leckagen ge währleistet.

Die in Fig. 1 dargestellte Dosiervorrichtung besitzt im we sentlichen einen axialsymmetrischen Aufbau. Hiervon kann selbstverständlich abgewichen werden, indem man beispiels weise die Dosiervorrichtung aus räumlich verteilten und über Flüssigkeitsleitungen miteinander verbundenen Druckkammern aufbaut. Auch kann zum Beispiel ein Spiel der Einzelteile zu gelassen werden. Dabei muß allerdings ein Verlust an Funktio nalität in Kauf genommen werden.

Claims

1. Dosiervorrichtung für Fluid, aufweisend

1. eine mit einem Fluid (6) druckbeaufschlagbare sekundär seitige Bohrung (4) eines Gehäuses (1), die einerseits an einer Mündung (10) nach Außen und andererseits in eine Hy draulikkammer (2) führt,
2. ein Hubelement (7), das in der sekundärseitigen Bohrung (4) axialverschiebbar führbar ist und das ein Dichtelement (17) aufweist, durch das die Mündung (10) von Außen verschließ bar ist,
3. einen Primärantrieb (5), dessen Hub über die Hydraulik kammer (2) hydraulisch an das Hubelement (7) übertragbar ist,

wobei

1. durch die Hubbewegung des Primärantriebs (5) das Hubelement (7) so verschiebbar ist, daß ein Öffnen und Schließen der Mündung (10) mittels des Dichtelementes (17) steuerbar ist,
2. bei geöffneter Mündung (10) das Fluid (6) über die sekun därseitige Bohrung (4) nach Außen abgebbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

1. die Hydraulikkammer (2) von der sekundärseitigen Bohrung (4) aus durch eine Passung von Hubelement (7) und Gehäuse (1) mit dem Fluid (6) gedrosselt druckbeaufschlagbar ist.

2. Dosiervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Bewegung des Primärantriebs (5) hydraulisch hubübersetzt an das Hubelement (7) weiterleitbar ist.

3. Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Primärantrieb (5) einen Druckkolben (11), einen Stellan trieb (12) und eine primärseitige Rückstelleinrichtung (13) umfaßt, wobei

1. der Druckkolben (11) in einer in die Hydraulikkammer (2) mündenden primärseitige Bohrung (3) axialverschiebbar und gedichtet führbar ist,
2. das primärseitige Rückstellelement (13) den Druckkolben (11) von der Hydraulikkammer (2) weg drückt,
3. der Druckkolben (11) mittels des Stellantriebs (12) in der primärseitigen Bohrung (3) verschiebbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der mindestens eine Sicke zur Dichtung der Passung zwischen dem Primärantrieb (5, 11) und dem Gehäuse (1) vorhanden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der der Primärantrieb (5) zusätzlich eine Kugelscheibe (19) im Kraftschluß von Gehäuse (1), Stellantrieb (12) und Druck kolben (11) umfaßt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der der Stellantrieb (12) ein piezoelektrisches, elektrostrikti ves oder magnetostriktives Element ist, das über Anschlußlei tungen (121) in seiner Ausdehnung veränderbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der die primärseitige Rückstelleinrichtung (13) eine Rohrfeder ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zusätzlich zu einer außerhalb der Hydraulikkammer (2) an gebrachten primärseitigen Rückstelleinrichtung (13) eine oder mehrere Federelemente innerhalb der Hydraulikkammer (2) ange bracht sind, die den Primärantrieb (5, 11, 19, 12) von der Hy draulikkammer (2) wegdrücken.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die sekundärseitige Bohrung (4) teilweise in Form einer Fluidkammer (9) erweitert ist, in die eine mit dem Fluid (6) druckbeaufschlagte Zuleitung (24) mündet.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Hubelement (7) aufweist

1. einen Hubkolben (14), der an die Hydraulikkammer (2) grenzt, der in der sekundärseitigen Bohrung (4) axialver schiebbar und leckagebehaftet angeordnet ist und dessen druckwirksame Fläche an der Hydraulikkammer (2) kleiner ist als die des Primärantriebs (5),
2. eine Kolbenstange (15), die zwischen dem Sekundärkolben (14) und dem Dichtelement (17) am Sekundärkolben (14) ange bracht ist und die hydraulisch nicht-dichtend in der sekun därseitigen Bohrung (4) angeordnet ist,
3. einen Stößel (16), der hydraulisch nicht-dichtend zwischen der Kolbenstange (15) und einem Dichtelement (17) ange bracht ist und der mit dem Dichtelement fest verbunden ist,
4. eine sekundärseitige Rückstelleinrichtung (8) in der Fluid kammer (9) in Form einer oder mehrerer Federelemente (21), die das Hubelement (7) in Richtung der Hydraulikkammer (2) drückt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der sich eine Druck feder (21) in der Fluidkammer (9) befindet, die die Kolben stange (15) in Richtung der Mündung (10) drückt.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mehrere sekundärseitige Teilsysteme (4, 14-17), die im Kraftschluß dem Primärantrieb (5) und der Hydraulikkammer (2) nachgeschaltet sind, in dieselbe Hydraulikkammer (2) münden.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Hydraulikkammer (2) zusätzlich mittels einer gedros selten Fluidzuleitung druckbeaufschlagbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine gedrosselte oder mit einem in Richtung der Hydrau likkammer (2) öffnenden Rückschlagventil ausgestattete Ver bindungsleitung zwischen Hydraulikkammer (2) und Fluidkammer (9) vorhanden ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Einsatz in einem Magermotor, bei der das Fluid (6) Benzin ist.

