DE60125387T2

DE60125387T2 - Ausgleichsvorrichtung mit einer flexiblen membran und innerem füllrohr für ein einspritzventil und verfahren

Info

Publication number: DE60125387T2
Application number: DE60125387T
Authority: DE
Inventors: R. Jack Harrisburg LORRAINE; Andreas Kappel; Enrico Ulivieri; Bernhard Gottlieb; Bernhard Fischer
Original assignee: Siemens VDO Automotive Corp
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 2000-10-11
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2021-10-12
Also published as: EP1325227A1; EP1325229B1; JP3828490B2; JP2004511701A; WO2002031349A1; JP4052383B2; US6676035B2; JP3953421B2; EP1325226B1; JP3958683B2; US20020139863A1; EP1325225A1; DE60129830T2; DE60121352D1; US20020134851A1; EP1325224A1; JP2004511700A; DE60125207D1; US20020139864A1; DE60125387D1

Description

Diese Patentanmeldung beansprucht die Vorteile der vorläufigen Patentanmeldung SN 60/239.290, eingereicht am 11. Oktober 2000.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein sich in der Länge ändernde elektromechanische Festkörperaktoren wie zum Beispiel einen Aktor auf Basis einer elektrischen oder magnetischen Drossel oder einen Festkörperaktor. Speziell betrifft die vorliegende Erfindung eine Ausgleichsvorrichtungsbaugruppe für einen sich in der Länge ändernden Aktor und spezieller eine Vorrichtung und ein Verfahren zum hydraulischen Ausgleich eines piezoelektrisch betätigten Hochdruck-Kraftstoffeinspritzventils für Kraftmaschinen mit innerer Verbrennung.
Hintergrund der Erfindung
Ein bekannter Festkörperaktor umfasst eine Keramikstruktur, deren axiale Länge sich durch Anlegen einer Betriebsspannung oder eines Magnetfelds ändern kann. Es wird davon ausgegangen, dass die axiale Länge sich bei typischen Anwendungen um beispielsweise etwa 0,12 % ändern kann. Es wird davon ausgegangen, dass sich bei einer Stapelanordnung von piezoelektrischen Elementen eines Festkörperaktors die Änderung der axialen Länge als Funktion der Zahl der Elemente im Aktor vergrößert. Wegen der Art des Festkörperaktors wird davon ausgegangen, dass das Anlegen einer Spannung zu einer sofortigen Ausdehnung des Aktors und zu einer sofortigen Bewegung jedes Bauteils führt, das mit dem Aktor verbunden ist. Es wird davon ausgegangen, dass im Bereich der Automobilindustrie, insbesondere im Bereich Kraftmaschinen mit innerer Verbrennung, ein Bedarf besteht, ein Einspritzventilelement präzise zu öffnen und zu schließen, um Kraftstoffstrahl und -verbrennung zu optimieren. Daher wird für Kraftmaschinen mit innerer Verbrennung davon ausgegangen, dass neuerdings Festkörperaktoren zum präzisen Öffnen und Schließen des Einspritzventilelements eingesetzt werden.
DE-A-19856617 beschreibt eine hydraulische Ausgleichsvorrichtung für einen sich in de Länge ändernden Aktor mit zwei Kolben, die einen fluidgefüllten Hohlraum zwischen denselben umschließen. Ein Spalt zum Füllen des Hohlraums ist so bemessen, dass ein kurzzeitiger Druckanstieg nicht ausgeglichen wird, länger andauernde Druckdifferenzen jedoch ausgeglichen werden.
Es wird davon ausgegangen, dass die Bauteile einer Kraftmaschine mit innerer Verbrennung während des Betriebs erheblichen Temperaturschwankungen unterliegen, die zu einer thermischen Ausdehnung oder Kontraktion der Motorbauteile führen. Es wird beispielsweise davon ausgegangen, dass eine Kraftstoffeinspritzventilbaugruppe einen Ventilkörper umfasst, der sich aufgrund der vom Motor erzeugten Wärme während des Betriebs ausdehnen kann. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass ein Ventilelement, das in dem Ventilkörper betätigt wird, sich aufgrund des Kontakts mit relativ kaltem Kraftstoff zusammenziehen könnte. Wenn ein Festkörperaktor für das Öffnen und Schließen eines Einspritzventilelements verwendet wird, wird davon ausgegangen, dass die Temperaturschwankungen zu Bewegungen des Ventilelements führen können, die als ein unzureichender Öffnungshub oder ein unzureichender Schließhub charakterisiert werden können. Es wird davon ausgegangen, dass dies wegen der Eigenschaft der geringen thermischen Ausdehnung des Festkörperaktors im Vergleich zu den thermischen Ausdehnungseigenschaften anderer Bauteile des Kraftstoffeinspritzventils oder Motors geschieht. Zum Beispiel wird davon ausgegangen, dass eine Differenz zwischen der thermischen Ausdehnung des Gehäuses und des Aktorstapels größer als der Hub des Aktorstapels sein kann. Daher wird davon ausgegangen, dass alle Kontraktionen oder Ausdehnungen eines Ventilelements eine erhebliche Wirkung auf die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils haben können.
Es wird davon ausgegangen, dass herkömmliche Verfahren und Vorrichtungen, die die temperaturbedingten Änderungen ausgleichen, die sich auf die Funktionsweise des Festkörperaktors auswirken, Nachteile haben, die darin bestehen, dass sie entweder nur annähernd die Längenänderung ausgleichen, dass sie nur einen Längenänderungsausgleich für den Festkörperaktor bieten, oder dass sie nur für einen engen Bereich von Temperaturänderungen die Längenänderung des Festkörperaktors in einer ausreichend genauen Näherung bewirken.
Es wird davon ausgegangen, dass Bedarf besteht, eine Temperaturausgleichsvorrichtung bereitzustellen, die die Nachteile herkömmlicher Verfahren überwindet.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt hydraulische Ausgleichsvorrichtungen, eine Kraftstoffeinspritzventil und Verfahren für den Ausgleich von thermischem Verzug eines Kraftstoffeinspritzventils gemäß den beigefügten Ansprüchen bereit.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die beigefügten Zeichnungen, die in diese Patentschrift einbezogen sind und einen Bestandteil derselben darstellen, zeigen die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der oben gegebenen allgemeinen Beschreibung und der unten gegebenen ausführlichen Beschreibung zur Erklärung der Merkmale der Erfindung.
1 ist eine Darstellung im Schnitt einer Kraftstoffeinspritzventilbaugruppe mit einem Festkörperaktor und einer Ausgleichsvorrichtungsbaugruppe einer bevorzugten Ausführungsform.
2A ist eine vergrößerte Ansicht der Vorrichtungsbaugruppe zum thermischen Ausgleich aus 1.
2B ist eine vergrößerte Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtungsbaugruppe zum thermischen Ausgleich.
3 ist eine Darstellung des druckempfindlichen Ventils aus den 2A bzw. 2B im Betrieb.
4 ist eine Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die die ineinander angeordnete Bauweise aus 2B verwendet.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Es wird auf die 1 bis 4 Bezug genommen, in denen mehrere bevorzugte Ausführungsformen einer Vorrichtungsbaugruppe zum thermischen Ausgleich dargestellt sind. Insbesondere 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eine Kraftstoffeinspritzventilbaugruppe 10, die einen Festkörperaktor aufweist, der vorzugsweise einen Festkörperaktorstapel 100 und eine Ausgleichsvorrichtungsbaugruppe 200 für den Stapel 100 umfasst. Die Kraftstoffeinspritzventilbaugruppe 10 umfasst Eintrittsanschlussstück 12, Einspritzventilgehäuse 14 und Ventilkörper 17. Das Eintrittsanschlussstück 12 umfasst einen Kraftstofffilter 16, Kraftstoffkanäle 18, 20 und 22 sowie einen Kraftstoffeintritt 24, der mit einer Kraftstoffquelle (nicht dargestellt) verbunden ist. Das Eintrittsanschlussstück 12 umfasst ferner ein Eintrittsendelement 28. Das Fluid 36 kann ein im Wesentlichen inkompressibles Fluid sein, das auf Temperaturänderungen reagiert, indem es sein Volumen ändert. Vorzugsweise ist das Fluid 36 entweder Silikon- oder eine andere Art von Hydraulikflüssigkeit, die einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als den des Eintrittsanschlussstücks 12, des Gehäuses 14 oder anderer Bauteile des Einspritzventils hat.
