DE19958704A1

DE19958704A1 - Vorrichtung zum Übertragen einer Aktorbewegung und Fluiddosierer mit einer solchen Vorrichtung

Info

Publication number: DE19958704A1
Application number: DE1999158704
Authority: DE
Inventors: Bernhard Gottlieb; Andreas Kappel; Randolf Mock; Hans Meixner; Bernhard Fischer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-12-06
Filing date: 1999-12-06
Publication date: 2001-06-13
Anticipated expiration: 2019-12-07
Also published as: DE19958704C2

Abstract

Ein Übertragungsmodul zum Übertragen der Bewegung eines Aktors, insbesondere eines Piezo-Aktors, auf ein Stellglied, insbesondere eine Ventilnadel, weist drei hintereinander angeordnete Kolbenelemente auf, wobei zwischen einem ersten Kolbenelement, das sich in Kontakt mit dem Aktor befindet, und einem zweiten mittleren Kolbenelement, das beweglich und mit einer druckwirksamen Kraft beaufschlagt angeordnet ist, eine Speicherkammer und zwischen dem zweiten mittleren Kolbenelement und einem dritten Kolbenelement, das sich in Kontakt mit dem Stellglied befindet, eine Hydraulikkammer ausgebildet ist, wobei die Speicherkammer mit der Hydraulikkammer über eine Drosselstelle in Verbindung steht. Das zweite mittlere Kolbenelement ist dabei vorzugsweise an Metallbälgen aufgehängt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Übertragen einer Bewegung eines Aktors auf ein Stellglied gemäß dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1 und insbesondere einen Fluiddo sierer mit einer solchen Vorrichtung. Eine solche Vorrich tung, im Weiteren auch als Übertragungsmodul bezeichnet, ist aus der DE 197 08 304 A1 bekannt.

In der Kraftfahrzeugtechnik werden zunehmend Speicherein spritzsysteme eingesetzt, bei denen mit sehr hohen Einspritz drücken gearbeitet wird. Bei solchen z. B. unter der Bezeich nung "Common-Rail-Systeme" bekannten Einspritzsystemen wird Kraftstoff unter hohem Druck an in den Zylindern angeordneten Einspritzventilen angelegt. Der Einspritzvorgang in die Zy linder wird durch Öffnen und Schließen der Einspritzventile ausgelöst, wobei die Einspritzventile über Aktoren angesteu ert werden, die nach dem elektromagnetischen und - um hohe Schaltgeschwindigkeiten zu erreichen - auch nach dem piezo elektrischen Prinzip arbeiten. Die Aktoren in Einspritzventi len betätigen dabei, ggf. unter Zwischenschaltung eines Ser voventils, eine Ventilnadel im Einspritzventil.

Aus der DE 197 08 304 A1 ist ein Übertragungsmodul bekannt, das die Auslenkung des Aktors auf einen Antriebstempel des Servoventils bzw. einen Führungsschaft der Ventilnadel über trägt. Das Übertragungsmodul ist im Wesentlichen zylinderför mig ausgebildet und weist eine Hydraulikkammer auf, die von einer flexiblen Membran begrenzt ist. An der flexiblen Mem bran liegt der Antriebsstempel des Servoventils bzw. der Füh rungsschaft der Ventilnadel an. Von der Hydraulikkammer führt eine Verbindungsbohrung mit Drosselwirkung zu einer Speicher kammer, die im Inneren des Übertragungsmoduls vorgesehen ist und durch eine vorgespannte Federplatte abgeschlossen wird.

Die Hydraulikkammer und die Speicherkammer sind mit einem hy draulischen Medium gefüllt. Über der Federplatte in der Spei cherkammer ist eine starre Abdeckplatte angeordnet, die am Aktor des Einspritzventils anliegt.

Im Ruhezustand wird über die Verbindungsbohrung der in der Speicherkammer herrschende Druck des hydraulischen Mediums auf die Hydraulikkammer übertragen, so dass die flexible Mem bran immer am Antriebstempel des Servoventils bzw. am Füh rungsschaft der Ventilnadel anliegt, auch wenn sich aufgrund thermischer Effekte oder Alterungsprozesse Verschiebungen in der Anordnung der einzelnen Komponenten im Einspritzventil ergeben. Bei einer Betätigung des Aktors wird die Auslenkung dieses Aktors über das Übertragungsmodul im Wesentlichen un verändert auf den Antriebsstempel des Servoventils bzw. den Führungsschaft der Ventilnadel übertragen. Die Verbindungs bohrung zwischen der Hydraulikkammer und der Speicherkammer ist hierzu so ausgelegt, dass aufgrund der im Bereich von Millisekunden liegenden Ansteuerzeiten im Wesentlichen kein hydraulisches Medium aus der Hydraulikkammer in die Speicher kammer abfließen kann.

