DE19857338C1 - Dosiervorrichtung - Google Patents

Abstract

Dosiervorrichtung, aufweisend DOLLAR A - eine Düsennnadel (3, 3'), welche eine Bohrung (201) in eine gedrosselt druckbeaufschlagbare Arbeitskammer (5) und in eine druckbeaufschlagbare Fluidkammer (7) unterteilt, DOLLAR A - mindestens eine Einspritzöffnung (26), welche mittels der Düsennnadel (3) verschließbar ist, DOLLAR A - einen in die Arbeitskammer (5) mündenden Ablauf (24), welcher mittels eines Dichtelementes (13, 13') verschließbar ist, DOLLAR A wobei DOLLAR A - eine obere druckbelastete Fläche (12) der Düsennadel (3, 3') größer ist als eine untere druckbelastete Fläche (9, 9') DOLLAR A - mittels des Stellantriebs (16) das Dichtelement (13, 13') verschiebbar ist, so daß ein Öffnen und Schließen des Ablaufs (24) steuerbar ist, wodurch ein Hub der Düsennadel (3, 3') so einstellbar ist, daß ein Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung (26) steuerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dosierten Abgabe von Fluid.

Eine Verbrennung in einem Motor erfordert, insbesondere bei einem Magermotor, eine exakt steuerbare Einbringung von Fluid, z. B. von Benzin, unter hohem Druck direkt in den Brennraum. Ein hoher Einspritzdruck, zur Zeit von bis zu 200 bar bei einer Benzin-Direkteinspritzung, ist für eine gute Zerstäubung des Fluids maßgebend. Die Zerstäubung ist aber ausschlaggebend für einen niedrigen Abgas-Emissionswert, ins­ besondere von hydrierten Kohlenwasserstoffen.

Zur Sicherstellung der Zündfähigkeit eines Gemisches auch bei einem hohen Luftüberschuß sind verschiedene Verfahren in der Entwicklung (luftgeführt, strahlgeführt, wandgeführt: siehe z. B. "Benzin-Direkteinspritzung, eine neue Herausforderung für künftige Steuersysteme, Teil 2: Einspritzventil und Ge­ mischbildung", MTZ Motortechnische Zeitschrift 58 (1997) 10, Seite 592-598).

Aus energetischen Gründen erfolgt die Einspritzung des Kraft­ stoffes hierbei sehr spät und mit hoher Rate, unter Umständen sogar mehrfach. Dieses erfordert einen Injektorantrieb mit einer hohen Dynamik, wofür ein piezoelektrischer, magneto­ striktiver oder elektrostriktiver Aktor prädestiniert ist.

Bei der Verwendung solcher Aktoren in einer serientauglichen Dosiervorrichtung stellen sich folgende Probleme:

• - der Hub des Aktors liegt, abhängig von der Baugröße, in einem Bereich von typischerweise 10 µm bis 60 µm. muß zur Steuerung der Düsennadel vergrößert werden. Unter der Be­ rücksichtigung von Fehlertoleranzen, Alterungs- und Tempe­ ratureffekten sind solche Direktantriebe aber nicht seri­ entauglich. Die Verwendung eines Hubübersetzers (z. B. me­ chanisch oder hydraulisch) ist hingegen mit einem erhöhten Konstruktionsaufwand und höheren Kosten verbunden.
• - Die Dosiervorrichtung muß zwischen typischerweise -40°C und +150°C stabil und reproduzierbar arbeiten. Der thermi­ sche Abgleich ist bei einer direkt angetriebenen oder me­ chanisch hubübersetzten Düsennadel aufgrund der im Betrieb zusätzlich auftretenden und lastabhängigen Temperaturgra­ dienten nur mit einem hohen Aufwand realisierbar.
• - Der Aktor muß vor einem Einfluß der Umgebung, insbesondere vor Kraftstoff, geschützt und hermetisch gekapselt werden. Für eine dauerstandsfeste Durchführung der kraft-/hub­ übertragenden Elemente vom Aktor auf die sich in einer Fluidkammer befindende Düsennadel existiert keine serien­ taugliche Lösung. So sind O-Ringe unbrauchbar und Membra­ nen halten die Druckbelastung nicht aus oder besitzen ei­ nen zu großen Kraftnebenschluß.
• - Für einen nach innen öffnenden Injektor, z. B. einen Drallzerstäuber, ist eine Umkehrung der Bewegungsrichtung der Düsennadel erforderlich, da sich der Aktor bei elek­ trischer Ansteuerung im allgemeinen ausdehnt.

Aus DE 195 19 191 A1 ist ein hydraulisch direkt angetriebe­ nes, nach innen öffnendes Einspritzventil bekannt. Dieses weist an einer bewegungskommutierten Düsennadel mehrere Druckräume auf, von denen einer drucklos betrieben wird. Die Düsennadel besteht aus mehreren getrennten Bauteilen mit un­ terschiedlich großen Steuerflächen.