Bei der bevorzugten Ausführungsform umgibt das Einspritzventilgehäuse 14 den Festkörperaktorstapel 100 und die Ausgleichsvorrichtungsbaugruppe 200. Ventilkörper 17 ist fest mit dem Einspritzventilgehäuse 14 verbunden und umgibt ein Ventilschließelement 40. Der Festkörperaktorstapel 100 umfasst eine Vielzahl von Festkörperaktoren, die über Kontaktstifte (nicht dargestellt) betätigt werden können, die elektrisch an eine Spannungsquelle angeschlossen sind. Wenn eine Spannung zwischen den Kontaktstiften (nicht dargestellt) angelegt wird, dehnt der Festkörperaktorstapel 100 sich in Längsrichtung aus. Eine typische Ausdehnung des Festkörperaktorstapels 100 kann sich zum Beispiel in einer Größenordnung von etwa 30–50 μm bewegen. Die Längsausdehnung kann genutzt werden, um das Einspritzventilschließelement 40 für die Kraftstoffeinspritzventilbaugruppe 10 zu betätigen. Das heißt, die Längsausdehnung des Stapels 100 und des Schließelements 40 kann verwendet werden, um eine Durchlassweite des Kraftstoffeinspritzventils zu definieren, anders als bei einer Durchlassweite, die von einem Ventilsitz oder einer Lochscheibe definiert wird, wie bei einem herkömmlichen Kraftstoffeinspritzventil üblich.
Festkörperaktorstapel 100 wird mittels Führungen 110 entlang des Gehäuses 14 geführt. Der Festkörperaktorstapel 100 weist ein erstes Ende auf, das mittels eines Bodenelements 44 in Wirkverbindung mit einem Schließende 42 des Ventilschließelements 40 ist, und ein zweites Ende des Stapels 100 auf, das mittels eines Deckelelements 46 auf eine ein Zusammenwirken ermöglichende Weise mit der Ausgleichsvorrichtungsbaugruppe 200 verbunden ist.
Die Kraftstoffeinspritzventilbaugruppe 10 umfasst ferner eine Feder 48, eine Tellerfeder 50, ein Halteelement 52, eine Buchse 54, einen Ventilschließelementsitz 56, einen Balg 58 und einen O-Ring 60. O-Ring 60 ist vorzugsweise ein kraftstoffbeständiger O-Ring, der bei niedrigen Umgebungstemperaturen (–40°C oder darunter) und bei Betriebstemperatur (140°C und darüber) funktionsfähig bleibt.
In der vorliegenden Anmeldung werden Elemente mit vergleichbaren Merkmalen mit demselben Bezugszeichen bezeichnet und können in den 2A und 2B durch ein Hochkomma voneinander unterschieden werden. Es wird auf 2A Bezug genommen; eine Ausgleichsvorrichtungsbaugruppe 200 umfasst einen Körper 210, der ein erstes Körperende 210a und ein zweites Körperende 210b aufweist. Das zweite Körperende 210b umfasst eine Endkappe 214 mit einer Öffnung 216. Die Endkappe 214 kann ein Bereich sein, der in einem spitzen Winkel oder quer zur Längsachse A-A von der Innenfläche 213 des Körpers 210 zur Längsachse hin verlaufen kann. Alternativ kann die Endkappe 214 ein separater Bereich sein, der fest mit dem Körper 210 verbunden ist. Vorzugsweise ist die Endkappe 214 als Teil des zweiten Endes 210b des Körpers 210 ausgeführt, wobei die Endkappe 214 quer zur Längsachse A-A verläuft.
Der Körper 210 umgibt einen ersten Kolben 220, einen Teil eines Kolbenstößels bzw. Fortsatzbereichs 230, einen zweiten Kolben 240, eine flexible Membran 250 und ein elastisches Element bzw. eine Feder 260, die zwischen dem zweiten Kolben 240 und der Endkappe 214 angeordnet ist. Das erste Körperende 210a und das zweite Körperende 210b können jede geeignete Querschnittsform aufweisen, solange sie eine kraftschlüssige Verbindung mit dem ersten und dem zweiten Kolben gewährleistet, beispielsweise oval, quadratisch, rechteckig oder jede geeignete Polygonform. Vorzugsweise ist der Querschnitt des Körpers 210 kreisförmig, wodurch ein zylindrischer Körper ausgebildet wird, der entlang der Längsachse A-A verläuft. Der Körper 210 kann ferner ausgebildet werden, indem zwei separate Teile aneinander gefügt werden (2A), oder indem der Körper aus einem einzigen Materialstück hergestellt wird ( 2B), wie hier für die bevorzugten Ausführungsformen dargestellt.
Der Fortsatzbereich 230 ragt vom ersten Kolben 220 hervor, so dass er mit dem Deckelelement 46 des piezoelektrischen Stapels 100 verbunden werden kann. Vorzugsweise ist der Fortsatzbereich als eigenständiges Stück des ersten Kolbens 220 ausgebildet und durch eine Keilwellenverbindung 272 mit dem ersten Kolben 220 verbunden. Es können auch sonstige geeignete Verbindungen verwendet werden, beispielsweise ein Kugelgelenk, ein Drehgelenk oder sonstige Verbindungen, die ermöglichen, dass zwei bewegliche Teile miteinander verbunden werden. Alternativ kann der Fortsatzbereich 230 als Bestandteil des ersten Kolbens 220 aus einem Stück ausgeführt sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform (2B) ist ein separater Fortsatzbereich 230 mit einem innere Füllkanal 232 ausgeführt, der im Fortsatzbereich 230 angeordnet ist. Der Füllkanal 232 verläuft von einem ersten Füllkanalende 232a durch allgemein die gesamte Länge des Fortsatzbereichs 230 zu einem zweiten Füllkanalende 232b. Das erste Füllkanalende 232a ist im Allgemeinen eine Öffnung, deren Achse entlang derselben Achse wie die des Füllkanals 232 oder der Längsachse A-A verläuft. Das zweite Füllkanalende 232b ist im Allgemeinen eine Öffnung, die eine Achse quer zum Füllkanal oder zur Längsachse A-A aufweist. Die Füllkanal- und Öffnungsquerschnitte können eine geeignete Querschnittskontur aufweisen, wie zum Beispiel einen kreisförmigen, ovalen, quadratischen oder rechteckigen Querschnitt. Vorzugsweise haben die jeweiligen Querschnitte eine kreisförmige Form.
Einer der zahlreichen Vorteile des inneren Füllkanals 232 (oder 332) ist die Fähigkeit, die Ausgleichsvorrichtung mit einer möglichst geringen Fluidmenge zu füllen, ohne zu viel in die Ausgleichsvorrichtung zu füllen. Insbesondere kann die Vorrichtung zum thermischen Ausgleich 200, 200' bzw. 300 vollständig montiert und im Einspritzventilgehäuse 14 angeordnet sein, allerdings ohne den Aktor bzw. Stapel 100. Da das Fluid 36, vorzugsweise ein Silikonöl (Baysilone^® M350), eine Affinität zu Gas oder Luft hat, wird das teilmontierte Kraftstoffeinspritzventil danach in einer Kammer angebracht, die unter Unterdruck (etwa –28 mbar) gesetzt werden kann, um die Luft- oder Gasmenge zu minimieren, die sich im Fluid 36 lösen kann, bevor die Ausgleichsvorrichtung 200, 200' bzw. 300 mit dem Fluid 36 gefüllt wird. Wenn das Fluid 36 durch den innen liegenden Füllkanal 232 fließt, werden der erste Volumenbereich 32 und der zweite Volumenbereich mit Fluid 36 gefüllt. Da das Fluid 36 im Wesentlichen inkompressibel ist, verschiebt es den ersten Kolben 220 in Richtung des Austrittsendes. Wenn der erste Kolben 220 sich zum Austrittsende hin bewegt, kommt eine Fase 234a auf der Kolbenseite in Kontakt mit einer Fase 234b auf der Fortsatzbereichsseite, wodurch eine Dichtung 234 ausgebildet wird, die den Austritt oder Eintritt von Fluid 36 aus der bzw. in die Ausgleichsvorrichtung verhindert. Der Stapel 100 kann jetzt im Einspritzventilgehäuse 14 angebracht werden, solange noch Unterdruck herrscht. Sobald der Unterdruck abgebaut ist, weitet der erste Kolben 220 sich und legt sich dicht an den Fortsatzbereich, um einen allgemein fluiddichten Verschluss mit der Fasendichtung 234 auszubilden. Alternativ kann eine Dichtung 234 aus elastischem Kunststoff in einer Nut montiert werden, die zwischen dem ersten Kolben 220 und dem Fortsatzbereich 230 ausgebildet ist, um eine weitere Dichtung gegen Austreten des Fluids 36 bereitzustellen.