Das aus der DE 197 08 304 A1 bekannte Übertragungsmodul hat jedoch einen komplizierten Aufbau und erfordert darüber hin aus einen hohen Montageaufwand beim Einsetzen in das Ein spritzventil. Weiterhin ist es mit dem bekannten Übertra gungsmodul schwierig, eine Temperaturkompensation über den gesamten Arbeitsbereich des Einspritzventils von -40°C bis +150°C zu gewährleisten. Die hochdynamischen Schaltvorgänge des Einspritzventils sowie die hohen, auf das hydraulische Medium im Übertragungsmodul wirkenden Drücke bis 300 bar stellen darüber hinaus große Anforderungen an Druck- und Ver schleißfestigkeit des Übertragungsmoduls. Dies gilt insbeson dere für Einspritzventile, bei denen Piezoelemente als Akto ren eingesetzt sind. Diese Piezo-Aktoren ermöglichen zwar schnelle Schaltgeschwindigkeiten, haben jedoch nur einen ge ringen Hub, so dass Hubverluste bei der Übertragung der Ak torbewegung dazu führen können, dass die Ventilnadel im Ein spritzventil nicht mehr zuverlässig öffnet. Im Stand der Technik z. B. aus der US 4 101 076, sind auch bereits mecha nische Hebelübersetzer bekannt, um den Hub des Piezo-Aktors zu verstärken. Hier ist jedoch dann neben den Übertragungsmo dul zur Temperaturkompensation ein zusätzliches Hebelelement erforderlich, wodurch sich der Herstellungs- und Montageauf wand erheblich vergrößert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Übertragen einer Bewegung eines Aktors auf ein Stellglied und einen Fluiddosierer mit einer solchen Vorrichtung bereit zustellen, die sich durch eine große Zuverlässigkeit auch bei hohen Dauerbelastungen und extremen Betriebsbedingungen aus zeichnen und darüber hinaus einfach aufgebaut und gefertigt werden können.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und einen Fluiddosierer gemäß Anspruch 10 gelöst.

Gemäß der Erfindung weist das Übertragungsmodul drei hinter einander angeordnete Kolbenelemente auf, wobei zwischen einem ersten, sich in Kontakt mit einem Aktor befindenden Kol benelement und einem zweiten mittleren Kolbenelement eine Speicherkammer und zwischen dem zweiten mittleren Kolbenele ment und einem dritten sich in Kontakt mit einem Stellglied befindenden Kolbenelement eine Hydraulikkammer ausgebildet sind, wobei die Speicherkammer mit der Hydraulikkammer über eine Drosselstelle in Verbindung steht und das zweite mittle re Kolbenelement beweglich und mit einer druckwirksamen Kraft beaufschlagt zwischen dem ersten und dem dritten Kolbenele ment angeordnet ist. Dieser Aufbau leistet zuverlässig eine selbsttätige Kompensation auch bei großen Längenänderungen im Fluiddosierer zwischen dem Piezo-Aktor und dem Stellglied, die durch thermische, Druck- oder Setzeffekte hervorgerufen werden können. Weiterhin lässt sich durch diese Anordnung das Übertragungsmodul kompakt gestalten, so dass eine einfache Montage des Übertragungsmoduls gewährleistet wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann durch geeignete Wahl des Größenverhältnisses der Wirkflächen des zweiten mittleren Kolbens und des dritten, sich in Kontakt mit dem Stellglied befindlichen Kolbens eine Hubübersetzung der Ak torbewegung auf das Stellglied erfolgen. Hierdurch wird er reicht, dass auch beim Einsatz eines Piezoelements als Aktor ein ausreichender Hub zum Betätigen des Stellgliedes erzeugt wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der zweite mittlere Kolben über Metallbälge zwischen den beiden äußeren Kolben aufgehängt. Der Einsatz von Metallbälgen hat den Vorteil, dass bei einer Druckbeaufschlagung der Wandungen der Metallbälge nur kleine Kraftänderungen an den Enden der beiderseitig befestigten Bälge auftreten. Die axialen Defor mationen der Balgwellen sind zwar dabei durchaus nicht ge ring, heben sich aber genau wie die auf die einzelnen Balgwellen wirkenden Kräfte in ihrer Summe über die Gesamt länge der Metallbälge nahezu auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist einer der Metallbälge, an dem der zweite mittlere Kolben aufgehängt ist, vorgespannt, so dass der zweite mittlere Kolben mit ei ner entsprechenden druckwirksamen Kraft beaufschlagt wird. Diese Ausgestaltung ermöglicht einen besonders einfachen und kompakten Aufbau des Übertragungsmoduls.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem erfindungs gemäßen Übertragungsmodul; und

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des erfindungsgemäßen Übertragungsmoduls.

Bei dem in Fig. 1 schematisch gezeigten Einspritzventil ist in einem oberen Teil eines Gehäuses 1 eine Antriebseinheit eingebaut, die als wesentliches Bauteil einen piezoelektri schen Multilayeraktor 8 in Niedervolttechnik aufweist. Dieser piezoelektrische Multilayeraktor 8 ist von einer Rohrfeder 9 umgeben, die zwischen einer Kopfplatte 10 und einer Fußplatte 11 eingeschweißt ist, wobei die Rohrfeder 9 so vorgespannt wird, dass der piezoelektrische Multilayeraktor 8 unter einer mechanischen Druckvorspannung steht. Das Gehäuse 1 des Ein spritzventils ist mit der Fußplatte 11 der Antriebseinheit möglichst steif, vorzugsweise über eine Schweißnaht 12, ver bunden.

