DE19958704C2 - Device for transmitting an actuator movement and fluid metering device with such a device - Google Patents
Device for transmitting an actuator movement and fluid metering device with such a deviceInfo
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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.The invention relates to a device for transmitting a Movement of an actuator on an actuator according to the Oberbe handle of claim 1 and in particular a fluid doo sier with such a device. Such a master device, hereinafter also referred to as the transmission module known from DE 197 08 304 A1.
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.Storage is becoming increasingly common in automotive engineering spray systems used in those with very high injection press is working. In such z. B. under the designation "Common Rail Systems" known injection systems Fuel under high pressure arranged in the cylinders Injectors created. The injection process in the Zy Relieved by opening and closing the injection valves triggered, the injectors being controlled by actuators be erected according to the electromagnetic and - um high To achieve switching speeds - even after the piezo electrical principle work. The actuators in injection valves Press len, if necessary with the interposition of a ser voventils, a valve needle in the injection valve.
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. A transmission module is known from DE 197 08 304 A1, that the deflection of the actuator on a drive stamp of the Servo valve or a guide shaft of the valve needle wearing. The transmission module is essentially cylindrical mig formed and has a hydraulic chamber, which by a flexible membrane is limited. On the flexible mem bran is the drive stamp of the servo valve or the Füh valve stem. Leading from the hydraulic chamber a connecting hole with throttling effect to a memory chamber, which is provided inside the transmission module and is completed by a preloaded spring plate.
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.The hydraulic chamber and the storage chamber are with a hy draulic medium filled. Over the spring plate in the Spei cherkammer is a rigid cover plate arranged on Injector actuator is present.
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.In the idle state, the in the Storage chamber prevailing pressure of the hydraulic medium transferred to the hydraulic chamber so that the flexible mem bran always on the drive stamp of the servo valve or on the guide valve stem is in contact, even if due to thermal effects or aging processes shifts in the arrangement of the individual components in the injection valve result. When the actuator is actuated, the deflection this actuator via the transmission module essentially un changed to the drive stamp of the servo valve or the Transfer the guide shaft of the valve needle. The connection bore between the hydraulic chamber and the storage chamber is designed for this so that due to the in the range of Actuation times in milliseconds are essentially none hydraulic medium from the hydraulic chamber into the accumulator can drain chamber.
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 Aktorbewegung 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.The transmission module known from DE 197 08 304 A1 has however, a complicated structure and requires beyond from a high assembly effort when inserting into the on injection valve. Furthermore, it is with the well-known transfer difficult to compensate for the temperature entire working range of the injection valve from -40 ° C to Ensure + 150 ° C. The highly dynamic switching processes of the injection valve as well as the high, on the hydraulic Medium acting in the transmission module pressures up to 300 bar also place great demands on printing and printing wear resistance of the transmission module. This applies in particular for injection valves, in which piezo elements act as actuators ren are used. These piezo actuators make it possible fast switching speeds, but have only one ge wrestle stroke, so stroke losses in the transmission of actuator motion can lead to the valve needle in the on spray valve no longer opens reliably. In the state of the Technology z. B. from US 4 101 076, are already mecha African lever translator known to the stroke of the piezo actuator to reinforce. However, here is next to the transmission mo an additional lever element for temperature compensation required, whereby the manufacturing and assembly wall enlarged considerably.
Weiterhin beschreibt die DE 297 08 546 U1 ein System mit zwei Kolben, welches zusätzlich mindestens einen Metallbalg als Dichtung verwendet. Dieses System arbeitet mit einer offenen Hydraulik, wobei ein externer Druckspeicher benutzt wird. Dieser Druckspeicher ist über Zuleitungen mit den entspre chenden Hydraulikkammern verbunden.Furthermore, DE 297 08 546 U1 describes a system with two Piston, which additionally as at least one metal bellows Seal used. This system works with an open one Hydraulics, using an external pressure accumulator. This pressure accumulator is connected to the corresponding lines connected hydraulic chambers.