Der erste Kolben 220 ist in einer gegenüberliegenden Anordnung zum Eintrittsendelement 28 angeordnet. Eine äußere umlaufende Fläche 228 des ersten Kolbens 220 ist so dimensioniert, dass sie eine Passung mit enger Toleranz mit einer Innenfläche 212 des Körpers ausbildet, d. h. einen definierten Spalt, der eine Schmierung des Kolbens und des Körpers ermöglicht, zugleich jedoch eine hydraulische Dichtung bereitstellt, die die Menge des Fluidleckstroms durch den Spalt definiert. Der definierte Spalt zwischen dem ersten Kolben 220 und dem Körper 210 bietet einen definierten Leckstrompfad vom ersten Fluidvolumenbereich 32 zum zweiten Fluidvolumenbereich 33 und vermindert die Reibung zwischen dem ersten Kolben 220 und dem Körper 210, wodurch die Hysterese in der Bewegung des ersten Kolbens 220 minimiert wird. Es wird davon ausgegangen, dass vom Stapel 100 Seitenkräfte ausgehen, die Reibung und Hysterese vergrößern würden. Demzufolge ist der erste Kolben 220 mit dem Stapel 100 nur in die Richtung entlang der Längsachse A-A verbunden, um etwaige Seitenkräfte zu reduzieren oder sogar auszuschalten. Der Körper 210 ist vorzugsweise fest an einem ersten Ende 210a mit dem Einspritzventilgehäuse verbunden, damit er in Relation zum Einspritzventilgehäuse teilweise frei beweglich ist. Alternativ kann ermöglicht werden, dass der Körper 210 in einer axialen Richtung im Einspritzventilgehäuse frei beweglich ist. Darüber hinaus werden, da eine Feder in der Kolbenunterbaugruppe vorhanden ist, geringe oder keine Seitenkräfte oder Momente durch die Ausgleichsvorrichtungsbaugruppe 200 (200' bzw. 300) in das Einspritzventilgehäuse eingeleitet. Daher wird davon ausgegangen, dass diese Merkmale bewirken, dass ein Verzug des Einspritzventilgehäuses reduziert oder sogar verhindert wird.
Taschen oder Kanäle 228a können auf der ersten Fläche 222 ausgebildet sein, die über den Kanal 226 in Fluidaustausch mit dem zweiten Fluidvolumenbereich 33 stehen. Die Taschen 228a gewährleisten, dass etwas Fluid 36 auf der ersten Fläche 222 verbleiben kann, um als eine hydraulische „Scheibe" zu fungieren, selbst wenn sich wenig oder kein Fluid zwischen der ersten Fläche 222 und dem Endelement 28 befindet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist im ersten Volumenbereich 32 stets mindestens ein wenig Fluid vorhanden. Die erste Fläche 222 und die zweite Fläche 224 können jede geeignete Form wie zum Beispiel eine konische umlaufende Fläche, eine kegelstumpfförmige Fläche oder eine ebene Fläche aufweisen. Vorzugsweise umfassen die erste Fläche 222 und zweite Fläche 224 eine ebene Fläche quer zur Längsachse A-A.
Um zu ermöglichen, dass Fluid 36 selektiv zwischen einer ersten Fläche 222 des ersten Kolbens 220 und einer zweiten Fläche 224 des ersten Kolbens 220 zirkuliert, verläuft ein Kanal 226 zwischen der ersten und der zweiten Fläche. Erleichtert wird der Strom des Fluids 36 zwischen dem Kanal 226 und den Volumenbereichen durch einen Spalt 229, der durch einen eingezogenen Bereich 227 des ersten Kolbens 220 ausgebildet wird, der auf einer äußeren umlaufenden Fläche des Kolbens 220 angeordnet ist. Der Spalt 229 ermöglicht, dass Fluid 36 aus dem Kanal 226 und in den zweiten Volumenbereich 33 strömt.
Ein druckempfindliches Ventil ist im ersten Fluidvolumenbereich 32 angeordnet, das abhängig vom Druckabfall im druckempfindlichen Ventil einen Fluidstrom in eine Richtung ermöglicht (3). Das druckempfindliche Ventil kann beispielsweise ein Rückschlagventil oder ein Einwegventil sein. Vorzugsweise ist das druckempfindliche Ventil eine elastische Dünnscheiben-Platte 270 mit einer glatten Oberfläche, die oben auf der ersten Fläche 222 angeordnet ist.
Insbesondere fungiert die Platte 270, weil sie eine glatte Oberfläche auf der Seite aufweist, die in Kontakt mit dem ersten Kolben 220 ist und eine Dichtfläche mit der ersten Fläche 222 ausbildet, als druckempfindliches Ventil, das ermöglicht, dass immer, wenn der Druck in einem ersten Fluidvolumenbereich 32 (oder 32') niedriger als der Druck in einem zweiten Fluidvolumenbereich 33 (oder 33') ist, Fluid zwischen dem ersten Fluidvolumenbereich 32 (oder 32') und dem zweiten Fluidvolumenbereich 33 (oder 33') strömt. Das heißt, immer wenn eine Druckdifferenz zwischen den Volumenbereichen besteht, wird die glatte Oberfläche der Platte 270 angehoben, um zu ermöglichen, dass Fluid zu den Kanälen oder Taschen 228a (oder 228a') fließt. Es ist an dieser Stelle darauf hinzuweisen, dass die Platte eine Dichtung zur Verhinderung des Durchflusses als Funktion der Druckdifferenz statt einer Kombination aus Fluiddruck und Federkraft wie bei einem Kugelrückschlagventil ausbildet. Das druckempfindliche Ventil bzw. die Platte 270 umfasst Öffnungen 272a und 272b, die durch ihre Oberfläche verlaufen. Die Öffnungen können zum Beispiel quadratisch, kreisförmig oder mit jeder sonstigen geeigneten Kanalöffnungskontur ausgeführt sein. Vorzugsweise sind zwölf Öffnungen in der Platte ausgebildet, wobei jede Öffnung einen Durchmesser von etwa 1,0 mm aufweist. Ferner weist jede(r) der Kanäle bzw. Taschen 228a vorzugsweise eine Öffnung auf, die etwa dieselbe Form und denselben Querschnitt hat wie jede der Öffnungen 272a und 272b. Die Platte 270 ist vorzugsweise an die erste Fläche 222 an vier oder mehr verschiedenen Stellen am Umfang der Platte 270 angeschweißt.
Weil die Platte 270 eine sehr niedrige Masse hat und elastisch ist, reagiert sie sehr schnell mit dem einströmenden Fluid, indem sie sich zum Endelement 28 hin anhebt, so dass Fluid, das nicht durch die Platte hindurchgetreten ist, das Volumen des scheibenförmigen hydraulischen Mediums vergrößert. Die Platte 270 nähert sich der Form eines Kugelabschnitts an, wenn sie ein Fluidvolumen eintreten lässt, das sich noch unter der Platte 270 und im Kanal 226 befindet. Dieses zusätzliche Volumen wird danach dem Volumen des scheibenförmigen Mediums hinzugefügt, dessen zusätzliches Volumen sich allerdings immer noch auf der Seite des ersten Volumenbereichs der Dichtfläche befindet. Einer der vielen Vorteile der Platte 270 besteht darin, dass die Druckpulsationen schnell gedämpft werden durch das zusätzliche Volumen an Hydraulikflüssigkeit, das dem scheibenförmigen hydraulischen Medium im ersten Volumenbereich hinzugefügt wird. Ursache dafür ist, dass die Betätigung des Einspritzventils ein sehr dynamisches Ereignis ist und der Übergang zwischen inaktiv, aktiv und inaktiv Massenkräfte erzeugt, die Druckschwankungen im scheibenförmigen hydraulischen Medium hervorrufen. Das scheibenförmige hydraulische Medium dämpft die Schwingungen schnell, weil für es ein ungehindertes Zuströmen und ein beschränktes Abströmen an Hydraulikflüssigkeit besteht.