Der piezoelektrische Multilayeraktor 8 wirkt, wenn er elek trisch über seinen Zuleitungen 32 angesteuert wird, über ein Übertragungsmodul auf das hintere Ende einer Ventilnadel 3 ein. Die Ventilnadel 3 ist im vorderen Teil des Gehäuses 1 des Einspritzventils angeordnet und verschließt im Grundzu stand mit einem am vorderen Ende der Ventilnadel 3 angeordne ten Ventilteller 4 einen Ventilsitz 2 am Gehäuse 1. Der ge schlossene Grundzustand der durch den Ventilsitz 2 und den Ventilteller 4 gebildeten Einspritzdüse im Einspritzventil wird dabei durch eine vorgespannte Düsenfeder 5 gewährlei stet, die mit der Ventilnadel 3 über einen Sprengring 6 ver bunden ist. Bei einer Ansteuerung des piezoelektrischen Mul tilayeraktors 8 hebt die vom Übertragungsmodul auf das hinte re Ende der Ventilnadel 3 übertragene Auslenkung den Ventil teller 4 vom Ventilsitz 2 ab, so dass Kraftstoff, der in eine Kraftstoffkammer 13 im Gehäuse 1 über eine Kraftstoffzulei tung 7 eingespeist wird, an der Ventilnadel 3 vorbei in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann.

Das in Fig. 1 dargestellte Einspritzventil wird mit einem Kraftstoffdruck bis ca. 500 bar betrieben. Der Bereich im Ge häuse 1 des Einspritzventils, insbesondere die Kraftstoffkam mer 13, in der dieser hohe Druck vorliegt, muss deshalb zu verlässig von den übrigen Bereichen im Gehäuse 1 des Ein spritzventils, insbesondere von dem Antriebsbereich, in dem bspw. Umgebungsdruck herrscht, abgedichtet sein. Zur herme tisch dichten und axial sehr weichen Durchführung der Ventil nadel 3 aus der Kraftstoffkammer 13 in einen drucklosen, luftgefüllten Zwischenraum 14, in dem die Antriebseinheit mit dem Übertragungsmodul eingebaut ist, dient ein Anschlussring 16, der an die Kraftstoffkammer 13 angrenzend angeordnet ist. Der Anschlussring 16 ist dabei fest mit dem Gehäuse 1 des Einspritzventils verschweißt oder kann auch aus dem Gehäuse 1 herausgearbeitet sein. Am hinteren Ende der Ventilnadel 3 ist weiterhin ein ringförmiges Anschlussstück 17 angebracht. Zwi schen dem Anschlussstück 17 am hinteren Ende der Ventilnadel 3 und dem Anschlussring 16 am Gehäuse 1 ist ein zylindrischer Metallbalg 15 eingeschweißt, der zur hermetischen Abdichtung der Kraftstoffkammer 13 gegenüber dem drucklosen, luftgefüll ten Zwischenraum 14, in dem sich die Antriebseinheit und das Übertragungsmodul befindet, dient.

Die aus dem Metallbalg 15, dem Anschlussstück 16 und dem An schlussring 17 bestehende Nadeldurchführung wird vorzugsweise als eigenständiges Modul gefertigt und dann jeweils mit dem Gehäuse 1 bzw. der Ventilnadel 3 verschweißt. Die Montage schritte des Einspritzventils erfolgen dabei typischerweise in folgender Reihenfolge:

Zuerst wird die Ventilnadel 3 in das Gehäuse 1 eingeführt und mit der Düsenfeder 5 über den Sprengring 6 vorgespannt. Da nach wird die Nadeldurchführung aus dem Metallbalg 15, dem Anschlussstück 16 und dem Anschlussring 17 als eigenständiges Modul in das Gehäuse 1 um die Ventilnadel 3 herum eingescho ben, bis der Anschlussring 17 auf einem Querschnittssprung 18 im Gehäuse 1 aufsitzt. Anschließend wird das Anschlussstück 16 mit dem Gehäuse 1 und der Anschlussring 17 mit der Ventil nadel 3 dicht verschweißt.

Die Verwendung des Metallbalgs 15 in der Nadeldurchführung ermöglicht eine perfekte, dauerhafte und zuverlässige Abdich tung des Hochdruckbereiches im Einspritzventil gegenüber dem Antriebsbereich. Der Metallbalg 15 hält, wie Berechnungen und Versuche gezeigt haben, trotz geringer Wandstärken von bspw. 50 bis 500 µm aufgrund seiner hohen radialen Steifigkeit sehr hohen Drücken stand, ohne irreversibel verformt zu werden. Der Metallbalg 15 kann weiterhin so ausgelegt werden, dass durch eine hinreichende Anzahl von Wellen eine hohe mechani sche Nachgiebigkeit, d. h. geringe Federrate in Bewegungs richtung der Ventilnadel 3 erreicht wird, um die Auslenkung der Ventilnadel 3 nicht zu beeinträchtigen und um die durch temperaturbedingte Längenänderungen der Nadeldurchführung in die Ventilnadel 3 eingeleiteten Kräfte so gering wie möglich zu halten. Weiterhin kann durch den Einsatz des Metallbalgs 15 in der Nadeldurchführung mit hoher Zuverlässigkeit eine Kraftstoffleckage verhindert werden.