Aus der DE 41 38 985 A1 ist ein weiteres System mit einer hydraulischen Längenausgleichsvorrichtung bekannt. Das hyd raulische Medium dieses Systems ist nicht hermetisch einge schlossen, sondern steht in Verbindung mit einem externen Mo toröl-Kreislauf.DE 41 38 985 A1 describes a further system with a hydraulic length compensation device known. The hyd The physical medium of this system is not hermetically sealed closed, but is in connection with an external Mo toröl cycle.
Ein weiterer Stand der Technik DE 197 08 304 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Übertragung einer Bewegung, wobei eine gewöhnliche Membran benutzt wird. Diese Membran weist eine sehr große Steifigkeit auf, die den Betriebsbereich eines Ü bertragungsmoduls stark einschränkt.Another prior art describes DE 197 08 304 A1 a device for transmitting a movement, wherein a ordinary membrane is used. This membrane has one very high rigidity that the operating range of a Ü transmission module severely restricted.
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 auszeichnen und darüber hinaus einfach aufgebaut und gefertigt werden können.The object of the present invention is a device for transmitting a movement of an actuator to an actuator and a fluid metering device with such a device to deliver, which is also due to its great reliability high permanent loads and extreme operating conditions and, moreover, simply constructed and manufactured can be.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und einen Fluiddosierer gemäß Anspruch 9 gelöst.This object is achieved by a device according to claim 1 and a fluid dispenser according to claim 9 solved.
Gemäß der Erfindung weist das Übertragungsmodul drei hinter einander angeordnete Kolbenelemente auf, wobei zwischen einem ersten, sich in Kontakt mit einem Aktor befindenden Kolben element und einem zweiten mittleren Kolbenelement eine Spei cherkammer und zwischen dem zweiten mittleren Kolbenelement und einem dritten sich in Kontakt mit einem Stellglied befin denden Kolbenelement eine Hydraulikkammer ausgebildet sind, wobei die Speicherkammer mit der Hydraulikkammer über eine Drosselstelle in Verbindung steht und das zweite mittlere 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 Übertragungmodul kompakt gestalten, so dass eine einfache Montage des Übertragungsmoduls gewährleistet wird. Durch ge eignete Wahl des Größenverhältnisses der Wirkflächen des zweiten mittleren Kolbens und des dritten Kolbens, ergibt sich eine Hubübersetzung der Aktorbewegung auf das Stell glied. Hierdurch wird erreicht, dass auch beim Einsatz eines Piezoelements als Aktor ein ausreichender Hub zum Betätigen des Stellgliedes erzeugt wird.According to the invention, the transmission module has three piston elements arranged one on the other, being between a first piston in contact with an actuator element and a second middle piston element a Spei chamber and between the second middle piston element and a third is in contact with an actuator a hydraulic chamber is formed in the piston element, the storage chamber with the hydraulic chamber via a Throttle point communicates and the second middle Piston element movable and with a pressure-effective force acts between the first and the third piston element ment is arranged. This structure reliably does one automatic compensation even with large length changes in the Fluid metering device between the piezo actuator and the actuator, caused by thermal, printing or setting effects can be. This arrangement can also be used Make the transmission module compact, so that a simple Assembly of the transmission module is guaranteed. By ge suitable choice of the size ratio of the effective areas of the second middle piston and the third piston a stroke ratio of the actuator movement to the position element. This ensures that even when using a Piezo element as an actuator a sufficient stroke for actuation of the actuator is generated.
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 Deformationen der Balgwellen sind zwar dabei durchaus nicht ge ring, heben sich aber genau wie die auf die einzelnen Balg wellen wirkenden Kräfte in ihrer Summe über die Gesamtlänge der Metallbälge nahezu auf.According to a further preferred embodiment, the second middle piston over metal bellows between the two outer piston hung. The use of metal bellows has the advantage that when the walls are pressurized of the metal bellows only small changes in force at the ends of the bellows attached to both sides occur. The axial deformations the bellows waves are not at all ge ring, but stand out like the individual bellows total wave-acting forces over the entire length of the metal bellows almost on.
