DE60119355T2

DE60119355T2 - Druckempfindliches ventil für eine ausgleichsvorrichtung in ein piezo-elektrisches betätigungselement

Info

Publication number: DE60119355T2
Application number: DE60119355T
Authority: DE
Inventors: R. Jack Harrisburg LORRAINE
Original assignee: Siemens VDO Automotive Corp
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 2000-10-11
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2021-10-12
Also published as: US20020139863A1; JP2004511700A; DE60125207D1; WO2002031346A1; DE60125207T2; EP1325224A1; DE60129830D1; JP2004511701A; EP1325226B1; JP2004513278A; EP1325225A1; EP1325229A1; DE60125387D1; DE60121352T2; JP3828490B2; JP3953421B2; DE60125387T2; EP1325227B1; US6739528B2; JP3838974B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein längenveränderliche Aktuatoren wie z.B. einen magnetorestriktiven oder einen längenveränderlichen Halbleiter-Aktuator. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Kompensator-Anordnung für einen längenveränderlichen Aktuator und spezifisch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur hydraulischen Kompensierung einer über einen Halbleiter betätigten Hochdruck-Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen.
Hintergrund der Erfindung
Halbleiter-Aktuatoren wie z.B. längenveränderliche Aktuatoren können eine keramische Struktur enthalten, deren axiale Länge sich durch Anlegen einer Betriebsspannung ändern kann. Es wird davon ausgegangen, dass sich bei typischen Anwendungen die axiale Länge z.B. um etwa 0,12% ändern kann. Bei einer Stapelkonfiguration wird davon ausgegangen, dass sich die Änderung der axialen Länge als Funktion der Anzahl der Aktuatoren in dem längenveränderlichen Aktuatoren-Stapel verstärkt. Im Hinblick auf die Eigenheiten der längenveränderlichen Aktuatoren wird davon ausgegangen, dass das Anlegen einer Spannung zu einer verzögerungsfreien Ausdehnung des Aktuators und einer verzögerungsfreien Bewegung einer mit dem Aktuator verbundenen Struktur führt. Auf dem Gebiet der Automobil-Technologie und insbesondere bei Verbrennungsmotoren wird davon ausgegangen, dass ein Bedarf an präzisen Öffnungs- und Schließvorgängen eines Einspritzventilelements besteht, um das Einspritzen und die Verbrennung von Kraftstoff zu optimieren. Daher werden bei Brennkraftmaschinen längenveränderliche Aktuatoren derzeit für das präzise Öffnen und Schließen von Einspritzventilelementen verwendet.
Im Betrieb unterliegen die Komponenten einer Brennkraftmaschine erheblichen thermischen Schwankungen, die zum thermischem Ausdehnen oder Zusammenziehen der Motorkomponenten führen. Man nimmt beispielsweise an, dass die Kraftstoffeinspritz-Anordnung einen Ventilkörper enthält, der sich im Betrieb aufgrund der vom Motor erzeugten Wärme ausdehnt. Darüber hinaus nimmt man an, dass sich ein Ventilelement, das innerhalb des Ventilkörpers arbeitet, aufgrund des Kontakts mit dem relativ kühlen Kraftstoff zusammenzieht. Wenn ein längenveränderlicher Aktuator-Stapel zum Öffnen und Schließen eines Einspritzventilelements verwendet wird, nimmt man an, dass die thermischen Schwankungen im Ventilelement zu Bewegungen führen können, die als ein unzureichender Öffnungshub oder ein unzureichender Schließhub eingeordnet werden können. Man geht davon aus, dass das mit den niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten des längenveränderlichen Aktuators im Vergleich zu den Wärmeausdehnungskoeffizienten der anderen Komponenten der Kraftstoffeinspritzdüse oder des Motors zusammenhängt. Man nimmt beispielsweise an, dass ein Unterschiedsbetrag bei der thermischen Ausdehnung des Gehäuses und beim Aktuator-Stapel größer als der Hub des Aktuator-Stapels sein kann. Daher geht man davon aus, dass jedes Zusammenziehen oder Ausdehnen eines Ventilelements eine deutliche Auswirkung auf den Betrieb der Kraftstoffeinspritzdüse haben kann.
Man nimmt an, dass es einen Bedarf gibt, eine thermische Kompensation bereitzustellen, die diese Nachteile herkömmlicher Verfahren überwindet.