Aus US-PS 4 725 002 ist eine nach außen öffnende, direkt an­ getriebene Dosiervorrichtung für Fluide bekannt, bei der ein Aktor in einem direkten mechanischen Kraftschluß mit der Dü­ sennadel steht.

Aus der deutschen Patentanmeldung P 198 38 862.4 ist eine Do­ siervorrichtung bekannt, bei der eine Kraftübertragung zwi­ schen einem Stellantrieb und einer Düsennadel zum Längenaus­ gleich über einen hydraulischen Kraftschluß geschieht. Die dazu eingesetzte Hydraulikkammer wird mit Membranen oder Kolben begrenzt. Sie ist mit einem Hydrospeicher verbunden ist und bildet mit ihm ein fluidisch abgeschlossenes System.

Aus der deutschen Patentanmeldung P 198 07 903.6 ist eine Vorrichtung zur Kraftübertragung bekannt, bei der der Hub ei­ nes Aktors mittels einer Hydraulikkammer zunächst mechanisch­ hydraulisch an einen Sekundärkolben weitergegeben wird und darauf folgend rein hydraulisch hubübersetzt übertragen wird. Es wird eine Düsennadel beschrieben, die mehrere Druckräume aufweist, von denen einer drucklos betrieben wird. Die Düsen­ nadel besteht aus mehreren getrennten Bauteilen.

Mittels dieser Dosiervorrichtungen ist es nicht möglich, die oben genannten, einer Serientauglichkeit hindernd im Weg ste­ henden, Nachteile zu vermeiden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine ver­ gleichsweise einfache, toleranzunempfindliche und robuste Do­ siervorrichtung bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Dazu wird eine Dosiervorrichtung realisiert, die eine in ei­ ner Bohrung eines Gehäuses axialverschiebbar geführte Düsen­ nadel aufweist, welche die Bohrung in eine Arbeitskammer und eine Fluidkammer unterteilt. Die Fluidkammer und, in gedros­ selter Weise, die Arbeitskammer werden mit einem Fluid druck­ beaufschlagt.

Die durch die Düsennadel und das Gehäuse begrenzte Fluidkam­ mer weist eine nach außen führende Einspritzöffnung auf, wel­ che mittels der Düsennadel verschließbar ist. Die Düsennadel ist so ausgelegt, daß die mittels der Arbeitskammer druckbe­ aufschlagte und in Bewegungsrichtung projizierte Fläche der Düsennadel, die auch als obere druckbelastete Fläche bezeich­ net wird, größer ist als ihre untere druckbelastete Fläche, welche der der Fluidkammer ausgesetzten und in Bewegungsrich­ tung projizierten Fläche der Düsennadel entspricht.

In die Arbeitskammer mündet ein Ablauf, über den in der Ar­ beitskammer befindliches Fluid abfließen kann. Der Ablauf ist gegen die Arbeitskammer mittels eines Dichtelementes ver­ schließbar, wobei das Dichtelement mittelbar oder unmittelbar durch den vom Stellantrieb ausgehenden Hub verschiebbar ist.

Im Ausgangszustand verschließt das Dichtelement die Arbeits­ kammer gegen den Ablauf. Die Arbeitskammer ist daher mit Fluid gefüllt, welches unter dem gleichen Druck steht wie die Fluidkammer. Dadurch, daß die obere druckbelastete Fläche der Düsennadel größer ist als die untere druckbelastete Fläche, wird die Düsennadel auf die Einspritzöffnung gedrückt und verschließt diese. Die Dosiervorrichtung befindet sich also in geschlossenem Zustand.

Zum Öffnen der Dosiervorrichtung wird der Stellantrieb betä­ tigt, wodurch das Dichtelement in die Arbeitskammer gedrückt wird. Dadurch öffnet sich die Verbindung zwischen Arbeitskam­ mer und Ablauf, und Fluid fließt unter gleichzeitigem Druck­ abfall in der Arbeitskammer durch den Ablauf ab. Aufgrund dieses Druckabfalls wird die nach unten, d. h. in Richtung der Einspritzöffnung, auftretende Kraft an der Düsennadel verrin­ gert, während die vom Fluid in der Fluidkammer auf die Düsen­ nadel nach oben, d. h. in Richtung der Arbeitskam­ mer, ausgeübte Kraft bestehen bleibt. Dadurch wird die Düsen­ nadel nach oben verschoben, wodurch sie sich von der Ein­ spritzöffnung abhebt. Aufgrund dieses Abhebens gelangt Fluid aus der Fluidkammer durch die Einspritzöffnung dosiert nach außen.