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.According to a further preferred embodiment, one is the metal bellows on which the second middle piston is suspended is biased so that the second middle piston with egg ner corresponding pressure-effective force is applied. This configuration enables a particularly simple and compact design of the transmission module.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.Further advantageous embodiments of the invention are in the dependent claims.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained in more detail below with reference to the drawings explained. Show it:
Fig. 1 ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem erfindungs gemäßen Übertragungsmodul; und Fig. 1, a fuel injection valve with a fiction, modern transmission module; and
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des erfindungsgemäßen Übertragungsmoduls. Fig. 2 is an enlarged view of the transmission module according to the invention.
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 Druckvorspannnung steht. Das Gehäuse 1 des Ein spritzventils ist mit der Fußplatte 11 der Antriebseinheit möglichst steif, vorzugsweise über eine Schweißnaht 12, ver bunden.In the injection valve shown schematically in Fig. 1, a drive unit is installed in an upper part of a housing 1 , which has a piezoelectric rule multilayer actuator 8 in low voltage technology as an essential component. This piezoelectric multilayer actuator 8 is surrounded by a tubular spring 9 , which is welded between a head plate 10 and a base plate 11 , the tubular spring 9 being preloaded such that the piezoelectric multilayer actuator 8 is under a mechanical compressive prestress. The housing 1 of a injection valve is as rigid as possible with the base plate 11 of the drive unit, preferably via a weld seam 12 , a related party.
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. The piezoelectric multilayer actuator 8 acts when it is controlled elec trically via its feed lines 32 , via a transmission module on the rear end of a valve needle 3 . The valve needle 3 is arranged in the front part of the housing 1 of the injection valve and closes in the basic state with a valve plate 4 arranged at the front end of the valve needle 3 , a valve seat 2 on the housing 1 . The closed ge state of the injection nozzle formed by the valve seat 2 and the valve plate 4 in the injection valve is thereby ensured by a preloaded nozzle spring 5 which is connected to the valve needle 3 via a snap ring 6 . When the piezoelectric Mul tilayeraktors 8 is actuated, the deflection transmitted by the transmission module to the rear end of the valve needle 3 lifts the valve plate 4 from the valve seat 2 , so that fuel that is fed into a fuel chamber 13 in the housing 1 via a fuel supply line 7 , past the valve needle 3 into a combustion chamber of an internal combustion engine.
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.The injection valve shown in FIG. 1 is operated with a fuel pressure of up to approximately 500 bar. The area in the housing 1 of the injection valve, in particular the fuel chamber 13 , in which this high pressure is present, must therefore be sealed reliably from the other areas in the housing 1 of the injection valve, in particular by the drive area in which, for example, ambient pressure prevails his. For hermetically sealed and axially very soft implementation of the valve needle 3 from the fuel chamber 13 in a pressureless, air-filled space 14 in which the drive unit is installed with the transmission module, a connecting ring 16 is used , which is arranged adjacent to the fuel chamber 13 . The connecting ring 16 is firmly welded to the housing 1 of the injection valve or can also be machined out of the housing 1 . At the rear end of the valve needle 3 , an annular connector 17 is also attached. Between the connecting piece 17 at the rear end of the valve needle 3 and the connecting ring 16 on the housing 1 , a cylindrical metal bellows 15 is welded in, which hermetically seals the fuel chamber 13 against the unpressurized, air-filled space 14 in which the drive unit and the transmission module are located , serves.
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.The needle bushing consisting of the metal bellows 15 , the connecting piece 16 and the connection ring 17 is preferably manufactured as an independent module and then welded to the housing 1 or the valve needle 3 , respectively. The injection valve is typically assembled in the following order:
First, the valve needle 3 is inserted into the housing 1 and biased with the nozzle spring 5 over the snap ring 6 . Since, according to the needle bushing of the metal bellows 15, the connector 16 and the connector ring is ben introduced scho to the valve needle 3 around as an independent module in the housing 1 17, is seated on a cross-section recess 18 in the housing 1 to the connecting ring 17th Subsequently, the connector 16 is welded tightly to the housing 1 and the connecting ring 17 with the valve needle 3 .
