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Die
Erfindung betrifft einen mittels des inversen Piezoeffekts periodisch
betätigten
Antrieb für
das intermittierende Erweitern und Verengen mindestens einer Öffnung,
wobei der Antrieb mit einem Verschlußorgan verbunden ist, mit dem
die mindestens eine Öffnung
mindestens teilweise verschlossen werden kann, oder alternativ einen
mittels des inversen Piezoeffekts betätigten Antrieb für das Erweitern
und Verengen mindestens einer Öffnung,
wobei der Antrieb mit einem Verschlußorgan verbunden ist, mit dem
die Öffnung
mindestens teilweise verschlossen werden kann, der Antrieb eine
mit mindestens einem Ende an einen Grundkörper gekoppelte Trägerplatte
aufweist, auf die mindestens einseitig mindestens eine mit dem inversen
Piezoeffekt erregbare und mit einer Spannungsquelle verbundene Platte
aufgebracht ist, wobei ein Bereich der Trägerplatte, der von dem angekoppelten
Ende durch einen mit mindestens einer der genannten erregbaren Platten
belegten Bereich getrennt ist, mit dem Verschlußorgan verbunden ist.
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In
der
DE 100 60 018
A1 ist ein piezoelektrischer Aktuator insbesondere für eine Brennkraftmaschine beschrieben.
Der Aktuator besteht im wesentlichen aus einem plattenförmigen Träger mit
mindestens jeweils zwei an seiner Unterseite und Oberseite beabstandeten
Piezostacks, mit einem Abtrieb im Bereich der Trägerlängsmitte, wobei der Abtrieb
derart zwischen den auf der Ober- und der Unterseite des Trägers benachbarten Piezostacks
angeordnet ist, dass der Abstand zwischen dem Abtrieb und den dem
Abtrieb zugewandten Enden der Piezostacks kleiner ist als der Abstand
zwischen den anderen Enden der Piezostacks und den Trägerenden,
wobei der Abtrieb über
ein mit dem Träger
fest verbundenes Ventilschließgerät eines
Ventilkörpers
erfolgt, und wobei die Trägerenden über Federbänder mit
einer Halterung verbunden sind. Über
die Stacks werden keine Aussagen gemacht. Um einen ausreichenden
Hub sicherzustellen, bestehen aber die Piezostacks üblicherweise
aus einer Vielzahl von Piezoaktuatoren, welche mechanisch vorgespannt
aneinander gepreßt sind.
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Ein
piezoelektrisch betätigbares
Ventil mit zwei langgestreckten, in einem Gehäuse angeordneten plattenförmigen einseitig
eingespannten Piezokristall-Elementen ist aus der
DE 36 08 550 A1 bekannt.
An ihren nicht eingespannten Enden weisen die Piezokristall-Elemente
je einen oder einen gemeinsamen Dichtkörper auf, der (die) zwischen
zwei einerseits mit einem Zulaufkanal und andererseits mit einem
Ablaufkanal verbundene Ventilsitze hineinragt/hineinragen. Ein Arbeitskanal
ist in jeder der beiden Schaltstellungen mit einem der beiden Ventilkanäle verbunden.
Die Piezokristallelemente sind handelsüblich und bestehen aus zwei
entgegengesetzt polarisierten piezoelektrischen Schichten und einer
elastischen Zwischenschicht.
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Die
Ausnutzung des inversen piezoelektrischen Effekts ist beispielsweise
auch im Zusammenhang mit Schwingförderanlagen bekannt, bei denen
Trägerplatten
aus Metall oder Kunststoff durch auf ihrer Oberfläche aufgebrachte
Platten aus einem piezoelektrischen Material zum Schwingen gebracht
werden, und die Schwingungsenergie auf ein horizontal angeordnete
Förderschiene übertragen
wird, auf welcher die zu fördernden Teile
liegen.
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In
dem Patent
DE 692
18 553 T2 ist ein piezoelektrisch betätigtes Abfluss- und Durchflussregelventil beschrieben,
das eine bevorzugt kreisrunde Metallscheibe, deren Peripheriebereich
den Durchfluß absperrt oder
freigibt, und mindestens einseitig eine darauf konzentrisch aufgebrachte
ebenfalls kreisrunde Piezokeramikscheibe mit kleinerem Durchmesser
aufweist, wobei die Scheiben in ihrer Mitte eingeklemmt sind.
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Die
piezoelektrische Scheibe kann mit einer Gleichspannung, einer Wechselspannung
oder einer Spannung mit Rechteckwellen (Pulsen) betrieben werden.
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In
der
DE 198 43 621
A1 ist ein kapazitives Stellglied insbesondere für ein piezoelektrisch
betriebenes Einspritzventil beschrieben, mit dem sich der Ausschaltvorgang
des Ventils abkürzen
läßt, indem
das Stellglied über
einen Entladeschalter nach einem Stellvorgang kurzschließen läßt.
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In
der
DE 197 18 825
A1 ist eine piezogesteuerte Ventil-Zylinder-Anordnung beschrieben. Gemäß einer
Ausführungsform
sind zwei miteinander gekoppelte Ventil-Zylinder-Anordnungen vorgesehen,
die im Gegentakt arbeiten.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein einfach aufgebautes, preiswertes
Gerät bereitzustellen,
mit dem der Durchfluß fließfähiger Materialien
durch eine Öffnung
sehr genau, gleichmäßig und
reproduzierbar gesteuert werden kann und sich die fließfähigen Materialien
schnell in dem Raum hinter der Öffnung
homogen verteilen lassen.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Antrieb mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und
2 gelöst.