Die Nadeldurchführung kann außerdem so gestaltet werden, dass die auf die Ventilnadel 3 wirkenden druckbedingten Kräfte sich gegenseitig kompensieren, so dass die Ventilnadel 3 ins gesamt druckfrei gehalten wird. Hierzu wird der hydraulisch wirksame Durchmesser des Balganschlusses so gewählt, dass er genau dem Durchmesser des Ventilssitzes 2 entspricht. Hier durch wird erreicht, dass die von dem unter Druck stehenden Kraftstoff auf die Ventilnadel 3 mit dem Ventilteller 4 aus gelösten Druckkräfte und die vom Metallbalg 15 in die Ventil nadel 3 eingeleiteten druckbedingten Kräfte sich gegenseitig kompensieren und somit keine resultierende Druckkraftkompo nente auf die Ventilnadel 3 wirkt. Dies gewährleistet, dass das Einspritzventil ein von Kraftstoffdruck nahezu unabhängi ges Schaltverhalten zeigt, da die Öffnungs- und Schließkräfte allein vom piezoelektrischen Multilayeraktor 8 und der Kraft der vorgespannten Düsenfeder 5 bestimmt werden.

Der Metallbalg 15 verfügt weiterhin aufgrund seines metalli schen Werkstoffes über einen weiten Arbeitstemperaturbereich mit gleichbleibender Funktionsfähigkeit. Thermische Längenän derungen des Metallbalgs 15 selbst führen aufgrund der nied rigen axialen Federkonstante des Metallbalgs 15 nur zu ver nachlässigbar geringen Kraftänderungen an der Ventilnadel 3 in axialer Richtung. Der Metallbalg 15 kann darüber hinaus aufgrund seiner mechanischen Federwirkung in axiale Richtung auch die Düsenfeder 5 teilweise oder vollständig ersetzen.

Um den extrem kurzen Hub des piezoelektrischen Multilayerak tors 8 auf die Ventilnadel 3 zu übertragen, ist das Übertra gungselement zwischen der Antriebseinheit und der Ventilnadel 3 als Hubübersetzer vorgesehen. Weiterhin dient das Übertra gungsmodul als hydraulisches Ausgleichselement, um jegliches Spiel zwischen dem piezoelektrischen Multilayeraktor 8 und der Ventilnadel 3 auszuschließen. Das Übertragungsmodul, das in Fig. 2 in einer vergrößerten Darstellung gezeigt ist, be steht aus einem Montagering 19, einer Lochplatte 20, einem Primärkolben 21 mit einer Drosselstelle 22, einem Sekundär kolben 23, einem Stempel 24 und drei Metallbälgen 25, 26 und 27. Das Übertragungsmodul ist dabei so zwischen der Antriebs einheit mit dem piezoelektrischen Multilayeraktor 8 und der Ventilnadel 3 angeordnet, dass der Stempel 24 des Übertra gungsmoduls an der Kopfplatte 10 der Antriebseinheit anliegt und der Sekundärkolben 23 sich in Kontakt mit dem hinteren Ende der Ventilnadel 3 befindet.

Der Primärkolben 21 des Übertragungsmoduls ist vorzugsweise topfförmig ausgebildet, wobei in einer Bodenfläche 211 mittig die Drosselstelle 22 angeordnet ist. Der Stempel 24 des Über tragungsmoduls greift mit einem Fußteil 241 in den topfförmi gen Primärkolben 21 ein, wobei der Stempel 24 von dem ersten Metallbalg 25 gehalten wird, der zwischen einem Kopfteil 242 des Stempels 24 und der Bodenfläche 211 des Primärkolbens 21 eingeschweißt ist. Dabei ist zwischen der Bodenfläche 211 des Primärkolbens 21 und einer Stirnfläche am Fußteil 241 am Stempel 24 eine Speicherkammer 31 ausgebildet.

Der Primärkolben 21 wird weiterhin von dem zweiten Metallbalg 26 auf der blockförmigen Lochplatte 20 gehalten, wobei der Metallbalg 26 zwischen einer Umbördelung 212 am oberen Rand des Primärkolbens 21 und einer oberen Stirnfläche 201 der Lochplatte 20 eingeschweißt ist. Der Montagering 19 ist in der Innenbohrung der Lochplatte 20 an einer unteren Stirnflä che 202 angrenzend angeordnet und trägt über den dritten Me tallbalg 27 den scheibenförmig ausgebildeten Sekundärkolben 23, der im Wesentlichen auf einer Ebene mit der oberen Stirn fläche 201 der Lochplatte 20 liegt. Der dritte Metallbalg 27 ist dabei fest mit dem Montagering 19 und den beiden Seiten flächen des Sekundärkolbens 23 verschweißt. Zwischen dem Pri märkolben 21 und den Sekundärkolben 23 ist eine Hydraulikkam mer 36 ausgebildet, die über die Drosselstelle 22 mit der Speicherkammer 31 verbunden ist. Alle Elemente des Übertra gungsmoduls sind dichtend miteinander verschweißt, wobei der sich ergebende Innenraum des Übertragungsmoduls vollständig blasenfrei mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist. Die Metallbälge 25, 26 und 27 sind weiterhin, ähnlich wie der Me tallbalg 15, hinreichend druckbelastbar ausgelegt, sowie ra dial sehr steif und axial sehr weich ausgebildet.