Den Kanalbohrungs- oder -öffnungsdurchmesser der Öffnungen 272a oder 272b kann man sich vorstellen als den wirksamen Öffnungsdurchmesser der Platte im Gegensatz zur Hubhöhe der Platte 270, weil die Platte 270 sich der Form eines Kugelabschnitts annähert, wenn sie sich von der ersten Fläche 222 nach oben abhebt. Darüber hinaus bestimmt die Anzahl der Öffnungen und der Durchmesser jeder Öffnung die Steifigkeit der Platte 270, die wesentlich für die Bestimmung des Druckabfalls über der Platte 270 ist. Vorzugsweise sollte der Druckabfall gering sein in Relation zu den Druckpulsationen im ersten Volumenbereich 32 der Vorrichtung zum thermischen Ausgleich. Wenn die Platte 270 sich um ungefähr 0,1 mm angehoben hat, kann davon ausgegangen werden, dass die Platte 270 weit geöffnet ist, wodurch ein ungehindertes Zuströmen in den ersten Volumenbereich 32 erfolgt. Die Möglichkeit, ein ungehindertes Zuströmen in das scheibenförmige hydraulische Medium zuzulassen, verhindert einen erheblichen Druckabfall im Fluid. Dies ist wichtig, weil im Fall eines erheblichen Druckabfalls das im Fluid gelöste Gas austritt und sich Blasen bilden. Dies geschieht, weil der Dampfdruck des Gases den reduzierten Fluiddruck übersteigt (d. h. bestimmte Flüssigkeiten nehmen Gas auf wie ein Schwamm Wasser aufnimmt, so dass das Fluid sich wie ein kompressibles Fluid verhält). Die gebildeten Blasen verhalten sich wie kleine Federn, die die Ausgleichsvorrichtung „weich" oder „schwammig" machen. Haben die Blasen sich erst einmal gebildet, ist es schwierig, sie wieder im Fluid zu lösen. Die Ausgleichsvorrichtung arbeitet vorzugsweise konstruktionsbedingt mit einem Druck von etwa 2 bar bis 7 bar und es wird davon ausgegangen, dass der Druck des scheibenförmigen hydraulischen Mediums nicht wesentlich unter den atmosphärischen Druck abfällt. Somit ist das Ausgasen aus dem Fluid und den Ausgleichsvorrichtungskanälen nicht so kritisch wie dies ohne die Platte 270 wäre. Vorzugsweise beträgt die Dicke der Platte 270 ungefähr 0,1 mm und ihre Oberflächengröße beträgt etwa 110 mm². Um eine gewünschte Elastizität der Platte 270 aufrechtzuerhalten, ist zu bevorzugen, ein Muster mit ungefähr zwölf Öffnungen zu haben, wobei jede Öffnung eine Größe von ca. 0,8 mm² hat und die Dicke der Platte vorzugsweise das Ergebnis der Quadratwurzel der Oberflächengröße dividiert durch ca. 94 ist.
Angeordnet zwischen dem ersten Kolben 220 und dem Deckelelement 46 des Stapels 100 ist ein ringartiger Kolben oder zweiter Kolben 240, der auf den Fortsatzbereich 230 montiert ist, damit er axial entlang der Längsachse A-A gleiten kann. Der zweite Kolben 240 umfasst eine dritte Fläche 242, die gegenüber der zweiten Fläche 224 angeordnet ist. Der zweite Kolben 240 umfasst ferner eine vierte Fläche 244, die in einem Abstand zur dritten Fläche 242 entlang der Längsachse A-A angeordnet ist. Die vierte Fläche 244 umfasst einen Halteflanschbereich 246, der ferner einen Teil einer Halteschulter 248 darstellt. Der Halteflanschbereich 246 wirkt mit einem Flanschbereich 211 (auf einer Fläche des Körpers 210 ausgebildet, die der Längsachse A-A gegenüberliegt) zusammen, um die Montage einer flexiblen Membran 250 zu erleichtern, nachdem der zweite Kolben 240 im zweiten Ende 210b des Körpers 210 angebracht worden ist. Vorzugsweise haben die Kolben eine kreisförmige Form, obwohl auch andere Formen, beispielsweise rechteckige oder ovale, für den ersten Kolben 220 und den zweiten Kolben 240 verwendet werden können.
Der zweite Volumenbereich 33 wird durch einen Hohlraum gebildet, der von der flexiblen Membran 250 umgeben ist. Die Membran 250 ist zwischen der zweiten Fläche 224 des ersten Kolbens 220 und dem zweiten Kolben 240 angeordnet. Die flexible Membran 250 kann von einteiliger Bauart sein oder aus zwei oder mehr Teilen bestehen, die mittels eines geeigneten Verfahrens fest miteinander verbunden werden, beispielsweise Schweißen, Fügen, Löten, Kleben und vorzugsweise Laserschweißen. Vorzugsweise umfasst die flexible Membran 250 einen ersten Steg 252 und einen zweiten Steg 254, die fest miteinander verbunden sind.
Die flexible Membran 250 kann mittels eines geeigneten Verfahrens wie vorstehend angeführt fest mit dem ersten Kolben 220 und mit einer Innenfläche des Körpers 210 verbunden werden. Ein Ende des ersten Stegs 252 ist fest mit dem eingezogenen Bereich 227 des ersten Kolbens 220 verbunden, während ein anderes Ende des zweiten Stegs 254 fest mit einer Innenfläche des Körpers 210 verbunden ist. In Fällen, in denen der Körper 210 von einteiliger Bauweise ist, kann das andere Ende direkt mit der Innenfläche des Körpers 210 fest verbunden sein. In Fällen, in denen der Körper 210 aus zwei oder mehr miteinander verbundenen Teilen besteht, ist das andere Ende des zweiten Stegs 254 vorzugsweise fest mit entweder einem oder den anderen Bereichen verbunden, bevor die Bereiche, aus denen der Körper 210 ausgebildet wird, mittels eines geeigneten Verfahrens fest miteinander verbunden werden.
Die Feder 260 ist zwischen der Endkappe 214 und dem zweiten Kolben 240 eingeschlossen. Da der zweite Kolben 240 relativ zur Endkappe 214 beweglich ist, wird durch die Betätigung der Feder 260 der zweite Kolben 240 gegen die flexible Membran 250 gedrückt. Der zweite Kolben 240 trifft auf die flexible Membran 250 auf, die daraufhin eine zweite Arbeitsfläche mit einer Oberflächengröße ausbildet, die kleiner als die Oberflächengröße der ersten Arbeitsfläche ist. Weil die dritte Fläche 242 auf die flexible Membran 250 auftrifft, kann man sich die zweite Arbeitsfläche mit im Wesentlichen derselben Oberflächengröße wie die dritte Fläche 242 vorstellen.
Dies erzeugt einen Druckanstieg im Fluid 36 im zweiten Fluidvolumenbereich 33. In einem Anfangszustand wird Hydraulikfluid 36 unter Druck gesetzt als Funktion des Produkts aus der Federkraft und der Oberflächengröße der zweiten Arbeitsfläche. Vor einer Ausdehnung des Fluids im ersten Volumenbereich 32 wird der erste Volumenbereich vorgespannt, um ein scheibenförmiges hydraulisches Medium zu erzeugen. Vorzugsweise beträgt die Federkraft der Feder 260 ca. 30 Newton bis 70 Newton.