Das piezoelektrische Material ist im Normalfall ein keramisches
Material. Deshalb wird im folgenden der Antrieb auch als PKF-Element
(Piezokeramik-Feder-Element) und die Platte aus dem piezoelektrischen
Material auch als PK-Platte
bezeichnet. Der erfindungsgemäße Antrieb
ist nicht nur einfach und außerdem
kompakt aufgebaut, sondern auch mit in der Technik üblichen
Vorrichtungen, wie beispielsweise Ventilen, kombinierbar, ohne dass größere Anpassungen
erforderlich sind. Die in den Ansprüchen angesprochene Öffnung kann
beispielsweise in einem Ventil-Körper
ausgespart sein. Indem der erfindungsgemäße Antrieb bei höheren Frequenzen
intermittierend betrieben wird, werden kurze Schaltzeiten erreichbar.
Ist der Antrieb dabei mit einem Ventil kombiniert, wird das injizierte
Material in dem Raum hinter der Ventilöffnung schnell homogen verteilt.
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Durch
geeignete Wahl der Abmessungen und des Materials der Trägerplatte
und ihre zweckmäßige Kombination
mit der (den) PK-Platte(n),
lassen sich die PKF-Elemente nicht nur mit großer Kraft bzw. Beschleunigung
betreiben, sondern auch Schwingwege in der richtigen Größenordnung
erzeugen. Die Kombination der PK-Platte mit der federnden Trägerplatte
macht es also bei dem erfindungsgemäßem Antrieb unnötig, eine
Vielzahl von Piezoaktuatoren miteinander zu kombinieren, um den
erforderlichen Hub zu erreichen. So wird durch die starre Verbindung
des mindestens einen Endes der Trägerplatte mit dem Grundkörper der
Betrag des Ausschwingens des Verschlußorgans reproduzierbar. Außerdem erhöht sich
dadurch die Kraft, bzw. die Beschleunigung, mit der das Verschlußorgan betrieben
wird. Dies ist wichtig, wenn die Materie die zudosiert wird unter
Druck steht und/oder oder in einen unter Druck stehenden Raum injiziert
wird. Und indem der Abstand zwischen dem einen dem Verschlußorgan zugewandten
Ende der erregbaren Platte(n) und dem Verschlussorgan größer ist
als der Abstand zwischen dem anderen Ende der erregbaren Platte(n)
und der Fixierung am Grundkörper
gemacht ist, wird auch bei einer höheren Frequenz und einer entsprechend
hohen Federkonstanten der Trägerplatte
(Größenordnung
105 [N/m]) eine brauchbare Schwingweite
des PKF-Elements und
damit eine für
praktische Anwendungen ausreichende Weite der Öffnung erreicht. Eine Anwendung,
bei der die Öffnung
nur teilweise verschlossen wird, ist beispielsweise vorteilhaft,
wenn Pulver dosiert wird, da die intermittierende Bewegung des Antriebs
ein gleichmäßiges Fördern ohne
zusammenzubacken gewährleistet.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Trägerplatte
und die erregbare Platte mit hoher Klemmkraft mit einander verbunden
sind. Die hohe Klemmkraft ist proportional der mit dem PKF-Element
erreichbaren Beschleunigung und außerdem verbessert sich die
Reproduzierbarkeit des Betriebs.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die angewandte Antriebsfrequenz größer als
100 Hz und bevorzugt kleiner als 10000 Hz ist. Je höher die
Frequenz ist, desto schneller verteilt sich das injizierte Material
reproduzierbar und gleichmäßig in dem
Raum, in den injiziert wird. Die Frequenz darf allerdings auch nicht
zu groß sein,
weil dann brauchbare Schwingweiten des PKF-Elements nur schwer erreichbar sind.
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Es
ist vorteilhaft, wenn der Antrieb mit einer Arbeitsfrequenz fa angesteuert wird, welche einige Hz unter
der Resonanzfrequenz f0 des aus dem PKF-Element
und dem Verschlußorgan
bestehenden Systems liegt. Die Einhaltung dieses Parameters erlaubt
es, die Resonanzerhöhung
auszunutzen, wodurch die erreichbare Schwingweite noch einmal vergrößert werden
kann.
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Der
erfindungsgemäße Antrieb
ist vorteilhaft als Zudosierantrieb für fließfähige Materialien einsetzbar.
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Es
ist vorteilhaft, wenn das PKF-Element mit beiden Enden mit einem
Grundkörper
und über
seinen mittleren Bereich mit dem Verschlußorgan verbunden ist. Dieses
(Doppel)-PKF-Element ist stabiler verankert und hat bei entsprechenden
Abmessungen eine höhere
Federkonstante als ein nur mit einem Ende der Trägerplatte verankertes PKF-Element.
Infolgedessen läßt es sich
mit höherer
Arbeitsfreqenz und entsprechend kleinerer Schaltzeit betreiben.
Es kommt hinzu, dass bei den (Doppel)-PKF-Elementen eine besonders
gute Längslinearität der Bewegung
des Verschlußorgans
gewährleistet
ist. Als weitere Vorteile gegenüber
nur mit einem Ende der Trägerplatte
verankerten PKF-Elementen
kommt bei ihnen hinzu, dass man mit ihnen größere Kräfte erzeugen kann und dass
sie beim Abschalten der Spannung schneller ausschwingen.