Zur Beendigung des Öffnungsvorgangs wird der Stellantrieb wieder zurückgezogen, so daß das Dichtelement die Arbeitskam­ mer wieder gegen den Ablauf verschließt. Dadurch baut sich aufgrund des gedrosselten Fluidflusses der Druck in der Ar­ beitskammer wieder auf. Mit steigendem Druck in der Arbeits­ kammer erhöht sich auch der nach unten wirkende Kraftanteil auf die Düsennadel, so daß diese wieder schließend auf die Mündung gepreßt wird.

Durch eine Betätigung des Stellantriebs ist somit der Druck in der Arbeitskammer veränderbar, wodurch wiederum der Ein­ spritzvorgang steuerbar ist.

Ein Vorteil der Erfindung ist es, daß der Stellvorgang der Düsennadel sehr schnell und (beliebig) langhubig ausführbar ist.

Zudem ist es möglich, auf eine Hubübersetzung zu verzichten, weil der Aktorhub zum Öffnen des Absteuerventils, auch Servo­ ventil genannt, vollkommen ausreicht. Damit entfallen auch Verschleißprobleme mechanischer oder Kavitations- bzw. Be­ füllprobleme hydraulischer Überträgerlösungen. Beispielsweise haben Gasblasen in der Arbeitskammer keinen Einfluß auf das Schaltverhalten.

Aufgrund des nun möglichen langhubigen Stellvorgangs der Dü­ sennadel ist es möglich, die Auslegung der Einspritzöffnung wesentlich einfacher und toleranzunkritischer zu gestalten. Zudem ist eine hohe Reproduzierbarkeit der Einspritzvorgänge vorteilhafterweise sichergestellt.

Es ist weiterhin von Vorteil, daß der nach innen öffnende Öffnungsvorgang ohne zusätzliche Mittel zur Bewegungsumkehr realisierbar ist.

Auch ist es sehr vorteilhaft, daß die Düsennadel bezüglich ihrer Lage thermisch in idealer Weise kompensiert ist.

Zudem ist der Aufbau konstruktiv sehr einfach.

Es ist zur einfachen Herstellung und Handhabung vorteilhaft, wenn die Düsennadel aus einem in der Bohrung axialverschieb­ bar geführten und diese Bohrung in eine Arbeitskammer und ei­ ne Fluidkammer unterteilenden Kolben und einer Spitze inner­ halb der Fluidkammer, welche am Kolben befestigt ist und durch die die Einspritzöffnung verschließbar ist, besteht.

Es ist zur einfachen Herstellung und Handhabung auch vorteil­ haft, wenn der Kolben und die Spitze zylinderförmig sind, wo­ bei der Durchmesser des Kolbens größer ist als der Durchmes­ ser der Spitze. Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Düsennadel zentriert am Kolben angebracht ist und die Ein­ spritzöffnung an der dem Kolben gegenüberliegenden Wand zen­ triert eingebracht ist.

Zudem ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Kolben und der Spitze ein Zwischenstück eingebracht ist, welches in einer Bohrungsverengung der Bohrung axialverschiebbar angeordnet ist. Dadurch wird innerhalb der Bohrung eine Kolbenkammer ge­ bildet, welche durch das Gehäuse, den Kolben und das Zwi­ schenstück begrenzt wird. Die Kolbenkammer wird möglichst drucklos betrieben, z. B. durch eine Verbindung mit dem Ab­ lauf. Eine solche Konstruktion besitzt den Vorteil, daß eine Krafteinstellung an der Düsennadel durch die Größe der druck­ beaufschlagten Flächen an Arbeits- bzw. Fluidkammer einfach einstellbar ist, ohne die Geometrie der Spitze ändern zu müs­ sen.

Dabei ist es zur Reduktion eines Leckagestroms günstig, falls das Zwischenstück fluidisch dicht in der Bohrungsverengung geführt wird.

Es wird bevorzugt, falls der Kolben und das Zwischenstück zy­ lindrisch und zueinander zentriert ausgeführt sind, wobei der Kolben einen größeren Durchmesser aufweist als das Zwischen­ stück.

Weiterhin ist es günstig, wenn der Stellantrieb einen piezo­ elektrischen, magnetostriktiven oder elektrostriktiven Aktor aufweist, weil ein solcher Aktor sehr schnelle und genau an­ steuerbare Hübe ausführen kann. Dabei ist im Vergleich zu ei­ nem magnetostriktiven oder elektrostriktiven Aktor eine Ver­ wendung eines Piezoaktors wegen seiner kompakten Bauweise, vergleichsweise einfachen Herstellung und leichten Ansteue­ rung besonders günstig. Ein keramischer Vielschicht- Piezoaktor wird dabei bevorzugt.