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.The use of the metal bellows 15 in the needle bushing enables a perfect, permanent and reliable sealing of the high pressure area in the injection valve from the drive area. As calculations and tests have shown, the metal bellows 15 withstands very high pressures despite its small wall thicknesses of, for example, 50 to 500 μm, due to its high radial rigidity, without being irreversibly deformed. The metal bellows 15 can also be designed so that a high mechanical resilience, ie low spring rate in the direction of movement of the valve needle 3 is achieved by a sufficient number of shafts, so as not to affect the deflection of the valve needle 3 and the temperature-related changes in length of the To keep the needle passage into the valve needle 3 as low as possible. Furthermore, fuel leakage can be prevented with high reliability by using the metal bellows 15 in the needle bushing.
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.The needle bushing can also be designed such that the pressure-related forces acting on the valve needle 3 compensate each other, so that the valve needle 3 is kept pressure-free overall. For this purpose, the hydraulically effective diameter of the bellows connection is selected so that it corresponds exactly to the diameter of the valve seat 2 . This ensures that the pressure forces released by the pressurized fuel on the valve needle 3 with the valve plate 4 and the pressure-induced forces introduced by the metal bellows 15 into the valve needle 3 compensate one another and thus no resulting pressure force component on the valve needle 3 acts. This ensures that the injection valve shows a switching behavior that is almost independent of fuel pressure, since the opening and closing forces are determined solely by the piezoelectric multilayer actuator 8 and the force of the prestressed nozzle spring 5 .
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.The metal bellows 15 also has a wide working temperature range with constant functionality due to its metallic material. Thermal changes in the length of the metal bellows 15 themselves, due to the low axial spring constant of the metal bellows 15, result in only negligible changes in force on the valve needle 3 in the axial direction. The metal bellows 15 can also partially or completely replace the nozzle spring 5 due to its mechanical spring action in the axial direction.
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.In order to transmit the extremely short stroke of the piezoelectric multilayer actuator 8 to the valve needle 3 , the transmission element is provided between the drive unit and the valve needle 3 as a stroke translator. Furthermore, the transmission module serves as a hydraulic compensation element to rule out any play between the piezoelectric multilayer actuator 8 and the valve needle 3 . The transmission module, which is shown in FIG. 2 in an enlarged view, consists of a mounting ring 19 , a perforated plate 20 , a primary piston 21 with a throttle point 22 , a secondary piston 23 , a plunger 24 and three metal bellows 25 , 26 and 27 , The transmission module is so arranged between the drive unit with the piezoelectric multilayer actuator 8 and the valve needle 3 that the stamp 24 of the transmission module is applied to the top plate 10 of the drive unit and the secondary piston 23 is in contact with the rear end of the valve needle 3 .
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.The primary piston 21 of the transmission module is preferably cup-shaped, the throttle point 22 being arranged centrally in a bottom surface 211 . The stamp 24 of the transmission module engages with a foot part 241 in the pot-shaped primary piston 21 , the stamp 24 being held by the first metal bellows 25, which is welded between a head part 242 of the stamp 24 and the bottom surface 211 of the primary piston 21 . Here, a storage chamber 31 is formed between the bottom surface 211 of the primary piston 21 and an end face on the foot part 241 on the plunger 24 .
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.The primary piston 21 is also held by the second metal bellows 26 on the block-shaped perforated plate 20 , the metal bellows 26 being welded between a flange 212 at the upper edge of the primary piston 21 and an upper end face 201 of the perforated plate 20 . The mounting ring 19 is arranged in the inner bore of the perforated plate 20 adjacent to a lower end face 202 and carries via the third tall tall bellows 27 the disk-shaped secondary piston 23 , which is essentially on one level with the upper end face 201 of the perforated plate 20 . The third metal bellows 27 is firmly welded to the mounting ring 19 and the two sides of the secondary piston 23 . Between the primary piston 21 and the secondary piston 23 , a Hydraulikkam mer 36 is formed, which is connected via the throttle point 22 to the storage chamber 31 . All elements of the transmission module are welded together in a sealed manner, the resulting interior of the transmission module being completely bubble-free with a hydraulic fluid. The metal bellows 25 , 26 and 27 are still, similar to the tall tallow 15 , designed to withstand sufficient pressure, and ra dial very stiff and axially very soft.