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Es
ist vorteilhaft, wenn mindestens zwei Kombinationen aus je einem
Antrieb und einem Ventil (Zudosiervorrichtung im folgenden) vorhanden
sind, die parallel zueinander arbeiten. Vorteilhaft sind diese Zudosiervorrichtungen,
um mindestens zwei Materialien einzuspritzen, die danach gemischt
werden sollen. Es ist dabei zu unterscheiden, in welcher Weise die
zu vermischenden Stoffe in Wechselwirkung treten sollen. Wenn es nur
darauf ankommt, die Materialien in einem festgelegten Mengenverhältnis zu
mischen, ist es vorteilhaft, alle Zudosiervorrichtungen mit derselben
Spannungsquelle anzutreiben. Sollen die Stoffe auch noch phasenmäßig gegeneinander
versetzt zugegeben werden und ist der Phasenunterschied 180°, dann kann
man auch mit einer Spannungsquelle auskommen, sofern die mindestens
zwei Zudosiervorrichtungen mit entgegengesetzter Polarität betrieben
werden. Diese Variante ist auch vorteilhaft einsetzbar, wenn, wie
die 5 zeigt, das Zudosierrohr an einer Stelle in zwei
Stränge
aufgeteilt ist, in denen sich je eine Zudosiervorrichtung befindet,
wobei die Antriebe so geschaltet sind, dass sie im Gegentakt, d.
h. um 180°,
phasenverschoben, erregt werden. Mit der in der 5 gezeigten
Anordnung läßt sich
in vorteilhafter Weise die Schaltzeit halbieren. Sollen die Stoffe
auch phasenmäßig gegeneinander
versetzt zugegeben werden, aber ist der Phasenunterschied ungleich
180°, dann
muß jede
Zuführvorrichtung
von einer eigenen Spannungsquelle angetrieben werden, wobei es hinsichtlich
der Genauigkeit des Zusammenwirkens der Zudosiervorrichtungen vorteilhaft
ist, wenn die Spannungsquellen untereinander elektrisch verbunden
sind, wobei eine von ihnen, die als Master wirkt, den synchronen
Betrieb des Masters und der anderen Spannungsquellen steuert die
als Slaves wirken, wobei mindestens eine der Spannungsquellen einen
Phasenschieber enthält,
um die Phasenlage der Slave-Schwingung(en) gegenüber der Phasenlage der Master-Schwingung
variabel einstellen zu können.
Es ist mit dieser Anordnung möglich,
Phasenunterschiede zwischen 0 und 360° einzustellen. Die letztgenannte
Anordnung ist auch vorteilhaft einsetzbar, wenn, wie es die 6 zeigt,
das Zudosierrohr an einer Stelle in mehr als zwei Stränge aufgeteilt
ist, in denen sich je eine Zudosiervorrichtung befindet, wobei die
Antriebe so geschaltet sind, dass sie phasenverschoben erregt werden.
Sind drei Stränge
und Phasenverschiebungen von je 120°vorgesehen, läßt sich
die Schaltzeit auf ein Drittel reduzieren.
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Der
erfindungsgemäße Antrieb
läßt sich
in vorteilhafter Weise auch mit einem der Betriebsspannung aufgeprägten einstellbaren
Tastverhältnis
betreiben. Es ist auf diese Weise beispielsweise möglich, intermittierendes
Zudosieren auf Betriebsabläufe
abzustimmen, bei denen Material in Abhängigkeit von zeitlichen Vorgaben
zudosiert werden muß.
D.h. mit anderen Worten: Das intermittierende Zudosieren (Zudosierintervall) wird
regelmäßig von
Zeiten unterbrochen, während
denen kein Zudosieren erfolgt.
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Einem
solchen Betriebsablauf folgt beispielsweise das Kraftstoffeinspritzen
in Dieselmotoren, bei dem in vorteilhafter Weise der erfindungsgemäße Antrieb
eingesetzt werden kann, wobei die (Betriebs-)Spannungsquelle über die
Motorendrehzahl gesteuert ist.
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Für die Genauigkeit
des Zudosierens beispielsweise in einen Dieselmotor ist es wichtig,
dass der Einschalt- und der Auschaltvorgang zu Beginn und am Ende
des Zudosierintervalls möglichst
kurz ist. Physikalische Gesetze erschweren jedoch einen abrupten
Beginn beim Ein- und ein abruptes Ende der Schwingbewegung eines
schwingfähigen
Gebildes beim Einschalten und insbesondere beim Abschalten der Betriebsspannung.
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Eine
vorteilhafte Möglichkeit
den Ein- und Ausschaltvorgang abzukürzen ergibt sich, wenn der
Antrieb mit einer Betriebsspannung mit Rechteckimpuls (statt wie üblich mit
sinusförmiger
Spannung) ansteuerbar ist. Dadurch ist es möglich, die Flanke der Einschwingkurve
(Öffnungskurve),
wie auch die der Ausschwingkurve (Schließungskurve) steiler zu machen
und dadurch den Einschaltvorgang (wie auch den Ausschaltvorgang) abzukürzen, was
zu einer höheren
Genauigkeit des Einspritzens, d.h. einem zeitlich exakter steuerbaren
Beginn bzw. einer zeitlich exakter steuerbaren Beendigung des Zudosierintervalls,
beiträgt.
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Vorteilhaft
ist der Einsatz von Mitteln, um elektronisch den Einschalt- und
den Ausschaltvorgang beim Zudosierintervall abzukürzen.
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Es
ist vorteilhaft, wenn beim Ausschaltvorgang die PK-Platten auf einer
Oberfläche
der Trägerplatte des
PKF-Elements (gegenüber
den PK-Platten auf der anderen Oberfläche) elektronisch phasenmäßig um 180° umgesteuert
werden. Dieses Umsteuern wirkt der Verbiegung beim Ausschwingen
des PKF-Elements entgegen.
Wird ein Doppel-PKF-Element verwendet, läßt sich diese Maßnahme auch
in der Weise durchführen,
dass die zwischen dem mittleren Bereich und dem einen Endbereich
aufgebrachten PK-Platten (gegenüber
den PK-Platten zwischen dem mittleren Bereich und dem anderen Endbereich)
elektronisch phasenmäßig um 180° umgesteuert
werden. Es ist zu beachten, dass das Umsteuern vor der Einleitung
des nächsten
Zudosierintervalls wieder rückgängig gemacht
werden muß.