Wie Fig. 1 zeigt, ist auf der Umbördelung 212 des Primärkol bens 21 des Übertragungsmoduls im eingebauten Zustand eine Druckscheibe 29 angeordnet, die den Kopfteil 242 des Stempels 24 einfasst und mit einer weichen Druckfeder 28 druckbelastet wird, die um die Rohrfeder 9 herum angeordnet und auf der Fußplatte 11 der Antriebseinheit abgestützt ist. Die Vorspan nung der Druckfeder 28 wird dabei über die Druckscheibe 29 auf den Primärkolben 21 übertragen, so dass im Übertragungs modul ein konstanter Basisdruck auf die Hydraulikflüssigkeit in der Speicherkammer 31 und der Hydraulikkammer 36 wirkt.

Dieser Basisdruck bewirkt, dass der Stempel 24 des Übertra gungsmoduls immer mit einer kleinen Kraft auf Anlage mit der Kopfplatte 10 der Antriebseinheit gehalten wird und dass wei terhin der Sekundärkolben 23 mit einer kleinen Kraft auf dem hinteren Ende der Ventilnadel 3 aufliegt. Die Lage des Pri märkolbens 21 zwischen dem Stempel 24 und dem Sekundärkolben 23 ist dabei so eingestellt, dass die Hydraulikkammer 36, die zwischen dem Primärkolben 21 und dem Sekundärkolben 23 ausge bildet ist, eine Höhe HK von ca. 50 bis 1000 µm besitzt und die Höhe HS der Speicherkammer 31, die zwischen der Stirnflä che des Fußteils 241 des Stempels 24 und der Bodenfläche 211 des Primärkolbens 21 ausgebildet wird, im Bereich von 50 bis 1000 µm liegt.

Wie in Fig. 2 gezeigt, ist das Übertragungsmodul vorzugswei se als eigenständiges Modul ausgebildet, das idealerweise in folgender Reihenfolge montiert wird:

Nach dem Anbringen der Nadeldurchführung wird das gesamte Übertragungsmodul in das Gehäuse 1 des Einspritzventils ein gesetzt, wobei die Lochplatte 20 mit einer Schweißnaht am Ge häuse 1 fixiert wird. Danach werden die Druckscheibe 29 und die Druckfeder 28 auf die Umbördelung 212 am Primärkolben 21 des Übertragungsmoduls aufgesetzt. Schließlich wird die vor montierte Antriebseinheit aus dem piezoelektrischen Multi layeraktor 8, der Kopfplatte 10, der Fußplatte 11 und der Rohrfeder 9 in das Gehäuse 1 soweit eingedrückt, bis die Druckfeder 28 durch die Fußplatte 11 mit der gewünschten Vor spannung belastet ist, so dass die Hydraulikflüssigkeit im Übertragungsmodul unter dem gewünschten Basisdruck steht. Die Antriebseinheit wird dann in dieser Stellung über die Schweißnaht 29 zwischen der Fußplatte 11 steif und fest mit dem Gehäuse 1 verbunden. Die gewählte Ausgestaltung ermög licht also eine besonders einfache Fertigung und Montage des Übertragungsmoduls im Einspritzventil.

Das Einspritzventil mit dem Übertragungsmodul arbeitet wie folgt:

Zur Einleitung des Einspritzvorganges wird der piezoelektri sche Multilayeraktor 8 über die elektrischen Zuleitungen 32 geladen. Dies bewirkt, dass der piezoelektrische Multilayer aktor 8 sich auslenkt und über die Kopfplatte 10 mit hoher Kraft auf den Kopfteil 241 des Stempels 24 drückt. Bei dem Übertragungsmodul ist die Drosselstelle 22 im Primärkolben 21 weiterhin so dimensioniert, dass während der typischen An steuerzeiten des piezoelektrischen Multilayeraktors 8 von 1 bis 5 ms nur ein verschwindend geringer Austausch von Hydrau likflüssigkeit zwischen der Speicherkammer 31 und der Hydrau likkammer 36 stattfinden kann. Dies bedeutet, dass das Volu men der Speicherkammer 31 während der Einspritzzeit als in kompressibel betrachtet werden kann.

Da der Metallbalg 25, der zwischen dem Stempel 24 und dem Primärkolben 21 angeordnet ist, radial sehr steif ausgelegt ist und wie erläutert, nur wenig Hydraulikflüssigkeit über die Drosselstelle 22 aus der Speicherkammer 31 abfließen kann, überträgt sich die durch den piezoelektrischen Multi layeraktors 8 ausgelöste Bewegung des Stempels 24 direkt auf den Primärkolben 21. Durch die Bewegung des Primärkolbens 21 steigt der Druck in der Hydraulikkammer 36 zwischen dem Pri märkolben 21 und dem Sekundärkolben 23 an. Übersteigt die sich dadurch auf den Sekundärkolben 23 ergebende Kraft die Rückstellkraft der Düsenfeder 5, wird die Ventilnadel 3 durch den Sekundärkolben 23 nach unten gedrückt, so dass der Ven tilteller 4 vom Ventilsitz 2 abhebt und das Einspritzventil sich öffnet.