Das Fluid 36, das ein Volumen des scheibenförmigen hydraulischen Mediums bildet, neigt dazu, sich aufgrund eines Anstiegs der Temperatur in der und um die Vorrichtung zum thermischen Ausgleich auszudehnen. Die Volumenzunahme des scheibenförmigen Mediums wirkt direkt auf die erste Außenfläche oder erste Fläche 222 des ersten Kolbens ein. Da die erste Fläche 222 eine größere Oberflächengröße als die zweite Arbeitsfläche aufweist, neigt der erste Kolben dazu, sich zum Stapel oder zum Ventilschließelement 40 hin zu bewegen. Der Kraftvektor (d. h. er hat eine Richtung und eine Größe) „F_Aus" des ersten Kolbens 220, der sich zum Stapel hin bewegt, ist folgendermaßen definiert: FAus = (Ascheibenf.Medium·pscheibenf.Medium) – FFeder wobei:

F_Aus: = einwirkende Kraft (auf den Piezostapel)
F_Feder: = Federkraft gesamt
A_{scheibenf.Medium}: = (π/4)·Pd² oder Fläche über dem Kolben, wobei Pd der Durchmesser des ersten Kolbens ist

Im Ruhezustand haben die jeweiligen Drücke des scheibenförmigen hydraulischen Mediums und des zweiten Fluidvolumenbereichs die Tendenz, im Allgemeinen gleich zu sein. Wenn jedoch der Festkörperaktor erregt wird, steigt der Druck im scheibenförmigen hydraulischen Medium, weil das Fluid 36 inkompressibel ist, wenn sich der Stapel ausdehnt. Dies ermöglicht, dass der Stapel 100 eine steife Reaktionsbasis aufweist, in der das Ventilschließelement 40 betätigt werden kann, um Kraftstoff durch die Kraftstoffaustrittsöffnung 62 auszustoßen.
Vorzugsweise ist die Feder 260 eine Schraubenfeder. Hier ist der Druck in den Fluidvolumenbereichen mindestens von einer Federcharakteristik jeder der Schraubenfedern abhängig. Wie durchgängig in dieser Offenbarung verwendet, kann die mindestens eine Federcharakteristik zum Beispiel die Federkonstante, die freie Federlänge und den Elastizitätsmodul der Feder umfassen. Jede der Federcharakteristiken kann in verschiedenen Kombinationen mit einer oder mehreren weiteren Federcharakteristiken gewählt werden, um eine gewünschte Reaktion der Ausgleichsvorrichtungsbaugruppe 200 zu erzielen.
Es wird auf 2B Bezug genommen; der zweite Kolben 240' ist in einer „ineinander angeordneten" Anordnung einer Ausgleichsvorrichtungsbaugruppe 200', 300 montiert, die von der Kolbenanordnung der Ausgleichsvorrichtungsbaugruppe 200 in 2A abweicht. In 2B setzt die ineinander angeordnete Anordnung voraus, dass der erste Kolben 220' ein ausreichend groß bemessenes Kolbenhemd 221 umfasst, um zu ermöglichen, dass eine Feder 260' und der zweite Kolben 240' in einem Hohlraum angebracht werden können, der durch das Kolbenhemd 221 definiert wird. Die axiale Abmessung des Kolbenhemds 221 entlang der Längsachse A-A sollte von ausreichender Länge sein, um zu ermöglichen, dass eine Feder 262 zusammengedrückt und im Kolbenhemd 221 montiert werden kann, ohne sich zwischen den Federn oder anderen Bauteilen der Kolben zu verhaken oder dort zu stören. Der erste Kolben 220' umfasst ferner einen lang gestreckten Bereich 223, der ermöglicht, dass der erste Kolben 220' mittels einer geeigneten Verbindung mit dem Fortsatzbereich 230' verbunden wird. Der lang gestreckte Bereich 223 wirkt ferner mit dem Hemd 221 zusammen, um einen Hohlraum zur Aufnahme der Feder 262 zu definieren. Die Feder 262 dient dazu, den zweiten Kolben 240' gegen eine flexible Membran 250' zu drücken. Die flexible Membran 250' wird mittels eines beliebigen geeigneten Verfahrens (wie etwa den in Bezug auf die flexible Membran 250 beschriebenen), fest mit dem ersten Kolben 220' und der Endkappe 214' verbunden. Vorzugsweise ist die flexible Membran 250' in einteiliger Bauweise ausgeführt. Zu bemerken ist, dass, obwohl die Ausgleichsvorrichtung 200', 300 ähnlich arbeitet wie die Ausgleichsvorrichtung 200, einer der vielen Aspekte, in denen sich die Ausführungsform der 2B von denen der Ausführungsform der 2A unterscheidet, die Richtung ist, in die sich der zweite Kolben (240 in 2A und 240' in 2B) aufgrund der Federkraft bewegt. In 2A führt die Federkraft dazu, dass der Kolben sich in Richtung des Eintrittsendes des Kraftstoffeinspritzventils bewegt, wohingegen in 2B die Federkraft dazu führt, dass der zweite Kolben 240' sich in Richtung des Austrittsendes bewegt. Wie der zweite Kolben 220 in 2A ist der zweite Kolben 220' in 2B vorzugsweise nicht in körperlichem Kontakt mit dem Fluid 36. Durch Auftreffen seiner Fläche 229' gegen die flexible Membran 250' (die in körperlichem Kontakt mit dem Fluid 36 ist) bewirkt der zweite Kolben 220', dass die flexible Membran 250' die Federkraft über eine zweite Arbeitsfläche der Membran 250' an das Fluid 36 überträgt. Ein weiterer Aspekt der Ausgleichsvorrichtung 200', 300 betrifft eine axiale Gesamtlänge, die kürzer als die der Ausgleichsvorrichtung 200 ist.
Die Ausgleichsvorrichtung 200' gemäß 2B kann vereinfacht werden, indem das druckempfindliche Ventil und der Fluidkanal, der durch den ersten Kolben verläuft, weggelassen werden.
Diese Vereinfachung führt zu einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, hier in 4 dargestellt, in Form einer Vorrichtung zum thermischen Ausgleich 300. Die Vorrichtung 300 zum thermischen Ausgleich umfasst einen Körper 310, der einen ersten Kolben 320 umgibt, der ein Kolbenhemd 324 aufweist. Das Kolbenhemd 324 ist in einer gegenüberliegenden Anordnung zu einer Innenfläche 312 des Körpers 310 angeordnet, die einen Spalt 326 zwischen diesen ergibt. Ein zweiter Kolben 340 ist zumindest teilweise im Kolbenhemd 324 angeordnet. Der zweite Kolben 340 umfasst eine Arbeitsfläche 342 und einen Fortsatz 344, der durch eine Öffnung 316 der Endkappe 314 verläuft. Um allgemein zu verhindern, dass Fluid 36 in den Hohlraum zwischen den ineinander angeordneten Kolben eintritt, ist ein Dichtelement 352 in einer Nut angeordnet, die entweder auf dem Hemd des ersten Kolbens oder auf einem äußeren Bereich des zweitens Kolbens angeordnet ist, auf dem aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine Seite des Dichtelements 352 dargestellt ist. Das Dichtelement kann eine Membran sein, die mit dem Hemd 324 und dem zweiten Kolben 340 oder dessen Fortsatzbereich 344 verbunden ist. Vorzugsweise ist das Dichtelement 352 ein O-Ring, der in einer Nut angeordnet ist, die auf dem zweiten Kolben ausgebildet ist. Um allgemein zu verhindern, dass Fluid aus einem zweiten Volumenbereich 33 entweicht, kann eine Dichtung 318 zwischen der Endkappe 314 und dem Fortsatzbereich 344 des zweiten Kolbens 340 ausgebildet sein. Insbesondere kann eine Nut in entweder der Endkappe 314 oder dem Fortsatzbereich 344 ausgebildet sein. Der O-Ring 318 wird dann in der Nut angebracht. Vorzugsweise ist die Nut 319 auf einer Außenfläche der Endkappe 314 ausgebildet, die der Längsachse A-A gegenüberliegt.
Ein erster Fluidvolumenbereich 32 ist zwischen einer Fläche 322 und einem Endelement 28 ausgebildet. Ein zweiter Fluidvolumenbereich 33 ist zwischen der Arbeitsfläche 342 und dem Körper ausgebildet. Der erste Fluidvolumenbereich 32 steht über einen definierten Abstand oder Spalt 326 in Fluidverbindung mit dem zweiten Fluidvolumenbereich 33. Vorzugsweise sollte der Spalt 326 ein geeignetes Spiel haben, um einen definierten Spalt zu bilden, der eine Schmierung des Kolbens und des Körpers ermöglicht, zugleich jedoch eine hydraulische Dichtung ausbildet, die die Menge des Fluidleckstroms durch den Abstand bzw. Spalt 326 definiert.