Die Deutsche Patentschrift DE 198 58 476 beschreibt eine Kraftstoffeinspritzdüse mit einer thermischen Kompensation.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung umfasst einen hydraulischen Kompensator für einen längenveränderlichen Aktuator, der erste und zweite Enden aufweist, wobei der hydraulische Kompensator Folgendes umfasst: einen Körper mit einem ersten Körper-Ende und einem zweiten Körper-Ende, die sich entlang einer Längsachse erstrecken, wobei der Körper eine der Längsachse zugewandte Körperinnenoberfläche aufweist; einen ersten Kolben, der in dem Körper nahe dem ersten oder dem zweiten Körper-Ende angeordnet ist, wobei der erste Kolben eine erste Fläche mit einem ersten Flächeninhalt aufweist; ein erstes Abdichtelement, das mit dem ersten Kolben und benachbart zur inneren Oberfläche des Körpers verbunden ist; einen zweiten Kolben, der in dem Körper entfernt vom ersten Kolben angeordnet ist, wobei der zweite Kolben eine zweite Fläche mit einem zweiten Flächeninhalt aufweist; ein zweites Abdichtelement, das mit dem zweiten Kolben und benachbart zu der inneren Oberfläche des Körpers verbunden ist; ein Distanzstück, das zwischen dem ersten Kolben und dem zweiten Kolben in dem Körper angeordnet ist; wobei das Distanzstück ein erstes Distanzstück-Ende und ein zweites Distanzstück-Ende aufweist, die eine Fluidverbindung zueinander haben, wobei das erste Distanzstück-Ende einer der ersten oder der zweiten Fläche gegenüberstehend angeordnet ist, so dass ein erstes Fluidreservoir in dem Körper gebildet wird, wobei das zweite Distanzstück-Ende der anderen der ersten und der zweiten Fläche gegenüberstehend angeordnet ist, so dass ein zweites Fluidreservoir in dem Körper gebildet wird; und ein Ventil, das in einem ersten oder zweiten Reservoir angeordnet ist, wobei das Ventil auf den ersten Fluiddruck in dem ersten Fluidreservoir oder auf den zweiten Fluiddruck in dem zweiten Fluidreservoir anspricht, damit ein Fluss von dem ersten oder dem zweiten Fluidreservoir zu dem jeweils anderen des ersten und zweiten Fluidreservoirs fließen kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die begleitenden Zeichnungen, die hier einbezogen sind und einen Teil dieser Spezifikationen bilden, veranschaulichen die derzeit bevorzugten Ausführungsformen und dienen zusammen mit der obigen allgemeinen Beschreibung und der weiter unten gegebenen detaillierten Beschreibung der Erklärung der Merkmale der Erfindung.
1 ist eine Querschnittsansicht einer Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung mit einem längenveränderlichen Aktuator-Stapel und einer Kompensatoreinheit der bevorzugten Ausführungsform.
2 ist eine vergrößerte Ansicht der Kompensatoranordnung von 1
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Mit Bezug auf die 1 und 2 wird eine bevorzugte Ausführungsform gezeigt. 1 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform einer Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung 10 mit einem längenveränderliche Aktuator-Stapel 100 und einer Kompensatoranordnung 200. Die Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung 10 enthält ein Einlassfitting 12, einen Federvorspanneinsteller 13, ein Einspritzdüsengehäuse 14 und einen Ventilkörper 16. Das Einlassfitting 12 enthält ein Kraftstofffilter 11, die Kraftstoffdurchgänge 18, 20 und 22 und einen Kraftstoffeinlass 24, der mit einem (nicht gezeigten) Kraftstoffvorratsbehälter verbunden ist. Das Einlassfitting 12 beinhaltet außerdem ein Einlassende-Element 28, das mit dem mit einem Gewinde versehenen Einsteller 13 verbunden ist. Der Kompensator 200 weist zwei Fluidreservoirs auf, die mit einem Fluid 36 gefüllt sind. Das Fluid 36 kann ein im Wesentlichen inkompressibles Fluid sein, das auf Temperaturänderungen durch Änderungen seines Volumens reagiert. Bei dem Fluid 36 handelt es sich vorzugsweise um Silikon oder einen anderen Fluidtyp, dessen Wärmeausdehungskoeffizient höher als der des Einspritzdüseneinlassfittings 12, des Gehäuses 14 oder anderer Komponenten der Kraftstoffeinspritzdüse ist.
Das Einspritzdüsengehäuse 14 umschließt bei der bevorzugten Ausführungsform einen längenveränderlichen Aktuator-Stapel 100 und die Kompensatoranordnung 200. Der Ventilkörper 16 ist fest mit dem Einspritzdüsengehäuse 14 verbunden und umschließt ein Ventilschließelement 40. Der längenveränderliche Aktuator-Stapel 100 enthält eine Vielzahl von längenveränderlichen Elementen, die über Kontaktstifte (nicht gezeigt) angesteuert werden können, die elektrisch mit einer Spannungsquelle verbunden sind. Wenn an die Kontaktstifte (nicht gezeigt) eine Spannung angelegt wird, dehnt sich der längenveränderliche Aktuator-Stapel 100 in Längsrichtung aus. Typischerweise dehnt sich der längenveränderliche Aktuator-Stapel 100 unter Last beispielsweise um einen Betrag in der Größenordnung von etwa 30 bis 50 μm aus. Die Ausdehnung in Längsrichtung kann zum Betätigen des Einspritzdüsen-Ventilschließelements 40 für die Kraftstoffeinspritzanordnung 100 verwendet werden.
