EP0795081A1 - Electrohydraulic drive - Google Patents

Electrohydraulic drive

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Publication number
EP0795081A1
EP0795081A1 EP95940120A EP95940120A EP0795081A1 EP 0795081 A1 EP0795081 A1 EP 0795081A1 EP 95940120 A EP95940120 A EP 95940120A EP 95940120 A EP95940120 A EP 95940120A EP 0795081 A1 EP0795081 A1 EP 0795081A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
actuator
piston
electro
hydraulic drive
drive according
Prior art date
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Granted
Application number
EP95940120A
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German (de)
French (fr)
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EP0795081B1 (en
Inventor
Andreas Kappel
Randolf Mock
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0795081A1 publication Critical patent/EP0795081A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0795081B1 publication Critical patent/EP0795081B1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means

Definitions

  • the injection valve known from /! / Contains a compact drive, which has very good dynamic properties and still works reliably even at high actuation frequencies (f> 1 kHz). Since the drive enables valve opening and closing times in the range of ⁇ ⁇ 0.1 ms, even the smallest amounts of fuel can be injected precisely and reproducibly into the combustion chamber of an engine.
  • the main components of the drive are a piezo actuator generating the primary travel range and a hydraulic stroke transformer, which essentially consists of a pressure piston driven by the piezo actuator and a stroke piston which is axially displaceably mounted in a pressure piston bore and is connected to the valve needle.
  • the piezo actuator arranged in one of the hydraulic chambers is supported on the housing side on a ball cap bearing. This measure ensures that the actuator always rests on the pressure piston over the entire surface even when the end faces are non-parallel, and that there are no stroke losses.
  • the structure of the known valve places high demands on the axial symmetry and dimensional accuracy of the individual components.
  • the multiply guided reciprocating piston has to be manufactured to an accuracy of a few ⁇ m in order to prevent tilting or jamming. This complicates mass production and considerably increases the cost of manufacturing the valve.
  • the aim of the invention is to provide a reliable electrohydraulic drive which has a compact structure. sits, works within a wide temperature range and has good dynamic properties.
  • An electro-hydraulic drive with the features specified in claim 1 has these properties.
  • the advantage that can be achieved with the invention is, in particular, that even a comparatively large decentration of one of the multiply guided parts does not impair the functionality of the drive.
  • the drive can therefore be manufactured with much less effort and manufactured more cost-effectively.
  • Figure 1 shows an electro-hydraulic drive for a fuel injection valve in section
  • Figure 2 is a two-part reciprocating piston of the force-translation of the drive in section
  • FIG. 1 essentially shows only the components of a fast fuel injection valve relating to the drive according to the invention, as is known, for example, from / l / or described in more detail in the older German application / 2 /.
  • the injection valve contains an electromechanical actuator P which acts on a hydraulic stroke transformer DK / HK and which is supplied with the required operating voltages via a pressure-tight housing bushing LD.
  • the actuator P In order to initiate the injection of the fuel into the combustion chamber of the engine, the actuator P is activated and thereby elongated in the axial direction.
  • the change in length .DELTA.l of the actuator P results in a corresponding displacement of the pressure piston DK mounted in a cylindrical bore of the housing VG so that there is an overpressure p 1 # in the hydraulic oil-filled chamber KAI in the hydraulic oil-filled chamber and through a pressure piston bore Bl fluidly connected chambers KA2 and KA3 a vacuum P2 / 3 ⁇ Pi on aut.
  • the fuel injection is ended by the electrical discharge of the piezo actuator P.
  • the pressure piston DK moves back down to its starting position under the force of the restoring force exerted by a strong plate spring TF.
  • the spiral spring SF Supported by the spiral spring SF and the pressure difference existing between the chambers KAI and KA2 / KA3, the reciprocating piston HK executes an opposite movement upwards, so that the valve needle VN guided out of the housing VG is lowered onto the sealing seat and closes the injection opening.
  • the transient mode of operation of the drive makes it necessary to mechanically pretension the piezo actuator P.
  • the force required for this is generated by the plate spring TF arranged in the chamber KAI, which also supports the return of the pressure piston DK to its rest position.
  • Flow channels SK in the chamber ceiling ensure an unimpeded inflow and outflow of the hydraulic oil into the volume enclosed by the plate spring TF and the valve housing VG.
  • the compensation element AE which is in the form of a spherical layer, is preferably made of stainless steel or a chromium-nickel steel. Due to its polished surfaces, the compensating element AE can slide freely on the piezoceramic during assembly of the hydraulics and thus compensate for a non-concentric alignment of actuator P and pressure piston DK.
  • the free rotatability of the compensating element AE within the conical abutment WL also ensures that the upper part of the piezo actuator P, which is secured against rotation on the housing base, is always in contact with the pressure piston DK over the entire surface.
  • the disc spring TF which mechanically pre-stresses the piezo actuator P, ensures the frictional contact between the parts.
  • the force / displacement ratio driven by the actuator P consists of two coupled hydraulic transformers, the transmission ratio t
  • AD1 area of the piston top
  • AH1 area of the piston top
  • AD2 Actuator-side pressure piston surface
  • AH2 Actuator-side reciprocating piston surface
  • Equation (2) only applies on the condition that the actuator P arranged in the hydraulic chamber KA3 has the same volume in the elongated and unloaded state. Like the piezo stack P used, electrostrictive and magnetostrictive actuators also show such behavior in good proximity.