Die Düsennadel ist leckagebehaftet in die Bohrung einge­ bracht, so daß Fluid aus der Fluidkammer gedrosselt in die Arbeitskammer fließen kann, wenn ein Druckunterschied in Richtung der Arbeitskammer existiert.

Es ist zur Steuerung der Befüllung der Arbeitskammer vorteil­ haft, wenn die Arbeitskammer zusätzlich zur Passung zwischen Düsennadel bzw. Kolben und Gehäuse mittels eines Drosselzu­ laufs druckbeaufschlagt wird.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Düsennadel zur Sicher­ stellung des Verschlusses der Einspritzöffnung durch eine Na­ delfeder auf die Einspritzöffnung gepreßt wird. Dadurch wird beispielsweise bei einem niedrigen Fluiddruck, beispielsweise bei einem Stillstand eines Verbrennungsmotors, verhindert, daß Kraftstoff in den Brennraum gelangt. Zum Beispiel kann die Nadelfeder in der Absteuerkammer angebracht sein oder an der Düsennadel angelenkt sein.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Stellantrieb vom Fluid getrennt wird. Dies kann bei Einsatz eines Servoventils - im Gegensatz zu direkt oder über Hubübersetzer gesteuerten Do­ siervorrichtungen - mit Hilfe einer Membran oder eines O- Rings geschehen, weil der an diesen Abdichtmitteln noch an­ liegende Fluiddruck vergleichsweise gering ist.

Auch ist es vorteilhaft, wenn der Piezoaktor mittels einer Rohrfeder unter dauernder Vorspannung gehalten wird, so daß er bei einer Ausführung in keramischer Bauweise vor schädli­ chen Zugspannungen geschützt ist.

Der Ablauf ist günstigerweise drucklos, so daß eine schnelle Schaltung der Dosiervorrichtung gewährleistet ist. Auch ist es zur Positionierung und zum Schutz des Stellantriebs gün­ stig, daß der Ablauf zumindest teilweise in Form einer Ab­ steuerkammer erweitert ist.

Es ist auch vorteilhaft, wenn zwischen Ablauf und Arbeitskam­ mer eine Ablaufdrossel vorhanden ist, weil so die Dynamik des Druckaufbaus und -abfalls in der Absteuerkammer in verbesser­ ter Weise einstellbar ist.

Es ist zur einfachen Betätigung des Dichtelementes günstig, wenn dieses mittels eines am Stellelement angebrachten und zumindest teilweise durch den Ablauf geführten Stößels ver­ schoben wird.

Es ist dabei zum einfachen Einbau vorteilhaft, wenn der Stö­ ßel und das in der Absteuerkammer befindliche Dichtelement lose aufeinander auflegbar sind. In diesem Fall ist eine sphärische Ausgestaltung des Dichtelementes vorteilhaft. Es ist auch günstig, den Stößel und das Dichtelement in einem Bauteil auszuführen, wobei vorteilhafterweise das Dichtele­ ment die Form eines Ventiltellers einnimmt.

Auch ist es vorteilfalt, falls der Ablauf an seiner Mündung in die Arbeitskammer in Form eines Absteuer-Dichtsitzes aus­ geführt ist, weil dadurch eine sichere Abdichtung der Verbin­ dung von Arbeitskammer zum Ablauf gewährleistet ist.

Es ist zur verzögerungsfreien Schaltung vorteilhaft, wenn das Volumen der Arbeitskammer klein ist.

Als Fluid können Gase, z. B. Luft oder Methan eingesetzt wer­ den oder Flüssigkeiten, z. B. hydrierte Kohlenwasserstoffe wie Benzin, Diesel, Kerosin oder Alkohol, oder auch Wasser.

Selbstverständlich ist die Dosiervorrichtung nicht auf einen Einsatz in Motor-Einspritzungen beschränkt, sondern kann für alle Arten der dosierten Fluidabgabe eingesetzt werden, z. B. zur Gasbefüllung, Beschichtung oder Kühlung.

In den folgenden Figuren wird die Dosiervorrichtung anhand von Ausführungsbeispielen schematisch näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Dosiervorrichtung zur Fluideinspritzung,

Fig. 2 zeigt eine Dosiervorrichtung unter Verwendung einer Kolbenkammer,

Fig. 3 zeigt eine weitere Dosiervorrichtung zur Fluidein­ spritzung.

Fig. 1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel für eine Dosiervorrichtung in Form eines Benzin-Direkteinspritzers mit piezoelektrischem Antrieb.