Der längenveränderliche Aktuator-Stapel 100 wird am Gehäuse 14 über ein Führungsmittel 110 entlanggeführt. Ein erstes Ende des längenveränderlichen Aktuator-Stapels 100 steht über das Bodenelement 44 funktionsmäßig in Kontakt mit einem Schließende 42 des Ventilschließelements 40, und das zweite Ende des Aktuator-Stapels 100 steht über das Deckelement 46 funktionsmäßig in Kontakt mit der Kompensatoranordnung 200.
Die Kraftstoffeinspritzanordnung 100 enthält des Weiteren eine Feder 48, eine Federscheibe 50, einen Halter 52, eine Buchse 54, einen Ventilschließelement-Sitz 56, einen Faltenbalg 58 und einen O-Ring 60. Bei dem O-Ring handelt es sich vorzugsweise um einen O-Ring, der vom Kraftstoff nicht angegriffen wird und der auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen (–40°C oder darunter) und bei hohen Temperaturen (140°C oder darüber) funktionsfähig bleibt.
Mit Bezug auf 2 enthält die Kompensatoranordnung 200 einen Körper 210, der einen ersten Kolben 220, einen Ventildistanzstückabschnitt 230, einen zweiten Kolben 240 und ein elastisches Element bzw. eine Feder 260 umschließt. Der Körper 210 kann eine beliebige geeignete Querschnittsform haben, die einen Passsitz mit dem ersten und dem zweiten Kolben bereitstellt, z.B. oval, quadratisch, rechteckig oder irgendein geeignetes Polygon. Vorzugsweise hat der Körper einen kreisförmigen Querschnitt und bildet dementsprechend einen zylindrischen Körper.
Der erste Kolben 220 weist eine erste Fläche 222 auf, die dem Ventildistanzstückabschnitt 230 gegenüberliegend angeordnet ist und somit ein erstes Fluidreservoir bildet. Die erste Fläche 222 kann konisch, kegelstumpfförmig oder vorzugsweise eine ebene Oberfläche sein, die einen ersten Flächeninhalt aufweist.
Eine äußere Umfangsfläche 228 des ersten Kolbens 220 ist so dimensioniert, dass sie einen engtolerierten Sitz mit der inneren Oberfläche 212 des Körpers bildet. Der erste Kolben enthält ein Abdichtelement, vorzugsweise ein Elastomer 214, das in einer Nut 229 des Außenumfangs des zweiten Kolbens 240 angeordnet ist, so dass allgemein ein Entweichen des Fluids 36 verhindert wird. Das Elastomer 214 ist vorzugsweise ein O-Ring. Alternativ kann das Elastomer 214 ein O-Ring von nichtkreisförmigem Querschnitt sein. Es können auch andere Typen von Elastomer-Dichtungen eingesetzt werden, beispielsweise eine Labyrinthdichtung. Außerdem könnte eine Nut in der Körperinnenfläche 212 anstelle der Nut in der Außenumfangsfläche 228 angebracht sein.
Der Ventildistanzstückabschnitt 230 enthält eine erste Distanzstückfläche 232, eine zweite Distanzstückfläche 234, einen Durchflusskanal 236, der mit einer Drosselstelle 237 verbunden ist, so dass eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Fluidreservoir und dem zweiten Fluidreservoir 34 möglich ist.
Obwohl die Drosselstelle 237 in einer bevorzugten Ausführungsform verwendet wird, um den Fluiddruck des zum ersten Fluidreservoirs fließenden Fluids zu reduzieren, kann die Drosselstelle 237 entfallen, wenn der Durchflusskanal 236 über die gesamte Länge des Distanzstücks 230 ausgedehnt wird.
Die erste Distanzstückfläche 232 weist eine Vielzahl von Taschen oder Kanälen 238a, 238b auf, die auf einer Oberfläche gebildet werden, die in Bezug auf die Längsachse A-A vorzugsweise quer angeordnet ist. Die Taschen oder Kanäle können eine geeignet Form haben, z.B. zylindrisch, quadratisch oder rechteckig. Vorzugsweise haben die Taschen oder Kanäle 238a und 238b eine zylindrische Form.
Das Distanzstück 230 kann durch ein geeignetes Verfahren wie z.B. eine Feder/Nut-Verbindung mit dem Körper verbunden werden. In einer bevorzugten Ausführungsform sind das Distanzstück 230 und die innere Oberfläche 249 des Körpers 210 mit zueinander passenden Gewinden versehen, so dass das Distanzstück in den Körper eingeschraubt werden kann. Es sind ebenfalls vorzugsweise zwölf Taschen oder Kanäle auf der Fläche des ersten Distanzstücks 232 ausgebildet.