  • the pressure piston DK of the force / displacement ratio shown in FIG. 1 is designed in stages (AD1 ⁇ AD2) in order to take into account the inequality of the pressure-effective piston surfaces AH1 ⁇ AH2 caused by the valve needle.
  • the hydraulic coupling of the two stroke transformers has the result that with each change in length of the actuator P complementary pressures build up in the chambers KAI and KA2 / KA3, whereby a displacement of the pressure piston DK by ⁇ l increases in an opposite manner corresponding to the hydraulic transmission ratio ⁇ »1 Displacement of the HK piston in the pressure piston bore ZY.
  • the hydraulic chambers KAI, KA2, KA3 are connected both to one another and to the compensating volume AV, which is under pressure, between the pistons DK, HK and the corresponding cylinder bores KS. Temperature-related changes in volume of the hydraulic oil can therefore neither lead to the formation of static pressure differences between the chambers KAI and KA2 / KA3 (this would result in undefined positions of the HK reciprocating piston), nor to the formation of undefined pressure states in the entire system.
  • the connection between the ring chamber RV and the equalizing volume AV has been established via the housing bore Gl furthermore the advantage that there is no cavitation in the hydraulic oil which reduces the maximum actuation frequency.
  • the valve shuts off in the relevant working temperature range with the frequency and the desired duration specified by the control signal.
  • it is advisable, for example, to provide the bore G1 in the area of the pressure piston sealing surface. In principle, however, it can also open into the annular chamber RV (see FIG. 1) or be fitted in any other area of the valve housing VG, provided that flow resistances in the form of orifices, gaps, restrictors, constrictions etc. ensure that between the different volumes or chambers only comparatively slow compensation processes take place.
  • the chambers have to be sealed against one another to such an extent that the required shut-off times are achieved and the temperature independence of the drive is still guaranteed.
  • Temperature-dependent control of the gap flows is possible if the valve housing VG and the internals (pressure piston DK, reciprocating piston HK) are made from materials with different thermal volume / length expansion coefficients. It can thus be achieved that the gap widths decrease with increasing temperature, which increases the flow resistance accordingly.
  • Temperature-controlled flow resistances can of course also be manufactured as discrete components and installed in the corresponding holes G3 or supply lines.
  • the drive according to the invention has a number of advantages.
  • the drive thus allows symmetrical, cavitation-free switching with very short switching times, extremely short idle times and high actuation frequencies.
  • the drive is characterized by a high level of operational reliability.
  • the fact that the actuator P is hermetically encapsulated in one of the hydraulic chambers KA3 also contributes to this. A good dissipation of the generated heat and optimal protection against environmental influences are therefore guaranteed.
  • the drive is also largely closed, since the electrical connections L of the actuator P are led outside through a pressure-tight, electrically insulating element LD.
  • the reciprocating piston of the force / displacement transmission shown in FIG. 2 consists of two parts HK1, HK2, the cup-shaped outer part HKl, which is open on the valve needle side and rests on the spring SF, is guided with close tolerance in the pressure piston bore ZY.
  • This is the basis for the cup-shaped inner piston part HK2, which is open on the actuator side.
  • a screw S connects the inner part HK2, which can be moved transversely to the stroke direction, with the valve needle VN. Both parts can also be soldered or welded.

Abstract

High-speed injection valves have recently incorporated hydraulic lift transformers consisting, for example, of a pressure piston (DK) driven by a piezo-actuator (P) and a reciprocating piston (HK) connected to the valve needle (VN) and mounted for axial displacement in a pressure piston bore (ZY). This design places great demands on the individual components with respect to axial symmetry and dimensional accuracy, which complicates mass production of the valve and makes manufacture more expensive.The present application describes a drive that consists of a piezo-actuator (P) and a hydraulic force/travel ratio and that is compact and relatively economical to manufacture. To ensure the requisite axial symmetry of the drive despite production-based tolerances, a balancing element (AE) is mounted between the piezo-actuator (P) and the lift transformer, supported in a frustoconical recess (WL) in the pressure piston. This element (AE), which is shaped as a sperical segment of two bases and is made from special steel, can slide freely on the piezoceramic during the hydraulic buildup and thus can compensate a nonconcentric alignment of actuator (P) and pressure piston (DK). The free rotatability within the abutment (WL) also ensures that the upper part of the actuator (P) always maintains full surface contact with the pressure piston (DK). The drive is used in injection valves, pumps, etc.

Description

Beschreibung description
Elektrohydraulischer AntriebElectro-hydraulic drive
1. Einleitung und Stand der Technik1. Introduction and state of the art
Das aus /!/ bekannte Einspritzventil enthält einen kompakt aufgebauten Antrieb, der sehr gute dynamische Eigenschaften besitzt und auch bei hohen Betätigungsfrequenzen (f > 1 kHz) noch zuverlässig arbeitet. Da der Antrieb Ventilöffnungs- und Schließzeiten im Bereich von τ < 0,1 ms ermöglicht, lassen sich auch kleinste Kraftstoffmengen genau dosiert und re¬ produzierbar in den Brennraum eines Motors einspritzen. Hauptkomponenten des Antriebs sind ein den primären Stellweg erzeugender Piezoaktor und ein hydraulischer Hubtransforma¬ tor, der im wesentlichen aus einem vom Piezoaktor angetriebe¬ nen Druckkolben und einem in einer Druckkolbenbohrung axial verschiebbar gelagerten, mit der Ventilnadel verbundenen Hub- kolben besteht. Der in einer der Hydraulikkammern angeordnete Piezoaktor stützt sich gehäuseseitig auf einer Kugelkappenla¬ gerung ab. Diese Maßnahme gewährleistet, daß der Aktor auch bei einer herstellungsbedingten Nichtparallelität seiner End¬ flächen immer ganzflächig am Druckkolben anliegt und keine Hubeinbußen auftreten.The injection valve known from /! / Contains a compact drive, which has very good dynamic properties and still works reliably even at high actuation frequencies (f> 1 kHz). Since the drive enables valve opening and closing times in the range of τ <0.1 ms, even the smallest amounts of fuel can be injected precisely and reproducibly into the combustion chamber of an engine. The main components of the drive are a piezo actuator generating the primary travel range and a hydraulic stroke transformer, which essentially consists of a pressure piston driven by the piezo actuator and a stroke piston which is axially displaceably mounted in a pressure piston bore and is connected to the valve needle. The piezo actuator arranged in one of the hydraulic chambers is supported on the housing side on a ball cap bearing. This measure ensures that the actuator always rests on the pressure piston over the entire surface even when the end faces are non-parallel, and that there are no stroke losses.