In einem Gehäuse 2 ist eine Bohrung 201 eingebracht, welche über eine Einspritzöffnung 26 nach außen mündet. Innerhalb der Bohrung 201 ist eine Düsennadel 3 axialverschiebbar ange­ bracht, welche aus einem zylindrischen Kolben 301 und einer damit fest verbundenen Spitze 302 besteht. Der Kolben 301 un­ tertrennt dadurch die Bohrung 201 in eine Arbeitskammer 5 und eine durch eine Fluidzuleitung 6 mit Fluid F - typischerweise auf bis zu 200 bar - druckbeaufschlagbare Fluidkammer 7. Die Arbeitskammer 5 und die Fluidkammer 7 sind durch eine Passung 8 zwischen Kolben 301 und Gehäuse 2 miteinander fluidisch ge­ drosselt verbunden.

Die Spitze 302 befindet sich in der Fluidkammer 7 und verschließt bei Aufsatz auf einen Einspritz-Dichtsitz 10 des Gehäuses 2 die Einspritzöffnung 26 dichtend.

Die mittels des Drucks PA des Fluids F in der Arbeitskammer 5 druckbeaufschlagte, in Bewegungsrichtung projizierte Fläche des Kolbens 301 bzw. der Düsennadel 3 wird als obere druckbe­ lastete Fläche 12 bezeichnet. Durch den Druck PA auf die obe­ re druckbelastete Fläche 12 wird die Düsennadel 3 nach unten, d. h. in Richtung der Einspritzöffnung 26 verschoben.

Weiterhin existiert eine der Fluidkammer 7 ausgesetzte untere druckbelastete Fläche 9 der Düsennadel 3, welche sich aus der in Bewegungsrichtung projizierten Fläche 91 des Kolbens 301 und der in Bewegungsrichtung projizierten, druckbeaufschlag­ ten Fläche 92 der Spitze 302 zusammensetzt. Durch den Druck des Fluids F in der Fluidkammer 7 wird dadurch eine Kraft auf die Düsennadel 3 nach oben, d. h. in Richtung der Arbeitskam­ mer 5 ausgeübt.

Die obere druckbelastete Fläche 12 berechnet sich zu π . d1²/4 mit d1 = Durchmesser des Kolbens 301, während sich die untere druckbelastete Fläche 9 zu π . (d1² - d3²)/4 berechnet mit d3 = Durchmesser des Einspritz-Dichtsitzes 10.

In die dem Kolben 301 entgegengesetzte Seite der Arbeitskam­ mer 5 mündet ein druckloser Ablauf 24, welcher teilweise in Form einer Absteuerkammer 23 erweitert ist. In der Absteuer­ kammer 23 befindet sich ein Stellantrieb 16, welcher aus ei­ nem Piezoaktor 161, einer - vorteilhafterweise weichen - Rohrfeder 162, einer Stirnplatte 163 und elektrischen An­ schlüssen 164 aufgebaut ist. Der Piezoaktors 161 liegt mit seinen Endflächen zwischen dem Gehäuse 2 und der Stirnplatte 163 auf. Er wird durch eine am Gehäuse 2 und an der Stirn­ platte 163 befestigten Rohrfeder 162 zusammengedrückt, so daß er vorteilhafterweise unter Druckspannung steht. Das Vorhan­ densein einer Druckspannung ist besonders bei Verwendung ei­ nes keramischen Piezoaktors 161 günstig.

Der Stellantrieb 16 wird mittels einer Dichtvorrichtung, hier: einer Membran 22, vom Fluid F abgetrennt. Von der Ab­ steuerkammer 23 führt der Ablauf 24 weiter nach außen, z. B. in einen Tank. Eine hermetische Abdichtung des Stellantriebs 16 gegenüber dem Fluid F kann durch eine unkritische Nieder­ druck-Trennmembrane realisiert werden, weil die Absteuerkam­ mer 23 - mit Ausnahme geringer Druckstöße beim Öffnen - drucklos ist.

An der Stirnplatte 163 ist ein Stößel 21 angebracht, welcher durch den Ablauf 24 hindurch in die Arbeitskammer 5 geführt wird und dort auf einem kugelförmigen Dichtelement 13 lose aufliegt. Das Dichtelement 13 dichtet bei Aufsatz auf einen Absteuer-Dichtsitz 14 des Ablaufs 24 diesen fluidisch ab. Der Stößel 21 ist so eingebaut, daß ein Abströmen von Fluid F aus der Arbeitskammer 5 nicht behindert wird. Dazu weist in die­ sem Ausführungsbeispiel der Stößel 21 einen quadratischen Querschnitt mit abgerundeten Ecken im Bereich des Ablaufs 24 auf.

Innerhalb der Arbeitskammer 5 ist ein Rückstellelement 11 eingebracht, welches sich am Dichtelement 13 und an der obe­ ren druckbelasteten Fläche 12 der Düsennadel 3, entsprechend einer Stirnfläche des Kolbens 301 abstützt. Mittels des Rück­ stellelementes 11 wird erstens das Dichtelement 13 zur Ge­ währleistung eines Dichtvorgangs auf den Absteuer-Dichtsitz 14 gedrückt, und zweitens zur Vermeidung einer ungewollten Abgabe von Fluid F bei geringem Druck in der Fluidzuleitung 6 die Düsennadel 3 auf den Einspritz-Dichtsitz 10 gedrückt.