Ein zweiter Kolben 240 enthält eine zweite Fläche 242, die der zweiten Distanzstückfläche 234 gegenüberliegend angeordnet ist und somit ein zweites Fluidreservoir 34 bildet. Die zweite Fläche 242 kann konisch, kegelstumpfförmig oder vorzugsweise eine ebene Oberfläche mit einem zweiten Flächeninhalt sein, der in etwa der gleiche wie der erste Flächeninhalt des ersten Kolbens ist. Der zweite Kolben 240 enthält ebenfalls ein Abdichtelement, vorzugsweise ein Elastomer 246, das in einer Nut 248 des Außenumfangs des zweiten Kolbens 240 angeordnet ist, so dass allgemein ein Entweichen des Fluids 36 aus dem zweiten Fluidreservoir 34 verhindert wird. Das Elastomer 246 ist vorzugsweise ein O-Ring. Alternativ kann das Elastomer 246 ein O-Ring von nichtkreisförmigem Querschnitt sein. Es können auch andere Typen von Elastomer-Dichtungen eingesetzt werden, beispielsweise eine Labyrinthdichtung. Alternativ kann auch eine Nut in der Körperinnenoberfläche 212 mit einem darin angeordneten Abdichtelement vorgesehen werden.
Ein Federelement 260 spannt den zweiten Kolben 240 in Richtung des Auslass-Endes der Einspritzdüse vor. Zum Einfüllen des Fluids 36 in den Körper 210 ist der Kolben 240 mit einem Füllstopfen 38 verbunden. Der Füllstopfen 38 ist vorzugsweise mit dem Kolben 220 durch das komplementäre Schraubengewinde 239 verbunden, die auf dem zweiten Kolben 240 und dem Füllstopfen 38 angebracht sind.
Ein druckempfindliches Ventil ist in dem ersten Fluidreservoir 32 angeordnet, so dass Fluid in Abhängigkeit vom Druckabfall am druckempfindlichen Ventil in einer Richtung fließen kann. Bei dem druckempfindlichen Ventil kann es sich z.B. um ein Rückschlagventil oder ein Einweg-Ventil handeln. Das druckempfindliche Ventil ist vorzugsweise eine flexible dünne, scheibenförmige Platte 270 mit einer glatten Oberfläche, die der ersten Fläche 222 gegenüberliegend angeordnet ist.
Die Platte 270 ist zwischen dem Distanzstück 230 und einem hervorstehenden Abschnitt 311 (boss portion) angeordnet. Die Platte 270 kann an der Fläche 232 des Distanzstücks 230 mittels eines geeigneten Verbindungsverfahrens befestigt werden, z.B. durch Kleben, Crimpen, Punktschweißen oder Laser-Schweißen. Die Fläche 232 des Distanzstücks 230 wird vorzugsweise verwendet, um die Platte 270 zwischen der Fläche 232 und einem hervorstehenden Abschnitt 311 des Körpers 210 zu halten, indem das Distanzstück 230 in den Körper 210 hineingeschraubt wird, um die Platte 270 an ihrem Platz zu halten.
Da die Platte 270 eine glatte Oberfläche auf der dem ersten Kolben 220 benachbarten Seite aufweist, die eine dichtende Oberfläche mit der ersten Distanzstückfläche 232 bildet, funktioniert die Platte 270 als druckempfindliches Ventil, so dass ein Fluss zwischen eine ersten Fluidreservoir 32 und einem zweiten Fluidreservoir 34 immer dann erfolgen kann, wenn der Druck im ersten Fluidreservoir 32 geringer als der Druck im zweiten Fluidreservoir 34 ist. Das bedeutet, dass die glatte Oberfläche der Platte 270 immer dann angehoben wird, wenn zwischen den beiden Reservoirs eine Druckdifferenz besteht, so dass Fluid zu den Kanälen oder Taschen 238a, 238b fließen kann. Es ist zu beachten, dass die Platte hier eine Dichtung bildet, um einen Fluss als Funktion der Druckdifferenz anstatt einer Kombination des Fluiddrucks und der Federkraft (wie es bei Kugelrückschlagventilen der Fall ist) zu verhindern, um das Rückschlagventil gegen den Fluss verschlossen zu halten. Das druckempfindliche Ventil bzw. die Platte 270 enthält in ihre Oberfläche ausgebildete Durchgangslöcher 278a und 278b. Das Loch kann beispielsweise eine quadratische, kreisförmige oder irgendeine für ein Durchgangsloch geeignete Form haben. Vorzugsweise sind in der Platte zwölf Löcher ausgebildet, wobei jedes Loch einen Durchmesser von etwa 1,0 mm aufweist. Ebenfalls vorzugsweise weist jeder der Kanäle oder Taschen 238a, 238b eine Öffnung auf, die etwa die gleiche Form und den gleichen Querschnitt wie jedes der Löcher 278a und 278b aufweist.