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Eine
weitere elektrische Maßnahme
zur Verkürzung
des Ausschaltvorgangs, besteht darin, die Zuleitungen zu den PKF-Elementen über einen
Widerstand kurzzuschließen.
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Wenn
die Anordnung derart ist, dass im geschlossenen Zustand das Verschlußorgan Druck
auf den Ventilsitz ausübt,
ist es vorteilhaft, um das Öffnen
sofort einzuleiten, wenn der Impulsgenerator und die Piezoplatten
so miteinander verdrahtet sind, dass die Einschaltpolarität zu einem
Schwingungsimpuls in Richtung Öffnung
des Ventils führt.
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Vorteilhaft
ist es, als weiteres Mittel zur Verkürzung des Ein- und/oder Ausschaltvorgangs
auf die Trägerplatte
mindestens eine zusätzliche
selbständig,
d.h. mit separater Spannungsquelle, erregbare PK-Platte aufzubringen.
Mit diesem Mittel, laßt
sich der Ein- und/oder Ausschaltvorgang in mannigfacher Weise verkürzen. Die
mindestens eine zusätzliche
PK-Platte läßt sich
neben oder über
den bereits vorhandenen PK-Platten aufbringen. Die genannte mindestens
eine zusätzliche
PK-Platte, kann beispielsweise vorteilhaft mit einem Spannungsimpuls
derselben Polarität
wie die Betriebsspannung während
dem Durchlaufen der Öffnungskurve beim
Beginn des Zudosierintervalls beaufschlagt werden. Dadurch erhält die Trägerplatte
eine zusätzliche
Beschleunigung, wodurch die Flanke der Öffnungskurve steiler und dadurch
der Einschaltvorgang verkürzt
wird. Dieser Effekt läßt sich
allerdings auch erzielen, wenn beim ersten Schaltimpuls des Zudosierintervalls
die Betriebsspannung erhöht
wird.
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Es
ist vorteilhaft, wenn zur Verkürzung
des Ausschaltvorgangs die Kraft F0 zwischen
dem Nulldurchgang und dem Maximum der Schwingweite abgeschaltet
wird und über
die mindestens eine genannte zusätzliche,
selbständig
erregbare Platte eine Gleichspannung mit einem der maximalen Betriebsspannung
entsprechenden Wert oder schnell aufeinanderfolgend kurzzeitige
Spannungsimpulse aufgebracht wird (werden). Alternativ kann vorteilhaft
zur Verkürzung
des Ausschaltvorgangs die Kraft F0 nach
dem Maximum der Schwingweite abgeschaltet werden und über die
mindestens eine zusätzliche,
selbständig
erregbare Platte gleichphasig eine Gleichspannung mit einem dem
maximalen Betriebsspannung entsprechenden Wert aufgebracht werden.
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Als
mechanische Maßnahme
zum Abkürzen
des Ausschaltvorgangs ist es vorteilhaft, wenn sich das Verschlußorgan in
einer gehonten Führung
bewegt und dabei der viskosen, d.h. geschwindigkeitsabhängigen Dämpfung unterworfen
ist.
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Die
genannten Mittel/Maßnahmen
zur Verkürzung
des Einschalt- und
des Ausschaltvorgangs lassen sich einzeln oder als Kombination von
zwei oder mehr von ihnen anwenden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Antriebs sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von durch Zeichnungen erläuterten
Ausführungsbeispielen beschrieben.
Es zeigen
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1 in
schematischer Aufsicht einen Antrieb gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung,
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1a in
schematischer Seitenansicht den in der 1 gezeigten
Antrieb,
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2 in
schematischer Aufsicht einen Antrieb gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung,
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2a in
schematischer Seitenansicht den in der 2 gezeigten
Antrieb,
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3 in
schematischer Querschnittsdarstellung eine Kombination des in der 2 gezeigten
Antriebs mit einem (Schiebe-)Ventil (Kombination im folgenden auch
Zudosiervorrichtung genannt),
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4 in
schematischer Querschnittsdarstellung eine Kombination des in der 2 gezeigten
Antriebs mit einem konventionellen (Sitz-)Ventil (Kombination im
folgenden auch Zudosiervorrichtung genannt),
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5 in
schematischer Darstellung eine Vorrichtung, bei der zwei der in
der 3 gezeigten Zudosiervorrichtungen zusammenwirken,
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6 in
schematischer Darstellung eine weitere Vorrichtung der in der 5 gezeigten
Art, bei der aber drei der in der 3 gezeigten
Zudosiervorrichtungen zusammenwirken,
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7 schematisch
dargestellt in einem Diagramm die Bewegung des Verschlußorgans
der in der 3 gezeigten Zudosiervorrichtung
aufgetragen gegen die Zeit, wenn der Antrieb mit einer Wechselspannung
erregt wird,
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8 schematisch
dargestellt in einem Diagramm die Bewegung des Verschlußorgans
der beispielsweise in der 4 gezeigten
Zudosiervorrichtung aufgetragen gegen die Zeit, wenn der Antrieb
mit einer Wechselspannung erregt wird,
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9 schematisch
dargestellt in einem Diagramm die Bewegung des Verschlußorgans
der in der 3 gezeigten Zudosiervorrichtung
aufgetragen gegen die Zeit, wenn der Antrieb mit einer Wechselspannung
erregt wird, der ein einstellbares Tastverhältnis aufgeprägt ist,
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10 schematisch
dargestellt in einem Diagramm die Bewegung des Verschlußorgans
der beispielsweise in der 4 gezeigten
Zudosiervorrichtung aufgetragen gegen die Zeit, wenn der Antrieb
mit einer Wechselspannung erregt wird, der ebenfalls ein einstellbares
Tastverhältnis
aufgeprägt
ist und
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11 in
schematischer Querschnittsdarstellung eine Kombination des in der 2 gezeigten
Antriebs mit einem weiteren (Sitz-)Ventil, das einen Kraftstoffbehälter und
ein Becherglas miteinander verbindet.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen
beschrieben, mit denen sich die Erfindung anschaulich erläutern läßt. Es sei
aber klargestellt, dass von diesen Beispielen im Rahmen der Ansprüche mannigfaltige
Abweichungen möglich
sind.