Die Auslenkung des piezoelektrischen Multilayeraktors 8 wird dabei entsprechend dem Verhältnis der druckwirksamen Flächen des Primärkolbens 21 und des Sekundärkolbens 23 in der Hy draulikkammer 36 in einen Hub der Ventilnadel 3 übersetzt. Als Primärkolbenfläche wirkt die vom Innendurchmesser des An schlusses des Metallbalges 26 aufgespannte Kreisfläche des Primärkolbens 21. Die Sekundärkolbenfläche wird dagegen vom Außendurchmesser des Anschlusses des Metallbalges 27 be stimmt. Durch geeignete Abstimmung der Primärkolbenfläche zur Sekundärkolbenfläche lässt sich also eine geeignete Überset zung des Hubes des piezoelektrischen Multilayeraktors 8 in Bezug auf den Hub der Ventilnadel 3 einstellen. Hierdurch kann zuverlässig gewährleistet werden, dass der extrem kurze Hub des piezoelektrischen Multilayeraktors 8 bei allen Be triebsbedingungen des Einspritzventiles ausreicht, die Ven tilnadel 3 zu öffnen.

Der Einspritzvorgang wird beendet, indem der piezoelektrische Multilayeraktor 8 über die elektrischen Zuleitungen 32 wieder entladen wird. Hierdurch verkürzt sich der piezoelektrische Multilayeraktor 8 auf seine Ausgangslänge, wobei die Rohrfe der 9 verhindert, dass die Piezo-Keramik durch Massenträg heitseffekte beim Kontrahieren unter Zugspannung gerät. Durch die Rückstellkraft der Düsenfeder 5 wird die Ventilnadel 3 wieder in ihre geschlossenen Position, bei der der Ventiltel ler 4 auf dem Ventilsitz 2 aufsitzt, gebracht. Weiterhin wird der Sekundärkolben 23 des Übertragungsmoduls vom hinteren En de der Ventilnadel 3 wieder in seine Ausgangsposition zurück geschoben, wodurch der Druck in der Hydraulikkammer 36 an steigt. Da das Volumen der Hydraulikkammer 36 nahezu inkom pressibel ist und die Drosselstelle 22 so dimensioniert ist, dass der schnelle Druckanstieg in der Hydraulikkammer 36 nicht durch Abströmen von Hydraulikflüssigkeit über die Dros selstelle 22 in die Speicherkammer 31 abgebaut werden kann, wird der Druckanstieg auf den Primärkolben 21 weitergegeben, so dass dieser sich gegen die Vorspannkraft der Druckfeder 28 nach oben bewegt. Dies bewirkt einen Druckanstieg in der Speicherkammer 31, wodurch der Stempel 24 in Richtung auf die Fußplatte 10 am piezoelektrischen Multilayeraktor 8 zubewegt wird, bis er mit dieser zur Anlage kommt.

Durch die erfindungsgemäße Auslegung des Übertragungsmoduls ist es weiterhin möglich, selbsttätig alle thermischen bzw. durch Setzeffekte der Antriebseinheit hervorgerufenen oder druckbedingten Längenänderungen im Einspritzventil durch das Übertragungsmodul auszugleichen. Das Übertragungsmodul be wirkt eine Längenkompensation auf folgende Weise:

Vergrößert sich z. B. aufgrund der thermischen Dehnung des Gehäuses 1 des Einspritzventils der Abstand zwischen dem oben Ende der Ventilnadel 3 und der Kopfplatte 10, so fällt der Druck in der Speicherkammer 31 gegenüber dem Druck in der Hy draulikkammer 36 ab. Der Wert der Druckdifferenz hängt von der Geschwindigkeit der Abstandsänderung zwischen dem oberen Ende der Ventilnadel 3, der Kopfplatte 10 und der Dimensio nierung der Drosselstelle 22 ab.

Der Druckabfall in der Speicherkammer 31 ist beschränkt und kann maximal den Wert Hydraulikdruck abzüglich Umgebungsdruck betragen. Der Hydraulikdruck ist im Wesentlichen durch die Vorspannkraft der Druckfeder 28 und der druckwirksamen Fläche des Metallbalges 26 bestimmt.

Weiterhin ist die Drosselstelle 22 im Primärkolben 21 so aus gelegt, dass sich während der thermischen Vorgänge, die zeit lich im Bereich von einigen Sekunden bis Minuten liegen, Hy draulikflüssigkeit über die Drosselstelle 22 zwischen der Hy draulikkammer 36 und der Speicherkammer 31 ausgetauscht wer den kann. Die Hydraulikflüssigkeit strömt dann solange von der Hydraulikkammer 36 über die Drosselstelle 22 in die Spei cherkammer 31, bis sich der Hydraulikdruck in der Speicher kammer 31 einstellt und die Druckdifferenz verschwindet. Dann ist auch die volle Andruckkraft zwischen dem Stempel 24 und der Kopfplatte 10 wieder erreicht.

Beim Überströmen verringert sich die Höhe der Hydraulikkammer 36 während die Höhe der Speicherkammer 31 größer wird, so dass der Stempel 24 nach oben in Richtung auf die Antriebs einheit bewegt wird, bis der Kopfteil 242 des Stempels 24 wieder an der Kopfplatte 10 anliegt.