16. Verfahren zur Dosierung von Fluid, bei dem

1. ein Hubelement (7) mindestens teilweise in einer in einen Außenraum mündenden, mit einem Fluid (6) druckbeaufschlag ten sekundärseitigen Bohrung (4) eines Gehäuses (1) geführt wird,
2. die Verschiebung des Hubelementes (7) mittels einer über eine Hydraulikkammer (2) hydraulisch weitergeleiteten Bewe gung eines Primärantriebs (5) gesteuert wird,
3. durch die Verschiebung des Hubelementes (7) das Öffnen und Schließen der sekundärseitige Bohrung (4) gegen einen Au ßenraum mittels eines am Hubelement (7) befestigten, sich mindestens teilweise außerhalb der sekundärseitigen Bohrung (4) befindlichen Dichtelementes (17) gesteuert wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

1. die Hydraulikkammer (2) über einen Leckagestrom von der se kundärseitigen Bohrung (4) durch die Passung von Hubelement (7) und Gehäuse (1) mit dem Fluid (6) druckbeaufschlagt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Verschiebung des Primärantriebs (5) hydraulisch hubübersetzt an das Hubelement (7) weitergeleitet wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, bei dem

1. der Primärantrieb (5) zumindest teilweise in einer in die Hydraulikkammer (2) mündenden primärseitigen Bohrung (2) axialverschiebbar geführt wird,

so daß in Ruhestellung

1. der Primärantrieb (5) maximal von der Hydraulikkammer (2) weg verschoben wird,
2. das Hubelement (7) maximal in Richtung der Hydraulikkammer (2) verschoben wird und die sekundärseitige Bohrung (4) mittels des Dichtelementes (17) gegen den Außenraum ver schließt,
3. der Druck (P) in der Hydraulikkammer (2) durch die Passung von Hubelement (7) und Gehäuse (1) unter dem an der sekun därseitigen Bohrung (4) anliegenden Druck steht,

während des Hubvorgangs

1. der Primärantrieb (5) das Volumen der Hydraulikkammer (2) verringert, so daß der Druck (P) in der Hydraulikkammer (2) solange erhöht wird, bis das Hubelement(7) von der Hydrau likkammer (2) weg hubübersetzt verschoben wird,
2. durch die Verschiebung des Hubelementes (7) das Dichtele ment (17) von der Mündung (10) der sekundärseitigen Bohrung (4) abgehoben wird, wodurch das Fluid (6) aus der sekundär seitigen Bohrung (4) abgegeben wird,

bei Rückkehr in die Ruhestellung

1. der Primärantrieb (5) von der Hydraulikkammer (2) weg ver schoben wird, so daß der Druck (P) darin absinkt, wodurch das Hubelement (7) so lange in Richtung der Hydraulikkammer (2) verschoben wird, bis die Ruhestellung wieder erreicht ist,
2. ein Verlust von Fluid (6) aus der Hydraulikkammer (2) durch die Passung von Hubelement (7) und Gehäuse (1) ausgeglichen wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem eine sekundärseitige Rückstelleinrichtung (8) das Hubelement (7) in Richtung der Hydraulikkammer (2) drückt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem der Primärantrieb (5) in Form eines Druckkolbens (11), eines Stellantriebs (12) und einer primärseitigen Rückstelleinrich tung (13) vorliegt, so daß

1. der Druckkolben (11) zumindest teilweise axialverschiebbar und hydraulisch dichtend in der primärseitigen Bohrung (3) geführt wird,
2. die primärseitige Rückstelleinrichtung (13) den Druckkolben (11) von der Hydraulikkammer (2) weg drückt,
3. der Stellantrieb (12) durch das Anlegen eines elektrischen Signals so in seiner Länge verändert wird, daß der Druck kolben (11) in der primärseitigen Bohrung (3) verschoben wird ist,

so daß

1. in Ruhestellung die Länge des Stellantriebs (12) in Längs richtung der primärseitigen Bohrung (3) minimal ist, so daß der Druckkolben (11) durch die primärseitige Rückstellein richtung (13) und den Druck (P) des Fluids (6) in der Ar beitskammer (2) maximal von der Hydraulikkammer (2) weg verschoben wird,
2. während des Hubvorgangs die Länge des Stellantriebs (12) in Längsrichtung der primärseitigen Bohrung (3) vergrößert wird, so daß der Druckkolben (11) durch den Stellantrieb (12) in Richtung der Hydraulikkammer (2) verschoben wird,
3. bei Rückkehr in die Ruhestellung die Länge des Stellan triebs (12) in Längsrichtung der primärseitigen Bohrung (3) verringert wird, so daß der Druckkolben (11) durch die pri märseitige Rückstelleinrichtung (13) und den Druck (P) des Fluids (6) in der Arbeitskammer (2) von der Hydraulikkammer (2) weg verschoben wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, bei dem der Druck (P) in der Hydraulikkammer (2) in Ruhestellung 25 bis 250 bar beträgt.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, bei dem der Hub des Primärantriebs (5, 12) 10-60 µm beträgt.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, bei dem der Hub des Hubelementes (7) 60-360 µm beträgt.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, bei dem die Bewegung des Primärantriebs (5, 12) auf einem piezoelektri schen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Wirkprinzip beruht.