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In
den 1 und 1a ist ein Antrieb 1 gezeigt,
dessen Verschlussorgan aus einem Stössel 2 und, beispielsweise,
einem – nicht
gezeigten – zu
einem Ventil gehörenden
Dichtungskolben gebildet ist. Das eine Ende des Stössels ist
beispielsweise mit einer Schraube 3 ist im einen Endbereich
einer Trägerplatte 4 eines PKF-Elements
verankert. Der andere Endbereich der Trägerplatte ist an einer Halterung 5 mit
einer grossen Masse m1 beispielsweise mit
Schrauben 6 befestigt. Auf der Trägerplatte sind im mittleren
Bereich beidseitig mindestens je eine PK-Platte 7 aufgebracht.
Um beispielsweise mehrere PK-Platten 7 nebeneinander
aufzubringen, ist die abgebildete Trägerplatte 4 im eingespannten
Endbereich (wo die PK-Platten aufgebracht sind) verbreitert. Die
Verjüngung
der Trägerplatte
in Richtung der Stösselverankerung
beeinträchtigt
nicht die Wirkung des PKF-Elements, aber sie kann seine Einpassung
in eine Gesamtkonstruktion erleichtern. Die beiden großen Oberflächen der
PK-Platten sind elektrisch mit je einem Pol einer Spannungsquelle
in der Weise verbunden, dass wenn sich die PK-Platte(n) auf der
einen Oberfläche
der Trägerplatte
aufgrund des inversen Piezoeffekts ausdehnt, die PK-Platte(n) auf
der anderen Oberfläche
der Trägerplatte
zusammenzieht.
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Ein
PKF-Element, wie das der
1, ist beispielsweise in der
DE 103 09 994 A1 beschrieben.
Die Trägerplatte
ist eine längliche,
federnde, bevorzugt zwischen etwa 6 und etwa 20 mm dicke Kunststoffplatte, bevorzugt
aus einem glasfaserverstärkten
Duroplasten, beispielsweise einem Epoxidharz, auf die beidseitig ein
Epoxidharzkleber, eine Metallschicht, und eine beidseitig metallbedampfte
PK-Platte aufgebracht ist, die mit der Metallschicht zusammengelötet ist.
Auf diese Weise sind die Trägerplatte
und die PK-Platten mit hoher Klemmkraft miteinander verbunden, was
die Voraussetzung dafür
ist, hohe Kräfte
von den PK-Platten auf die Trägerplatte
zu übertragen.
Die Metallauflage zwischen den Platten und die von der Trägerplatte
abgewandte Metallbedampfung sind mit den Polen der Spannungsquelle
verbunden.
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Der
in den 2 und 2a gezeigte Antrieb unterscheidet
sich dadurch von dem in der 1 gezeigten,
dass das PKF-Element eine Doppelfeder darstellt, bei der der Stössel 2 im
mittleren Bereich der Trägerplatte 14 verankert
ist, während
beide Enden der Trägerplatte
mit einer (bevorzugt gemeinsamen) Halterung 15 mit einer
großer
Masse m1 verbunden sind und bei dem in den
Bereichen der Trägerplatte
zwischen der Verankerung des Stössels
und ihren Enden je beidseitig mindestens eine PK-Platte 7 aufgebracht
ist. Elektrisch sind die PK-Platten entsprechend dem im Zusammenhang
mit dem PKF-Element der 1 angegebenen Prinzipien verdrahtet.
Vergleichbar dem in der 1 gezeigten PKF-Element kann
das PKF-Element der 2 eine Einschnürung im
mittleren Bereich aufweisen. Der Schichtaufbau des in der 2 gezeigten PKF-Element
ist bevorzugt gleich dem Schichtaufbau des in der 1 gezeigten
PKF-Elements.
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Die
in den
1 und
2 beschriebenen PKF-Elemente
können
beispielsweise mit einem Impulsgenerator mit variabel einstellbarer
Frequenz, variabel einstellbarer Kraft oder Beschleunigung und gegebenenfalls
einem Phasenschieber betrieben werden. Ein solcher Impulsgenerator
ist beispielsweise in der
DE 100
05 934 A1 beschrieben.
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In
der 3 ist eine Kombination 20 aus dem Antrieb 10,
wie ihn die 2 zeigt, mit einem Schieberventil
gezeigt. Das Verschlußorgan
besteht aus dem Stössel 2 und
einem Schieber 21, der mit dem der Trägerplatte 14 entgegengesetzten
Ende des Stössels
verbunden ist, sich in einer Führunghülse 18 bewegt
und zwei, senkrecht zur Stösselbewegung
verlaufende Bohrungen 22 und 23 aufweist. Der
Schieber reguliert den Durchfluß durch
ein von der Führungshülse gekreuztes
Rohr 24. Beim Hin- und Herbewegen des Stössels ist der
Durchfluß durch
das Rohr 24 in zwei Stellungen des Schiebers unbehindert
möglich
und in den anderen Stellungen teilweise möglich oder volständig versperrt.
Der Fluß erfolgt
senkrecht zur Stösselbewegung.