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. As shown in FIG. 1, a thrust washer 29 is arranged on the flange 212 of the primary piston 21 of the transmission module in the installed state, which surrounds the head part 242 of the plunger 24 and is pressure-loaded with a soft compression spring 28 which is arranged around the tube spring 9 and is supported on the base plate 11 of the drive unit. The bias voltage of the compression spring 28 is transmitted via the pressure plate 29 to the primary piston 21 , so that in the transmission module a constant base pressure acts on the hydraulic fluid in the storage chamber 31 and the hydraulic chamber 36 .
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.This base pressure causes the plunger 24 of the transmission module to always be held with a small force against the head plate 10 of the drive unit and that the secondary piston 23 rests on the rear end of the valve needle 3 with a small force. The position of the primary piston 21 between the plunger 24 and the secondary piston 23 is set such that the hydraulic chamber 36 , which is formed between the primary piston 21 and the secondary piston 23 , has a height HK of approximately 50 to 1000 μm and that Height HS of the storage chamber 31 , which is formed between the end face of the foot part 241 of the plunger 24 and the bottom surface 211 of the primary piston 21 , is in the range from 50 to 1000 μm.
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.
As shown in FIG. 2, the transmission module is preferably an independent module that is ideally assembled in the following order:
After attaching the needle guide the entire transmission module is a set in the housing 1 of the injection valve, whereby the orifice plate 20 having a weld at the Ge housing is fixed. 1 Then the thrust washer 29 and the compression spring 28 are placed on the flange 212 on the primary piston 21 of the transmission module. Finally, the pre-assembled drive unit from the piezoelectric multi-layer actuator 8 , the top plate 10 , the base plate 11 and the Bourdon tube 9 is pressed into the housing 1 until the compression spring 28 is loaded by the base plate 11 with the desired voltage, so that the Hydraulic fluid in the transmission module is below the desired base pressure. The drive unit is then rigidly and firmly connected to the housing 1 in this position via the weld seam 29 between the base plate 11 . The selected configuration thus enables a particularly simple manufacture and assembly of the transmission module in the injection valve.
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.The injection valve with the transmission module works as follows:
To initiate the injection process, the piezoelectric multilayer actuator 8 is charged via the electrical leads 32 . This causes the piezoelectric multilayer actuator 8 to deflect and press on the head part 241 of the stamp 24 with high force via the head plate 10 . In the transmission module, the throttle point 22 in the primary piston 21 is further dimensioned such that during the typical control times of the piezoelectric multilayer actuator 8 from 1 to 5 ms, only a negligible exchange of hydraulic fluid between the storage chamber 31 and the hydraulic chamber 36 can take place. This means that the volume of the storage chamber 31 during the injection time can be regarded as in compressible.
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.Since the metal bellows 25 , which is arranged between the plunger 24 and the primary piston 21 , is designed to be radially very rigid and, as explained, only a little hydraulic fluid can flow out of the storage chamber 31 via the throttle point 22 , the one triggered by the piezoelectric multi-layer actuator 8 is transmitted Movement of the plunger 24 directly onto the primary piston 21 . The movement of the primary piston 21 increases the pressure in the hydraulic chamber 36 between the primary piston 21 and the secondary piston 23 . If the resulting force on the secondary piston 23 exceeds the restoring force of the nozzle spring 5 , the valve needle 3 is pressed down by the secondary piston 23 so that the Ven tilteller 4 lifts off the valve seat 2 and the injection valve opens.
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 Anschlusses 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.The deflection of the piezoelectric multilayer actuator 8 is translated according to the ratio of the pressure-effective areas of the primary piston 21 and the secondary piston 23 in the hydraulic chamber 36 in a stroke of the valve needle 3 . The circular surface of the primary piston 21 spanned by the inner diameter of the connection of the metal bellows 26 acts as the primary piston surface. The secondary piston surface, on the other hand, is determined by the outer diameter of the connection of the metal bellows 27 . By suitable coordination of the primary piston surface to the secondary piston surface, a suitable transmission ratio of the stroke of the piezoelectric multilayer actuator 8 can be set in relation to the stroke of the valve needle 3 . This can reliably ensure that the extremely short stroke of the piezoelectric multilayer actuator 8 is sufficient in all operating conditions of the injector to open the valve needle 3 Ven.