Da die Platte 270 ein sehr geringe Masse hat und flexibel ist, spricht sie sehr rasch auf ein ankommendes Fluid an, indem sie in Richtung des ersten Kolbens 220 abhebt, so dass das nicht durch die Platte hindurchgetretene Fluid zu dem Volumen der hydraulischen Unterlage (hydraulic shim) hinzukommt. Die Platte 270 nähert sich in der offenen Position (nicht gezeigt) einem Abschnitt einer sphärischen Form an, da sie ein Fluidvolumen hereinzieht, das sich noch unter der Platte 270 und in dem Durchgang 236 befindet. Das zusätzliche Volumen kommt dann zu dem Unterlage-Volumen (shim volume) hinzu, dessen zusätzliches Volumen sich jedoch noch auf der Seite des ersten Reservoirs der Abdichtoberfläche befindet. Einer der vielen Vorteile der Platte 270 besteht darin, dass Druckpulsationen durch das zusätzliche Volumen von Hydraulikfluid, das zu der hydraulischen Unterlage in dem ersten Reservoir hinzukommt, rasch gedämpft werden. Das liegt daran, dass die Aktivierung der Einspritzdüse ein sehr dynamischer Vorgang ist und der Übergang zwischen inaktiv-aktiv-inaktiv Trägheitskräfte hervorruft, die Druckschwankungen in der hydraulischen Unterlage bewirken. Da bei der hydraulischen Unterlage ein freier Eingangsfluss und ein gedrosselter Ausgangsfluss des Hydraulikfluids stattfinden, werden Schwingungen rasch gedämpft.
Den Durchmesser des Durchgangslochs oder der Öffnung 278a oder 278b kann man sich als den effektiven Lochdurchmesser der Platte anstelle der Hubhöhe der Platte 270 vorstellen, da sich die Platte 270 einem Abschnitt einer sphärischen Form annähert, wenn sie von der ersten Distanzstückfläche 232 weg abhebt. Die Anzahl der Löcher und der Durchmesser jedes Lochs bestimmen darüber hinaus die Steifheit der Platte 270, die bei der Bestimmung des Druckabfalls an der Platte 270 entscheidend ist. Der Druckabfall sollte vorzugsweise im Vergleich zu den Druckschwankungen im ersten Reservoir 32 des Kompensators gering sein. Wenn sich die Platte 270 etwa 0,1 mm abgehoben hat, kann angenommen werden, dass die Platte 270 weit offen ist und damit einen ungedrosselten Fluss in das erste Reservoir 32 freigibt. Durch die Fähigkeit, ungedrosselten Fluss in die hydraulische Unterlage zuzulassen, wird ein spürbarer Druckabfall im Fluid verhindert. Es wird davon ausgegangen, dass dies von Wichtigkeit ist, da bei einem nennenswerten Druckabfall das im Fluid gelöste Gas austritt und Blasen bildet. Das ist auf den Dampfdruck des Gases zurückzuführen, der den verringerten Druck des Fluids übersteigt (d.h., einige Fluid-Arten nehmen Luft auf, so wie Schwamm Wasser aufnimmt, was zur Folge hat, dass sich das Fluid wie ein kompressibles Fluid verhält). Die entstandenen Blasen wirken wie kleine Federn, wodurch der Kompensator „weich" oder „schwammig" wird. Wenn diese Blasen erst einmal entstanden sind, ist es schwierig, sie wieder im Fluid aufzulösen. Der Kompensator ist vorzugsweise von der Konstruktion so ausgelegt, dass er zwischen etwa 2 und 7 bar arbeitet, und es wird davon ausgegangen, dass der Druck der hydraulischen Unterlage nicht merklich unter den Atmosphärendruck fällt. Folglich ist das Entgasen der Fluid- und der Kompensatordurchgänge nicht so kritisch wie es ohne die Platte 270 wäre. Die Platte 270 ist vorzugsweise etwa 0,1 mm dick, und ihr Flächeninhalt beträgt etwa 88 mm². Um eine gewünschte Flexibilität der Platte 270 beizubehalten, ist darüber hinaus eine Anordnung von ca. zwölf Löchern von Vorteil, wobei jedes Loch einen Querschnitt von etwa 0,8 mm² aufweist und sich die Dicke der Platte vorzugsweise aus der Quadratwurzel aus dem Flächeninhalt, dividiert durch etwa 94, ergibt.
Die Feder 260 kann gegen den eingeschraubten Einsteller 13 (und auch das Endelement 28) drücken, um den zweiten Kolben 240 in Richtung Auslass der Einspritzdüse zu schieben. Durch die Federkraft wird ein Druck im Fluid 36 erhöht, der gegen die zweite Fläche 242 des zweiten Kolbens 240 wirkt. In einem Anfangszustand wird das Hydraulikfluid 36 in Abhängigkeit von der Federkraft der Feder 260 und dem Flächeninhalt der zweiten Fläche 242 unter Druck gesetzt. Wenn der Druck in dem ersten Fluidreservoir geringer als der Druck in dem zweiten Reservoir ist, hat das unter Druck stehende Fluid das Bestreben, in das erste Reservoir 32 und das zweite Reservoir 34 hinein- und aus ihnen herauszufließen. Wenn der Druck im ersten Reservoir 32 geringer als der Druck im zweiten Reservoir 34 ist, wie es z.B. in einem Anfangszustand der Fall ist, tritt die Klappe oder Platte 270 in Aktion, damit das Fluid 36 in das erste Reservoir 32 fließen kann. Das Fluid 36, das in dem ersten Reservoir 32 eine hydraulische Unterlage bildet, neigt aufgrund einer Temperaturzunahme in und um den Kompensator herum dazu, sich auszudehnen. Vor einer Ausdehnung des Fluids im ersten Reservoir 32 wird letzteres durch die zweite Fläche 242 und die Federkraft der Feder 260 vorgespannt, wodurch eine hydraulische Unterlage entsteht. Vorzugsweise beträgt die Federkraft der Feder 260 etwa 30 bis 70 N.