Der Aufbau des bekannten Ventils stellt hohe Anforderungen an die AxialSymmetrie und Maßhaltigkeit der einzelnen Kompo¬ nenten. Insbesondere den mehrfach geführten Hubkolben muß man bis auf wenige μm genau fertigen, um ein Verkanten bzw. Klem¬ men zu verhindern. Dies erschwert die Massenproduktion und verteuert die Herstellung des Ventils erheblich.The structure of the known valve places high demands on the axial symmetry and dimensional accuracy of the individual components. In particular, the multiply guided reciprocating piston has to be manufactured to an accuracy of a few μm in order to prevent tilting or jamming. This complicates mass production and considerably increases the cost of manufacturing the valve.
Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines betriebssicheren elektrohydraulisehen Antriebs, der einen kompakten Aufbau be- sitzt, innerhalb eines großen Temperaturbereichs arbeitet und gute dynamische Eigenschaften aufweist.Ein elektrohydrauli- scher Antrieb mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merk¬ malen besitzt diese Eigenschaften.The aim of the invention is to provide a reliable electrohydraulic drive which has a compact structure. sits, works within a wide temperature range and has good dynamic properties. An electro-hydraulic drive with the features specified in claim 1 has these properties.
Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß auch eine vergleichsweise große Dezentrierung ei¬ nes der mehrfach geführten Teile die Funktionsfähigkeit des Antriebs nicht beeinträchtigt. Der Antrieb läßt sich daher mit deutlich weniger Aufwand fertigen und kostengünstiger herstellen.The advantage that can be achieved with the invention is, in particular, that even a comparatively large decentration of one of the multiply guided parts does not impair the functionality of the drive. The drive can therefore be manufactured with much less effort and manufactured more cost-effectively.
3. Zeichnungen3. Drawings
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläu¬ tert. Hierbei zeigt:The invention is explained below with reference to the drawings. Here shows:
Figur 1 einen elektrohydraulisehen Antrieb für ein Kraftstoff-Einspritzventil im Schnitt; Figur 2 einen aus zwei Teilen bestehenden Hubkolben der Kraf -Wegübersetzung des Antriebs im SchnittFigure 1 shows an electro-hydraulic drive for a fuel injection valve in section; Figure 2 is a two-part reciprocating piston of the force-translation of the drive in section
4.1 Aufbau und Funktionsweise des elektrohydraulischen An¬ triebs4.1 Structure and mode of operation of the electrohydraulic drive
Die Figur 1 zeigt im wesentlichen nur die den erfindungsgemä¬ ßen Antrieb betreffenden Komponenten eines schnellen Kraf - Stoff-Einspritzventils, wie es beispielsweise aus /l/ bekannt oder in der älteren deutschen Anmeldung /2/ näher beschrieben ist. Als Antriebselement enthält das Einspritzventil einen auf einen hydraulischen Hubtransformator DK/HK wirkenden elektromechanischen Aktor P, den man über eine druckdichte Gehäusedurchführung LD mit den erforderlichen Betriebsspan¬ nungen versorgt. Als elektromechanischer Aktor P kommt insbe¬ sondere ein piezoelektrischer Multilayerstack in Betracht, der auch bei moderaten Betriebsspannungen noch vergleichswei¬ se große Primärhübe erzeugt (relative Längenänderungen Δl/1 « l x 10-3; Antriebskraft F = 102 bis 105 N) .FIG. 1 essentially shows only the components of a fast fuel injection valve relating to the drive according to the invention, as is known, for example, from / l / or described in more detail in the older German application / 2 /. As the drive element, the injection valve contains an electromechanical actuator P which acts on a hydraulic stroke transformer DK / HK and which is supplied with the required operating voltages via a pressure-tight housing bushing LD. A piezoelectric multilayer stack is particularly suitable as the electromechanical actuator P, which produces comparatively large primary strokes even with moderate operating voltages (relative changes in length .DELTA.l / 1 «lx 10 -3 ; driving force F = 10 2 to 10 5 N).