In dieser Figur befindet sich die Dosiervorrichtung im Ruhe­ zustand. Der Piezoaktor 161 ist kontrahiert, und weist seine minimale Ausdehnung in axialer Richtung auf. Der Stellantrieb 16 ist dadurch so weit von der Arbeitskammer 5 zurückgezogen, daß das Dichtelement 13 auf dem Absteuer-Dichtsitz 14 auf­ liegt und die Arbeitskammer 5 gegen den Ablauf 24 verschließt. Das Dichtelement 13 wird durch den Druck PA in der Arbeitskammer 5 in den Absteuer-Dichtsitz 14 gedrückt.

Über die Fluidzuleitung 6 ist die Fluidkammer 7 mit Fluid F befüllt. Ein typischer, an der Fluidzuleitung 6 anliegender Druck des Fluids F liegt im Bereich von 50 bar bis 200 bar für einen Benzin-Direkteinspritzer. Durch Befüllung über die leckagebehaftete Passung 8 wird die Arbeitskammer 5 gedros­ selt mit Fluid F befüllt, welches dort unter dem Druck PA entsprechend dem Druck in der Fluidkammer 7 steht.

Weil die obere druckbelastete Fläche 12 größer ist als die untere druckbelastete Fläche 9 wirkt auf die Düsennadel 3 ei­ ne Kraft nach unten, welche sie dicht im Einspritz-Dichtsitz 10 hält. Für den Fall eines Druckabfalls an der Fluidzulei­ tung 6 wird ein sicheres Schließen durch das Federelement 10 gewährleistet.

Ausgehend vom Ruhezustand dehnt sich der Piezoaktor 161 wäh­ rend eines Dosiervorgangs durch elektrische Ansteuerung der Elektroden 164 axial aus und verschiebt damit die Stirnplatte 163, den Stößel 21 und das Dichtelement 13 in Richtung der Arbeitskammer 5. Dadurch wird das Dichtelement 13 vom Absteu­ er-Dichtsitz 14 abgehoben und die Arbeitskammer 5 mit dem drucklosen Ablauf 24 verbunden.

Als Folge davon sinkt der Druck PA in der Arbeitskammer 5 schnell unter das Niveau des in der Fluidzuleitung 6 anlie­ genden Drucks ab (im allgemeinen nahe 0 bar). Dabei steht der Fluiddruck an der unteren druckbelasteten Fläche 9 zunächst noch in voller Höhe an, so daß die Düsennadel 3 bis zum An­ schlag nach oben verschoben und die Einspritzöffnung 26 frei­ gegeben wird.

Ein typische Verschiebung des Piezoaktors 161 beträgt 20 µm bis 60 µm, eine typische Verschiebung der Düsennadel 3 be­ trägt für einen Benzin-Direkteinspritzer 10 µm bis 60 µm, für einen Diesel-Direkteinspritzer 60 µm bis 360 µm.

Über die Dauer des Dosiervorgangs wird Fluid F durch die Ein­ spritzöffnung 26 nach außen abgegeben, und es fließt ein be­ ständiger Verlustvolumenstrom von der Fluidkammer 7 über die Passung 8 des Kolbens 301 durch die Arbeitskammer 5 in den Ablauf 24.

Zur Beendigung des Dosiervorgangs wird der Piezoaktor 161 wieder auf seine Ausgangslänge kontrahiert. Dadurch werden, unterstützt durch das Rückstellelement 11, der Stößel 21 und das Dichtelement 13 zurückbewegt, so daß das Dichtelement 13 auf dem Absteuer-Dichtsitz 14 aufsitzt und den Ablauf 24 wie­ der verschließt.

Nachdem der Ablauf 24 verschlossen ist, baut sich in der Ar­ beitskammer 5 aufgrund des Leckagestroms längs der Passung 8 innerhalb sehr kurzer Zeit der volle in der Fluidzuleitung 6 herrschende Druck wieder auf, so daß die Düsennadel 3 wieder auf die Einspritzöffnung 26 dichtend aufgesetzt wird.

Der Vorteil einer solchen Dosiervorrichtung liegt darin, daß der Stellantrieb der Düsennadel sehr schnell und langhubig vonstatten geht.

Zudem kann auf eine mechanische oder herkömmliche hydrauli­ sche (z. B. Kolben/Kolben, Membran/Membran, Kolben/Membran, Membran/Kolben) Hubübersetzung gänzlich verzichtet werden, da der Hub des Piezoaktors 101 zum Öffnen der Arbeitskammer 5 vollkommen ausreicht. Damit entfallen auch Verschleißprobleme mechanischer oder Kavitations- bzw. Befüllprobleme hydrauli­ scher Übertragerlösungen. Beispielsweise haben Gasblasen in der Arbeitskammer 5 keinen Einfluß auf das Schaltverhalten.