Unter der Annahme, dass die druckwirksame Fläche des Stempels 24, die durch den druckwirksamen Durchmesser des Metallbalgs 25 bestimmt wird, A_A, die druckwirksame Fläche des Primärkol bens A_P und die druckwirksame Fläche des Sekundärkolbens A_S ist, ergeben sich folgende Zusammenhänge für die Ausgleichs wege von Stempel 24, Primärkolben 21 und Sekundärkolben 23:

Als erster Fall wird dabei betrachtet, dass die Lage des Se kundärkolbens 23 unverändert bleibt und ein Längenausgleich zwischen dem Primärkolben 21 und dem Stempel 24 erfolgt. Un ter der Annahme, dass die x-Achse in Richtung des Einspritz ventils auf die Antriebseinheit nach oben zeigt, gilt

-A_P dx_P = A_A d_HS
dx_A = dx_P + d_HS
dx_P = -dx_A A_A/(A_P-A_A)

wobei

x_P = Lage des Primärkolbens;
dx_P = Änderung der Lage des Primärkolbens;
HS = Höhe des Speichervolumens;
d_HS = Änderung der Höhe des Speichervolumens;
x_A = Lage des Ausgleichskolbens;
dx_A = Änderung der Lage des Ausgleichskolbens.

Aus den obigen Gleichungen ergibt sich, dass es für einen Längenausgleich zwischen dem Primärkolben 21 und dem Stempel 24 erforderlich ist, dass die in der Speicherkammer 31 wirk same Primärkolbenfläche größer ist, als die in der Speicher kammer 31 druckwirksame Fläche des Stempels 24. Unter der An nahme, dass die druckwirksame Primärkolbenfläche der doppel ten Stempeldruckfläche entspricht, ist dann eine minimale Hy draulikkammerhöhe HS von 50 µm ausreicht, um eine Längenände rung zwischen dem Primärkolben 21 und dem Stempel 24 vom 50 µm zu kompensieren.

Als zweiter Fall soll eine thermische Längendehnung betrach tet werden, bei der der Stempel 24 unverändert bleibt und ein Längenausgleich zwischen dem Primärkolben und dem Sekundär kolben erfolgen soll. Hier gilt dann:

-A_P dx_P = -A_A dx_P - A_S dx_S
dx_P = dx_S A_S/(A_P + A_A)

wobei

x_S = Lage des Sekundärkolbens;
dx_S = Änderung der Lage des Sekundärkolbens.

Unter der Annahme, dass auch hier die druckwirksame Fläche des Primärkolbens 21 in der Hydraulikkammer 36 die doppelte Größe der druckwirksamen Fläche des Sekundärkolbens 23 be sitzt, kann mit einer Hydraulikkammerhöhe von 50 µm eine Län genänderung von 50 µm kompensiert werden.

Für eine zuverlässige Funktion des erfindungsgemäßen Übertra gungsmoduls, insbesondere eine hermetische Abdichtung des Hy draulikflüssigkeit im Übertragungsmodul gegenüber der Kraft stoffkammer bzw. dem Antriebsteil, ist insbesondere die Ver wendung der Metallbälge 25, 26, 27 zwischen dem Stempel 24, dem Primärkolben 21, der Lochplatte 20 und dem Sekundärkolben 23 von Vorteil. Für solche Metallbälge haben Simulationsrech nungen bzw. Versuche gezeigt, dass die an ihren Enden fixier te Balgwände mit mehreren Wellen bei fluidischer Druckbeauf schlagung ihr Volumen kaum ändert. Bspw. wird bei einem Druck vom 200 bar und einer Metallbalggeometrie mit zwölf Wellen, einem Innendurchmesser von 3,5 mm, einem Außendurchmesser von 5,3 mm, einer Wanddicke von 100 µm und einer Wandlänge von 12,1 mm ein von der Balgwand eingeschlossenes Volumen von ca. 169,963 mm³ gegenüber einem Volumen von 169,386 mm³ im druck losen Zustand einstellen. Dies entspricht einer Volumenver größerung von nur 0,581 mm³ durch die Druckbeaufschlagung. Unter der Annahme, dass die Hydraulikflüssigkeit inkompressi bel ist, ergibt sich eine scheinbare Kompressibilität des Hy draulikmediums von 0,1715/GP_A Diese scheinbare Kompressibi lität ist also äußert gering z. B. im Vergleich zu einer Kom pressibiliät von Dieselkraftstoff unter Normalbedingungen von 0,685/GP_A. Dies bedeutet, dass die Steifigkeit eines aus Me tallbälgen aufgebauten hydraulischen Übertragungsmoduls im Wesentlichen durch den Volumeninhalt der Hydraulikflüssigkeit im Übertragungsmodul bestimmt wird. Um schnelle Schaltvorgän ge im Einspritzventil erreichen zu können, ist es deshalb von Vorteil, das Volumen der Hydraulikflüssigkeit im Übertra gungsmodul minimal zu halten.

Weiterhin besteht auch die Möglichkeit die mechanische Funk tion der Druckfeder 28, die durch Belastung des Primärkolbens 21 den Basisdruck auf die Hydraulikflüssigkeit im Übertra gungsmodul einstellt, teilweise oder ganz durch eine Feder wirkung des Metallbalgs 26 zu ersetzen. Hierzu ist es erfor derlich, den Metallbalg 26 dann unter einer entsprechenden Vorspannung zwischen dem Primärkolben 21 und der Lochplatte 20 einzuschweißen.