Bedingt durch die große mechanische Steifigkeit des pie¬ zoelektrischen Sinterkörpers liegt dessen elektromechanische Resonanz im Bereich von etwa 10 bis 1000 kHz, so daß sich An¬ sprechzeiten von etwa 0,001 bis 0,1 ms prinzipiell erzielen lassen. Die in der Praxis realisierten Ansprechzeiten sind allerdings größer und hängen unter anderem von der elektri¬ schen Ansteuerung und Beschaltung des Piezostacks sowie von der Größe der vom Aktor P angetriebenen Massen ab. Da die elektrische Kapazität des Piezostacks typischerweise im Be¬ reich von etwa Cp = 1 bis 100 μF liegt und der Innenwider- stand der dem Aktor zugeordneten Spannungsquelle etwaDue to the great mechanical rigidity of the piezoelectric sintered body, its electromechanical resonance is in the range from approximately 10 to 1000 kHz, so that response times of approximately 0.001 to 0.1 ms can be achieved in principle. However, the response times implemented in practice are longer and depend, among other things, on the electrical activation and connection of the piezo stack and on the size of the masses driven by the actuator P. Since the electrical capacitance of the piezo stack is typically in the range of approximately Cp = 1 to 100 μF and the internal resistance of the voltage source assigned to the actuator is approximately
Rj_ = 1 Ω beträgt, ergeben sich für die durch τ = Cp x Ri definierte Ladezeitkonstante Werte von etwa τ = l bis 100 μs. Die Ansprechzeiten des Piezoaktors P liegen also um 1 bis 2 Größenordnungen unter denen vergleichbarer elektromagneti- scher Antriebe, was in Verbindung mit einem kompakten Ventil- aufbau und kleinen bewegten Massen extrem kurze Ventilöff- nungs- und -schließzeiten ermöglicht.Rj_ = 1 Ω, the values for the charging time constant defined by τ = Cp x Ri are approximately τ = 1 to 100 μs. The response times of the piezo actuator P are therefore 1 to 2 orders of magnitude lower than those of comparable electromagnetic actuators, which in combination with a compact valve design and small moving masses enables extremely short valve opening and closing times.
Um die Einspritzung des Kraftstoffs in den Verbrennungsraum des Motors einzuleiten, wird der Aktor P angesteuert und da¬ durch in axialer Richtung elongiert. Die Längenänderung Δl des Aktors P hat eine entsprechende Verschiebung des in einer zylindrischen Bohrung des Gehäuses VG spielpaεsend gelagerten Druckkolbens DK nach oben zur Folge, so daß sich in der mit Hydrauliköl gefüllten Kammer KAI ein Überdruck p1# in den ebenfalls mit Hydrauliköl gefüllten und durch eine Druckkol¬ benbohrung Bl strömungstechnisch miteinander verbundenen Kam¬ mern KA2 und KA3 ein Unterdruck P2/3 < Pi auf aut. Sobald die der Druckdifferenz Δp = p± - P2/3 proportionalen hydrauli- sehen Kräfte einen von der Steifigkeit und Vorspannung der in der Kammer KA2 angeordneten Spiralfeder SF abhängigen Wert überschreiten, bewegt sich der topfförmige Hubkolben HK in der zylindrischen Druckkolbenbohrung ZY nach unten, hebt da¬ mit die mit ihm verbundene Ventilnadel VN vom Dichtsitz ab und der Einspritzvorgang beginnt.In order to initiate the injection of the fuel into the combustion chamber of the engine, the actuator P is activated and thereby elongated in the axial direction. The change in length .DELTA.l of the actuator P results in a corresponding displacement of the pressure piston DK mounted in a cylindrical bore of the housing VG so that there is an overpressure p 1 # in the hydraulic oil-filled chamber KAI in the hydraulic oil-filled chamber and through a pressure piston bore Bl fluidly connected chambers KA2 and KA3 a vacuum P2 / 3 <Pi on aut. As soon as the hydraulic forces proportional to the pressure difference Δp = p ± - P2 / 3 see one of the rigidity and preload of the Chamber KA2 arranged spiral spring SF dependent value, the cup-shaped reciprocating piston moves in the cylindrical pressure piston bore ZY, the valve needle VN connected to it lifts off from the sealing seat and the injection process begins.
Beendet wird die Kraftstoffeinspritzung durch die elektrische Entladung des Piezoaktors P. Infolge der damit einhergehenden Kontraktion des Aktors P bewegt sich der Druckkolben DK unter dem Zwang der von einer starken Tellerfeder TF ausgeübten Rückstellkraf wieder in seine Ausgangslage nach unten. Un- terstützt durch die Spiralfeder SF und die zwischen den Kam¬ mern KAI und KA2/KA3 bestehende Druckdifferenz führt der Hub¬ kolben HK eine gegenläufige Bewegung nach oben aus, so daß sich die gedichtet aus dem Gehäuse VG geführte Ventilnadel VN auf den Dichtsitz absenkt und die Einspritzöffnung ver- schließt.The fuel injection is ended by the electrical discharge of the piezo actuator P. As a result of the associated contraction of the actuator P, the pressure piston DK moves back down to its starting position under the force of the restoring force exerted by a strong plate spring TF. Supported by the spiral spring SF and the pressure difference existing between the chambers KAI and KA2 / KA3, the reciprocating piston HK executes an opposite movement upwards, so that the valve needle VN guided out of the housing VG is lowered onto the sealing seat and closes the injection opening.
Die transiente Arbeitsweise des Antriebs macht es erforder¬ lich, den Piezoaktor P mechanisch vorzuspannen. Die dazu not¬ wendige Kraft erzeugt die in der Kammer KAI angeordnete Tel- lerfeder TF, die auch die Rückführung des Druckkolbens DK in seine Ruhelage unterstützt. Strömungskanäle SK in der Kammer¬ decke sorgen für einen ungehinderten Zu- und Abfluß des Hy¬ drauliköls in das von der Tellerfeder TF und dem Ventilge¬ häuse VG eingeschlossene Volumen.The transient mode of operation of the drive makes it necessary to mechanically pretension the piezo actuator P. The force required for this is generated by the plate spring TF arranged in the chamber KAI, which also supports the return of the pressure piston DK to its rest position. Flow channels SK in the chamber ceiling ensure an unimpeded inflow and outflow of the hydraulic oil into the volume enclosed by the plate spring TF and the valve housing VG.