Bei einer Alternative ist nur eine Bohrung 22 bzw. 23 vorgesehen,
wodurch dann nur in einer Stösselstellung
der ungehinderte Durchfluß möglich ist.
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In
der 4 ist die Kombination 30 des Antriebs 10,
wie ihn die 2 zeigt, mit einem konventionellen Kegel(Sitz-)ventil
gezeigt. Der mit seinem einen Ende in der Trägerplatte verankerte Stössel 2 trägt an seinem anderen
Ende einen kegelförmigen
Dichtungskolben 35, der im geschlossenen Zustand satt am
Ventilkörper 36 anliegt.
Das fließfähige Medium
fließt
durch eine Rohrleitung 37 und zwar im geöffneten
Ventil parallel zur Stösselbewegung.
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Bei
der in der 5 gezeigten Vorrichtung ist
das Rohr 24 über
eine kurze Strecke in zwei Stränge 25 und 26 aufgespalten,
in denen sich je eine Zudosiervorrichtung 20 befindet,
die den Durchfluß steuern
und – bevorzugt
mit demselben Impulsgenerator im Gegentakt erregt werden (Phasenverschiebung
um 180°),
d.h. dass die eine Zudosiervorrichtung geschlossen bzw. geöffnet ist,
wenn die andere geöffnet
bzw. geschlossen ist. Es ist also möglich, die Anzahl der Schaltimpulse
pro sec gegenüber
der bei Verwendung nur einer Zudosiervorrichtung erreichbaren zu
verdoppeln.
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Bei
der in der 6 gezeigten Vorrichtung ist
das Rohr 24 über
eine kurze Strecke in drei Stränge 25, 26 und 27 aufgespalten,
in denen sich je eine Zudosiervorrichtung 20 befindet,
die den Durchfluß steuern.
Werden die drei Zudosiervorrichtungen je mit einem Impulsgenerator
betrieben, wobei die Impulsgeneratoren untereinander elektrisch
verbunden sind und einer von ihnen, der als Master wirkt, den synchronen
Betrieb des Masters und der anderen Impulsgeneratoren steuert die
als Slaves wirken, und wobei mindestens einer der Impulsgeneratoren
einen Phasenschieber enthält,
um die Phasenlage der Slave-Schwingung(en) gegenüber der Phasenlage der Master-Schwingung
variabel einstellen zu können,
dann lassen sich die drei Zudosiervorrichtungen gegeneinander um
120° phasenverschoben
betätigen,
mit dem Ergebnis, dass sich die Anzahl der Schaltimpulse pro sec
gegenüber
der mit nur einer Zudosiervorrichtung erreichbaren verdreifachen
läßt.
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Erfindungsgemäß werden
PKF-Elemente als schnelle elektromechanische Wandler, zum Erweitern und
Verengen von Öffnungen,
beispielsweise zum Öffnen
und Schließen
eines Ventils eingesetzt. Wird das PKF-Element mit einer Wechselspannung
erregt, lassen sich Betriebszustände
erzeugen, bei denen der Stössel über die
Zeit harmonische Schwingungen ausführt, wie es beispielsweise
die 7 für
die in der 3 gezeigte Zudosiervorrichtung
veranschaulicht, oder im Stoß- bzw. Impulsbetrieb
funktioniert. Die Bewegungsrichtung ist phasenempfindlich, d.h.
abhängig
von der Polarität
der angelegten Spannung.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Antrieb
wird intermittierend beispielsweise zudosiert, d.h. während des Zudosierens
wird die Öffnung
periodisch geöffnet
und verschlossen. Je größer die
Anzahl der Schaltimpulse pro sec ist oder anders: je kürzer die
Schaltzeiten (Dauer der Schaltimpulse) sind, desto genauer, gleichmäßiger und
reproduzierbarer läßt sich
das Zudosieren durchführen.
Die Anzahl der Schaltimpulse pro sec läßt sich in erster Linie durch
die Frequenz der Betriebsspannung steuern. In zweiter Linie lassen
sich konstruktive Maßnahmen
einsetzen. Bei der in der 3 gezeigten
Zudosiervorrichtung gibt es zwei Schaltimpulse pro in der 7 gezeigten
Periode, in der sich der Stössel
mit der Frequenz der Betriebswechselspannung vor- und zurückbewegt
und dabei in jeder Halbwelle abwechselnd Materie durch die Bohrungen 22 und 23 strömen läßt. Bei
der genannten Alternative, bei der nur eine Bohrung 22 oder 23 vorgesehen
ist, gibt es nur einen Schaltimpuls pro Periode. Die Zahl der Schaltimpulse
pro Periode lassen sich auch bei den in den 5 und 6 gezeigten
Vorrichtungen – gegebenenfalls
zusätzlich – erhöhen (s.o.).
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Das
Zudosieren mit der in der 4 gezeigten
Zudosiervorrichtung läßt sich
anhand des Diagramms in der 8 veranschaulichen.
Die Zudosierung kann – im
vorliegenden Fall – jeweils
nur in der positiven Halbwelle der Sinusschwingung erfolgen, da
die negative Halbwelle unterdrückt
wird, weil der kegelförmige
Dichtungskolben in dieser Zeit gegen den Ventilkörper drückt und das Ventil verschließt.
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Die
angewandte Arbeitsfrequenz f
a liegt bei ≥ etwa 100
Hz und bevorzugt zwischen etwa 200 und etwa 5000 Hz. Die Arbeitsfrequenz
liegt bevorzugt einige Hz unter der Resonanzfrequenz f
0 des
aus dem PKF-Element und der von ihm erregten Masse m
2,
nämlich
dem Verschlußorgan,
bestehenden Systems, weil sonst u.a. die Resonanzüberhöhung nicht
ausgenutzt werden kann. Die Resonanzfrequenz f
0 ist
durch
bestimmt, wobei D die Federkonstante
des PKF-Elements und m
2 die erregte Masse
ist. Die Masse m
2 sollte <<< als
m
1 sein. Die angewandte Kraft F
0 liegt
bei ≥ etwa
200 N und bevorzugt zwischen etwa 300 und etwa 5000 N und die angewandte
Beschleunigung a
0 bei ≥ etwa 2000 m/s
2 und
bevorzugt zwischen etwa 5000 und etwa 10000 m/s
2.