Der Kraftvektor „F_out" (d.h. eine Richtung und einen Betrag aufweisend) des sich zum ersten Stapel hin bewegenden ersten Kolbens 220 ist folgendermaßen definiert Fout = (Fspring ± Fseal246)·(Ashim32/A2ndReservoir34) ± Fseal214 wobei:

F_out: = eine angelegt Kraft ist (an den Piezo-Stapel)
F_spring: = Federkraft (30 bis 70N)
A_shim32: = Fläche über dem Kolben (hydraulische Unterlage oder erstes Fluidreservoir 32)
A_{2ndReservoir34}: = Fläche unter dem zweiten Kolben (Zweites Fluidreservoir 34)
F_seal246: = Dichtreibungskraft der Abdichtung 246
F_seal214: = Dichtreibungskraft der Abdichtung 214.

Bei der Feder 260 handelt es sich vorzugsweise um eine Spiralfeder. Hier steht der Druck im Fluid mit mindestens einer Federeigenschaft der Spiralfeder im Zusammenhang. In der gesamten vorliegenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass zu der mindestens einen Federcharakteristik beispielsweise die Federkonstante, die freie Federweglänge, der Betrag der vom Einsteller 13 hervorgerufenen Vorspannung und der Elastizitätsmodul der Feder gehören können. Jede der Federcharakteristiken kann aus diversen Kombinationen mit (einer) anderen oben erwähnten Federcharakteristik(en) ausgewählt werden, um ein gewünschtes Ansprechverhalten der Kompensatoranordnung zu erreichen.
Mit Bezug auf 1 wird im Betrieb der Kraftstoffeinspritzdüse 100 Kraftstoff am Kraftstoffeinlass 24 aus einem Kraftstoffvorratsbehälter (nicht gezeigt) eingeführt. Kraftstoff am Kraftstoffeinlass 24 passiert ein Filter 11, einen Durchgang 18, einen Durchgang 20, ein Kraftstoffrohr 22 und kommt heraus durch einen Kraftstoffauslass 62, wenn das Ventilschließelement 40 in eine Offen-Stellung bewegt wird.
Damit Kraftstoff aus dem Kraftstoffauslass 62 austreten kann, wird an den längenveränderlichen Aktuator-Stapel 100 eine Spannung angelegt, woraufhin sich dieser ausdehnt. Durch die Ausdehnung des längenveränderlichen Aktuator-Stapels 100 wird das Bodenelement 44 gegen das Ventilschließelement 40 geschoben, so dass Kraftstoff aus dem Kraftstoffauslass 62 austreten kann. Nachdem Kraftstoff durch den Kraftstoffauslass 62 gespritzt wurde, wird die Spannung an dem längenveränderlichen Aktuator-Stapel 100 abgeschaltet, und das Ventilschließelement 40 kehrt unter der Einwirkung der Feder 48 zurück und schließt den Kraftstoffauslass 62. Insbesondere zieht sich der längenveränderliche Aktuator- Stapel 100 beim Abschalten der Spannung zusammen, und die Vorspannung der Feder 48, die das Ventilschließende 42 in ständigem Kontakt mit dem Bodenelement 44 hält, bewirkt auch, dass das Ventilschließende 40 in die Geschlossen-Stellung gebracht wird.
Wenn der Motor läuft und die Temperatur im Motor ansteigt, dehnen sich das Einlassfitting 12, das Einspritzdüsengehäuse 14 und der Ventilkörper 16 infolge der zunehmenden Temperatur thermisch aus, während der längenveränderliche Aktuator-Stapel nur eine unwesentliche thermische Ausdehnung erfährt. Wenn am Aktuator 100 keine Spannung anliegt, kühlt der durch das Kraftstoffrohr 22 und durch den Kraftstoffauslass 62 fließende Kraftstoff gleichzeitig die inneren Komponenten der Kraftstoffeinspritzanordnung 100 und bewirkt ein thermisches Zusammenziehen des Ventilschließelements 40.