4.2 Das Ausgleichselement4.2 The compensation element
Um die geforderte AxialSymmetrie des Systems Primärantrieb- Kraft-/Wegübersetzung trotz fertigungsbedingter Toleranzen zu gewährleisten, ist zwischen dem Piezoaktor P und demIn order to ensure the required axial symmetry of the primary drive / force / displacement ratio system despite manufacturing tolerances, there is a difference between the piezo actuator P and the
Hubtransformator ein sich in einer kegelstumpfförmigen Ver¬ tiefung WL des Druckkolbens DK abstützendens Ausgleichsele¬ ment AE angeordnet. Das die Form einer Kugelschicht aufwei¬ sende Ausgleichselement AE besteht vorzugsweise aus Edelstahl oder einem Chrom-Nickelstahl. Aufgrund seiner polierten Ober¬ flächen kann das Ausgleichselement AE während des Zusammen¬ baus der Hydraulik auf der Piezokeramik frei gleiten und so- mit eine nicht konzentrische Ausrichtung von Aktor P und Druckkolben DK kompensieren. Die freie Drehbarkeit des Aus¬ gleichselements AE innerhalb des kegelförmigen Widerlagers WL stellt außerdem sicher, daß der obere Teil des drehgesichert am Gehäuseboden befestigten Piezoaktors P immer ganzflächig am Druckkolben DK anliegt. Für den kraftschlüssigen Kontakt der Teile zueinander sorgt die den Piezoaktor P mechanisch vorspannende Tellerfeder TF.Stroke transformer arranged in a truncated cone-shaped depression WL of the pressure piston DK compensating element AE. The compensation element AE, which is in the form of a spherical layer, is preferably made of stainless steel or a chromium-nickel steel. Due to its polished surfaces, the compensating element AE can slide freely on the piezoceramic during assembly of the hydraulics and thus compensate for a non-concentric alignment of actuator P and pressure piston DK. The free rotatability of the compensating element AE within the conical abutment WL also ensures that the upper part of the piezo actuator P, which is secured against rotation on the housing base, is always in contact with the pressure piston DK over the entire surface. The disc spring TF, which mechanically pre-stresses the piezo actuator P, ensures the frictional contact between the parts.
4.3 Die hydraulische Kraft-Wegübersetzung4.3 The hydraulic force-displacement ratio
Die vom Aktor P angetriebene Kraft-/Wegübersetzung besteht aus zwei gekoppelten hydraulischen Transformatoren, wobei das Übersetzungsverhältnis t|ι des oberen Hubtransformators durchThe force / displacement ratio driven by the actuator P consists of two coupled hydraulic transformers, the transmission ratio t | ι of the upper stroke transformer being
η1= = AD1/AH1 (1)η 1 = = AD1 / AH1 (1)
AD1: Fläche der Druckkolbenoberseite AH1: Fläche der HubkolbenoberseiteAD1: area of the piston top AH1: area of the piston top
das Übersetzungsverhältnis r|2 des unteren Hubtransformators durchthe transmission ratio r | 2 of the lower stroke transformer
η2: = AD2/AH2 (2)η 2 : = AD2 / AH2 (2)
AD2 : Aktorseitige Druckkolbenfläche AH2: Aktorseitige HubkolbenflächeAD2: Actuator-side pressure piston surface AH2: Actuator-side reciprocating piston surface
gegeben ist. Gleichung (2) gilt allerdings nur unter der Vor¬ aussetzung, daß der in der Hydraulikkammer KA3 angeordnete Aktor P im elongierten und entladenen Zustand dasselbe Volu¬ men aufweist. Wie der verwendete Piezostack P zeigen auch elektrostriktive und magnetostriktive Aktoren in guter Nähe¬ rung ein solches Verhalten.given is. Equation (2), however, only applies on the condition that the actuator P arranged in the hydraulic chamber KA3 has the same volume in the elongated and unloaded state. Like the piezo stack P used, electrostrictive and magnetostrictive actuators also show such behavior in good proximity.
Falls der Aktor P eine der Längenänderung Δl proportionaleIf the actuator P is proportional to the change in length Δl
Volumenänderung Δv erfährt, kann man ihm die effektiv wirksa- me Aktorfläche AP:= Δv/Δl zuordnen. In diesem Fall ist das Übersetzungsverhältnis η2' es unteren Hubtransformators durchVolume change Δv, you can give him the effectively effective Assign actuator area AP: = Δv / Δl. In this case, the transmission ratio η2 'of the lower stroke transformer is through
η2* : = (AD2-AP)/AH2 (3)η 2 *: = (AD2-AP) / AH2 (3)
gegeben.given.