Beim effektiven Öffnen
und Schließen
des Ventils kommt es auf eine ausreichende Schwingweite y
0 des PKF-Elements an. Unter Berücksichtigung
der o.g. Gleichung (1) ist
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Da
wie oben ausgeführt
worden ist, es für
die Genauigkeit der Dosierung eine große Anzahl der Schaltimpulse
pro sec und deshalb auf eine hohe Arbeitsfrequenz ankommt, y0 aber mit zunehmemder Frequenz abnimmt,
mit der Beschleunigung jedoch zunimmt, ist das Erreichen der o.g.
Beschleunigungswerte wichtig.
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Unter
Zugrundelegung einer Beschleunigung von 5000 m/s
2 und
einer Resonanzfrequenz von 1 kHz ergibt sich aus der Gleichung (2)
für
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Diese
Schwingweite liegt in der bei üblichen
Einspritzventilen geltenden Größenordnung
(±0,05
bis ±0,15
mm).
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Der
erfindungsgemäße Antrieb
läßt sich
vorteilhaft mit einem der Betriebsspannung aufgeprägten Tastverhältnis betreiben.
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Beim
Einspritzen von Kraftstoff beispielsweise in einen Dieselmotor wird
das Einspritzen abhängig
von der Motorendrehzahl aus- und eingeschaltet. Das Ein- und Ausschalten
erfolgt über
den Impulsgenerator, der dazu drehzahlgesteuert ist. Die Drehzahl
ist definiert als die Umdrehungen der Kolbenwelle pro sec. Den Vorgang
illustrieren die Diagramme in den
9 und
10.
In der Zeitspanne z
1 wird intermittierend
Kraftstoff mit einer festgelegten, frequenzabhängigen Anzahl von Schaltimpulsen
pro sec eingespritzt. In der Zeitspanne z
2 ist
das Ventil ständig
geschlossen. z
3 = z
1 +
z
2 ist die Zeit zwischen dem Beginn eines
Einspritzvorgangs und dem Beginn des nächsten, wobei
das Tastverhältnis ist.
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In
dem Diagramm der 9 ist die Bewegung des Verschlußorgans
gegen die Zeit aufgetragen, wenn die Zudosiervorrichtung der 3 beim
Einspritzen von Kraftstoff in einen Motor eingesetzt wird. Während einer
Schwingungsperiode wird zweimal eingespritzt. Entsprechend ist die
Anzahl der Schaltimpulse pro sec (wie oben beim Beispiel der 7)
2 × dem
Zahlenwert der fa und die Schaltzeit 1/2fa.
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In
dem Diagramm der 10 ist die Bewegung des Verschlußorgans
gegen die Zeit aufgetragen, wenn die Zudosiervorrichtung der 4 beim
Einspritzen von Kraftstoff in einen Motor eingesetzt wird. Während eines
Schaltimpulses wird einmal eingespritzt. Entsprechend ist (wie oben
beim Beispiel der 8) die Anzahl der Schaltimpulse
pro sec gleich dem Zahlenwert von fa und
die Schaltzeit 1/fa.
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Für höchste Genauigkeit
des Zudosierens innerhalb von z1 sollte
die Einschaltphase der Bewegung des Verschlußorgans zu Beginn von z1 und die Ausschaltphase der Stösselbewegung
am Schluß von
z1 möglichst
kurz sein. Maßnahmen,
mit denen sich dies erreichen läßt, sind
in der Beschreibungseinleitung aufgeführt.
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Zwei
spezielle Beispiele sollen die Erfindung noch mehr verdeutlichen.
- 1. Beim ersten Beispiel wurden nur mit einem
Endbereich der Trägerplatte
eingepannte PKF-Elemente eingesetzt, wie sie in der 1 gezeigt
sind. Die Trägerplatte
war 10–12
mm dick, 90 mm lang (Abstand zwischen der Einspannung und der Verankerung
des Stössels),
und die Breite im eingespannten Endbereich war 80 mm. Die Arbeitsfrequenz
fa lag im Bereich von 0,4 bis 1 kHz, die
Schaltzeit t0 bei ≤ 2 msec (steuerbar), die Beschleunigung
a0 bei ≥ etwa
1000 m/s2 und die elektrische Schaltspannung bei Werten bis etwa 300
V/30 VA.
Bei einem Anwendungsbeispiel wurde mit einer Zudosiervorrichtung,
die ein PKF-Element gemäß 1 aufwies,
das mit einem Kegelventil verbunden war, das Einspritzen von unter
Druck stehendem Dieselkraftstoff in einen Dieselmotor simuliert.
Die Trägerplatte
des PKF-Elements war 11 mm dick, 90 mm lang und 80 mm breit (max.).
Die Fläche
der PK-Platte war an die Fläche
der Trägerplatte
beim eingespannten Endbereich angepaßt. Die Arbeitsfrequenz fa betrug 600 Hz (und die Anzahl der Schaltimpulse
pro sec war 600 und die Schaltzeit t0 bei
etwa 1,66 msec (entsprechend 1/fa), die
Beschleunigung a0 lag bei etwa 5000 ms–1 und
der Schwingweg y0, d.h. der Hub des Kegels,
bei etwa ±150 μm.