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. The injection process is ended by the piezoelectric multilayer actuator 8 being discharged again via the electrical feed lines 32 . This shortens the piezoelectric multilayer actuator 8 to its initial length, the Rohrfe of 9 prevents the piezo-ceramic due to inertia effects when contracting under tension. Due to the restoring force of the nozzle spring 5 , the valve needle 3 is brought back into its closed position, in which the valve 4 sits on the valve seat 2 . Furthermore, the secondary piston 23 of the transmission module is pushed back into its starting position by the rear end of the valve needle 3 , as a result of which the pressure in the hydraulic chamber 36 increases. Since the volume of the hydraulic chamber 36 is almost incom pressible and the throttle point 22 is dimensioned such that the rapid pressure increase in the hydraulic chamber 36 cannot be reduced by the outflow of hydraulic fluid through the throttle selsel 22 in the storage chamber 31 , the pressure increase on the primary piston 21 passed so that it moves upward against the biasing force of the compression spring 28 . This causes an increase in pressure in the storage chamber 31 , as a result of which the stamp 24 is moved in the direction of the base plate 10 on the piezoelectric multilayer actuator 8 until it comes into contact with it.
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.Due to the design of the transmission module according to the invention, it is also possible for the transmission module to automatically compensate for all thermal or pressure-related length changes in the injection valve caused by setting effects of the drive unit. The transmission module effects length compensation in the following way:
Z. B. due to the thermal expansion of the housing 1 of the injection valve, the distance between the upper end of the valve needle 3 and the head plate 10 , the pressure in the storage chamber 31 drops compared to the pressure in the hy draulic chamber 36 . The value of the pressure difference depends on the speed of the change in distance between the upper end of the valve needle 3 , the head plate 10 and the dimensioning of the throttle point 22 .
Der Druckabfall in der Speicherkammer 31 ist beschränkt und kann maximal den Wert Hydraulikdruck abzüglich Umgebungsdruck betragen. Der Hydraulikkdruck ist im Wesentlichen durch die Vorspannkraft der Druckfeder 28 und der druckwirksamen Fläche des Metallbalges 26 bestimmt.The pressure drop in the storage chamber 31 is limited and can be a maximum of the value hydraulic pressure minus ambient pressure. The hydraulic pressure is essentially determined by the prestressing force of the compression spring 28 and the pressure-effective surface of the metal bellows 26 .
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.Furthermore, the throttle point 22 in the primary piston 21 is laid out in such a way that during the thermal processes, which lie in the time range from a few seconds to minutes, hy draulic liquid can be exchanged via the throttle point 22 between the hy draulic chamber 36 and the storage chamber 31 , The hydraulic fluid then flows as long as the hydraulic chamber 36 via the orifice 22 into the SpeI cherkammer 31, sets up the hydraulic pressure in the storage chamber 31 and the pressure difference disappears. Then the full pressure force between the punch 24 and the head plate 10 is reached again.
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 Antriebseinheit bewegt wird, bis der Kopfteil 242 des Stempels 24 wieder an der Kopfplatte 10 anliegt.When overflowing, the height of the hydraulic chamber 36 decreases while the height of the storage chamber 31 increases, so that the plunger 24 is moved upward in the direction of the drive unit until the head part 242 of the plunger 24 is again in contact with the head plate 10 .