Im Idealfall sollten oberes und unteres Hubübersetzungsver¬ hältnis identisch sein (r\_ = r\2 - Η) ■ was sich durch eine entsprechende Auslegung der druckwirksamen Stirnflächen der beiden Kolben DK, HK ohne weiteres erreichen läßt. So ist der Druckkolben DK der in Figur 1 dargestellten Kraft-/Wegüber¬ setzung stufig ausgeführt (AD1 < AD2) , um der durch die Ventilnadel hervorgerufenen Ungleichheit der druckwirksamen Hubkolbenflächen AH1 < AH2 Rechnung zu tragen.Ideally, the upper and lower stroke ratio should be identical (r \ _ = r \ 2 - Η) ■ which can be easily achieved by appropriate design of the pressure-effective end faces of the two pistons DK, HK. The pressure piston DK of the force / displacement ratio shown in FIG. 1 is designed in stages (AD1 <AD2) in order to take into account the inequality of the pressure-effective piston surfaces AH1 <AH2 caused by the valve needle.
Die hydraulische Kopplung der beiden Hubtransformatoren hat zur Folge, daß sich bei jeder Längenänderung des Aktors P komplementäre Drücke in den Kammern KAI und KA2/KA3 aufbauen, wobei eine Verschiebung des Druckkolbens DK um Δl eine ent¬ sprechend dem hydraulischen Übersetzungsverhältnis η » 1 vergrößerte gegenläufige Verschiebung des Hubkolbens HK in der Druckkolbenbohrung ZY hervorruft.The hydraulic coupling of the two stroke transformers has the result that with each change in length of the actuator P complementary pressures build up in the chambers KAI and KA2 / KA3, whereby a displacement of the pressure piston DK by Δl increases in an opposite manner corresponding to the hydraulic transmission ratio η »1 Displacement of the HK piston in the pressure piston bore ZY.
Um eine weitgehende Temperaturunabhängigkeit des Antriebs zu gewährleisten, sind die Hydraulikkammern KAI, KA2, KA3 sowohl untereinander als auch über die zwischen den Kolben DK, HK und den entsprechenden Zylinderbohrungen vorhandenen Kapil¬ larspalte KS mit einem unter Überdruck stehenden Ausgleichs- volumen AV verbunden. Temperaturbedingte Volumenänderungen des Hydrauliköls können daher weder zur Ausbildung statischer Druckdifferenzen zwischen den Kammern KAI und KA2/KA3 (dies hätte Undefinierte Stellungen des Hubkolbens HK zur Folge) , noch zur Ausbildung Undefinierter Druckzustände im gesamten System führen. Die über die Gehäusebohrung Gl bewerkstelligte Verbindung der Ringkammer RV mit dem Ausgleichsvolumen AV hat außerdem den Vorteil, daß keine die maximale Betätigungsfre¬ quenz herabsetzende Kavitation im Hydrauliköl auftritt.In order to ensure that the drive is largely independent of temperature, the hydraulic chambers KAI, KA2, KA3 are connected both to one another and to the compensating volume AV, which is under pressure, between the pistons DK, HK and the corresponding cylinder bores KS. Temperature-related changes in volume of the hydraulic oil can therefore neither lead to the formation of static pressure differences between the chambers KAI and KA2 / KA3 (this would result in undefined positions of the HK reciprocating piston), nor to the formation of undefined pressure states in the entire system. The connection between the ring chamber RV and the equalizing volume AV has been established via the housing bore Gl furthermore the advantage that there is no cavitation in the hydraulic oil which reduces the maximum actuation frequency.
Durch Anpassung der Strömungswiderstände der Kapillarspalte an die Viskosität des verwendeten Hydrauliköls läßt sich si¬ cherstellen, daß das Ventil im relevanten Arbeitstemperatur¬ bereich mit der durch das Ansteuersignal vorgegebenen Fre¬ quenz und der gewünschten Dauer absperrt. Um einen großen Strömungswiderstand einzustellen, bietet sich beispielsweise an, die Bohrung Gl im Bereich der Druckkolbendichtfläche vor¬ zusehen. Sie kann prinzipiell aber auch in die ringförmige Kammer RV münden (s. Figur 1) oder in jedem anderen Bereich des Ventilgehäuses VG angebracht sein, sofern Strömungswider¬ stände in Form von Blenden, Spalten, Drosseln, Verengungen usw. dafür sorgen, daß zwischen den verschiedenen Volumina bzw. Kammern nur vergleichsweise langsame Ausgleichsvorgänge stattfinden. Gegebenenfalls sind die Kammern soweit gegenein¬ ander abzudichten, daß man die geforderten Absperrzeiten erreicht und die Temperaturunabhängigkeit des Antriebs wei- terhin gewährleistet ist. Eine temperaturabhängige Steuerung der SpaltStrömungen ist möglich, wenn man das Ventilgehäuse VG und die Einbauten (Druckkolben DK, Hubkolben HK) aus Materialien mit unterschiedlichen thermischen Volumen- /Längenausdehnungskoeffizienten herstell . Es kann damit er- reicht werden, daß sich die Spaltbreiten mit zunehmender Tem¬ peratur verringern, was den Strδmungswiderstand entsprechend erhöht. Temperaturgesteuerte Strömungswiderstände lassen sich selbstverständlich auch als diskrete Bauelemente fertigen und in die entsprechenden Bohrungen G3 oder Zuleitungen einbauen.By adapting the flow resistances of the capillary gaps to the viscosity of the hydraulic oil used, it can be ensured that the valve shuts off in the relevant working temperature range with the frequency and the desired duration specified by the control signal. In order to set a large flow resistance, it is advisable, for example, to provide the bore G1 in the area of the pressure piston sealing surface. In principle, however, it can also open into the annular chamber RV (see FIG. 1) or be fitted in any other area of the valve housing VG, provided that flow resistances in the form of orifices, gaps, restrictors, constrictions etc. ensure that between the different volumes or chambers only comparatively slow compensation processes take place. If necessary, the chambers have to be sealed against one another to such an extent that the required shut-off times are achieved and the temperature independence of the drive is still guaranteed. Temperature-dependent control of the gap flows is possible if the valve housing VG and the internals (pressure piston DK, reciprocating piston HK) are made from materials with different thermal volume / length expansion coefficients. It can thus be achieved that the gap widths decrease with increasing temperature, which increases the flow resistance accordingly. Temperature-controlled flow resistances can of course also be manufactured as discrete components and installed in the corresponding holes G3 or supply lines.