Aufgrund des nun möglichen langhubigen Stellvorgangs der Dü­ sennadel 3 ist eine konstruktive Auslegung der Spitze 302 we­ sentlich einfacher und toleranzunkritischer als bei einer me­ chanischen oder hydraulischen Hubübersetzung.

Auch ist es günstig, daß die Düsennadel 3 als ein Bauteil aufgeführt werden kann.

Wegen der sehr schnellen definierten Bewegung der Düsennadel 3 zwischen einem oberen und einem unteren Anschlag ist eine hohe Reproduzierbarkeit des Einspritzvorgangs sichergestellt.

Weiterhin ist die Düsennadel 3 bezüglich ihrer Lage thermisch in idealer Weise kompensiert. Eine thermische Längenkompensa­ tion von Gehäuse 2, Stellantrieb 16 und Stößel 21 in Bezug auf das Dichtelement 13 ist aufgrund der in diesem Bereich erheblich geringeren thermischen Belastung (nur geringe Tem­ peraturgradienten) durch entsprechende Materialpaarungen ein­ fach zu gewährleisten. Beispielsweise kann das Gehäuse 2 im Bereich des Stellantriebs 16 aus Invar gefertigt sein.

Der Aufbau ist zudem konstruktiv sehr einfach und somit ver­ gleichsweise wenig störanfällig.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel als Schnitt­ darstellung in Seitenansicht, bei dem gegenüber der in Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung zwischen dem Kolben 301' und der Spitze 302 ein zylindrisches Zwischenstück 303 als weiteres Teil der Düsennadel 3' zentriert eingebracht ist. Das Zwi­ schenstück 303 wird in einer Bohrungsverengung 29 axialver­ schiebbar geführt.

Durch diese Anordnung wird innerhalb der Bohrung 201 eine Kolbenkammer 4 gebildet, welche durch den Kolben 301', das Gehäuse 2 und das Zwischenstück 303 begrenzt wird. Der Kol­ ben 301' grenzt nun an die Arbeitskammer 5 und an die Kolben­ kammer 4, während mittels des Fluids F in der Fluidkammer 7 nun die Spitze 302 und das Zwischenstück 303 druckbelastet werden.

Die untere druckbelastete Fläche 9' der Düsennadel 3 setzt sich nun aus der in Bewegungsrichtung projizierten Fläche 92 der Spitze 302 und der entsprechenden Fläche 93 des Zwischen­ stücks zusammen.

Die untere druckbelastete Fläche 9' berechnet sich nun zu π . (d2² - d3²)/4 berechnet mit d2 = Durchmesser des Zwischen­ stücks 303.

Durch eine Einstellung des Durchmessers d2 des Zwischenstücks 303 ist es möglich, die an der Düsennadel 3 wirkende Kraft, und damit auch das Schaltverhalten, gezielt und einfach ein­ zustellen, ohne die Geometrie der Spitze 302 verändern zu müssen.

Diese Dosiervorrichtung ist nun so ausgeführt, daß die Ab­ steuerkammer 5 direkt von der Fluidzuleitung 6 über einen Drosselzulauf 27 befüllt wird. Die Passung zwischen Gehäuse 2 und Zwischenstück 303 ist so eng ausgeführt, daß sie hydrau­ lisch weitgehend dicht ist. Die Kolbenkammer 4 ist zudem an den Ablauf 24 angeschlossen, so daß eine mögliche noch vor­ handene Leckage nicht zu einer Druckbelastung der Düsennadel 3 an der Kolbenkammer 4 führt.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Dosier­ vorrichtung.

Im Unterschied zu der in Fig. 1 gezeigten Dosiervorrichtun­ gen ist der Stößel 21 mit einem in Form eines Tellerventils ausgeführten Dichtelement 13' fest verbunden ist. Zudem ist die Absteuerkammer 23' zweigeteilt, so daß eine in ihr vor­ handene Druckwelle nur abgeschwächt auf die Stirnplatte 163 wirkt. Aus diesem Grund geschieht eine Abdichtung des Stellantriebs 16 gegenüber dem Fluid F mittels eines O-Rings 25.

Das Rückstellelement 11' ist nun innerhalb der Absteuerkammer 23' am Stößel 21 angelenkt. Durch eine solche Konstruktion läßt sich das Volumen der Arbeitskammer 5 vorteilhafterweise weiter minimieren. Zur Rückstellung der Düsennadel 3 und zur Gewährleistung der Dichtigkeit der Dosiervorrichtung auch im drucklosen Zustand dient eine in der Fluidkammer 7 an der Spitze 302 angelenkte Nadelfeder 32.