Mit Bezug auf 1 hat das Bodenelement 44 die Neigung, sich von seinem Berührungspunkt mit dem Ventilschließende 42 zu trennen, wenn sich das Ventilschließelement 40 zusammenzieht. Der längenveränderliche Aktuator-Stapel 100, der funktionsmäßig mit der Bodenoberfläche des ersten Kolbens 220 verbunden ist, wird anfangs infolge des durch die auf den zweiten Kolben mit einer Kraft F_out einwirkenden Feder 260 druckbeaufschlagten Fluids nach unten geschoben. Durch die Zunahme der Temperatur dehnen sich das Einlassfitting 12, das Einspritzdüsengehäuse 14 und der Ventilkörper 16 relativ zum Aktuator-Stapel 100 aus, aufgrund des im Allgemeinen im Vergleich zu dem beim Aktuator-Stapel höheren volumetrischen Wärmeausdehungskoeffizienten β. Diese Bewegung des ersten Kolbens wird auf den Aktuator-Stapel 100 durch einen Deckelelement 46 übertragen, wobei diese Bewegung die Position des Bodenelements 44 des Stapels relativ zum Verschließ-Ende 42 konstant hält. Es ist zu beachten, dass bei den bevorzugten Ausführungsformen der Wärmeausdehnungskoeffizient β des Hydraulikfluids 36 größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient β des Aktuator-Stapels ist. Hier kann die Kompensatoranordnung konfiguriert werden, indem mindestens ein Hydraulikfluid mit einem gewünschten Koeffizienten β und ein vorgegebenes Volumen an Fluid in dem ersten Reservoir so ausgewählt werden, dass eine Differenz der Ausdehnungsraten des Kraftstoffeinspritzdüsengehäuses und des Aktuator-Stapels 100 durch die Ausdehnung des Hydraulikfluids 36 in dem ersten Reservoir kompensiert wird.
Wenn eine Spannung an den Aktuator-Stapel 100 angelegt wird, steigt der Druck im ersten Reservoir 32 schlagartig an, und die Platte 270 legt sich dichtend gegen die erste Distanzstückfläche 232. Das stoppt den Fluss des Hydraulikfluids 36 aus dem ersten Fluidreservoir zur Drosselstelle 237 und dem Durchgang 236. Aufgrund der praktischen Inkompressibilität von Flüssigkeiten wird das Fluid 36 in dem ersten Reservoir 32 zu einem steifen Widerlager, d.h. einer Unterlage (shim), gegen die der Aktuator 100 drücken kann. Es wird angenommen, dass die Steifheit der Unterlage teilweise der praktischen Inkompressibilität des Fluids und der Blockierung des Flusses aus dem ersten Reservoir 32 heraus durch die Platte 270 zuzuschreiben ist. Wenn der Aktuator-Stapel 100 hier in einem unbelasteten Zustand aktiviert wird, dehnt er sich um etwa 60 μm aus. Bei einer Installation gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird eine Hälfte des Ausdehnungsbetrages (etwa 30 μm) durch verschiedene Komponenten in der Kraftstoffeinspritzdüse absorbiert. Die verbleibende Hälfte der Gesamtausdehnung des Stapels (etwa 30 μm) wird zur Auslenkung des Schließelements 40 verwendet. Somit kann angenommen werden, dass eine Auslenkung des Aktuator-Stapels 100 beim Anlegen einer Spannung auch nach einer gewissen Zeit konstant bleibt und somit der Öffnungsgrad der Kraftstoffeinspritzdüse der gleiche bleibt.
Wenn an dem Aktuator 100 keine Spannung anliegt, fließt Fluid 36 zwischen dem ersten Fluidreservoir und dem zweiten Fluidreservoir unter Beibehaltung derselben Vorspannkraft F_out. Die Kraft F_out ist eine Funktion der Feder 260, der Reibungskraft aufgrund der Dichtungen 214, 246 und des Flächeninhalts jedes Kolbens. Es wird folglich davon ausgegangen, dass das Bodenelement 44 des Aktuator-Stapels 100 in konstantem Kontakt mit der Berührungsoberfläche des Ventilschließendes 42 unabhängig von der Ausdehnung oder dem Zusammenziehen der Komponenten der Kraftstoffeinspritzdüse gehalten wird.
Die Kompensatoranordnung 200 wurde zwar in Kombination mit einem längenveränderlichen Aktuator für eine Kraftstoffeinspritzdüse gezeigt, es sollte jedoch klar sein, dass jede Art von die Länge ändernden Aktuatoren, z.B. ein elektroresistiver, ein magnetorestriktiver oder ein Halbleiter-Aktuator, mit der Kompensatoranordnung 200 verwendet werden kann. Hier kann der die Länge verändernde Aktuator auch einen normalerweise abgeschalteten Aktuator beinhalten, dessen Länge zunimmt, wenn er eingeschaltet wird. Umgekehrt ist der längenveränderliche Aktuator auch dort einsetzbar, wo der Aktuator normalerweise eingeschaltet ist und abgeschaltet wird, um ein Zusammenziehen in Längsrichtung zu bewirken (anstelle einer Ausdehnung). Es sollte darüber hinaus betont werden, dass die Kompensatoranordnung 200 und der längenveränderliche Halbleiter-Aktuator nicht auf Anwendungen mit Kraftstoffeinspritzdüsen beschränkt sind, vielmehr können sie bei anderen Anwendungen eingesetzt werden, die einen geeigneten präzisen Aktuator erfordern, z.B. – um nur einige zu nennen – bei Schaltern, bei einem optischen Lese/Schreib-Aktuator oder bei medizinischen Einheiten zur Fluidabgabe.