Der erfindungsgemäße Antrieb weist eine Reihe von Vorteilen auf. So erlaubt der Antrieb ein symmetrisches kavitations¬ freies Schalten mit sehr kurzen Schaltzeiten, äußerst gerin¬ gen Totzeiten und hohen Betätigungsfrequenzen. Weiterhin zeichnet sich der Antrieb aufgrund seines vergleichsweise einfachen und kompakten Aufbaus und des großen Arbeitstempe¬ raturbereichs durch eine hohe Betriebszuverlässigkeit aus. Hierzu trägt auch der Umstand bei, daß der Aktor P hermetisch gekapselt in einer der Hydraulikkammern KA3 angeordnet ist. Eine gute Ableitung der erzeugten Wärme und ein optimaler Schutz gegen Umwelteinflüsse sind daher gewährleistet. Der Antrieb ist auch weitgehend abgeschlossen, da man die elek¬ trischen Anschlüsse L des Aktors P durch ein druckdichtes, elektrisch isolierendes Element LD nach außen führt.The drive according to the invention has a number of advantages. The drive thus allows symmetrical, cavitation-free switching with very short switching times, extremely short idle times and high actuation frequencies. Furthermore, due to its comparatively simple and compact structure and the large working temperature range, the drive is characterized by a high level of operational reliability. The fact that the actuator P is hermetically encapsulated in one of the hydraulic chambers KA3 also contributes to this. A good dissipation of the generated heat and optimal protection against environmental influences are therefore guaranteed. The drive is also largely closed, since the electrical connections L of the actuator P are led outside through a pressure-tight, electrically insulating element LD.
Der Hubkolben der in Figur 2 dargestellten Kraft-/Wegüberset¬ zung besteht aus zwei Teilen HKl, HK2, wobei der topfartig ausgebildete, ventilnadelseitig offene und auf der Feder SF aufliegende äußere Teil HKl mit enger Toleranz in der Druck¬ kolbenbohrung ZY geführt ist. Hierin stützt sich der eben- falls topfformige und aktorseitig offene innere Hubkolbenteil HK2 ab. Eine Schraube S verbindet den quer zur Hubrichtung verschiebbaren inneren Teil HK2 mit der Ventilnadel VN. Beide Teile können auch verlötet oder verschweißt sein.The reciprocating piston of the force / displacement transmission shown in FIG. 2 consists of two parts HK1, HK2, the cup-shaped outer part HKl, which is open on the valve needle side and rests on the spring SF, is guided with close tolerance in the pressure piston bore ZY. This is the basis for the cup-shaped inner piston part HK2, which is open on the actuator side. A screw S connects the inner part HK2, which can be moved transversely to the stroke direction, with the valve needle VN. Both parts can also be soldered or welded.
Die horizontale Verschiebbarkeit des inneren gegenüber dem in der Bohrung ZY geführten äußeren Hubkolbenteil gewährleistet, daß eine im System Druckkolben/Hubkolben vorhandene Exzentri¬ zität weitgehend ausgeglichen wird. Im nicht angesteuerten Zustand sorgt die in der Kammer KA2 angeordnete Feder SF für einen kraf schlüssigen Kontakt der beiden HubkolbenteileThe horizontal displaceability of the inner piston part in relation to the outer piston part guided in the bore ZY ensures that any eccentricity present in the pressure piston / piston system is largely compensated for. In the non-activated state, the spring SF arranged in the chamber KA2 ensures frictional contact between the two piston parts
HK1/2, wobei sich die Ventilnadel VN auf dem Ventilsitz ab¬ stützt. Auch bei einer Auslenkung des Druckkolbens DK bleibt der kraftschlüssige Kontakt erhalten, da das Hydrauliköl auf den inneren Teil HK2 eine größere Kraft ausübt als auf die dem äußeren Teil HKl zugeordnete Ringfläche AI (A > Aj) . Die beiden mit AS bezeichneten Anschläge begrenzen die Auslenkung des äußeren Hubkolbenteils AK2 nach unten. Eine am Boden des äußeren Hubkolbenteils HKl vorhandene Drossel DR ermöglicht den Flüssigkeitsaustausch zwischen den beiden Kammern KA2/KA4 (Kompensation von Temperatureffekten; s. Abschnitt 4.2). 5 . LiteraturHK1 / 2, the valve needle VN being supported on the valve seat. Even when the pressure piston DK is deflected, the non-positive contact is maintained, since the hydraulic oil exerts a greater force on the inner part HK2 than on the annular surface AI (A> Aj) assigned to the outer part HK1. The two stops labeled AS limit the deflection of the outer piston part AK2 downwards. A throttle DR at the bottom of the outer piston part HKl enables the liquid exchange between the two chambers KA2 / KA4 (compensation of temperature effects; see section 4.2). 5. literature
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Claims

Patentansprüche claims