Ein innerer Füllkanal 332 (mit einem ähnlichen Funktionsprinzip wie der innere Kanal 232 in 2B) verläuft zwischen einem ersten Kanal 332a und einem zweiten Kanal 332b. Eine Dichtung 350 wird ausgebildet, um den Eintritt oder Austritt von Fluid in den ersten Volumenbereich 32 auszuschließen, wenn eine Fläche 350a des ersten Kolbens 320 eine Fläche 350b des Fortsatzbereichs 330 berührt. Mindestens eine Feder 360 ist in einem innen liegenden Hohlraum des ersten Kolbens 320 angeordnet. Die mindestens eine Feder 360 drückt den zweiten Kolben 340 weg vom ersten Kolben 320. Dadurch wirkt eine Kraft auf das Fluid 36 ein über eine Oberflächengröße der Arbeitsfläche 342, was zu einem ersten Druck führt, der auf die erste Fläche 322 des ersten Kolbens 320 übertragen wird. Der erste Druck kann als ein Druck bezeichnet werden, der ermöglicht, dass der erste Volumenbereich als eine scheibenförmige hydraulische Membran fungiert. Nachfolgende Volumenänderungen des Fluids 36 (aufgrund von Temperaturänderungen) im ersten oder zweiten Volumenbereich würden dazu führen, dass der erste Kolben sich entlang der Längsachse bewegt. Es wird davon ausgegangen, dass der Festkörperaktor dadurch in einer festen räumlichen Beziehung zu verschiedenen Bauteilen des Kraftstoffeinspritzventils gehalten werden kann.
Die Kraft F_Aus, die auf den Aktorstapel 100 der Ausführungsform einwirkt, die in 4 dargestellt ist, ist folgendermaßen definiert: FAus = [(FFeder360 ± FDichtung352 ± FDichtung318)· (Ascheibenf.Medium/AVolumenbereich33)] – FFeder ± FDichtung352 wobei:

F_Aus: = auf den Stapel 100 einwirkende Kraft
F_Feder360: = Kraft der Feder 360
F_Dichtung352: = Reibungskraft der Dichtung 352
F_Dichtung318: = Reibungskraft der Dichtung 318
A_{scheibenf.Medium}: = (π/4)·Pd² oder Fläche über dem Kolben, wobei Pd der Durchmesser des ersten Kolbens ist
A_{Volumenbereich33}: = Fläche des zweiten Volumenbereichs 33

Es wird wieder auf 1 Bezug genommen; während des Betriebs des Kraftstoffeinspritzventils 10 wird Kraftstoff von einer Kraftstoffversorgung (nicht dargestellt) an einem Kraftstoffeintritt 24 eingeleitet. Kraftstoff am Kraftstoffeintritt 24 tritt durch einen Kraftstofffilter 16, durch einen Kanal 18, durch einen Kanal 20, durch einen Kraftstoffkanal 22 und durch eine Kraftstoffaustrittsöffnung 62 aus, wenn das Ventilschließelement 40 in die Position „geöffnet" bewegt wird.
Damit Kraftstoff aus der Kraftstoffaustrittsöffnung 62 austreten kann, wird der Festkörperaktorstapel 100 mit Spannung versorgt, was dazu führt, dass er sich ausdehnt. Die Ausdehnung des Festkörperaktorstapels 100 führt dazu, dass das Bodenelement 44 gegen das Ventilschließelement 40 drückt, was ermöglicht, dass Kraftstoff aus der Kraftstoffaustrittsöffnung 62 austritt. Nachdem Kraftstoff durch die Kraftstoffaustrittsöffnung 62 eingespritzt worden ist, wird die Spannungsversorgung zum Festkörperaktorstapel 100 unterbrochen und das Ventilschließelement 40 wird unter der Vorspannung der Feder 48 zurückgeschoben, um die Kraftstoffaustrittsöffnung 62 zu schließen. Insbesondere zieht der Festkörperaktorstapel 100 sich zusammen, wenn die Spannungsversorgung unterbrochen wird, und die Vorspannung der Feder 48, die dass Ventilschließelement 40 in ständigem Kontakt mit dem Bodenelement 44 hält, spannt auch das Ventilschließelement 40 in die Position "geschlossen" vor.
Wenn bei laufendem Motor die Temperatur im Motor steigt, erfahren das Eintrittsanschlussstück 12, das Einspritzventilgehäuse 14 und der Ventilkörper 17 eine thermische Ausdehnung aufgrund des Temperaturanstiegs, während der Festkörperaktorstapel eine allgemein unbedeutende thermische Ausdehnung erfährt. Zugleich kühlt der Kraftstoff, der durch den Kraftstoffkanal 22 und hinaus durch die Kraftstoffaustrittsöffnung 62 fließt, die innen liegenden Teile der Kraftstoffeinspritzventilbaugruppe 10 und führt zu einer thermischen Kontraktion des Ventilschließelements 40. Es wird auf 1 Bezug genommen; wenn das Ventilschließelement 40 sich zusammenzieht, neigt das Bodenelement 44 dazu, sich von seinem Kontaktpunkt am Ventilschließelement 40 abzuheben.
Festkörperaktorstapel 100, der auf eine ein Zusammenwirken ermöglichende Weise mit der Bodenfläche des ersten Kolbens 220 (bzw. 220') verbunden ist, wird nach unten gedrückt. Der Temperaturanstieg bewirkt, dass Eintrittsanschlussstück 12, Einspritzventilgehäuse 14 und Ventilkörper 17 sich relativ zum piezoelektrischen Stapel 100 ausdehnen aufgrund des allgemein größeren thermischen Volumenausdehnungskoeffizienten β der Kraftstoffeinspritzventilbauteile im Vergleich zu demjenigen des piezoelektrischen Stapels. Da das Fluid sich in diesem Fall ausdehnt, muss der Druck im ersten Fluidvolumenbereich in der Folge steigen. Weil das Fluid praktisch inkompressibel ist und wegen der kleineren Oberflächengröße der zweiten Arbeitsfläche wird der erste Kolben 220 (bzw. 220') relativ zum zweiten Kolben 240 (bzw. 240') in Richtung des Austrittsendes des Einspritzventils 10 gedrückt. Diese Bewegung des ersten Kolbens 220 (bzw. 220') wird auf den piezoelektrischen Stapel 100 übertragen durch den Fortsatzbereich 230 (bzw. 230'), wobei davon ausgegangen wird, dass dessen Bewegung die Position des piezoelektrischen Stapels in Relation zu anderen Bauteilen des Kraftstoffeinspritzventils konstant hält wie etwa dem Eintrittsanschlussstück 12, dem Einspritzventilgehäuse 14 und dem Ventilkörper 17. Zu bemerken ist, dass bei den bevorzugten Ausführungsformen der thermische Ausdehnungskoeffizient β des Hydraulikfluids 36 größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient β des piezoelektrischen Stapels ist. Hier kann die Ausgleichsvorrichtungsbaugruppe 200 (bzw. 200', 300) variiert werden, indem zumindest ein Hydraulikfluid mit einem gewünschten Koeffizienten β gewählt wird und ein vorgegebenes Fluidvolumen im ersten Volumenbereich gewählt wird, so dass ein Unterschied in der Ausdehnungsgröße des Gehäuses des Kraftstoffeinspritzventils und des piezoelektrischen Stapels 100 durch die Ausdehnung des Hydraulikfluids 36 im ersten Volumenbereich ausgeglichen werden kann.
Während nachfolgender Temperaturschwankungen um die Kraftstoffeinspritzventilbaugruppe 100 führt jede weitere Ausdehnung des Eintrittsanschlussstücks 12, des Einspritzventilgehäuses 14 oder des Ventilkörpers 17 dazu, dass das Fluid 36 sich im ersten Volumenbereich ausdehnt oder zusammenzieht. In dem Fall, dass das Fluid sich ausdehnt, wird der erste Kolben 220 (bzw. 220') zwangsläufig in Richtung des Austrittsendes des Kraftstoffeinspritzventils bewegt, weil die erste Fläche 222 (bzw. 222') einen größeren Oberflächenbereich als die zweite Arbeitsfläche aufweist. Andererseits würde jede Kontraktion der Kraftstoffeinspritzventilbauteile dazu führen, dass das Hydraulikfluid 36 im ersten Volumenbereich 32 (bzw. 32') einer Volumenkontraktion unterliegt, wodurch der erste Kolben 220 (220') in Richtung des Eintrittsendes des Kraftstoffeinspritzventils 10 zurückgezogen wird.