Unter der Annahme, dass die druckwirksame Fläche des Stempels
24, die durch den druckwirksamen Durchmesser des Metallbalgs
25 bestimmt wird, AA, die druckwirksame Fläche des Primärkol
bens AP und die druckwirksame Fläche des Sekundärkolbens AS
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
Assuming that the pressure-effective area of the plunger 24 , which is determined by the pressure-effective diameter of the metal bellows 25 , A A , the pressure-effective area of the primary piston A P and the pressure-effective area of the secondary piston A S , the following relationships result for the Compensation paths from punch 24 , primary piston 21 and secondary piston 23 :
As a first case, it is considered that the position of the secondary piston 23 remains unchanged and that there is a length compensation between the primary piston 21 and the plunger 24 . Assuming that the x-axis points upwards in the direction of the injection valve
-APdxP = APdHS
-A P dx P = A P d HS
dxA = dxP + dHS
dx A = dx P + d HS
dxP = -dxAAA/(AP - AA)
dx P = -dx A A A / (A P - A A )
wobei
xP = Lage des Primärkolbens;
dxP = Änderung der Lage des Primärkolbens;
HS = Höhe des Speichervolumens;
dHS = Änderung der Höhe des Speichervolumens;
xA = Lage des Ausgleichskolbens;
dxA = Änderung der Lage des Ausgleichskolbens.in which
x P = position of the primary piston;
dx P = change in the position of the primary piston;
HS = height of the storage volume;
d HS = change in the amount of the storage volume;
x A = position of the compensating piston;
dx A = change in the position of the compensating piston.
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 Längenänderung zwischen dem Primärkolben 21 und dem Stempel 24 vom 50 µm zu kompensieren.From the above equations it follows that it for a length compensation between the primary piston 21 and the plunger 24 is necessary for the effec tive in the storage chamber 31 primary piston surface is larger than the pressure effective in the storage chamber 31 face of the punch 24th Assuming that the pressure-effective primary piston surface corresponds to the double th stamp pressure surface, then a minimum hy draulic chamber height HS of 50 μm is sufficient to compensate for a change in length between the primary piston 21 and the stamp 24 of 50 μm.
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:
As a second case, a thermal elongation should be considered, in which the stamp 24 remains unchanged and a length compensation between the primary piston and the secondary piston should take place. The following applies here:
-APdxP = -AAdxP - ASdxS
-A P dx P = -A A dx P - A S dx S
dxP = dxSAS/(AP + AA)
dx P = dx S A S / (A P + A A )
wobei
xS = Lage des Sekundärkolbens;
dxS = Änderung der Lage des Sekundärkolbens.in which
x S = position of the secondary piston;
dx S = change in the position of the secondary piston.
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.Assuming that the pressure-effective area of the primary piston 21 in the hydraulic chamber 36 is twice the size of the pressure-effective area of the secondary piston 23 , a length change of 50 µm can be compensated for with a hydraulic chamber height of 50 μm.
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 drucklosen 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/GPA. Diese scheinbare Kompressibi lität ist also äußert gering z. B. im Vergleich zu einer Kom pressibiliät von Dieselkraftstoff unter Normalbedingungen von 0,685/GPA. 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.For a reliable function of the transmission module according to the invention, in particular a hermetic seal of the hydraulic fluid in the transmission module with respect to the fuel chamber or the drive part, in particular the use of the metal bellows 25 , 26 , 27 between the plunger 24 , the primary piston 21 , the perforated plate 20 and the secondary piston 23 is advantageous. For such metal bellows, simulation calculations or tests have shown that the bellows walls fixed at their ends with several shafts hardly change their volume when subjected to fluid pressure. For example. at a pressure of 200 bar and a metal bellows geometry with twelve shafts, an inner diameter of 3.5 mm, an outer diameter of 5.3 mm, a wall thickness of 100 µm and a wall length of 12.1 mm, a volume enclosed by the bellows wall of Set approx. 169.963 mm 3 compared to a volume of 169.386 mm 3 when depressurized. This corresponds to a volume increase of only 0.581 mm 3 due to the pressurization. Assuming that the hydraulic fluid is incompressible, there is an apparent compressibility of the hydraulic medium of 0.1715 / GP A. This apparent compressibility is so extremely low z. B. compared to a compressibility of diesel fuel under normal conditions of 0.685 / GP A. This means that the rigidity of a hydraulic transmission module constructed from metal bellows is essentially determined by the volume content of the hydraulic fluid in the transmission module. In order to be able to achieve fast switching operations in the injection valve, it is therefore advantageous to keep the volume of the hydraulic fluid in the transmission module to a minimum.