1. Elektrohydraulischer Antrieb mit den folgenden Merkmalen: In einem mit einem Hydraulikmedium gefüllten Gehäuse (GH) sind ein Aktor (P) und ein Hubtransformator (DK, HK, AE) angeordnet, wobei sich die Länge des Aktors (P) steuerbar ändern läßt; der Hubtransformator enthält einen in einer Gehäusebohrung axialverschiebbar angeordneten ersten Kolben (DK) und ei- nen auf ein Federelement (SF) und ein Stellelement (VN) wirkenden zweiten Kolben (HK) ; der vom Aktor (P) angetriebene erste Kolben (DK) besitzt eine axiale Bohrung (ZY) , in der sich der zweite Kolben (HK) gegenläufig zum ersten Kolben (DK) bewegt, gekennzeichnet durch ein zwischen dem Aktor (P) und dem Hubtransformator (DK, HK) angeordnetes Ausgleichselement (AE) , wobei das Ausgleichselement (AE) die Form einer Kugelschicht besitzt, sich in einer aktorseitigen Vertiefung (WL) des ersten Kolbens (DK) abstützt und auf dem Aktor (P) frei gleiten kann.1. Electro-hydraulic drive with the following features: an actuator (P) and a stroke transformer (DK, HK, AE) are arranged in a housing (GH) filled with a hydraulic medium, the length of the actuator (P) being controllably changeable; the stroke transformer contains a first piston (DK) arranged axially displaceably in a housing bore and a second piston (HK) acting on a spring element (SF) and an adjusting element (VN); the first piston (DK) driven by the actuator (P) has an axial bore (ZY) in which the second piston (HK) moves in the opposite direction to the first piston (DK), characterized by a between the actuator (P) and the stroke transformer (DK, HK) arranged compensation element (AE), wherein the compensation element (AE) has the shape of a spherical layer, is supported in an actuator-side recess (WL) of the first piston (DK) and can slide freely on the actuator (P).
2. Elektrohydraulischer Antrieb nach Anspruch 1, geken zeichne durch eine sich in Richtung des zweiten Kolbens (HK) verjüngende Vertiefung (WL) .2. Electro-hydraulic drive according to claim 1, characterized by drawing in the direction of the second piston (HK) tapering recess (WL).
3. Elektrohydraulischer Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeich e durch eine kegelstumpfförmige Vertiefung (WL) .3. Electro-hydraulic drive according to claim 1 or 2, marked by a truncated cone-shaped recess (WL).
4. Elektrohydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge ennzeichnet , daß die aktorseitige Vertiefung (WL) in die axiale Bohrung (ZY) des ersten Kolbens (DK) mündet. 4. Electro-hydraulic drive according to one of claims 1 to 3, characterized in that the actuator-side recess (WL) opens into the axial bore (ZY) of the first piston (DK).
5. Elektrohydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß eine von dem zweiten Kolben (HK) , der axialen Bohrung (ZY) und dem Ausgleichselement (AE) gebildete erste Hydrau¬ likkammer (KA2) mit einer den Aktor (P) aufnehmenden zweiten Hydraulikkammer (KA3) strömungstechnisch verbunden ist.5. Electro-hydraulic drive according to one of claims 1 to 4, characterized in that one of the second piston (HK), the axial bore (ZY) and the compensating element (AE) formed first hydraulic chamber (KA2) with a the actuator ( P) receiving the second hydraulic chamber (KA3) is connected in terms of flow technology.
6. Elektrohydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Kolben (DK) stufig ausgeführt ist.6. Electro-hydraulic drive according to one of claims 1 to 5, characterized in that the first piston (DK) is designed in stages.
7. Elektrohydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Federelement (SF) in der ersten Hydraulikkammer (KA2) angeordnet ist.7. Electro-hydraulic drive according to one of claims 1 to 6, characterized in that the spring element (SF) is arranged in the first hydraulic chamber (KA2).
8. Elektrohydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kolben (HK) aus einem topfförmigen, in Richtung des Stellelements (VN) offenen ersten Teil (HKl) und einem topfförmigen, aktorseitig offenen zweiten Teil (HK2) besteht, wobei der auf das Stellelement (VN) wirkende zweite Teil (HK2) kraf schlüssig und quer zur Hubrichtung verschiebbar auf dem Boden des ersten Teils (HKl) angeordnet ist.8. Electro-hydraulic drive according to one of claims 1 to 7, characterized in that the second piston (HK) from a cup-shaped, in the direction of the actuating element (VN) open first part (HKl) and a cup-shaped, actuator side open second part (HK2) there, the second part (HK2) acting on the adjusting element (VN) being arranged in a force-fitting manner and displaceable transversely to the stroke direction on the bottom of the first part (HK1).
9. Elektrohydraulischer Antrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß ein topfförmiges Ende des Stellelementε (VN) den zweiten Teil des zweiten Kolbens (HK) bildet.9. Electro-hydraulic drive according to claim 8, characterized in that a cup-shaped end of the adjusting element (VN) forms the second part of the second piston (HK).
10. Elektrohydraulischer Antrieb nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge ennzeichnet , daß der zweite Teil (HK2) mit dem Stellelement (VN) ver¬ schraubt oder verlötet is .10. Electro-hydraulic drive according to claim 8 or 9, characterized in that the second part (HK2) is screwed or soldered to the actuating element (VN).
11. Elektrohydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichne , daß der erste Teil (HK2) eine als Drossel wirkende Bohrung11. Electro-hydraulic drive according to one of claims 8 to 10, characterized in that the first part (HK2) has a bore acting as a throttle
(DR) aufweist. (DR).
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