Des weiteren ist der Kolben 301 hydraulisch dicht (sehr enge Passung) eingebaut. Die Befüllung und die Entleerung der Ar­ beitskammer 5 über den Drosselzulauf 27 und den Ablauf 24 be­ sitzt den Vorteil, daß die Öffnungs- und Schließflankensteil­ heit der Düsennadel 3 gezielt einstellbar ist. Dabei wird vorteilhafterweise der Ablauf 24 gedrosselt ausgeführt, bei­ spielsweise mittels einer Ablaufdrossel 31.

Die Dosiervorrichtung kann sowohl indirekt über die Passung 8, direkt über den Drosselzulauf 27 oder über beides von der Fluidzuleitung 6 aus druckbeaufschlagbar sein.

Claims (14)

1. Dosiervorrichtung, aufweisend

• - eine Düsennadel (3, 3'), welche in einer Bohrung (201) eines Gehäuses (2) axial verschiebbar ist, und welche die Bohrung (201) in eine gedrosselt druckbeaufschlagbare Arbeitskammer (5) und in eine druckbeaufschlagbare Fluidkammer (7) unter­ teilt, und deren eine obere druckbelastete Fläche (12) größer ist als deren eine untere druckbelastete Fläche (9, 9'),
• - mindestens eine an der Fluidkammer (7) nach außen führende Einspritzöffnung (26), welche mittels der Düsennadel (3) verschließbar ist,
• - einen in die Arbeitskammer (5) mündenden Ablauf (24), auf den ein innerhalb der Arbeitskammer (5) vorhandenes Dicht­ element (13, 13') dichtend aufsetzbar ist,
• - einen Stellantrieb (16), dessen eine Fläche am Gehäuse ab­ gestützt ist und an dem ein Stößel (21) aufliegt, welcher mindestens teilweise durch den Ablauf (24) hindurch ver­ schiebbar ist,

wobei

• - durch einen veränderbaren Druck (PA) in der Arbeitskammer (5) ein Hub der Düsennadel (3, 3') so einstellbar ist, daß ein Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung (26) steuer­ bar ist,
• - durch einen Hub des Stellantriebs (16) das Dichtelement (13, 13') gleichgerichtet verschiebbar ist, so daß ein Abhe­ ben und Aufsetzen des Dichtelementes (13, 13') am Ablauf (24) steuerbar ist.

2. Dosiervorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Ablauf (24) an seiner Mündung in die Arbeitskammer (5) in Form eines Absteuer-Dichtsitz (14) ausgearbeitet ist, auf das das Dichtelement (13) preßbar ist.

3. Dosiervorrichtung nach Anspruch 2, bei der ein Rückstellelement (11, 11') das Dichtelement (13) auf den Absteuer-Dichtsitz (14) drückt.

4. Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Düsennadel (3, 3') aus einem Kolben (301, 301') und einer damit fest verbundenen Spitze (302) besteht, wobei der Kolben (301, 301') in der Bohrung (201) axialverschiebbar führbar ist, und mittels der Spitze (302) die Einspritzöffnung (26) verschließbar ist.

5. Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Arbeitskammer (5) mit Fluid (F) aus der Fluid­ kammer (7) über eine Passung (8) zwischen einem Gehäuse (2) und der Düsennadel (3, 3') befüllbar ist.

6. Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwischen dem Kolben (301, 301') und der Spitze (302) ein Zwischenstück (303) in einer Bohrungsverengung (29) der Bohrung (201) axialverschiebbar und dicht angeordnet ist, so daß innerhalb der Bohrung (201) eine zusätzliche Kolbenkammer (4) gebildet wird, welche durch das Gehäuse (2), den Kolben (301, 301') und das Zwischenstück (303) gebildet wird, und die Kolbenkammer (4) drucklos betreibbar ist.

7. Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Arbeitskammer (5) mittels mindestens eines Dros­ selzulaufs (27) druckbeaufschlagbar ist.

8. Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, beider eine Nadelfeder (32) die Düsennadel (3) in Richtung der Einspritzöffnung (26) preßt.

9. Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Stellantrieb (16) mittels Piezoaktors (161) betä­ tigbar ist.

10. Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei der der Ablauf (24) teilweise in Form einer Absteu­ erkammer (23, 23') erweitert ist.

11. Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei der der Ablauf (24) mittels einer Ablaufdrossel (31) drosselbar ist.

12. Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei der die Düsennadel (3, 3') mit einem Hub von 10 µm bis 360 µm verschiebbar ist.

13. Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, die zur Kraftstoff-Einspritzung verwendbar ist.

14. Dosiervorrichtung nach Anspruch 14, bei der das Fluid (F) Benzin oder Diesel ist.