Claims

Hydraulischer Kompensator (200) für einen längenveränderlichen Aktuator (100), wobei der längenveränderliche Aktuator erste und zweite Enden aufweist, wobei der hydraulische Kompensator Folgendes umfasst: einen Körper (216) mit einem ersten Körper-Ende und einem zweiten Köper-Ende, die sich entlang einer Längsachse erstrecken, wobei der Körper eine zur Längsachse weisende Körperinnenfläche aufweist; einen ersten Kolben (220), der im Körper nahe einem ersten Körper-Ende oder einem zweiten Körper-Ende angeordnet ist, wobei der erste Kolben eine erste Fläche (222) mit einem ersten Flächeninhalt aufweist; ein erstes Abdichtmittel (214), das mit dem ersten Kolben und benachbart zur Körperinnenfläche verbunden ist; einen zweiten Kolben (240), der im Körper entfernt vom ersten Kolben angeordnet ist, wobei der zweite Kolben eine zweite Fläche (242) mit einem zweiten Flächeninhalt enthält; ein zweites Abdichtmittel (246), das mit dem zweiten Kolben und benachbart zur Körperinnenfläche verbunden ist; ein Distanzstück (230), das zwischen dem ersten Kolben und dem zweiten Kolben in dem Körper angeordnet ist, wobei das Distanzstück ein erstes Distanzstück-Ende und ein zweites Distanzstück-Ende in Fluidverbindung miteinander aufweist, wobei das erste Distanzstück-Ende der ersten Fläche oder der zweiten Fläche gegenüberliegend angeordnet ist, so dass ein erstes Fluidreservoir in dem Körper gebildet wird, und wobei das zweite Distanzstück-Ende der jeweils anderen ersten Fläche oder zweiten Fläche gegenüberliegend angeordnet ist, so dass ein zweites Fluidreservoir im Körper gebildet wird; und ein Ventil (270), das in dem ersten oder dem zweiten Fluidreservoir angeordnet ist, wobei das Ventil auf den ersten Fluiddruck in dem ersten Fluidreservoir oder auf den zweiten Fluiddruck in dem zweiten Fluidreservoir anspricht, damit ein Fluss von dem ersten oder dem zweiten Fluidreservoir zu dem entsprechenden anderen ersten oder zweiten Fluidreservoir fließen kann.
Kompensator nach Anspruch 1, wobei das erste Abdichtelement (214) einen O-Ring umfasst, der in einer in der Umfangsoberfläche des ersten Kolbens ausgearbeiteten Nut so angeordnet ist, dass sich der O-Ring benachbart zur Körperinnenfläche befindet.
Kompensator nach Anspruch 1, wobei das zweite Abdichtelement (246) einen O-Ring umfasst, der in einer in der Umfangsoberfläche des zweiten Kolbens ausgearbeiteten Nut so angeordnet ist, dass sich der O-Ring benachbart zur Körperinnenoberfläche befindet.
Kompensator nach Anspruch 1, der des Weiteren einen Fluiddurchgang (238) umfasst, der in dem Distanzstück vorgesehen ist, wobei der Fluiddurchgang mit dem Ventil verbunden ist, so dass eine Fluidverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidreservoir möglich ist.
Kompensator nach Anspruch 1, wobei der erste Kolben einen ersten Flächeninhalt in Kontakt mit dem Fluid umfasst, und der zweite Kolben einen zweiten Flächeninhalt in Kontakt mit dem Fluid umfasst, so dass eine resultierende Kraft auf den ersten und/oder den zweiten Kolben eine Funktion einer Federkraft, der Dichtreibkräfte und/oder einem Verhältnis des ersten Flächeninhalts zum zweiten Flächeninhalt ist.
Kraftstoffeinspritzdüse (10), wobei die Kraftstoffeinspritzdüse Folgendes umfasst: Ein Gehäuse (14) mit einem ersten Gehäuse-Ende und einem zweiten Gehäuse-Ende, die sich entlang einer Längsachse erstrecken, wobei das Gehäuse ein Endelement aufweist, das zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuse-Ende angeordnet ist; einen längenveränderlichen Halbleiter-Aktuator (100), der entlang der Längsachse angeordnet ist; ein Schließelement (40), das mit dem längenveränderlichen Aktuator verbunden ist, wobei das Schließelement zwischen einer ersten Konfiguration, bei der eine Kraftstoffeinspritzung möglich ist, und einer zweiten Konfiguration, bei der eine Kraftstoffeinspritzung unterbunden wird, bewegbar ist; und eine Kompensatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.