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.Furthermore, there is also the possibility of the mechanical spark tion of the compression spring 28, the supply module is adjusted by loading of the primary piston 21 to the base pressure of the hydraulic fluid in the Übertra, partially or wholly by spring action of the metal bellows to replace 26th For this purpose, it is neces sary to weld the metal bellows 26 under a corresponding pretension between the primary piston 21 and the perforated plate 20 .
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. Furthermore, the use of bellows shafts in the metal bellows advantageous, because it has a very small axial spring cone can be set for the metal bellows. The axial deformation of the metal bellows due to a pressure lining are not at all low, but they stand out precisely like the forces acting on the individual bellows waves in ih sum over the entire length of the metal bellows almost. One has proven to be a particularly favorable form for the bellows shafts from, viewed in longitudinal section joined together semicircle existing geometry proved. Opposite a si nus-shaped wave pattern shows the semicircular segments standing wall lower mechanical stresses in the axial Direction with higher axial compliance.
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.According to the invention, a transmission module is provided which has a simple and modular structure and can therefore be easily installed in an injection valve. Furthermore, the stroke of the actuator can be translated in relation to the needle stroke by suitable coordination of the primary piston surface to the secondary piston surface. In addition, the transmission module ensures automatic compensation of changes in length in the injection valve. The use of metal bellows for connecting the individual components of the transmission module and for sealing the storage chamber 31 and the hydraulic chamber 36 ensures a stable hermetic seal of the hydraulic fluid against the fuel chamber 13 and the drive part.
Claims (10)
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, dass
das Übertragungsmodul ein erstes, ein zweites und ein drittes Kolbenelement (21, 23, 24) aufweist, wobei das erste Kolben element (24) sich in Kontakt mit dem Aktor (8) und das dritte Kolbenelement (23) sich in Kontakt mit dem Stellglied (3) be findet und das zweite Kolbenelement (21) beweglich und mit einer druckwirksamen Kraft beaufschlagt zwischen dem ersten und dritten Kolbenelement angeordnet ist, so dass zwischen dem ersten Kolbenelement (24) und dem zweiten Kolbenelement (21) die Speicherkammer (31) und zwischen dem zweiten Kolben element (21) und dem dritten Kolbenelement (23) die Hydrau likkammer (36) ausgebildet ist und dass der Hub, den der Ak tor (8) beim ersten Kolbenelement (24) des Übertragungsmoduls erzeugt, vom dritten Kolbenelement (23) des Übertragungsmo duls auf das Stellglied (3) entsprechend dem Verhältnis der druckwirksamen Flächen des zweiten Kolbenelements (21) und des dritten Kolbenelements (23) in der Hydraulikkammer (36) übertragen wird.1. Device for transmitting the movement of an actuator ( 8 ) to an actuator ( 3 ) with
a transmission module ( 19 , 20 , 21 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 ), which establishes an operative connection between the actuator ( 8 ) and the actuator ( 3 ) and a hydraulic chamber ( 36 ) and a storage chamber ( 31 ) specifies that are filled with a hydraulic medium and are connected to each other via a throttle ( 22 ),
characterized in that
the transmission module has a first, a second and a third piston element ( 21 , 23 , 24 ), the first piston element ( 24 ) being in contact with the actuator ( 8 ) and the third piston element ( 23 ) being in contact with the actuator ( 3 ) be and the second piston element ( 21 ) is movable and acted upon by a pressure-effective force between the first and third piston element, so that between the first piston element ( 24 ) and the second piston element ( 21 ), the storage chamber ( 31 ) and between the second piston element ( 21 ) and the third piston element ( 23 ), the hydraulic chamber ( 36 ) is formed and that the stroke that the actuator ( 8 ) generates for the first piston element ( 24 ) of the transmission module is from the third piston element ( 23 ) of the transmission module on the actuator ( 3 ) according to the ratio of the pressure-effective areas of the second piston element ( 21 ) and the third piston element ( 23 ) in the hydraulic chamber ( 36 ) is transferred.
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