- 2. Beim zweiten Beispiel wurde mit einer aus einem Doppel-PKF-Element und einem
Ventil, das dem in der 3 gezeigten vergleichbar war,
bestehenden Zudosierelement gearbeitet. Die Trägerplatte hatte eine Dicke
von 8 mm, eine Länge
zwischen den Einspannungen an den Enden 130 mm und eine Breite von
20 mm. Die PK-Platten hatten eine Länge von 29 mm und eine Breite
von 20 mm. Die übrigen
Parameterbereiche waren denen etwa gleich, die unter 1. angegeben
sind.
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Bei
einem Anwendungsbeispiel wurde das Einspritzen von unter Druck stehendem
Dieselkraftstoff in einen Dieselmotor simuliert. Die Arbeitsfrequenz
fa lag bei 481 Hz, die Beschleunigung a0 bei 1000 m/s2,
die Kraft F0 bei 500 N, das Prüfgewicht
bei 0,5 kg und die Veff bei 200 V.
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Bei
den Anwendungsbeispielen wurde festgestellt, dass die Gleichmäßigkeit
und die Genauigkeit der Zerstäubung
durch das intermittierende Einspritzen verbessert war, dass die
Druckbelastung der Pumpe geringer als beim nicht intermittierenden
Einspritzen war, was an der konstanten Druckanzeige des Manometers erkennbar
war, und dass das PKF-Element Kräfte
ausüben
kann, die die für
die Praxis (Kraftstoffeinspritzung) aufgestellten Forderungen erfüllen.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
wurde von einer Ausgestaltung ausgegangen, die schematisch in der 11 gezeigt
ist. Bei der Ausgestaltung ist über
einem Ventil die beiden Enden eines Antriebs 10, wie er
in den 2 und 2a gezeigt ist, mit Schrauben 6 an
einem Ventilkörper 16 festgemacht.
Der an dem Antrieb befestigte Stössel 2 läuft ventilseitig
konisch in eine kegelförmige
Nadelspitze 40 aus, die von oben in einen Ventilsitz 41 eintaucht,
der eine dem Negativ der Nadelspitze entsprechende kegelförmige Vertiefung
bildet, welche an ihrer Spitze eine Öffnung 42 aufweist.
Unter der Öffnung
steht ein offenes, klar durchsichtiges Becherglas 43. In
der Wand der Vertiefung endet ein Rohr 44, welches das
Ventil mit einem Kraftstoffbehälter 45 verbindet,
der mittels einer nicht gezeigten Pumpe unter einen Druck von max.
200 bar gesetzt werden kann. Die Länge des Stössels 2 kann mittels
einer Schraube 46 verändert
werden, um den Druck auf das Ventil zu variieren.
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Das
Ausführungsbeispiel
diente dazu, die rasche Verteilung des injizierten Materials hinter
der Öffnung 42 zu
demonstrieren. Bei der Durchführung
des Ausführungsbeispiels
war die Nadelspitze 40 soweit in den Ventilsitz 41 eingeführt, dass
es an dessen Wand anlag, und Kraftstoff wurde in den Kraftstoffbehälter 45 eingefüllt, so
dass der Rohrausgang unterhalb des Flüssigkeitsspiegels lag.
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In
dem Kraftstoffbehälter
wurde kontinuierlich ansteigend Druck aufgebaut (max. 200 bar),
und gleichzeitig wurde der Antrieb mit der festgelegten Frequenz
intermittierend erregt.
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Zuvor
wurde durch Drehen an der Schraube 46 die Nadelspitze gegen
den Ventilsitz gedrückt,
wobei der Antrieb leicht nach oben verbogen und damit vorgespannt
wurde. Durch vorangehende Versuche war festgelegt worden, um wieviel
die Schraube gedreht werden muß,
damit, wenn in dem Kraftstoffbehälter
ein Druck von etwa 50 bar aufgebaut ist, sich der vom Antrieb und
der vom Kraftstoff auf die Nadelspitze wirkenden Drücke aufheben.
Heben sich die Drücke
auf, beginnt der Antrieb zu schwingen.
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Die
Betriebsparameter waren die folgenden:
Verschlussdruck auf
den Ventilsitz gegen vorgespannten Antrieb: ca. 50 bar (statischer
Druck)
Kraftstoffdruck variabel zwischen 0 und 200 bar einstellbar.
Arbeitsfrequenz
fa: 600 Hz (die entsprechende Kreisfrequenz ω0 = 2π·fa = 3760 s–1)
Periodenzeit:
1,6 ms,
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Das
Federelement schwang pro Einspritzvorgang 10 bis 20 mal, was einer
Zeitdauer/Einspritzvorgang von 16 bis 32 ms entspricht.
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Beschleunigung
a0 am Stössel
während
des Einspritzens ca. ±40
g = ±400
ms–1 max.
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Verschlussweg
des Stössels
daher:
- (Den
erhaltenen y0-Wert kann man erhöhen, indem
die Fläche
der Piezokeramikplatten und/oder Impulsspannung erhöht wird)
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Visuell
war zu erkennen, dass sich in dem Becherglas 43 ausgehend
von der Öffnung 42 eine
birnenförmige
Wolke aus kleinen Flüssigkeitstropfen
ausbreitete, woraus die hohe Geschwindigkeit ablesbar war, mit der
das injizierte Material verteilt wird.
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Es
sei angemerkt, dass bei Einsatz der konventionellen piezoelektrisch
betriebenen Ventile (Commonrail), also beim nicht intermittierenden
Betrieb, bei sonst gleichen Bedingungen ein keulenförmiger Flüssigkeitsstrahl
in das Becherglas eingebracht würde,
der erst in einiger Entfernung vom Ventil sich in kleine Tröpfchen aufzulösen beginnt.