Weiterhin ist der Einsatz von Balgwellen bei den Metallbälgen vorteilhaft, da hierdurch eine sehr kleine axiale Federkon stante für den Metallbalg eingestellt werden können. Die axialen Deformationen des Metallbalges durch eine Druckbela stung sind zwar durchaus nicht gering, heben sich aber genau wie die auf die einzelnen Balgwellen wirkenden Kräfte in ih rer Summe über die Gesamtlänge des Metallbalges nahezu auf. Als besonders günstige Form für die Balgwellen hat sich eine aus, im Längsschnitt betrachtet aneinandergefügten Halbkreis segmenten bestehende Geometrie erwiesen. Gegenüber einem si nusförmigen Wellenlauf weist die aus Halbkreissegmenten be stehende Wandung geringere mechanische Spannungen in axialer Richtung bei höherer axialer Nachgiebigkeit auf.

Gemäß der Erfindung wird ein Übertragungsmodul bereitge stellt, das einen einfachen und modularen Aufbau hat und sich so deshalb leicht in einem Einspritzventil montieren lässt. Weiterhin kann durch geeignete Abstimmung der Primärkolben fläche zur Sekundärkolbenfläche der Hub des Aktors in Bezug auf den Nadelhub übersetzt werden. Darüber hinaus gewährlei stet das Übertragungsmodul eine selbsttätige Kompensation von Längenänderungen im Einspritzventil. Der Einsatz von Metall bälgen zur Verbindung der einzelnen Bauteile des Übertra gungsmoduls sowie zur Abdichtung der Speicherkammer 31 und der Hydraulikkammer 36 sorgt für eine standfeste hermetische Abdichtung der Hydraulikflüssigkeit gegenüber der Kraftstoff kammer 13 und dem Antriebsteil.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirkli chung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims

1. Vorrichtung zum Übertragen der Bewegung eines Aktors (8) auf ein Stellglied (3) mit
einem Übertragungsmodul (19, 20, 21, 23, 24, 25, 26, 27, 28), das eine Wirkverbindung zwischen dem Aktor (8) und dem Stell glied (3) herstellt und eine Hydraulikkammer (36) und eine Speicherkammer (31) festlegt, die mit einem hydraulischen Me dium gefüllt sind und über eine Drosselstelle (22) miteinan der in Verbindung stehen,
dadurch gekennzeichnet, das
das Übertragungsmodul ein erstes, ein zweites und ein drittes Kolbenelement (21, 23, 24) aufweist, wobei das erste Kol benelement (24) sich in Kontakt mit dem Aktor (8) und das dritte Kolbenelement (23) sich in Kontakt mit dem Stellglied (3) befindet und das zweite Kolbenelement (21) beweglich und mit einer druckwirksamen Kraft beaufschlagt zwischen dem er sten und dritten Kolbenelement angeordnet ist, so dass zwi schen dem ersten Kolbenelement (24) und dem zweiten Kol benelement (21) die Speicherkammer (31) und zwischen dem zweiten Kolbenelement (21) und dem dritten Kolbenelement (23) die Hydraulikkammer (36) ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hub, den der Aktor (8) beim ersten Kolbenelement (24) des Übertragungsmoduls erzeugt, vom dritten Kolbenele ment (23) des Übertragungsmoduls auf das Stellglied (3) ent sprechend dem Verhältnis der druckwirksamen Flächen des zwei ten Kolbenelements (21) und des dritten Kolbenelements (23) in der Hydraulikkammer (36) übertragen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass das zweite Kolbenelement (21) im Übertragungsmodul an Metallbälgen (25, 26) aufgehängt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbälge (25, 26) sich aus Halbkreissegmenten zu sammensetzen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Halbkreissegmenten der Metallbälge (25, 26) jeweils gerade Teilstücke vorgesehen sind.

6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die druckwirksame Fläche des zweiten Kolbenelements (21) in der Speicherkammer (31) größer als die druckwirksame Fläche des ersten Kolbenelements (24) in der Speicherkammer ist.

7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kolbenelement (21) topfförmig ausgebildet ist, wobei in einer Bodenfläche (211) die Dros selstelle (22) ausgebildet ist, dass das erste Kolbenelement (24) stempelförmig ausgebildet ist und mit einem Fußteil (241) in das topfförmige zweite Kolbenelement (21) eingreift, wobei das erste Kolbenelement (24) von einem ersten Metall balg (25) gehalten wird, der zwischen dem Kopfteil (242) des ersten Kolbenelements (24) und der Bodenfläche (211) des zweiten Kolbenelements (21) angeordnet ist, und wobei das zweite Kolbenelement (21) von einem zweiten Metallbalg (26) auf einer Lochplatte (20) gehalten wird, und dass das dritte Kolbenelement (23) scheibenförmig ausgebildet ist und mit ei nem dritten Metallbalg (27) in der Lochplatte (20) festgehal ten wird.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kolbenelement (21) von einem Federelement (28) druckbelastet wird.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Metallbalg (25) oder der zweite Metallbalg (26) vorgespannt ist.

10. Fluiddosierer mit einem Piezo-Aktor (8) und einer Ven tilnadel (3), wobei die Bewegung des Piezo-Aktors (8) auf die Ventilnadel (3) mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprü che 1 bis 9 übertragen wird.

11. Fluiddosierer gemäß Anspruch 10, mit einem weiteren Me tallbalg (15) als Durchführungselement für das hintere Ende der Ventilnadel (3) von einer Fluidkammer (13) nach außen zum dritten Kolbenelement (23) der Vorrichtung zum Übertragen der Bewegung des Piezo-Aktors (8) auf die Ventilnadel (3).