Wenn der Aktor 100 erregt wird, steigt der Druck im ersten Volumenbereich 32 schnell, was dazu führt, dass die Platte 270 dicht gegen die erste Fläche 222 schließt. Dies hindert das Hydraulikfluid 36 daran, aus dem ersten Fluidvolumenbereich zum Kanal 226 zu fließen. Es ist darauf hinzuweisen, dass das Volumen des scheibenförmigen Mediums während der Erregung des Stapels 100 zu ungefähr dem Zeitpunkt in Relation zum Volumen des Hydraulikfluids des ersten Volumenbereichs steht, zu dem der Aktor 100 erregt wird. Weil das Fluid praktisch inkompressibel ist, entspricht das Fluid 36 im ersten Volumenbereich 32 näherungsweise einer steifen Reaktionsbasis, d. h. einem scheibenförmigen Medium, gegen das der Aktor 100 reagieren kann. Es wird davon ausgegangen, dass die Steifigkeit des scheibenförmigen Mediums teilweise daher rührt, dass das Fluid praktisch inkompressibel ist und dass der Austritt aus dem ersten Volumenbereich 32 durch die Platte 270 blockiert wird. Hier dehnt sie sich um etwa 60 μm aus, wenn der Aktorstapel 100 in nicht vorgespanntem Zustand betätigt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der dies umgesetzt wird, wird die eine Hälfte des Ausdehnungsbetrags (ca. 30 μm) von verschiedenen Bauteilen des Kraftstoffeinspritzventils aufgenommen. Die verbleibende Hälfte der Gesamtausdehnung des Stapels 100 (ca. 30 μm) wird genutzt, um das Schließelement 40 auszulenken. Somit wird davon ausgegangen, dass die Auslenkung des Aktorstapels 100 konstant ist, wenn dieser wiederholt erregt wird, wodurch ermöglicht wird, dass die Öffnungsweite des Kraftstoffeinspritzventils gleichbleibend ist.
Wenn der Aktor 100 nicht erregt wird, fließt Fluid 36 zwischen dem ersten Fluidvolumenbereich und dem zweiten Fluidvolumenbereich, wobei dieselbe Vorspannungskraft F_Aus aufrechterhalten wird. Die Kraft F_Aus ist eine Funktion der Feder 260 (bzw. 262) und der Oberflächengröße des jeweiligen Kolbens. Somit wird davon ausgegangen, dass das Bodenelement 44 des Aktorstapels 100 unabhängig von der Ausdehnung oder dem Zusammenziehen der Bauteile des Kraftstoffeinspritzventils in ständigem Kontakt mit der Kontaktfläche des Ventilschließendes 42 gehalten wird.
Obwohl die Ausgleichsvorrichtungsbaugruppe 200, 200' bzw. 300 zusammen mit einem Festkörperaktor für ein Kraftstoffeinspritzventil dargestellt wird, versteht es sich von selbst, dass ein beliebiger, sich in der Länge ändernder Aktor wie zum Beispiel ein Aktor auf Basis einer elektrischen oder magnetischen Drossel oder ein Festkörperaktor zusammen mit der Vorrichtungsbaugruppe zum thermischen Ausgleich 200, 200' bzw. 300 verwendet werden könnte. Hier kann der sich in der Länge ändernde Aktor auch ein im Ruhezustand stromlos geschalteter Aktor sein, dessen Länge vergrößert wird, sobald der Aktor erregt wird. Umgekehrt kann der sich in der Länge ändernde Aktor auch in Fällen eingesetzt werden, in denen der Aktor im Ruhezustand erregt und stromlos geschaltet wird, um eine Kontraktion (statt einer Ausdehnung) der Länge zu bewirken. Darüber hinaus ist zu betonen, dass die Vorrichtungsbaugruppe zum thermischen Ausgleich 200, 200' bzw. 300 und der sich in der Länge ändernde Aktor nicht auf Anwendungen beschränkt sind, bei denen es um Kraftstoffeinspritzventile geht, sondern auch für andere Anwendungen eingesetzt werden können, die einen entsprechend genauen Aktor erfordern, wie etwa, um einige zu nennen, Schalter, optische Lese-/Schreibaktor- oder medizinische Fluidabgabevorrichtungen.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen offenbart wurde, sind zahlreiche Modifikationen, Varianten oder Änderungen der beschriebenen Ausführungsformen möglich, ohne die Aufgabenstellung und den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung gemäß der Definition in den beigefügten Ansprüchen zu verlassen. Dementsprechend ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern sich auf den uneingeschränkten Schutzbereich erstreckt, der durch den Wortlaut der folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Hydraulische Ausgleichsvorrichtung (200) zum Bewegen eines sich in der Länge ändernden Aktors (100) relativ zu einem Gehäuse (14), wobei das Gehäuse ein Endelement (28) aufweist, wobei die hydraulische Ausgleichsvorrichtung umfasst: einen Körper (210) mit einem ersten Körperende (210a) und einem zweiten Körperende (210b), die entlang einer Längsachse verlaufen, wobei der Körper eine Innenfläche (213) aufweist, die der Längsachse gegenüberliegt; einen ersten Kolben (220), der mit dem sich in der Länge ändernden Aktor verbunden ist und der im Körper in der Nähe von entweder dem ersten Körperende oder dem zweiten Körperende angeordnet ist, wobei der erste Kolben eine erste Außenfläche (222) und eine erste Arbeitsfläche (224) mit einem Abstand zur ersten Außenfläche aufweist, wobei die erste Außenfläche mit dem Endelement des Gehäuses des Kraftstoffeinspritzventils zusammenwirkt, um einen ersten Fluidvolumenbereich (32) im Körper zu definieren; einen zweiten Kolben (240), der im Körper in der Nähe des ersten Kolbens angeordnet ist, wobei der zweite Kolben eine zweite Außenfläche aufweist, die mit einem Abstand zu einer zweiten Arbeitsfläche (242) angeordnet ist, die der ersten Arbeitsfläche (224) des ersten Kolbens gegenüberliegt; einen zweiten Fluidvolumenbereich (33), der zwischen der ersten Arbeitsfläche (224) und der zweiten Arbeitsfläche (242) angeordnet ist; einen Verbindungskanal (226), der zwischen dem ersten Fluidvolumenbereich und dem zweiten Fluidvolumenbereich angeordnet ist; und einen Fortsatzbereich (230), der entweder mit dem ersten Kolben oder mit dem zweiten Kolben verbunden ist, wobei der Fortsatzbereich einen Füllkanal (232) umfasst, der im Fortsatzbereich angeordnet ist, um den Verbindungskanal (226) und den ersten sowie den zweiten Fluidvolumenbereich mit Hydraulikfluid zu versorgen.
Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner ein Ventil (270) umfasst, das in entweder dem ersten oder dem zweiten Fluidvolumenbereich angeordnet ist, wobei das Ventil entweder auf einen ersten Fluiddruck im ersten Fluidvolumenbereich oder auf einen zweiten Fluiddruck im zweiten Fluidvolumenbereich reagiert, um einen Fluidstrom von entweder dem ersten oder dem zweiten Fluidvolumenbereich zum jeweils anderen, d. h. entweder dem ersten oder dem zweiten Fluidvolumenbereich, zu ermöglichen.
Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Kolben ein ringförmiges Element umfasst, das um die Längsachse angeordnet ist, wobei das ringförmige Element eine erste Fläche umfasst, die nahe der Längsachse ist, und eine zweite Fläche, die in einem Abstand zur Längsachse angeordnet ist.
Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, die ferner ein Federelement (260) umfasst, dass im Körper angeordnet ist, und eine veränderliche Fluidbarriere (250), die entweder mit dem ersten oder dem zweiten Kolben und mit der Körperinnenfläche (213) verbunden ist, um den zweiten Fluidvolumenbereich zu definieren.
Ausgleichvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der erste Kolben eine erste Oberflächengröße (222) umfasst, die in Kontakt mit dem Fluid ist, und die veränderliche Fluidbarriere die zweite Arbeitsfläche umfasst, wobei die zweite Arbeitsfläche eine zweite Oberflächengröße aufweist, die in Kontakt mit dem Fluid ist, so dass eine resultierende Kraft eine Funktion der Summe der Kraft des Federelements (360) und eines Verhältnisses der ersten Oberflächengröße zur zweiten ist.
Ausgleichsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die veränderliche Fluidbarriere einen ersten Steg (252) umfasst, der hermetisch gegenüber einem Bereich der ersten Arbeitsfläche abgedichtet ist, und einen zweiten Steg (254), der hermetisch gegenüber einem Bereich der Körperinnenfläche abgedichtet ist, wobei der erste und der zweite Steg zwischen der ersten Arbeitsfläche (224) des ersten Kolbens und der zweiten Arbeitsfläche (242) des zweiten Kolben angeordnet sind.
Ausgleichsvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei der erste Kolben ein Kolbenhemd (221) umfasst, das von der ersten Außenfläche (222) entlang der Längsachse verläuft, wobei das Kolbenhemd eine äußere Hülse (221) und eine innere Hülse (223) umfasst, wobei die innere Hülse (223) mit dem Fortsatzbereich (230) verbunden ist.
Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der zweite Kolben ein ringförmiges Element umfasst, das eine erste Fläche und eine zweite Fläche entlang der Längsachse aufweist, wobei die erste Fläche des ringförmigen Elements dem Fortsatzbereich (230) gegenüberliegt, wobei die zweite Fläche der äußeren Hülse (221) des Kolbenhemds gegenüberliegt, wobei das ringförmige Element in die äußere Hülse des Kolbenhemds hinein- und aus ihr hinausbewegt werden kann.
Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die veränderliche Fluidbarriere ein Element (250') umfasst, das ein erstes Ende aufweist, das mit der äußeren Hülse (221) des Kolbenhemds verbunden ist, und ein zweites Ende, das mit einem Endkappenbereich (214') verbunden ist, wobei der Endkappenbereich von der Innenfläche des Körpers zur Längsachse des Körpers hin verläuft.
Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch2, wobei der erste Kolben eine Vielzahl von Taschen (228a, 228a') aufweist, die auf der ersten Außenfläche (222, 222') des ersten Kolbens um die Längsachse angeordnet sind.
Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Ventil eine Platte (270) umfasst, wobei die Platte eine Vielzahl von darauf ausgebildeten Öffnungen (272a, 272b) umfasst, und wobei die Platte so am ersten Fluidvolumenbereich (32, 32') angeordnet ist, dass die Platte über entweder die erste oder die zweite Außenfläche übersteht, und wobei deren Dicke ungefähr 1/94 der Quadratwurzel der Oberflächengröße von einer Seite der Platte ist.
Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die besagten Öffnungen in der Platte in einer gegenüberliegenden Anordnung zur Vielzahl von Taschen auf der ersten Außenfläche des ersten Kolbens angeordnet sind.
Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei der erste Kolben eine äußere erste Kolbenfläche (228) aufweist, die in Kontakt mit der Körperinnenfläche angeordnet ist, um einen Hydraulikfluidleckstrom zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidvolumenbereich zu ermöglichen.
Kraftstoffeinspritzventil, wobei das Kraftstoffeinspritzventil umfasst: ein Gehäuse (14) mit einem ersten Gehäuseende und einem zweiten Gehäuseende, die entlang einer Längsachse verlaufen, wobei das Gehäuse ein Endelement (28) aufweist, das zwischen dem ersten Gehäuseende und dem zweiten Gehäuseende angeordnet ist; einen sich in der Länge ändernden Aktor (100), der im Gehäuse entlang der Längsachse angeordnet ist; ein Schließelement (40), das mit dem Aktor verbunden ist, wobei das Schließelement beweglich ist zwischen einer ersten Position, die das Einspritzen von Kraftstoff ermöglicht, und einer zweiten Position, die das Einspritzen von Kraftstoff verhindert; und eine hydraulische Ausgleichsvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei der Fortsatzbereich ein erstes Fortsatzende aufweist, das entweder mit dem ersten Kolben oder dem zweiten Kolben verbunden ist, und ein zweites Fortsatzende, das mit dem sich in der Länge ändernden Aktor verbunden ist; wodurch das Kraftstoffeinspritzventil ermöglicht, dass der sich in der Länge ändernde Aktor sich in Reaktion auf Temperaturänderungen relativ zum Gehäuse bewegt.
Verfahren zum Ausgleich von thermischem Verzug eines Kraftstoffeinspritzventils, wobei das Kraftstoffeinspritzventil umfasst: ein Gehäuse (14) mit einem Endelement (28); einen Körper (310), wobei der Körper eine Innenfläche (313) aufweist, die gegenüber der Längsachse angeordnet ist; einen ersten Kolben (320), der mit dem sich in der Länge ändernden Aktor verbunden und im Körper angeordnet ist, wobei der erste Kolben eine erste Außenfläche (322) und eine erste Arbeitsfläche aufweist, die mit einem Abstand zur ersten Außenfläche angeordnet ist, wobei die erste Außenfläche mit dem Endelement (28) des Gehäuses des Krafstoffeinspritzventils zusammenwirkt, um einen ersten Fluidvolumenbereich (32) im Körper zu definieren, wobei der erste Kolben ein Kolbenhemd (324) aufweist, das von der Außenfläche (322) entlang der Längsachse verläuft, wobei ein zweiter Kolben (340) im Körper in der Nähe des ersten Kolbens angeordnet ist; einen zweiten Fluidvolumenbereich (33), der zwischen der ersten Arbeitsfläche und der zweiten Arbeitsfläche angeordnet ist; einen Verbindungskanal (326), der zwischen dem ersten Fluidvolumenbereich und dem zweiten Fluidvolumenbereich angeordnet ist; und einen Fortsatzbereich (330), der entweder mit dem ersten Kolben oder dem zweiten Kolben verbunden ist, wobei der Fortsatzbereich einen Füllkanal (332) umfasst, der im Fortsatzbereich angeordnet ist, um den Verbindungskanal (326) sowie den ersten und den zweiten Fluidvolumenbereich mit Hydraulikfluid zu versorgen. wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Anordnen einer Fläche des ersten Kolbens (320) und des Kolbenhemds (324) gegenüber einer Innenfläche des Körpers, um einen definierten Spalt (326) zwischen dem ersten Kolben und der Körperinnenfläche auszubilden; Verbinden einer veränderlichen Fluidbarriere (352) derart zwischen dem ersten Kolben und dem zweiten Kolben, dass der zweite Kolben und die veränderliche Fluidbarriere den zweiten Fluidvolumenbereich ausbilden; Vorspannen des zweiten Kolbens, wenn er zumindest teilweise im Kolbenhemd angeordnet ist, um einen hydraulischen Druck im ersten und zweiten Hydraulikvolumenbereich zu erzeugen; und Vorspannen des sich in der Länge ändernden Aktors mit einem vorgegebenen Vektor, der auf Änderungen des Volumens des Hydraulikfluids beruht, das sich im ersten Fluidvolumenbereich befindet, als Funktion der Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Vorspannen des sich in der Länge ändernden Aktors das Bewegen des sich in der Länge ändernden Aktors in einer ersten Richtung entlang der Längsachse umfasst, wenn die Temperatur über einer vorgegebenen Temperatur liegt.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei das Vorspannen des sich in der Länge ändernden Aktors das Bewegen des sich in der Länge ändernden Aktors in einer zweiten Richtung umfasst, die zur ersten Richtung entgegengesetzt ist, wenn die Temperatur unter einer vorgegebenen Temperatur liegt.
Verfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17, wobei das Vorspannen des sich in der Länge ändernden Aktors ferner das Verhindern eines Austauschs von Hydraulikfluid zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidvolumenbereich während der Erregung des sich in der Länge ändernden Aktors umfasst, um ein Hydraulikfluidvolumen in entweder dem ersten oder dem zweiten Fluidvolumenbereich zu halten.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Verhindern eines Austauschs ferner das Abgeben eines Teils des Hydraulikfluids in den einen Fluidvolumenbereich umfasst, um eine Position des Schließelements und einen Teil des sich in der Länge ändernden Aktors relativ zueinander konstant zu halten, wenn der sich in der Länge ändernde Aktor nicht erregt wird.